(57)【要約】【課題】過剰な光損失または駆動電圧損失を生じることなく偏光感度を低下させた可変光学リターダを提供する。【解決手段】液晶可変光学リターダの内部にサブ波長格子を配置して、可変光学リターダにより生じる光学位相差の偏光依存性を低下させる。従来の波長板と比較して、サブ波長格子の厚さを薄くすることにより、サブ波長格子をセル内に配置することによる駆動電圧損失を軽減する。【選択図】図２
2014044424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の連続的な板状電極と、
前記第１の電極に対向する、第２の実質的に透明な連続的な板状電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧が印加されたときに前記第２の電極に入射する光に可変光学位相シフトを与える、前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置され、ディレクタを有する液晶層と、
前記液晶層と前記第１の電極の間に配置され、前記ディレクタに対して鋭角をなす格子線を有するサブ波長格子とを含む、液晶可変光学リターダ。
【請求項２】
前記サブ波長格子が、誘電体または半導体の格子を含む、請求項１に記載の可変光学リターダ。
【請求項３】
前記サブ波長格子が、いかなる金属も含まない反射性格子を含む、請求項２に記載の可変光学リターダ。
【請求項４】
前記格子線が、互いの間に隙間を画定するリッジを含み、前記液晶層が、前記隙間中に延在する、請求項２に記載の可変光学リターダ。
【請求項５】
前記鋭角が４５±５度である、請求項１に記載の可変光学リターダ。
【請求項６】
前記サブ波長格子が、１回透過で４分の１波長の位相差をもたらす、請求項５に記載の可変光学リターダ。
【請求項７】
入射する光ビームに可変位相遅延を与える可変光学リターダであって、
ピクセル電極を有する基板と、
入射する光ビームに第１の光学位相差を与える、前記ピクセル電極上に配置され、かつ前記ピクセル電極から分離したサブ波長格子であり、互いに平行に延びる複数の格子線を有するサブ波長格子と、
内部を伝搬する光ビームに第２の光学位相差を与える、前記サブ波長格子上の液晶層と、
前記液晶層上の実質的に透明な背面電極とを含み、
前記ピクセル電極と前記背面電極の間に電圧が印加されたときに前記第２の光学位相差が変化することにより、前記液晶層を通って伝搬する光ビームに可変位相遅延を与え、
前記液晶層のディレクタが、前記格子線に対して鋭角をなすことにより、前記可変光学リターダの前記光ビームの偏光状態に対する感度が低下する、可変光学リターダ。
【請求項８】
前記ピクセル電極が、連続的な平坦な上面を有する、請求項７に記載の可変光学リターダ。
【請求項９】
前記サブ波長格子が、誘電体または半導体を含む、請求項８に記載の可変光学リターダ。
【請求項１０】
前記サブ波長格子が、いかなる金属も含まない誘電体格子を含む、請求項９に記載の可変光学リターダ。
【請求項１１】
前記サブ波長格子が、反射性である、請求項１０に記載の可変光学リターダ。
【請求項１２】
前記誘電体格子が、二酸化シリコン、タンタラおよびシリコンのうちの１つまたは複数を含む、請求項１０に記載の可変光学リターダ。
【請求項１３】
前記格子線が、互いの間に空気の隙間を画定するリッジを含む、請求項７に記載の可変光学リターダ。
【請求項１４】
前記鋭角が、４５±５度に等しく、前記サブ波長格子が、１回透過で４分の１波長の位相差をもたらす、請求項７に記載の可変光学リターダ。
【請求項１５】
共通の液晶層、前記サブ波長格子および前記背面電極の下に、複数のピクセル電極をさらに含む、請求項７に記載の可変光学リターダ。
【請求項１６】
前記基板が、シリコン基板であり、前記可変光学リターダが、前記複数のピクセル電極の下で前記シリコン基板上に配置された、前記ピクセル電極のそれぞれに独立して電圧を印加するドライバ回路をさらに含む、請求項１５に記載の可変光学リターダ。
【請求項１７】
トリム・リターダを含む液晶オン・シリコン空間光変調器であって、前記トリム・リターダがサブ波長格子を含む、液晶オン・シリコン空間光変調器。
【請求項１８】
光ビームに可変位相遅延を与える方法であって、
（ａ）前記ビームを液晶層を通して伝搬させ、次いで前記液晶層のディレクタに対して鋭角をなすように配向された格子線を有するサブ波長格子を通して伝搬させるステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で伝搬したビームを反射して、前記液晶層を逆に通して伝搬させるステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）および（ｂ）を実行しながら、前記液晶層および前記サブ波長格子の外部にある、前記液晶層および前記サブ波長格子と平行な１対の板状電極を介して前記液晶層に電界を印加して、前記液晶層の光学位相差を変化させることにより、前記光ビームの位相遅延を変化させるステップとを含み、前記電極の平坦性により、前記印加電界の空間的均一性が促進され、それにより前記液晶層の前記変化後の光学位相差の空間的均一性が促進される、方法。
【請求項１９】
（ｄ）１回透過で４分の１波長の光学位相差をもたらす前記サブ波長格子を形成し、前記サブ波長格子線を前記液晶層の前記ディレクタに対して４５±５度の角度をなすように配置するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ステップ（ｄ）が、いかなる金属も含まない前記サブ波長格子を形成することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学リターダに関し、さらに詳細には、光ビームに可変位相遅延を与える可変光学リターダに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶可変光学リターダは、可変光学位相遅延を与え、および／または光ビームの偏光状態を変化させるために使用される。通常の液晶可変光学リターダでは、２つの透明電極の間に、数マイクロメートルの厚さの液晶流体層が挟まれている。液晶分子は、異方性が高いので、電極に電圧が印加されると、電極間に生じる電界によって配向される。液晶分子の電界誘起配向によって、液晶層の有効屈折率が変化し、これが、液晶層内を伝搬する光ビームの光学位相に影響を及ぼす。「ディレクタ」と呼ばれる液晶分子の主配向方向に対して光ビームが４５度の角度で直線偏光すると、誘起された光学位相差によって光ビームの偏光状態が変化する可能性がある。例えば、直線光学偏光が回転する可能性がある。光ビームが液晶分子の主配向方向に沿って直線偏光すると、可変光学リターダによって光ビームに可変光学位相遅延が与えられる。
【０００３】
複数の可変光学リターダのアレイは、共通の液晶層の下に個別制御可能なピクセルのアレイを配列することによって構築することができる。直線偏光した光ビームがこのようなアレイを照らすと、このビームに所定の光学位相パターンが与えられ、可動部分がなくても光ビームの多様な合焦またはステアリングを行うことができる。可変光学リターダのアレイには、ビーム走査／ステアリングや光学収差補正などの分野で様々に応用されている。
【０００４】
液晶可変リターダの欠点の１つは、通常、適切に動作するためには偏光した光ビームが必要であることである。ただし、この欠点は本質的なものではなく、適当な偏波ダイバーシチ構成を用いることによって克服することができる。例えば、Ｇ．Ｄ．Ｌｏｖｅは、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．１３、ｐ．２２２２〜２２２３、１９９３年５月１日の「非偏光光の液晶位相変調器」と題する論文において、反射偏光無依存型可変光学リターダを開示している。図１を参照すると、Ｌｏｖｅの可変光学リターダ１０は、液晶セル１２とミラー１３の間に配置された４分の１波長板（ＱＷＰ）１１を有する。動作に際しては、入来する垂直直線偏光（Ｖ−ＬＰ）光ビーム１４が、液晶セル１２および４分の１波長板１１を通って伝搬し、ミラー１３で反射されて、４分の１波長板１１および液晶セル１２を逆方向に通って伝搬する。反射光ビームは、１６に示してある。液晶セル１２は、垂直に配向されたディレクタ１５を有する。したがって、可変光学位相遅延は、第１の光路では、光ビーム１４の偏光状態を変化させることなく光ビーム１４に与えられる。４分の１波長板１１は、垂直偏光状態を左円偏光（ＬＨ−ＣＰ）に変化させるように配向される。この左円偏光は、ミラー１３による反射後は右円偏光（ＲＨ−ＣＰ）になる。第２の光路では、４分の１波長板１１は、右円偏光を水平直線偏光（Ｈ−ＬＰ）に変化させるが、ディレクタ１５が水平直線偏光に対して直交するように配向されている、すなわち垂直に配向されているので、この水平直線偏光は液晶セル１２によって変化しない。入来する光ビーム１４が水平偏光している場合（分かりやすくするために図示しない）には、光ビーム１４は、液晶セル１２を通る第１の光路ではなく第２の光路で垂直偏光され、同じ量だけ位相遅延されることが分かる。したがって、光ビーム１４が偏光していない、またはランダムに偏光されている場合には、光ビーム１４は、その偏光状態に関わりなく、同じ量だけ位相遅延される。したがって、可変光学リターダ１０は、偏光無依存型である。
【０００５】
図１の可変光学リターダ１０の欠点の１つは、液晶セル１２とミラー１３の間に４分の１波長板１１を配置することにより、ミラー１３と液晶セル１２の間の距離Ｄが大きくなることである。これは、入来する光ビーム１４が距離Ｄを伝搬する間に発散するので、好ましくない。ビームが発散することにより、液晶セル１２上のビーム・スポット・サイズが大きくなる。ビーム・スポット・サイズが大きくなると、空間解像度が低下するので、液晶セル１２がピクセル化されている可変リターダ・アレイ構成では好ましくない。
【０００６】
可変光学リターダ１０の別の欠点は、外部の４分の１波長板１１に対応するためには、液晶セル１２が透過性でなければならないことである。透過性の液晶セルは、通常、複光路構成となり、単光路構成の反射性液晶セルよりも光損失が大きくなる。これは、透過性セルでは、入来する光が２つの透明電極を２回通過しなければならないからである。透明電極は、導電性と光透過性の両方を有していなければならない。これらの要件には、それぞれ相容れない部分もあるので、通常は、透明電極によって、ある程度余計な光損失がシステムに導入されることになる。
【０００７】
Ｊａｍｅｓ他は、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．８、ｐ．２４６４〜２４７３の「再構成可能なビーム・ステアリングのための液晶２Ｄ空間光変調器の回折効率および偏光感度のモデリング」と題する論文において、電極の１つが高い反射性を有し、４分の１反射板が液晶セルの内部に配置される、反射性偏光無依存液晶リターダ・アレイを開示している。この場合に生じる光損失は低い。これは、Ｊａｍｅｓの装置では、入来する光ビームが２回通過する電極が２つではなく１つだからである。ただし、４分の１波長板を内部に配置することにより、液晶層の両端間の電界が弱くなるので、この電界減少を補償するためにより高い駆動電圧が必要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｇ．Ｄ．Ｌｏｖｅ、「非偏光光の液晶位相変調器」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．１３、ｐ．２２２２〜２２２３、１９９３年５月１日
【非特許文献２】Ｊａｍｅｓ他、「再構成可能なビーム・ステアリングのための液晶２Ｄ空間光変調器の回折効率および偏光感度のモデリング」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．８、ｐ．２４６４〜２４７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、過剰な光損失または駆動電圧損失を生じることなく偏光感度を低下させた可変光学リターダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、電極と液晶層の間の液晶可変光学リターダの内部に、誘電体または半導体のサブ波長格子（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｇｒａｔｉｎｇ）が配置される。サブ波長格子は、極めて薄い厚さでありながら４分の１波長板として作用するので、サブ波長格子を内部に配置することによる駆動電圧損失が軽減される。サブ波長格子は、高い反射性を有するようにすることもできる。例えば、サブ波長格子は、金属反射体と比較してさらに光損失を低下させる、多層誘電体高反射体を含むことができる。
【００１１】
本発明の１つの態様によれば、
第１の連続的な板状電極と、
前記第１の電極に対向する、第２の実質的に透明な連続的な板状電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧が印加されたときに前記第２の電極に入射する光に可変光学位相シフトを与える、前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置され、ディレクタを有する液晶層と、
前記液晶層と前記第１の電極の間に配置され、前記ディレクタに対して鋭角をなす、好ましくは４５度をなす、格子線を有するサブ波長格子とを含む、液晶可変光学リターダが提供される。
【００１２】
本発明によれば、さらに、
入射する光ビームに可変位相遅延を与える可変光学リターダであって、
ピクセル電極を有する基板と、
入射する光ビームに第１の光学位相差を与える、前記ピクセル電極上に配置され、かつ前記ピクセル電極から分離したサブ波長格子であり、互いに平行に延びる複数の格子線を有するサブ波長格子と、
内部を伝搬する光ビームに第２の光学位相差を与える、前記サブ波長格子上の液晶層と、
前記液晶層上の実質的に透明な背面電極とを含み、
前記ピクセル電極と前記背面電極の間に電圧が印加されたときに前記第２の光学位相差が変化することにより、前記液晶層を通って伝搬する光ビームに可変位相遅延を与え、
前記液晶層のディレクタが、前記格子線に対して鋭角をなすことにより、前記可変光学リターダの前記光ビームの偏光状態に対する感度が低下する、可変光学リターダが提供される。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、さらに、トリム・リターダを含む液晶オン・シリコン（ｌｉｑｕｉｄ‐ｃｒｙｓｔａｌ‐ｏｎ‐ｓｉｌｉｃｏｎ）空間光変調器であって、前記トリム・リターダがサブ波長格子を含む、液晶オン・シリコン空間光変調器が提供される。
【００１４】
本発明のさらに別の態様によれば、さらに、
光ビームに可変位相遅延を与える方法であって、
（ａ）前記ビームを液晶層を通して伝搬させ、次いで前記液晶層のディレクタに対して鋭角をなすように配向された格子線を有するサブ波長格子を通して伝搬させるステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で伝搬したビームを反射して、前記液晶層を逆に通して伝搬させるステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）および（ｂ）を実行しながら、前記液晶層および前記サブ波長格子の外部にある、前記液晶層および前記サブ波長格子と平行な１対の板状電極を介して前記液晶層に電界を印加して、前記液晶層の光学位相差を変化させることにより、前記光ビームの位相遅延を変化させるステップとを含み、前記電極の平坦性により、前記印加電界の空間的均一性が促進され、それにより前記液晶層の前記変化後の光学位相差の空間的均一性が促進される、方法が提供される。
【００１５】
好ましい実施形態によれば、前記サブ波長格子はいかなる金属も含まず、これにより、光損失および電界フリンジ効果または遮蔽効果が低減する。
【００１６】
以下、図面と関連付けて例示的な実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の偏光無依存型液晶可変光学リターダを示す概略図である。
【図２】図２Ａは本発明の可変光学リターダを示す側方断面図である。図２Ｂは本発明の可変光学リターダを示す平面断面図である。
【図３】図３Ａは図２Ａおよび図２Ｂの可変光学リターダの１実施形態を示す側方断面図である。図３Ｂは図３Ａの可変光学リターダの１実施形態のピクセル領域を示す拡大側方断面図である。図３Ｃは図３Ａの可変光学リターダの別の実施形態のピクセル領域を示す拡大側方断面図である。
【図４】図３Ａの可変光学リターダの１実施形態の液晶オン・シリコン（ＬＣｏＳ）実施態様を示す側方断面図である。
【図５】サブ波長格子の形態のトリム・リターダを有する空間光変調器を示す図である。
【図６】本発明による光ビームに可変位相遅延を与える方法を示す流れ図である。
【図７】有効屈折率、複屈折、ならびに図２Ａ、図２Ｂおよび図３Ａから図３Ｃの可変光学リターダで使用されるサブ波長格子の高さを、格子ピッチを波長よりはるかに小さいものとして近似計算したサブ波長フィーチャの充填率（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）の関数としてプロットした理論プロットである。
【図８】有限格子ピッチを０．８マイクロメートルとして電磁理論を用いて計算した、アルミニウム基板上に形成した例示的なタンタラ（ｔａｎｔａｌａ）（Ｔａ２Ｏ５）／空気のラメラ格子の光学リターダンス、偏光依存損失および挿入損の充填率依存性を示す図である。
【図９】セル内型のサブ波長格子を有する可変光学リターダに印加した電圧に対する液晶層の両端間の電圧降下のプロットを示すとともに、比較のために、セル内型のサブ波長格子の代わりにセル内型の従来の４分の１波長板を有する可変光学リターダにおける対応する電圧降下も示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
様々な実施形態および実施例に関連付けて本発明の教示について説明するが、この説明は、本発明の教示をこれらの実施形態に限定するものではない。本発明の教示は、これらの実施形態に限定されるのではなく、様々な代替形態、修正形態および均等物を包含するものであることを、当業者なら理解するであろう。図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂおよび３Ｃでは、同じ参照番号は同じ要素を示している。
【００１９】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、本発明の可変光学リターダ２０は、第１の連続的な板状電極２１および第１の電極２１に対向する第２の実質的に透明な連続的な板状電極２２と、液晶層２６と、液晶層２６と第１の電極２１の間に配置されるサブ波長格子２４とを含む。図２Ｂから分かるように、サブ波長格子２４は、互いに平行に延びる複数の格子線２５を有する。液晶層２６のディレクタ２７は、格子線２５に対して４５度の角度αをなす。サブ波長格子２４は、１回透過で４分の１波長の位相差を与えるので、２回透過では２分の１波長の位相差になる。
【００２０】
動作に際しては、光ビーム２８は、第２の電極２２を通して液晶層２６に入射する。第１の電極２１と第２の電極２２の間に電圧Ｖを印加することにより、液晶層２６の光学位相差を変化させる。その結果として、可変位相遅延が、光ビーム２８に与えられる。サブ波長格子２４は、ディレクタ２７に対してα＝４５度の角度で配向された４分の１波長板として作用して、図１に関連して上記で説明したように水平偏光と垂直偏光を切り替え、これにより、可変光学リターダ２０の光ビーム２８の偏光状態に対する感度を低下させる。実施形態によっては、角度αは４５度に等しくなく、鋭角のままである。ある程度の偏光依存性が必要な場合には、サブ波長格子２４の位相差の値を、１回透過の４分の１波長からずらしてもよい。
【００２１】
例えば０．２ミクロン以内または好ましくは０．１ミクロン以内の平坦度を有するような第１の電極２１の上面２３の平坦かつ一様な表面２３は、例えばサブ波長格子２４を第１の電極２１に直接微細加工した場合に第１の電極２１が有する波形表面よりもより一様な電界を生成するので、第１の電極２１の上面２３が平坦かつ一様であることは有利である。より一様な電界を液晶層２６に印加することにより、より一様な液晶層２６の光学位相差プロフィルを生じ、それにより、フリンジ電界によって乱される液晶層２６の不要かつ制御不能な回折効果を低減する。
【００２２】
第１の電極２１の上面２３は、高い反射性を有するようにすることができ、この場合、サブ波長格子２４は透過性にする。ただし、サブ波長格子２４自体が高い反射性を有するようにしてもよい。例えば、サブ波長格子２４が、多層誘電体高反射体（図示せず）を含み、第１の電極２１の表面２３が高い反射率を有する必要がないようにしてもよい。金属反射体は、必然的にある程度の光損失を引き起こすので、サブ波長格子２４の誘電体高反射体は、第１の電極２１の表面２３より高い反射率を有することができ、その結果、可変光学リターダ２０の全体的な光損失を低減することができる。光損失をさらに低減し、電界遮蔽を防止するために、サブ波長格子２４は、いかなる金属も含まない誘電体または半導体で構成することが好ましい。例えば、サブ波長格子２４は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）のホスト内にタンタラ（Ｔａ２Ｏ５）またはシリコン（Ｓｉ）の周期構造を含むことができる。
【００２３】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、本発明の可変光学リターダ３０は、複数のピクセル電極３１が形成された基板３４Ｃと、ピクセル電極３１上に配置され、かつピクセル電極３１から分離したサブ波長格子３４と、サブ波長格子３４上の液晶層３６と、液晶層３６上の実質的に透明の背面電極３２とを含む。ガラス・カバー・プレート３９が、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの適当な材料で構成された背面電極３２を支持している。カバー・プレート３９は、反射防止（ＡＲ）被膜３９Ａを有する。サブ波長格子３４および背面電極３２に接着された配向層３７は、液晶層３６内の液晶分子を整列させるために使用される。サブ波長格子３４は、リッジ３４Ａの形状をした複数の格子線を有する。液晶層３６は、リッジ３４Ａの間の隙間３４Ｂの中にも延在している。図示の実施形態では、基板３４Ｃは、二酸化シリコン基板である。
【００２４】
動作に際しては、光ビーム３８は、ＡＲ被膜３９Ａ、カバー・プレート３９、透明背面電極３２および液晶層３６を順に通って伝搬し、サブ波長格子３４に入射し、ピクセル電極３１の上面３３で反射されて、上記の積層構造を逆の順序で通って伝搬する。液晶層３６およびサブ波長格子３４は、第１の光学位相差および第２の光学位相差をそれぞれ光ビーム３８に与える。ピクセル電極３１と背面電極３２の間に電圧が印加され、液晶層３６を通って伝搬する光ビーム３８に可変位相遅延が与えられると、第２の光学位相差は変化する。液晶層３６のディレクタ（図示せず）は、格子線３４Ａに対して４５度の角度をなすので、可変光学リターダ３０の光ビーム３８の偏光状態に対する感度は低減される。
【００２５】
上述のように、フリンジ電界と、これに付随する液晶の屈折率の空間変調とを回避するために、ピクセル電極３１の上面３３は平坦であることが好ましい。反射率を高めるために、サブ波長格子３４を反射性にしてもよい。また、１実施形態では、液晶層３６のディレクタは、格子線（リッジ３４Ａ）に対して鋭角をなし、必ずしも４５度に等しい角度にはならない。三角形や台形など、方形リッジ３４Ａ以外の格子線の形状を使用することもできる。サブ波長格子３４は、１回透過で４分の１波長の光学位相差を有することが好ましい。すなわち、図３Ａで光ビーム３８が下向きに伝搬するときに４分の１波長の位相差があり、光ビーム３８が反射されて上方に伝搬するときに４分の１波長の位相差があることが好ましい。図２の可変光学リターダ２０に関連して上記で説明したように、図３Ａの可変光学リターダ３０のサブ波長格子３４は、誘電体または半導体を含むことが好ましく、光損失を少なくし、ピクセル電極３１と背面電極３２とが生成する電界の乱れを少なくするためには、いかなる金属も含まない純粋な誘電体であることが最も好ましい。非限定的な例としては、サブ波長格子３４の格子線またはリッジ３４Ａは、タンタラ（Ｔａ２Ｏ５）で構成することができる。
【００２６】
図３Ｃに示す可変光学リターダ３０の実施形態では、タンタラ（ｔａｎｔａｌａ）のリッジ３４Ａが二酸化シリコン基板３４Ｃ内に形成されることで、サブ波長格子３４が平坦化されるので、下側配向層３７が平坦になり、したがって、液晶層３６の両側が平坦になる。これにより、図３Ｂに示すように一部が液晶材料で構成されるサブ波長格子構造を有さないので、より安定なサブ波長格子３４が得られる。
【００２７】
図３Ａから図３Ｃでは、共通の液晶層３６、サブ波長格子３４および背面電極３２の下に複数のピクセル電極３１を示しているが、可変光学リターダ３０は、ピクセル電極３１を１つしか含まないようにして、実質的に、光ビーム３８全体に同じ可変光学位相シフトを与える必要がある分野で使用することができる非ピクセル化光学リターダとすることもできることを理解されたい。
【００２８】
図３Ａから図３Ｃのピクセル化可変光学リターダ３０は、液晶オン・シリコン（ＬＣｏＳ）技術で実装することができるので有利である。図４を参照すると、ＬＣｏＳ可変光学リターダ４０が示してある。ＬＣｏＳ可変光学リターダ４０では、二酸化シリコン基板３４Ｃは、複数のピクセル電極３１の下に位置して各ピクセル電極３１に独立して電圧を印加するドライバ回路４１をその上に有する、シリコン基板４２上の被覆層である。シリコン・ドライバ・エレクトロニクス４１は、小型で高速にすることができ、極めて多数のピクセル電極３１に対応することができる。
【００２９】
ＬＣｏＳ技術は、高速かつ小型であることにより、高精細度光学プロジェクタ機器の空間光変調器に利用することに成功している。本発明の１つの態様によれば、サブ波長格子は、ＬＣｏＳ型空間光変調器において、トリム・リターダとして使用することができる。トリム・リターダは、比較的小さな複屈折をもたらし、これとＬＣｏＳ空間光変調器の液晶層の電圧制御複屈折が組み合わさると、視角が広がり、画像コントラストが向上する。図５を参照すると、空間光変調器５０は、シリコン基板５２と、ドライバ・エレクトロニクス５１と、ピクセル化可変光学リターダ５５と、サブ波長格子トリム・リターダ５４と、ＡＲ被覆５３とを含む。
【００３０】
図６を参照し、さらに図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、光ビームに可変位相遅延を与える方法６０は、サブ波長格子２４を形成するステップ６１と、光ビーム２８を液晶層２６を通して伝搬させ、次いでサブ波長格子２４を通して伝搬させるステップ６２と、光ビーム２８を反射して、液晶層２６を逆に伝搬させるステップ６３と、１対の電極２１および２２を介して液晶層に電界を印加して、液晶層２６の光学位相差を変化させることにより、光ビーム２８の位相遅延を変化させるステップ６４とを含む。電極２１および２２が平坦であることにより、印加電界の空間的均一性が促進され、それにより、液晶層２６の変化後の光学位相差の空間的均一性も促進される。サブ波長格子２４は、１回透過で４分の１波長の光学位相差をもたらすことが好ましく、サブ波長格子線は、液晶層２６のディレクタ２７に対して４５±５度の角度で配置されることが好ましい。この方法６０は、図３Ａから図３Ｃの可変光学リターダ３０にも同様に適用することができる。
【００３１】
サブ波長格子２４および３４ならびに／またはサブ波長格子トリム・リターダ５４の光学位相差は、格子ピッチが波長よりはるかに小さいものとして近似して解析的に計算することができる。図７を参照すると、ＴＥ偏光の解析的に計算した有効屈折率ｎＴＥ７１およびＴＭ偏光の解析的に計算した有効屈折率ｎＴＭ７２と、複屈折Δｎ７３と、屈折率２．２を有する方形リッジおよび屈折率１．０を有するリッジ間隙間を有するサブ波長格子の高さ７４とが、リッジ幅を格子ピッチで割った値として定義される充填率の関数としてプロットされている。この計算は、電気通信用Ｃ帯波長１．５５マイクロメートルで実行した。Δｎ＝０．４の最大値は、深さ０．９７マイクロメートルの充填率０．６において観測され、これは、０．４×０．９７＝０．３９マイクロメートルの光学位相差、またはＣ帯の１．５５マイクロメートルの波長のおよそ４分の１に相当する。この計算から、サブ波長格子の妥当な高さ７４で、波長の４分の１の位相差が容易に実現できることが分かる。
【００３２】
図８を参照すると、リターダンス８３、偏光依存損失（ＰＤＬ）８４および挿入損（ＩＬ）８５が、アルミニウム基板上に配置された、高さ０．９７マイクロメートルのＴａ２Ｏ５リッジを０．８マイクロメートルのピッチで有し、リッジ間の溝に屈折率１．０の空気が延在しているサブ波長格子の上記定義の充填率の関数としてプロットされている。リターダンス８３は、ＴＭ偏光のゼロ次の回折光の位相とＴＥ偏光のゼロ次の回折光の位相の間の差である。充填率約０．４６で、半波長のリターダンスが生じていることが分かる。ＰＤＬは、約０．０８ｄＢであり、平均ＩＬは、約０．２ｄＢである。
【００３３】
図３Ｂの格子構造は、空気で充填した溝に対応するように修正することができる。格子構造３４の上に薄く平らな膜（図示せず）を配置して、格子リッジ３４Ａの間に空気チャネル３４Ｃを形成し、これらのチャネルを密閉することにより、層３６の液晶流体が空気チャネル３４Ｃを充填することを防止し、後に配置される配向層３７のための平坦化表面を形成することができる。この目的のために、例えばＳｉＯ２膜を使用することができる。
【００３４】
次に図９を参照し、さらに図３Ｂを参照すると、ピクセル電極３１と透明背面電極３２の間に印加されるピクセル電圧の関数として、液晶層３６の両端間の電圧降下がプロットされている。直線９１（菱形）は、サブ波長格子３４の代わりに従来の４分の１波長板（図示せず）を挿入した場合に対応する。直線９２（方形）は、図３Ｂに示す場合、すなわちサブ波長格子３４を使用する場合に対応する。サブ波長格子３４を使用することにより、同じピクセル電圧で液晶層３６の両端間の電圧降下が約２倍になり、可変光学位相差のレベルを大幅に高めることができる。
【００３５】
以上の本発明の１つまたは複数の実施形態の記述は、例示および説明を目的として与えたものである。以上の説明は、全てを網羅する、または開示した形態そのものに本発明を限定するためのものではない。上記の教示に照らして、様々な修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、本明細書に添付する特許請求の範囲によって限定されるものとする。
【符号の説明】
【００３６】
２０  可変光学リターダ
２１  第１の板状電極
２２  第２の板状電極
２４  サブ波長格子
２５  格子線
２６  液晶層
２７  ディレクタ
２８  光ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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