(57)【要約】【解決手段】  液晶表示装置（８００）に使用されている薄型ホログラフィ光学スイッチ（１００）は、相対する透明な基板（１０２）と、基板（１０２）の間の透明な電極（１０４）と、電極（１０４）の間の回折格子（１０５）と、を含んでいる。回折格子（１０５）は、透明な高分子化フォトポリマーの領域とコレステリック液晶微小液滴の領域を含んでいる。フォトポリマーの屈折率と液晶の屈折率は、電極が同じ電位を有している場合は、実質的に同じである。ホログラフィ光学スイッチ（１００）は、電極（１０４）間の電位差がゼロであるときは、広帯域ＬＥＤ光を透過させ、偏光依存性ではない。ホログラフィ光学スイッチ（１００）は、電極（１００）間の電位差が非ゼロである場合には、広帯域ＬＥＤ光を回折し、偏光依存性ではない。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶表示装置において、
相対する基板と、前記基板上の電極と、前記電極の間の液晶層と、前記基板の互いに反対側に前記液晶層として配置された偏光板と、前記偏光板の１つに配置された導光部と、を有している液晶表示部と、
光源と、
前記導光部と前記光源の間に配置されている光学スイッチであって、相対する光学スイッチ基板と、前記光学スイッチ基板の間に配置されている光学スイッチ電極と、前記電極の間に配置されている回折格子と、を含んでおり、前記回折格子は、高分子化フォトポリマーと液晶凝集体の領域を有しており、前記格子は実質的に偏光依存性ではない、光学スイッチと、を備えている液晶表示装置。
【請求項２】
液晶表示装置において、
相対する基板と、前記基板上の電極と、前記電極の間の液晶層と、前記基板の互いに反対側に前記液晶層として配置された偏光板と、前記偏光板の１つに配置された導光部と、を有している液晶表示部と、
光源と、
前記導光部と前記光源の間に配置されている光学スイッチであって、相対する光学スイッチ基板と、前記光学スイッチ基板の間に配置されている光学スイッチ電極と、前記電極の間に配置されている回折格子と、を含んでおり、前記回折格子は、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記高分子化フォトポリマーの屈折率と実質的に同じ有効屈折率を有する液晶凝集体の領域とを含んでいる、光学スイッチと、を備えている液晶表示装置。
【請求項３】
液晶表示装置において、
相対する基板と、前記基板上の電極と、前記電極の間の液晶層と、前記基板の互いに反対側に前記液晶層として配置された偏光板と、前記偏光板の１つに配置された導光部と、を有している液晶表示部と、
光源と、
前記光源と前記液晶表示部の間に配置されている光学スイッチであって、相対する光学スイッチ基板と、前記光学スイッチ基板の間に配置されている光学スイッチ電極と、前記電極の間に配置されている回折格子と、を含んでおり、前記回折格子は、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記高分子化フォトポリマーの屈折率と実質的に同じ有効屈折率を有している液晶凝集体の領域とを含んでおり、前記格子は、実質的に偏光依存性ではない、光学スイッチと、を備えている液晶表示装置。
【請求項４】
光学スイッチにおいて、
相対する基板と、
前記基板の間に配置されている電極と、
前記電極間に配置されている回折格子であって、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記フォトポリマーの屈折率と実質的に等しい有効屈折率を有している液晶凝集体の領域とを含んでいる、回折格子と、を備えている光学スイッチ。
【請求項５】
光学スイッチにおいて、
相対する基板と、
前記基板の間に配置されている電極と、
前記電極の間に配置されている回折格子であって、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、前記電極が同じ電位を有している場合には前記フォトポリマーの屈折率と実質的に等しい有効屈折率を有する液晶凝集体の領域とを含んでおり、前記液晶凝集体の屈折率変調は、前記回折格子に衝突する光のＰ偏光及びＳ偏光の両方に対して実質的に同じである、回折格子と、を備えている光学スイッチ。
【請求項６】
前記光学スイッチの１つ又はそれ以上の面上に、又は前記光学スイッチの内側に配置されている蛍光物質であって、衝突してくる光を吸収して少なくとも１つの他の色の光を放出する、蛍光物質を更に備えている、請求項１から５の何れかに記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、前記光学スイッチの前記電極の間に、実質的に電位差が存在していない場合は、前記光源からの光が前記光学スイッチを透過して前記導光部に向かうように配置されている、請求項１から３の何れかに記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、前記光学スイッチの前記電極の間の電位差が実質的にゼロではない場合は、前記光源から来た前記光学スイッチ内の光が、前記液晶表示部から実質的に離れる方向に向けられるように配置されている、請求項１から３の何れかに記載の液晶表示装置。
【請求項９】
前記光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、前記光学スイッチの前記電極の間の電位差が実質的にゼロではない場合は、前記光源から来た前記光学スイッチ内のＳ光及びＰ光の両方が、前記液晶表示部から実質的に離れる方向に向けられるように配置されている、請求項１から３の何れかに記載の液晶表示装置。
【請求項１０】
前記格子は実質的に偏光依存性ではない、請求項１から９の何れかに記載の光学スイッチ。
【請求項１１】
前記高分子化フォトポリマーは、前記電極が同じ電位を有している場合は、前記液晶凝集体の前記有効屈折率と整合できるだけの比較的高い屈折率を有している、請求項１から１０の何れかに記載の光学スイッチ。
【請求項１２】
前記液晶凝集体の屈折率変調は、前記回折格子に衝突する光のＰ偏光及びＳ偏光の両方に対して、実質的に同じである、請求項１から１１の何れかに記載の光学スイッチ。
【請求項１３】
前記高分子化フォトポリマーと液晶凝集体を含有している１つ又はそれ以上の層が、前記格子中に存在している、請求項１から１２の何れかに記載の光学スイッチ。
【請求項１４】
前記液晶凝集体は、異なる重量パーセントの少なくとも２つの異なるコレステリック液晶から形成されている、請求項１３に記載の光学スイッチ。
【請求項１５】
液晶装置を製造する方法において、
広帯域光源と、ホログラフィポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）とを、互いに隣接して配置する段階と、
前記光源から来て前記ＨＰＤＬＣに入る光が、前記ＨＰＤＬＣに電圧を印加すること無しに実質的に屈折されること無く前記ＨＰＤＬＣを直接透過するように、前記ＨＰＤＬＣを調整する段階と、から成る方法。
【請求項１６】
導光部を前記光源に横方向に隣接させて配置する段階と、
前記ＨＰＤＬＣに電圧を印加すること無く、前記光源から来て前記ＨＰＤＬＣを出て行く光が、前記導光部に衝突するように、前記導光部と前記ＨＰＤＬＣとを整列させる段階と、を更に含んでいる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記導光部に衝突する光が実質的に前記液晶パネルに向けられるように、前記導光部と液晶パネルを整列させる段階を更に含んでおり、前記導光部と前記液晶パネルが液晶表示部を形成している、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記光源からの光を最大限に回折させる非ゼロ電圧が前記ＨＰＤＬＣに印加されているときには、前記光源から来て前記ＨＰＤＬＣを出た光が、前記液晶パネルに衝突すること無く、前記液晶パネルに隣接する方向に向けられるように、前記ＨＰＤＬＣの角度を調整する段階を更に含んでいる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記液晶表示部、光源、及びＨＰＤＬＣを、携帯式電子装置のハウジング内に入れ込む段階を更に含んでいる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＨＰＤＬＣからの光を、前記ケーシングの外側を照明する方向に向ける段階を更に含んでいる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ＨＰＤＬＣが、前記光源からの光のＳ偏光とＰ偏光の両方に対して、前記ＨＰＤＬＣに印加される電圧に依存しない実質的に同じ方式で影響を及ぼすように、異なる電位を補償する材料を前記ＨＰＤＬＣ内に使用する段階を更に含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
ホログラフィポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）を使用する光学的切替装置を製造する方法において、
液晶とフォトポリマーを混ぜ合わせて混合物を形成する段階と、
基板によって形成された空洞に前記混合物を充填する段階と、
前記混合物から、液晶凝集体と高分子化フォトポリマーとが周期的に交互に配置されている領域であって、前記高分子化フォトポリマーと液晶凝集体に電圧が印加されていないときは、前記液晶凝集体の有効屈折率が前記マトリクスの屈折率と実質的に等しい領域を形成する段階と、から成る方法。
【請求項２３】
前記形成する段階は、前記周期的に交互に配置されている領域を形成した後に、前記充填された空洞を均一的な放射に曝露して前記ポリマーを硬化させる段階を更に含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記形成する段階は、前記充填された空洞をコヒーレントレーザービームの干渉パターンに曝露する段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
光源を用いて、前記光源からの光が、前記ＨＰＤＬＣに電圧が印加されていないときに、前記ＨＰＤＬＣを透過するか否かを判定し、前記ＨＰＤＬＣによって最大量の光が回折される電圧を求めることにより、前記ＨＰＤＬＣを試験する段階を更に含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記ＨＰＤＬＣに入射する光のＳ偏光とＰ偏光が、前記ＨＰＤＬＣに印加される電圧に依存せず実質的に同じ方式で影響を及ぼす、前記液晶凝集体と高分子化フォトポリマーを含有しているマトリクスを形成する段階を更に含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記光学スイッチの１つ又はそれ以上の面上に又は前記光学スイッチの内側に、衝突して来る光を吸収して少なくとも１つの他の色の光を放出する蛍光物質を配置する段階を更に含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、衝突光の方向を切り替えることができる光学装置に関する。より具体的には、本発明は、液晶表示装置及び他の電子機器の、ポリマー分散型液晶を内蔵したホログラフィ光学的切替装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置（ＬＣＤ）は、他の種類の表示装置に勝る数多くの利点を有している。ＬＣＤは、小型で高画質、軽量である。更に、ＬＣＤは、その種類にもよるが、電力消費量が比較的少ない。以上の理由から、携帯用電子機器市場では、小型の携帯型テレビ、移動電話及び他の通信製品、映像記録装置、ノートブック型コンピュータ、及びデスクトップ型モニターなどの用途に、専らＬＣＤが使用されている。
【０００３】
アクティブＬＣＤは、使用されているＬＣＤの中では最も普及しているＬＣＤであり、基板と、光が通過する液晶層と、基板の１つに設けられ、液晶層に電界を供給して導光パネルを形成する画素電極と、を含んでいる。画素電極を製作するのに使用される金属は、使用されるＬＣＤの種類によって異なる。反射型ＬＣＤでは、ＬＣＤの外側に位置する自然又は人工の光源を使用するので、画素電極に使用される材料は、金属アルミニウムの様な反射型導電性材料でなければならない。しかしながら、外部の光の強度が十分に強くない場合には、反射型ＬＣＤで表示される画像は低品質なものとなる。
【０００４】
上記問題を克服するために、バックライトと呼ばれる内在型光源が、導光パネルに付け加えられている。バックライトは、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は電界発光ダイオード（ＥＬ）から液晶層に供給される。バックライトは、表示装置の背後に設けられるので、画素電極として使用される材料は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の様な透明な導電性材料でなければならない。しかしながら、バックライトは、ＬＣＤを大型化する（及び、重量とコストが付け加わる）ことに加えて、ＬＣＤ内では電力を最も多く消費するため、常時使用するとバッテリ寿命を大幅に短縮することになる。
【０００５】
従って、電力消費を少なくすることが、緊急の研究課題になっており、トランスフレクティブ型ＬＣＤが開発された。トランスフレクティブ型ＬＣＤでは、画素電極は、在る箇所にはアルミニウムを配し別の箇所にＩＴＯを配した折衷型である。こうすると、外部光が良質の映像を提供できるだけの強度を有している場合は、その外部光を光源として使用し、外部光が十分な強度を有していない場合は、バックライトを光源として使用することができるようになる。しかしながら、画像が表示される領域は、トランスフレクティブ型ＬＣＤでは、透過モードと反射モードの何れにおいても狭くなる。
【０００６】
ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）層が、光ファイバー通信用途で切替を行うのに採用されている。使用例は少ないが、ＰＤＬＣ層は、トランスフレクティブ型ＬＣＤで、表示領域を広げるために使用されている。ＰＤＬＣは、電圧が構造に印加されたときには、光が材料を透過できるようにし、電圧が印加されないときには、入射光を散乱させることにより構造を比較的不透明にする、光電材料である。ＰＤＬＣは、モノマー又はオリゴマーと液晶分子との混合物であり、その後、ポリマー／オリゴマーを高分子化してポリマーを形成する。液晶分子は、凝集して微小な液滴となり、或る一定の条件の下でポリマーマトリクス内に分散される。ＰＤＬＣ層は、液晶パネルの直ぐ下の、バックライトと液晶パネルの間に配置されているので、電圧がＰＤＬＣ層に印加されていない反射モードでは、外部光が散乱して、液晶表示部が発光し、電圧がＰＤＬＣ層に印加される透過モードでは、ＰＤＬＣは透明になって、バックライト（表面積を覆って広がる）からの光が下から直接当たって液晶層を照らすようになる。
【０００７】
他にも、バックライトが液晶パネルの直ぐ下に無いトランスフレクティブ型ＬＣＤもある。代わりに、バックライトは、液晶層の下の導光層に隣接しているものもある。導光層は、光を液晶層に誘導する。ＰＤＬＣ層が、上記構造と共に使用されたことはない。また、複雑さを増した技術の出現に伴い、トランスフレクティブ型ＬＣＤに光源を内蔵した使用法も新たに出てきた。分かり易い例として、追加の光源を必要とせずに、電子装置の前方の領域を照らし出す内部光源の使用がある。より具体的には、カメラ付き携帯電話の場合、バックライトは、例えば、被写体を照明して、実用性のある写真又は連続写真を撮影できるようにするために使用される。しかしながら、例えば、コスト、大きさ、重量、耐久性、及び最小電力消費量といった、小型電子機器に求められる許容範囲内で、上記の能力を提供できる構造又は光学スイッチは存在していない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
先ず概論として、本実施形態は、小型電子装置に使用するのが望ましく、また何処にでも使用することのできる、光学スイッチを提供している。光学スイッチは、発光ダイオード（ＬＥＤ）の様な広帯域光源からの光を、スイッチへの電圧の印加無しに、光源の全波長範囲に亘る実質的な減衰も無しに、透過させる。スイッチは、目に見えるほどの追加寸法無しに、例えば、カメラ付き携帯電話に装着できる程度にコンパクトであり、気付くほどの重量増加にならない程度に軽量である。スイッチは、偏光依存性が無く、Ｓ及びＰ偏光両方の光を、実質的な損失無しに透過させ回折する。即ち、スイッチの材料は、スイッチが、スイッチに印加された電圧に依存せずに、光源からの光のＳ及びＰ偏光の両方に実質的に同様に作用するように、様々な偏光を補償する。スイッチは、シャッターや他の要素を使用する必要が無いという限りにおいて非機械的なので、電子装置を落としたり電子装置に物理的衝撃が掛かっても、簡単にずれたり壊れたりしない頑丈な構成要素を提供することができる。
【０００９】
或る実施形態の光学スイッチは、相対する基板と、両基板の間に配置された電極を含んでおり、電極の間にはブラッグ格子が設けられている。ブラッグ格子は、高分子化フォトポリマーの領域と液晶が凝集した領域を含んでいる。電極が同じ電位を有している場合、フォトポリマーと液晶の屈折率は実質的に同じである。
【００１０】
本発明の実施形態の内の１つの光学スイッチを備えている液晶表示装置は、相対する基板と、基板上の電極と、電極間の液晶層と、基板の互いに反対側に液晶層として配置されている偏光板と、偏光板の１つに配置されている導光部と、を有する液晶表示部も含んでいる。光学スイッチは、導光部と光源の間に配置されている。この光学スイッチは、相対する光学スイッチ基板と、光学スイッチ基板の間に配置された光学スイッチ電極と、電極の間に配置されたブラッグ格子を含んでいる。ブラッグ格子は、高分子化フォトポリマーの領域と液晶凝集体の領域を有しており、実質的に偏光依存性はない。
【００１１】
別の実施形態では、液晶装置を製造する方法は、ＬＥＤとホログラフィポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）を互いに隣接して配置する段階と、光源を出てＨＰＤＬＣに入射した光が、ＨＰＤＬＣに電圧を印加すること無しに、実質的に回折されること無く、ＨＰＤＬＣを直接透過できるように、ＨＰＤＬＣを調整する段階と、の両段階を含んでいる。
【００１２】
別の実施形態では、ホログラフィポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）を製造する方法は、モノマーと液晶を配合して混合物を形成する段階と；得られた混合物を２枚の接合されたガラス基板の間の空洞に充填する段階と；接合された基板を、干渉パターンの高強度領域の高分子化を開始させ、液晶が低強度領域に拡散して、飽和し、凝集体に沈降し、液晶とポリマーの濃度による位相分離が起きるだけの十分な強度を有する交差コヒーレント放射線ビームにそれに十分な期間曝露する段階と；曝露された混合物に均一な放射線ビームを横溢照射して、液晶凝集体を硬化したポリマーマトリクスで被い、横溢照射された混合物に電圧を印加すること無く、凝集体の屈折率がマトリクスの屈折率と同じになるようにする段階と、を含んでいる。
【００１３】
上記要約は、概論として記載した。この章の記載には、本発明の範囲を定義する特許請求の範囲に対する限定と見なすべきものは何ら存在しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
上記のように、トランスフレクティブＬＣＤでは、光源からの光は、ＬＣＤの導光層と透明基板を通してＬＣＤに供給される。通常、光源と液晶パネルの間に、スイッチは設けられていない。機械的スイッチを採用することもできるが、その様なスイッチは、比較的嵩張り、ＬＣＤとスイッチが収納される装置に相当な重量が加わることになる。また、ＬＣＤの寸法が大幅に増し、比較的脆くなり（即ち、装置を落としたり何らかの物理的衝撃を加えたりすると、スイッチは簡単に壊れ、外れ、又はずれてしまう）、大きな電力／電流が必要になることは、機械的スイッチの使用にとって深刻な不具合点となる。切替を行い、上記数多くの問題を緩和するため、ＨＰＤＬＣが装置に一体的に組み込まれている。本発明によるＨＰＤＬＣは、切替の応答時間を劇的に短縮し、機械的スイッチの応答時間が通常１０−２０ミリ秒であるのに対し、本発明のＨＰＤＬＣでは、応答時間は１０μ秒から１−２ミリ秒と、１ないし３桁速くなる。ＨＰＤＬＣに基づく光学スイッチには可動部品が一切存在していないので、故障が起きるまでの時間も遙かに長くなる。
【００１５】
従来のＨＰＤＬＣを使用する場合は、数多くの問題点が存在する。これに限るわけではないが、１つの大きな問題は、従来のＨＰＤＬＣでは、内部光源からの光を全量は利用できないことである。即ち、従来のＨＰＤＬＣは、偏光依存性があるので、例えば、従来のＨＰＤＬＣを透過する光の量は直ちに半分になる。ＨＰＤＬＣを光源と導光パネルの間に配置した構成は、何れも、半分の量の光しか使用できないので、従来のＨＰＤＬＣの無い場合に導光部に当たる光の量と等しくするには、より大量の電力が必要になる。
【００１６】
また、電子装置、特に携帯型装置の薄型化が益々必要となっているため、液晶パネルに更に多層要素を追加することはあまり望ましくない。従って、ＨＰＤＬＣを光源と導光部の間に配置して、液晶表示部が、液晶パネル、導光部、ＨＰＤＬＣ、光源、及び光源からの光をＨＰＤＬＣに向けて反射して戻すための光源の下の不透明な反射器、を含むようにすることはできるが、電子機器の最小化のためには他の実施形態のほうがもっと適しているかもしれない。
【００１７】
ある実施形態では、ＨＰＤＬＣは、図４に示し以下に説明するように、導光部に隣接して配置されている。換言すると、ＨＰＤＬＣは、導光部の下ではなく、導光部の端部付近に横方向に配置されている。導光部の端部の配置を、これ以後、端部取付ＨＰＤＬＣと呼び、これに対し、導光部の下の配置を面取付ＨＰＤＬＣと呼ぶことにする。これによって構造の厚さが薄くなり、他の電子機器要素を同じ様式で付近に配置することによって、装置全体の寸法を（仮にあったとしても）実質的に増やすことなく、ＨＰＤＬＣを使用することができるようになる。この様な構造は、必要に応じて、逸れた光をどこかで利用できるようにする。
【００１８】
しかしながら、従来のＨＰＤＬＣを使用すれば、上記偏光問題がなお発生する。また、従来のＨＰＤＬＣは、電圧を印加しなければ、光を光学スイッチに直接透過させることができないというのも問題である。これは、従来のＨＰＤＬＣは、数ボルト以上（通常は１Ｖから２０Ｖ）の電圧がＨＰＤＬＣに印加されているときしか、光を透過させないということである。従って、端部取付型光源のＰＤＬＣでは、光学スイッチを、装置の正常な作動状態である透過状態に置くには、大量の電力が消費される。
【００１９】
この様な従来のＨＰＤＬＣの一例を図９（ａ）に示しているが、この例では、格子の応答は偏光に依存している。図示のように、４２２ｎｍのＳ偏光レーザー光では、印加電圧が０Ｖから４０Ｖに上がると、回折効率は約１５％から５％未満に低下する。しかしながら、Ｐ偏光の光では、同一電圧範囲でも、回折効率は１００％近くから殆ど０％まで低下する。換言すると、従来のＨＰＤＬＣの透過効率は、Ｓ及びＰ偏光の光それぞれについて、８５％から９５％以上まで、及び０％からほぼ１００％まで、それぞれ上昇するので、両方の偏光を透過させるには、比較的高い電圧を印加する必要がある。
【００２０】
ここに開示しているＨＰＤＬＣを使用すれば、機械的に安定し使用電力の少ない光学スイッチを形成することができる。ホログラフィ光学スイッチは、携帯型電子機器、又は薄型で低電力のスイッチが求められる他の装置に使用するのに理想的である。例えば、この様な光学スイッチは、カメラ付き携帯電話用の追加の光源を提供するのに使用することができるので、比較的短い距離の写真を、外部電源を使うこと無く撮影することができる。中に封入されるフォトポリマーマトリクスと液晶、並びに格子寸法を適切に選択すれば、構造へ電圧を印加すること無くスイッチの透過率を最大化することができ、同時に、実質的に偏光依存性のないスイッチを提供できるようになる。これで、ＬＥＤの様な広帯域光源からの光を液晶表示部に利用することができるようになる。光は、露呈されているエッジ構造で比較的簡単に、光パネルに連結することができる。ここで露呈されている格子は、比較的薄くて、厚さが１０μｍ未満、代表的には２μｍから４μｍであり、所望の印加電圧で十分な回折効率を有しながら、（例えば、最大透過率の１０％で少なくとも約１０μｍというように、実質的に減衰すること無く光源からの光を適切に透過させるのに十分な）比較的広範な通過帯域を提供している。
【００２１】
ホログラフィポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）は、ブラッグ格子（立体位相格子、ホログラム又はホログラフィ格子、又は回折格子としても知られている）をポリマー分散型液晶混合体内に記録することによって形成される光学装置である。図１に示すように、ＨＰＤＬＣ装置１００は、液晶表示部の液晶パネルの製作工程と同様に、側面が密封されている２つの平行な基板１０２を使って、組み合わせによって形成される空洞に、フォトポリマーと液晶材料の混合物１０６を充填することにより製作される。両基板１０２は、球形の挿入物又はプリズム状突起の様なスペーサ（図示せず）を使用して、均一な間隔に配置されている。
【００２２】
基板１０２は、約４００ｎｍから約８００ｎｍの可視波長範囲の様な特定の波長範囲に対して実質的に透明であるガラスや他の材料から作られている。基板１０２は、関心対象の特定の波長範囲での透過率を９９％以上に改善するために、反射防止被覆を施してもよい。
【００２３】
基板１０２を形成している１つ又はそれ以上のガラスの例として、ＢＫ７、ＦＫ５１、ＬＡＫ６を挙げることができるが、特定のガラスには、切り替えの成果に与える効果が殆ど無いものもある。ガラスに代えて又は追加して使用できる他の材料には、例えば、石英やプラスチックがある。プラスチック基板の種類としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の様な、又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）又はトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）系の、ポリエステルが挙げられる。複屈折基板では、例えば、単軸伸延プラスチック膜を使用してもよい。基板は、研磨ポリイミドで被覆してもよい。複屈折基板又は研磨ポリイミドを使用すると、光学スイッチの偏光依存性が低くなる。偏光性材料を薄層１０６として使用すれば、高分子化後に、基板を除去してもしなくともよい。高分子化後に高分子膜から基板を除去しない場合には、等方性基板を使用してもよい。
【００２４】
一方又は両方の基板は、透明な電極１０４を支持している。電極１０４は、インジウムスズ酸化物又はインジウム亜鉛酸化物の膜の様な多種多様な透明膜の何れで形成してもよい。電極１０４間に電圧を供給し、ＨＰＤＬＣ層１０６間に電界をかける。
【００２５】
格子１００を製作する際は、上記のように、高分子化可能な液晶材料１０６を、透明な電極１０４を含んでいる２つの基板の間の空間に充填して、液晶材料を一様な向きに整列させる。ここで、液晶材料の向きは、形成後の固体ポリマー構造によって永久的に固定されることになる。
【００２６】
高分子化可能液晶材料の高分子化は、例えば、コヒーレント放射に曝露することにより実現される。放射源としては、レーザーが一般的に使用されている。ＵＶ、可視、又はＩＲの波長を使用することができ、Ｘ線、ガンマ線、又は他の高エネルギー粒子、例えば、イオンや電子なども使用することができる。この様に、放射線は、フォトリソグラフィ放射、即ち、位相マスクを介しての露光を含めた標準的なフォトリソグラフィ工程に使用される放射でもよい。用途と処方にもよるが、混合物は、フォトイニシエータ、表面活性剤、及び他の成分を追加的に含んでいてもよい。フォトイニシエータがある場合、フォトイニシエータは、高分子化時の放射の波長で吸収される。例えば、ＵＶレーザーを使用して高分子化させる場合、ＵＶ照射下で分解して高分子化反応を開始する遊離基又はイオンを生成する１つ又はそれ以上のフォトイニシエータを使用することができる。市販されているフォトイニシエータの例を挙げると、Irgacure651、Irgacure184、Darocure1173、又はDarocure4265（以上は、Ciba Geigy株式会社）又はUVI6974（Union Carbide社）がある。どのフォトイニシエータの場合も、混合物全組成量に含まれるフォトイニシエータは、約０．０１重量％から約１０重量％である。
【００２７】
硬化時間は、高分子化可能材料の反応性、被覆層の厚さ、高分子化イニシエータの種類、及び放射源の強さによって異なる。硬化時間は、高スループット処理が望ましい場合にはできるだけ短い方がよい。一般には、硬化時間は長くても数分である。
【００２８】
高分子化イニシエータの他にも、高分子化可能材料は、１つ又はそれ以上の他の適した成分、例えば、触媒、安定剤、連鎖移動剤、又は同時反応モノマーを含んでいてもよい。特に、安定剤の添加は、例えば、高分子化可能材料が保存中に不本意にも自然発生的に高分子化することを防止する。
【００２９】
安定剤としては、当業者に周知の、この目的にかなった全ての化合物が使用できる。これらの化合物は、広範囲に市販されている。安定剤の代表的な例としては、4-エトキシフェノール又はブチル化ヒドロキシトルエン（ＢＨＴ）がある。
【００３０】
他の添加剤としては、例えば、ポリマー膜の物理的特性を改質するために、連鎖移動剤を高分子化可能材料に添加してもよい。ドデカンチオールのような単官能基チオール化合物、又はトリメチルプロパン・トリ（３−メルカプトプロピオネート）のような多官能基チオール化合物、等の様な連鎖移動剤を、高分子化可能材料に添加すると、自由ポリマー鎖の長さ及び／又は本発明のポリマー膜の２つの架橋の間のポリマー鎖の長さを制御することができる。連鎖移動剤の量を増やすと、得られるポリマー膜のポリマー鎖の長さは短くなる。
【００３１】
図２に示すように、一般的な製作装置２００は、波長が約４００ｎｍよりも短いレーザービーム２０１を放射するＵＶレーザー２０２を含んでいる。レーザービーム２０１は、レーザービーム２０１の存在が望ましいか否かによって開き又は閉じるシャッター２０４により制御される。シャッター２０４は、ビームが、液体材料２１４を含んでいる格子構造に当たる前であれば、基本的にレーザービームの経路沿いの何処に配置してもよい。レーザービーム２０１は、次いで偏光器２０６に当たり、偏光されたレーザービーム２０１となってビーム拡大器２０８に入射する。ビーム拡大器２０８は、レーザービーム２０１の半径を大きくして、拡大ビーム２０３を形成する。レーザービーム２０１を拡大することで、格子構造２１４の全面積を拡大ビーム２０３で覆えるようになり、或る実施形態では断面積が約１００ｃｍ２のビーム柱となっている。広い露光面積は、露光のパワー密度をより精度よく制御できること、ひいては緩い製作許容差と高い効率の様な、別の利点をもたらす。ビームスプリッタ２１０は、拡大されたレーザービーム２０３を相互に可干渉性の２つのビームに分割し、それら分割されたビームが鏡２１２によって方向決めされて格子構造２１４に照射される。２つのビームは、同一であってもなくてもよい。高品質の前面鏡が使用されている。本発明のＨＰＤＬＣの生成に使用される代表的なレーザーパワーは、波長がＵＶ領域内の場合には、約１０ｍＷから約５００ｍＷである。本発明のＨＰＤＬＣ構造の場合の代表的な硬化時間は、約１秒から約３００秒である。
【００３２】
ブラッグ格子２１４は、分割された拡大レーザービーム２０３同士の干渉によって、ビームの交差領域に形成される。オブジェクトビームとリファレンスビームが交差領域で衝突している様子の拡大図を図３に示している。この回折格子２１４は、液晶内に分散したフォトポリマー内に、偏光ビーム同士の相互作用によって干渉パターンが生成された結果である。フォトポリマーがこの干渉パターンに曝されると、フォトポリマー自体が同じ様にパターン化されるので、実際に干渉パターンがセルに埋め込まれることになる。
【００３３】
より具体的には、液晶とモノマー及び／又はオリゴマーの均質の混合物、並びにフォトイニシエータと表面活性剤を含有しているポリマーシロップセルが、干渉領域の中心に置かれる。記録工程の間に、フォトポリマーは高分子化して、混合物は位相分離を来し、透明なポリマーの領域が点在している、液晶液滴が高密度に詰った領域ができる。即ち、電気的に切替可能な格子は、小分子液晶をマイクロ位相分離することによって、ホログラフィ的に定義された周期的パターンを持つ高分子化有機マトリクスから形成される。高分子化は、干渉パターンの高強度領域に曝露することにより開始される。液晶液滴という用語は、涙滴や球状の様な特定の形状ではなく、単に液晶の塊を指す。
【００３４】
媒体内の２つの平面波の干渉は、２つの電界の和として説明することができる。光学的強度（電界振幅の平方）は、高強度領域では４倍になる。これは即ち、建設的干渉が起こると強度は４Ｉ０となり、破壊的干渉が起こると強度はゼロとなる、ということである。この様に、波長の振幅が加算されると建設的干渉が起きて、高強度領域で強度は最大となり、波長の振幅が互いに打ち消し合うと破壊的干渉が起きて、低強度領域で強度は最小となる。
【００３５】
高強度領域では、モノマーは互いに架橋し始め、ポリマー鎖を形成する。低強度領域では、高分子化は殆ど起きない。他のモノマー又はオリゴマーは、これら明るい領域へと拡散して、急速に架橋結合してポリマー鎖と成る。同時に、液晶は、低密度領域に拡散し、飽和して、液滴を沈降させ、この液滴は拡散過程が継続するにつれて大きく成長する。露光時間を遠隔的に制御するために、タイムシャッターが使用されている。拡散過程が適切な段階に到ると、混合物全体に均一的な光を横溢照射して、液晶の液滴全体を、完全に硬化したポリマーマトリクスで被い、固体格子層とする。液晶が多い領域と液晶が無くなった領域が交互に配置された構成が格子の縞面を形成する。均一光の代表的な供給源としては、レーザー又は従来のＵＶ光が挙げられる。
【００３６】
ブラッグ格子は、非常に高い拡散効率を示し、これはＨＰＤＬＣ層間に印加される電界の強さによって制御される。液滴の集合体は、点在しているポリマー領域の有効屈折率（ｎｐ）とは異なる有効屈折率（ｎＬＣＭ）を有する均質領域として「見える」。屈折率変調は、Δｎ＝ｎＬＣＭ−ｎｐである。基本的なパラメータは、図４（ａ）と図４（ｂ）の例に示されており、格子周期Λ（格子間隔とも称される）、屈折率変調、傾斜角Φ、及び格子ベクトルＫ、であるが、これらについては後で説明する。
【００３７】
作成されたＨＰＤＬＣは、透過ホログラムと反射ホログラムという２つの種類に分類され、それぞれ図５（ａ）と図５（ｂ）に示されている。透過格子では、入射ビームと回折ビームは、格子の互いに反対側に位置している。反射格子では、入射ビームと回折ビームは、格子の同じ側に位置している。
【００３８】
従来の格子とは異なり、屈折率変調Δｎ＝ｎＬＣＭ−ｎｐは、電気光学効果に基づいて変化する。換言すると、液滴内の液晶は、電極を介した外部電界の印加に応答する。外部電界を掛けると、液晶分子のディレクタは電界と整列するので、ＨＰＤＬＣ格子は、２つの状態の間を切り替わる。液晶液滴の自然な向きは、電界が掛けられていないときの不揃いな向きから、掛けられた電界と整列した状態に変化する。一方の状態では、液滴とポリマーマトリクスは同じ屈折率（ｎｐ＝ｎＬＣＭ）を有し、組成全体が１つの屈折率を有する均一な材料のように見える。他方の状態では、液晶が多い領域とマトリクスは、Δｎ＝ｎＬＣＭ−ｎｐだけ屈折率に違いがあり、組成全体は、はっきりと画定された格子を呈する。
【００３９】
格子は、高分子化フォトポリマーと液晶凝集体を含んでいる１つの材料層を含有するものとして示しているが、異なる材料を含んでいる多層としてもよい。その様な層は、異なる高分子化フォトポリマーと液晶凝集体の一方又は両方を含んでおり、各層は、１つ又はそれ以上の他の層とは異なる材料及び／又は組成物で形成される。
【００４０】
ＨＰＤＬＣ格子では、図６と図７に示すように、格子は、外部電界を掛けると液晶分子が整列するので、２つの状態の間を切り替わる。一方の状態では、液滴とポリマーマトリクスは同じ屈折率（ｎｐ＝ｎＬＣＭ）を有し、組成全体が１つの屈折率を有する均一な材料のように見える。他方の状態では、液晶が多い領域とマトリクスは、Δｎ＝ｎＬＣＭ−ｎｐだけ屈折率に違いがあり、組成全体ははっきりと画定された格子を呈する。
【００４１】
従来のＨＰＤＬＣでは、ＬＣ−ポリマー境界面に対して垂直の向きに配置された液晶液滴の屈折率は、ポリマー領域の屈折率とは異なるので、構造の屈折率に変調が起きる。電界が掛けられると、液晶液滴は一様に同じ方向に向き、それら液晶液滴とポリマー領域の屈折率は最終的に等しくなる。換言すると、ポリマー領域の屈折率と、液晶液滴の平均屈折率は、特定の非ゼロ電界が構造に掛けられたときにのみ整合する（以後、最大電圧と称する）。この様に、電極へ電圧を掛けると、縞の屈折率変調が小さくなり、ホログラム回折効率が非常に低い水準まで下がり、これを別の言い方で説明すると、最大電圧が電極間に掛けられているときは、装置に衝突した光は、図６（ａ）と図６（ｂ）に示すように、基本的には完全に装置を透過する。
【００４２】
具体的には、電気的に切替可能な格子は、基本的には、回折特性がKogelnikモデルを使ってうまく予測できる立体位相格子である。回折特性は、屈折率変調が次の式により与えられるものとして、モデル化することができる：
2007538293.tif 000003
【００４３】
ここに、ｎ０は平均屈折率、Ｋは格子ベクトル、ｒは位置座標である。式(１)において、ｎ１は、次の式により与えられる屈折率変調振幅である：
2007538293.tif 000004
【００４４】
ここに、ｆｃは格子中の位相分離した液晶の体積分率、ｎｐはポリマーの屈折率、ｎＬＣＭは液晶液滴の平均屈折率、αは格子周期Λに液晶液滴が占める割合である。インライン反射格子の場合、ＴＥ及びＴＭ偏光の回折効率の式も、Kogelnikにより予測されるものと同じであり、次の式により与えられる：
2007538293.tif 000005
【００４５】
ここに、Ｒはピーク反射、ｄは格子長、λはブラッグ波長、ｎ１＝ｎｐ＋ｆ（ｎＬＣＭ−ｎｐ）である。
【００４６】
性能特性に影響を及ぼす１つのパラメータに、屈折率変調がある。屈折率変調は、高回折効率（約１００％）を達成するため、通常は０．０１から０．２の範囲にある。ＨＰＤＬＣセルの厚さ（相互作用長）は、１ミクロンから２５ミクロンの範囲にある。最適化された製作工程は、拡散と高分子化の平衡が取れた割合を採用している。
【００４７】
用途の要件に基づき、異なる膜厚を設計して、格子記録用の対象基板上に配置する。反射格子の場合、フィルタの通過帯域幅は次の式に従って計算することができる：
2007538293.tif 000006
【００４８】
ここに、λは記録用波長、γは記録用干渉測定格子の空間周波数、Ｔは膜厚である。従って、記録用波長と空間周波数がほぼ等しい大きさで、膜厚が約４ｍｍの場合、通過帯域周波数は約３００ｎｍとなり、ＬＥＤからの光を実質的な減衰無しに通過させるに十分な幅である。
【００４９】
しかしながら、従来のＨＰＤＬＣ格子とは異なり、本発明のＨＰＤＬＣ光学スイッチの格子要素を注意深く選択すれば、マトリクス間に外部電界を掛けること無く、ポリマー領域の屈折率を液晶液滴の平均屈折率と一致させることができる。従って、縞の屈折率変調とホログラム回折効率は、電極に電圧が印加されていないときに最小化し、電極間に最大電圧が印加されると最大化する。これを図７（ａ）と図７（ｂ）に示す。
【００５０】
更に、格子構造と液晶液滴は両方共に偏光感受性なので、格子の幾何学形状と構造工学を調整することにより、偏光感受性は補償される。例えば、格子構造を、両方の偏光に対する回折角度が近くなるように取り、次いで材料を、補償するように選定する。或る実施形態では、液晶材料を選定する前に、比較的高い屈折率と良好に高分子化する能力を有するポリマーが選択される。ここで用いられる比較的高い屈折率のポリマーは、屈折率が約１．５５より大きく、望ましくは約１．５８よりも大きい。高分子化フォトポリマーの比較的高い屈折率は、電極が同じ電位を有する場合には、液晶凝集体の有効屈折率と整合するのに十分である。偏光に鈍感な屈折率の故に、ネマチック液晶ではなく、コレステリック液晶が一般に選択されている。
【００５１】
具体的には、液晶の細長い形状のために、光は、細長い分子の方向に平行に伝播する場合は、細長い分子に対し垂直方向に伝播する場合に比べて、異なる速度で伝播するようになるので、分子の複屈折は、２つの屈折率がこの挙動を説明するということを意味している。横方向ではないが平行に配置され、従って一定のディレクタを有する、ネマチック液晶は、屈折率が主軸の焦点距離aeに依存するので、単独では使用できない。一方、コレステリック液晶は、（ネマチックの様に平行ではなく）互いに僅かに角度を成して配置される。連続する分子は、それぞれ隣接する分子に対して僅かに回転しているので、螺旋状に回転するディレクタを有し、屈折率を、主軸と半主軸の焦点距離の平均（２ao＋ae／３）に依存するものにする。しかしながら、後に述べるように、ネマチック液晶にキラルドーパントを添加して、ネマチック液晶のディレクタを捻ることで、組み合わせが使用できるようになる。
【００５２】
異なる屈折率を有するフォトポリマーは、市販されている多種多様なモノマー、オリゴマー、フォトイニシエータ、及び随意的な接着促進剤、表面活性剤などから配合した。フォト高分子化動力学は、ポリマーマトリクスからの液晶の位相分離に直接影響するので、合理的な硬化速度を有するフォトポリマー配合を使用するのが１つの考えである。これに関して、アクリレートフォトポリマーは、エポキシやビニルエーテルの様な他のフォトポリマーと比較して硬化速度が優れているので、好ましい。本発明に有用な高屈折率モノマー及び／又はオリゴマーとしては、１つ又はサルファー成分、臭素成分、又はビスフェノールＡ誘導体が含まれる。
【００５３】
フォトポリマーの例を２つ、以下に挙げる。ポリマーの各成分を挙げ、各成分の後に重量パーセントを列記する。
【００５４】
フォトポリマー１：2-エチルヘキシルアクリレート５２％、エトキシル化ビスフェノールＡジアクリレート２％、ポリエステルテトラアクリレート１７％、フェニルチオエチルアクリレート１０％、オクタフルオロペンチルアクリレート１６％、ジフェニール(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド１％、ダラキュア1173  １％、メタクリオイルトリメトキシシラン１％。
【００５５】
フォトポリマー２：エトキシル化ビスフェノールＡジアクリレート１６．５％、フェニルチオエチルアクリレート６４．５％、オクタフルオロペンチルアクリレート１６％、ジフェニール(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド１％、ダラキュア1173  １％、メタクリオイルトリメトキシシラン１％。
【００５６】
市販されている多種多様なコレステリック液晶が、ＨＰＤＬＣ装置の製作に適している。Merckは、ＨＰＤＬＣ用として広範なコレステリック液晶を提供しており、適切なフォトポリマー類と組み合わせると、本発明のＨＰＤＬＣ装置に使用することができる。市販されているコレステリック液晶の例としては、ニューヨーク州ホーソンのEM Industriesから市販されているMerck BL112、BL118、又はBL126がある。ネマチック液晶にキラルドーパントを添加しても、コレステリック液晶を製作することができる。キラルドーパントの例としては、Merck C15、CB15、ZLI-811、ZLI3786、ZLI-4571、ZLI-4572、MLC-6247、及びMLC-6248があり、これらもニューヨーク州ホーソンのEL Industriesから市販されている。ＨＰＤＬＣシロップは、フォトポリマー配合物を液晶と混ぜ合わせることにより得た。全シロップの重量パーセントとしての液晶レベルは、約３５〜７５％の範囲にあり、より厳密には約４５〜６０％の範囲にある。
【００５７】
材料配合と性能データを下表１に掲載しているが、表中、実施例１は従来のＨＰＤＬＣセルで、実施例２は市販されているコレステリック液晶BL118を基材とした従来のＨＰＤＬＣセルである。実施例３は、市販されているBL118を基材とした本出願のＨＰＤＬＣセルである。光源は、測定用として４６０ｎｍレーザーを使用した。
（表１）  ＨＰＤＬＣ試料の実施例と得られた回折特性
2007538293.tif 000007
【００５８】
表１に示すように、第３のシロップを使用すれば、材料費も製作費も増やさずに、従来のＨＰＤＬＣ格子から、単純なホログラフィ光学スイッチが得られる。第３のシロップは、異なる重量パーセントの２種類の液晶を含んでいるが、必要に応じて、３種類以上を使用してもよいし、重量パーセントを同じにしてもよい。ホログラフィセルは、厚さが６μｍで、同一電圧では、Ｓ偏光及びＰ偏光の両方で実質的に均一な透過及び回折特性を示している。なお、格子の厚さが薄くなるにつれ、屈折率は上がり、結果的に使用可能波長範囲が広くなる。約２から４μｍ程度に厚さが薄ければ、十分な波長範囲（式４参照）を使用することができる。
【００５９】
実施例２（キラル剤添加）のＨＰＤＬＣについて、回折効率を、印加電圧の関数として図９（ｂ）に示している。図９（ａ）は、実施例１を示している。図示の様に、４４２ｎｍのレーザー光のＳ偏光とＰ偏光の両方に関し、回折効率は概ね同じである。図９（ａ）に示す従来のＨＰＤＬＣの様に、回折効率は、基本的には、電圧の上昇と共に単調減少する。実施例３のＨＰＤＬＣの回折効率を図９（ｃ）に示している。このＨＰＤＬＣでは、格子の応答は、入射光の偏光に依存していない。図示の様に、４２２ｎｍのＳ偏光及びＰ偏光されたレーザー光の回折効率は、実質的に同じである。図９（ａ）又は図９（ｂ）に示す従来のＨＰＤＬＣとは異なり、回折効率は、基本的に、０Ｖでの約５％から１００Ｖでの約２５％まで上昇する（即ち、透過効率は約９５％から約７５％まで下がる。）
【００６０】
図８（ａ）と図８（ｂ）は、或る実施形態のＬＣＤ表示装置の、光学スイッチに電圧を印加していない場合と最大電圧を印加した場合を示している。具体的には、ＬＣＤ表示装置８００は、光源８０２を含んでいる。光源８０２は、ＬＥＤ、ＥＬ、又は蛍光灯の様なＬＣＤ表示装置に使用されるどの様なバックライトであってもよい。ＬＥＤは、電力と大きさの点で効率的なので、広く使用されている。白光ＬＥＤの様な広帯域光源を使用すれば、少なくとも約４００ｎｍから約８００ｎｍ、即ち可視波長範囲が網羅される。これにより、カラーＬＣＤが使用できるようになる（カラーフィルタが含まれているが図面には示していない）と共に、必要に応じて外部的に白色光を使用できるようになる。赤、青、又は緑色ＬＥＤの様な単一ＬＥＤを使用してもよいし、それらＬＥＤの組み合わせを使用してもよい。青色（又は緑色）ＬＥＤを使用する場合、光学スイッチの１つ又はそれ以上の面上に、又は光学スイッチの内部に、蛍光物質を設けて、光を吸収させ、黄色の様な他の色の発光させるようにしてもよい。この場合、ＬＥＤ光は、ポリマーマトリクスと液晶液滴を通過して、蛍光物質に衝突する前に、透過されるか又は回折されるかの何れかである。格子は、約１９０ｎｍから約２μｍの間で透過及び／又は回折するように設計されている。
【００６１】
ＬＥＤ８０２からの光は、ＬＥＤ８０２に隣接して配置されているホログラフィ光学スイッチ８０４に衝突する。反射器、収束レンズ、又はある種のハウジング（図示せず）がＬＥＤ８０２を取り囲み、ＬＥＤ８０２からの光を反射又は収束して、ホログラフィ光学スイッチ８０４から離れ、又はホログラフィ光学スイッチ８０４に戻る方向に向ける。ＬＥＤ８０２からの光は、ホログラフィ光学スイッチ８０４の電極の間に電圧が存在していない場合（オフ状態）は、ホログラフィ光学スイッチ８０４を透過し、ホログラフィ光学スイッチの電極の間に電圧が印加されている場合（オン状態）は、回折される。オン状態のとき、回折された光は、ＬＣＤには衝突しない。図示していないが、回折されなかった光が存在する場合、その光は、ＬＣＤに送られて表示又は他の目的に使用される。
【００６２】
ＬＥＤ８０２とホログラフィ光学スイッチ８０４は、ホログラフィ光学スイッチ８０４を透過した光が、導光部８０６に向けて送られて、その光の少なくとも一部が最終的には導光部８０６に衝突するように、ＬＣＤの導光部８０６と横方向に整列している。換言すると、ＬＥＤ８０２の少なくとも一部と、ホログラフィ光学スイッチ８０４と、導光部８０６は、互いに実質的に同一平面にある。図８に示す装置は、光をＬＣＤへ容易に結合させる。導光部８０６は、プラスチック又はＬＣＤに使用されるどの様な他の材料で形成してもよく、既知のどの様な導光部構造を使って形成してもよい。ＬＥＤ８０２とＬＣＤは別体として示しているが、相互に取り付けて一体としてもよい。導光部８０６に入射する光は、導光部８０６の上面に接触しているＬＣＤパネルの下側からＬＣＤパネルに入る。図示の様に、導光部８０６内の光は、ＬＣＤパネルに完全に導入される前に、幾度も反射される。
【００６３】
ＬＣＤパネルは、偏光板８０８、液晶層８１０、及び図示していないが他にも多数の既知の層を含んでいる。上記の層には、限定するわけではないが、表面に偏光板８０８を配置し、間に液晶層８１０を配置する透明な一対の基板、電界を液晶層８０１に印加する働きをする透明で反射性のある電極、例えば、薄膜トランジスタを形成し保護する層、及びＬＣＤの単位セルを多色（大抵は赤、緑、青、及び若しくは白）の画素に分割するカラーフィルタ層、が含まれる。
【００６４】
バッテリの様な電源装置８１２が、ＬＣＤ表示装置８００に内臓されている。電源装置８１２は、ＬＥＤ８０２、光学スイッチ８０４の電気的ドライバ（これにより、光学スイッチの電極間に電圧を供給する）、及びＬＣＤパネルに電力を提供する。電源装置は、調整可能で、供給電圧を変え、例えば、格子間電界を変えることができる。代わりに、外部の電源供給装置によってＬＣＤ表示装置８００の各種構成要素に電力を供給してもよい。ＬＣＤ表示装置８００又は他の携帯式電子装置は、ＬＣＤ表示装置８００の構成要素の中でもとりわけＬＥＤ８０２、光学スイッチ８０４、及びＬＣＤを囲い込むケーシング（又はハウジング）８１４も含んでいる。ケーシング８１４は、ユーザーがＬＣＤを見るための視認部（図示せず）と、回折した光をケーシング８１４から外に出す照明部（図示せず）とを有している。これは即ち、光学スイッチからの光は、ケーシングの外側を照明するように向けられるということである。図示していないが、ケーシング８１４内に及び／又はケーシング８１４の照明部にレンズを追加して、ケーシング８１４内及び／又はケーシング８１４外側で、回折された光をコリメート又は収束してもよい。
【００６５】
こうして、図示の様に、光源８０２、光学スイッチ８０４、及び液晶表示部は、光学スイッチの電極の間の電位差が実質的にゼロでないときは、光源８０２からの光学スイッチ内の光が液晶表示部から実質的に離れる方向に向くように配置されている。換言すると、装置を製造する際、光学スイッチの角度は、光源からの光が最大に屈折される非ゼロ電圧が光学スイッチに印加されているときには、光源から来て光学スイッチを出た光が、液晶パネルに衝突すること無く液晶パネル付近に向けられるように、調整される。
【００６６】
また、光源と導光板の間に、多重格子を配置してもよい。それら格子は、完全に物理的に分離した、異なる特性を有する光学スイッチであってもよいし、又は、同じ光学スイッチ内に横並びに又は厚さ方向に一体化した多重層であってもよい。光学スイッチが分離型の場合、格子の物理的位置、及び例えば物理的傾斜角度や空間周波数を含む他の格子特性は、異なっていてもよい。ＨＰＤＬＣ層に使用されている材料は、光学スイッチが分離型の場合には同じでも異なっていてもよく、複数の層を１つの光学スイッチに一体化している場合には異なっていてもよい。こうすると、必要に応じて、１つ又は複数の光線を異なる位置に向けて偏向させることができる。光学スイッチが分離型か一体型かに関係なく、同じ又は異なる電圧の何れをＨＰＤＬＣ層に印加してもよい。例えば、一体型の光学スイッチでは、１つ又はそれ以上の透明電極を、例えば電圧分割器を使用して、異なる電位で接続してもよい。
【００６７】
更には、光源は１つしか示していないが、多数の光源を使用してもよい。これらの光源は、同じ格子又は異なる格子に衝突させてもよいし、同じ又は異なる導光部と相互作用させてもよいし、液晶表示部の同じ側又は液晶表示部の互いに反対側に互いに隣接して配置してもよい。
【００６８】
従って、或る態様では、液晶表示装置は、液晶表示部、光源、及び光学スイッチを含んでいる。液晶表示部は、相対する基板、基板上の電極、電極の間の液晶層、基板の互いに反対側に液晶層として配置された偏光板、及び偏光板の１つに配置された導光部を有している。光学スイッチは、導光部と光源の間に配置されている。更に、光学スイッチは、相対する光学スイッチ基板、光学スイッチ基板の間に配置された光学スイッチ電極、及び電極の間に配置された回折格子を含んでいる。この回折格子は、或る屈折率を有する高分子化フォトポリマーと、電極が同一の電位を有しているときには、高分子化フォトポリマーの屈折率と実質的に同じ有効屈折率を有する液晶凝集体の領域と、を含んでいる。電源装置は、光学スイッチの電極に接続されている。格子は、実質的に偏光依存性ではない。
【００６９】
光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、光学スイッチの電極の間に実質的に電位差が存在していないときには、光源からの光が光学スイッチを透過して導光部に向かうように、配置されている。同様に、光源、光学スイッチ、及び液晶表示部は、光学スイッチの電極の間の電位差が実質的にゼロとは異なるときには、光源から来た光学スイッチ内の光は、実質的に液晶表示部から遠ざかる方向に向けられる。一般に、光源の少なくとも一部と導光部は互いに同一平面にある。
【００７０】
従って、上記詳細な説明は、限定を課すのではなく説明を目的としたものと見なされるべきであり、本発明の精神と範囲を定義することを意図しているのは、特許請求の範囲並びにその全ての等価物であると理解されたい。上記説明には、特許請求された本発明の範囲又はその等価物を否定する意図は何も無い。例えば、他の光学系又は電子インク（ｅインク）の様な、他の低電力光学スイッチを使用することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の或る実施形態を示している。
【図２】回転ステージに鏡を取り付けた、本実施形態によるＨＰＤＬＣを製作するための、光学系の実験的仕組みの概略図を示している。
【図３】図２の格子構造上の分割ビームの交差領域の拡大図を示している。
【図４】図４（ａ）と図４（ｂ）は、詳細な格子構造と設計パラメータを示している。
【図５】図５（ａ）と図５（ｂ）は、それぞれ透過光学スイッチと反射光学スイッチを示している。
【図６】図６（ａ）と図６（ｂ）は、従来の光学スイッチに異なる電圧を印加した状態を示している。
【図７】図７（ａ）と図７（ｂ）は、本発明の或る実施形態による光学スイッチに異なる電圧を印加した状態を示している。
【図８】図８（ａ）と図８（ｂ）は、本発明の或る実施形態によるＬＣＤに異なる電圧を印加した状態を示している。
【図９】図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、従来のＨＰＤＬＣ及び本発明の実施形態によるＨＰＤＬＣの、回折効率対印加電圧を示している。
【図１】
2007538293.tif 000008
【図２】
2007538293.tif 000009
【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
2007538293.tif 000013
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａｂ】
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【図９ｃ】
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【国際調査報告】
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