(57)【要約】【課題】  液晶層にわたってマクロ的天頂および方位液晶（ＬＣ）アライメント（φ、θ）の同時制御を可能にする方法を提供すること。【解決手段】  例示的な実施形態において、第１のタイプのアライメント領域（Ｔ１）は実質的にホメオトロピックなアライメント（ｚ方向）を誘発する傾向があり、第２および第３のタイプのアライメント領域（Ｔ２、Ｔ３）はそれぞれ異なる主な配向の実質的に平面なアライメント（ｘ方向、ｙ方向）を誘発する傾向がある。マクロ的天頂液晶アライメント（θ）の制御はホメオトロピック（Ｔ１）および平面（Ｔ２、Ｔ３）領域タイプの間の面積比を制御することによって達成され、マクロ的方位（φ）液晶アライメントの制御は２つの平面領域タイプ（Ｔ２、Ｔ３）の間の面積比を制御することによって達成される。【選択図】  図２
2005250486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターニングされたアライメント層において、第１、第２、および第３の異なるタイプのアライメント領域（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）の間の面積比を制御することによって、ＬＣ層にわたってマクロ的天頂および方位液晶（ＬＣ）アライメント（φ、θ）の同時制御を可能にする方法であって、３つの該異なるタイプのアライメント領域（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、該ＬＣ層において、３つのそれぞれ異なる、同一平面上にない主な配向（ｚ、ｘ、ｙ）のＬＣアライメントを誘発する傾向がある、方法。
【請求項２】
前記第１のタイプのアライメント領域（Ｔ１）は実質的にホメオトロピックなアライメント（ｚ）を誘発する傾向があり、前記第２および第３のタイプのアライメント領域（Ｔ２、Ｔ３）はそれぞれ異なる主な配向の実質的に平面なアライメント（ｘ、ｙ）を誘発する傾向がある方法であって、マクロ的天頂ＬＣアライメント（θ）の制御は前記ホメオトロピック（Ｔ１）および平面（Ｔ２、Ｔ３）領域タイプの間の面積比を制御することによって達成され、マクロ的方位（φ）ＬＣアライメントの制御は２つの平面領域タイプ（Ｔ２、Ｔ３）の間の面積比を制御することによって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
液晶（ＬＣ）層および少なくとも１つのパターニングされたアライメント層を備える光学デバイスであって、該ＬＣ層にわたって天頂および方位ＬＣアライメント（φ、θ）のマクロ的パターンを有するＬＣ層が、請求項１または２のいずれかに記載の方法を用いて達成される、光学デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の光学デバイスを備える、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ。
【請求項５】
請求項３に記載の光学デバイスを備える、光学リターダ。
【請求項６】
請求項５に記載の光学リターダおよび少なくとも１つの偏光子を備える、視差バリア。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかに記載の光学デバイス、レンズ、リターダまたはバリアを備える、ディスプレイデバイス。
【請求項８】
請求項３に記載の光学デバイスを備える、波面変調器。
【請求項９】
請求項３に記載の光学デバイスを備える、画像シフタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶層におけるマクロ的液晶アライメントの制御、および、このようにして制御されたマクロ的液晶アライメントを有する液晶層を含む光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
添付の図面の図１は、空間内のＬＣディレクタ（平均分子配向）の座標系を示す。角度θは天頂（面外）角であり、φは方位（面内または平面）角である。角度θはまた、チルト角としても公知であり、φはねじれ角としても公知である。ＬＣ層（または基板）は、ｘ−ｙ平面にある。
【０００３】
グロススケールでの液晶アライメントのパターニングが公知である。このコンテキストにおいて、グロスパターニングは、液晶層の厚さよりも大きい横方向の伸長を有するアライメント層のことをさす。得られる液晶層は、一方の領域におけるパターニングが、隣接する領域のパターニングに無視できる影響を有する状態の、光学的に識別できる少なくとも２つのドメインを有する。
【０００４】
液晶デバイスにおいて細かい大きさ（〜１μｍ）でアライメントをパターニングすることは、以前に開示されている。非特許文献１は、２方向における天頂マイクロパターニングを記載し、双安定バルクディレクタ配向を示す。非特許文献２は、三方向における天頂マイクロパターニングを記載し、三安定バルクディレクタ配向を示す。Ｋｉｍらは、パターニングされたアライメント領域の比率を空間的に変動させることを開示しておらず、また、そのようなパターニングから得ることができる可能なデバイスについて記載していない。これらの文献の両方における天頂パターニングは、基板をラビングし、（０．５μｍまで）４μｍの幅を有するドメインを達成する、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて達成される。しかし、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて１つのピクセル（９０μｍｘ９０μｍ）のサイズの面積をラビングすることに２〜１０時間かかる。結果として、ＡＦＭラビングは、製造に適した技術であるとは考えられない。
【０００５】
非特許文献３は、マトリクスに有利な平面アライメントにおいて囲まれるホメオトロピックアライメントに有利なパッチから構成される表面の使用を開示する。得られる天頂パターニングされた表面は、平面と垂直との間であるバルクプレチルトを生成する。プレチルトは、ホメオトロピックアライメント領域と平面アライメント領域との間の面積比の関数である。しかし、この天頂パターニング方法は、ＳｉＯおよび金属膜堆積に依存し、ＳｉＯ堆積は製造に適合した技術であるとは考えられない。Ｏｎｇらによって記載された製造方法は、ホメオトロピックアライメント方向および平面アライメント方向の比率を空間的に変動させるために用いられ得ない。従って、平均バルク天頂角は、どこでも同じになる（すなわち、天頂利他―デー所ンの空間的変動が可能でない）。Ｏｎｇらは、パターニングされたアライメントの比率を空間的に変動させることについて開示しておらず、このようなパターニングから得ることができる可能なデバイスについて記載していない。
【０００６】
天頂双安定のディスプレイ（ＺＢＤ）が、いくつかの特許、例えば、特許文献１において開示されている。全てのＺＢＤデバイスは、格子構造上に局所的に均一な表面プレチルトを有する。ＺＢＤの得られるバルク光学特性は、起伏がある表面のトポロジーの結果である。
【非特許文献１】Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｂｉｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  ｎｅｍａｔｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｂｙ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｆｒｕｓｔｒａｔｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐａｔｔｅｒｎｓ（Ｋｉｍら、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、７８、ｐｐ３０５５（２００１））
【非特許文献２】Ｔｒｉｓｔａｂｌｅ  ｎｅｍａｔｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｅｖｉｃｅ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ（Ｋｉｍら、Ｎａｔｕｒｅ  ４２９、ｐｐ．１５９（２００２））
【非特許文献３】Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｏｆ  ｎｅｍａｔｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｂｙ  ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｓｕｒｆａｃｅ（Ｏｎｇら、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、５７、ｐｐ１８６（１９８５））
【特許文献１】ＷＯ９７／１４９９０  上記の技術は、商業的に適合していない製造方法に依存するか、または、複数の新規の光学素子を実現するためのパターニングフレキシビリティが十分でないか、あるいは、この両方であると考えられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の局面によると、パターニングされたアライメント層において、第１、第２、および第３の異なるタイプのアライメント領域の間の面積比を制御することによって、ＬＣ層にわたってマクロ的天頂および方位液晶（ＬＣ）アライメントの同時制御を可能にする方法であって、３つの該異なるタイプのアライメント領域は、該ＬＣ層において、３つのそれぞれ異なる、同一平面上にない主な配向のＬＣアライメントを誘発する傾向がある、方法が提供される。
【０００８】
前記第２および第３のタイプのアライメント領域は、実質的に直交の主な配向のアライメントを誘発する傾向があってもよい。
【０００９】
ある実施形態において、前記第１のタイプのアライメント領域は実質的にホメオトロピックなアライメントを誘発する傾向があり、前記第２および第３のタイプのアライメント領域はそれぞれ異なる主な配向の実質的に平面なアライメントを誘発する傾向があり、マクロ的天頂ＬＣアライメントの制御は前記ホメオトロピックおよび平面領域タイプの間の面積比を制御することによって達成され、マクロ的方位ＬＣアライメントの制御は２つの平面領域タイプの間の面積比を制御することによって達成される。
【００１０】
前記第１のタイプの実質的に均一な初期アライメントを有するアライメント層を提供し、前記第２のタイプのアライメント領域を生成する第１のパターニングステップ、および、前記第３のタイプの任意の所望されるアライメント領域を生成する第２のパターニングステップを適用することによって、前記アライメント層がパターニングされてもよい。
【００１１】
任意の２つのタイプのアライメント領域の間の面積比が、前記ＬＣ層の少なくとも一部についてゼロであってもよい。例えば、前記第３および第２のタイプの間の面積比が、前記ＬＣ層の少なくとも一部についてゼロであってもよい。これは、ＬＣ層全体についての場合であり得る。
【００１２】
前記アライメント領域のタイプのうちの少なくとも１つは、マクロ的ＬＣアライメントのさらなる制御を提供するため、わずかに異なるアライメントの２つの選択肢を有し得る。アライメント領域のタイプについての２つの選択肢は、そのタイプの主なアライメント配向の周りに等しく配向され得る。アライメント領域の２つの選択肢は、実質的に等しい面積比において用いられ得る。アライメント領域のタイプについての２つの選択肢は、実質的に、他のタイプのアライメント領域の主なアライメント配向を含む平面においてあり得る。第２のタイプのアライメント領域は、このような２つの選択肢を含み得、第２のタイプの２つの選択肢は第１のタイプのアライメント領域の反対側において用いられる。他のタイプのアライメント領域は、第１のタイプのアライメント領域であり得る。アライメントのタイプについての２つの選択肢は、２０度未満異なり得る。
【００１３】
前記アライメント層は、光アライメントによって少なくとも部分的にパターニングされてもよい。前記アライメント層は、ラビングによって少なくとも部分的にパターニングされてもよい。前記アライメント層は、表面緩和格子によって少なくとも部分的にパターニングされてもよい。前記アライメント層は、重ねられた少なくとも２つのタイプの材料の選択的プリント（例えば、マイクロコンタクトプリント）によって少なくとも部分的にパターニングされてもよく、材料の各タイプは、該少なくとも２つのタイプの材料のうちの他のタイプとは異なるタイプのアライメントを誘発する傾向がある。前記アライメント層は、少なくとも２つの材料の層を形成することによって少なくとも部分的にパターニングされてもよく、各層は、他の層と異なるタイプのアライメントを誘発する傾向があり、該層のうちの少なくとも１つの一部を、その下の少なくとも１つの層の一部を露出させるように、選択的に除去する。前記アライメント層は、該アライメント層の表面エネルギーを選択的に変更することによって少なくとも部分的にパターニングされてもよい。
【００１４】
第２のアライメント層が、パターニングされた、第１のアライメント層に対向する、前記ＬＣ層の面に設けられてもよい。２つの前記アライメント層は協働して、特定の線偏光の入射光の偏光を収束させる、液晶アライメントのマクロ的パターンを誘発してもよい。２つの前記アライメント層は協働して、特定の線偏光の入射光の偏光を回転させる、液晶アライメントのマクロ的パターンを誘発してもよい。前記２つのアライメント層は協働して、前記ＬＣ層における液晶アライメントのＶ−状態パイセルパターンを誘発してもよい。本願の方法に従って、前記第２のアライメント層もパターニングされてもよい。前記第２のアライメント層には、前記第１のアライメント層と同じアライメント領域タイプのパターニングが設けられてもよい。
【００１５】
前記第１のアライメント層は、前記ＬＣ層の第１の領域において液晶アライメントの第１のマクロ的パターンを誘発してもよく、前記第２のアライメント層は、該ＬＣ層の該第１の領域とは異なる該ＬＣ層の第２の領域において、該第１のマクロ的パターンとは実質的に異なる液晶アライメントの第２のマクロ的パターンを誘発する。前記第１および第２の領域は、前記ＬＣ層内でそれぞれのサブ層を形成してもよく、該第１の領域は、前記第１のアライメント層と該第２の領域との間に配置される。
【００１６】
前記アライメント層パターニングは、少なくとも部分的に周期的であってもよい。前記アライメント層パターニングは、少なくとも部分的にランダムであってもよい。
【００１７】
パターニングされたタイプの領域の横方向の寸法の少なくとも１つは、前記ＬＣ層の厚さと同程度であるか、それよりも小さくてもよい。マクロ的アライメント変化が、前記ＬＣ層の厚さと同程度であるか、それよりも小さい大きさで達成可能であってもよい。
【００１８】
前記第１、第２、および第３の異なるタイプのアライメント領域の間の面積比の少なくとも１つが、前記アライメント層にわたって変動してもよい。前記少なくとも１つの面積比の変動は、前記ＬＣ層の厚さと同程度であるか、それよりも小さい大きさで発生してもよい。
【００１９】
一例として、上記の大きさは、１μｍ以下のオーダーである。
【００２０】
前記変動は、前記ＬＣ層にわたる液晶アライメントのマクロ的パターンが特定の線偏光の入射光について変動するリターデーションを提示するように制御されてもよい。前記リターデーションの変動は、その偏光の光について、波面変調関数を提供してもよい。前記リターデーションの変動は、その偏光の光について、レンズ関数を提供してもよい。
【００２１】
前記第１および第２のアライメント層の面積比が変動してもよく、該変動は、液晶アライメントの前記第１のマクロ的パターンが、第１の線偏光の入射について、変動するリターデーションを提示し、液晶アライメントの前記第２のマクロ的パターンが、該第１の線偏光とは異なる第２の線偏光の入射光について、変動するリターデーションを提示するように制御される。レンズ関数が第１および第２の線偏光の両方について提供されてもよい。
【００２２】
ＬＣアライメントの均一マクロ的パターンが前記ＬＣ層にわたって形成されて、表面のうちの１つに入射する光について画像シフト関数を提供するように光軸が該表面に対してある角度をなして配向される複屈折光学素子が形成されてもよい。
【００２３】
本発明の第２の局面によると、液晶（ＬＣ）層および少なくとも１つのパターニングされたアライメント層を備える光学デバイスであって、該ＬＣ層にわたって天頂および方位ＬＣアライメントのマクロ的パターンを有するＬＣ層が、本発明の第１の局面による方法を用いて達成される、光学デバイスが提供される。
【００２４】
光学デバイスは、平面アライメントから１０〜８０度離れている前記ＬＣ層の少なくとも一部におけるマクロ的天頂アライメントを有してもよい。
【００２５】
前記マクロ的アライメントパターンは２つ以上の安定構造を有し得る。前記マクロ的アライメントは、電場を印加すること、および／または、磁場を印加すること、および／または、機械的な力を付与すること、および／または、前記ＬＣ層内でマクロ的流体フローを誘発することによって、前記２つ以上の安定構造の間で切り替え可能であってもよい。前記マクロ的アライメントパターンは、マクロ的天頂角が、前記ＬＣ層の少なくとも一部において、互いに異なる２つの安定構造を有してもよい。
【００２６】
光学デバイスは、前記ＬＣ層の少なくとも一部にわたって、該ＬＣ層の少なくとも一部の前記マクロ的アライメントパターンが前記少なくとも１つのアライメント層および任意の印加される場に依存するように、電場および／または磁場を印加する手段を備えてもよい。
【００２７】
光学デバイスは、前記ＬＣが前記少なくとも１つのアライメント層によって実質的に決定されるマクロ的アライメントパターンを有する第１のモードから、該ＬＣが前記印加される場によって実質的に決定されるマクロ的アライメントパターンを有する第２のモードに切り替え可能であってもよい。
【００２８】
前記場を印加する手段は、前記ＬＣ層の異なる部分にわたって、異なる電場および／または磁場を印加するように動作可能であってもよい。
【００２９】
前記場を印加する手段は電極を含んでもよい。前記電極のうちの少なくともいくつかがセグメント化されていてもよい。
【００３０】
光学デバイスは、前記デバイスに入力される光の偏光を変化させる手段を備えてもよい。
【００３１】
本発明の第３の局面によると、本発明の第２の局面による光学デバイスを備える、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズが提供される。
【００３２】
ＧＲＩＮレンズは、ねじれネマチックＧＲＩＮレンズであってもよい。
【００３３】
本発明の第４の局面によると、本発明の第２の局面による光学デバイスを備える、光学リターダが提供される。
【００３４】
本発明の第５の局面によると、本発明の第４の局面による光学リターダおよび少なくとも１つの偏光子を備える、視差バリアが提供される。
【００３５】
本発明の第６の局面によると、本発明の上記の局面による光学デバイス、レンズ、リターダまたはバリアを備える、ディスプレイデバイスが提供される。
【００３６】
前記ディスプレイデバイスは、複数ビューディスプレイデバイスであってもよい。
【００３７】
本発明の第７の局面によると、本発明の第２の局面による光学デバイスを備える、波面変調器が提供される。
【００３８】
本発明の第８の局面によると、本発明の第２の局面による光学デバイスを備える、画像シフタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、例示のため、添付の図面が参照される。
【００４０】
本発明を実施する特定の適用例を説明する前に、本発明の実施形態の基礎をなす概略的な原理をまず説明する。
【００４１】
未処理状態のホメオトロピックアライメントを生成する（すなわち、ＬＣ分子層は、アライメント層がラビング、またはＵＶなどで露光されていない場合、図１に示す座標系に従ってｚ軸と平行である）アライメント層を有する基板を考慮する。その後、１つのパターニングされたプロセスステップが用いられ、面内軸、例えば、ｘ軸に平行の表面アライメントの領域が生成され得る。１つのパターニングされたプロセスステップの後にセルが構成される場合、バルク光学軸は、セル内の全ての点において、ｘ−ｙ平面にある（すなわち、分子アライメントは、ｘ−ｚ平面の全ての点において、一定のφの値を有する）。しかし、光学軸が基板（φ）とともになす角度は、ｘ−ｙ平面において空間的に変動してもよいし、しなくてもよい。光学軸角度φが、ｘ−ｙ平面において変動するか否かは、マイクロパターニングの細部に依存する。
【００４２】
図２は、マクロ的天頂液晶アライメントが、どのように、パターニングされた層内の２種の異なるタイプＴ１およびＴ２のアライメント領域を用いることによって設定され得るかを示す。第１のタイプＴ１のアライメント領域は、ＬＣ層において実質的にホメオトロピックな（実質的にｚ方向の）ＬＣアライメントを誘発する傾向がある。第２のタイプのアライメント領域は、ＬＣ層において実質的に平面の（この例においては、実質的にｘ方向の）ＬＣアライメントを誘発する傾向がある。バルクにおける平均マクロ的ディレクタ配向は、（ｉ）あるタイプのパターニングの他のタイプに対する面積比、（ｉｉ）液晶自体の異方性弾性定数、および（ｉｉｉ）異なるパターニングされた領域の相対的な束縛の強さの関数である。図３に示す例では、ＬＣ層のバルクにおいて、マクロ的な天頂角が角度θを取ることが見受けられる。
【００４３】
次に、図３を参照しながら説明するように、ホメオトロピックアライメントの平面アライメントに対する比率を変動させることによって、広範な範囲の中間のプレチルトθが達成可能である。図３において、ホメオトロピックタイプ領域は、平面タイプ領域と交互に配置されている。ホメオトロピックタイプ領域の幅は「Ｈ」で表され、平面タイプ領域の幅は「Ｐ」で表されている。ホメオトロピック領域の平面領域に対する比率は、これらの２つの幅を変更することによって変動され得る。比率は、１つの異なるタイプのアライメント領域の間の面積比として表され得る。図３に示す簡略的な例において、比率は、ホメオトロピックタイプ領域の幅から平面タイプ領域の幅を引いたものとしても表され得る。図３の右側のグラフは、どのように、マクロ的なプレチルト角度θが、ホメオトロピックタイプ領域対平面タイプ領域の面積比を変動させることによって、約３０度から約７０度の間で変動させられ得るかを示す。
【００４４】
図２および３を参照しながら説明したような１つのパターニングされたプロセスステップを用いることによって、天頂アライメントの微細な制御が可能になる。第２のパターニングされたプロセスステップを追加することによって、さらに複雑な構造を製造することが可能になる。第２のパターニングされたプロセスステップの使用は、残りの面内軸（すなわち、ｙ軸）に平行な領域を生成するように用いられ得る。第２のパターニングされたプロセスステップの後にセルを構成することによって、バルク光学軸がもはや１つの平面に必ずしも制約されない（すなわち、分子アライメントがｘ−ｙ平面における異なる空間位置に異なるφの値を有し得る）セルが生じる。ここでも、光学軸が基板（θ）と為す角度は、ｘ−ｙ平面において空間的に変動してもよいし、しなくてもよい。
【００４５】
２つのパターニングされたプロセスステップを用いることによって、任意の横方向位置［ｘ１，ｙ１］においてバルクアライメント方向［θ１，φ１］を局地的に有するデバイスを生成することが可能になる。これは、２つのプロセスステップが平行しないアライメント方向を生成し、２つの処理されたアライメント方向が未処理のアライメント方向とも平行しない場合にのみ、可能である。アライメント方向は直交する必要はない。さらに、局地的なマイクロパターニングを変動させること（すなわち、異なるアライメント方向の比率を変動させること）によって、［ｘ１，ｙ１］におけるバルクアライメント［θ１，φ１］が、［ｘ２，ｙ２］における［θ２，φ２］に変換され得る。ある任意のアライメント方向から他のアライメント方向への変換は、弾性連続体理論の制約内でのみ発生し得る。実際面では、これは、［ｘ１，ｙ１］における［θ１，φ１］を［ｘ２，ｙ２］における［θ２，φ２］に変換するために、２点間の距離（すなわち、（√｛（ｘ１−ｘ２）２＋（ｙ１−ｙ２）２｝）がひずみに伴う弾性エネルギーに対応するために十分な大きさである必要がある。この距離は、分子アライメントおよび液晶材料自体のひずみの関数である。
【００４６】
図４は、マクロ的方位液晶アライメントが、どのように、パターニングされた層内の２種の異なるタイプＴ２およびＴ３のアライメント領域を用いることによって設定され得るかを示す。第２のタイプのアライメント領域は、図２を参考にしながら説明した例における第２のタイプと同様に、ｘ方向の平面ＬＣアライメントを誘発する傾向がある。第３のタイプＴ３ｎｏアライメント領域は、ｙ方向の平面ＬＣアライメント、すなわち、第２のタイプと直交するアライメントを誘発する傾向がある。ここでも、バルクにおける平均マクロ的ディレクタ配向は、（ｉ）あるタイプのパターニングの他のタイプに対する面積比、（ｉｉ）液晶自体の異方性弾性定数、および（ｉｉｉ）異なるパターニングされた領域の相対的な束縛の強さの関数である。２つの直交する平面アライメントの比率を変動させることによって、液晶層にわたって、広範な範囲の中間方位角φが達成可能である。ここでも、相対的な昼地は、２つの異なるタイプＴ２およびＴ３のアライメント領域の間の面積比として表され得る。
【００４７】
任意の分子アライメントが、２つのパターニングされたプロセスステップを用いることを介して、基板上の任意の位置で達成され得る。しかし、あるバルクアライメント方向から他のバルクアライメントへの連続的な変換は、２点間の距離が、ＬＣひずみに伴う弾性エネルギーに対応するために十分な大きさである場合にのみ発生し得る。反りひずみの量を増大させるために、表面においてアライメントの縮退を壊すパターニングされたプロセスステップを用いることを次に説明する。
【００４８】
図５を参照して、１つのパターニングされたプロセスステップを受ける基板を考える。上述したように、初期のアライメント方向は、ｚ軸に平行であり、パターニングされたプロセスステップによって、ｘ軸に平行なアライメントのパッチが生成される。得られるバルク分子配向は、実際に、２つの安定構造、すなわち、ｚ軸に対して対称の±θのバルク分子チルトを有する。膜処理、温度の変動などの実験におけるばらつきに起因して、バルク分子アライメントは、マクロ的ドメインにおいて、＋θまたは−θ構造のいずれかを採用する。これらのマクロ的ドメインは、リバースチルト壁によって隔てられている。
【００４９】
次に、パターニングされたプロセスステップが、表面上でｘ方向に対して完全には平行ではなく、ｚ軸に対して平行な方向に小さい成分をさらに有するアライメントを生成する状況を考える。表面における局所的な分子アライメントは、ここでは、図６に示すように、比較的小さい（例えば、１０°未満）のプレチルト角度αを有する。プレチルトの大きさは、特に、アライメント層／液晶の組み合わせに依存する。このプレチルトは、２つのバルク分子アライメント方向のエネルギー縮退を壊すように機能し、従って、１つのバルクマクロ的チルトのみが観察される。図６を参照すると、これは、＋θまたは−θ状態のいずれかが形成されるが、両方は形成されないことを意味する。
【００５０】
＋αおよび−αの両方のアライメント領域を生成するパターニングされたプロセスステップを用いることは、図７（ａ）および（ｂ）を参照しながら示すように、ＬＣによって維持できるひずみを増大させるために用いられ得る。この例においては、〜０°（「１」と符号が付けられている）または〜９０°（「２」と符号が付けられている）のいずれかであることが所望される領域におけるバルクチルトθについて特に考える。
【００５１】
まず、図７（ａ）に示すように、１つのプレチルト（例えば、＋α）のみが用いられる状況を考える。バルクチルトθは、０°と等しくなることはない。なぜなら、ホメオトロピック（θ＝９０°）領域が用いられないとしても、バルクチルトは、基板のいたるところで、プレチルト（すなわち、θ＝α）と単に等しいからである。θ〜９０°を得ることは、純粋に９０°の領域を含むマイクロパターニングされた領域がセル厚さ以上の距離にわたってｘ−ｙ平面において横方向に延びる限り、１つのプレチルトを用いて可能である。
【００５２】
次に、図７（ｂ）に示すように両方のプレチルト（＋αおよび−α）が用いられる状況を考える。図７（ｂ）において、正方形で印を付けた平面アライメント領域が−αのプレチルトを有し、残りの領域が＋αを有する。ここで、バルクプレチルトは、隣接する反対のプレチルトのパターニング領域の平均化によってゼロに等しくなる（すなわち、＋αおよび−αの平均は０°である）。θ〜９０°を得るため、一方の側で＋αプレチルト領域と境界を接し、他方の側で−αプレチルト領域と境界を接する、図７（ｂ）において「２」と符号が付けられたホメオトロピック領域について考える。ホメオトロピック領域の両方の側におけるリバースバルクチルトは、ホメオトロピック領域が傾くことを防ぐ。このホメオトロピック領域が反対のチルトの平面領域と境界を接するようにする技術を用いることによって、１つのプレチルトパターニングされたプロセスステップを用いる場合と比較して、より大きなＬＣひずみが得られることが可能になる。結果として、ここで、バルク分子配向における大きな横方向の変動が（ｘ−ｙ平面に限って）、より短い距離にわたって発生し得る。
【００５３】
上記の技術は、他の平面方向に平行なアライメント（すなわち、ｙ軸に対して大体平行なアライメントもプレチルトを有し得る）にも適用され得る。これによって、二次元（すなわち、ｘ−ｙ平面）の反りひずみの増大が可能になる。平面アライメント領域のアライメント性質が変更されると上述したが、ホメオトロピックアライメント領域のアライメント性質を変更することによっても同じ効果を得ることができることが理解される。
【００５４】
表面の周期的パターニングは、表面近傍のＬＣ配向における周期的なひずみを誘発する。これらの周期的なひずみの横方向長さの大きさおよび厚さは、マイクロパターニングされた光学素子を通過する光が回折するようなものである。本明細書で開示されるいくつかの実施形態については、このような回折は性能に影響を与えないが、他の実施形態については、回折は実際に有用であり得る。しかし、回折が性能を低下させる実施形態については、周期的なアライメントパターンではなく、ランダムなアライメントパターンを用いることによって光学回折を避けることも可能である。
【００５５】
本発明の実施形態では、アライメントドメインは、概して、液晶層の厚さと同程度、またはそれよりも小さい大きさである。液晶層の特定の点における得られるバルク光学性質は、その点に近接するアライメント領域の関数である。本質的には、バルク光学性質は、少なくとも２つのアライメントドメインの関数である。
【００５６】
バルク天頂アライメントおよびバルク方位アライメントの両方が、表面の適切なマイクロパターニングを介して、同時制御され得る。これによって、デバイスまたはディスプレイ内の任意の横方向の位置において、任意のマクロバルクディレクタ構造が達成され得る。パターニングは、デバイスを含む基板の一方または両方において発生し得る。アライメントパターニングは、周期的であってもよいし、ランダムであってもよい。パターニングは、任意の製造適合技術、例えば、ラビング、光アライメント、グレーティングなどを用いて達成され得る。パターニングは、それ自体で、または、隣接するアライメント材料の層（単数または複数）と協働して、所望のアライメント状態を誘発する、材料の選択的なプリント（例えば、マイクロコンタクトプリント）によって達成され得る。パターニングは、少なくとも２つの層を互いの上に堆積し、その後、各層が異なるアライメント状態を誘発するように、上方の層（単数または複数）の一部を選択的に除去して下方の層（単数または複数）の領域を露出させることによって達成され得る。
【００５７】
表面上に局所的に２つ以上のアライメント方向をパターニングすることによって、局所的にパターニングされた領域がセル全体の厚さと同程度、またはそれよりも小さければ、平均マクロ的アライメント方向が得られる。
【００５８】
３つの異なるタイプのアライメント領域Ｔ１、Ｔ２およびＴ３が平面アライメント層として形成されると上述されているが、領域は、平面の表面にパターニングされてもよいし、平面でない表面にパターニングされてもよいことが理解される。
【００５９】
現行の技術と比較した本発明の実施形態の利点をいくつか、特定の実施形態の説明の前に簡単に説明する。
【００６０】
全ての液晶ディスプレイおよびデバイスは、なんらかの形のアライメント技術を必要とする。今までに考えられた商業的なＬＣＤ製造には、本発明の実施形態のように、平均バルクディレクタ配向を達成するために表面のマイクロパターニングを利用するものはない。ｘ−ｙ平面にわたって変動する中間のバルクチルト（１０°＜θ＜８０°）を用いて空間的にパターニングされ得るＬＣＤは、以前に記載されたことはない。本発明の実施形態におけるマイクロパターニングされた表面は、任意のプレチルトを達成するために用いられ得る（すなわち、０°＜θ＜９０°が実現可能である）。
【００６１】
中間プレチルトを有するＬＣＤおよびデバイスは、以下により詳細に説明するように、画像シフタ、ＧＲＩＮレンズなどの適用例を有する。このようなデバイスは、最小限の１つのパターニングされたプロセスステップのみを用いることによって製造され得る。ディレクタ配向の完全な制御（すなわち、ｘ−ｙ平面における任意の位置での任意のθ、φ配向）が達成され得る。２つのパターニングされたプロセスステップの使用は、ある任意のアライメント方向を、連続体理論の制約内で、基板の他の場所にある他の方向に連続的に変換するために用いられ得る。表面においてアライメント縮退を壊すさらなるパターニングされたプロセスステップの使用は、反りひずみの量を増大させるために用いられ得る。
【００６２】
本発明の実施形態におけるディレクタ構造は、基板表面におけるマイクロパターニングアライメントのみによって達成され得るので、文献に以前から記載されている多くの類似の素子とは異なり、マイクロパターニングされた光学デバイスを「作動」させるために必要なパワーはない。本発明の実施形態におけるマイクロパターニングされたディレクタ構造はまた、文献に以前から記載されている、多くの類似の要素（石英、反応性メソゲンなどから製造されるもの）とは異なり、スイッチ可能であり得る。
【００６３】
あるいは、本発明の実施形態におけるディレクタ構造は恒常的に固定されていてもよい。得られる構造は、電場、温度サイクリングなどに対して不変である。これは、２つの異なる様式で達成可能であり得る。１つの方法は、セル（パターニングされたアライメント領域を有するもの）にＬＣおよびモノマー前駆物質を充填する方法である。ＵＶ光での露光によって、モノマーが重合されて、ネットワークを形成し、得られる構造は、外部の物理的条件に対して有効に不活性である。同じ目標を達成するための他の方法は、セル（パターニングされたアライメント領域を有するもの）に反応性メソゲン（ＲＭ）を充填し、その後、ＵＶ光でＲＭを重合させる方法である。
【００６４】
次に本発明の特定の適用例を説明する。
【００６５】
光位相リターダが、反射または透過された光の位相および偏光状態を制御するために用いられる。従来の空間位相リターデーション板は、それぞれが別個の可変リターダとして機能する、アクティブにアドレスされる多くの液晶ピクセルから構成される。このタイプの空間光変調器の解像度は、ピクセル解像度（〜５０μｍ）に制限される。従って、入射光線に付与された位相リターデーションは、１つのピクセルの範囲にわたって不変である。
【００６６】
パターニングされた受動的なリターデーション板も以前から開示されている。これらのデバイスにおいて、光軸は、２つの可能なマクロ的配向のうちの１つを取る。光軸が不変を保つドメインのサイズは、通常、〜１００μｍであり、結果として、デバイスの使用は、いくつかの特定の適用例に限定される。
【００６７】
本発明の実施形態によるマイクロパターニングされた光位相リターダは、ピクセルよりもかなり高い解像度（〜１μｍ）におけるリターデーションを連続的に制御するために用いられ得る。ビーム挙動の位相変化は、入射光に対するバルク光軸の天頂（θ）角および方位（φ）角の両方に関連する。従って、連続的に変動する位相および偏光状態を有する偏光された波面は、新たな偏光された波面に変換され得、新たな偏光された波面は、空間的に変動する位相および偏光状態を有していてもよいし、有さなくてもよい。任意の偏光された入力波面が、任意の所望される偏光された波面に変換され得る。このようなデバイスを製造するために、アライメント層は、ｘ−ｙ平面にわたって所望の光軸配向（所望されるθおよびφ）を誘発するようにパターニングされ得る。
【００６８】
本発明の実施形態はまた、「ソフトな」視差バリア、例えば、複数のビューおよび三次元自動立体視ディスプレイデバイスにおいて用いられるものの製造にも適用され得る。ソフトな視差バリアは、ＧＢ−Ａ−２３５２５７３およびＧＢ−Ａ−２３１５９０２に開示されているが、空間的に非均一な透過関数を有する。このようなソフトな視差バリアは、本発明を具現化するマイクロパターニングされたアライメント技術を用いて製造され得る。適切なマイクロパターニングが、所定のピッチの空間的に変動するリターデーションを有するリターダを製造するように、アライメント層（単数または複数）に適用される。リターダは、適切な偏光子にはさまれて、非均一な透過関数（すなわち、ソフトな視差バリア結果）を生成する。空間強度分布の関数的な形態は、マイクロパターニングの細部に依存する。例えば、マイクロパターニングは、（ａ）（平面リターデーション制御をはずれて）制御可能なプレチルトを生成するようにホメオトロピックおよび平面であるか、または、（ｂ）制御可能な面内リターデーション制御を生成するように、２つの直交する平面方向であり得る。
【００６９】
スイッチ可能な液晶屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズへの実施形態の適用例を以下に説明する。このようなスイッチ可能なＧＲＩＮレンズは、以前から報告されている。ある公知のタイプのＬＣ  ＧＲＩＮレンズは、均質でない電場によって作動される。しかし、これらのレンズは、入射光を収束させる、正しい横方向分子構造を得るために、複雑な電極のアレイおよび駆動方式を必要とする［Ｓ．Ｓａｔｏ  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、１８、１６７９（１９７９）］。ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）ＧＲＩＮレンズは、簡略な駆動電子機器および電極構造を有するが、高い駆動電圧を必要とし、１ｃｍのオーダーの幅を有する［Ｈ．ＲｅｎおよびＳ−Ｔ  Ｗｕ、Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｓ．、８２、２２（２００３）］。ニュートラルな密度マスク製造における制約に起因して、ＰＤＬＣレンズは、１ｃｍ未満の幅で製造されることはなく、従って、マイクロレンズアレイへと製造される可能性は低い。
【００７０】
図８は、直交する偏光を透過させる間１つの線偏光の光を収束させる、スイッチ可能な液晶屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズの形態の本発明のある可能な適用例を示す。本発明の実施形態において、マイクロパターニングを介してスイッチ可能なＧＲＩＮレンズを達成するために、ホメオトロピックアライメントの平面アライメントに対する比率が、横方向に変更される。マイクロアライメントにおけるこの横方向の変動によって、図８に示すように、光を収束させるように、適切なバルクディレクタプロフィールを得ることが可能になる。このデバイスにおいて、収束された光についての有効な屈折率は、レンズの端からレンズの中心に向かって増大する。従って、レンズは、正しい偏光の入射光を収束させる。このタイプのレンズは、正のＧＲＩＮレンズと呼ばれる。
【００７１】
正のＧＲＩＮレンズにおける平面アライメント領域をホメオトロピックアライメント領域と交換し、ホメオトロピック領域を平面アライメント領域と交換することによって、デバイスの有効屈折率が、レンズの端から中央に向かって低減する。このタイプのレンズは、正しい偏光の入射光を、仮想の焦点からそらし得る。これが、負のＧＲＩＮレンズである。
【００７２】
図８を参照しながら詳細に説明したスイッチ可能なマイクロパターニングされたＧＲＩＮの変形が、図９に示すねじれネマチック（ＴＮ）ＧＲＩＮレンズである。このデバイスは、上方基板が下方基板に対して任意の角度回転されている（ねじれている）ことを除いて、図８のものと類似する横方向パターニングを有する。キラルドーピングがない場合、許容できる最大のねじれは９０°である。このデバイスの原理は、正のレンズ構造（すなわち、有効な屈折率がレンズの端から中心に向かって増大していくもの）については、偏光された光の平面が回転されている間、所与の線偏光状態が同時に収束されることである。線偏光された光が回転される角度は、上方基板の下方基板に対する角度と等しい。デバイスが正確に動作するためには、レンズにわたって、全ての点において、モーガン条件（λ＜＜０．５ｐΔｎ）が満たされる必要がある。従って、許容できる最大のバルクプレチルト（θ）に実用上の制約がある。θが増大するにつれて、Δｎ＝ｎｅｆｆ−ｎｏおよび１／ｎｅｆｆ２＝（ｓｉｎ２θ／ｎｏ２）＋（ｃｏｓ２θ／ｎｅ２）のように、Δｎは低減する。
【００７３】
図８を参照しながら説明した実施形態は、直交する偏光を実質的に影響を与えることなく透過する間、１つの線偏光の光を収束させる液晶屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズである。図８の実施形態において、上方基板および下方基板の両方に行われたパターニングは、１つの特定の偏光の光のみについてのレンズ関数が得られる、バルク全体において、ｘ−ｙ平面で横方向に斜めに曲げる変形を有するディレクタプロフィールを誘発するものである。代替例として、バルク全体において、斜めに曲げる変形ではなく、ｘ−ｙ平面の横方向のねじれ変形を有するディレクタプロフィールを誘発するように、両方の基板にパターニングを提供する例がある。斜めに曲げる変形によって、直交する線形偏光のレンズ関数が得られるが、ねじれ変形によって、１つの線偏光の光のレンズ関数が得られる。このようなねじれ構造をレンズを図１０に示す。
【００７４】
図８および図１０の両方の実施形態において、上方基板および下方基板の両方が、パターニングされたアライメント層を有する。これらは、パターニングされたアライメントが両方の基板上にあることを意味する、「フレデリックス」デバイスと呼ばれ得る。別の構造において、アライメントパターニングは、１つの基板のみの上にあり、対向する基板は、アライメントを有するがこのアライメントはパターニングされていない。この構造は、ハイブリッド配向ネマチック、または「ＨＡＮ」デバイスと呼ばれえる。本発明の実施形態は、以下の構造のいずれかを取り得ることが理解される。「フレデリックスねじれ」「フレデリックス斜め曲げ」、「ＨＡＮねじれ」および「ＨＡＮ斜め曲げ」である。
【００７５】
上記の技術を用いて形成されるレンズはまた、マイクロレンズアレイを形成するために傾けられえる。これによって、レンズが、文献において一般的に記載されている複数のビューおよび三次元自動立体視ディスプレイデバイスにおいて、視差素子として、または、ピクセル撮像または視差バリアアパーチャ撮像に有用となる。本発明の実施形態を「ソフト」な視差バリアとして用いることは上述した。さらに、本発明を具現化する技術によって形成されるマイクロレンズアレイは、図１１に示すように、レンチキュラータイプの視差素子として直接用いられてもよい。本発明を具現化する技術によって形成されるマイクロレンズアレイはまた、視差バリア、アパーチャ、またはピクセルがレンズシステムを用いて再撮像される、例えば、ＧＢ−Ａ−２４０５５４３に開示されている、複数ビュータイプのディスプレイにおいて用いられ得る。このタイプの配置を、図１２に模式的に示す。
【００７６】
図８および１０を参照しながら説明した実施形態は、直交する偏光に実質的に影響を与えずに透過する間、１つの線偏光の光を収束させるように意図される。図１３（ａ）は、線偏光の光、または完全に偏光されていない光の両方を収束させることができる、本発明を具現化するＧＲＩＮレンズを示す。図１３（ａ）の実施形態は、これを、基本的に、斜めに曲げる構造を有するＧＲＩＮレンズをねじれ構造を有するＧＲＩＮレンズと組み合わせることによって、達成する。図１３（ａ）に示すように、上部基板および下方基板は、領域Ｒ２において上方基板に向かってねじれレンズを提供し、領域Ｒ１において下方基板に向かって斜め曲げレンズを提供するようにパターニングされる。これらのレンズは、偏光されていない光を収束させるように協働する。上方基板および下方基板上のマイクロパターニングの正確な細部は示されていないが、本明細書中の他の箇所の記載から当業者にとっては明らかである。図１３（ａ）に示すＬＣ配向は、それぞれの基板の近傍の表面アライメントではなく、２つのそれぞれの基板によって誘発されるバルク配向である。下方基板にわたって横方向に延びるディレクタプロフィールは、（ページの平面における）斜め曲げ変形を有し、ページの平面に対して平行に偏光された光を収束させる。上方基板にわたって横方向に延びるディレクタプロフィールは、（ページの平面へとねじれる）ねじれ変形を有し、ページの平面に対して垂直に偏光された光を収束させる。２つの異なる偏光状態が受ける屈折率の空間分布を、図１３（ｂ）に示す。
【００７７】
サブストレートおよびスーパーストレート上のパターニングの周期は、類似していてもよいし、異なっていてもよい。図１３（ａ）に示す上方基板ねじれレンズおよび下方基板斜め曲げレンズは、同じピッチを有するが、互いに対して横方向に１８０度位相がずれている。結果として、２つの偏光状態は、異なる空間位置に収束される。下方基板に対する上方基板の相対的な位置は、２つの偏光状態の焦点位置が一致するか否かを決定する。デバイスにおける所与の横方向の位置において、下方基板における平均チルトが上方基板における平均チルトとほぼ同じである場合、２つの偏光状態の焦点が一致する。これは、下方および上方基板のパターニングが「同相」であることを表す。
【００７８】
本発明を具現化するＧＲＩＮレンズは、印加電圧がない場合でさえ、光を収束させるという利点を有する。収束動作はまた、適切な電圧をＬＣ層に印加することによって、消去され得る。レンズのＦナンバーは、中間レベルにおいて、印加電圧を変動させることによって、これらの２つの極値の間で連続的に変動され得る。これは、レンズの焦点距離を変動させる効果を有する。また、この実施形態における収束動作が特定の線偏光にのみ有効であるので、本発明を具現化するこのようなデバイスは、レンズ構造事態へのあらゆる直接的な干渉なしに入力光の偏光を切り替えるか、または変更することによって、切り替えられるか、または、収束効果が変調され得る。当然、簡略な適用例については、本発明を具現化する固定ＧＲＩＮレンズが、ＬＣ層に電圧を印加する手段、または任意の他のタイプの切り替え手段なしに供給され得る。
【００７９】
レンズ関数のより複雑な制御が、印加される場を生成するようにセグメント化された電極配置を用いて可能であり、一例が図１４に示されている。図８を参照しながら説明したタイプのＧＲＩＮレンズに基づく図１４に示す実施形態において、均一な電極Ｖ０およびＶ４がセグメント化された電極Ｖ１およびＶ２とともに用いられ、レンズ焦点の横方向（左右）位置が変わることを可能にしている。この焦点の横方向の移動は、電極を用いて、対称位相プロフィールから、非対称のＬＣ位相アライメントプロフィールを生成することによって達成される。電極Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２およびＶ３の間に電位差がない状態で、レンズは、入射する線偏光された光を、図１４において参照符号「１」が付けられた位置へと収束させる。Ｖ０とＶ１との間の電位差がゼロでなく、Ｖ０、Ｖ２およびＶ３の間の電位差がゼロである場合、レンズは、入射する線偏光された光を、参照符号「３」が付けられた位置へと収束させる。Ｖ０とＶ２との間の電位差がゼロでなく、Ｖ０、Ｖ１およびＶ３の間の電位差がゼロである場合、レンズは、入射する線偏光された光を参照符号「２」が付けられた位置へと収束させる。Ｖ０とＶ３との間の任意の電位差は、焦点位置の長手方向（上下）位置を液晶層から遠い位置へと移動させる。Ｖ０とＶ３との間に適切な大きさの電位差がある場合、収束は無限遠で発生する（すなわち、レンズ関数を有さない）。
【００８０】
図１５は、本発明を具現化するＧＲＩＮレンズアレイを示す。このＧＲＩＮレンズアレイにおいて、光は、図１５に示す点線の経路、または実線の経路のいずれをたどってもよいが、両方の経路を同時にたどることはできない。これは、対称的な位相プロフィールを、レンズのピッチの半分まで横方向に移動させ、全体的な効果を横方向にレンズの中心まで移動させることによって達成される。これは、図１６に示すようなセグメント化された電極配置を用いることによって達成され得る。このセグメント化された電極配置において、セグメント化された電極Ｖ１、Ｖ２、およびＶ４、ならびに、均一電極Ｖ０およびＶ３は、ＧＲＩＮレンズ構造において、二周波数液晶材料とともに用いられる。全ての電極の間の電位差がゼロである場合、デバイスは光を上述した様態で収束させる。セグメント化された電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４および電極Ｖ０のそれぞれの間の電位差がゼロでない場合、レンズのホメオトロピック（垂直）に配向された部分が、平面に切り替えられ得、レンズの平面は行こうされた部分は、二周波数液晶材料について、ホメオトロピック（垂直）に切り替えられる。結果として、焦点位置が横方向に（図１６で左右に）移動される。Ｖ０とＶ３との間の適切な電位差は、焦点の長手方向（上下）の位置を、液晶層から遠い位置へと移動させる。Ｖ０とＶ３との間に適切な大きさの電位差がある状態で、収束は無限遠で発生する（レンズ関数は行われない）。
【００８１】
様々な他のタイプの電極セグメント化が、当業者にとって容易に理解される。例えば、適切にセグメント化された電極配置において、ＬＣ層の第１の横方向領域には大きな電場が印加されるが、第２の横方向領域は印加される場を有さない。第１の領域のレンズ関数は、第２の領域のレンズ関数のみを残してディセーブルされ得る。セグメント電極配置が、本発明を具現化するＧＲＩＮレンズアレイと並べられる場合、アレイ内の個々のレンズ、またはレンズのグループ（単数または複数）を独立してオンおよびオフに切り替えられ得る。
【００８２】
アライメント層（単数または複数）によって生成されるバルクＬＣアライメントパターンは、セグメント化された電極によって印加される場のパターニングととともに、フレキシブル、かつ構成可能なマイクロレンズ配置を提供する。上述したように、レンズの空間位置づけは、動作の間変更され得、幅および焦点距離も変更され得る。この能力は、このタイプの光配置を、視聴者追跡および／または時分割能力を組み込んだ複数ビューディスプレイデバイスにおいて、特に有用にする。
【００８３】
本発明の他の適用例は、図１７に示すように、切り替え可能な画像シフタである。この実施形態において、ＬＣアライメントは、ＬＣ層の光軸と表面のうちの１つに垂直に入射する光との間に角度γが形成されるように、パターニングされ得る。電圧が印加されない状態で、デバイスは、複屈折のメカニズムを通じて、光を２つの線偏光された成分に空間的に分割し得る。角度δは、光軸の面で偏光された光が「離れる」角度である。
【００８４】
ビーム分割の度合い（図１７において「ｄ」で示される）は、有効な液晶複屈折、光軸の入射角に対する角度（すなわち、離れる角度）およびデバイスの厚さの関数である。最適な空間分割においては、３０°＜γ＜６０°である。本発明を具現化する方法を用いるホメオトロピックおよび平面アライメントの領域を有するデバイスの表面の適切なマイクロパターニングによって、所望のバルク光軸チルト角度が得られる。適切な電圧が印加されると、光軸は実質的に再配向され、結果として、デバイスは、透過する光に対して影響を有さない不活性な光学素子に戻る。
【００８５】
受動的な（切り替えできない）画像シフタは一般的であり、通常石英または方解石の単結晶から製造されるにも関わらず、切り替え可能な画像シフタについての開示は以前にはなかった。適切なサイズを有し、カットされた結晶を得ることは困難であり得、一般的にリードタイムは長い（６ヶ月以上）ので、本発明の実施形態による画像シフタは、切り替えできない形態であっても、明確な利点を有する。
【００８６】
２つの安定バルク分子アライメント構造の間で切り替えられ得る天頂双安定デバイスは、文献において報告されている［Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  ＸＸＶＩＩＩ、Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ，ＵＳＡ（１９９７）５．３、ｐｐ．３７〜４０］。この動作を達成するために、一方のアライメント表面は物理表面緩和格子であり、他方の表面は、均一な平面またはホメオトロピックのいずれかである。印加される電場と格子が誘発するＬＣのフレキソエレクトリック偏光との相互作用を通じて、デバイスは、２つの安定状態のうちの１つへと切り替えることができるようにされ得る。
【００８７】
類似の様態で動作するデバイスが、本発明の実施形態による表面アライメントパターニングを適切に用いることによって実現され得る（図１８参照）。パターニングされたプロセスステップは、実質的に＋４５°のチルトおよび−４５°のチルト（あるいは、用途に依存して、任意の他の適切な角度、例えば、他の用途においては±３０°および±６０°が適切であり得る）の領域を製造するために用いられ得る。チルトの相互作用は、フレキソエレクトリック偏光を誘発し、印加される場は、デバイスが２つのマクロ的状態のうち１つに切り替わることを可能にする。これらの状態の両方が、エネルギー的に安定している（すなわち、いずれの状態が選択されても、印加される電場が除去されるときでさえも残る）。適切な波形を印加することによって、連続した状態（図１８の左側）または連続していない状態（図１８の右側）が形成され得る。この目的のために、従来技術による均一（または変調された）表面緩和格子構造を得ることは、煩わしいことである。結果として、所望される格子構造からのあらゆる小さな逸脱が、切り替え条件に悪影響を与える。本発明の実施形態による、２つのパターニングされたプロセスステップを通じる、均等な様態で動作するデバイスを形成することの簡略性は、製造および生産利点を有する。
【００８８】
本発明の実施形態によって実現され得る他のタイプの双安定デバイスは、双安定ハイブリッド配向ネマチック（ＢＨＡＮ）デバイスであり、本発明を具現化するＢＨＡＮを図１９に示す。本発明を具現化する方法を用いるホメオトロピックおよび平面アライメントの領域を有するデバイスの表面の適切なマイクロパターニングによって、図１９に示すような「正」または「負」のチルト角度のいずれかを用いるバルク平均チルトが得られる。２つの安定状態は、互いに対して鏡像であり、エネルギー的に縮退する。図１９の左側は、液晶バルク配向がある方向に傾いた状態で、安定した「正」の状態にあるデバイスを示す。図１９の右側は、液晶バルク配向が反対方向に傾いた状態で、別の安定した「負」の状態にあるデバイスを示す。パターニングされたプロセスステップが、実質的に＋４５°および−４５°のチルト（あるいは、用途に依存して、任意の他の適切な角度、例えば、他の用途においては３０°〜６０°の間の角度、場合によっては１０°〜８０°の間の角度が適切であり得る）の安定状態を有する領域を製造するために用いられ得る。
【００８９】
適切な電場は、液晶の誘電異方性および／またはフレキソエレクトリック成分を結合することによって、安定状態の間で切り替えるために用いられ得る。さらに、基板と実質的に平行な方向の液晶のバルク流体のフローは、流体のフローの方向に従って、安定状態の間でデバイスを切り替えさせる。特定の方向（図１９に示すデバイスの右方向または左方向）への流体のフローは、その方向に傾いているバルク液晶配向を有する安定状態へとデバイスを切り替えさせる。この流体のフローが誘発する切り替えは、機械的な手段または電気的な手段のいずれかによって達成され得る。基板に対する機械的な変形が切り替えを行うために用いられ得、これは、タッチパネル式ＬＣモードの一例である。また、適切な電場が、安定状態の間の切り替えを仲介するバルク流体フローを誘発するために用いられてもよい。
【００９０】
本発明はまた、液晶にかけられる場を変動させることによって起きる光学的変化が、主に液晶の表面層において発生する、表面モード液晶デバイスに対する適用例を有し得る。このようなデバイスの一例は、平行なアライメントを生成するアライメント層の間に液晶が配置される、パイセルとして公知である。本発明の実施形態はまた、以下に説明するように、パイセルの閾値がない切り替えを達成するために適用され得る。
【００９１】
表面モード液晶デバイス（ＬＣＤ）は、Ｍｏｌ  Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．、１９７２、１９，１２３〜１３１「Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｅｍａｔｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｉｎ  ａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ」、Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、１９７３、３、７８〜９、「Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｌｍｓ」およびＵＳ４  ３８５  ８０６に開示されている。パイセルタイプのＬＣＤは、Ｍｏｌ  Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．、１９８４、１１３、３２９〜３３９、「Ｔｈｅ  Ｐｉ−ｃｅｌｌ：Ａ  Ｆａｓｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ」、ＵＳ４  ６３５  ０５１、およびＧＢ２  ２７６  ７３０に開示されている。代表的な公知のパイセル構造は、平行にラビングされたポリイミドアライメント層の間に配置され、適切なアドレス電極が設けられた液晶層を含む。この構造を用いるディスプレイは、オン状態とオフ状態との間で、例えば、ミリ秒以下のオーダーの高速の切り替え時間を提供する。
【００９２】
液晶層にかかる電場がない場合、公知のタイプの液晶は、以下により詳細に説明するように斜めモード（またはＨ−状態）である。公知のディスプレイがパイセルモードで動作する場合、液晶は、これも以下により詳細に説明するように、適切な電場を印加することによって、Ｖ状態に変換され得る。しかし、適切な場が初期的に印加される場合、ディスプレイがＶ状態に変わるまで数秒かかる。斜め状態からＶ状態への変換は、セル電極にかかる電圧が臨界（閾値）電圧を超え、従って、セルの駆動電圧がディスプレイの動作中、常にこの臨界電圧を超える必要がある場合に、発生する。駆動電圧が臨界値よりも下に低減される場合、液晶はねじれ状態に緩和し、アライメント表面の間に液晶の１８０度のねじれが存在する。
【００９３】
図２０は、上に導電性電極２およびアライメント層３が堆積された第１の基板４を有するセル１を含む、公知のタイプの液晶デバイスを含む。第２の基板４ａは、同様に、導電性電極５およびアライメント層６を有する。液晶層７は、アライメント層３と６との間の層を形成する。図２０は、電場が存在しない場合、特に、電極２と５との間に電位差がない場合に液晶７がとる状態であるセルの斜め状態を示す。液晶分子のディレクタは、８の短い線によって表される。アライメント層３および６の表面において、ディレクタは互いに対して（セルの平面において）実質的に平行であり、同じ方向を指す。アライメント層３および６における液晶ディレクタは、アライメント層３および６の表面に対して、１〜１０度のオーダーのプレチルトを有する。セルを通じた液晶のディレクタは、図示されるように、互いに対して平行、またはほぼ平行である。
【００９４】
パイセル動作を確立するため、液晶は、図２１に示すようにＶ状態に変更される必要がある。液晶材料Ｅ７について１．５〜２ボルトのオーダーである、閾値電圧よりも大きいＲＭＳ振幅を有する交流電圧が電極２と５との間に印加され、液晶が斜め状態から、図２の液晶分子ディレクタによって示されるＶ状態へと変化する。上述したように、Ｖ状態が確立するまで、ある程度、代表的には、数秒から数分のオーダーの時間がかかる。公知のセルにおいて、Ｖ状態が確立された後、パイセル動作をＶ状態に保つため、駆動電圧は所定の値よりも下に低減する必要がある。パイセルモードの通常動作の間、アライメント層３および６に隣接する液晶層におけるディレクタは、電極２と５との間に印加される電圧の振幅に従って、方向を変化させる。これによって、セルのリターデーションが変動し、この効果は、以下に説明するようにディスプレイを提供するために用いられ得る。
【００９５】
電極２および５に印加される駆動電圧が臨界電圧（代表的には、液晶材料Ｅ７について１．２〜１．６ボルト）よりも下に低減される場合、液晶７は、Ｖ状態からねじれ状態へと緩和する。駆動電圧が十分な時間低い状態を維持する場合、ねじれ状態はさらに斜め状態へと徐々に緩和する。これには、代表的に、１秒未満から数分かかる。ねじれ状態にあるときにセルに適切な駆動電圧が再度印加される場合、ねじれ状態へのおよびねじれ状態からの遷移の応答時間は、Ｖ状態内での切り替えの応答時間よりもずっと遅いが、液晶７はＶ状態に直接戻り得る。しかし、任意の斜めのドメインがねじれ領域において形成される場合、ねじれ状態からＶ状態への初期の遅い遷移は、これらのドメインを除去するために繰り返され得る。
【００９６】
概して、上記の欠点を避けるため、Ｖ状態に液晶を安定化でき、液晶にわたって印加される場がない場合でもＶ状態が保たれることが望ましい。そうすれば、デバイスがオフに切り替えられた後で、Ｖ状態を改変するために時間が必要とされない。さらに、このようなデバイスは、一方の駆動電圧がゼロである駆動方式とともに用いられ得る。以前の提案は、ＬＣＤのコレステリック特性を安定化させるためにポリマーを用いることを含んでいる（Ｔｈｅ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｒｅｃｏｒｄ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１９９１、４９〜５２「Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ／Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｇｅｌ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｂｉｓｔａｂｌｅ  ａｔ  Ｚｅｒｏ  Ｆｉｅｌｄ」）。ディスプレイは、少量のモノマーをコレステリック液晶に加えることによって形成される。モノマーの重合化は、２つの不安定状態が形成されるように、ディスプレイの切り替え特性を変更する。これらの状態は液晶にわたって印加される場がない場合に存在し得、液晶にわたる適切な電圧パルスによってアドレスされ得る。
【００９７】
本発明の実施形態による、ＬＣ層にわたってマクロ的な天頂および方位液晶アライメントの同時制御を可能にする方法は、ＬＣプレチルト角度を調節するために用いられ得る。そうすることによって、Ｈ−状態が形成されることが防がれ得、Ｖ−状態を凝集させる必要性がなくなる。十分に大きい、例えば、約４０〜５５°の間のプレチルト角度が、Ｈ−状態が形成されることを防ぎ、パイセルは常に所望されるＶ−状態になる。
【００９８】
マルチプレクス超ねじれネマチックパネルの動作は、急な電気光学曲線（すなわち、電圧の小さい変化に対する透過の大きな変化）に依存する。しかし、この構造におけるＬＣセルの急な電気光学曲線は、所望されないストライプ変形を生じさせる。ストライプのパターンにおいて、局所的な光軸は、２つの空間座標に沿って配向を変化させる。１つは層に対して垂直であり、１つは層に対して平行である（ストライプは、セルの中程において、局所的な光軸に対して垂直に走る）。
【００９９】
Ｔｈｅ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｒｅｃｏｒｄ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１９９４、４８０〜４８３、「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｔａｂｉｌｉｓｅｄ  ＳＢＥ  Ｄｅｖｉｃｅｓ」は、超ねじれ複屈折効果（ＳＢＥ）デバイスにおいて液晶のバルクプレチルトを誘発する技術を開示する。超ねじれ複屈折効果（ＳＢＥ）デバイスは、超ねじれネマチック（ＳＴＮ）デバイスとしても公知である。電圧を液晶セルにわたって印加する間、モノマーが、液晶に加えられ、重合される。ポリマーの効果は、液晶のバルクプレチルトを誘発することによって、ＳＢＥまたはＳＴＮディスプレイからストライプ形成をなくすことである。しかし、ポリマーは、ＳＴＮデバイスの切り替え速度を遅くする。
【０１００】
ストライプ変形は、十分に大きなプレチルト（θ〜＞１０°）を用いてセル内で形成することが防がれ得、所望のプレチルトは、本発明の実施形態を用いて容易に達成され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】空間内のＬＣ分子の座標系を示す図
【図２】本発明を具現化するパターニングされたアライメント層において２つの異なるタイプのアライメント領域を用いることによって、どのようにマクロ的天頂液晶アライメントが設定され得るかを示す図
【図３】本発明を具現化するパターニングされたアライメント層において２つの異なるタイプのアライメント領域の面積比を変更することによって、どのようにマクロ的天頂液晶アライメントが変動され得るかを示す図
【図４】本発明を具現化するパターニングされたアライメント層において２つの異なるタイプのアライメント領域を用いることによって、どのようにマクロ的方位液晶アライメントが設定され得るかを示す図
【図５】液晶層の表面におけるアライメント縮退を示す図
【図６】図５に示す縮退を壊す、アライメント領域のタイプのうちの１つにおける小さいチルト角の本発明の実施形態における使用を示す図
【図７】（ａ）は、液晶によって維持できるひずみを増大させる、＋αおよび−αのアライメント領域の本発明の実施形態における使用を示す図、（ｂ）は、液晶によって維持できるひずみを増大させる、＋αおよび−αのアライメント領域の本発明の実施形態における使用を示す図
【図８】屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズの正の斜め曲げタイプへの本発明の実施形態の適用例を示す図
【図９】正のねじれネマチック（ＴＮ）屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズへの本発明の実施形態の適用例を示す図
【図１０】屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズの正のねじれタイプへの本発明の実施形態の適用例を示す図
【図１１】複数ビューディスプレイデバイスにおける本発明の実施形態の適用例を示す図
【図１２】複数ビューディスプレイデバイスにおける本発明の実施形態の他の適用例を示す図
【図１３】（ａ）は、正の偏光独立屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズへの本発明の実施形態の適用例を示す図、（ｂ）は、正の偏光独立屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズへの本発明の実施形態の適用例を示す図
【図１４】セグメント化された電極を組み込んだ、本発明を具現化するＧＲＩＮレンズを示す図
【図１５】本発明のさらなる実施形態による、セグメント化された電極を組み込んだＧＲＩＮレンズを示す図
【図１６】本発明のさらなる実施形態による、セグメント化された電極を組み込んだＧＲＩＮレンズを示す図
【図１７】スイッチ可能な画像シフタへの本発明の実施形態の適用例を示す図
【図１８】本発明の実施形態による、天頂双安定デバイスを示す図
【図１９】本発明の実施形態による、双安定ハイブリッド配向ネマチックデバイスを示す図
【図２０】曲げ状態におけるパイセルを示す模式図
【図２１】図２０に示すセルのＶ状態における模式図
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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