(57)【要約】【解決手段】電気的に調整可能な微小レンズアレイ。該アレイは重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物のパターン光重合によって形成される。ここで、光重合は複数波混合の相互作用によって特徴付けられる。液晶は重合化材料間の領域内で液滴として保持される。
2004517346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物のパターン光重合によって形成される電気的に調整可能な微小レンズアレイであって、光重合は複数波混合の相互作用によって特徴付けられる、ところの微小レンズアレイ。
【請求項２】
請求項１に記載の電気的に調整可能な微小レンズアレイであって、重合可能材料は単独で若しくは適当な光反応開始染料とともに光重合化されることができる単一及び多機能単量体及びオリゴマーから選択される、ところの微小レンズアレイ。
【請求項３】
請求項２に記載の電気的に調整可能な微小レンズアレイであって、重合可能材料は、アクリル酸塩、メタクリル酸塩、チロール、アルキルエーテル、それらの芳香族類似体及びその混合物から選択される、ところの微小レンズアレイ。
【請求項４】
請求項２に記載の電気的に調整可能な微小レンズアレイであって、重合可能材料は、アクリル酸塩、メタクリル酸塩、チロール、アルキルエーテル、それらの芳香族類似体及びその混合物の二量体、三量体及び四量体から選択される、ところの微小レンズアレイ。
【請求項５】
請求項１に記載の電気的に調整可能な微小レンズアレイであって、重合可能材料は約２から８０重量％の微小レンズアレイを作成する、ところの微小レンズアレイ。
【請求項６】
請求項１に記載の電気的に調整可能な微小レンズアレイであって、液晶は、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、強誘電体液晶、反強誘電体液晶及びその混合物から選択される、ところの微小レンズアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は液晶を含む光重合可能混合物のパターン重合によって作成される電気的に調整可能な微小レンズアレイに関する。特に、発明は複数波混合を使って光重合された重合体分散型液晶に関する。
【０００２】
発明の背景
従来技術において、液晶は電場の存在下で光の方向を変える能力のために長く利用されてきた。薄膜としての液晶は、光学スイッチ、可変透過性窓及び大面積フラットパネルディスプレイのようなさまざまな電気光学ディスプレイ及び制御アプリケーションにおいて広く使用されている。これらすべての装置において、液晶の電気的及び光学的性質の異方性は、外部磁場を使って強い散乱オフ状態と透過光転送オン状態の間でそれを切替えることによって活用される。
【０００３】
重合体分散型液晶ディスプレイ装置は製造の単純さとディスプレイの明るさによって益々所望されている。重合体分散型液晶（ＰＤＬＣ）はプレポリマー及び液晶の均質な混合から形成される。重合体が硬化するに従い、液晶は明瞭な微小液滴相として分離する。ＰＤＬＣ混合物がある値以上の外部印加電場に晒されると、液晶分子は電場方向に対して平行に向けられる。この方向付けされた状態において、液晶の通常の屈折率は重合体の屈折率にほぼ一致するため、膜は裸眼へ透過する。電場が切られると、混合物はその散乱混濁状態に戻る。
【０００４】
液晶材料の興味ある他の分野は微小レンズとしての使用である。それは、光学ビーム操作及び画像処理にとってきわめて重要な調整可能な焦点距離を有するためである。微小レンズの焦点距離調整の原理は図１に示される。ここで、概して微小レンズは数字の１００で示され、重合体壁１０４によって画成される液晶液滴１０２から成る。液晶液滴１０２及び重合体１０４はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）電極層１０８を有する透明ガラス１０６の基板間に含まれる。外部電場の無い状態で、液晶ディレクタ１１０は光を散乱させながらランダムに方向付けられる。図１に示されるように液晶微小液滴を横切って電圧が印加されると、液晶ディレクタ１１０は、表面付近では液滴曲線に沿うが中心付近では直線になるように電場方向に沿うようになる。液晶アライメントの曲率は焦点１１４へ変換するよう入光波１１２を案内する電場によって決定される。このようにして、焦点距離は印加電圧を制御することにより調節される。
【０００５】
従来報告された液晶微小レンズは液晶で満たされたＩＴＯコード化ガラス電極上にドリルで穴を開けることによって形成された。微小レンズを形成する他の方法は、黒点のアレイによってマスキングするか若しくは平行電極によってパターニングすることによって液晶／光硬化単量体混合物をパターン光重合するものである。しかし、これらのドリル穴、マスキング点若しくは微小電極はナノサイズの微小レンズを形成するには大きすぎる。製造されるほとんどの微小レンズのサイズは最高でも数百ミクロンの範囲である。より良い画像分解能のために、微小レンズのサイズを数百ナノメートル若しくはそれ以下に減少させることが所望され、それが本発明の動機となった。
【０００６】
液晶ディスプレイ装置のひとつの欠点は表示面の品質が見る角度に依存することである。Ｕｅｄａらによる米国特許第５，８８６，７６０号は視角を広げる液晶ディスプレイ装置内の微小レンズアレイを開示する。該微小レンズアレイはメッシュ状シートの孔内で透明樹脂を重合することによって形成される。重合はＵＶ光若しくは電子ビームによるエネルギービームを使用するかまたは熱硬化させることによって達成される。各微小レンズのサイズはシートのメッシュサイズに依存し、それは１００から６００メッシュまでに制限される。制限された範囲の微小レンズサイズはメッシュ状シートを使って形成される微小レンズアレイによって達成される分解能を制限する。
【０００７】
微小レンズのサイズ及び形状を制御するのに使用された他の方法は、ガラス基板上に微小孔をドリルで開けること若しくはＵＶ光線をマスキングすることを含む。これらの方法において、微小レンズのサイズは３００から５００ミクロンのオーダーである。医学画像、回折格子及びビーム操作のような応用によって要求される分解能を与えるにはより小さい微小レンズが必要である。
【０００８】
液滴サイズは、スイッチング電圧、スイッチング速度及びコントラスト能力に影響を与える。一般に、より小さい液滴はより速いスイッチング電圧、より長いスイッチング時間を要求し、かつより良いコントラストを与える。液滴のサイズに加え、液滴の形状及び均一性が重合体分散型液晶ディスプレイの性能特性に影響を与える。重合体マトリクス内の液晶の分散の配列及び均一性もまた考慮されなければならない。重合体分散型液晶のこれらの特性はしばしば定義域形態と呼ばれる。従来の放射線硬化技術を使用すると、未硬化サンプルの照度は均一であり、液滴がサンプル全体に形成されるところのランダム処理として相分離が生じる。同様に、熱重合はサンプル全体が加熱されるところのバルク硬化方法である。概して液滴サイズは単量体、鎖増量剤、界面活性剤及び他の成分の相対量を調節することによって間接的に制御される。Ｋｕｍａｒらの米国特許第５，９４９，５０８号はプレポリマー材料及び液晶を含むセルの一面を優先的にＵＶ放射に晒す技術を開示する。これにより重合体層がＵＶ光源側に近接して形成される。ＵＶ光のパワー、視準及び露光時間を制御することによって、液晶材料を受取ることができるチャネル若しくはパターンが形成される。液晶のサイズ、形状及び位置の均一性を達成するのは困難であるが、一般に液滴サイズは少なくとも４００マイクロメーターのオーダーである。非均一性は散乱の原因になり、液晶ディスプレイの光学性質を損なわせる。
【０００９】
Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄらによる米国特許第５，９４２，１５７号には体積ホログラム材料の製造において２波混合を使用することが記載されている。ＰＤＬＣは材料内部に干渉パターンを製造するためにコヒーレント光に晒される。この技術は均一なサイズ及び形状を有する重合体分散型液晶のきれいな整然とした列を製造する。これらの重合体分散型液晶材料は体積回折格子を１次元で記録するのに有用である。
【００１０】
重合体分散型液晶ディスプレイの性能及び能力はＰＤＬＣの定義域形態によって顕著に影響されるので、液晶液滴のサイズ、形状、数及び重合体マトリクス内の配列を有効に制御するための処理が必要である。そのような処置は好適には再現可能であり、重合体分散型液晶装置を製造する際により高い歩留まりを生む。
【００１１】
発明の要旨
本発明の開示のために、複数波混合若しくは複数の電磁波の混合とは、２若しくは３次元回折格子を製造するために少なくとも４つの電磁波を使用することによりターゲット材料内部に干渉パターンを作成することを意味する。光重合可能材料の用語は、光重合可能な官能基を有する単量体若しくは混合物内の単量体が重合化の光反応開始と同時に重合化されるように光反応開始染料と混合された単量体を包含すると理解されるべきである。
【００１２】
本発明は、光重合が複数波混合の使用によって特徴付けられるところの、光重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物のパターン光重合によって形成される重合体分散型液晶に関する。
【００１３】
また本発明は、重合体分散型液晶を形成する処理に関し、該処理は、光重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物を与える工程と、該混合物を放射線パターンに晒す工程であって、該放射線パターンは複数の電磁波の混合によって生じるところの工程と、光重合可能材料を重合化する工程から成る。
【００１４】
さらに本発明は、光重合が複数波混合の使用により特徴付けられるところの、光重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物のパターン光重合によって形成される重合体分散型液晶から成る電気的に調整可能な微小レンズアレイに関する。
【００１５】
発明の詳細な説明
ここに開示されるのは、少なくとも４波混合技術である複数波混合技術に基づいて、液晶及び単量体／オリゴマー混合物の光重合誘導相分離によって微小レンズを製造するための方法である。ここに開示される方法は、液晶ストリップが２つの平面ＵＶ波の干渉によって形成されるところのホログラフィック重合体分散型液晶を製造するのに使用される従来の方法と区別される。なぜなら、ここに開示される液晶微小レンズアレイは、２次元回折を与えるのに少なくとも２つの水平及び少なくとも２つの垂直電磁波、及び３次元回折を与えるのに少なくとも６つの電磁波の干渉によって形成されるからである。
【００１６】
有利なことに、複数波混合の使用を通じて重合体ネットワーク内の液晶液滴のサイズ及び配列を制御することによって、重合体分散型液晶の定義域形態も制御できることがわかった。調整可能な焦点距離を有する切替可能な微小レンズアレイとして微小液滴アレイの整然としたアライメントが使用される。従来技術で使用されるごちゃまぜの照射若しくはバルク熱処理に関連する再生産不可能な定義域形態の問題は解消される。重合体分散液晶デバイスを製造する際により高い歩留まりが達成される。より高解像度及びより少ない散乱を有する優れた電気的に調節可能な微小レンズアレイが得られる。
【００１７】
本発明の電気的に調節可能な微小レンズは重合体分散型液晶を含む。重合体分散型液晶は、光重合が複数波混合の使用によって特徴づけられるところの重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物のパターン光重合によって形成される。好適には、複数波混合用の波の数は４、６または８である。
【００１８】
重合可能材料は、単独で若しくは適当な光反応開始染料とともに光重合されることが可能な単一若しくは多機能単量体若しくはオリゴマーから成る。重合の際、ＰＤＬＣ膜として使用するために液晶に対して適当なマトリクスを与える単量体が知られている。本発明の重合可能材料内で有用な単量体の適当な例として非限定的に、アクリル酸塩、メタクリル酸塩、チロール、アルキルエーテル、それらの芳香族類似体及びその混合物が含まれる。本発明の重合可能材料内で有用なオリゴマーの適当な例として非限定的に、アクリル酸塩、メタクリル酸塩、チロール、アルキルエーテル、それらの芳香族類似体及びその混合物の二量体、三量体及び四量体が含まれる。
【００１９】
典型的に、本発明の重合可能材料は約２から８０重量％の重合体分散型液晶を作る。しかし、重合可能材料は上記された単量体／オリゴマーのみから必ずしも作られない。特に、以下で開示されるような付加的材料が重合可能材料の一部として使用され得る。より好適には、重合可能材料は約５０から７０重量％の重合体分散型液晶を作る。さらにより好適には、重合可能材料は約６０から６５重量％のＰＤＬＣを作る。
【００２０】
本発明の微小レンズアレイ内で利用される液晶は、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、強誘電体液晶、若しくは反強誘電体液晶及びその混合物である。重合可能材料に関する上記重量パーセントに従い、液晶は２０から９８重量％のＰＤＬＣを作る。液晶は好適には約３０から５０重量％、より好適には３５から４０重量％のＰＤＬＣを作る。
【００２１】
本発明の微小レンズアレイで使用するのに適したネマチック液晶のタイプはこれに限定されないが、好適に３から１２個の炭素原子を有するアルキル誘導体のようなシアノビフェニル誘導体の同族体を含む。シアノビフェニルのアルキル誘導体の特定の例はｐ−プロピル・シアノビフェノール及びｐ−ブチル・シアノビフェノールを含む。好適に３から１２個の炭素原子を有するシアノビフェニルのアルコキシ誘導体もまた有用であり、ｐ−ブトキシ・シアノビフェノール及びｐ−ヘキソキシ・シアノビフェノールを含む。３から１２個の炭素原子を有するアルキル及びアルコキシシアノビフェニル誘導体及びその混合物はＥ．Ｍｅｒｃｋインダストリーズを含むさまざまなソースから商業的に入手可能である。
【００２２】
コレステリック性質を有する適当な材料は例えば、Ｊ．Ｌｕｂ， Ｄ．Ｊ．Ｂｒｏｅｒ， Ａ．Ｍ．Ｈｉｋｍｅｔ及びＫ．Ｇ．Ｎｉｅｒｏｐによる１９９５年ＬＩＱ．ＣＲＹＳＴ．１８，３１９に開示されている。例えば、コレステリック単量体、オリゴマー若しくは重合体、またはコレステリック単量体、オリゴマー若しくは重合体とキラル単量体の混合物、またはコレステリック単量体、オリゴマー若しくは重合体とアキラル単量体との混合物、またはコレステリックオリゴマーとキラル及びアキラル単量体の混合物、または液晶相を有するアキラル単量体、オリゴマー若しくは重合体とキラル単量体の混合物が利用される。特定の例はコレステリック・ポリシロキサンベース・オリゴマーである。例えば米国特許第５，２１１，８７７号にはキラル種としてコレステロール誘導体若しくは同質異性コレステロール誘導体を含むコレステリック・ポリシロキサンベース・オリゴマーが開示されている。スメクチック液晶は周知技術であり、例えば米国特許第５，９７２，２４２号に開示されている。強誘電体液晶の例は、例えばＣｈａｎらの米国特許第６，０５９，９９４号及びＨｕｇｈｅｓらの米国特許第５，９６３，１８６号に開示されている。反強誘電体液晶の説明は、Ｋｏｄｅｎらの米国特許第５，１０８，６５０号及びＩｗａｙａらの米国特許第５，７１６，５４２号に開示されている。
【００２３】
本発明の光反応混合物は付加的にさらに少なくともひとつの光反応開始染料、補助開始剤、鎖増量剤、架橋剤及び界面活性剤を含む。上記した光反応開始染料は単量体それ自身が光重合可能基を含まないとき使用される。典型的にそのような染料は約０．５から５重量％の範囲で使用される。光の照射で始まるプレポリマー材料の遊離基重合反応での硬化速度を制御するのに補助開始剤が使用されてもよい。典型的にそのような補助開始剤は約０．５から５重量％の範囲で使用される。鎖増量剤の使用は光反応混合物の成分の溶解度を増加させるのを助け、重合化の速度を増加させる。概して、使用されるとすれば鎖増量剤は約１０から３０重量％の範囲で与えられる。界面活性剤は微小レンズのスイッチ電圧を下げるのに使用され、典型的に約１から１０重量％の範囲で与えられる。
【００２４】
本発明の実施に適した光反応開始染料の特定例はこれに限定されないが、ローズベンガルエステル（２、４、５、７−テトラヨード−３’、４’、５’、６’−テトラクロロフルオレセイン−６−アセテートエステル）ローズベンガルナトリウム塩、エオシン、エオシンナトリウム塩、４，５−ジヨードスクシニルフルオレセイン、ショウノウキノン、メチレンブルー、ベンゾフェノン、ベンジル、ミヒラーケトン、２−クロロチオザントン、２，４−ジエチルチオキサナントン、ベンゾインエチルエーテル、ジエトキシアセトフェノン、ベンジルジメチルケタル、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン等を含む。
【００２５】
本発明の実施で使用される適当な補助開始剤はこれに限定されないが、Ｎ−フェニルグリシン、トリエチレンアミン、トリエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−２，６−ジイソプロピルアニリン等を含む。
【００２６】
本発明の実施で使用される鎖増量剤はＮ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルピリジン、Ｎ−ビニルカルバゾール等を含む。
【００２７】
もし使用されるのであれば、界面活性剤は好適にはカチオン界面活性剤である。適当な界面活性剤はこれに限定されないが、オクタン酸、ヘプタン酸、ヘキサン酸、ドデカン酸、デカン酸等から誘導される界面活性剤を含む。
【００２８】
本発明に従って、また重合体分散型液晶を形成するための処理が与えられ、当該処理は、光重合可能材料及び液晶から成る光反応混合物を与える工程と、光反応混合物を放射線パターンへ晒す工程であって、放射線パターンは複数の電磁波の混合から生じるところの工程と、光重合可能材料を重合化する工程とから成る。
【００２９】
本発明の処理において、光重合可能材料及び液晶は化合され、均一な混合物を与えるようブレンドされる。その後、当該混合物は２つの基板の間に配置される。典型的に透明基板が使用され、その例としてガラス及びプラスチックが含まれる。好適には、電極層が基板の内側面に配置される。インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）のようなあらゆる適当な電極が使用される。付加的に、アライメント層が電極層の上に配置される。本発明によって得られる生成物と干渉しないあらゆるアライメント層が使用され得る。
【００３０】
その後、光反応混合物が照射される。本発明のために、４波混合は２対の電磁波すなわち少なくとも４つの波の相互作用を説明するものである。光子ビームのこれら２対の干渉は混合物内部に周期的な明暗縞を生じさせる。重合速度は強度の平方根に比例するため、重合は明るい領域ではより速く、暗い領域ではより遅く生じる。単量体は明るい領域に拡散し、液晶は暗い領域に拡散する。いくつかのポイントにおいて、架橋結合が発生し、重合体マトリクス内で分散され整然とアライメントされた液晶微小液滴が生成される。
【００３１】
回折光学を調節することによって、液晶微小液滴のサイズ及び数が制御される。液滴サイズは約３０ナノメートルから３００マイクロメートルの範囲である。アレイ内の微小液滴の数はサンプルサイズ及び微小液滴のサイズに依存するが、回折光学用の約１００×１００個から赤外線センサー用の約１００００×１００００個まで変化する。
【００３２】
回折光学は複数の電磁波の波長及び入射角を変化させることによって調節される。典型的に、波長が短いほどより小さい液滴サイズがもたらされる。入射角が小さいほど、液晶アレイの周期性はより大きくなる。同様に、入射角が大きいほど、液晶アレイの周期性はより小さくなる。本発明において、３５０から８５０ｎｍ、好適には３８０から５５０ｎｍの波長を有する電磁波が使用される。
【００３３】
有利なことに、複数波混合の使用を通じて液滴のサイズ及び配列を制御することによって、重合体分散型液晶の定義域形態もまた制御される。従来技術で使用されるごちゃまぜの照射に関連する再生産不可能な定義域形態の問題が解消される。重合体分散型液晶デバイスを製造する際により高い歩留まりが達成される。
【００３４】
製造される微小レンズは電場を印加することによって調節される。印加される電場は液晶ディレクタの方向を変化させる。外部電場が存在しない場合、光を散乱させながら液晶ディレクタはランダムに方向付けられる。液晶微小液滴を横切って電圧が印加されると、液晶ディレクタは電場の方向すなわち表面付近の液滴曲率に沿って整列する傾向があり、中心付近では直線になる傾向がある。液晶アライメントの曲率は入射光を焦点に集束させるよう案内する印加電場によって変化する。この方法で、焦点距離は印加電圧を制御することによって調整される。
【００３５】
実  験
液晶微小レンズ形成処理は、空間的に変調された光反応速度が等方性混合、気体配列及びネットワーク弾性の自由エネルギー密度を組み込むことによって時間依存ギンズバーグ−ランダウ（ＴＤＧＬ）モデルＣ方程式と結合されるところのパターン光重合技術でシミュレーションされた。研究中の基準液晶システムは単一成分の気体、すなわち、４２ＥＣのＴＮＩである、空気等方性転移温度を有する４−ｎ−ヘプチル−４’−シアノビフェニル（Ｋ２１）であるが、単量体はノーランド光接着剤（ＮＯＡ６５）のような多機能ＵＶ硬化可能単量体である。
【００３６】
ＬＣ微小レンズの光パターニング処理は、以下に説明されるように光反応速度方程式がＴＤＧＬモデルＣと組み合わされて、ＬＣの濃度及び方向指示パラメータの空間−時間的展開を真似ることによってモデル化される。
【００３７】
【数１】
2004517346.tif 000003
ここで、φＬ（ｒ，ｔ）は位置ｒ及び時間ｔでのＬＣの保存された濃度（体積画分）指示パラメータであり、ｓ（ｒ，ｔ）は非保存の方向指示パラメータである。もし単量体及び重合体が混合しなければ、方程式（１）〜（３）の３つの結合方程式を解く必要があり、さもまければ方程式（１）若しくは方程式（２）と方程式（３）のように２つのみの結合方程式が妥当である。我々は、単量体及び成長中の重合体が混合すると仮定したシミュレーションで方程式（２）及び（３）を選択する。また、単量体φＭ（ｒ，ｔ）及び重合体φＰ（ｒ，ｔ）濃度は、それぞれ画分変換φＭ（１−α）（１−φＬ）及びφＰα（１−φＬ）によってφＬ（ｒ，ｔ）と関連付けられる。光重合速度ｄα／ｄｔはＵＶ強度Ｉ０の平方根と比例するため、それは周期的形式で表される。
【００３８】
【数２】
2004517346.tif 000004
ここで、ｋ０は反応速度定数、Ｎｘ及びＮｙはそれぞれ水平及び垂直方向での干渉角度（若しくは周期性）に関連する層の数を表し、Ｌは仮定した正方形グリッドのサイズである。方程式（５）は球形液滴（Ｎｘ＝Ｎｙ）若しくは楕円形液滴（Ｎｘ≠Ｎｙ）によって微小レンズを作成することができる。Λはオンサガー相反関係の性質を有する相互拡散係数を表し、一方Ｒは回転移動度に関連する。数量ηφ及びηｓはそれぞれ濃度及び方向フィールドの温度ノイズであり、Ｇはシステムの全自由エネルギーであり、それは以下のように書かれる。
【００３９】
【数３】
2004517346.tif 000005
ここで、ｇ（φＬ，φＭ，φＰ，ｓ）、略してｇは、システムの局在的自由エネルギー密度である。κφ｜∇φＬ｜２及びκｓ｜∇ｓ｜２はそれぞれＬＣ濃度及び方向指示パラメータの勾配に関連する非局在項であり、一方κφ及びκｓは対応するインターフェース勾配係数である。局在的自由エネルギー密度であるｇは、等方性混合（ｇｉ）、ネマチック配列（ｇｎ）及び弾性（ｇｅ）自由エネルギー密度の和として表される。等方性混合の自由エネルギー密度であるｇｉは以下のような３つの構成要素システムに拡張されたフローリ−−ハッギンス理論の文脈で説明される。
【００４０】
【数４】
2004517346.tif 000006
方程式（６）は、重合体が架橋された結果重合の平均度合度がｒＰ＝となり、ＬＣのセグメント長ｒＬ及び単量体のセグメント長ｒＭは１にされることを仮定する。また単量体は重合体と混合可能であり、その結果単量体重合体相互作用パラメータχＭＰはゼロと仮定され、一方ＬＣ単量体及びＬＣ重合体相互作用パラメータχＬＭ及びχＬＰはそれぞれχに等しいと仮定される。ネマチック配列自由エネルギー密度ｇｎはマイヤー−ソープ理論によって与えられる。
【００４１】
【数５】
2004517346.tif 000007
ここで、νはＴＮＩに関連するネマチック相互作用パラメータであり、一方ｚ及びｓはそれぞれ分割関数及びＬＣ指示パラメータである。架橋重合体に対する弾性自由エネルギーｇｅはデュセクのアプローチに従って与えられる。
【００４２】
【数６】
2004517346.tif 000008
ここで、ｒｃは架橋ポイント間のセグメント長であり、αｅ及びβｅはネットワークモデル定数である。方程式（８）中のパラメータΦ０はネットワーク基準体積画分であり、現場架橋（架橋の開始の体積画分）に対してΦ０＝φＰを与える。
【００４３】
方程式（２）及び（３）は特定の初期境界条件のもとで１２８×１２８正方形グリッドにおいて差分法を使って数値的に解かれた。空間工程に対して中心差分離散化方法が使用され、時間工程に対して周期的境界条件に沿って明示前方差分離散化が使用された。シミュレーションに先立って、グリッド地点の初期ＬＣ体積画分φＬ（ｒ，０）が揺動散逸定理を満足するランダムな熱ノイズを加えることにより計算され、その後得られたφＬ（ｒ，０）からｓ（ｒ，０）が決定される。時が経つにつれ、すべてのグリッド地点におけるφＬ（ｒ，ｔ）及びｓ（ｒ，ｔ）の値が計算された。
【００４４】
図２はＬＣ微小レンズ１０を形成するための４波混合技術を略示したものである。そこでは、２つの電磁波１２が水平方向に干渉縞を形成するように混合され、あと２つの電磁波１４が垂直方向に干渉縞を生成する。水平及び垂直縞はサンプル面に液滴アレイ１６を生成するようサンプルに衝突する。速い光反応速度により高強度領域において優先的に重合化が発生し、それによりＬＣ分子は低強度領域内へ拡散され液滴を形成する。ＬＣ定義域のサイズは波の干渉角度を操作することによって制御可能であるので、微小レンズの均一なアレイが得られる。
【００４５】
図３は、液滴アレイパターンを示す仮想ＬＣ微小レンズの成長のスナップ写真を示す。仮想に使用されるパラメータは、φＬ＝０．７５、Ｔ＝３０℃、ｋ０＝１０−４、Ｉ０＝１、Ｎｘ＝Ｎｙ＝１６である。図３の上列は濃度指示パラメータフィールドの成長パターンを示し、下列は方向指示パラメータフィールドの成長パターンを示す。３０℃の温度は開始ＬＣ／単量体混合物の等方性状態に対応する。パターン光重合誘導相分離（１０００工程）から成長した濃度指示パラメータフィールド内の定義域パターンは始めに結合されて現れる。時間経過とともに、ついには球形ＬＣ液滴は液滴アレイの形で自分自身を配列する（１０４〜１０５時間工程）。ＬＣ配列は最初はスピノーダル状に変調されたパターンを示して濃度の配列より見かけ上遅れるが、後にテクスチャーは液滴アレイに発展する。シミュレーションにおいて、ＬＣ及び単量体のみが拡散するのを許され、重合体はネットワーク形成のために仮定的に固定されていることに注意するべきである。
【００４６】
図４は、アレイ（左上）若しくは方格（右上）パターンに配列された球形液滴及びそれらに対応する楕円形液滴（下列に対応）を有するＬＣ微小レンズのさまざまなシミュレートされた形態パターンを示す。使用されたパラメータは球形液滴（上列）に対してＮｘ＝Ｎｙ＝８であり、楕円形液滴（下列）に対してＮｘ＝１６、Ｎｙ＝８であった。すべての場合において、無次元時間工程は１０５である。図４のシミュレーションにおいて、形状が球形若しくは楕円形に変化する微小レンズの成長を観察することができる。図４の左上に見られるように、Ｎｘ＝Ｎｙ＝８のとき２つの垂直波の干渉は球形微小レンズのアレイを生じさせる。しかし、これらの干渉波の２つのセットが対角方向に印加されるとき、方格パターンが生成される（右上）。もし水平波の干渉角度（若しくは波長）が垂直波のものと異なれば、Ｎｘ＝１６、Ｎｙ＝８となり、楕円形微小レンズアレイ（下列）が得られる。周知のように、微小レンズのサイズは長さスケール、特性時間及び相互拡散係数の選択に依存する。拡散率が１０−６ｃｍ２／ｓ（単量体及び／または低分子量ＬＣに対して）でありかつＨ−ＰＤＬＣに対する特性時間が０．０００１秒であると仮定すると、推定特性サイズは０．１μｍのオーダーである。したがって、計算された画像フレーム（１２８×１２８）はほぼ１２．８μｍであるので、微小レンズの推定サイズ（直径）は約８００ｎｍである。推定サイズはＨ−ＰＤＬＣに対して報告された実験値の３００ｎｍよりも大きいが、他の方法によって形成された現存の微小レンズに対して報告されたサイズ（数百マイクロメートル）よりも非常に小さい。
【００４７】
ホログラフィー光学の適切な構成に関して、ＬＣ微小レンズのサイズ及び形状は干渉角度及び／または波長、入射ＵＶ強度により決定される反応速度、及び／またはパターンプロファイルの制御によって変更される。ＬＣ微小レンズの焦点距離は適切な印加電圧を通じてＬＣのディレクタ方向を操作することにより調整される。電気的に集束可能な微小レンズは、映像される物質が固定位置にない場合に特に有用である。他の重要な特徴は、フレキシブルなＩＴＯ被覆高分子膜が凸形状にＬＣ微小レンズのアレイを配列するのに使用される結果、これらのＬＣ微小レンズはハエ、アリ及び／またはスズメバチのような昆虫の目に見られる複合レンズに類似しているという点である。
【００４８】
要するに、本発明は、空間的に変調された光重合速度方程式と結合された時間依存ギンズバーグ−ランダウ（ＴＤＧＬ）モデルＣ方程式に基づいて、複数波混合を使ってＬＣ／単量体混合物の光重合誘導相分離を通じて電気的に調整可能なＬＣ微小レンズを形成することの成否を立証する。シミュレーションされた結果は水平及び垂直波の干渉角度若しくは周期性（波長）に依存することを示したが、ＬＣ微小レンズアレイは球形（若しくは楕円形）液滴アレイ若しくは方格パターンを生成するよう形成される。
【００４９】
本発明の処理によって形成される重合体分散型液晶は、整然とアライメントされた微小レンズアレイから成り、調整可能な焦点距離を有する切替可能な微小レンズアレイとして使用される。電気的に調整可能な微小レンズアレイの構造はハエの目の角膜に類似している。従来の方法で形成された液晶デバイスと比べよりシャープな画像が生成される。本発明の電気的に調整可能な微小レンズアレイは、荷電結合検出器（ＣＣＤ）カメラ、ビデオ、ＣＣＤ、調節可能な２次元若しくは３次元回折格子等を含むすべての種類の映像に使用でき、より大きな記憶装置を与えることができる。
【００５０】
本発明は上記された特定の実施例に限定されないが、さまざまな変更、修正及び特許請求の範囲に定義される同等な実施例を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、微小レンズの焦点距離調整の原理を示す。
【図２】
図２は、４つの直交する波が一方向から選択的に印加されるところの、ＬＣ微小レンズを形成するための４波混合技術の拡大断面略示図である。
【図３】
図３は、液滴アレイパターンを示す仮想ＬＣ微小レンズの成長のスナップ写真を示す。
【図４】
図４は、下列にそれぞれ対応する楕円形液滴を有する、アレイ若しくは方格パターンで配列された球形液滴を有するＬＣ微小レンズのさまざまなシミュレートされた形態パターンを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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