(57)【要約】【解決手段】  キャッピング層、光吸収体材料の層、及び反射層を積層した積層体を備え、キャッピング層の屈折率が少なくとも１．６である光学デバイス。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャッピング層、光吸収体材料の層、及び反射層を積層した積層体を備え、
前記キャッピング層の屈折率が少なくとも１．６である光学デバイス。
【請求項２】
前記屈折率が少なくとも１．８、好ましくは少なくとも２．０、より好ましくは少なくとも２．２である請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記キャッピング層がＴｉＯ２、ＺｎＯ、ダイヤモンド、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、及びＴａＯの少なくとも１つを備える請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記キャッピング層と前記反射層の間にスペーサ層を更に備える請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記光吸収体層の厚さが少なくとも１０ｎｍである請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
キャッピング層、光吸収体材料の層、光学活性材料の層、及び反射層を積層した積層体を備える光学デバイス。
【請求項７】
前記光学活性材料の屈折率を電圧の印加により変化させることを可能にするために電極が設けられている請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記光学活性材料が液晶材料であり、前記積層体が更に偏光子層を備える請求項６又は７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記液晶材料層が３００ｎｍ未満の厚さである請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記光学活性材料が電気光学活性材料である請求項６又は７に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記電気光学活性材料層が１００ｎｍ未満の厚さである請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記キャッピング層が複数のキャッピング層副層を備え、前記キャッピング層副層の少なくとも２つが互いに異なる屈折率を有する請求項１〜１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
前記反射層と前記光吸収体材料の層との間にスペーサ層が設けられている請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】
前記スペーサ層が複数のスペーサ層副層を備え、前記スペーサ層副層の少なくとも２つが互いに異なる屈折率を有する請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記光吸収体材料が、ＧｅＳｂＴｅ、ＶＯｘ、ＮｂＯｘ、ＧｅＴｅ、ＧｅＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｅ、ＳｂＴｅ、ＴｅＧｅＳｂＳ、ＡｇＳｂＳｅ、ＳｂＳｅ、ＧｅＳｂＭｎＳｎ、ＡｇＳｂＴｅ、ＡｕＳｂＴｅ、及びＡｌＳｂの組合せのリストから選択される元素の組み合わせに係る化合物又は合金を備える請求項１〜１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
受動光吸収体材料の層を更に備える請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１７】
前記受動光吸収体材料の層が金属性である請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記受動光吸収体材料の層が相変化材料を含まない請求項１６又は１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記キャッピング層が複数のキャッピング層副層を備え、前記キャッピング層副層の少なくとも２つが互いに異なる屈折率を有し、且つ前記受動光吸収体材料の層が前記キャッピング層副層の２つに挟まれて前記キャッピング層内に設けられ、又は前記受動光吸収体材料の層が前記キャッピング層に直接的に隣接して設けられる請求項１６〜１８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２０】
前記スペーサ層が複数のスペーサ層副層を備え、前記スペーサ層副層の少なくとも２つが互いに異なる屈折率を有し、且つ前記受動光吸収体材料の層が前記スペーサ層副層の２つに挟まれて前記スペーサ層内に設けられ、又は前記受動光吸収体材料の層が前記スペーサ層に直接的に隣接して設けられる請求項１６〜１９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２１】
前記光吸収体材料が、前記デバイスに異なる光学特性を与える少なくとも２つの値に設定可能な複素屈折率を有する相変化材料である請求項１〜２０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２２】
前記反射層が部分的に反射性であり且つ前記デバイスが透過性であり、又は前記反射層が全体的に反射性である請求項１〜２１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２３】
前記層の１つ以上が、入射光に対する前記デバイスのスペクトル応答を決定する光学キャビティを備える請求項１〜２２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２４】
前記積層体が、複数の異なる領域において入射光に対して対応する複数の異なるスペクトル応答をもたらすように構成される請求項１〜２３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２５】
少なくとも部分的に、前記領域の少なくとも一部が一連の異なる層及び／又は１つ以上の対応する層の異なる厚さを有するように前記領域の少なくとも一部を構成することによって、前記異なるスペクトル応答がもたらされる請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
少なくとも部分的に、前記光吸収体材料の層が異なる相にスイッチングされるように前記領域の少なくとも一部を構成することによって、前記異なるスペクトル応答がもたらされる請求項２４又は２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記デバイスが、前記複数の異なるスペクトル応答を用いてホログラフィック効果をもたらすように構成される請求項２４〜２６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２８】
請求項１〜２７のいずれかに記載の光学デバイスを備えるディスプレイ、カラーディスプレイ、セキュリティ標識、カラーフィルタ、装飾層、スペクトロメータ、又は窓。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、例えば分光分析用のカラーフィルタ向けにスペクトル特性をカスタマイズすることができる改良された光学デバイスに対する要望があり、あるいはデバイスがスイッチング可能であれば、カラーディスプレイ向けにそのような要望がある。
【０００３】
デバイスに対する従来の提案は、光学的に透過性の層（即ちエタロンのような層）の対向表面での反射を用いた干渉の原理に基づいて機能するものであり、これにより反射又は透過におけるスペクトル応答（即ち色）がもたらされる。スペクトル（色）は、光吸収体材料の層を組み込むことによって設定することができる。光吸収体材料が相変化材料(phase change material)（ＰＣＭ）である場合には、ＰＣＭの相をスイッチングすることによってデバイスの光学特性をスイッチングすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、７ｎｍ等の極薄ＰＣＭ層を用いる場合にのみ、観察可能な色コントラストを作り出すことができる。これは、デバイスがフレキシブルポリマ等の粗い基板上に作製される場合に問題となる。
【０００５】
ディスプレイのスイッチング可能要素として液晶材料を用いることも考えられる。しかし、従来のデバイスでは、液晶の最小厚さが１〜２ミクロンであることが必要である（この数値は用いる液晶の複屈折に依存する）。この厚さは最大スイッチング速度を制限するだけでなく、より多くの材料を使用することでデバイスがより厚くなる。また、電気光学活性材料の採用も考えられるが、通常１０ｋＶ等の非常に高い電圧が必要であり、そのような高電圧を発生する上で問題がある。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は、キャッピング層、光吸収体材料の層、及び反射層を積層した積層体を備える光学デバイスであって、キャッピング層の屈折率が少なくとも１．６である光学デバイスを提供する。
【０００８】
本発明の別の態様は、キャッピング層、光吸収体材料の層、光学活性材料の層、及び反射層を積層した積層体を備える光学デバイスを提供する。
【０００９】
更なる随意的な態様は従属請求項において定義される。
【００１０】
本明細書を通して、「光学的」及び「光」の用語は、これらが電磁放射に関連する技術分野における通常の用語であるという理由で用いられているが、本明細書の文脈においては、これらの用語は可視光に限定されるものではないことが理解される。本発明は、赤外光及び紫外光等の可視スペクトルの外側の波長でも使用され得ることが想定されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付図面の説明の後、それらを参照して本発明の種々の実施形態を単なる例示として説明する。
【００１２】
【図１】図１はデバイス用の本発明の実施形態に係る光学デバイスの一部分の概略断面図である。
【図２】図２は本発明の実施形態に係るデバイスにおける波長に対する反射率のプロットを示す図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は従来のデバイス（ａ）及び本発明の実施形態に係るデバイス（ｂ）で達成可能な色域を示す色度図である。
【図４】図４は液晶層を備える本発明の別の実施形態の概略断面図である。
【図５】図５は液晶層を備える本発明の更なる実施形態の概略断面図である。
【図６】図６は図４の構造に基づく本発明の実施形態に係るデバイスにおける波長に対する反射率のプロットを示す図である。
【図７】図７は電気光学活性材料層を備える本発明の実施形態の概略断面図である。
【図８】図８は電気光学活性材料層を備える本発明の更なる実施形態の概略断面図である。
【図９】図９は図７の構造に基づく本発明の実施形態に係る異なる印加電圧を伴うデバイスにおける波長に対する反射率のプロットを示す図である。
【図１０】図１０は異なる印可電圧及び電気光学活性材料層の異なる厚さを伴う図７の構造に基づく本発明の実施形態に係るデバイスにおける波長に対する反射率のプロットを示す図である。
【図１１】図１１は複数のキャッピング層副層から形成されたキャッピング層と複数のスペーサ層副層から形成されたスペーサ層とを備える例示的な積層体を示す図である。
【図１２】図１２はキャッピング層内に設けられた受動光吸収体材料の層を備える例示的な積層体を示す図である。
【図１３】図１３はスペーサ層内に設けられた受動光吸収体材料の層を備える例示的な積層体を示す図である。
【図１４】図１４はキャッピング層内に設けられた受動光吸収体材料の層とスペーサ層内に設けられた受動光吸収体材料の層とを備える例示的な積層体を示す図である。
【図１５】図１５は光学的に厚いカバーシート上に形成された例示的な積層体を示す図である。
【図１６】図１６は異なるスペクトル応答をもたらす複数の領域を有するデバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照して光学デバイスの第１実施形態を以下に説明する。図１は層状構造の断面を概略的に示している。光吸収体材料の固体層１０が設けられている。この層は薄膜吸収体としても知られており、その材料は、典型的には、広範囲の波長にわたって非ゼロである屈折率の虚数成分（ｋ）を有している。多くの適切な材料を用いることができ、幾つかの具体例は後述する。層１０は一般的には１０ナノメートルを超える厚さである。この特定の実施形態では、吸収体材料はＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５（ＧＳＴ）である。
【００１４】
吸収体材料層１０は、反射層１２（デバイスが透過モードで用いられているか否かに応じて、部分的に又は全体的に反射性である）上に設けられている。
【００１５】
以前の提案では、スペーサ層が吸収体層１０と反射層１２の間に挟まれていたし、シリカ又はＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のキャッピング層がデバイスの前側（頂部側）に設けられていた。従来、キャッピング層は色性能に寄与しておらず、吸収体層は極薄である必要があった。
【００１６】
対照的に、この特定の実施形態では、高い屈折率（ここでは屈折率の実数成分のことであり、屈折率の虚数成分は、材料が可能な限り透明になるように可能な限り小さいべきである）を有する材料が、キャッピング層１６として用いられている。その屈折率は１．６を超え、例えば１．８以上であり、２．０を超えていてもよく、更には２．２を超えていてもよい。キャッピング層１６の材料の例としては、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＡｇＯ、ダイヤモンド、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びＴａＯ等が挙げられる。高屈折率なキャッピング層１６に入射した光は、従来のデバイスにおけるよりも層内にとどまる傾向がある（光ファイバ等の導波路内に光が閉じ込められるのと同様に）。色は、「漏れ易い(leaky)」吸収体層及び下側界面との干渉によって生成される。極薄の吸収体層が必要でなくなる。吸収体層１０を備えるＰＣＭとしてのＧＳＴの場合、ＧＳＴが非晶質相にあるときに吸収が少なく、キャッピング層１６内の光は影響を受けにくい一方、ＧＳＴが結晶質相にあるときには、より吸収性（より金属性）があり、従って光は特定の波長で漏れて干渉により色及び色変調を生じさせる。
【００１７】
随意的には、層１０と層１２の間にスペーサ層（図示せず）を設けることができる。吸収体層１０がＰＣＭである場合、必要であれば、層の相をスイッチングする（電気的又は熱的にスイッチングする）ために電極を設けることができ、即ち電圧源から適切な電圧パルスを印加することによって、ＰＣＭは誘起された可逆相を受けることができる。反射層１２は、下部電極として作用することができ（又はＩＴＯ等のように導電性である場合には随意的なスペーサ層がそのように作用することができ）、ＰＣＭに接触する第２の電極（図示せず）を側部又は頂部（層１０と層１６の間）に設けることができる。代替的には、例えばＷＯ２０１５／０９４６８Ａ１又はＥＰ１６０００２８０．４に記載されるように、ＰＣＭ層は、ＰＣＭに隣接する加熱要素によって又はミラー層のＰＣＭとは反対側上の加熱要素によって供給される熱パルスにより活性化されてよい。この場合、スペーサ層は、非導電性であってよく、もっぱらその光学的及び熱的特性のために選択されてよい。
【００１８】
図２は種々のデバイスにおけるスペクトル応答の例を示しており、ここではＴｉＯ２のキャッピング層１６は、１０，５０，１００ナノメートルの厚さである。破線はＧＳＴが非晶質相にあるときのものであり、実線はＧＳＴが結晶質相にあるときのものである。これらの例で分かるように、色はスイッチング中に薄い色から明るい色に変化することができる。この構造を用いることにより、オン状態では薄い色（ほぼ白色）、他の状態では明るい原色（明るい青色、赤色、又は緑色等）であるＲＧＢ型の画素を作り出すことができる。より薄いキャッピング層１６を用いることにより、デバイスは、かなり平坦なスペクトルを有することができ、あるいは単純に画素の明るい状態と暗い状態をスイッチングするために用いることができる。図２の全ての例において、反射層１２は厚さ１００ｎｍのＡｇの層である。
【００１９】
吸収体層１０の厚さはそれ自体が独立して色を生じさせることができる。
【００２０】
図１の構造は、頂部電極を薄い透明電極層（１０ｎｍのＩＴＯ等）の頂面上の高屈折率層１６に変更することにより、ＣＭＯＳ回路の頂面上でＰＣＭメモリデバイスから知られている構造と容易に一体化することができる。
【００２１】
本発明のこの態様の実施形態に係るデバイスを用いると、色域(gamut)（色空間においてアクセス可能な色の範囲）を劇的に改善することができる。図３（ａ）の色度図にプロットされた点は、ＩＴＯキャッピング層を用いてこれまでに可能であった色域を示しているのに対し、図３（ｂ）は、高屈折率キャッピング層１６で可能なはるかに広い色域を示しており、この例では、キャッピング層はダイヤモンド（例えばＣＶＤによって成長された合成ダイヤモンド）である。
【００２２】
本発明の更なる実施形態では、スペーサ層及びキャッピング層のいずれか一方又は両方は、「複合(composite)」層を備えていてよく、複合層は、異なる屈折率を有する材料の複数の層を備える。このようにして、これらの複数の層の界面で更なる部分的内部反射が生じ、利用可能な状態の反射スペクトルの制御を高めることを可能にし得るより複雑な干渉モードの可能性がもたらされる。これは、波長の狭い範囲にわたって高い反射率を有する反射スペクトルを生じさせ、より鮮明な色及びそれによるより広い色域を生成する能力と、デバイスの複数の状態において所望の反射スペクトルをより独立して調整する能力の両方を含み得る。複合スペーサ又はキャッピング層内の副層として用いられ得る材料は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＴａＯ、及びＩＴＯを含んでいてよい（但し、これらに限定されない）。そのような複合スペーサ又はキャッピング層を有する例示的なデバイスを図１１〜１５に示す。
【００２３】
図１１は例示的な積層体を示しており、この積層体のキャッピング層１６は、複数のキャッピング層副層１６１〜１６２を備える。キャッピング層副層１６１〜１６２の少なくとも２つは、互いに異なる屈折率を有する。典型的には、互いに直接的に隣接する少なくともそれらキャッピング層副層は、互いに相対的に異なる屈折率を有する。図示された特定の例では、キャッピング層１６は、第１の屈折率の２つのキャッピング層副層１６１と、これらに挟まれた第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の単一のキャッピング層副層１６２と、を備えるが、他の構成も可能である。図示された例では、反射層１２と光吸収体材料の層１０との間にスペーサ層４０が追加的に設けられている。この特定の例では、スペーサ層４０は複数のスペーサ層副層４０１〜４０２を備えている。スペーサ層副層４０１〜４０２の少なくとも２つは、互いに異なる屈折率を有する。典型的には、互いに直接的に隣接する少なくともそれらスペーサ層副層は、互いに相対的に異なる屈折率を有する。図１１の特定の例では、２つのスペーサ層副層のみが設けられているが、他の実施形態は３つ以上のスペーサ層副層を備えていてもよい。この実施形態では、積層体は、反射層１２の下方の基板５０から開始して形成される。図１５を参照して後で説明するように、これは必須ではない。積層体は、キャッピング層１６の上方の光学的に厚いカバー層７０から開始して逆の順で形成することもできる（この場合、反射層の下方の基板５０は随意的である）。
【００２４】
更なる実施形態では、図１２〜１４に例が示されるように、デバイスは受動光吸収体材料の層６０を更に備える。受動光吸収体材料の層６０は、光吸収材料の薄い層又は薄膜を備えていてよい。受動光吸収体材料の層６０は、キャッピング層１６の一部として設けられてよく（例えば２つのキャッピング層副層の間に挟まれて）、キャッピング層１６に直接的に隣接して設けられてよく（キャッピング層が複数のキャッピング層副層を備えているか否かにかかわらず）、スペーサ層４０の一部として設けられてよく（例えば２つのスペーサ層副層の間に挟まれて）、及び／又はスペーサ層４０に直接的に隣接して設けられてよい（スペーサ層が複数のスペーサ層副層を備えているか否かにかかわらず）。
【００２５】
理論に束縛されることを望むものではないが、本発明者らの現在の考えでは、このような受動光吸収体材料の層の追加が、この層の界面での内部反射の増大に寄与していると共に、受動光吸収体材料の層の位置でデバイス内の他の層によってもたらされるキャビティ又は多重キャビティ上に定在波の波腹を有する波長の光を優先的に吸収している。繰り返すが、これにより、デバイスの複数の状態の反射スペクトルの色選択性を高め、各状態における達成可能な反射色の範囲及び／又は反射される色の独立性を拡大することができる。ある実施形態では、受動光吸収体材料の層６０は、例えばＰＣＭ層におけるのと同様に、異なる状態間でスイッチング可能ではないという意味で受動的である。受動光吸収体材料の層６０は、相変化材料を含まない。ある実施形態では、受動光吸収体材料の層６０は金属性であり、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、又はＰｔ等の金属材料から形成される。受動光吸収体材料の層６０は、典型的には、入射光の大部分を吸収又は反射するほどの厚さではないが、所望の光学効果を生じさせるのに十分な厚さに設計される。３ｎｍ〜３０ｎｍが最適な範囲として確認されている。受動光吸収体材料の層６０の酸化を防止するために（例えば層が酸化されやすい金属材料から形成される場合）、金属層の片面又は両面に安定な材料の層を堆積させてよい。この層は、デバイスによって生成される反射スペクトルに影響しないように十分に厚くてよく（典型的には１０ｎｍ未満）、あるいは意図された反射スペクトルにそれ自体が寄与する更に厚い層であってよい。代替的には、受動光吸収体材料の層６０は非金属吸収体を備える。
【００２６】
図１２は受動光吸収体材料の層６０を有する例示的な積層体を示す。この特定の実施形態では、積層体は、複数のキャッピング層副層１６１〜１６２を備える。受動光吸収体材料の層６０は、２組のキャッピング層サブ層１６１〜１６２の間に挟まれてキャッピング層内に設けられる。
【００２７】
図１３は受動光吸収体材料の層６０を有する更なる例示的な積層体を示す。この特定の実施形態では、積層体は、複数のスペーサ層副層４０１〜４０２を含む。受動光吸収体材料の層６０は、２つのスペーサ層副層４０１〜４０２の間に挟まれてスペーサ層内に設けられる。
【００２８】
図１４は受動光吸収体材料の２つの層６０を有する例示的な積層体を示す。受動光吸収体材料の層６０のうちの第１の層は、２つのキャッピング層副層１６１〜１６２の間に挟まれてキャッピング層内に設けられる。受動光吸収体材料の層６０のうちの第２の層は、２つのスペーサ層副層４０１〜４０２の間に挟まれてスペーサ層内に設けられる。
【００２９】
本発明の別の実施形態が図４に示されている。この実施形態では、光吸収体層１０と反射層１２の間に液晶材料の層が設けられている。ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）の技術分野から知られているように、液晶キャビティの各面上には透明電極２１，２２（例えばＩＴＯからなり、厚さ１０ｎｍ）が設けられている。このデバイスは、例えばＩＴＯ、シリカ、アルミナ、硫化亜鉛、又はポリマー材料からなる透明な頂部層２４と、偏光子２６と、を有する。電極２１，２２に適切な電圧を印加することによって、液晶分子の配向がスイッチングされてキャビティの屈折率が変化させられ、それによりデバイスの色が変調される（デバイスは薄膜の形態にあってよく、画素化されていてもよい）。
【００３０】
従来の液晶デバイスは、これを動作させるために１〜２ミクロンの一定の最小厚さを必要とする。この厚さは、次式によって表される。
ｄ＝λ／（４Δｎ）
ここで、ｄは最小厚さ、λは波長、Δｎはデバイスで用いられる特定の液晶の複屈折である。
【００３１】
しかし、光は、従来のＬＣＤデバイスにおけるように光の位相に作用することによってではなく、ナノキャビティ（層２０）の屈折率を変化させることによって変調されるので、この等式は本発明のこの実施形態には適用されない。結果として、液晶層２０は、２００ｎｍのオーダ等で従来の１０倍ほどは薄くすることができる。このことは、デバイスを超薄型にすることができ、従来のデバイスよりもはるかに高速でスイッチングすることができることを意味する。その結果、このデバイスは電気通信用途に有利である。その一方で、このデバイスは、低消費電力での色変調を採用する装飾用途、あるいは受動反射型ディスプレイにも使用することができる。反射層１２の厚さを減少させることにより、透過モードでの色変調が可能になり、スペクトロメータ用のカラーフィルタ又はチューナブル広帯域吸収体として使用することができる。
【００３２】
図５は本実施形態の変形例を示しており、ここでは吸収体層１０が反射層１２に隣接して図１のものと同様の「漏洩型(leak-type)」デバイスを提供する。頂部層２４は不要である。
【００３３】
図４及び５の実施形態に係るデバイスでは、ＧＳＴ等の吸収体層１０は、スイッチング可能である必要もなく、相変化を示す必要もないので、それ自身の電極を設ける必要はない。しかし、吸収体層１０を予め所望の相に設定することができる。
【００３４】
図６は図４に係るデバイスの範囲に対するスペクトル応答（反射）を示しており、このデバイスは、ＩＴＯ頂部層２４、ＧＳＴ吸収体層１０、ＩＴＯ電極２１、ＴＬ２１６の液晶層２０、ＩＴＯ電極２２、及びＡｇの反射層１２をこの順で備えている。ＧＳＴ及びＴＬ２１６の厚さは、図６の凡例に示されている通りである。厚さの各対について、電極２１，２２により印加された電界内で液晶をスイッチングすることによって得られた常光屈折率（ｎｏ）又は異常光屈折率（ｎｅ）での液晶ＴＬ２１６に対するプロットが示されている。図から分かるように、顕著なスペクトル変化、従って色の変化が明らかである。
【００３５】
本発明の更なる実施形態が図７及び８に示されている。これらの構造は、液晶層がＥＯ層３０と称される電気光学活性材料層３０に置き換えられている点を除き、図４及び５のデバイスと類似している。ＥＯ層の各面上には、透明電極３１，３２（例えばＩＴＯからなり、厚さ１０ｎｍ）が設けられている。図７のデバイスは透明な頂部層３４を有しており、頂部層３４は、例えば、ＩＴＯ、シリカ、アルミナ、硫化亜鉛、又はポリマー材料からなる。
【００３６】
電気光学活性材料は、印加電界の強度に基づいて屈折率を変化させる。ＥＯ材料の例としては、無水リン酸アンモニウム（ＡＤＰ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、テルル化カドミウム、及びＤＡＮＳ、ＤＲ、ＦＴＣ、ＣＬＤ１、ＡＪＬ８等の種々の高分子発色団などが挙げられる。電極３１，３２に適切な電圧を印加することにより、ＥＯ層３０の屈折率がスイッチングされ、それによりデバイスの色が変調される（デバイスは薄膜の形態にあってよく、画素化されていてもよい）。
【００３７】
デバイスは、１０〜２００ｎｍの範囲内等の非常に薄いＥＯ層を採用することができる。このことは、１００Ｖ以下等の比較的低い電圧でも、目に見えるスイッチングを引き起こす高い電界が生じ得ることを意味する。最大１００Ｖで動作する表面実装デバイスＤＣ−ＤＣコンバータが容易に利用可能である。ＥＯ材料は全て絶縁性が高いので、高電圧であっても実際には電流は流れない。従って、エネルギ消費は非常に低く、高電圧であってさえ動作し、バッテリ動作が可能である。
【００３８】
スイッチング速度は、１２０ＧＨｚ等、非常に高速にでき、膨大な数のスイッチングサイクルの寿命が達成可能である。その結果、このデバイスは電気通信用途に有利である。その一方で、このデバイスは、低消費電力での色変調を採用する装飾用途、あるいはディスプレイにも使用することができる。反射層１２の厚さを減少させることにより、透過モードでの色変調が可能になり、スペクトロメータ用のカラーフィルタ又はチューナブル広帯域吸収体として使用することができる。
【００３９】
図７及び８の実施形態に係るデバイスでは、ＧＳＴ等の吸収体層１０は、スイッチング可能である必要もなく、相変化を示す必要もないので、それ自身の電極を設ける必要はない。
【００４０】
図９は図７に係るデバイスにおけるスペクトル応答（反射）を示しており、このデバイスは、厚さ４０ｎｍのＳｉＯ２頂部層３４、厚さ５ｎｍのＧＳＴ（非晶質）吸収体層１０、厚さ１０ｎｍのＩＴＯ電極３１、２０ｎｍのＬｉＮｂＯ３・ＥＯ層３０、１０ｎｍのＩＴＯ電極３２、及び厚さ１００ｎｍのＡｇの反射層１２をこの順で備えている。比較的平坦なスペクトルは、電圧が＋１００Ｖから−１００Ｖに低下するのにつれて、暗から明への遷移を示している。図１０は、ＧＳＴの厚さが６ｎｍでありＥＯ層３０が２つの例においてそれぞれ厚さ２０ｎｍ及び１２０ｎｍのＣＬＤ１ポリマーであることを除いて図９と同じ構造を有する例におけるスペクトル応答を示している。図から分かるように、＋１００Ｖから−１００Ｖへのスイッチングに伴う顕著なスペクトル変化、従って色の変化が明らかである。
【００４１】
上述の実施形態では、液晶材料及びＥＯ材料の両方が、「光学活性材料」の総称に包含される。
【００４２】
＜材料＞
多くの用途において、光吸収体材料層１０は、特に相変化材料である必要はないが、相変化材料であってもよい。吸収体層１０に適した材料の例としては、下記の相変化材料；加えて非晶質シリコン、非晶質カーボン、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＴｅ、Ａｇ２Ｓ、有機半導体；光を吸収し数ｎｍの厚さの膜として堆積させることができる任意の適切な材料（典型的には半導体材料が理想的である）等が挙げられる。化学量論比を変更することができ、また所望の吸収体特性を得るためにドーピングを使用することができる。実際には、バルク状態で光を吸収する材料を使用する必要はなく、そのような材料は、吸収に関して所望の特性を有するメタマテリアルを生成するように設計することができる。
【００４３】
多くの適切な相変化材料が単独で又は組み合わせにおいて利用可能であり、そのような相変化材料は、ＧｅＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、ＧｅＳｂ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂＴｅ、ＩｎＳｅ、ＳｂＴｅ、ＴｅＧｅＳｂＳ、ＡｇＳｂＳｅ、ＳｂＳｅ、ＧｅＳｂＭｎＳｎ、ＡｇＳｂＴｅ、ＡｕＳｂＴｅ、及びＡｌＳｂのリストから選択される元素の組み合わせに係る化合物又は合金を含む。これらの材料の種々の化学量論的形態が可能であることも理解され、例えばＧｅｘＳｂｙＴｅｚが挙げられ、別の適切な材料はＡｇ３Ｉｎ４Ｓｂ７６Ｔｅ１７（ＡＩＳＴとしても知られる）である。他の適切な材料としては、任意の所謂「モットメモリスタ(Mott memristors)」（特定の温度で金属から絶縁体への遷移(metal-to-insulator transition)、即ちＭＩＴを受ける材料）、例えばＶＯｘ又はＮｂＯｘ等が挙げられる。更に、材料は、Ｃ又はＮ等の１つ以上のドーパントを備えることもできる。
【００４４】
このような所謂相変化材料（ＰＣＭ）は、非晶質相及び結晶質相の間でスイッチングされたときに屈折率の実部及び虚部の両方で大きな変化を受ける。スイッチングは、例えば、適切な電気パルス又はレーザ光源からの光パルスにより誘起される加熱によって達成することができ、あるいは例えば相変化材料に熱接触する隣接層の電気抵抗加熱を用いる熱的加熱であってよい。材料が非晶質相と結晶質相の間でスイッチングされると、屈折率が大きく変化する。材料はいずれかの状態で安定である。スイッチングは、事実上無制限の回数行うことができる。しかし、スイッチングが可逆的であることは必須ではない。
【００４５】
全ての実施形態に適用可能な更なる改良では、層１０の材料は完全な結晶質状態と完全な非晶質状態の間で単純にスイッチングされる必要はない。２０％結晶質、４０％結晶質等の複数相の混合物が得られてよい。結果としてもたらされる材料の有効屈折率は、部分的結晶化の程度に応じて、完全な結晶質と完全な非晶質の両極端の間のどこかである。４段階から８段階の区別可能な混合相であって、対応する数の異なる検出可能な反射率を有する混合相を容易に得ることができるが、適切な制御によって、当該数を１２８等の更に高い値にすることができる。
【００４６】
ここに記載される幾つかの実施形態では、材料層が結晶質相及び非晶質相等の２つの状態の間でスイッチング可能であることに言及したが、この変化は任意の２つの固相の間で生じてよく、そのような例としては、限定はされないが、結晶質から他の結晶質若しくは準結晶質への変化又はその逆、非晶質から結晶質若しくは準結晶質／半秩序(semi-ordered)への変化又はその逆、及び中間の全ての形態が挙げられる。また、実施形態はちょうど２つの状態には限定されない。
【００４７】
好ましい実施形態では、吸収体材料層１０は、厚さ２００ｎｍ未満のＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５（ＧＳＴ）から構成される。
【００４８】
反射層１２は、典型的には、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、又はＰｔから構成される薄い金属膜である。この層が部分的に反射性となる場合、５〜１５ｎｍの範囲の厚さが選択されてよく、そうでない場合、層は、実質的に全反射性になるように、１００ｎｍ等のように厚くされる。
【００４９】
図１，４，５，７，８，１１，１２，１３，１４に示す全体構造は、製造の容易性又は構造的堅牢性のために、ガラス、石英、又はプラスチック材料、ポリカーボネート、ＰＥＴ等の基板５０（例えば図１１〜１４に示す）上に設けることができる。基板５０は、反射スペクトルに影響を与えないように光学的に厚くてよく又は完全に不透明な反射層１２の背後に設けられていてよい。それらの層は、吸収体材料１０、ＩＴＯ、ＳｉＯ２等の無機材料層の場合にはスパッタリングにより堆積され、スパッタリングは、１００℃以下、更には７０℃以下の比較的低温で行うことができる。ポリマー層は、スピンコーティング及び硬化によって形成することができる。必要に応じて追加的な層を設けることもできる。低温プロセスでよいということは、基板を備える物品と同時に光学デバイスを製造する必要がないことを意味し（物品は例えば窓ガラスであってよい）、光学デバイスは、後で適用される表面コーティングとして例えば既存の窓やパネルに対して据え付けることができる。代替的には、光学的に重要な層は、透明で光学的に厚いスーパーストレート(superstrate)（光学的に厚いカバー層７０とも称される）の上に逆の順序で堆積されてよく、次いで随意的に更なる堅牢性又は封入のために随意的な基板５０に積層され又は取り付けられてよい。そのような構成の例を図１５に示す。この特定の例では、積層体は、キャッピング層１６、光吸収体材料の層１０、スペーサ層４０、及び反射層１２を備えるが、ここに開示される任意の積層体構成（複数のキャッピング層副層及び／又は複数のスペーサ層副層及び／又は受動光吸収体材料の１つ以上の層を有する積層体を含む）が対応する方法で光学的に厚いカバー層７０上に形成されてよい（追加的な基板５０の有無にかかわらず）ことが理解される。基板５０及び／又はスーパーストレート７０は、ガラス又はシリコン等のように剛性を有していてよく、あるいはポリマーシート又は薄いフレキシブルガラス等のように柔軟性を有していてよい。スーパーストレートは、随意的には、デバイスによって生成された有色反射の視認性を改善するために、上部（観察者側）表面上に反射防止膜がコーティングされていてよい。
【００５０】
＜応用＞
ここでの任意の実施形態に係る光学デバイスは、ＬＣＤ／ＯＬＥＤディスプレイ及びプロジェクタのための超薄型色フィルタ等の透過型色（スペクトル）フィルタ（スイッチング可能又は固定型のいずれか）として使用することができる。また、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＰ）等のシースルーディスプレイにおいても使用することもできる。
【００５１】
ここでの任意の実施形態に係る光学デバイスは、透過型セキュリティ標識として用いることができ、物品、パッケージング、ＩＤバッジ／パス、紙幣等に適用することができる。パターンは、異なる領域の結晶学的状態を設定することによって、相変化材料層内に記憶することができる。パターンは単純に認識可能画像であってよく、あるいはバーコード、ＱＲコード（登録商標）、又は他の適切なコードの形態等で特定の情報を符号化していてもよい。ＰＣＭベースの光変調器の利点の１つは、非常に高解像度のパターンをデバイスに書き込む可能性である（ネイチャー誌、５１１、２０６‐２１１（２０１４年７月１０日）参照）(c.f Nature 511, 206‐211 (10 July 2014))。これによりホログラフィックパターンを使用することが可能になる。ホログラフィックパターンは、追加的なレンズ又は他の光学素子の支援の有無にかかわらず、実像、複数の実像、又は３次元立体画像をデバイスからある距離又は一連の複数の距離にて形成するように入射光を回折させるために用いられてよい。また、ホログラフィックパターンは、ビームステアリング、集束、多重化、又は他の光学的効果を入力ビームに与えるためにデバイスと共に使用されてよい。
【００５２】
本発明の更なる実施形態では、図１６に概略的に示すように、積層体は、複数の異なる領域８０において入射光に対して対応する複数の異なるスペクトル応答をもたらすように構成される。ある実施形態では、少なくとも部分的には、領域８０の少なくとも一部が一連の異なる層（より多くの若しくはより少ない層及び／又は一連の異なる層組成及び／又は厚み）及び／又は１つ以上の対応する層の異なる厚さを有する（例えば同組成の一連の層であるが、それらの層の１つ以上が異なる領域で異なる厚さを有する）ように領域８０の少なくとも一部を構成することによって、異なるスペクトル応答がもたらされる。代替的又は追加的に、少なくとも部分的には、光吸収体材料の層が異なる状態、例えば異なる相にスイッチングされるように領域８０の少なくとも一部を構成することによって、異なるスペクトル応答がもたらされる。各領域は、ここに開示される積層体のいずれかを個別に備えていてよい。複数の領域８０は、より多くの複数の領域（画素と称されることもある）の一部を形成してよい。ある実施形態では、デバイスは、異なる領域に設けられた複数の異なるスペクトル応答を用いてホログラフィック効果、例えば上述したホログラフィックパターン、をもたらすように構成される。
【００５３】
ホログラフィック用途のためのデバイスの性能を最適化するために、スペーサと能動及び受動薄膜吸収体とキャッピング層とによる構成は、デバイスの照明がホログラフィック効果を再現することを意図して、特定の狭帯域波長で高いコントラスト変調を与えるように調整されてよい。この高コントラスト変調は、振幅ベース（即ち特定の波長帯域での反射率の強い変化）であってよく、あるいは複数の状態での反射に際しての光の位相における大きな変化（理想的にはπ又は２πラジアン）であってもよい。代替的に、光学層の構成は、ある波長の範囲でホログラフィック効果を可能にするのに十分広い波長範囲にわたって十分な変調を与えるような仕様にすることができる。
【００５４】
複製することが困難な光学デバイスに固有の所定の色変化又はスペクトル応答に頼ることができるので、パターンは必須ではない。
【００５５】
一実施形態では、セキュリティ標識はスマートラベル又はＩＤフィルム等のフレキシブル基板上にあり、フレキシブル基板を湾曲させることによって、色の既知の変化を見せることができ、あるいはパターンを警備担当者に提示することができる。色の変化及び／又はパターンの提示が生じるのは、デバイスを湾曲させることによりそれぞれの層、特にスペーサ層の厚みが変わり、デバイスのスペクトル透過応答が変化するからである。
【００５６】
更なる変形例は、相変化材料としてＶＯｘ又はＮｂＯｘ等のモットメムリスタのパターンを用いて標識が規定される場合である。標識が遷移温度を超えて加熱されると色コントラストの変化が生じるので、デバイスを加熱することによってセキュリティ標識を見せることができ、それが再び冷えると標識は見えなくなる。
【００５７】
単純なスペクトロメータを組み込んだデバイスリーダは、異なる角度で（曲げの有無にかかわらず）標識の色変化を評価し、それを前もって記憶されている応答と比較して標識の信ぴょう性を非常に高い信頼度で認証することができる。
【００５８】
他のデバイスリーダは、１つ以上の低パワーレーザダイオードを用いて、角度の関数としての固定波長での透過率を測定し、既知の応答と比較する。
【００５９】
標識内に書き込まれたパターンの場合には、デバイスリーダは、特定の照明波長又は角度で標識の１つ以上の画像を撮像するカメラを含むことができ、コントラスト比較及び／又は画像認識を用いて標識を照合することができる。
【００６０】
上述したいずれのセキュリティ標識においては、言うまでもなく、上述したような適切なスイッチング手段（レーザ、電気的、又は熱的なもの等）を用いて標識に対する消去及び／又は再書き込みが可能である。これにより多目的なセキュリティ階層が可能になり、例えば、ユーザのカードは第１のチェックポイントで照合され、そこでデバイスリーダが標識に対して第２の情報を書き込む。次いで第２のチェックポイントが第２の情報が存在することを検証した後、更なる情報の消去及び／又は書き込みを行う。このようにして、これらのチェックポイントは順序どおりにのみ通過することができ、あるチェックポイントを迂回すると、それ以降のチェックポイントへのアクセスは拒絶される。デバイスに与えられたパターン書き込み能力及び書き換え能力により、投影システム又はホログラフィック投影システムの一部としての、直接見るための又はデバイス自体から離れた場所に画像を形成するためのディスプレイ又は空間光変調器としてデバイスを使用することも可能になる。ディスプレイシステムの光変調素子として使用される場合、デバイスは、フルカラー能力を提供するために、一連の異なる波長帯域を変調するように構成されてよい。このことは、異なる波長帯域の変調のための、スペーサと能動及び受動薄膜吸収体とキャッピング層とによる異なる構成をディスプレイ内の複数の領域に設けることによって（即ちディスプレイ内に異なるタイプの副画素を設けることによって）達成されてよく、あるいは相変化材料ベースのデバイスの高速（典型的にはサブマイクロ秒）スイッチング能力を用いて、一連の入力色の変調を時間的に連続してもたらすことによって達成されてよい。
【００６１】
図２，６，９，１０のスペクトルは、主として電磁スペクトルの可視部に関係しているが、赤外（ＩＲ）光等のスペクトルの他の部分を変調するために透過型フィルムを用いることもできる。従って、特定の帯域の透過又は減少のためのＩＲフィルタを製造することができる。スイッチング可能な吸収体材料層１０を用いる場合、デバイスは、例えば建物向けの熱管理のための窓ガラス用の表面コーティングとして適用することができる。吸収体層の非晶質状態と結晶質状態の間でスペクトルの赤外部における透過率の大きな変化を達成することができるので、デバイスを透過する全赤外線エネルギの変化を、２５％を超えてスイッチングすることができる。このように、太陽光の赤外光エネルギに窓ガラスを透過させて建物の内部に暖房をもたらすことができ、あるいはデバイスをスイッチングすることでより多くの赤外線を反射させ、建物の内部の望ましくない加熱を低減することができる。
【００６２】
材料及び層厚の適切な選択によって、デバイスは、可視光にそれほど影響を与えずに、スペクトルの赤外部に大きな変化をもたらすことができる。例えば、可視波長で透過する総エネルギは、２０％未満の影響を受ける場合がある。このようにして、透過した熱エネルギ（赤外線エネルギ）を控えめに調節しつつ、窓ガラスを通して建物に入る可視光の明るさを維持することができる。換言すれば、赤外線透過率を変化させたとしても、目に見える外観は必ずしも変化したり色付けされるとは限らない。
【００６３】
＜スペクトロメータ＞
広帯域フィルタベースのスペクトロメータとして知られるある種のスペクトロメータがある。分析すべきスペクトルを表す光は、波長の関数として既知の透過特性を有する広帯域フィルタを通過する。異なる帯域が異なる量で減衰され、その結果としての光は単一の検出器に到達し、この検出器は結果として単一の全強度値をもたらす。このプロセスは複数の広帯域フィルタで繰り返され、各フィルタは異なる方法でスペクトルを修正する。全ての広帯域フィルタの既知の透過スペクトル及び強度測定値から、元のスペクトルを計算的に再構成することができる。
【００６４】
スペクトロメータは、一連の強度を同時に測定することにより、より効率的なものにすることができる。これを行う一実施形態では、電荷結合デバイス（ＣＣＤｓ）等の複数の検出器の二次元配列を備えた基板が採用される。検出器アレイの前には、部分的反射層を有する上述のような透過フィルタをそれぞれ備えた一連のスペクトルフィルタがある。それぞれの層の組成及び／又は厚さを調整することによって、各フィルタのスペクトル透過率を異ならせることができる。
【００６５】
検出器ごとにフィルタが１つである必要はなく、１つのフィルタが複数の検出器要素の役割をすることもできる。更に、フィルタは個別に製造する必要もない。
【００６６】
この構造及び技術により、スペクトロメータ・オン・チップを提供するためにデバイスをＣＣＤアレイ上で安価且つ迅速に製造することが簡単になる。デバイスは、赤外線及び紫外線用のスペクトロメータ並びに可視スペクトロメータとして使用することができ、スペクトル全体の電磁放射にさらされても安定である。アレイ内の異なるフィルタ３４及び検出器３２の数は、数百又はそれ以上のオーダであり、この数がスペクトル分解能を決定する。±１ｎｍのスペクトル分解能を達成することができる。
【００６７】
上述の任意のデバイスの更なる応用は、装飾層としての用途である。例えば、光学デバイスでコーティングされたサングラスのレンズを提供することができる。色及びパターンは予め定めておくことができ及び／又は後で変化させることができる。
【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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【国際調査報告】
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