JP2011039510A - 空間的変動性傾斜角を有する液晶層 - Google Patents

Abstract

【課題】空間的変動性傾斜角を有する液晶層を提供する。
【解決手段】空間的変動性傾斜角を有する液晶層を含む光学要素を作製する方法は、線状光重合可能なポリマー層で基板をコーティングすること、線状光重合可能なポリマー層を、直線偏光した紫外線光で、斜め角度で照射すること、および、照射された線状光重合可能なポリマー層の表面上に液晶材料の層をコーティングすることを含む。液晶材料は、その傾斜角と直線偏光した紫外線光の総投与量との間に予め決められた関係を有する。線状光重合可能なポリマー層は、隣接または周囲領域より大きな面内複屈折率を有する液晶層内に複数の離散領域の形成を誘発するのに十分である直線偏光した紫外線光の少なくとも１つの投与量で照射される。
【選択図】図２

Description

［関連出願の相互引用］
本出願は、参照により組込まれる２００９年８月７日に出願された米国仮出願第６１／２３２，３１３号からの優先権を主張する。

［マイクロフィッシュ付録］
該当無し

本出願は、一般に、空間的変動性傾斜角を有する液晶（ＬＣ）層に関し、特に、空間的変動性ＬＣＰ傾斜角を有する液晶ポリマー（ＬＣＰ）を作る方法、ＬＣＰで作られる光学要素、およびＬＣＰの用途に関する。

空間的変動性傾斜角を有する液晶（ＬＣ）は、種々の用途で使用されてきた。たとえば、プログラマブルな液晶（ＬＣ）ベースの空間光変調器（ＳＬＭ）上に符合化された、回折格子およびより複雑な薄いホログラムは、光ビームの波面を変更する方法として積極的に研究されてきた。ＬＣ／ＳＬＭ上に符合化されたプログラマブルな薄いホログラムは、非常に多様性があるが、これらの能動的コンポーネントは、多くの用途について費用対効果に優れていない。さらに、これらのプログラマブルな薄いホログラムは、比較的小さな操向角を提供することが知られている。たとえば、最新式のＬＣオン・シリコン（ＬＣｏＳ）パネルは、１０μｍ未満のピクセル・ピッチを有する可能性があり、０．５μｍの波長でかつ回折格子周期について２つのピクセルの最小値を利用すると、約１．４°の最大ビーム偏向角を提供する。全ての他のプログラマブルなホログラム出力（たとえば、リプレイと呼ばれる）は、さらに小さな偏向角を有するであろう。

より最近、空間的変動性傾斜角を有する液晶ポリマー（ＬＣＰ）を使用して、上述した回折格子および／またはより複雑な薄いホログラムなどの光学要素を形成することに対する関心が増加してきた。たとえば、米国出願第２００９０００９６６８号（Ｔａｎ他）は、ＬＣＰ膜に基づく偏光選択性回折光学要素を提案している。ＬＣＰ膜は、ピクセルのアレイを含み、ピクセルはそれぞれ、固定液晶ダイレクタで符合化されるため、各液晶ダイレクタは、ＬＣＰ膜に垂直な共通面内に配向し、面外傾斜の予め決められたパターンを提供する。

米国仮出願第６１／２３２，３１３号 米国出願第２００９０００９６６８号

本発明は、回折格子および／またはより複雑なホログラムなどの、空間的変動性傾斜角を有するＬＣＰ層を有する光学コンポーネントを形成する方法を提供する。本発明はまた、空間的変動性傾斜角を有するＬＣＰを含む光学コンポーネントおよび前記光学コンポーネントを含むシステムを提供する。

本発明の一態様によれば、空間的変動性傾斜角を有する液晶層を含む光学要素を作製する方法が提供され、方法は、ａ）線状光重合可能なポリマー層で基板をコーティングするステップと、ｂ）線状光重合可能なポリマー層を、直線偏光した紫外線光で、斜め角度で照射するステップと、ｃ）照射された線状光重合可能なポリマー層の表面上に液晶材料の層をコーティングするステップとを含み、液晶材料は、その傾斜角と直線偏光した紫外線光の総投与量との間に予め決められた関係を有し、線状光重合可能なポリマー層は、隣接領域より大きな面内複屈折率を有する液晶層内に複数の離散領域の形成を誘発するのに十分である直線偏光した紫外線光の少なくとも１つの投与量で照射される。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付図面と組合せて考えられる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

ＬＣ層に対する座標系の略図である。 ＬＣ層の光学軸についての座標系の略図である。 離散的に変動した傾斜軸を有する基板上のＬＣ層の側面図を示す略図である。 連続して変動した傾斜軸を有する基板上のＬＣ層の側面図を示す略図である。 ＬＣＰ層内に可変傾斜斜め配向を課すためのＬＰＰ用のＬＰＵＶ露光システム・セットアップを示す略図である。 ＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６システムについての、面内複屈折率挙動対ＬＰＵＶ投与量を示すプロットである。 本発明の一実施形態によるＬＣＰ傾斜角回折格子構造の実施例を示す図である。 本発明の別の実施形態による、方位角配向回折格子と組合せた、ＬＣＰ傾斜角回折格子構造の実施例を示す図である。 本発明の別の実施形態による、ＬＣＰ層内の連続する傾斜角勾配の実施例を示す図である。 本発明の別の実施形態による、より高い傾斜を有するＬＣＰ層の領域内に低傾斜ドメイン（ＬＴＤ）を有するＬＣＰ層の実施例を示す図である。 本発明の別の実施形態による、低い傾斜の回折格子線上に核形成されたＬＴＤを有するＬＣＰ層の実施例を示す図である。 ランダムな傾斜角および均一な方位角配向を有するＬＤデバイスを示す略図である。 （ａ）の１軸Ｏ板ダイレクタの、（ｂ）の面内および面外複屈折率コンポーネントへの投影を示す図である。 λ＝４００ｎｍにおいてＬＣＰ１軸材料を使用してＡ板構成ピクセルと比較したときの、所与のＬＣダイレクタ傾斜の位相差を示すプロットである。 各ＸＹサイトにおける位相変調を時間的に変化させることによってスペックルを低減するための、ＸＹランダムＬＣダイレクタ極傾斜を有する位相セルを含むレーザベースの照明システムのサブシステムを示す略図である。

添付図面全体を通して、同じ特徴は、同じ参照数字によって特定されることが留意されるであろう。

本発明は、ＬＣ層がその上に堆積される基板のエリアにわたって空間的に変動した、そのダイレクタまたは光学軸の傾斜角を有する液晶（ＬＣ）材料層を作る方法に関する。ＬＣ材料は、従来の液晶（非ポリマー）または液晶ポリマー（ＬＣＰ）であってよい。用語、傾斜角は、ＬＣの光学軸と基板の平面との間の角度を指す。正の１軸ＬＣ材料の場合、光学軸はまた、遅軸（ＳＡ）と呼ばれる。

図１ａを参照すると、ＬＣ層１０は、基板１１上に堆積されて示される。基板１１の平面は、ｘ−ｙ平面に平行であるように示され、一方、ｚ軸は、主表面に垂直である。本発明の一実施形態によれば、ＬＣ層の傾斜軸は、基板のエリアにわたって空間的に変動する（すなわち、ｘ−ｙ平面にわたって変動する）。図１ｂを参照すると、ベクトルαとして示される光学軸は、極角θおよび方位角φによって画定されうる。方位角φは、基板の平面に関連するある任意の参照方向（たとえば、ｘ軸であるように示される）に対して測定された、基板の平面に投影された光学軸の方位角配向を指す。極角θは、ダイレクタの傾斜角であり、ベクトルがｘ−ｙ平面からずれる角度に相当する。

０°に等しい空間的に一定の傾斜角を有するＬＣ材料は、通常、Ａ板と呼ばれ、均質な配向を持つと言われる。９０°に等しい空間的に一定の傾斜角を有するＬＣ材料は、通常、Ｃ板と呼ばれ、ホメオトロピック配向を持つと言われる。０°と９０°との間の均一な傾斜角を有するＬＣ材料は、通常、Ｏ板と呼ばれ、Ａ板とＣ板の両方のリターダンス成分を持つと理解される。

一般に、空間的変動性傾斜角は、傾斜角が、予め決められたまたはランダムな順序でＬＣ層の表面にわたって変動することを意味する。たとえば、前者に関して、図１ｃは、離散パターンを有する空間的に変動した傾斜軸を示し、一方、図１ｄは、連続したパターン（たとえば、ある勾配）に追従する空間的に変動した傾斜軸を示す。ＬＣ材料の傾斜角が変動するにつれて、面内（in-plane）（または、Ａ板成分）有効複屈折率Δｎ_Ａも変動する。たとえば、正の１軸ＬＣ材料の傾斜が０°〜９０°に増加するにつれて、そのΔｎ_Ａ値は、ＬＣ材料の内因性Δｎ値からゼロまで減少する。Δｎ_Ａ ^＊ｄ（ｄはＬＣ材料層の物理的厚さ）の積である面内（Ａ板）リターダンスΓ_Ａは、Δｎ_Ａに直接依存する。したがって、ＬＣ材料の傾斜角が変動するにつれて、面外（out-of-plane）（Ｃ板）リターダンスΓ_Ｃも変動する。Δｎ_Ａの変動の別の結果は、平均の面内屈折率ｎ_{Ａ，ａｖｇ}の変動である。

一般に、空間的変動性傾斜角は、０°と９０°との間の２つ以上の異なる傾斜角を有するＯ板を形成することが可能なＬＣ材料層において生じる。より具体的には、ＬＣ材料は、基板上にコーティングされ、基板のエリアにわたって、傾斜角は、連続して、離散的に、またはランダムに変動するようにさせられる。傾斜角θが、ＬＣ材料層の表面にわたって変動する間、方位角φは、均一であってよく、または、ＬＣ材料層のエリアにわたって、連続して、または離散的に変動するようにさせられてもよい。一般に、空間的変動性傾斜角は、基板の表面に沿った横断方向に変動する平均傾斜角を指す。より具体的には、表面上の各地点における傾斜角は、層の厚さにわたるＬＣダイレクタの平均であることになる（すなわち、傾斜角は、通常、配向層に非常に近いであろう）。

一実施形態では、ＬＣ層は、Ｏ板タイプＬＣＰ前駆体から形成され、その傾斜角は、実験条件によって決められる。たとえば、一実施形態では、ＬＣＰ前駆体は、Ｒｏｌｉｃから入手可能なＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体である。他の実施形態では、ＬＣ層は、同様にＲｏｌｉｃから入手可能なＲＯＦ５１１３ＬＣＰ前駆体と種々の比で混合されたＲＯＦ５１０６から形成される。混合された混合物は、種々の範囲の傾斜角が得られることを容易に可能にするため、有利である。Ｏ板タイプＬＣＰ前駆体は、ＬＣＰ前駆体層を堆積する前に、基板上に最初にコーティングされる配向層材料と共に使用される。一般に、配向層材料は、その後コーティングされるＬＣＰ前駆体の傾斜角が、それによって制御されうるメカニズムを示すことになる。一実施形態では、配向層は、線状光重合可能な（ＬＰＰ）ポリマーであり、ＬＰＰポリマーは、非ゼロ入射角（ＡＯＩ）で直線偏光した紫外線（ＬＰＵＶ）放射の制御された投与量が照射されると、その後のコーティングされるＬＣＰ前駆体層において、予め決められた方位角配向および予め決められた傾斜角を誘発することになる。上述したＬＰＰ／ＬＣＰシステムの場合、予め決められた傾斜角は、ＬＰＵＶエネルギー投与量を制御することによって達成される。たとえば、一実施形態では、Ｒｏｌｉｃから入手可能なＲＯＰ１１９は、ＬＰＰ層を形成するのに使用され、ＬＣＰ層は、Ｒｏｌｉｃから入手可能なＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体、または、同様にＲｏｌｉｃから入手可能なＲＯＦ５１１３ＬＣＰ前駆体と種々の比で混合されたＲＯＦ５１０６から形成される。結果として得られるＬＰＰ／ＬＣＰシステムは、ＬＣＰにおいて、ある範囲内で、制御された傾斜角を提供することを示した。有利には、このプロセスは、使用される厳密なＡＯＩに著しく感度が高いわけではないが、一般に、ＡＯＩは、実質的にゼロと異なるであろう。

図２を参照すると、空間的変動性傾斜角を有するＬＣ層を有する光学要素を作製するシステムが示される。光学セットアップ６０は、作製下のデバイス６５を支持するマウント、直線偏光した紫外線（ＬＰＵＶ）光露光システム７０、およびフォトマスク７５を含む。作製下のデバイス６５は、線状光重合可能な（ＬＰＰ）配向層６７が堆積される基板６６を含む。ＬＰＵＶ露光システム７０は、ＵＶ光源７１、コリメーティング・レンズ７２、およびＵＶ偏光器７３を含む。あるいは、コリメーティング・レンズ７２は、コリメーティング反射体と置換えられる。フォトマスク７５は、予め決められた方式で変動するレベルの光を配向層に提供するように、パターニングされる／設計される。特に、フォトマスク７５は、横断方向空間座標の関数として、変動するレベルのエネルギー密度を配向層に提供するようにパターニングされる。一実施形態では、フォトマスク７５は、可変透過率マスクである。別の実施形態では、フォトマスク７５は、可変サイズ・アパーチャ・マスクである。別の実施形態では、横断方向空間座標の関数として配向層に送出される、変動するレベルのエネルギー密度の作用を生成するために、一連のバイナリ・マスクが、個々に使用される。なお別の実施形態では、横断方向空間座標の関数として配向層に送出される、変動するレベルのエネルギー密度の作用を生成するために、マスク有り露光とマスク無し露光の組合せが使用される。

動作時、光源７１は、基板６６の表面に斜め角度でＬＰＵＶ光を供給する。この実施形態では、水平基板に対して傾斜している光源が示される。他の実施形態では、基板が、光源に対して傾斜している。非垂直ＬＰＵＶ光入射およびそのエネルギー密度投与量は、配向層６７の変化を引起し、配向層６７の変化は、その後堆積されるＬＣＰ前駆体層内のＬＣダイレクタに、斜め角度で配向させる（ある方位角において基板の面外に傾斜する）。この実施形態では、ＵＶ偏光器７３は、図面の平面（たとえば、入射平面である）に平行に偏光したＵＶ光を、高い透過率で透過するように配向する。ＬＰＰ材料の化学物質に応じて、この構成は、通常、その後堆積されるＬＣＰ層のＬＣダイレクタが、ＬＰＵＶ入射平面に平行かまたは垂直な方位角面内に配向することをもたらすことになる。ＬＣダイレクタの実際の面外傾斜は、ＬＰＰ配向層６７に送出されるＬＰＵＶエネルギー密度投与量に依存する。フォトマスク７５は、種々のエネルギー密度を、予め決められたパターンで配向層６７に供給するため、可変の面内リターダンスを有する、空間的変動性傾斜角を有するその後形成されるＬＣＰ膜が生じる。ＬＣダイレクタの面外傾斜は、膜にわたって予め決められた方式で変動するが、この実施形態では、ＬＣダイレクタの方位角は一定である。ＬＰＰ層が、こうしてＬＰＵＶに露光されると、液晶ポリマー前駆体の薄層が、配向層上にコーティングされる。この層は、その後、（たとえば、偏光される必要はない）ＵＶ光に露光されて、ＬＣＰ前駆体を架橋結合し、ＬＣダイレクタを予め決められた斜め角度に固定する。したがって、単一基板によって支持される必要があるだけである、比較的安定なＬＣＰ層が提供される。

この作製技法は、好ましくは、ＬＣＰ前駆体をＬＣＰに変換するためにその後のＵＶ照射によって架橋結合するＬＣＰ前駆体を参照して述べられたことに留意されたい。一般に、Ｏ板ＬＣＰ層は、当技術分野で知られているＬＰＰおよびＯ板ＬＣ化合物の任意の化合物を使用して形成されてもよく、そのうちの後者は、ＵＶ照射によって、かつ／または、熱で、重合化されてもよい、かつ／または、架橋結合してもよい。たとえば、一実施形態では、ＬＰＰ層は、５０ｎｍ厚の配向層を得るために、（たとえば、２０００ＲＰＭで６０秒間）ガラス基板上で、シクロペンタノン内でＲＯＰ１１９の２重量％溶液をスピンコーティングすることによって形成される。他の実施形態では、ＬＰＰ層は、ワイヤコーティング、グラビアコーティング、スロットコーティングなどのようなＲＯＰ１１９層をコーティングするために、別のコーティング方法を使用して形成される。一般に、ＬＰＰ層は、しばしば、当技術分野でよく知られているように、桂皮酸誘導体および／またはフェルラ酸誘導体を含むであろう。本発明によれば、ＬＰＰ層は、その後塗布されるＬＣまたはＬＣＰ層において面外傾斜を生成するタイプであるであろう。一実施形態では、ＬＰＰコーティング・ガラスは、フォトマスクを通してＬＰＵＶ照射される前に、予め決められた温度（たとえば、１８０℃）で予め決められた時間（たとえば、５分）の間、ホットプレート上でベーキングされる。一実施形態では、ＬＣＰ層は、ＬＣＰ前駆体を含む液晶材料から形成される。たとえば、架橋結合可能なジアクリレート・ネマティック液晶化合物を含んでもよい、ＬＣＰ前駆体材料は、当技術分野でよく知られている。本発明によれば、ＬＣＰ材料は、傾斜誘発性ＬＰＰ層に適切に反応することになるタイプであるであろう。ＬＣＰ層を形成するのに適する種々のＬＣＰ前駆体化合物は、Ｒｏｌｉｃ（Ａｌｌｓｃｈｗｉｌ，ＣＨ）から入手可能である。一実施形態では、ＬＣＰ前駆体層は、アニソール内で、ＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体またはＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体とＲＯＦ５１１３ＬＣＰ前駆体の混合物の１５重量％溶液としてＬＰＰ層上でスピンコーティングされる。他の実施形態では、ＬＣＰ層は、ワイヤコーティング、グラビアコーティング、スロットコーティングなどのような別のコーティング方法を使用して形成される。結果として得られるＬＰＰ／ＬＣＰデバイスは、その後、ＬＰＰ配向層に対するＬＣＰの良好な配向を促進するために、通常、予め決められた時間の間、ベーキングされる（すなわち、アニーリングされる）。有利には、ＬＣＰを形成するための、ＬＣＰ前駆体のその後の光化学架橋結合は、膜を固化し、ＬＣダイレクタの配向を永久的にする。これは、高い電力照明および短波長レーザ露光下で改善された信頼性を提供すると思われる。

先に説明したように、ＬＰＰ層によって課される傾斜を制御する１つの方法は、ＬＰＰ層上へのＬＰＵＶ投与量を変更することである。図３を参照すると、先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムについての、４０°の入射角度で適用されたＬＰＵＶ投与量に対するΔｎ_Ａ応答のプロットが示される。約８０ｍＪ／ｃｍ^２未満のＬＰＵＶ投与量の場合、傾斜角およびΔｎ_Ａにおいて高い変化率が存在する。約１８０ｍＪ／ｃｍ^２より大きいＬＰＵＶ投与量の場合、傾斜およびΔｎ_Ａにおいて徐々の変化が存在する。約４０ｍＪ／ｃｍ^２未満の低投与量では、種々の傾斜ドメイン欠陥が、このシステムで観測される。より具体的には、マトリクスＬＣＰ相内で、マトリクスＬＣＰと全く異なる傾斜を有する隔離された相分離ドメインとしてある程度現れる「低傾斜ドメイン（low tilt-domains）」が観測される。本発明の一実施形態によれば、これらの観測結果は、空間的変動性傾斜角またはパターニングされた傾斜角（たとえば、したがって、Δｎ_Ａ、Γ_Ａ、Γ_Ｃ、Δｎ_Ａ，ａｖ）を有する複屈折光学要素を生成するのに使用される。空間変動性は、離散的であるかまたは連続している、スケールが巨視的であるかまたはスケールが微視的であってよい。

本発明の一実施形態によれば、ＬＰＵＶ投与量パターンは、一連の１つまたは複数の個々のフォトマスクを通してＬＰＰ層を露光することによって確立される。より具体的には、空間的に変調されたＬＰＵＶ投与量は、１つまたは複数のフォトマスクによって、または、マスク有り露光とマスク無し露光の組合せによって、ある範囲の投与量として、または、２つ以上の離散的な投与量として適用される。

たとえば、一実施形態では、空間的変動性傾斜は、２ステップ・プロセスを使用してＬＰＰ層を照射することによって、先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムにおいて提供される。第１ステップでは、層は、（たとえば、標準的なアパーチャを通して、全てのロケーションに最小の傾斜角を設定するために）フォトマスク無しで、直線偏光した光に露光される。第２ステップでは、層は、（たとえば、フォトマスクの透過エリアに相当する選択ロケーションにより大きい傾斜角を設定するために）フォトマスクを通して直線偏光した光に露光される。この実施形態では、送出される総合エネルギー密度（すなわち、投与量）は、最初の照射ステップで露光された領域だけと比較すると、第１および第２照射ステップで露光される領域においてより高いことになる。一般に、照明の必要とされるエネルギー密度および波長は、ＬＰＰ材料に依存することになる。先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムの場合、エネルギー密度は、通常、３０ｍＪ／ｃｍ^２と３００ｍＪ／ｃｍ^２との間にあることになり、一方、波長範囲は、通常、２８０ｎｍと３６５ｎｍとの間になることになる。ＬＰＵＶの入射角度は、通常、２０°と６０°との間であることになる。特に、入射角度（ＡＯＩ）は、プロセスに著しい影響を及ぼすことが見出されなかったが、一般に、ＡＯＩは、実質的にゼロと異なるべきである。

この実施形態では、フォトマスクは、ＬＰＵＶを阻止する第１の複数の領域およびＬＰＵＶを透過させる第２の複数の領域（すなわち、バイナリ・マスク）を有する。ＬＰＰ層上の任意の所与の地点で送出される総合投与量は、（たとえば、ＬＰＵＶの方位角配向が、全ての露光について同じである場合）露光のそれぞれにおいてその地点に送出される投与量の和であるため、ＬＰＰは、その後塗布されるＬＣ層内に空間的変動性傾斜角を誘発することになり、空間的変動性傾斜角は、フォトマスクによって左右される離散的パターンで配列する。たとえば、一実施形態では、空間的変動性傾斜角は、（たとえば、図１ｃに示す傾斜角パターンに相当する）交互の面内リターダンス・パターンを提供する。

一般に、フォトマスクは、意図される用途に応じてパターニングされることになる。一実施形態では、フォトマスクは、変動するエネルギー密度をピクセル化方式で配向層に提供するようにパターニングされる。一般に、ピクセルは、周期的（たとえば、一定間隔）であるか、または、非周期的（たとえば、ランダムまたは予め決められたパターン）であることになる。有利には、フォトマスクの使用は、ＬＣＰ層が、多数の位相プロファイル・レベルで、かつ、高い精度でパターニングされることを可能にする。一実施形態では、フォトマスクは、２つのレベルの位相プロファイルを提供するようにパターニングされる。別の実施形態では、フォトマスクは、３つ以上のレベルの位相プロファイルを提供するようにパターニングされる。一般に、空間的変動性傾斜角を有するＬＣは、回折格子またはより複雑なホログラムである場合、適度の回折効率を提供するために、少なくとも４つのレベルの位相プロファイルを有することになる。

別の実施形態では、空間的変動性傾斜は、単一フォトマスクを通してＬＰＰ層を照射することによって、先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムにおいて提供される。この実施形態では、フォトマスクは、離散的に変動するのではなく、連続して変動する空間的変動性ＬＰＵＶ投与量を提供する光学密度プロファイルを有する勾配マスクである。たとえば、一実施形態では、空間的変動性傾斜角は、連続変動性勾配（たとえば、図１ｄに示すリターダンス・パターン）を形成する。

これらの実施形態のそれぞれにおいて、ＬＣダイレクタの光学軸は、空間的変動性傾斜角および実質的に均一の方位角を有する。他の実施形態では、ＬＰＰ層は、複数回照射され、その都度、ＬＰＵＶは異なる方位角配向を有する。たとえば、一実施形態では、ＬＰＵＶの方位角配向は、ＬＰＰ層上の異なる地点に送出される種々の露出間で異なるため、空間的変動性傾斜角および方位角配向の重ね合わされたパターンが、ＬＣＰ層内に提供される。この場合、ＬＣＰの結果として得られる傾斜角および面内配向の予測は、より複雑である。

さらに、上述した実施形態のそれぞれでは、基板は、任意選択で、ＬＰＰ材料がそれについて反応するＵＶ波長について非反射性である非反射性背面を備える。たとえば、一実施形態では、基板の背面は、ＵＶ反射防止膜またはＵＶ吸収膜でコーティングされる。有利には、非反射性膜は、投与量パターンを低下させる傾向がありうる、ＵＶ透明基板の背面からのＬＰＵＶの強い後方反射を防止する。特に、使用されるフォトマスクが、微視的なまたは比較的小さな特徴を持ったパターンを含み、期待される傾斜角パターンを実現することがより難しくなる場合、これは、より多くの問題を生じる。基板材料の内因性反射率が十分に低いか、または、基板がＵＶに対して非透過性である他の実施形態では、ＵＶ非反射背面は、通常ＬＰＵＶプロセスに必要とされない。

図４を参照すると、微視的にパターニングされた傾斜角構造の実施例が示される。より具体的には、構造が、空間的変動性傾斜角を有する第１エリア（すなわち、回折格子領域と表示される）および均一の傾斜角を有する第２エリア（すなわち、非回折格子領域と表示される）を含む画像を写真が示す。上の写真は、交差した偏光器間の透過でサンプルが観察される、明状態（ＢＳ）画像であり、一方、下の写真は、交差した偏光器間の透過でサンプルが観察される、暗状態（ＤＳ）画像である。

空間的変動性傾斜角ＬＣＰ構造は、５０ｎｍ厚の配向層を得るために、（たとえば、２０００ＲＰＭで６０秒間）２００ｍｍ溶融シリカ基板ウェハ上で、シクロペンタノン内でＲＯＰ１１９の２重量％溶液を含むＬＰＰ層をスピンコーティングすることによって形成された。この実施形態では、反射防止膜は、基板上に設けられなかった。ＬＰＰコーティングされた基板は、その後、２ステップ照射プロセスを受けた。第１ステップでは、層は、全てのロケーションに最小の傾斜角を設定するために、１回目の露光で、フォトマスク無しで、ＬＰＵＶに露光された。より具体的には、この１回目のＬＰＵＶ露光は、より低い傾斜角に相当する均一の低投与量（すなわち、４０ｍＪ／ｃｍ^２）を提供する。第２ステップでは、フォトマスクの透過エリア（５μｍスペース）に相当する選択ロケーションにおいてより高い傾斜角を設定するために、回折格子領域が、２回目の露光で、５μｍ線幅／５μｍスペースを有する回折格子フォトマスクを通してＬＰＵＶ光に露光される。より具体的には、２回目のＬＰＵＶ露光は、パターニング用の高い投与量（すなわち、１００ｍＪ／ｃｍ^２）を提供するため、１回目の低投与量露光と２回目の高投与量露光の和は、フォトマスクの透過エリアに相当するロケーションにおいて生成される高傾斜角に相当する。両方の露光の場合、ＬＰＵＶ光の方位角は、ある任意の基準に対して測定されると、同じであった（この場合、方位角は、回折格子方向に名目上平行であった）。両方の露光の場合、ＬＰＵＶの入射角は、４０°であった。その後、ＬＣＰ層は、ＬＰＰ層上でＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体の３７重量％溶液を（すなわち、１０００ｒｐｍで）スピンコーティングすることによって形成された。ＬＣＰ層内のＬＣダイレクタは、パターニング用のＬＰＵＶ露光投与量によって画定される傾斜角パターンを採用した。ＬＣＰ前駆体層は、その後、アニーリングされ、ＬＣＰを形成するためにＵＶ硬化され、ポストベーキングされた。

結果として得られるＬＣＰ層は、傾斜角が交互になる、５ミクロン幅の線を有する回折格子を含んだ。より具体的には、回折格子は、ＬＣＰ傾斜角が約５０°と約６５°との間で交互になる（すなわち、それぞれ７５〜８０ｎｍと２５ｎｍとの間で交互になるリターダンスに相当する）ため、高いリターダンスと低いリターダンスの交互の線のパターンを含んだ。回折格子方向は、両方の傾斜角の傾斜平面に平行である。

図５を参照すると、微視的にパターニングされた傾斜角構造の別の実施例が示される。より具体的には、構造が、空間的変動性傾斜角を有する第１エリア（すなわち、回折格子領域と表示される）および均一の傾斜角を有する第２エリア（すなわち、非回折格子領域と表示される）を含む画像を写真が示す。上の写真は、交差した偏光器間の透過でサンプルが観察されるＢＳ画像であり、一方、下の写真は、交差した偏光器間の透過でサンプルが観察されるＤＳ画像である。

空間的変動性傾斜角ＬＣＰ構造は、５０ｎｍ厚の配向層を得るために、（たとえば、２０００ＲＰＭで６０秒間）２００ｍｍ溶融シリカ基板ウェハ上で、シクロペンタノン内でＲＯＰ１１９の２重量％溶液を含むＬＰＰ層をスピンコーティングすることによって形成された。この実施形態では、反射防止膜は、基板上に設けられなかった。ＬＰＰコーティングされた基板は、その後、２ステップ照射プロセスを受けた。第１ステップでは、ＬＰＰ層は、（たとえば、標準的なアパーチャを通して、全てのロケーションに最小の傾斜角を設定するために）１回目の露光で、フォトマスク無しで、ＬＰＵＶに露光される。より具体的には、この１回目のＬＰＵＶ露光は、より低い傾斜角に相当する均一の低投与量（すなわち、４０ｍＪ／ｃｍ^２）を提供する。第２ステップでは、フォトマスクの透過エリア（５μｍスペース）に相当する選択ロケーションにおいてより高い傾斜角を設定するために、回折格子領域が、２回目の露光で、５μｍ線幅／５μｍスペースを有する回折格子フォトマスクを通してＬＰＵＶ光に露光される。より具体的には、２回目のＬＰＵＶ露光は、パターニング用の高い投与量（すなわち、１００ｍＪ／ｃｍ^２）を提供するため、１回目の低投与量露光と２回目の高投与量露光の和は、フォトマスクの透過エリアに相当するロケーションにおいて生成される高傾斜角に相当する。１回目の露光の場合、ＬＰＵＶ光の方位角は５６．７°であった。２回目の露光の場合、ＬＰＵＶ光の方位角は０°であった。両方の露光の場合、ＬＰＵＶの入射角は、４０°であった。その後、ＬＣＰ層は、ＬＰＰ層上でＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体の３７重量％溶液を（すなわち、１０００ｒｐｍで）スピンコーティングすることによって形成された。ＬＣＰ層内のＬＣダイレクタは、ＬＰＵＶのパターニング用の露光投与量および方位角によって画定される傾斜角パターンおよび方位角パターンを採用した。ＬＣＰ前駆体層は、その後、アニーリングされ、ＬＣＰを形成するためにＵＶ硬化され、ポストベーキングされた。

結果として得られるＬＣＰ層は、線間の遅軸（ＳＡ）方位角オフセットを有する高／低傾斜線の回折格子を含んだ。特に、高／低傾斜線は、ほぼ４５°のＳＡオフセットを示した。より具体的には、４５°のＳＡオフセットは、結果として得られる低傾斜ＳＡが回折格子方向からほぼ５７°であり、結果として得られる高傾斜ＳＡが回折格子方向からほぼ１４°であることに基づいて観測された。特に、高／低傾斜回折格子線間のＳＡオフセットは、１回目と２回目のＬＰＵＶ露光の方位角のオフセットより小さいように見える。これは、２回目の露光によって画定される高傾斜領域が、実際には、異なる方位角を有する２つの異なるＬＰＵＶ露光を受けることによる。

本発明の別の実施形態によれば、ＬＰＵＶ投与量パターンは、ＬＰＰ層が１方向に併進されながら、ＬＰＰ層をＬＰＵＶに露光することによって確立される。より具体的には、移動するＬＰＰ層は、ＬＰＰ層とＬＰＵＶ源との間に介在する固定のアパーチャおよび／またはマスクまたは一連のアパーチャおよび／またはマスクを通して露光される。結果として、ＬＰＵＶ投与量パターンは、別の方向に沿って実質的に一定でありながら、基板表面の一方向に沿って確立される。

たとえば、一実施形態では、空間的変動性傾斜は、２ステップ・プロセスを使用してＬＰＰ層を照射することによって、先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムにおいて提供される。第１ステップでは、固定のＬＰＰ層は、一定アパーチャを通した低投与量の直線偏光した光に均一に露光される。第２ステップでは、ＬＰＰ層が第１の方向に併進されながら、鋸歯状フォトマスクを通して高投与量の直線偏光した光に露光される。この実施形態では、エネルギー密度（すなわち、投与量）は、予め決められた連続方式で変動することになる。より具体的には、ＬＰＰ層上の各地点に送出されるＬＰＵＶ投与量は、露光時間とＬＰＵＶパワーの積で決定される。露光時間は、基板の併進速度とアパーチャの幅の関数である。ＬＰＵＶパワーは、アパーチャ開口の透過率の関数である。一般に、照明についての必要とされるエネルギー密度および波長は、ＬＰＰ材料に依存することになる。先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムの場合、エネルギー密度は、通常、３０ｍＪ／ｃｍ^２と３００ｍＪ／ｃｍ^２との間であることになり、一方、波長範囲は、通常、２８０ｎｍと３６５ｎｍとの間であることになる。ＬＰＵＶの入射角は、通常、２０°と６０°との間であることになる。所望の投与量を達成するのに必要とされる併進速度および鋸歯状アパーチャの幅は、偏光ＵＶ光源のパワー出力に依存する。

図６を参照すると、２００ｍｍガラス基板上で生成される巨視的な連続して変動する傾斜角の実施例が示される。より具体的には、図６の左側は、交差した偏光器間で観察される構造のＢＳ画像を示し、中央のプロットは、空間的変動性リターダンスを示し、右側は、実質的に均一であるＦＡ軸の方位角方向を示す。図の下の右には、鋸歯状フォトマスクも示される。

空間的変動性傾斜角ＬＣＰ構造は、５０ｎｍ厚の配向層を得るために、（たとえば、２０００ＲＰＭで６０秒間）２００ｍｍ溶融シリカ基板ウェハ上で、シクロペンタノン内でＲＯＰ１１９の２重量％溶液を含むＬＰＰ層をスピンコーティングすることによって形成された。この実施形態では、反射防止膜は、基板上に設けられなかった。ＬＰＰコーティングされた基板は、その後、ＬＰＰコーティングされた基板が、併進走査方式でいくつかのアパーチャを通して露光される２ステップ照射プロセスを受けた。第１ステップでは、層は、全てのロケーションに４０ｍＪ／ｃｍ^２の均一の投与量を提供するために、一定速度で１方向に走査しながら、１回目の露光で、平行アパーチャを通してＬＰＵＶに露光された。第２ステップでは、走査方向に垂直な方向に０ｍＪ／ｃｍ^２〜６０ｍＪ／ｃｍ^２までの周期的に変動する投与量を生成するために、一定速度で１回目の露光と同じ方向に走査しながら、２回目の露光で、鋸歯状投与量アパーチャ（たとえば、図６に示す）を通してＬＰＵＶに露光された。より具体的には、この２つのステップ露光プロセスから得られるのは、ＬＰＰ層が、走査方向に垂直な方向にＬＰＰ層の表面にわたって４０ｍＪ／ｃｍ^２〜１００ｍＪ／ｃｍ^２までの振動性ＬＰＵＶ投与量を受けることである。両方の露光の場合、ＬＰＵＶ光の方位角は、０°であった。両方の露光の場合、ＬＰＵＶの入射角は、４０°であった。その後、ＬＣＰ層は、ＬＰＰ層上でＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体の３７重量％溶液を（すなわち、１０００ｒｐｍで）スピンコーティングすることによって形成された。ＬＣＰ層内のＬＣダイレクタは、パターニング用のＬＰＵＶ露光投与量によって画定される傾斜角パターンを採用した。ＬＣＰ前駆体層は、その後、アニーリングされ、ＬＣＰを形成するためにＵＶ硬化され、ポストベーキングされた。

結果として得られるＬＣＰ層は、基板上で一方向に鋸歯状パターンで変動する面内リターダンス値を有する。より具体的には、ほぼ直線的に変動するリターダンスは、傾斜角が６５°と５０°との間で変動する（すなわち、０．０１２と０．０４のΔｎの範囲に相当する）ため、約２５ｎｍと８５ｎｍとの間で変動する。

上述した実施形態では、基板は、ＬＰＵＶの方位角に垂直な方向に併進し、併進方向に平行でかつ一定であるＬＣＰ層内のＦＡを生成した。他の実施形態では、ＬＣＰ層のＦＡ方位角配向を空間的に変動させるため、ＬＰＵＶ方位角配向が、２回目の露光中に回転する。なお他の実施形態では、ＬＰＰ層は、併進するのではなく回転する。

たとえば、一実施形態では、空間的変動性傾斜は、２ステップ・プロセスを使用してＬＰＰ層を照射することによって、先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムにおいて提供される。第１ステップでは、固定のＬＰＰ層は、基板が、その表面に垂直な軸の回りでかつアパーチャの頂点に一致する開始位置から３６０°回転している間に、１回目の露光で、第１の固定の狭い弧形状の（すなわち、わずか数度の頂角を有する）アパーチャを通して低投与量の直線偏光された光に露光される。第２ステップでは、ＬＰＰ層は、基板が、その表面に垂直な軸の回りでかつアパーチャの頂点に一致しかつ１回目の露光の回転軸にも一致する同じ開始位置から３６０°回転している間に、２回目の露光で、第２の固定の狭い弧形状の（すなわち、わずか数度の頂角を有する）アパーチャを通して、その透過率が頂点から半径方向に変動する高投与量の直線偏光された光に露光される。
両方の露光では、アパーチャは、基板の開始位置に対して同じロケーションに設置され、ＬＰＵＶ照明の方位角は、基板の同じ相対的開始位置である。ＬＰＰ層上の各地点に送出される投与量は、依然として露光時間とＬＰＵＶパワーの積であるが、露光時間は、基板の角速度とアパーチャの角度幅の関数である。ＬＰＵＶパワーは、アパーチャ開口の透過率の関数のままである。一般に、照明についての必要とされるエネルギー密度および波長は、ＬＰＰ材料に依存することになる。先に説明したＲＯＰ１１９／ＲＯＦ５１０６ＬＰＰ／ＬＣＰシステムの場合、エネルギー密度は、通常、３０ｍＪ／ｃｍ^２と３００ｍＪ／ｃｍ^２との間であることになり、一方、波長範囲は、通常、２８０ｎｍと３６５ｎｍとの間であることになる。ＬＰＵＶの入射角は、通常、２０°と６０°との間であることになる。必要とされる回転速度は、所望の投与量、ＬＰＵＶパワー、およびアパーチャ開口の角度幅に依存する。２つの露光の結合作用は、基板に関して、アパーチャの頂点ロケーションに相当する地点から半径方向に変動し、その地点の回りの方位角方向に一定である投与量を提供する。同様に、基板に対する方位角方向において、その地点の回りで、ＬＰＵＶの配向は、方位角ロケーションの１°の変化について、１°だけ変動する。その後、ＬＣＰ層は、ＬＰＰ層上でＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体の３７重量％溶液を（すなわち、１０００ｒｐｍで）スピンコーティングすることによって形成された。ＬＣＰ層内のＬＣダイレクタは、パターニング用のＬＰＵＶ露光投与量によって画定される傾斜角パターンを採用した。ＬＣＰ前駆体層は、その後、アニーリングされ、ＬＣＰを形成するためにＵＶ硬化され、ポストベーキングされた。この実施形態では、ＬＣＰ層のＬＣダイレクタは、基板上のある地点の回りの渦巻き方位角配向（次数ｍ＝２）を採用するが、その地点から半径方向に変動する傾斜角も採用する。

基板および／またはＬＰＵＶ光が変更される（たとえば、併進される、回転されるなどを行われる）上述した実施形態では、ＬＰＰ層は、任意選択で、先に説明した変動のうちの２つ以上を受ける。たとえば、一実施形態では、回転中心が露光ごとに異なるＬＰＰの２回以上の高投与量回転露光が行われる。別の実施形態では、基板に対するＬＰＰ層とＬＰＵＶの両方の配向は、回転露光プロセス中に変動する。他の実施形態では、ＬＰＰ層は、複数回照射され、その都度、異なるフォトマスクおよび／またはアパーチャを用いる。後者の事例では、１つまたは複数の併進方向が、任意選択で使用され、各併進の前に、基板の面内での基板の回転配向が行われ、また、各併進の前に、ＬＰＵＶ配向が、任意選択で、回転される。実際は、複雑な２次元の投与量および方位角配向パターンが容易に実現される。

基板および／またはＬＰＵＶ光源が変更される上述した実施形態のそれぞれでは、併進速度、角速度、およびＬＰＵＶ源は一定である。他の実施形態では、基板が併進されるかまたは回転される間に、併進速度または角速度が変調される。なお他の実施形態では、ＬＰＵＶ源のパワーは、併進または回転プロセス中に変調される。

基板および／またはＬＰＵＶ光源が変更される上述した実施形態のそれぞれでは、フォトマスクは、ＬＰＵＶがＬＰＰ層まで通過することを可能にする、ＬＰＵＶを完全に阻止する、かつ／または、ＬＰＵＶの一部がＬＰＰ層まで通過することを可能にする１つまたは複数のセクションを有する。たとえば、一実施形態では、フォトマスクは、あるアパーチャを有するＵＶ阻止材料（すなわち、金属板）から作製される板である。一実施形態では、アパーチャは、基板の併進方向に平行な方向に測定された幅が変動する（変調する）開口プロファイルを有する。別の実施形態では、アパーチャは、完全に阻止されるセクションを有する。なお別の実施形態では、アパーチャ開口は、（たとえば、勾配光学密度フォトマスクがフォトマスクとして使用される場合）変動する光透過率を有する。

有利には、固定のフォトマスクおよび固定の基板に基づく上述した実施形態は、複雑でかつ微細パターニングされた傾斜角構造を生産するのに特に有用であり、一方、機械的作動式（actuated）基板および／またはＬＰＵＶ光源に基づく上述した実施形態は、複雑さが少なくかつ巨視的な傾斜角構造を生産するのに特に有用である。

本発明の別の実施形態によれば、空間的変動性傾斜角は、比較的低いＬＰＵＶ投与量（すなわち、約４０ｍＪ／ｃｍ^２）でＬＰＰ層を露光することによって確立される。任意選択で、低いＬＰＵＶ投与量は、ある範囲の投与量として、または、２つ以上の離散的な投与量として、一連の１つまたは複数の個々のフォトマスクを通して提供される。

図３に示すように、上述したＬＰＰ／ＬＣＰシステムの場合、低いＬＰＵＶ投与量（すなわち、約４０ｍＪ／ｃｍ^２、特に、３０ｍＪ／ｃｍ^２未満）でＬＰＰ層を照射することは、その後塗布されるＬＣＰ層において微視的な低傾斜ドメイン（ＬＴＤ）の形成をもたらすことになる。用語ＬＴＤは、周囲ＬＣＰ材料と比較して、比較的低い傾斜角を有する領域を指す。より具体的には、ＬＴＤは、周囲の「通常の振舞いをする（normal behaving）」高傾斜ＬＣＰ相内で、幾分、隔離された相分離ドメインとして見える。ＬＴＤは、著しく低い傾斜を有するため、周囲材料より高い面内リターダンス（または複屈折率）を示す。ＬＴＤの空間分布は、通常、ＬＣＰ層内でランダムであるため、結果として、ランダム分布を有するバイナリ（またはほぼバイナリ）の空間的変動性傾斜角が得られる。一般に、ＬＴＤのサイズおよび面積密度は、ＬＰＵＶ投与量が減少するにつれて増加することになる。ある地点で、投与量が十分に低い場合、ＬＴＤの連続ネットワークが予想される。

図７を参照すると、２０ｍＪ／ｃｍ^２の単一露光を用いて、上述したＬＰＰ／ＬＣＰシステムを使用して形成された微視的ＬＴＤの実施例が示される。より具体的には、構造が、空間的変動性傾斜角を有する第１エリア（すなわち、ＬＴＤを示す上領域）および均一の傾斜角を有する第２エリア（すなわち、下領域）を含む画像を写真が示す。上の写真は、交差した偏光器間でサンプルが観察されるＢＳ画像であり、一方、下の写真は、交差した偏光器間でサンプルが観察されるＤＳ画像である。下右の写真は、交差した偏光器間でサンプルが観察される、ＢＳ画像におけるＬＴＤの拡大を示す。

空間的変動性傾斜角ＬＣＰ構造は、５０ｎｍ厚の配向層を得るために、（たとえば、２０００ＲＰＭで６０秒間）２００ｍｍ溶融シリカ基板ウェハ上で、シクロペンタノン内でＲＯＰ１１９の２重量％溶液を含むＬＰＰ層をスピンコーティングすることによって形成された。この実施形態では、反射防止膜は、基板上に設けられなかった。ＬＰＰコーティングされた基板は、最初に、１回目の露光で、２０ｍＪ／ｃｍ^２の比較的低い均一の投与量でＬＰＵＶに露光された。ＬＰＰコーティングされた基板の下部分だけが、その後、２回目の露光で、１００ｍＪ／ｃｍ^２のＬＰＵＶ投与量に露光された（すなわち、１２０ｍＪ／ｃｍ^２の総投与量の場合）。ＬＰＵＶ光の方位角は、いずれの場合も、０であった。その後、ＬＣＰ層は、ＬＰＰ層上でＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体の３７重量％溶液を（すなわち、１０００ｒｐｍで）スピンコーティングすることによって形成された。ＬＣＰ前駆体層は、その後、アニーリングされ、ＬＣＰを形成するためにＵＶ硬化され、ポストベーキングされた。

結果として得られるＬＣＰ層は、空間的変動性面内リターダンスを有する。特に、下領域は、比較的高い傾斜角に相当する均一なリターダンスを有することになり、一方、上領域は、バイナリの空間的変動性リターダンスを有する。より具体的には、面内リターダンス値は、ランダムなバイナリ様式で基板の表面にわたって空間的に変動する。図７を参照すると、バイナリの空間的変動性傾斜角は、ＬＴＤ（すなわち、ＢＳ画像の明相）の形成から生じる。特に、ＬＴＤは、回位線（すなわち、低い傾斜相を境界付ける暗線）によって主要なＬＣマトリクスから分離される。一般に、２つの相は、同じ遅軸（ＳＡ）配向を示すことになるが、正確な傾斜角および面内複屈折率は測定されなかった。

有利には、この実施形態は、単一露光を使用して、２つの離散的なＬＣＰ傾斜角（すなわち、ＬＴＤからの１つの傾斜角および「通常の」振舞いをするＬＣＰからの１つの傾斜角）のランダムな空間分布を提供する。一般に、ＬＣＰ層内のＬＴＤの相対的なサイズおよび面積密度は、露光投与量に依存し、また、他の処理条件に依存する可能性がある。

図７を参照して説明される実施形態では、空間的変動性傾斜角は、単一露光で達成された。他の実施形態では、十分に低い低投与量ＬＰＵＶ光によるＬＴＤの形成は、上述した実施形態の任意の実施形態と組合わされる。たとえば、図８を参照すると、図４に示す構造を形成するのに使用される方法と同様な方法を使用して形成された微視的ＬＴＤの実施例が示される。

より具体的には、空間的変動性傾斜角ＬＣＰ構造は、５０ｎｍ厚の配向層を得るために、（たとえば、２０００ＲＰＭで６０秒間）２００ｍｍ溶融シリカ基板ウェハ上で、シクロペンタノン内でＲＯＰ１１９の２重量％溶液を含むＬＰＰ層をスピンコーティングすることによって形成された。この実施形態では、反射防止膜は、基板上に設けられなかった。ＬＰＰコーティングされた基板は、その後、２ステップ照射プロセスを受けた。第１ステップでは、層は、全てのロケーションに最小の傾斜角を設定するために、１回目の露光で、フォトマスク無しで、ＬＰＵＶに露光された。より具体的には、この１回目のＬＰＵＶ露光は、低い傾斜角に相当する均一の低投与量（すなわち、２０ｍＪ／ｃｍ^２）を提供する。第２ステップでは、フォトマスクの透過エリア（５μｍスペース）に相当する選択ロケーションにおいてより高い傾斜角を設定するために、上部分が、２回目の露光で、５μｍ線幅／５μｍスペースを有する回折格子フォトマスクを通してＬＰＵＶ光に露光される。より具体的には、２回目のＬＰＵＶ露光は、パターニング用の高い投与量（すなわち、１００ｍＪ／ｃｍ^２）を提供するため、１回目の低投与量露光と２回目の高投与量露光の和は、フォトマスクの透過エリアに相当するロケーションにおいて生成される高傾斜角に相当する。両方の露光の場合、ＬＰＵＶ光の方位角は、ある任意の基準に対して測定されると、同じであった（この場合、方位角は、回折格子方向に名目上平行であった）。その後、ＬＣＰ層は、ＬＰＰ層上でＲＯＦ５１０６ＬＣＰ前駆体の３７重量％溶液を（すなわち、１０００ｒｐｍで）スピンコーティングすることによって形成された。ＬＣＰ層内のＬＣダイレクタは、パターニング用のＬＰＵＶ露光投与量によって画定される傾斜角パターンを採用した。ＬＣＰ前駆体層は、その後、アニーリングされ、ＬＣＰを形成するためにＵＶ硬化され、ポストベーキングされた。

結果として得られるＬＣＰ層は、傾斜角が交互になる（たとえば、２０ｍＪ／ｃｍ^２および１２０ｍＪ／ｃｍ^２の交互の投与量に相当する）、５ミクロン幅の線を有する回折格子を有する上エリア、および、ランダムに分布するＬＴＤ（たとえば、２０ｍＪ／ｃｍ^２の単一投与量に相当する）を有する下エリアを含んだ。図８を参照すると、暗回折格子線は、１２０ｍＪ／ｃｍ^２投与量に相当し、したがって、最も高い傾斜を有し、一方、明回折格子線は、２０ｍＪ／ｃｍ^２投与量に相当し、したがって、１２０ｍＪ／ｃｍ^２投与量線より低い傾斜を有する。特に、ＬＴＤは、低投与量回折格子線上に優先的に形成されるように見える。特に、より小さなサイズのＬＴＤは、より明るい２０ｍＪ／ｃｍ^２投与量線上でだけ核形成したことが明らかである。しかし、一部のより大きなサイズのＬＴＤは、２つ以上の２０ｍＪ／ｃｍ^２投与量線の間で、１２０ｍＪ／ｃｍ^２線にわたって橋渡しすることがわかった。

有利には、ＬＴＤブリッジング効果を示すＬＣＰ層は、３つ以上のＬＣＰ傾斜角の擬似ランダム分布が必要とされる用途および／またはＬＴＤ内の利用可能な傾斜角の範囲が不十分である用途における可能性を有する。たとえば、一実施形態では、ＬＰＰ層は、交互の小さな特徴のパターンで、たとえば、微視的チェッカーボード・パターンで露光され、交互の特徴は、高いＬＰＵＶ投与量と低いＬＰＵＶ投与量に交互に露光される。この場合、プロセスは、ＬＴＤが、低投与量特徴の一部上にランダムに核形成するようにさせ、また、こうしたＬＴＤの一部が他の近傍の低投与量特徴に橋渡しするように、最適化される。

他の実施形態では、ＬＴＤのサイズおよび面積密度を減少させるために、ＬＴＤブリッジングは、高投与量特徴の幅を増加させるか、低投与量特徴の幅を増加させるか、または、低投与量線に適用される投与量を増加させることによって、低減される、かつ／または、なくされる。

空間的変動性傾斜角を有する、特に、ＬＴＤを有するＬＣＰ層についての多くの用途が想定される。たとえば、一実施形態では、空間的変動性傾斜角を有するＬＣＰ層は、レーザ照明システムのスペックルを低減するのに使用される。

レーザ照明システムは、ハイ・パワー照明および飽和色を提供する投影ディスプレイで一般に使用される。しかし、レーザは、良好な色を有する明るい画像を提供するが、画像品質は、スペックルのために低下する可能性がある。スペックルは、コヒーレント光が、粗いかまたは汚れた表面から反射されるか、あるいは、ランダムな屈折率変動を有する媒体を通って伝播するときに起こる。より具体的には、スペックルは、光の波長より大きな差の遅延を有する複数のビームを含む反射光が、検出器（たとえば、人の目または２乗法則光検出器）で干渉するときに起こる。この干渉は、スペックル・パターンと一般に呼ばれる、不均一で、ランダムな、光強度の変動を提供する。

投影ディスプレイでは、スペックルは、一般に、レーザ光の波長の１／４より大きい表面粗さを通常有するディスプレイ・スクリーンから光が反射するときに生じる。反射したレーザ光の結果として得られるランダムな空間的干渉は、画像の品質を著しく低下させる（たとえば、画像を、粒子が粗く、かつ／または、不鮮明に見せる）スペックル・パターンを生成する。さらに、視点に応じて、スペックル・パターンは、所与の方向において相対的な位相遅延の特性が異なるために、変化する可能性がある。結果として、観測される画像は、視点と共に変化し、光学システムは、忠実度が高い画像を確実に再生することができなくなる。

屈折率変動、光学コンポーネント上のゴミ、およびスクリーン粗さは全てスペックルをもたらすが、その作用は、通常、レーザなどのコヒーレント光源が使用されるときに大きな問題になるだけである。ディスプレイが、画像品質低下を受けないように、レーザ出力のコヒーレンスを減少させる、かつ／または、破壊するいくつかの方法が存在する。１つの手法は、複数の波長からのスペックル・パターンが、平均化されて平滑なプロファイルになるように、縦モードの数を増加させることである。別の手法は、空間的にインコヒーレントな照明を提供する、コヒーレント・レーザ・ダイオード（ＬＤ）のアレイをタイル化することである。残念ながら、こうして波長多様性を設けることは、費用がかかる手法である（すなわち、多くの小型投影器は、通常、数十ルーメンの照明を出力するために、単一ＬＤチップに依存する）。なお別の手法は、レーザ照明において偏光多様性を作ることである。たとえば、１つのレーザ・ビームは、２つの偏光に分割されうり、第１の偏光は、ＰＢＳを透過することを許容され、第２の偏光は、レーザのコヒーレンス長より大きい値で遅延される。残念ながら、この手法は、かさばり、また、スペックル・コントラスト低減が制限される。

レーザ・ダイオード（ＬＤ）配置構成を変更する（すなわち、空間的コヒーレンスを減少させる）こと、または、レーザ・ビームの空間的および時間的コヒーレンスを低減するために、レーザ・デバイス特性を操作する（すなわち、偏光および波長多様性を提供する）こと以外に、代替の手法は、ＸＹ平面を通して時間的に偏倚し、かつ、強度不均一性を低減するために、検出器（すなわち、目）について時間平均を可能にする、変動するボイリング・スペックル・パターンの多くの小さな粒子を作ることである。この手法は、通常、振動するかまたは回転して、所定期間にわたって各ＸＹサイトについて複数の位相遅延をもたらす、拡散器［Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ等著「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｅｒ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ」Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ，２０００］、位相板［米国特許第６，３２３，９８４号および第６，７４７，７８１号］、またはランダムな回折光学要素［Ｌ．Ｗａｎｇ等著「Ｓｐｅｃｋｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７，ｐｐ．１７７−１７７５，１９９８］などの外部光学要素を必要とする。

参照により組込まれる、レーザ照明システム用のリターダ・ベース・スペックル除去デバイスのための米国特許出願第１２／４２４，１６８号において、Ｔａｎ他は、アクチュエート可能な波長板要素を使用して、多くの変動するボイリング・スペックル・パターンを作る別の手法を提案している。特に、アクチュエート可能な波長板要素は、複数の頂点を含む空間的変動性遅軸を有する、ほぼ１／２波長の光学リターダの機械的揺動および／または電子的切換えによって生成される可変位相変調を提供することによって、変動するスペックル・パターンを生成する（すなわち、傾斜角は一定であるが、方位角は、リターダの表面にわたって変動する）。

本発明による一実施形態では、空間的変動性傾斜角を有するＬＣＰ層は、レーザ投影システムのスペックルを低減するのに使用されるランダム位相拡散器を作るのに使用される。

図９を参照すると、ランダム位相拡散器を形成するランダムに傾斜した液晶デバイスの実施例が示される。デバイス２００は、基板２０９上に配設された可変傾斜ＬＣ層２０１を含む。ＬＣ層２０１は、複数の異なるように傾斜したダイレクタを含み、そのうちの２つが、２０２および２０３として示される。例証のために、ＬＣ層２０１は、ＸＹ平面に平行に示され、一方、入射光は、Ｚ軸２１５に平行に伝播する。ＬＣ分子についての傾斜平面は、ＸＺ平面に平行である。入力される直線偏光２１０は、傾斜平面に配向する。

一般性を失うことなく、単一符合化要素は、Ｚ軸に関してある角度で傾斜し、かつ、ＸＺ面内に含まれるＬＣダイレクタによって表される。図１０を参照すると、（ａ）に示すように１軸Ｏ板複屈折率を有する、このＬＣダイレクタの複屈折率は、（ｂ）に示すように、面内および面外複屈折率成分内に投影されうる。より具体的には、ＬＣダイレクタ２０２は、Ｚ軸と極角オフセット２２２θ_ｃを形成し、一方、面外傾斜２２３θ_ｔは、π／２−θ_ｃで与えられる。極端な場合、ＬＣ配向は、Ａ板対称性（θ_ｔ＝０°）またはＣ板対称性（θ_ｔ＝９０°）を有する。屈折率楕円体を記述する２次方程式から、面内有効屈折率ｎ_ａおよび面外有効屈折率ｎ_ｃは、ＸＹ平面２３０上への投影およびＺ軸２４０上への投影によって表される。これらの有効屈折率は、

および

で与えられる。式中、ｎ_ｅ（λ）およびｎ_ｏ（λ）は、１軸材料の異常屈折率および正常屈折率の分散である。Ａ板配向ピクセル（θ_ｔ＝０°）に対して位相を進める観点から、式（１）は、面外傾斜の増加に伴う、位相ランプの非線形増加を与える。Ａ板構成ピクセル（すなわち、ｎ_ａ（θ_ｔ；λ）−ｎ_ｅ（λ））に対する位相差は、図１１にプロットされる。プロットから、約５６．７°のＬＣ傾斜で配向した符合化ピクセルは、−０．１の単位長当たり位相差を生じる。換言すれば、２ｍｍのピクセル高さは、Ａ板ピクセルに対して２００ｎｍの位相進みを提供する。これは、λ＝４００ｎｍにおいて、必要とされるπ位相ステップを与える。

こうして、各微視的ＬＣドメインを通る相対的位相遅延は、ＬＣ分子の面外傾斜に依存するようにさせられる。これは、純粋な位相変調である。各ＸＹサイトにおける一定振幅項は、無視されうる。検出器分解能に達する、各位相セル分割の複素振幅は、

で与えられる。

空間的変動性傾斜ＬＣ層が、スペックルを低減するために、ランダム変調デバイスとして機能するために、傾斜角は、通常、能動的拡散器を作るために、時間的に変動する。図１２を参照すると、ランダム変調をサブ分解能ビームに適用する作動式能動的拡散器を含む投影システムのサブシステム４００が示される。特に、サブシステム４００は、直線出力偏光３２０を有するコヒーレント・レーザ源３０１を含む。拡散器４０３は、ランダムに傾斜したマイクロドメインを有するＬＣリターダを含む。例証のために、ＬＣダイレクタの投影は、異なるＸＹサイトにおけるデバイス断面に沿って示される。拡散器４０３は、アクチュエータ４１０（たとえば、電子部品／光学部品）によって時間的に併進される。各光学ストリームは、この構成では、ｅ波として伝播する。したがって、出力される偏光は、直線偏光３２１で示すように、不変である。拡散器は、検出器の各間隔内に時間的な変調差を生成する。この実施例では、能動的拡散器は、４１１の矢印で示すように、ＬＣダイレクタ傾斜平面に沿って直線的に併進される。レーザ・ビームは、Ｚ方向に沿って伝播する。１つの検出器積分時間にわたって、各サブ分解能エリアに対して可変位相の光ビームをランダムに提示することによって、一連の相関が無いかまたは部分的に相関が有るスペックル・パターンが、検出器において生成される。サブ分解能エリアにわたり、かつ、所定期間にわたる平均化は、強度不均一性が減少することを可能にする。

図１２に示すレーザベース照明サブシステムは、強度変調パネル（たとえば、ＤＬＰ）と偏光ベース変調パネル（たとえば、透過型ＬＣＤまたは反射型ＬＣオン・シリコン）の両方を利用するディスプレイ・システムに組込まれうる。ランダム拡散器は、速軸が一定でありながら、傾斜角が空間的に変動するように作製されうるため、有利には、照明の偏光状態を保持し、したがって、偏光ベース・システムに理想的である。強度ベース・ディスプレイ・システムでは、レーザ照明および能動的拡散器の偏光出力は、保持される必要がない。いずれの場合も、ＬＴＤを有するスペックル除去デバイスを作製することは、有利には、レーザ照明システムにおける知覚されるスペックル・パターンを低減するのに理想的なスケールで傾斜角の変動を提供する。たとえば、一般に、ＬＴＤの平均幅は、通常、１００ミクロン未満、しばしば、５ミクロンと１０ミクロンとの間である。もちろん、より小さな幅またはより大きな幅を有するＬＴＤが、可能であると共に想定される。

本発明のなお別の実施形態では、空間的変動性傾斜リターダは、たとえば、参照により組込まれる米国特許出願第２００９０００９６６８号に開示されるように、偏光ホログラムを形成するのに使用される。なお他の実施形態では、空間的変動性傾斜リターダは、光学トラッピング、光学ツイーザ、または光学コヒーレンス・トモグラフィ用途で使用される。

もちろん、上記実施形態は、例としてだけ提供されてきた。種々の変更、代替構成、および／または、等価物が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、使用されるであろうことが当業者によって理解されるであろう。特に、十分低い投与量のＬＰＵＶ光を使用してＬＴＤを形成する方法は、空間的変動性傾斜層を形成する他の方法のうちの任意の方法と組合されうる。さらに、上述したＬＰＰ／ＬＣＰシステムは、ＬＴＤ（たとえば、複数の離散的領域）を提供するように示されたが、他のＯ板ＬＰＰ／ＬＣＰシステムは、同様なＬＰＵＶ投与量で同様な結果を提供することが予想される。相応して、本発明の範囲は、したがって、添付特許請求項の範囲によってだけ制限されることが意図される。

１０、２０１ ＬＣ層
１１、６６、２０９ 基板
６０ 光学セットアップ
６５ 作製下のデバイス
６７ 線状光重合可能な配向層
７０ ＬＰＵＶ光露光システム
７１ ＵＶ光源
７２ コリメーティング・レンズ
７３ ＵＶ偏光器
７５ フォトマスク
２００ ランダムに傾斜した液晶デバイス
２０２、２０３ ＬＣダイレクタ
２１０ 入力される直線偏光
２１５ Ｚ軸
２２２ 極角オフセット
２２３ 面外傾斜
２３０ ＸＹ平面
２４０ Ｚ軸
３０１ コヒーレント・レーザ源
３２０ 直線出力偏光
３２１ 直線偏光
４００ 投影システムのサブシステム
４０３ 拡散器
４１０ アクチュエータ

Claims (15)

1. 空間的変動性傾斜角を有する液晶層を含む光学要素を作製する方法であって、
   ａ）線状光重合可能なポリマー層で基板をコーティングするステップと、
   ｂ）前記線状光重合可能なポリマー層を、直線偏光した紫外線光で、斜め角度で照射するステップと、
   ｃ）前記照射された線状光重合可能なポリマー層の表面上に液晶材料の層をコーティングするステップとを含み、
   前記液晶材料は、その傾斜角と前記直線偏光した紫外線光の総投与量との間に予め決められた関係を有し、
   前記線状光重合可能なポリマー層は、隣接領域より大きな面内複屈折率を有する前記液晶層内に複数の離散領域の形成を誘発するのに十分である直線偏光した紫外線光の少なくとも１つの投与量で照射される方法。
2. 前記液晶材料は、液晶ポリマー前駆体を含み、
   ｄ）液晶ポリマー層を形成するために、前記複数の離散領域を有する前記液晶層を紫外線光で照射するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. ステップｂ）は、
   前記線状光重合可能なポリマー層を、前記複数の離散領域の形成を誘発するのに十分である直線偏光した紫外線光の少なくとも１つの投与量で照射すること、および、
   前記線状光重合可能なポリマー層を、直線偏光した紫外線光の第２の投与量でフォトマスクを通して照射することを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記フォトマスクは、前記直線偏光した紫外線光について、異なるレベルの透過率の少なくとも２つの離散領域を含む請求項３に記載の方法。
5. 前記フォトマスクは、前記直線偏光した紫外線光について、連続して変動する透過率を有する可変透過率マスクである請求項３に記載の方法。
6. 前記フォトマスクは、回折格子フォトマスクである請求項３に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの投与量および前記第２の投与量は、前記基板に対して異なる方位角配向を有する直線偏光した光によって提供される請求項３に記載の方法。
8. ステップｂ）は、
   前記線状光重合可能なポリマー層を、前記複数の離散領域の形成を誘発するのに十分である直線偏光した紫外線光の前記少なくとも１つの投与量で照射すること、および、
   前記線状光重合可能なポリマー層を、直線偏光した紫外線光の第２の投与量でフォトマスクを通して照射することを含む請求項１に記載の方法。
9. ステップｂ）は、
   前記線状光重合可能なポリマー層を、直線偏光した紫外線の前記第２の投与量でフォトマスクを通して照射している間に、前記フォトマスクおよび前記基板の少なくとも一方を移動させることを含む請求項８に記載の方法。
10. 前記液晶層および前記周囲領域内の前記複数の離散領域は、同じ遅軸方位角配向を有する請求項１に記載の方法。
11. 前記基板は、前記基板の背面上に配設された紫外線反射防止膜および紫外線吸収膜の１つを含む請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの投与量は、４０ｍＪ／ｃｍ^２未満である請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの投与量は、３０ｍＪ／ｃｍ^２未満である請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
14. 前記複数の離散領域は、ランダムにまたは擬似ランダムに分布する請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
15. 前記光学要素は、レーザ照明システムにおけるスペックルを低減するためのものである請求項１から１０のいずれかに記載の方法。

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