DE69937776T2

DE69937776T2 - Vorrichtung zum Regeln von der optischen Transmission mittels perforierten metallischen Filmen mit Lochdurchmesser im Subwellenlängenbereich

Info

Publication number: DE69937776T2
Application number: DE69937776T
Authority: DE
Inventors: Tae Jin Princeton Kim; Tineke Princeton Thio; Thomas Wren Princeton Ebbesen
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: EP1731950A1; DE69942956D1; EP1729166A2; EP1731951B1; JP3405400B2; DE69937776D1; DE69942957D1; DE69943070D1; EP0992833A2; EP0992833A3; EP1731950B1; EP1729166A3; EP1729166B1; JP2000111851A; EP0992833B1; EP1731951A1; US6040936A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Optik und insbesondere die Steuerung der Intensität und der Wellenlänge von einem dünnen Metallfilm, der mit Löchern perforiert ist, durchgelassenen Lichts.
Ein glatter Metallfilm mit einer Dicke, die größer als seine optische Eindringtiefe ist (die Tiefe, bis zu der das elektromagnetische Feld von einfallendem Licht in das Material eindringt, bei der die elektrische Feldintensität auf 1/e² abfällt, für ein Metall typischerweise etwa 20 nm bis 30 nm), ist für Licht mit Frequenzen unterhalb der Volumenplasmafrequenz ω_p, die durch ω2p = (4πne2)/m* gegeben ist, undurchlässig, wobei n die Elektronendichte ist, e die Elektronenladung ist und m^* die effektive Masse ist. Ein einziges Loch in einem solchen Metallfilm lässt Licht mit einer Wirksamkeit durch, die vom Durchmesser des Lochs abhängt. Falls der Lochdurchmesser kleiner als die Wellenlänge des durch das Loch hindurchtretenden Lichts ist, ist die Transmission proportional zu (d/λ)⁴. Siehe H. A. Bethe, "Theory of Diffraction by Small Holes", Physical Review, Second Series, Band 66, Nr. 7 und 8, S. 163-182 (1944). Aus diesem Grund ist der optische Durchsatz optischer Nahfeldvorrichtungen sehr gering.
Vor kurzem wurde eine starke Verbesserung der optischen Transmission bei Verwendung eines mit einer Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilms demonstriert. Siehe T. W. Ebbesen u. a., "Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays", Nature, Band 391, S. 667-669 (12. Februar 1998). Diese Verbesserung, die einen großen Faktor von 1000 annehmen kann, tritt auf, wenn auf den Metallfilm einfallendes Licht resonant mit einem Oberflächenplasmonenmodus wechselwirkt. Oberflächenplasmonen (hier auch einfach als "Plasmonen" bezeichnet) sind kollektive elektronische Anregungen, welche an der Grenzfläche eines Metalls mit einem angrenzenden elektrischen Medium auftreten. Siehe H. Raether, Surface Plasmons an Smooth and Rough Surfaces and an Gratings, Band 111, Springer Tracts in Modern Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1988), A. D. Boardman (Herausgeber), Electromagnetic Surface Modes, Kapitel 1, 17, S. 1-77, 661-725 (John Wiley & Sons, 1982). Die periodische Struktur der Lochanordnungen ermöglicht es, dass die Oberflächenplasmonen mit dem einfallenden Licht koppeln.
Andererseits hat die periodische Anordnung von Löchern auch Eigenschaften, die jenen eines Beugungsgitters ähneln (siehe Ebbesen u. a., wie vorstehend erwähnt), einschließlich des Vorhandenseins der Woodschen Anomalie (siehe R. W. Wood, "On a Remarkable Case of Uneven Distribution of Light in a Diffraction Grating Spectrum", Philosophical Magazine, Band 4, S. 396-402 (1902) und R. W. Wood, "Anomalous Diffraction Gratings", Physical Review, Band 48, S. 928-936 (1935)), wodurch tiefe, scharfe Minima der Transmission nullter Ordnung hervorgerufen werden, wenn ein gebeugter Strahl höherer Ordnung tangential zum Metallfilm wird. Die Kombination dieser zwei Effekte (der Oberflächenplasmonenkopplung und der Woodschen Anomalie) führt zu wohldefinierten Maxima und Minima der Transmissionsspektren nullter Ordnung. Diese Maxima und Minima treten bei Wellenlängen auf, die durch die Geometrie sowohl der Lochanordnung als auch derjenigen des einfallenden Lichts sowie den Brechungsindex der benachbarten dielektrischen Medien bestimmt sind. Siehe Ebbesen u. a., wie vorstehend erwähnt.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Eigenschaften eines mit einer Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilms, um neuartige Vorrichtungen bereitzustellen, die in der Lage sind, die Intensität und die Wellenlänge durchgelassenen Lichts zu steuern. Insbesondere umfasst die Erfindung neuartige dünne Anzeigeeinheiten (die in Flachbildschirmen verwendet werden können), räumliche Lichtmodulatoren und abstimmbare Filter.
Allgemein ausgedrückt ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission vorgesehen, die dazu dient, von der Vorrichtung durchgelassenes Licht zu modulieren. Die Vorrichtung weist einen Metallfilm mit einer darin ausgebildeten periodischen Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge und eine Tragschicht auf. Zumindest ein Abschnitt der Tragschicht hat einen selektiv veränderlichen Brechungsindex, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt, so dass der Metallfilm und die Tragschicht eine perforierte Metallfilmeinheit bilden. Durch eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex wird die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts moduliert, im Wesentlichen ohne die Richtung des Lichts zu ändern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Flachbildschirm mit mehreren Anzeigezellen vorgesehen. Der Flachbildschirm weist eine Lichtquelle, einen Metallfilm mit einer darin bereitgestellten periodischen Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge und eine Tragschicht auf. Zumindest ein Abschnitt der Tragschicht hat einen Brechungsindex, der für jede Anzeigezelle selektiv änderbar ist, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt, so dass der Metallfilm und die Tragschicht eine perforierte Metallfilmeinheit bilden. Durch eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex wird die Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts, das von der perforierten Metallfilmeinheit für jede Anzeigezelle durchgelassen wird, moduliert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein räumlicher Lichtmodulator mit mehreren Zellen und zum Modulieren der Intensität einfallenden Lichts, wenn das Licht von jeder Zelle des Modulators durchgelassen wird, vorgesehen. Der räumliche Lichtmodulator weist einen Metallfilm mit einer darin bereitgestellten periodischen Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge und eine Tragschicht auf. Zumindest ein Abschnitt der Tragschicht hat einen Brechungsindex, der für jede Zelle selektiv änderbar ist, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt, so dass der Metallfilm und die Tragschicht eine perforierte Metallfilmeinheit bilden. Durch eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht wird die Intensität von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts für jede Zelle moduliert, im Wesentlichen ohne die Richtung des Lichts zu ändern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein abstimmbares optisches Filter zum Modulieren der Intensität einfallenden Lichts vorgesehen, wenn das Licht von dem abstimmbaren optischen Filter durchgelassen wird. Das abstimmbare optische Filter weist einen Metallfilm mit einer darin bereitgestellten periodischen Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge und eine Tragschicht auf. Zumindest ein Abschnitt der Tragschicht hat einen selektiv veränderlichen Brechungsindex, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt, so dass der Metallfilm und die Tragschicht eine perforierte Metallfilmeinheit bilden. Durch eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht wird die Intensität von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts moduliert, im Wesentlichen ohne die Richtung des Lichts zu ändern. Das abstimmbare Filter kann auch mit mehreren Zellen versehen sein, worin die Wellenlängen von jeder Zelle durchgelassenen Lichts selektiv gesteuert oder abgestimmt werden können.
Demgemäß besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, Vorrichtungen zum Modulieren der optischen Transmission bereitzustellen, welche die Intensität durchgelassenen Lichts steuern.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Vorrichtungen zum Modulieren der optischen Transmission bereitzustellen, welche die Farbe durchgelassenen Lichts steuern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Vorrichtungen zum Modulieren der optischen Transmission bereitzustellen, welche eine erhöhte Transmissionswirksamkeit aufweisen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Vorrichtungen zum Modulieren der optischen Transmission bereitzustellen, die sehr dünn und möglicherweise mechanisch flexibel sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flachbildschirm bereitzustellen, der eine hohe Transmissionswirksamkeit hat, möglicherweise dünn und flexibel ist und keine kostspieligen, sperrigen und komplexen Polarisatoren und Analysatoren benötigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen räumlichen Lichtmodulator und eine optische Abstimmeinrichtung bereitzustellen, die eine hohe Transmissionswirksamkeit haben und möglicherweise dünn und flexibel sind.
Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung besser verständlich werden.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Metallfilms, der mit Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforiert ist,
2A eine Schnittansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten perforierten Metallfilmeinheit, wobei der Metallfilm auf einer Seite im Wesentlichen an einen Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex einer Tragschicht angrenzt,
2B eine Schnittansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten perforierten Metallfilmeinheit, wobei der Metallfilm auf einer Seite im Wesentlichen an einen Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex einer Tragschicht angrenzt, wobei eine Hilfsschicht im Wesentlichen an die andere Seite des Metallfilms angrenzt,
3 eine Graphik von Transmissionsspektren nullter Ordnung von zwei perforierten Metallfilmeinheiten unter Einschluss eines mit Löchern mit einem Durchmesser d = 150 nm unterhalb einer Wellenlänge perforierten Silberfilms gemäß der vorliegenden Erfindung, welche beide eine Periodizität P = 600 nm der Löcher mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge aufweisen, wobei eine perforierte Metallfilmeinheit eine Quarztragschicht (dicke unterbrochene Linie) aufweist und die andere perforierte Metallfilmeinheit eine Saphirtragschicht (dünne durchgezogene Linie) aufweist,
4 ein schematisches Diagramm einer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission,
5 ein schematisches Diagramm der Modulation von einer perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts unter Verwendung eines Flüssigkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 eine Graphik von Transmissionsspektren (bei senkrechtem Einfall) eines Chromfilms mit einer Periodizität P = 1000 nm der Löcher mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge, einer Metallfilmdicke t = 100 nm, einem Lochdurchmesser d = 500 nm, wobei eine Flüssigkristallschicht eine Dicke d_LC ≈ 12 μm aufweist, wobei die an den Flüssigkristall angelegte Spannung in der Legende angegeben ist,
7 eine Graphik der zeitabhängigen Transmission eines Lasers bei 1,55 μm bei senkrechtem Einfall auf eine perforierte Metallfilmeinheit unter Einschluss einer Flüssigkristall-Tragschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Flüssigkristall mit einer 12-V-Spitze-zu-Spitze-Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz moduliert wird,
8 ein schematisches Diagramm einer Wellenlängenselektion zwischen rotem Licht mit einer Wellenlänge von 635 nm und grünem Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm, welche durch Drehen einer perforierten Metallfilmeinheit, um den Einfallswinkel kombinierten eintretenden Lichts zu ändern, gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt wird,
9 eine Graphik der Transmission (in einer Grauskala) als Funktion der Photonenenergie und des Einfallswinkels θ einer perforierten Metallfilmeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen Silberfilm mit einer Dicke t = 300 nm aufweist, der Löcher mit einem Durchmesser d = 150 nm unterhalb einer Wellenlänge und einer Periodizität P = 400 nm aufweist,
10 eine Graphik der Transmission als Funktion des Einfallswinkels θ der in 9 dargestellten perforierten Metallfilmeinheit, wobei die beiden in der Figur angegebenen Photonenenergien λ = 635 nm (offene Kreise) und λ = 532 nm (ausgefüllte Quadrate) entsprechen,
11 ein perspektivisches schematisches Diagramm eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten räumlichen Lichtmodulators,
12A eine Schnittansicht eines Anzeigepixels mit einer roten, einer grünen und einer blauen Anzeigezelle in einem Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Größe und die Periodizität von Löchern in einem perforierten Metallfilm für die Farbsteuerung verwendet werden,
12B eine Draufsicht der Anordnungen von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge in dem perforierten Metallfilm für das in 12A dargestellte Anzeigepixel, worin die verschiedenen Periodizitäten dargestellt sind, die zum Erzeugen jeder der Farben Rot, Grün und Blau für das Anzeigepixel verwendet werden,
13A eine Schnittansicht eines Anzeigepixels mit einer roten, einer grünen und einer blauen Anzeigezelle in einem Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Ultraviolettlicht und fluoreszente Farbstoffe für die Farbsteuerung verwendet werden,
13B eine Draufsicht der Anordnungen von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge, die in dem perforierten Metallfilm für das in 13A dargestellte Anzeigepixel bereitgestellt sind, und
14 ein perspektivisches schematisches Diagramm eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten abstimmbaren optischen Filters.
Die Erfindung verwendet einen Metallfilm, der mit einer periodischen Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforiert ist. In den Figuren und insbesondere in 1 ist (nicht maßstäblich) ein Metallfilm 10 dargestellt, der eine rechteckige Anordnung zylindrischer Löcher 12 mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge aufweist. Der Metallfilm 10 kann einen Metallfilm oder eine Metallplatte einschließen. Das Metall des Metallfilms 10 kann ein beliebiges Metall sein, und die Auswahl eines bevorzugten Metalls hängt von speziellen Anwendungen und Entwurfsanforderungen ab. Bevorzugte Metalle können Aluminium (das kostengünstig ist), Silber, Gold (das edel ist) oder Chrom (das hart ist) einschließen. Der Metallfilm 10 kann auch aus einem stark dotierten Halbleiter gebildet sein.
Wie in 1 auch dargestellt ist, beträgt der Durchmesser eines Lochs mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge d und beträgt die Periodizität oder der Abstand zwischen den Öffnungen P. Der Metallfilm 10 muss optisch dick sein (d. h. lichtundurchlässig sein), und er weist vorzugsweise in etwa das 5Fache der Hautdicke auf. Sowohl die Transmissionsmaxima als auch die Transmissionsbreite nehmen ab, wenn die Dicke t des Metallfilms 10 zunimmt. Wenngleich die Löcher 12 mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge in 1 als eine runde Form aufweisend dargestellt sind, können sie auch andere Formen, wie oval oder rechteckig, aufweisen. Wenngleich die Anordnung als eine rechteckige Anordnung dargestellt ist, sind auch andere Lochfeldkonfigurationen, wie dreieckige Konfigurationen, möglich, ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen.
In den nachstehend beschriebenen Experimenten wurde der Metallfilm unter Verwendung eines fokussierten Innenstrahls mit Galliumionen perforiert. Dieses Verfahren ist, ebenso wie die Elektronenstrahlfertigung, sehr flexibel, jedoch auch sehr langsam, weil die Löcher der Reihe nach (d. h. eines zur Zeit) erzeugt werden müssen. Zum Erzeugen großer Vorrichtungen, die großflächige perforierte Metallfilme aufweisen, ist es bevorzugt, entweder Großflächen-Kontaktdruckverfahren, wie eine holographische Prägetechnologie, oder die Selbstanordnung von Polymerkügelchen an der Oberfläche eines Substrats zu verwenden. Eine Monoschicht solcher in einer hexagonal dicht gepackten Anordnung selbst ausgerichteter Kügelchen kann als ein Maskenmuster zur Herstellung der Löcher verwendet werden. Siehe C. Haginoya u. a., "Nanostructure array fabrication with a sizecontrollable natural lithography", Applied Physics Letters, Band 71, Nr. 20, S. 2934-2936 (17. November 1997).
2A zeigt einen Querschnitt einer perforierten Metallfilmeinheit 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die perforierte Metallfilmeinheit 20 weist den mit einer Anordnung von Löchern 12 mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilm 10 und eine Tragschicht 14 auf. Die Tragschicht 14 weist mindestens einen Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex in der Art einer Flüssigkristallschicht auf, wie nachstehend beschrieben wird. Eine erste Seite 10a des Metallfilms 10 grenzt im Wesentlichen an einen Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex einer Tragschicht 14 an. Die Tragschicht 14 kann aus einer einzigen Materialschicht oder mehreren Schichten homogener oder heterogener Materialien bestehen (wie die LC-Schichten und die transparenten leitenden Schichten, die nachstehend erörtert werden). Die Tragschicht 14 kann eine beliebige Dicke aufweisen, solange sie mechanisch stabil ist und für Licht im Wesentlichen transparent ist, und sie kann entweder steif oder flexibel sein. Eine zweite Seite 10b des Metallfilms 10 kann unbedeckt gelassen werden oder Luft oder dergleichen ausgesetzt werden, wie in 2A dargestellt ist. Alternativ kann der Metallfilm 10 stattdessen auf seiner zweiten Seite 10b im Wesentlichen an eine oder mehrere Hilfsschichten 15, beispielsweise ein Quarz- oder Polymersubstrat, angrenzen, wie in 28 dargestellt ist. In dem in 2B dargestellten Fall ist die Metallschicht 10 daher "sandwichförmig" zwischen der Tragschicht 14 und der Hilfsschicht oder den Hilfsschichten 15 angeordnet.
Hier bedeutet "im Wesentlichen angrenzend" entweder direkt in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe zu. In dem besonderen Fall der Beziehung des Metallfilms 10 zu der Tragschicht 14 in einer perforierten Metallfilmeinheit 20, wobei die Tragschicht 14 einen Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex aufweist, bedeutet "im Wesentlichen angrenzend" entweder: (1) Der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex steht in direktem Kontakt mit dem Metallfilm oder (2) die Länge eines Spalts zwischen dem Metallfilm und dem Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht (in der Art der nachstehend beschriebenen Flüssigkristall lösungsschicht) ist kleiner als die Tiefe, bis zu der die Oberflächenplasmonen der Metallfilmoberfläche in dem Spalt in das Medium eindringen (das Medium in dem Spalt kann Vakuum, Luft oder ein anderes dielektrisches Material sein, die jeweils eine charakteristische Eindringtiefe von Oberflächenplasmonen aufweisen). Das heißt, dass die Oberflächenplasmonen in dem Metallfilm bis zu dem Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht eindringen müssen. Dementsprechend kann der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht 14, der im Wesentlichen an den Metallfilm 10 angrenzt, direkt in Kontakt mit dem Metallfilm 10 stehen oder sich in dem vorstehend erwähnten Sinn in unmittelbarer Nähe dazu befinden. Beispielsweise ist ein Abstand zwischen dem Metallfilm 10 und dem Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht 14 von 0 nm bis etwa 200 nm typischerweise akzeptabel (200 nm entsprechen der Eindringtiefe von Oberflächenplasmonen eines typischen dielektrischen Zwischenmaterials in dem Spalt zwischen dem Metallfilm 10 und dem Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht 14), wenngleich dieser bestimmte als Beispiel angegebene Bereich den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken soll.
Der Begriff "perforierte Metallfilmeinheit" wird nachstehend verwendet, um die Kombination des mit Löchern mit Durchmessern unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilms 10 und einer Tragschicht 14 mit einem Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex, der im Wesentlichen an den Metallfilm 10 angrenzt, zu bezeichnen. Eine solche perforierte Metallfilmeinheit kann eine oder mehrere Hilfsschichten 15 aufweisen, oder dies kann nicht der Fall sein.
Bevor die zusätzlichen Komponenten der Erfindung detailliert beschrieben werden, werden die physikalischen Prinzipien, welche zur erhöhten optischen Transmission durch einen mit einer periodischen Anordnung von Löchern mit Durch messern unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilm führen und welche wohldefinierte Transmissionsminima ergeben, erörtert, um das Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung zu verbessern.
Die Transmissionsspektren nullter Ordnung einer solchen perforierten Metallfilmeinheit sind in 3 für Fälle dargestellt, in denen die Tragschicht 14 aus einer Schicht entweder aus Saphir oder aus Quarz besteht. Die Markierungen in 3 geben die Positionen der Woodschen Anomalie für die Metall-Luft-Grenzflächen (offene Diamanten), die Metall-Quarz-Grenzflächen (ausgefüllte Quadrate) und die Metall-Saphir-Grenzflächen (ausgefüllte invertierte Dreiecke) an, an denen die Transmission minimal sein sollte (siehe Gleichung (4)). Markierungen für Positionen von Maxima sind aus Gründen der Klarheit fortgelassen. Diese Maxima ergeben sich aus einer resonanten Wechselwirkung des einfallenden Lichts mit Oberflächenplasmonen auf beiden Flächen 10a und 10b des Metallfilms. Siehe H. F. Ghaemi u. a., "Surface Plasmons Enhance Optical Transmission Through Subwavelength Holes", Physical Review B, Band 58, Nr. 11, S. 6779-6782 (15. September 1998). Wenn das einfallende Licht p-polarisiert ist (d. h. das einfallende elektrische Feld parallel zur x-Achse ist, während die perforierte Metallfilmeinheit um einen Winkel θ um die y-Achse gedreht wird), folgt die Kopplung des Lichts mit Oberflächenplasmonen an einer Metalloberfläche mit einer periodischen Struktur oder einer perforierten Metalloberfläche der Impulserhaltung (siehe H. Raether, wie vorstehend erwähnt): k →sp = k →f + iḠx + jḠy (1)wobei k →_sp der Oberflächenplasmonen-Wellenvektor ist, k →x = x ^(2π/λ)sinθ die Komponente des Wellenvektors des einfallenden Lichts ist, die in der Ebene des Metallfilms liegt, Ḡ_x und Ḡ_y die reziproken Gittervektoren für ein quadratisches Gitter mit Ḡ_x = Ḡ_y = (2π/P) sind, wobei P die Periode der Lochanordnungen ist, θ der Winkel zwischen dem einfallenden Wellenvektor und der Oberflächennormalen des Metallfilms ist und i und j ganze Zahlen sind. Der Betrag von k →_sp kann anhand der Dispersionsrelation (siehe H. Raether, wie vorstehend erwähnt) gefunden werden:
wobei ω die Winkelfrequenz des einfallenden optischen Strahls ist und ε_m und ε_d die Dielektrizitätskonstanten des metallischen bzw. dielektrischen Mediums sind. Hier wird angenommen, dass ε_m < 0 ist und dass |ε_m| > ε_d ist, was der Fall ist bei einem Metall unterhalb der Volumenplasmonenenergie und auch bei einem dotierten Halbleiter. Siehe H. Raether, wie vorstehend erwähnt, M. Ordal u. a., "Optical Properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared", Applied Optics, Band 22, Nr. 7, S. 1099-1119 (1. April 1983). Wenn die durchgelassene Intensität auf einer Grauskala als Funktion von E und k_X aufgetragen wird, zeigt das sich ergebende Energie-Impuls-(E, k_x)-Diagramm (auch als "Dispersionsdiagramm" bekannt) eine Gruppe von Bändern hoher Transmission, wobei die Gruppe von Bändern die in Gleichung (2) angegebene Oberflächenplasmonendispersion reproduziert. Die Transmissionsspektren sind unabhängig davon, von welcher Seite der perforierte Metallfilm beleuchtet wird, selbst wenn die im Wesentlichen benachbarten Medien erheblich verschieden sind.
Die Minima in dem Transmissionsspektrum wurden als das Ergebnis der Woodschen Anomalie identifiziert, was bei Beugungsgittern auftritt, wenn ein gebeugter Strahl tangential zum Gitter austritt. Siehe H. F. Ghaemi u. a., wie vorstehend erwähnt, und R. W. Wood, wie vorstehend erwähnt. Die Bedingungen für das Auftreten der Woodschen Anomalie ähneln den Gleichungen (1) und (2), abgesehen davon, dass k →_sp durch den Wellenvektor des streifenden Lichts (tangential zum Gitter einfallenden Lichts) ersetzt ist, der einen durch k_diff = [(2πn_d)/λ] gegebenen Betrag aufweist, wobei
der Brechungsindex der Tragschicht 14 (oder der Hilfsschicht 15) ist. Für stark geordnete Anordnungen mit kleinen Löchern können die Breiten der Minima der Woodschen Anomalie sehr klein sein, und es wurde allgemein herausgefunden, dass sie durch die Auflösung des Spektrometers beschränkt sind. Wood erwähnte die Tatsache, dass bei Beugungsgittern hoher Qualität die beiden Natriumlinien durch diesen Effekt getrennt werden können, was einer Wellenlängenauflösung von 0,6 nm entspricht. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung verwenden dieses Phänomen durch Modulieren der durchgelassenen Intensität mit einem hohen Kontrastverhältnis durch Variieren des Einfallswinkels θ des auf den Metallfilm fallenden Lichts über einen sehr kleinen Betrag, wie nachstehend erörtert wird.
Die Geometrieabhängigkeit des Auftretens der Woodschen Anomalie ergibt eine Gruppe von Minima, welche der Dispersion der Oberflächenplasmonzweige in dem (E, k_x)-Diagramm eng folgen. Weil die Mehrzahl der Dispersionskurven die (E, k_x)-Ebene mit einer endlichen Steigung durchqueren, folgt, dass bei einer festen Photonenenergie E (oder einer festen Wellenlänge) die durchgelassene Intensität Maxima und Minima durchläuft, wenn der Einfallswinkel θ geändert wird. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung verwenden dieses Phänomen zum Steuern entweder der Wellenlänge oder der Amplitude des durchgelassenen Lichts durch Ändern des Einfallswinkels θ.
Es wird nun die Amplituden- oder Wellenlängenmodulation bei einem festen Einfallswinkel erörtert, wobei sich auf den Fall konzentriert wird, in dem der Einfallswinkel θ = 0 ist. Bei diesem senkrechten Einfall können die Wellenlängen, bei denen die Maxima auftreten, durch Kombinieren der Gleichungen (1) und (2) gefunden werden.
Ähnliches gilt für die Minima:
Aus Gleichung (4) folgt, dass die beiden Grenzflächen mit dem Metallfilm unterscheidbar sind, weil n_d = 1 für Luft, n_d = 1,47 (λ = 589 nm) für das Quarzsubstrat ist und n_d für das Flüssigkristall von 1,52 zu 1,74 geändert werden kann.
3 zeigt die Transmissionsspektren (bei senkrechtem Einfall) von zwei perforierten Metallfilmeinheiten. Die zwei Einheiten sind abgesehen davon identisch, dass bei der einen die Tragschicht eine dielektrische Quarzschicht ist (unterbrochene Linie), während bei der anderen die Tragschicht eine dielektrische Saphirschicht ist (durchgezogene Linie). 3 zeigt sehr klar die Aussage in Gleichung (4), dass die Wellenlängen, bei denen die Minima auftreten, linear vom Brechungsindex des Mediums abhängen, das im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt. Insbesondere treten der Metall-Saphir-Grenzfläche (n_sapphire = 1,80, in der Figur durch ausgefüllte invertierte Dreiecke dargestellt) zugeordnete Maxima und Minima bei größeren Wellenlängen auf als jenen, die der Metall-Quarz-Grenzfläche zugeordnet sind (n_quartz = 1,47, in der Figur durch ausgefüllte Quadrate dargestellt), während die der Metall-Luft-Grenzfläche (in der Figur durch offene Diamanten dargestellt) zugeordneten Merkmale in beiden Strukturen bei denselben Wellenlängen auftreten. Die kleinen Unterschiede zwischen den beiden Strukturen sind auf kleine Unterschiede der Periodizitäten der zwei Lochanordnungen in dem Metallfilm zurückzuführen.
Bei Metallfilmen, die mit Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforiert sind, ist die Breite der Oberflächenplasmonenresonanzen verhältnismäßig klein. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung verwenden dieses Phänomen zum Steuern der durchgelassenen Wellenlänge durch Ändern des Brechungsindex des benachbarten Mediums. Umgekehrt kann bei einer festen Wellenlänge die durchgelassene Amplitude durch Ändern des Brechungsindex moduliert werden, so dass eine Transmissionsspitze über die relevante Wellenlänge verschoben wird, und bestimmte Ausführungsformen der Erfindung verwenden auch dieses Phänomen. Die letztgenannte Funktion kann im Prinzip mit einem hohen Kontrastverhältnis (d. h. das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Transmission) erreicht werden, weil die Extinktion (d. h. das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Transmission) um das Auftreten der Woodschen Anomalie nahezu vollständig sein kann. Die folgenden Abschnitte beschreiben diese Vorrichtung in weiteren Einzelheiten.
VORRICHTUNG ZUM MODULIEREN DER OPTISCHEN TRANSMISSION UNTER VERWENDUNG EINER BRECHUNGSINDEXVARIATION
Eine Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission, bei der die vorstehend beschriebenen Phänomene verwendet werden, wird nun beschrieben. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission, wodurch die optische Transmission durch eine perforierte Metallfilmeinheit gesteuert wird, indem der Brechungsindex eines im Wesentlichen an den Metallfilm (d. h. einen Abschnitt der Tragschicht) angrenzenden Materials selektiv geändert wird. Eine Flüssigkristall-(LC)-Lösungsschicht ist sandwichförmig zwischen einem mit einer Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilm und einer transparenten leitenden Schicht angeordnet. Der mit Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierte Metallfilm wird als eine Elektrode für den Flüssigkristall verwendet, während die transparente leitende Schicht als die andere Elektrode verwendet wird. Die transparente leitende Schicht kann aus einem beliebigen transparenten, leitenden Material bestehen, und sie besteht vorzugsweise aus Indiumzinnoxid (ITO). Die LC-Lösungsschicht ist vorzugsweise zwischen zwei sehr dünnen LC-Ausrichtungsschichten eingekapselt, wie in 4 dargestellt ist, welche die Flüssigkristalle entsprechend einem elektrischen Feld ausrichten, wie auf dem Gebiet der Flüssigkristallanzeigen wohlbekannt ist. Zusätzlich werden vorzugsweise Abstandselemente in der Größenordnung von Mikrometern, wie beispielsweise isolierende Mikrokügelchen, in der LC-Lösungsschicht bereitgestellt, um einen geringen Abstand zwischen dem Metallfilm und der transparenten leitenden Schicht aufrechtzuerhalten und dadurch elektrische Kurzschlüsse zwischen dem Metallfilm und der transparenten leitenden Schicht zu verhindern. Die LC-Lösungsschicht, die LC-Ausrichtungsschichten und die transparente leitende Schicht weisen eine Tragschicht auf, die in Kombination mit dem Metallfilm zusammen eine perforierte Metallfilmeinheit bilden, wie vorstehend beschrieben wurde. Die LC-Lösungsschicht weist den Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht auf und grenzt im Wesentlichen an den Metallfilm an. Weil die Transmission durch die perforierte Metallfilmeinheit stark von der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm und den benachbarten Medien abhängt, ist es wichtig, dass der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht (in diesem Beispiel die LC-Lösungsschicht) im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt. Die transparente leitende Schicht kann, falls gewünscht, unter Verwendung der Standardphotolithographie strukturiert werden, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist, um eine unabhängige Steuerung des Brechungsindex ausgewählter Abschnitte der Vorrichtung zu ermöglichen.
Die in 4 dargestellte Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission stellt eine elektrische Steuerung der optischen Transmission durch die Anordnung von Löchern in dem perforierten Metallfilm bereit. Insbesondere wird die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts durch Ändern des Brechungsindex der LC-Lösungsschicht gesteuert, der wiederum durch Ändern der elektrischen Spannung an den LC-Elektroden gesteuert wird.
Die Erfinder haben Experimente mit einer solchen Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission unter Verwendung von Proben von Metallfilmen, die mit einer Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforiert waren, ausgeführt, wobei diese Metallfilme sehr ähnlich jenen waren, die in der vorhergehenden Arbeit beschrieben sind. Siehe T. W. Ebbesen u. a., wie vorstehend erwähnt, und H. F. Ghaemi u. a., wie vorstehend erwähnt. In einem Chromfilm mit einer Dicke t = 100 nm wurden auf einer Quarztragschicht Löcher mit einem Durchmesser d = 500 nm unter Verwendung von Standardphotolithographietechniken hergestellt. Die Löcher wurden auf einem regelmäßigen quadratischen Gitter mit einer Periode P = 1000 nm angeordnet. Zusätzlich zu diesem Metallfilm wurde ein verdrillt-nematischer Flüssigkristall (Merck E63, EM Industries, Inc.) sandwichförmig zwischen dem perforierten Metallfilm und einer ITO (hergestellt von E. H. C. Co. Ltd., Japan) enthaltenden präparierten transparenten leitenden Schicht in der in 4 dargestellten Weise angeordnet. Die ITO-Schicht wies eine Elektrode für den Flüssigkristall auf, und der perforierte Metallfilm wurde als die andere Elektrode verwendet, welche von der ITO-Schicht durch 5-10 μm messende Glasmikrokügelchen-Abstandshalter getrennt war, um Kurzschlüsse zu verhindern. Zum Ausrichten des Flüssigkristalls wurde eine Wechselspannung von 0-12 V bei Frequenzen zwischen 0,1-1 kHz angelegt, welche den effektiven Brechungsindex zwischen n = 1,52 und n = 1,74 modulieren konnte.
Es sei hervorgehoben, dass bei diesem Experiment die einzige Funktion des Flüssigkristalls darin bestand, einen Brechungsindexabschnitt bereitzustellen, der durch Anlegen eines elektrischen Felds steuerbar (d. h. selektiv veränder bar) ist. Andere Materialien, bei denen eine solche Änderung des Brechungsindex n erreicht werden kann, können auch bei der Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und sie können tatsächlich Flüssigkristallen vorzuziehen sein, weil die letztgenannten infolge der Reorientierung von Molekülen eine verhältnismäßig lange Schaltzeit haben können. Für Anwendungen, die Schaltzeiten von weniger als etwa 1 ms benötigen, sind schnellere Schaltmedien (wie beispielsweise eine Halbleiterschicht oder ein elektrooptischer Polymerfilm) bevorzugt. Ferroelektrische Flüssigkristalle können auch zum Bereitstellen einer erhöhten Schaltgeschwindigkeit verwendet werden.
Die experimentelle Anordnung zum Beurteilen der Funktionsweise der experimentellen Struktur ist in 5 dargestellt, und es wird dabei Licht von einem Laser (mit einer Wellenlänge λ = 1,55 μm) auf die perforierte Metallfilmeinheit gerichtet, welche den Flüssigkristall/die ITO-Tragschicht aufweist. Das Licht fällt senkrecht auf die Oberfläche der perforierten Metallfilmeinheit. Die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts wird mit einem eine Photodiode enthaltenden Detektor erfasst, dessen Ausgang mit einem digitalen Oszilloskop aufgezeichnet wird. Die Transmission wird durch Anlegen eines elektrischen Wechselspannungsfelds über die Flüssigkristallzelle durch Anlegen der Spannungsausgabe eines Wellenformgenerators an die Elektroden der Flüssigkristallzelle moduliert.
6 zeigt die Transmissionsspektren der vorstehend beschriebenen experimentellen perforierten Metallfilmeinheit für verschiedene Werte der an die Flüssigkristallelektroden angelegten Wechselspannung. Die Transmissionsspektren sind recht breit, weil der Durchmesser der Löcher in dem perforierten Metallfilm verhältnismäßig groß war. Aus diesem Grund ist die spektrale Verschiebung in den Daten aus 6 nicht unmittelbar offensichtlich. Es ist jedoch klar, dass bei einer festen Wellenlänge die Transmissionsamplitude durch die Änderung der an den Flüssigkristall angelegten Spannung moduliert wird. Dies ist in 7 explizit dargestellt, worin das unter Verwendung der in 5 dargestellten experimentellen Anordnung gemessene zeitabhängige Transmissionssignal (in beliebigen Einheiten dargestellt) eines 1,55-μm-Lasers und des modulierten Flüssigkristalls bei 1 kHz dargestellt ist. Die Transmissionsmodulation dieser bestimmten Probe beträgt etwa 25% und liegt in Phase mit der Treiberspannung. Die verhältnismäßig kleine Modulationsamplitude ist eine Konsequenz des großen Lochdurchmessers, der dazu neigt, die der Woodschen Anomalie zugeordneten Minima zu verbreitern. In Filmen mit kleineren Löchern sind die Merkmale schärfer und die Minima tiefer, was zu einem höheren Kontrastverhältnis führt, wie in 3 dargestellt ist, wobei der Lochdurchmesser d = 150 nm beträgt und die Dicke des Metallfilms t = 200 nm beträgt.
FARBSTEUERVORRICHTUNG MITTELS OPTISCHER TRANSMISSION UNTER VERWENDUNG EINER GEOMETRIEVARIATION
Eine Farbsteuerung kann auch unter Verwendung einer Vorrichtung erreicht werden, die eine perforierte Metallfilmeinheit aufweist, die es ermöglicht, den Einfallswinkel ankommenden Lichts zu ändern (beispielsweise durch Drehen der perforierten Metallfilmeinheit in Bezug auf den ankommenden Lichtstrahl). Eine experimentelle Einheit dieses Typs ist in 8 dargestellt. Eine perforierte Metallfilmeinheit wurde folgendermaßen hergestellt. Ein aus Silber mit einer Dicke von 300 nm bestehender Metallfilm wurde thermisch auf ein Quarzsubstrat aufgedampft. Der Silberfilm war optisch undurchlässig. Löcher mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge, die einen Durchmesser von 150 nm aufwiesen, wurden unter Verwendung einer fokussierten Ionenstrahlmaschine Micrion 9500 in dem Film hergestellt. Die Löcher wurden auf einem regelmäßigen quadratischen Gitter mit einer Periode P = 400 nm angeordnet. Der Metallfilm wurde als Teil einer einen Flüssigkristall enthaltenden Zelle verwendet, um eine Anpassung an den Brechungsindex des Glassubstrats zu erzielen. Rotes Licht R (Wellenlänge 635 nm) und grünes Licht G (Wellenlänge 532 nm) wurden auf einen Strahlteiler gerichtet, so dass beide Lichtanteile kollinear auf die perforierte Metallfilmeinheit einfallen, welche um eine vertikale Achse gedreht wird, um den Einfallswinkel θ des ankommenden Lichts zu ändern und dadurch eine Farbumschaltung zwischen rotem und grünem Licht zu erreichen, wobei diese Farbumschaltung auf dem Bildschirm betrachtet werden kann. Falls die Intensitäten der beiden Laserstrahlen zusätzlich die richtigen Proportionen aufweisen (wobei diese Proportionen auf dem Fachgebiet wohlbekannt sind), wird der durchgelassene Strahl bei einem Zwischenwinkel infolge der additiven Farbmischung als gelb wahrgenommen.
9 zeigt die durchgelassene Intensität (auf einer Grauskala) als Funktion der Photonenenergie und des Einfallswinkels. Die Dispersion ähnelt jener, die in dem Artikel von H. F. Ghaemi u. a., wie vorstehend erwähnt, dargestellt ist, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass in 9 die Metall-Luft-Resonanzen nicht vorhanden sind, wobei beide Medien (d. h. die Flüssigkristall-Tragschicht und die Quarzhilfsschicht) einen Index in der Nähe von 1,5 aufweisen. Die beiden horizontalen Linien in 9 geben die Energien von zwei Lasern an, wobei die eine bei E = 1,95 eV (λ = 635 nm) und die andere bei E = 2,33 eV (λ = 532 nm) liegt. Ein Schnitt durch die Daten von 9 entlang diesen beiden Linien ergibt die Winkelabhängigkeit der durchgelassenen Intensität bei den zwei Wellenlängen, welche in 10 aufgetragen ist.
Wie in 10 dargestellt ist, ist die Intensität des roten Lichts bei λ = 635 nm bei einem Einfallswinkel von θ = 0° am niedrigsten und erreicht ein Maximum bei θ = 19°, wobei die Umkehrung für das grüne Licht bei λ = 532 nm gilt. Durch Ändern des Winkels θ zwischen 0°-19° durch Drehen der perforierten Metallfilmeinheit (beispielsweise durch die Verwendung irgendeines Typs einer Einstelleinrichtung) ist es möglich, ein Umschalten zwischen den zwei Wellenlängen mit einem Kontrastverhältnis von etwa 20:1 zu erreichen, wenngleich das Kontrastverhältnis erhöht werden sollte, indem der Durchmesser der Löcher verkleinert wird.
FLACHBILDSCHIRM
Flüssigkristallanzeigen (LCD), die gegenwärtig im Handel erhältlich sind, benötigen einen Polarisator und einen Analysator zum Steuern der durchgelassenen Lichtintensität. Diese Polarisatoren stellen einen erheblichen Teil der Kosten für die Materialien und die Vorrichtungsmontage dar und erhöhen die Komplexität solcher Anzeigen. Zusätzlich benötigen gegenwärtige LCD Farbfilter zum Verwirklichen einer Vollfarbe, was zu einer sehr niedrigen Gesamttransmission von weniger als etwa 7% führt. Daher ist eine sehr helle Beleuchtungsquelle erforderlich, welche eine erhebliche Menge an elektrischer Leistung verbraucht.
Dagegen benötigen die Flachbildschirme gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf der Steuerbarkeit der optischen Transmission durch perforierte Metallfilme beruhen, keinen Polarisator, Analysator oder sogar Farbfilter. Die vorstehend beschriebenen experimentellen Ergebnisse zeigen sehr viel versprechende Funktionsweisen und Vorteile gegenüber LCD aus dem Stand der Technik. Idealerweise kann eine Vollfarbsteuerung mit einer maximalen Transmission von etwa 15-50% mit einer geeignet ausgelegten Geometrie der Lochanordnungen in dem perforierten Metallfilm erreicht werden. Siehe T. W. Ebbesen u. a., wie vorstehend erwähnt. Natürlich ergibt sich ein inhärenter Kompromiss beim Entwurf: Eine hohe Transmission kann auf Kosten einer geringeren Wellenlängenauflösung erreicht werden, oder eine hohe Wellenlängenauflösung kann auf Kosten einer geringeren Transmission erreicht werden. Es sei bemerkt, dass der Begriff "Flachbildschirm" nicht nur Bildschirme bzw. Anzeigen einschließt, die in dem Sinne flach sind, dass sie eben sind, sondern dass die vorstehend beschriebenen und hier beanspruchten Flachbildschirme infolge der mechanischen Flexibilität, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist, beliebige flexible "Dünnfilmanzeigen" einschließen.
Die Flachbildschirme gemäß der vorliegenden Erfindung können allgemein perforierte Metallfilmeinheiten, wie vorstehend beschrieben wurde, verwenden, um die Intensität und/oder die Farbe durchgelassenen Lichts zu steuern. Die Flachbildschirme gemäß der vorliegenden Erfindung können beispielsweise die in 4 dargestellte und vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission aufweisen. Die Flachbildschirme gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich besser anhand der 11-13 verstehen.
11 zeigt die Einzelheiten eines Flachbildschirms auf der Grundlage einer durch Oberflächenplasmonen verbesserten Transmission durch einen perforierten Metallfilm. Dieser Flachbildschirm ähnelt der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission. Eine Flüssigkristall-(LC)-Lösungsschicht ist sandwichförmig zwischen einem mit einer Anordnung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierten Metallfilm und einer transparenten leitenden Schicht angeordnet. Der mit Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforierte Metallfilm wird als eine Elektrode für die Flüssigkristalllösung verwendet, während die transparente leitende Schicht als die andere Elektrode verwendet wird. Der Metallfilm kann aus einem beliebigen Material bestehen, und bestimmte degenerativ dotierte Halbleiter können auch verwendet werden. Die transparente leitende Schicht weist vorzugsweise beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) auf.
Die LC-Lösungsschicht wird vorzugsweise zwischen zwei sehr dünnen LC-Ausrichtungsschichten eingekapselt, wie in 11 dargestellt ist, um die Ausrichtung der Flüssigkristalle zu erzwingen und dadurch den Flüssigkristall-Brechungsindex zu ändern. Zusätzlich werden vorzugsweise Abstandselemente in der Größenordnung von Mikrometern, wie beispielsweise Mikrokügelchen, in der LC-Lösungsschicht bereitgestellt, um einen geringen Abstand zwischen dem Metallfilm und der transparenten leitenden Schicht aufrechtzuerhalten und dadurch elektrische Kurzschlüsse zwischen dem Metallfilm und der transparenten leitenden Schicht zu verhindern.
Die transparente leitende Schicht kann wie gewünscht strukturiert werden, um eine unabhängige Steuerung über mehrere diskrete, unabhängig steuerbare Bereiche der Anzeige, die als "Anzeigezellen" bezeichnet werden, bereitzustellen. Zum Ermöglichen einer unabhängigen elektrischen Steuerung der Anzeigezellen wird die transparente leitende Schicht mit einer Verdrahtung von einer Steuereinheit zu jeder Anzeigezelle unter Verwendung von Standardphotolithographieprozessen und vergleichbaren Prozessen versehen, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist. Die LC-Lösungsschicht, die LC-Ausrichtungsschichten und die transparente leitende Schicht weisen eine Tragschicht auf, und sie bilden in Kombination mit dem Metallfilm gemeinsam eine perforierte Metallfilmeinheit, wie vorstehend beschrieben wurde. Die LC-Lösungsschicht weist den Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht auf und grenzt im Wesentlichen an den Metallfilm an. Weil die Transmission durch die perforierte Metallfilmeinheit stark von der Grenzfläche zwischen dem Metallfilm und dem benachbarten Medium abhängt, ist es wichtig, dass der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht (in diesem Beispiel die LC-Lösungsschicht) im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt. Die Steuerschaltung ermöglicht eine unabhängige, selektive Steuerung der Spannung an den Elektroden (der perforierte Metallfilm und die strukturierte transparente leitende Schicht) jeder Zelle, wodurch die Ausrichtung der Flüssigkristalle geändert wird, um eine selektive Steuerung des Brechungsindex in jeder Anzeigezelle bereitzustellen und dadurch die Lichttransmission durch jede Zelle zu modulieren, wie vorstehend beschrieben wurde.
Die 12A und 12B zeigen weiter den Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung. 12A ist eine Schnittansicht eines Dreifarbpixels (eines Rot-Grün-Blau- oder RGB-Pixels) eines Flachbildschirms gemäß der vorliegenden Erfindung. Weißes Licht von einer Lichtquelle 100 beleuchtet den perforierten Metallfilm 102, der Teil einer Zelle ist, die eine Flüssigkristalllösung 104 enthält. Ausrichtungsschichten 103 sind bereitgestellt, um die Flüssigkristalllösung 104 in einer wohldefinierten Richtung auszurichten. Eine transparente leitende Schicht 117 dient als die andere Elektrode in der Flüssigkristallzelle und ist so strukturiert (wie in 11 dargestellt), dass jede Farbe jedes Pixels unabhängig gesteuert werden kann, wobei vorzugsweise herkömmliche LCD-Treiber verwendet werden, welche entweder als einfache oder aktive Matrixtreiber bekannt sind. Der perforierte Metallfilm 102, die Flüssigkristalllösung 104, die Ausrichtungsschichten 103 und die transparente leitende Schicht 117 bilden eine perforierte Metallfilmeinheit, bei der die Flüssigkristalllösung im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt. Die Substrate 101 und 118, auf denen der perforierte Metallfilm 102 bzw. die transparente leitende Elektrode 117 abgeschieden ist, sind Hilfsschichten, welche dazu dienen, die Zelle mechanisch zusammenzuhalten. Wenngleich dies für die Erfindung nicht entscheidend ist, kann die Betrachterseite der Tragschicht 118 (d. h. die Seite, durch die das durchgelassene Licht emittiert wird) mit einem Streumedium (in der Art einer Oberflächenaufrauung oder einer Mattierung im Fall von Glas) versehen werden, um den Betrachtungswinkel der Anzeige zu maximieren, falls dies gewünscht ist.
12B ist eine Draufsicht der Lochanordnungen in dem perforierten Metallfilm für ein einziges Dreifarb-(RGB)-Anzeigepixel in der Art des in 12A dargestellten. Für jede Farbe (R, G und B) werden die Löcher 112 mit Durchmessern unterhalb einer Wellenlänge in einer quadratischen Anordnung hergestellt, wobei sie jeweils eine Periode (PR, P_G, P_B) aufweisen, die dafür ausgelegt ist, der gewünschten Wellenlänge des durchgelassenen Lichts nach Gleichung (3) zu entsprechen.
Die Zellen des Flachbildschirms gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine elektrische Steuerung der optischen Transmission durch die Anordnung von Löchern in dem perforierten Metallfilm, wie vorstehend erörtert wurde. Das heißt, dass die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts durch selektives Ändern des Brechungsindex des Flüssigkristalls gesteuert wird, der wiederum durch Ändern der an die LC-Elektroden angelegten elektrischen Spannung geändert wird. Die Farbe des von den Löchern durchgelassenen Lichts wird durch Erzeugen der Löcher in dem perforierten Metallfilm gesteuert, wobei die Löcher eine geeignete Größe und Periodizität nach der vorstehenden Gleichung (3) aufweisen. Zum Blockieren der Transmission von Transmissionsspitzen höherer Ordnung (d. h. kürzerer Wellenlänge) kann ein Langpassfilter mit einer geeigneten Abschneidewellenlänge verwendet werden. Bei Wellenlängen, die länger als die Abschneidewellenlänge sind, haben diese Filter eine Transmission von etwa 90%.
Demgemäß kann eine bestimmte Lochperiodizität ausgewählt werden, um eine Anzeigezelle für jede der im Allgemeinen verwendeten Anzeigefarben Rot, Grün und Blau zu erzeugen, und es kann ein weites Spektrum auftretender Farben von jedem RGB-Pixel erhalten werden, indem die Intensität des von den RGB-Anzeigezellen, die in dem Pixel aneinander angrenzen, durchgelassenen Lichts gesteuert wird, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist. Die Transmissionsmodulation wurde in Pixeln, die lediglich 60 μm × 30 μm aufweisen, experimentell beobachtet, wobei dies einer viel höheren Auflösung entspricht als sie für eine Anzeige hoher Auflösung erforderlich wäre (typischerweise etwa 250 μm). Das zum Ansteuern der Anzeigezellen verwendete Verfahren kann entweder der einfachen Matrixansteuerung oder der aktiven Matrixansteuerung, wie sie bei gegenwärtigen LCD-Systemen verwendet wird, ähneln. Der Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit gegenwärtig verfügbaren Beleuchtungssystemen für kommerzielle LCD-Anzeigen, wie beispielsweise kollimierte Linienbeleuchtungsplatten oder sehr dünne elektrolumineszente (EL) Platten, verwendet werden.
Die Gesamtdicke dieser Art von Flachbildschirmen kann, einschließlich aller elektronischer Steuerschaltungsplatinen und Gehäuseelemente, deutlich unterhalb von 1 Zoll liegen. Tatsächlich könnte die Anzeige dünner als 500 μm gemacht werden, falls eine Dünnschicht-EL-Platte verwendet wird (250 μm, gegenwärtig im Handel erhältlich). Durch die Verwendung einer Schicht aus ITO auf einem Plastiksubstrat (125 μm, auch im Handel erhältlich) kann ein großer Anzeigebildschirm bereitgestellt werden, der auch flexibel ist. Die Lochanordnungen können für große Anzeigen unter Verwendung einer prägenden holographischen Technologie hergestellt werden. Siehe J. J. Cowan, "Aztec surface-relief volume diffractive structure", Journal of the Optical Society of America, Band 7, Nr. 8, S. 1529-1544 (August 1990). Daher ist eine solche dünne Anzeige für ein hochauflösendes Großbildschirm-Fernsehgerät (HDTV) geeignet.
Ein wichtiger Vorteil des Flachbildschirms gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Gesamttransmission erheblich höher sein kann als jene von Flachbildschirmsystemen aus dem Stand der Technik. Insbesondere weist der Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Vollfarbauflösung eine Transmission von mindestens 15% auf. Daher benötigt der Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung weniger Leistung, wodurch beispielsweise die Batterielebensdauer in einer tragbaren Einheit verlängert werden kann, die eine solche Anzeige aufweist (in der Art eines Laptops). Weil der Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich kein Polarisator/Analysator-System benötigt, wie es bei LCD-Systemen aus dem Stand der Technik verwendet wird, kann der Herstellungsprozess viel einfacher gemacht werden.
Es sei bemerkt, dass ein Flüssigkristall, der eine Änderung des Brechungsindex bei Vorhandensein einer veränderlichen Spannung zeigt, durch die Erfindung abgedeckt wird. Zusätzlich umfasst der Flachbildschirm gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines beliebigen Materials oder einer beliebigen Vorrichtung, das oder die einen selektiv veränderlichen Brechungsindex aufweist, wenn es oder sie im Wesentlichen angrenzend an einen Metallfilm angeordnet ist, der mit Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforiert ist, wobei keine Einschränkung auf die Verwendung von Flüssigkristallen gegeben ist.
Die Erfindung umfasst auch einen Flachbildschirm, bei dem eine Farbsteuerung durch Steuern der Intensität von Ultraviolettlicht (UV-Licht) erreicht wird, das, ähnlich dem Prinzip einer Kathodenstrahlröhre (CRT), einen fluoreszenten Farbstoff anregt, wie in den 13A und 13B dargestellt ist. 13A ist eine Schnittansicht eines Dreifarb-(RGB)-Anzeigepixels unter Verwendung einer Lichtquelle mit einer einzigen Farbe im Ultraviolettbereich. UV-Licht von der Lichtquelle fällt auf den perforierten Metallfilm 102, der wiederum eine Elektrode einer Flüssigkristallzelle bildet, wobei eine transparente leitende Schicht 117 wieder als die andere Elektrode dient. Die Schichten 101, 102, 103 und 104 sind mit jenen, die in 12A dargestellt sind, identisch. Das durchgelassene Licht, das aus der transparenten leitenden Schicht 117 austritt, erregt fluoreszente Farbstoffe (119R, 119G, 119B), welche, ähnlich dem Betrieb herkömmlicher Kathodenstrahlröhren-(CRT)-Anzeigen, Licht bei vorbestimmten Wellenlängen emittieren, die geeignet sind, um die RGB-Farben zu erzeugen. Hilfsschichten 118a und 118b werden verwendet, um die fluoreszenten Farbstoffe dazwischen einzukapseln.
13B ist eine Draufsicht der Lochanordnungen in dem perforierten Metallfilm für das einzelne Dreifarb-Anzeigepixel bei Verwendung von UV-Beleuchtung, wie in 13A dargestellt ist. Die Löcher sind wie bei dem in 12B dargestellten Anzeigepixel in einer quadratischen Anordnung hergestellt, die Periode aller drei Anordnungen ist jedoch die gleiche (P_UV) und stimmt nach Gleichung (3) mit der einfallenden UV-Wellenlänge überein.
Durch Versehen benachbarter Anzeigezellen in dem Anzeigepixel mit roten, grünen und blauen fluoreszenten Farbstoffen wird eine Vollfarb-RGB- und Intensitätssteuerung bereitgestellt. Weiterhin kann durch die Verwendung fluoreszenter Farbstoffe, welche Licht isotrop emittieren, ein großer Betrachtungswinkel bereitgestellt werden. Weil überdies nur eine einzige Farbe von der Lichtquelle benötigt wird, ist dieser Typ des erfindungsgemäßen Flachbildschirms, verglichen mit einer Vorrichtung, die eine Weißlichtquelle verwendet, sehr wirksam, weil im letztgenannten Fall der größte Teil des von der Weißlichtquelle erzeugten Lichts nicht verwendet wird.
RÄUMLICHER LICHTMODULATOR
Zusätzlich zu Flachbildschirmen umfasst die Erfindung verwandte, jedoch verschiedene Vorrichtungen, die als räumliche Lichtmodulatoren bekannt sind und bei denen die vorstehend beschriebenen perforierten Metallfilmeinheiten verwendet werden. Insbesondere kann ein räumlicher Lichtmodulator hergestellt werden, wie in 11 dargestellt ist und wie vorstehend in Bezug auf diese Figur beschrieben wurde. Wenngleich der räumliche Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung den vorstehend beschriebenen Flachbildschirmzellen ähnelt, können die LC-Schichten in dem räumlichen Lichtmodulator verwendet werden, um eine Brechungsindexänderung zu induzieren, oder die LC-Schichten können beispielsweise durch eine Halbleiterschicht oder einen elektrooptischen Polymerfilm ersetzt werden, um eine schnelle elektrooptische Modulation zu erreichen. Weil es im Fall eines Flüssigkristallmediums nicht erforderlich ist, die nematischen LC-Moleküle um 90° zu drehen, um die Lichtintensität zu steuern, können verhältnismäßig hohe Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden. Tatsächlich wurde gezeigt, dass die räumliche Lichtmodulation unter Verwendung einer Oberflächenplasmonenresonanz mit einer ähnlichen Art eines nematischen Flüssigkristalls 50 Mal schneller ist als eine Volumenschaltung der Flüssigkristallzellen, wobei eine Anzeigezellenauflösung von 10-20 μm und ein Kontrastverhältnis von besser als 100:1 erreicht werden. Siehe E. M. Yeatman u. a., "Spatial light modulation using surface plasmon resonance", Applied Physics Letters, Band 55, Nr. 7, S. 613-615 (14. August 1989). Die im Artikel von Yeatman u. a. dargelegte Demonstration wurde unter Verwendung des schmalen Reflexionsoberflächenplasmonenspektrums erreicht, das durch die Prismenkopplung mit einem höheren Index (abgeschwächte Totalreflexion) angeregt wurde.
Der räumliche Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine ähnliche Wirkung bereit, er arbeitet jedoch im Transmissionsmodus unter Verwendung von Metallfilmen, die mit Lochanordnungen perforiert sind. Durch geeignetes Wählen der Geometrie (Lochdurchmesser und Lochfeldperiodizität) und des Materials für den perforierten Metallfilm können scharfe Transmissionsspitzen erhalten werden, und das Transmissionsspektrum kann daher sehr schmal gemacht werden. Dadurch ist die benötigte Brechungsindexänderung gering, so dass wiederum ein kleinerer Drehwinkel der Flüssigkristallmoleküle benötigt wird. Demgemäß bietet der räumliche Lichtmodulator unter Verwendung perforierter Metallfilme gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Geschwindigkeit, eine hohe Auflösung und ein hohes Kontrastverhältnis. Weiterhin kann der Transmissionsmodus erhebliche Vorteile gegenüber dem Reflexionsmodus aufweisen, der durch das Prinzip der abgeschwächten Totalreflexion benötigt wird. Weil die hier beschriebenen Wirkungen beispielsweise in dem durchgelassenen Licht nullter Ordnung vorhanden sind, erfordert die Modulation des Lichts kein Umleiten des Strahlwegs, wie es beim Reflexionsmodus der Fall ist.
Der aktiv gesteuerte räumliche Oberflächenplasmonen-Lichtmodulator gemäß der vorliegenden Erfindung stellt bei vielen Anwendungen Vorteile bereit, welche die Bereiche der Bildverarbeitung, optischer Verbindungsnetze, einer schnellen Laserlichtmodulation für die faseroptische Kommunikation und dreidimensionaler holographischer Anzeigen einschließen, jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
ABSTIMMBARES OPTISCHES FILTER
Wenn weißes Licht eine Grenzfläche zwischen einer perforierten Metallschicht und einer elektrooptischen Schicht beleuchtet, ändern sich die in dem durchgelassenen Licht vorhandenen Farben, wenn der Einfallswinkel geändert wird, wie vorstehend beschrieben wurde. Die vorliegende Erfindung weist weiter ein abstimmbares optisches Filter auf, das auf dieser Farbwählbarkeit beruht.
14 ist ein schematisches Diagramm, in dem ein abstimmbares optisches Filter gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, das eine Wellenlänge aus einer Zweiwellenlängeneingabe auswählen kann, indem die perforierte Metallfilmstruktur gedreht wird, um zu bewirken, dass das Licht unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die Struktur fällt. Das abstimmbare optische Filter verwendet wiederum eine perforierte Metallfilmeinheit, wie vorstehend beschrieben wurde. Die perforierte Metallfilmeinheit kann einen Flüssigkristall (LC) einschließen, der sandwichförmig zwischen einem Metallfilm, der mit Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge perforiert ist, und einer transparenten leitenden Schicht angeordnet ist, welche so aufgebaut sein kann, wie vorstehend mit Bezug auf den Flachbildschirm und den räumlichen Lichtmodulator beschrieben wurde. Multiplexiertes einfallendes Licht wird dem Metallfilm/der transparenten leitenden Schicht durch einen Strahlteiler bereitgestellt, dem selbst Licht einer ersten Wellenlänge (Wellenlänge 1) und Licht einer zweiten Wellenlänge (Wellenlänge 2) zugeführt wird, so dass sowohl das Licht der ersten Wellenlänge als auch das Licht der zweiten Wellenlänge als multiplexiertes einfallendes Licht bereitgestellt werden, das kollinear auf die perforierte Metallfilmeinheit fällt. Zum Abstimmen der Wellenlänge bzw. der Wellenlängen des durchgelassenen Lichts wird die perforierte Metallfilmeinheit über einen verhältnismäßig kleinen Winkel gedreht (durch eine nicht dargestellte Einstelleinrichtung), wodurch bewirkt wird, dass das multiplexierte einfallende Licht in einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die perforierte Metallfilmeinheit fällt. Die Wellenlänge (und daher die Farbe) des von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassenen Lichts hängt von dem Winkel ab, mit dem die perforierte Metallfilmeinheit gedreht wird, und es wird daher eine selektive optische Abstimmung bereitgestellt. Die Einstelleinrichtung kann einen Mechanismus zum Drehen der perforierten Metallfilmeinheit aufweisen, und die Einzelheiten der Einstelleinrichtung selbst sind für die Erfindung nicht entscheidend.
Wenngleich hier eine Flüssigkristallausführungsform beschrieben wird, schließt die Erfindung auch abstimmbare optische Filter ein, die perforierte Metallfilmeinheiten aufweisen, bei denen die Tragschicht einen Abschnitt mit einem Material, das einen selektiv veränderlichen Brechungsindex hat, aufweist, wie vorstehend in Bezug auf die Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission unter Verwendung einer Brechungsindexvariation erörtert wurde.
Ein großer Drehwinkel kann eine mechanische Grenze für ein schnelles Schalten eines abstimmbaren optischen Filters in einem makroskopischen Maßstab darstellen (beispielsweise wenn die größte lineare Abmessung (Breite) größer oder gleich etwa 1 mm ist). Höhere Schaltgeschwindigkeiten können jedoch durch Miniaturisierung erreicht werden, beispielsweise unter Verwendung der Technologie zur Herstellung mikroelektronischer Vorrichtungen, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist.
Das abstimmbare optische Filter gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch dafür ausgelegt werden, die Farbe des durchgelassenen Lichts durch Anlegen eines elektrischen Felds entweder an den Flüssigkristall oder an ein piezoelektrisches Element, das zum Drehen der perforierten Metallfilmeinheit, wie vorstehend beschrieben wurde, verwendet wird, abzustimmen. Weiterhin können beide Abstimmverfahren, nämlich durch Winkelsteuerung und durch Indexsteuerung, in einer einzigen Vorrichtung kombiniert werden, wie in 14 dargestellt ist. Ein solches abstimmbares optisches Filter ist für viele Anwendungen, einschließlich einer Wellenlängengetrenntlagemultiplexierung (WDM) für die optische Kommunikation und der Bildverarbeitung, nützlich.
Schlussfolgernd sei bemerkt, dass die vorstehend beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der eine perforierte Metallfilmeinheit verwendet wird, zumindest infolge der Fähigkeit einer solchen Vorrichtung, die Intensität oder die Wellenlänge des durch die Anordnungen von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge in dem Metallfilm durchgelassenen Lichts zu steuern, in elektrooptischen Vorrichtungen vorteilhaft anwendbar ist. Weil diese Steuerung mit hoher Geschwindigkeit, einem hohen Durchsatz und einem hohen Kontrastverhältnis erreicht werden kann, ohne dass es notwendig wäre, den optischen Strahl umzulenken, sind die Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wichtige Fortschritte gegenüber dem Stand der Technik.

Claims

Vorrichtung zum Modulieren der optischen Transmission, die dazu dient, von der Vorrichtung durchgelassenes Licht zu modulieren, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Metallfilm (10, 102) mit einer darin bereitgestellten periodischen Anordnung von Löchern (12) mit einem Durchmesser unterhalb einer Wellenlänge zum Koppeln auf den Metallfilm einfallenden Lichts mit Oberflächenplasmonen und eine Tragschicht (14, 118), wobei mindestens ein Abschnitt der Tragschicht einen selektiv veränderlichen Brechungsindex aufweist, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex im Wesentlichen an den Metallfilm angrenzt, so dass der Metallfilm (10, 102) und die Tragschicht (14, 118) eine perforierte Metallfilmeinheit (20) aufweist, und wobei die selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit (20) durchgelassenen Lichts moduliert, im Wesentlichen ohne die Richtung des Lichts zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht einen Flüssigkristall mit einem effektiven Brechungsindex aufweist, wobei der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls durch selektives Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkristall selektiv änderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Tragschicht weiter eine transparente leitende Schicht aufweist und wobei der Flüssigkristall zwischen der transparenten leitenden Schicht und dem Metallfilm bereitgestellt ist, so dass der Metallfilm eine Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall aufweist und die transparente leitende Schicht die andere Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche weiter aufweist: eine Einstelleinrichtung zum selektiven Einstellen des Winkels der perforierten Metallfilmeinheit in Bezug. auf Licht, das auf die perforierte Metallfilmeinheit einfällt, wobei durch das Einstellen des Winkels der perforierten Metallfilmeinheit der Einfallswinkel des einfallenden Lichts selektiv gesteuert wird, so dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt werden, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur einer vorbestimmten Farbe von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Flachbildschirm mit mehreren Anzeigezellen ist, wobei die Vorrichtung weiter aufweist: eine Lichtquelle (100), wobei mindestens ein Abschnitt der Tragschicht (118) einen Brechungsindex aufweist, der für jede Anzeigezelle selektiv veränderlich ist und wobei eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex die Intensität von der Lichtquelle (100) emittierten Lichts, das von der perforierten Metallfilmeinheit für jede Anzeigezelle durchgelassen wird, moduliert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht (118) einen Flüssigkristall (104) mit einem effektiven Brechungsindex aufweist, wobei der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls (104) für jede Anzeigezelle durch selektives Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkristall (104) entsprechend jeder Anzeigezelle selektiv änderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Tragschicht (118) weiter eine transparente leitende Schicht (117) aufweist und wobei der Flüssigkristall (104) zwischen der transparenten leitenden Schicht (117) und dem Metallfilm (102) bereitgestellt ist, so dass der Metallfilm (102) eine Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall (104) für jede Anzeigezelle aufweist und die transparente leitende Schicht (117) die andere Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall für jede Anzeigezelle aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so ausgewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs von jeder Anzeigezelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern für jede Anzeigezelle so ausgewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur einer vorbestimmten Farbe von jeder Anzeigezelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Farbe des von jeder Anzeigezelle durchgelassenen Lichts eine der Farben Rot, Grün und Blau ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Lichtquelle eine Ultraviolettlichtquelle ist und wobei die Tragschicht (118) weiter mindestens einen fluoreszenten Farbstoff aufweist, wobei ein fluoreszenter Farbstoff für jede Anzeigezelle bereitgestellt ist, so dass das von dem Metallfilm (102) durchgelassene Licht den fluoreszenten Farbstoff anregt, so dass Licht einer vorbestimmten Farbe von jeder Anzeigezelle emittiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern für jede Anzeigezelle gleich sind und so ausgewählt sind, dass das in den fluoreszenten Farbstoff jeder Anzeigezelle durchgelassene Licht mit der einfallenden ultravioletten Wellenlänge des fluoreszenten Farbstoffs dieser Anzeigezelle übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein räumlicher Lichtmodulator mit mehreren Zellen ist, wodurch die Intensität des einfallenden Lichts moduliert wird, wenn das Licht von jeder Zelle des Modulators durchgelassen wird, wobei mindestens ein Abschnitt der Tragschicht einen Brechungsindex aufweist, der für jede Zelle selektiv veränderlich ist und wobei eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit für jede Zelle durchgelassenen Lichts moduliert, ohne die Richtung des Lichts erheblich zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht einen Flüssigkristall mit einem effektiven Brechungsindex aufweist, wobei der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls für jede Zelle durch selektives Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkristall, entsprechend jeder Zelle, selektiv änderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Tragschicht weiter eine transparente leitende Schicht aufweist und wobei der Flüssigkristall zwischen der transparenten leitenden Schicht und dem Metallfilm bereitgestellt ist, so dass der Metallfilm eine Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall für jede Zelle aufweist und die transparente leitende Schicht die andere Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall für jede Zelle aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs von jeder Zelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur einer vorbestimmten Farbe von jeder Zelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, welche weiter eine Einstelleinrichtung aufweist, die den Winkel der perforierten Metallfilmeinheit in Bezug auf Licht, das auf die perforierte Metallfilmeinheit einfällt, selektiv einstellt, wobei durch das Einstellen des Winkels der perforierten Metallfilmeinheit der Einfallswinkel des einfallenden Lichts selektiv gesteuert wird, so dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs von jeder Zelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein abstimmbares optisches Filter zum Modulieren der Intensität einfallenden Lichts ist, wenn das Licht von dem abstimmbaren optischen Filter durchgelassen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht einen Flüssigkristall mit einem effektiven Brechungsindex aufweist, wobei der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls durch selektives Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkristall selektiv änderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Tragschicht weiter eine transparente leitende Schicht aufweist und wobei der Flüssigkristall zwischen der transparenten leitenden Schicht und dem Metallfilm bereitgestellt ist, so dass der Metallfilm eine Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall aufweist und die transparente leitende Schicht die andere Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur eines vorbestimmten Wellenlängen bereichs von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur einer vorbestimmten Farbe von der perforierten Metallfilmeinheit durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, welche weiter eine Einstelleinrichtung aufweist, die den Winkel der perforierten Metallfilmeinheit in Bezug auf Licht, das auf die perforierte Metallfilmeinheit einfällt, selektiv einstellt, wobei durch das Einstellen des Winkels der perforierten Metallfilmeinheit der Einfallswinkel des einfallenden Lichts selektiv gesteuert wird, um es nur Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu ermöglichen, durch die perforierte Metallfilmeinheit hindurchzulaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein abstimmbares optisches Filter mit mehreren Zellen ist, wodurch die Intensität des einfallenden Lichts moduliert wird, wenn das Licht von jeder Zelle des abstimmbaren optischen Filters durchgelassen wird, wobei mindestens ein Abschnitt der Tragschicht einen Brechungsindex aufweist, der für jede Zelle selektiv veränderlich ist und wobei eine selektive Änderung des Brechungsindex des Abschnitts mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht die Intensität des von der perforierten Metallfilmeinheit für jede Zelle durchgelassenen Lichts moduliert, ohne die Richtung des Lichts erheblich zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht einen Flüssigkristall mit einem effektiven Brechungsindex aufweist, wobei der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalls für jede Zelle durch selektives Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkristall, entsprechend jeder Zelle, selektiv änderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Tragschicht weiter eine transparente leitende Schicht aufweist und wobei der Flüssigkristall zwischen der transparenten leitenden Schicht und dem Metallfilm bereitgestellt ist, so dass der Metallfilm eine Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall für jede Zelle aufweist und die transparente leitende Schicht die andere Elektrode zum selektiven Anlegen der Spannung an den Flüssigkristall für jede Zelle aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs von jeder Zelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die Periodizität und der Durchmesser der Anordnung von Löchern so gewählt sind, dass für einen bestimmten Einfallswinkel des einfallenden Lichts in Bezug auf die perforierte Metallfilmeinheit Licht nur einer vorbestimmten Farbe von jeder Zelle durchgelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, welche weiter eine Einstelleinrichtung aufweist, welche den Winkel der perforierten Metallfilmeinheit in Bezug auf Licht, das auf die perforierte Metallfilmeinheit einfällt, selektiv einstellt, wobei durch das Einstellen des Winkels der perforierten Metallfilmeinheit der Einfallswinkel des einfallenden Lichts selektiv gesteuert wird, so dass es nur Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs ermöglicht wird, durch jede Zelle hindurchzulaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht in direktem Kontakt mit dem Metallfilm steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht in unmittelbarer Nähe des Metallfilms liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei der Metallfilm (10, 102) von dem Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht (14, 118) durch einen Zwischenraum, der eine Länge hat und ein Medium aufweist, getrennt ist, wobei die Länge des Zwischenraums kleiner als die Tiefe ist, bis zu der Oberflächenplasmonen der Metallfilmoberfläche in das Medium in dem Zwischenraum eindringen.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Medium in dem Zwischenraum aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Vakuum, Luft und optisch transparenten dielektrischen Materialien besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei die Tragschicht (14, 118) weiter mindestens zwei Flüssigkristall-Ausrichtungsschichten (103) aufweist, wobei eine erste Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht zwischen der transparenten leitenden Schicht und dem Flüssigkristall bereitgestellt ist und eine zweite Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht zwischen dem Flüssigkristall und dem Metallfilm bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei der Abschnitt mit einem selektiv veränderlichen Brechungsindex der Tragschicht (14, 118) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Halbleiterschicht und einem elektrooptischen Polymerfilm besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei die perforierte Metallfilmeinheit (20) im Wesentlichen steif ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei die perforierte Metallfilmeinheit (20) im Wesentlichen flexibel ist.