專利名稱：多層消色差液晶偏振光柵和相關(guān)制造方法
多層消色差液晶偏振光柵和相關(guān)制造方法 優(yōu)先權(quán)要求液晶可以包括其中存在有序排列的分子的液體。通常，液 晶(LC)分子可以是各向異性的，具有細(xì)長(桿狀)或扁平(圓盤 狀)形狀。由于所述各向異性分子的排序，大量液晶經(jīng)常在它的物理 特性上顯示出各向異性，例如在它的機(jī)械、電、和/或光學(xué)特性上的 各向異性。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，多層偏振光柵包括第一偏振光 柵層、在所述第一偏振光柵層上的第二偏振光柵層、以及在所述第二 偏振光柵層上的第三偏振光柵層使得所述第二偏振光柵層在所述第 一和第三偏振光柵層之間。所述第二偏振光柵層具有第二周期性分子 結(jié)構(gòu)，所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)沿所述第一和第二偏振光柵層之間的 界面相對于所述第一偏振光柵層的第一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移。在一些實施例中，所述第二手性可聚合液晶層可以形成在 所述第二偏振光柵層上，并且然后所述第三偏振光柵層可以形成在所 述第二手性可聚合液晶層上。所述第二偏振光柵層可以是活性液晶元(reactive mesogen )層。
00201在其它實施例中，所述第二手性可聚合液晶層可以在形成 所述第二偏振光柵層之前形成在所述第三偏振光柵層上。在其上包括 所述第二手性可聚合液晶層的所述第三偏振光柵層可以鄰近在其上
包括所述第一手性可聚合液晶層的所述第一偏振層被組裝以在所述 第一和第二手性可聚合液晶層之間限定間隙。所述第二偏振光柵層可
以是非反應(yīng)型液晶層，并且可以形成在所述第一和第二手性可聚合液
晶層之間的間隙中，使得所述第二偏振光柵層的所述第二周期性分子
結(jié)構(gòu)可以相對于所述第一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移所述第一角偏移并且
可以相對于所述第三周期性分子結(jié)構(gòu)偏移所述第二角偏移。例如，所 述第二偏振光柵層可以是向列液晶層。

圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的多層偏振光柵的 透視圖。將被理解的是，盡管術(shù)語第一、第二、第三等等在此可以 被用來描述多種元件、部件、區(qū)域、層和/或剖面，但是這些元件、 部件、區(qū)域、層和/或剖面不應(yīng)當(dāng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅被用 來區(qū)別一個元件、部件、區(qū)域、層或剖面與另一個區(qū)域、層或剖面。 因此，在不脫離本發(fā)明的教導(dǎo)的情況下，以下討論的第一元件、部件、 區(qū)域、層或剖面可以被稱作第二元件、部件、區(qū)域、層或剖面。空間相關(guān)術(shù)語例如"在......之下"、"在……下面"、"下
部"、"在......下"、"在......上"、"上部"等為了描述容易在這
里可以被用來描述附圖中所示的一個元件或特征與另一個元件或特 征的關(guān)系。將被理解的是，所述空間相關(guān)術(shù)語旨在除了附圖中描述的 取向之外還包含使用或工作中的裝置的不同取向。例如，如杲附圖中 的裝置被翻轉(zhuǎn)，則被描迷為在其它元件或特征"之下"或"下面"或 "下，，的元件將被定向為所述其它元件或特征的"上方"。因此，示
例性術(shù)語"在......下面"和"在......下"可以既包含上取向又包含下
取向。裝置可以被另外定向(被旋轉(zhuǎn)90?；蛱幱谄渌∠?并且這里 使用的空間相關(guān)描述符被相應(yīng)地解釋。另外，也將被理解的是，當(dāng)層 被稱為在兩層"之間"時，它可能是所述兩層之間的唯一層，或者一 個或多個插入層也可以存在。
00331在此使用的術(shù)語僅是為了描述特定實施例并且并不旨在 限制本發(fā)明。正如在此所用的，單數(shù)形式"一"、"一個"和"該，， 旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地指出。將被進(jìn)一步理解
12的是，術(shù)語"包括"和/或"包含"在本說明書中使用時表示存在規(guī) 定的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或部件，但是不排除其一 個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件、和/或組的存 在或附加。正如在此所使用的，術(shù)語"和/或"包括所述相關(guān)列出項 的一個或多個的任何或所有組合。圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的多層偏振光柵。如 圖1A中所示，第一偏振光柵層PG1 101、第二偏振光柵層PG2 102、 以及第三偏振光柵層PG3 103層疊在一起以形成多層結(jié)構(gòu)105。所述 第二偏振光柵層PG2 102在所述第一和第三偏振光柵層PG1 101和 PG3 103之間，但是所述第二偏振光柵層PG2 102的周期性分子結(jié)構(gòu) 沿光柵矢量相對于所述偏振光柵層PG1 101和PG3 103的周期性分 子結(jié)構(gòu)橫向偏離或"偏移"。更具體地，所述笫二光柵層PG2 102 相對于所述第一和/或第三偏振光柵層PG1 101和/或PG3 103之間的 空間差沿由偏振光柵層之間的界面限定的平面提供所述局部向列指 向矢取向的角偏移cp。換句話說，所述中間光柵層PG2 102的周期性 分子結(jié)構(gòu)相對于可以平行對準(zhǔn)的外部偏振光柵層PG1 101和PG3 103 中的至少一個的周期性分子結(jié)構(gòu)被異相偏移。如圖1B中所示，所述 第二偏振光柵層PG2 102的所述向列指向矢取向的相移或角偏移(p在 x一y平面內(nèi)是大約55°。所述角偏移cp可以根據(jù)所述偏振光柵層PG1
101、 PG2 102、和PG3 103之間的相對空間差進(jìn)行調(diào)整以增加光的帶 寬，所述光的帶寬可以由所述多層結(jié)構(gòu)105調(diào)制。每個偏振光柵101、
102、 和/或103的光柵間距可以是大約IO微米(pm)，并且同樣， 所述角偏移cp可能稍微難以控制。也應(yīng)當(dāng)注意的是，所述偏振光柵層 PG1 101、 PG2 102、和PG3 103之間的間隙(大約幾十納米)也可 以影響所述多層偏振光柵結(jié)構(gòu)105的工作帶寬和/或效率。圖6A-6C是示出制造根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例的多層 偏振光柵的方法的截面圖。現(xiàn)在參考圖6A，第一和第二偏振光柵PG1 601和PG2 603分別形成在第一和第二襯底600和610上。例如，可 以利用在此將不再進(jìn)一步討論的眾所周知的全息照相技術(shù)來形成所 述第一和/或第二偏振光柵PGl 601和PG2 603。每個襯底也可以包 括透明導(dǎo)電電極，例如氧化銦錫(ITO)電極(未示出)。如圖6B 中所示，相反旋向性的第一和第二手性可聚合液晶層Cl 615和C2 625分別形成在所述第一和第二偏振光柵PG1 601和PG2 602上。例 如，所述第一層Cl 615可以是具有大約+ 55。扭曲的薄手性可聚合液 晶層，而所述第二層C2 625可以是具有大約-55。扭曲的薄手性可聚 合液晶層。如圖6C中所示，所述第一和第二襯底600和610被組裝 以在其間提供基本一致的單元間隙621并且被填充液晶材料以形成 可轉(zhuǎn)換的液晶層602。所述單元間隙621可以大于在所述多層偏振光 柵的工作中使用的光的半波延遲厚度，例如大約2微米(pm)。然 而，在其它實施例中，所述單元間隙621可以小于或等于所述半波延 遲厚度。同樣，所述液晶層的分子根據(jù)所述層C1615和C2 625中的 手性扭曲被對準(zhǔn)以提供相對于所述偏振光柵PG1 601和PG2 603的 分子取向的角偏移9。因此，本發(fā)明的一些實施例可以提供具有寬帶 高對比度和消色差操作的可轉(zhuǎn)換的像素結(jié)構(gòu)。
[0047因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，可以通過被配置成在其 間提供固定和/或可變的角偏移的三層偏振光柵來實現(xiàn)所述液晶偏振 光柵中的消色差(寬帶)衍射?？梢岳靡阎谋∧ぜ夹g(shù)和/或已知 的液晶材料制造這樣的多層偏振光柵，以制造例如在與偏振無關(guān)的微 顯示器諸如便攜式投影顯示器、消費(fèi)電視機(jī)、實時全息照相等等中使 用的改善的空間光調(diào)制器。此外，在一些情況下，根據(jù)本發(fā)明的一些 實施例的多層偏振光柵可以在預(yù)期中心波長的高達(dá)大約90 %的波長
18范圍內(nèi)提高高對比度調(diào)制，與常規(guī)單偏振光柵相比，這可以導(dǎo)致高達(dá)
1200%的改善。因此，在顯示器應(yīng)用中，圖像質(zhì)量可以被大大改善。00481前述說明了本發(fā)明并且不被解釋為其限制。盡管本發(fā)明的 一些示范性實施例已經(jīng)被描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解，在 不本質(zhì)上脫離本發(fā)明的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)的情況下，在所迷示范性實施 例中許多修改是可能的。例如，盡管以上描述主要參考包括周期性分 子結(jié)構(gòu)的第二偏振光柵層(所述周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第一和第 三偏振光柵層偏移)，但是所述第一和第三偏振光柵層的周期性分子 結(jié)構(gòu)也可以相對于彼此偏移。此外，在此描述的襯底可以在其表面上 包括一個或多個電極，所述一個或多個電極例如由涂在襯底上的透明 氧化銦錫(ITO)提供。因此，所有這樣的修改旨在被包含在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。因此，將被理解的是，前述說明了本發(fā)明并且不被解釋為 局限于所述公開的特定實施例，并且對所述公開的實施例以及其它實 施例的修改旨在被包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多層偏振光柵，包括包括第一周期性分子結(jié)構(gòu)的第一偏振光柵層；在所述第一偏振光柵層上的第二偏振光柵層，所述第二偏振光柵層包括第二周期性分子結(jié)構(gòu)，所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)沿所述第一和第二偏振光柵層之間的界面相對于所述第一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移；以及在所述第二偏振光柵層上的包括第三周期性分子結(jié)構(gòu)的第三偏振光柵層，使得所述第二偏振光柵層在所述第一和第三偏振光柵層之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的多層偏振光柵，其中所述第二周期性分 子結(jié)構(gòu)相對于所述第一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移使得所述第一和第二周 期性分子結(jié)構(gòu)有第一相對角偏移的相位差，并且其中所述第三周期性 分子結(jié)構(gòu)沿所述第二和第三偏振光柵層之間的界面相對于所述第二 周期性分子結(jié)構(gòu)偏移使得所述第二和第三周期性分子結(jié)構(gòu)有第二相 對角偏移的相位差。
3. 如權(quán)利要求2所述的多層偏振光柵，其中在所述第二偏振光 柵層中的局部向列指向矢取向相對于所述第一偏振光柵層中的局部 向列指向矢取向具有第一角偏移，并且其中在所述第三偏振光柵層中 的局部向列指向矢取向相對于所述笫二偏振光柵層中的局部向列指 向矢取向具有第二角偏移。
4. 如權(quán)利要求2所述的多層偏振光柵，其中所述第三周期性分 子結(jié)構(gòu)沿所述第二和第三偏振光柵層之間的界面相對于所述第二周 期性分子結(jié)構(gòu)反向偏移。
5. 如權(quán)利要求4所述的多層偏振光柵，其中所述第二角偏移包 括與所述第一角偏移相反的角使得所述第一和第三周期性分子結(jié)構(gòu) 同相。
6. 如權(quán)利要求5所述的多層偏振光柵，其中所述第一角偏移大 于0°但是小于180°。
7. 如權(quán)利要求5所述的多層偏振光柵，其中所述第一角偏移是 大約+ 55°到大約+ 56°,并且其中所述第二角偏移是大約-55。到大約 -56°。
8. 如權(quán)利要求4所述的多層偏振光柵，其中所述第三偏振光柵 層的所述第三周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第一偏振光柵層的所述第 一周期性分子結(jié)構(gòu)異相。
9. 如權(quán)利要求2所述的多層偏振光柵，進(jìn)一步包括 在所述第一偏振光柵層和所述第二偏振光柵層之間的在所述第一偏振光柵層上的第一手性可聚合液晶層，其中所述第一手性可聚合液晶層被配置成將所述第二偏振光柵 層的所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第一偏振光柵層的所述第 一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移所述第一角偏移。
10. 如權(quán)利要求9所述的多層偏振光柵，進(jìn)一步包括 在所述第三偏振光柵層和所述第二偏振光柵層之間的在所述第三偏振光柵層上的第二手性可聚合液晶層，其中所述第一和第二手性可聚合液晶層分別在其中包括手性分 子，并且其中所述第二手性可聚合液晶層的手性分子具有與所述第一 手性可聚合液晶層的手性分子相反的旋向性，使得所述第二手性可聚 合液晶層被配置成將所述第三偏振光柵層的第三周期性分子結(jié)構(gòu)相 對于所述第二偏振光柵層的第二周期性分子結(jié)構(gòu)反向偏移所述第二 角偏移。
11. 如權(quán)利要求10所述的多層偏振光柵，其中所述第一手性可 聚合液晶層在其對立面之間的厚度上包括大約+55度的扭曲，并且 其中所述第二手性可聚合液晶層在其對立面之間的厚度上包括大約 -55度的扭曲。
12. 如權(quán)利要求1所述的多層偏振光柵，進(jìn)一步包括 在所述第一偏振光柵層上的包含第一電極的第一襯底；以及 在所述第三偏振光柵層上的包含第二電極的第二襯底， 其中所述第二偏振光柵層包括非反應(yīng)型液晶層。
13. 如權(quán)利要求12所述的多層偏振光柵，其中所述笫二偏振光 柵層包括向列液晶層。
14. 如權(quán)利要求1所述的多層偏振光柵，其中所述第二偏振光柵 層包括可聚合液晶層。
15. —種制造多層偏振光柵的方法，所述方法包括 形成包括第一周期性分子結(jié)構(gòu)的第一偏振光柵層；在所述第一偏振光柵層上形成第二偏振光柵層，所述第二偏振光 柵層包括第二周期性分子結(jié)構(gòu)，所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)沿所述第一和第二偏振光柵層之間的界面相對于所述第一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移； 以及在所述第二偏振光柵層上形成包括第三周期性分子結(jié)構(gòu)的第三 偏振光柵層，使得所述第二偏振光柵層在所述第一和第三偏振光柵層 之間。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中形成所述第二和第三偏振 光柵層包括在所述第一偏振光柵層上形成所述第二偏振光柵層使得所述第 一和第二周期性分子結(jié)構(gòu)有第一相對角偏移的相位差；以及在所述第二偏振光柵層上形成所述第三偏振光柵層使得所述第 二和第三周期性分子結(jié)構(gòu)沿所述第二和第三偏振光柵層之間的界面 有第二相對角偏移的相位差。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中形成所述第二和第三偏振 光柵層進(jìn)一步包括在所述第一偏振光柵層上形成所述第二偏振光柵層使得所述第 二偏振光柵層中的局部向列指向矢取向相對于所述第一偏振光柵層 中的局部向列指向矢取向具有角偏移；以及在所述第二偏振光柵層上形成所述第三偏振光柵層使得所述第 三偏振光柵層中的局部向列指向矢取向相對于所述第二偏振光柵層 中的局部向列指向矢取向具有所述第二角偏移。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中形成所述第三偏振光柵層 進(jìn)一步包括在所述第二偏振光柵層上形成所述第三偏振光柵層使得所述第 三周期性分子結(jié)構(gòu)沿所述第二和第三偏振光柵層之間的界面相對于 所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)反向偏移。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第二角偏移包括與所 述第一角偏移相反的角使得所述第一和第三周期性分子結(jié)構(gòu)同相。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一角偏移大于0°但 是小于180°。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一角偏移是大約+55°到大約+56°,并且其中所述第二角偏移是大約-55°到大約-56°。
22. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中形成所述第三偏振光柵層 包括如此形成所述第三偏振光柵層使得所述第三周期性分子結(jié)構(gòu)相 對于所述第一周期性分子結(jié)構(gòu)異相。
23. 如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 在其上形成所述第二偏振光柵層之前在所述第一偏振光柵層上形成第一手性可聚合液晶層，其中所述第一手性可聚合液晶層被配置為將所述第二偏振光柵 層的所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第一偏振光柵層的所述第 一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移所述第一角偏移。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括 在所述第三偏振光柵層上形成第二手性可聚合液晶層， 其中所述第一和第二手性可聚合液晶層分別在其中包括手性分子，并且其中所述第二手性可聚合液晶層的所述手性分子具有與所述 第一手性可聚合液晶層的所述手性分子相反的旋向性，使得所述第二 手性可聚合液晶層被配置為將所述第三偏振光柵層的所述第三周期 性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第二偏振光柵層的所述第二周期性分子結(jié)構(gòu) 反向偏移所述第二角偏移。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述第一手性可聚合液晶 層在其對立面之間的厚度上包括大約+ 55度的扭曲，并且其中所述 第二手性可聚合液晶層在其對立面之間的厚度上包括大約-55度的扭 曲。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中形成所述第二手性可聚合 液晶層包括在所述第二偏振光柵層上形成所述笫二手性可聚合液晶層；并且然后在所述第二手性可聚合液晶層上形成所述第三偏振光柵層， 其中所述第二偏振光柵層包括活性液晶元層。
27. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中形成所述第二手性可聚合 液晶層包括在形成所述第二偏振光柵層之前在所述第三偏振光柵層上形成所述第二手性可聚合液晶層；以及鄰近在其上包括所述第一手性可聚合液晶層的所述笫一偏振層 組裝在其上包括所述第二手性可聚合液晶層的所述第三偏振光柵層 以在所述第 一 和第二手性可聚合液晶層之間限定間隙，其中形成所述第二偏振光柵層包括在所述第一和第二手性可聚 合液晶層之間的間隙中形成非反應(yīng)型液晶層，使得所述第二偏振光柵 層的所述第二周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第一周期性分子結(jié)構(gòu)偏移 所述第一角偏移并且相對于所述第三周期性分子結(jié)構(gòu)偏移所述第二 角偏移。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第二偏振光柵層包括 向列液晶層。
29. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中形成所述第一和第三偏振 光柵層包括在包括第一電極的第一襯底上形成所述第一偏振層；以及在包括第二電極的第二襯底上形成所述第三偏振層，其中鄰近所述第一偏振層組裝所述第三偏振層包括鄰近所述第二襯底組裝所述第一襯底以在所述第一和第二手性可聚合液晶層之間限定間隙。
30. 如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一和第二手性可聚 合液晶層之間的間隙包括大約半波延遲厚度。
全文摘要
一種多層偏振光柵包括第一偏振光柵層、在所述第一偏振光柵層上的第二偏振光柵層、以及在所述第二偏振光柵層上的第三偏振光柵層，使得所述第二偏振光柵層在所述第一和第三偏振光柵層之間。所述第二偏振光柵層具有周期性分子結(jié)構(gòu)，所述周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第一偏振光柵層的周期性分子結(jié)構(gòu)沿其間的界面偏移。所述第三偏振光柵層也可以具有周期性分子結(jié)構(gòu)，所述周期性分子結(jié)構(gòu)相對于所述第二偏振光柵層的周期性分子結(jié)構(gòu)沿其間的界面偏移。同樣，所述第一和第二偏振光柵層的周期性分子結(jié)構(gòu)可以有第一相對角偏移的相位差，并且所述第二和第三偏振光柵層的周期性分子結(jié)構(gòu)可以有第二相對角偏移的相位差。有關(guān)制造方法也被討論。
文檔編號G02B5/30GK101657741SQ200880012098
公開日2010年2月24日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者M·J·埃斯庫蒂, 吳哲宇 申請人:北卡羅萊納州立大學(xué)