專利名稱：介晶膜中的偏振光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新穎的偏振光柵，以及這種新穎的偏振光柵的應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
常規(guī)的衍射光柵通過周期性地調(diào)制傳播通過它們的光的相位或振幅，可能將入射光分裂成多個衍射級而工作。
自從1970年代，當(dāng)關(guān)于偏振全息的更一般情形的最初出版在蘇聯(lián)刊物中出現(xiàn)時， 就已經(jīng)知道周期性地調(diào)制傳播通過它們的光的偏振狀態(tài)的偏振光柵。
人們很快認(rèn)識到了，偏振光柵優(yōu)于常規(guī)的衍射光柵的最引人注目的優(yōu)點(diǎn)是控制衍射級的偏振狀態(tài)同時使每個級中的效率依賴于入射光的偏振的可能性。簡化實現(xiàn)偏振光柵的理論的最初成功用于使用全息學(xué)的光致變色氯化銀(AgCl)玻璃。在該方法中，兩個幾乎正交偏振的相干激光束幾乎平行傳播地疊加，產(chǎn)生具有偏振狀態(tài)的周期性調(diào)制的同時保持恒定強(qiáng)度的駐光波。因為線性偏振光通過韋蓋特效應(yīng)在材料中引起顯著的光學(xué)各向異性 (線性雙折射)，所以偏振從線性改變成圓形然后改變回來的周期性圖案被捕捉為偏振光柵。
當(dāng)包含偶氮苯基元的有機(jī)材料顯示出能夠?qū)⑦@些偏振全息記錄為相對強(qiáng)的雙折射時，該全息方法最終產(chǎn)生實在的優(yōu)點(diǎn)。在這些材料中，偶氮苯基團(tuán)經(jīng)歷可逆的trans => cis => trans異構(gòu)化過程以及相關(guān)的發(fā)色團(tuán)的取向再分布。研究表明也可以使用多種含偶氮苯的聚合物以及色散。
在這些聚合物的許多中，在照射過程中也形成表面凹凸光柵。雖然表面產(chǎn)生過程的主要原因還沒有很好地理解，但是幾種理論已試圖解釋現(xiàn)有的現(xiàn)象學(xué)，并且人們同意表面凹凸似乎是質(zhì)量擴(kuò)散機(jī)制的結(jié)果。雖然它可能是有用的，但是該表面凹凸結(jié)構(gòu)作為相位光柵而衍射，并且不導(dǎo)致傳播通過它的光的偏振狀態(tài)的調(diào)制。事實上，該表面凹凸光柵通常使偏振光柵的獨(dú)特衍射性質(zhì)退化，因為兩者的性質(zhì)疊加了。含偶氮苯的材料具有可見光的顏色，所以波長適用性的范圍是有限的。另外，長期穩(wěn)定性通常是有限的，尤其是當(dāng)光柵暴露于處于材料的吸收帶中的光或者受到在某些應(yīng)用例如LCD制造中很普遍的高溫?zé)崽幚頃r。
其他材料也已經(jīng)被研究作為可選的偏振全息材料，包括菌視紫紅質(zhì)、散布全息聚合物的液晶、以及吸入偶氮苯液晶分子的多孔玻璃系統(tǒng)。次波長金屬條紋結(jié)構(gòu)的光刻處理也已經(jīng)表明通過引起空間上周期性的各向異性吸收成功地形成偏振光柵。在該方法中，襯底上的導(dǎo)電層被形成具有次波長間距的平行線的圖案(產(chǎn)生線性偏振器)，其中這些線的取向確定偏振器的透射/吸收軸。該取向通過以大于波長的間距的光刻而周期性地變化， 形成偏振光柵。
該類型的光柵在紅外波長下工作，但是原理在可見波長下也有效(但是制造更困難，因為尺寸實質(zhì)地更小)。雖然可以獲得良好的光學(xué)質(zhì)量，但是它是吸收光學(xué)元件(典型地，吸收50%的入射光)，并且制造過程需要例如用于半導(dǎo)體晶片的實質(zhì)光刻處理(絕對無塵室環(huán)境、昂貴的遮光板、光刻膠顯影、無機(jī)導(dǎo)電層的濕法化學(xué)刻蝕，等等)。
基于液晶的偏振光柵的一種當(dāng)前制造方法由Eakins等人的“周期性排列的液晶中的零電壓弗雷德里克茲轉(zhuǎn)變”，Applied PhysicsLetters 85，no 10，pp 1671-1673，2004 所描述，其使用全息曝光以光聚合偏振敏感定向?qū)樱⑶以谄渖吓帕幸壕ЫM分。
但是，仍然需要一種易于制造的，溫度穩(wěn)定的，以及在實際應(yīng)用中有用的新的高質(zhì)量偏振光柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述問題以及提供易于制造的并且表現(xiàn)出在可見/IR波長中的高衍射效率、透明度，中大可用面積，當(dāng)暴露于中等溫度和可見光時的穩(wěn)定性，以及靈活的設(shè)計特征的偏振光柵。
發(fā)明者已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)，可以通過使用將偏振圖案記錄到光定向膜中并且在光定向膜上排列液晶組分的偏振全息來制造實現(xiàn)該目的的偏振光柵。
因此，在第一個方面中，本發(fā)明提供一種偏振光柵，其包括例如布置在襯底上的偏振敏感光定向?qū)樱约安贾迷谒龉舛ㄏ驅(qū)由系恼w液晶組分。將對應(yīng)于全息圖的偏振圖案的圖案布置在(記錄在)光定向?qū)又校缫曰瘜W(xué)鍵的各向異性圖案的形式。將液晶組分布置在定向?qū)由希Y(jié)果與定向?qū)酉噜彽囊壕ЫM分的局部介晶指向矢遵循各向異性圖案， 也就是介晶的指向矢從而局部光軸將遵循全息圖的偏振圖案。由于液晶材料的本質(zhì)，與定向?qū)拥谋砻嫦噜彽慕榫У娜∠驅(qū)鞑ネㄟ^液晶組分的厚度，以產(chǎn)生具有形成圖案的高值各向異性和雙折射的透明膜。
因為形成圖案的雙折射的起源是記錄在光定向?qū)又械钠袢?，所以用該方法可以獲得基本上無缺陷的圖案。形成圖案的雙折射的取向作為偏振光柵導(dǎo)致非常強(qiáng)的衍射。
在本發(fā)明的實施方案中，各向異性定向圖案的定向方向沿著定向?qū)拥钠矫嬷械闹辽僖粭l線是周期性的。
在本發(fā)明的實施方案中，定向方向呈現(xiàn)周期性變化，其在一個周期上對應(yīng)于沿著龐加萊球上的圓形的偏振方向變化。
因為各向異性圖案對應(yīng)于具有恒定強(qiáng)度以及周期性變化的偏振廓線的全息圖，所以該圖案最方便映射到龐加萊球上。在本發(fā)明的研究過程中的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)之一是對應(yīng)于龐加萊球上的任一個圓的定向圖案可以通過全息方法產(chǎn)生，這允許產(chǎn)生偏振光柵，其將光衍射成任何期望的一組正交偏振，包括線性的、圓形的以及/或者橢圓形的偏振。
在本發(fā)明的實施方案中，液晶組分可以包括可聚合的化合物，例如可聚合的介晶或可聚合的非介晶化合物。
在本發(fā)明的實施方案中，可聚合的液晶組分可以至少部分聚合，以從液晶組分形成固態(tài)膜。在本發(fā)明的實施方案中，偏振光柵可以包括由兩個定向?qū)訆A置和定向的上述液晶組分。在其他實施方案中，偏振光柵可以包括布置在定向?qū)由系牡谝灰壕ЫM分以及布置在第一液晶組分上并由其定向的第二液晶組分。另外，第三液晶組分可以布置在第二液晶組分上，等等。
在本發(fā)明的實施方案中，液晶組分可以包括另外的功能化合物，例如具有各向異性的形狀和/或光譜性質(zhì)的不同類型的染料和顆粒。這種化合物可以在組分中由介晶定向，從而將另外的例如光學(xué)的性質(zhì)賦予偏振光柵。
在本發(fā)明的實施方案中，偏振光柵可以包括用于在所述液晶組分中建立電場和/ 或磁場的裝置，例如電極。因為介晶的定向可以受這種場的影響，所以光學(xué)性質(zhì)也可以受影響，提供可轉(zhuǎn)變的光柵。
本發(fā)明也涉及具有高效透射的更寬波長間隔的寬帶偏振光柵。這種寬帶偏振光柵可以是常規(guī)偏振光柵的有吸引力的備選。
本發(fā)明也涉及包括本發(fā)明的偏振光柵作為光學(xué)開關(guān)的顯示器件。該類型的開關(guān)可以在非偏振光上工作，避免偏振器的使用，從而允許非常高的總光學(xué)效率的可能性。
本發(fā)明也涉及基于偏振光柵的分光器，其中可以獲得高衍射角而不需要小的光柵柵距 。
本發(fā)明也涉及包括本發(fā)明的偏振光柵的新的偏振器。這種偏振器具有以顯著高于 50 %的效率將非偏振光轉(zhuǎn)變成偏振光的能力。
本發(fā)明也涉及包括偏振光柵的安全措施。


現(xiàn)在將通過下面的參考附圖的優(yōu)選實施方案來進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中 圖1說明正交偏振的疊加光束的兩種不同設(shè)置以及作為結(jié)果的偏振圖案。圖Ia 左手和右手圓形偏振光束。圖Ib 垂直和水平線性偏振光束。
圖2說明在二維尺度上螺旋式重復(fù)的各向異性偏振圖案。
圖3a示意地說明根據(jù)本發(fā)明的偏振光柵的實施方案。圖3b是在交叉偏振器之間的圖3a中所示的偏振光柵的照片。
圖4示意地說明根據(jù)本發(fā)明的偏振光柵的另一個實施方案。
圖5a示意地說明根據(jù)本發(fā)明的偏振光柵的另一個實施方案。圖5b是在交叉偏振器之間的圖5a中所示的偏振光柵的照片。
圖6說明標(biāo)準(zhǔn)的偏振光柵和寬帶偏振光柵的透射曲線。
圖7a說明寬帶偏振光柵的第一實施方案。
圖7b說明寬帶偏振光柵的第二實施方案。
圖7c說明寬帶偏振光柵的各向異性指向矢圖案。
圖8說明偏振光柵對外加電壓的透射曲線。
圖9分別說明對于紅光(圖9a)、綠光(圖9b)和藍(lán)光(圖9c)而優(yōu)化的偏振光柵的透射曲線。
圖10說明包括發(fā)明的偏振光柵的顯示器件。
圖11說明包括偏振光柵的偏振器的實施方案。
圖12說明包括偏振光柵的偏振器的另一個實施方案。
圖13說明包括兩個偏振光柵的分光器。
圖14說明包括偏振光柵的安全裝置的實施方案。
圖15說明包括偏振光柵的安全裝置的另一個實施方案。
圖16顯示偏振光柵的第一級衍射效率對電壓。
具體實施例方式本發(fā)明的偏振光柵的一種實施方案在圖3a中顯示。該實施方案的偏振光柵包括其上布置偏振敏感光定向?qū)?的襯底1。
在光定向?qū)又?，對?yīng)于偏振全息的各向異性圖案被記錄為構(gòu)成光定向?qū)拥?參見例如圖Ia和lb)聚合物中的化學(xué)鍵的各向異性圖案。
在光定向?qū)?上，布置液晶組分3。布置成與光定向?qū)拥谋砻嫦噜彽慕榫⒀刂舛ㄏ驅(qū)又械母飨虍愋詧D案自定向。
因此，布置成與光定向?qū)?的表面相鄰的液晶介晶的指向矢在偏振全息的每個位置中將定向在偏振的方向上。
由于液晶組分3的本質(zhì)，所以形成圖案的指向矢布局將傳播通過組分，以形成具有形成圖案的各向異性和雙折射的透明膜，作為結(jié)果給出偏振光柵的光學(xué)性質(zhì)。
在這里，術(shù)語“介晶(mesogen) ”和“液晶”用來指示這樣的材料或化合物，其包括一種或多種介晶基團(tuán)，例如(半)剛棒形、香蕉形、板形或盤形介晶基團(tuán)，即具有引起液晶相位行為的能力的基團(tuán)。具有棒形或板形基團(tuán)的液晶化合物在本領(lǐng)域中也稱作“棒狀”液晶。 具有盤形基團(tuán)的液晶化合物在本領(lǐng)域中也稱作“盤狀”液晶。包含介晶基團(tuán)的化合物或材料本身不一定必須表現(xiàn)出液晶相。它們僅在與其他化合物的混合物中，或者當(dāng)介晶化合物或材料或它們的混合物聚合時顯現(xiàn)液晶相也是可能的。
如在這里所使用的，術(shù)語“液晶組分”指的是包含介晶并且表現(xiàn)出液晶相行為的組分。
其上布置光定向?qū)?的襯底1可以是任何剛性的或柔性的襯底。合適襯底的例子包括但不限于玻璃、透明陶瓷、熔融硅、可以是熱硬化性或熱塑性的以及(半)晶體或非晶的透明聚合物例如PC (聚碳酸酯)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PET (聚乙烯對苯二甲酸酯)、PVC (聚氯乙烯)、PS (聚苯乙烯)、(聚碳酸酯)、COC (環(huán)烯烴共聚物)、PET (聚乙烯對苯二甲酸酯)、PES (聚醚砜)，以及交聯(lián)丙烯酸脂、環(huán)氧樹脂、聚氨脂和硅樹脂橡膠。
其他合適的襯底材料包括反射式襯底，例如金屬襯底，例如銀和鋁等，以及半導(dǎo)體襯底，例如硅等。另外的襯底材料將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的。
定向?qū)?可以通過已知的方法，例如旋涂、刮刀涂、鑄造等而布置在襯底1上，以在襯底上形成薄膜。
偏振敏感光定向?qū)硬牧显诒绢I(lǐng)域中是眾所周知的并且包括例如線性光可聚合聚合物，例如在商業(yè)上可從Rolic、Vantico和Huntsman獲得的那些，以及可從JSR和LG Cable獲得的類似材料。
可選地，上述的含偶氮苯材料也可以用作定向?qū)樱驗檫@些既可以記錄偏振圖案也可以使介晶對準(zhǔn)偏振圖案。
為了在光定向?qū)又蝎@得各向異性的定向圖案，可以在定向?qū)由席B加兩個或多個相干且正交的偏振激光束(線性、橢圓或圓形偏振)，導(dǎo)致光的偏振的空間上周期性變化。
關(guān)于這點(diǎn)的基本理論是已知的，例如Nikolova等人的OpticaActa 31，579(1984)。
兩個正交的圓形偏振疊加光束的情況產(chǎn)生線性偏振的在一維空間上延伸的周期性“旋轉(zhuǎn)”圖案，其中每個周期中的偏振圖案由圍繞龐加萊球的赤道的大圓(其中S3 = 0) 表示(參見圖la)。
兩個正交的線性偏振疊加光束的情況產(chǎn)生包含多種偏振的一維周期性空間圖案， 包括線性的、圓形的和橢圓的，其中每個周期中的偏振圖案由圍繞龐加萊球的大圓(其中 Sl = 0)表示，該大圓經(jīng)過兩極和表示這兩個疊加光束的偏振的點(diǎn)(參見圖lb)。
兩個正交的橢圓偏振疊加光束的一般情況產(chǎn)生包含多種偏振的一維空間上的周期性圖案，其一般地可以以這樣的方式選擇以對應(yīng)于龐加萊球上的任意圓。當(dāng)兩個光束具有相同的強(qiáng)度時，那么全息映射到球上的“大圓”。當(dāng)兩個光束具有不等的強(qiáng)度時，全息映射到球上的任意圓。
當(dāng)液晶組分布置在定向?qū)由蠒r，組分中的介晶將對準(zhǔn)定向圖案，形成光軸靠近定向?qū)拥碾p折射光柵，即與定向?qū)酉噜彽慕榫У闹赶蚴缸裱ㄏ驁D案。指向矢圖案以對于所使用的液晶組分特有的方式傳播通過該層。例如，在膽留型液晶組分中，指向矢圖案將從定向?qū)优で欢ň嚯x并且離定向?qū)尤我饩嚯x，指向矢圖案仍然存在，但是以液晶組分的間距所定義的角度扭曲。
一般地，這種光柵的衍射性質(zhì)是這樣的，衍射級以與形成全息圖的正交光束相同的偏振發(fā)生偏振。
該偏振圖案的周期(Λ)由激光束的波長(λ)以及分開相干的疊加光束的角度 (φ )根據(jù)以下公式確定 A = λ/(2*sin(<ji/2)) (I) 二維(2D)偏振圖案，即其中偏振圖案在平面的兩個維度上都表現(xiàn)出周期性的空間旋轉(zhuǎn)圖案的，可以以幾種不同方式形成，包括“一步”方法和“順序”方法。在任一種情況中，該類型的光柵都是引人注意和有用的，因為衍射級根據(jù)形成全息圖的光束而發(fā)生偏振 (就好像上面所討論的一維情況中一樣)。
首先將討論順序形成，因為它是現(xiàn)有技術(shù)中最直觀和知名的，然后是據(jù)我們所知在現(xiàn)有技術(shù)中沒有的“一步”形成的說明。
在順序方法中，一維(ID)光柵如上所述(通過使兩個正交相干光束干涉)而形成，其后將襯底旋轉(zhuǎn)選定的角度(例如，90° )。隨后，(用相同的或不同的兩個正交相干光束)執(zhí)行第二曝光，其導(dǎo)致第二個ID光柵疊加到第一個上面。這可以根據(jù)期望重復(fù)多次 (H. Ono 等人的 Opt. Exp. 11，2379-2384 (2003))。
該方法的一個優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生ID偏振光柵的相同設(shè)置可以用來產(chǎn)生2D偏振光柵。但是，許多引人注意的2D偏振圖案不能以該方法形成，并且在許多實例中，隨后的記錄使先前記錄的質(zhì)量退化。并且，在某些情況(R. C. Gauthier和A. Ivanov, Opt. Expr. 12， 990-1003 (2004))中，旋轉(zhuǎn)臺需要非常嚴(yán)格的定位/旋轉(zhuǎn)要求。
提供2D偏振光柵的可選方法是通過單步形成。通過選擇傳播和偏振參數(shù)疊加三個或更多相干激光束使得恒定或幾乎恒定強(qiáng)度圖案產(chǎn)生而執(zhí)行這點(diǎn)。例如，三個疊加相干光束的干涉圖案可以通過下面的公式來描述 I (χ, y) = l+V12*cos(G12X*x+G12Y*y) (II) +V23*cos (G23X*x+G23Y*y) +V31*cos (G31x*x+G31Y*y) 其中常數(shù)G##x和G##Y與相干光束的傳播矢量相關(guān)，并且其中常數(shù)Vss由偏振和傳播參數(shù)確定。關(guān)于2D強(qiáng)度光柵的該表達(dá)式的細(xì)節(jié)可以在M. J. Escuti和G. P. Crawford, Opt. Eng. 43，1973-1987 (2004)中找到。2D偏振光柵的條件在于I (x，y)是恒定的。這在函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為零時發(fā)生 dl (χ, y) /dx = dl (χ, y) /dy = 0 (III) 在該條件下，2D偏振圖案產(chǎn)生。典型例子在圖2中顯示，其由下面的參數(shù)確定入射角= 35. 3°，以及所有光束具有橫磁(TM)偏振。
疊加光束引起光定向?qū)又械木酆希⑶夜獾钠翊_定交聯(lián)鍵的方向，從而將圖案的偏振特征捕捉到各向異性化學(xué)結(jié)構(gòu)的布局中。結(jié)構(gòu)的該布局能夠調(diào)準(zhǔn)布置在其上的液晶混合物。
偏振圖案的間距，即周期(Λ)可以是例如0. 2 100 μ m(10 5000個周期每mm)， 例如0. 4 25 μ m (40 2500個周期每mm)。
一般地，任意波長的激光束可以用來將偏振圖案記錄到定向?qū)又?，并且波長(入) 優(yōu)選地是157nm 1064nm。
從公式(I)中，顯然地，分開相干疊加光束的入射角的角度(φ )依賴于期望間距 (A)和波長(λ)。事實上，任意角度0°<φ<180°可以用來產(chǎn)生期望的間距。
液晶組分3布置在光定向?qū)?上。適合于在本發(fā)明中使用的介晶的例子包括近晶相的、向列相的、手性向列相的以及鐵電的介晶。
介晶可以是反應(yīng)性介晶或非反應(yīng)性介晶。
合適的非反應(yīng)性介晶的例子包括例如可從Merck獲得的介晶，例如在它們的產(chǎn)品折疊冊電光顯示器的Lieristal 液晶混合物(2002年5月)中所描述的，其內(nèi)容在此引用作為關(guān)于非反應(yīng)性介晶的參考。例子包括例如鹵代介晶如TL205 (Merck,Darmstadt)，或者氰基聯(lián)苯如E7 (Merck，Darmstadt)。另外，可以使用兩種或更多非反應(yīng)性介晶的混合物。
合適的反應(yīng)性介晶例子包括例如包含丙烯酸脂、甲基丙烯酸鹽、環(huán)氧樹脂、乙氧烷、乙烯基乙醚、苯乙烯以及硫醇-烯基團(tuán)的介晶。合適的例子例如在W004/025337中描述， 其內(nèi)容在此引用作為關(guān)于反應(yīng)性介晶的參考，在W004/025337中稱作可聚合的介晶化合物和可聚合的液晶材料。例子包括C3M、RMM34(Merck)。另外，可以使用兩種或更多反應(yīng)性介晶的混合物(Merck反應(yīng)性介晶，更明亮更清楚的傳遞)。
另外，可以使用反應(yīng)性和非反應(yīng)性介晶的混合物。
在混合物的情況中，所有使用的介晶優(yōu)選地在最終層中處于對準(zhǔn)狀態(tài)。
此外，液晶組分也可以包括合適的表面活性劑，以減小介晶-空氣界面處或組分和定向?qū)又g的表面能量。
液晶組分還可以包括吸收的、熒光的電致發(fā)光染料，以及具有各向異性形狀和/ 或光譜性質(zhì)的納米/微米顆粒，以向偏振光柵添加額外的功能。特別地，液晶組分可以包括這種染料，它們是二色性的以及與液晶組分中的取向?qū)?zhǔn)的。
當(dāng)具有各向異性吸收系數(shù)的二色性染料分子例如G205 (參見下面)添加到液晶混合物時，它們的定向?qū)⒆裱赶蚴笀D案。


(G205) 在微觀水平上，二色性染料用作線性偏振器，有效地通過一個線性偏振而同時吸收另一個。在宏觀水平上，在偏振光柵中(例如，由正交圓形偏振光束形成的光柵)，二色性染料分子遵循螺旋式向列相指向矢配置。作為結(jié)果的膜是由F. Gori (見前)提出和在理論上分析的斯托克斯參數(shù)傳感器的實施方案，至少在染料的強(qiáng)各向異性吸收的帶寬中。因此， 本發(fā)明也涉及包含本發(fā)明的偏振光柵的斯托克斯參數(shù)傳感器。
從也是二色性的并且遵循向列相指向矢的納米/微米顆粒中預(yù)期到幾乎相同的光效應(yīng)。例如，碳納米管可以添加到液晶混合物代替吸收性染料。在該情況中，作為結(jié)果的斯托克斯參數(shù)傳感器將具有更寬得多的探測帶寬，因為納米管具有更寬得多的吸收帶(有效地從UV IR波長)。添加熒光分子到液晶混合物允許更多的功能性，也就是發(fā)出激光的功能性。
但是，由于液晶的本質(zhì)，液晶偏振光柵是溫度敏感的。在高于液晶組分的澄清溫度的溫度下，擾亂了取向和位置順序，并且組分變成失去偏振性質(zhì)的各向同性相。
因此，由于這個以及其他原因，期望獲得具有上述液晶偏振光柵的偏振性質(zhì)的固態(tài)膜。
為了形成固態(tài)膜偏振光柵，液晶組分還可以包括可聚合的化合物，其可以聚合以鎖定介晶的取向?？删酆系幕衔锟梢杂煽删酆系慕榫?gòu)成，但也可以是分散的、可聚合的非介晶化合物。
包含反應(yīng)性介晶的液晶組分也可以包含聚合引發(fā)劑，例如自由基引發(fā)劑或陽離子齊U，它們可以是光敏感的或熱敏感的，也就是引發(fā)劑分別由光和熱激活。可以使用一種或多種聚合引發(fā)劑的混合物。
幾種不同的這種聚合引發(fā)劑是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，并且引發(fā)劑的選擇將依賴于可聚合化合物的選擇。
因此，在本發(fā)明的某些實施方案中，液晶組分例如通過光或通過熱聚合或至少部分聚合，以形成固態(tài)膜。
在圖4中所示的本發(fā)明的第二實施方案中，光柵包括具有兩個襯底1，11的單元， 襯底裝配有其中記錄了各向異性定向圖案的偏振敏感光定向?qū)?，12。光定向?qū)訆A置并調(diào)準(zhǔn)液晶組分3以形成偏振光柵。
為了產(chǎn)生這種組件，兩個偏振敏感光定向?qū)?，12分別提供在各個襯底1，11上。使用標(biāo)準(zhǔn)的IXD技術(shù)，兩個定向?qū)颖舜似叫械夭贾?，任選地具有隔離器以控制單元間隙，以及以至少一個填充孔的膠密封。襯底被布置，使得定向?qū)颖舜嗣鎸Α?br> 通過將兩個層同時暴露到相同的偏振全息，其中底部定向?qū)油ㄟ^頂部定向?qū)颖┞叮瑢⑵袢⒂涗浀絻蓚€定向?qū)?，12中。
為了避免會干擾全息圖案的偏振全息在單元內(nèi)部的反射，單元可以在該步驟中有利地填充上各向同性組分，例如液體，例如有機(jī)溶劑，如環(huán)己烷，或者各向同性的液晶組分， 它們具有與定向?qū)拥恼凵渎势ヅ涞恼凵渎省?br> 在記錄偏振全息之后，從單元中去除例如蒸發(fā)各向同性組分，并且單元填充上液晶組分，其對準(zhǔn)定向?qū)拥母飨虍愋詧D案。
另外，在發(fā)明的該實施方案中，液晶組分可以隨后至少部分地聚合。
液晶材料固有的一個限制在于遠(yuǎn)離定向?qū)拥慕榫A向于比接近定向?qū)拥慕榫芏ㄏ驅(qū)拥挠绊懜?。這種定向損失的程度依賴于許多事情，例如定向?qū)拥奶匦匀鐖D案和化學(xué)組分，以及依賴于液晶組分的特性如彈性常數(shù)和粘性。由于這點(diǎn)，當(dāng)使用單個定向膜時， 一般地難以產(chǎn)生具有小的間距同時維持高質(zhì)量偏振圖案的相對厚的全息光柵。
在我們的實驗中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于該類型的應(yīng)用布置在定向?qū)由系膯蝹€液晶層的最大厚度由下面的近似經(jīng)驗規(guī)則公式確定 Clfflax^ A/2 (IV) 其中d是層的厚度，并且Λ是光柵的間距。雖然這不是精確的公式，但是它說明光學(xué)質(zhì)量不顯著退化時涂敷在單個襯底上的單個層的厚度的近似限制。在幾種實施方案的設(shè)計中，超過該限制以便達(dá)到特點(diǎn)的光學(xué)效果是必須。
克服該限制的本發(fā)明的另一個實施方案在圖5a中說明，并且包括幾個液晶組分。 第一液晶組分3布置在位于襯底1上的定向膜2上并且由位于襯底1上的定向膜2中的定向圖案調(diào)準(zhǔn)(如上所述)，并且然后至少部分聚合。在該第一組分3上，布置第二液晶組分 13。第二組分13現(xiàn)在將由第一液晶組分3調(diào)準(zhǔn)。發(fā)明者已經(jīng)令人驚訝地將該原理應(yīng)用到多于20層，導(dǎo)致高的光學(xué)質(zhì)量。
這樣，沒有介晶位于遠(yuǎn)離其定向?qū)樱⑶疫@允許通過許多相對薄的層制造具有相對小的間距的相對厚的偏振光柵，甚至其中dt。tal > Λ/2。
上述實施方案只是說明性的，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然的，即這些實施方案的幾種變型和修改可能處于附加權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。例如，可以提供裝置如電極，以便在液晶組分中建立電場和/或磁場。除非它們由于聚合被鎖定在原位，否則介晶使它們自己指向施加到組分上的電場或磁場。這允許可切換的偏振光柵，其光學(xué)性質(zhì)可以通過場的施加來控制。例如，在如上所述的發(fā)明的兩襯底光柵中，一對形成圖案的電極可以布置在襯底中或襯底上。
此外，本發(fā)明的兩個或更多偏振光柵可以布置在相互的頂部。
本發(fā)明的偏振光柵的一個示例應(yīng)用涉及寬帶偏振光柵。
寬帶偏振光柵是在寬的波長范圍上具有高的衍射效率的光柵。它的另一個名稱是 “消色差偏振光柵”，因為光學(xué)元件的性能對于波長變化較不敏感。為了理解這點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)注意由兩個正交圓形偏振光束(圖la)形成的基本偏振光柵的衍射效率如下(表達(dá)式主要來自已知文獻(xiàn)，但是其中S3/S0相關(guān)性由本發(fā)明者確定) Eff (0th order) = cos2 (Γ/2) (IVa) Eff (士 1st order) = (1/2) *sin2 ( Γ/2) * [1 士 S3/S0] (IVb) Eff (all · other · orders) = 0 (IVc) 其中相位延遲是Γ = Δη /λ，并且入射光束的橢圓率由其其正規(guī)化的斯托克斯參數(shù)S3/S0來描述。
當(dāng)相位延遲是半波時，或者換句話說，當(dāng)Γ = π 士 2πρ其中ρ是整數(shù)時，第一級的衍射效率是最高的。雖然對于具體波長這可能容易匹配，但是相位延遲具有關(guān)于波長的反比關(guān)系。此外，已經(jīng)顯示液晶層本身的雙折射Δη依賴于波長(稱作色散)。例如，反應(yīng)性介晶混合物RMS03-001(Merck)具有測量為以下的雙折射(λ以nm為單位) Δη(λ ) = 0. 12+(110/λ )2 (V) 使用該材料的層形成的標(biāo)準(zhǔn)偏振光柵將表現(xiàn)出如圖6中所示的衍射效率(標(biāo)準(zhǔn) PG)。在該圖中以及貫穿下面的關(guān)于寬帶偏振光柵的討論，對于微紅_橙色圓形偏振入射光 (λ = 0.6 μ m)優(yōu)化所有的延遲和衍射。在該圖中標(biāo)準(zhǔn)偏振光柵對于士 20nm的范圍或者 40nm的帶寬具有高衍射(> 99. 5% )。
但是，通常期望增加高衍射效率的該帶寬。
在一種方法中，兩個偏振光柵可以組合以實現(xiàn)寬帶效果。
從普通光學(xué)中知道可以以這樣一種的方式布置兩個單軸各向異性板，以產(chǎn)生用來代替一個板的寬帶延遲板，以便加寬工作帶寬(例如，S. Pancharatnam, Proc. Indian Acad. Of Sci.A 41,130(1955))。一個這樣的例子是使用上面的具有雙折射Δη(λ)的 RMS03-001例子材料而形成的兩個半波板。當(dāng)布置成在它們的光軸之間具有45度的角度時 (例如，相對于某個任意軸，第一個位于22. 5°且第二個位于66. 5° )，它們在比如果僅使用一個時更寬的范圍上表現(xiàn)出半波延遲。
將該想法應(yīng)用于偏振光柵，我們需要對于λ = 0. 6 μ m處的最高衍射優(yōu)化的兩個相同的偏振光柵(在該例子中用RMS03-001形成)。當(dāng)它們層積在一起并偏移，使得在局部向列相指向矢之間存在45度的差時，高衍射效率產(chǎn)生。結(jié)果在圖6中顯示(寬帶PG)。作為結(jié)果的偏振光柵對于510nm 750nm或者240nm的帶寬具有高衍射(> 99. 5% )。相對于單層偏振光柵的6倍的這種提高將允許這種寬帶光柵用于更多應(yīng)用。
本發(fā)明的寬帶偏振光柵的第一實施方案在圖7a中顯示。例如具有相應(yīng)的例如基本相同的向列相定向圖案的兩個單獨(dú)的單層偏振光柵71，72平行排列并層積在一起，但是處于Λ/4的偏移(給出疊加的向列相指向矢之間的45°角)，其中Λ是對于兩個偏振光柵共同的光柵周期。這導(dǎo)致圖7c中所示的疊加的平面內(nèi)向列相指向矢廓線。
本發(fā)明的寬帶偏振光柵的第二實施方案在圖7b中顯示。第一介晶組分73排列在其中記錄了期望的各向異性偏振圖案的定向?qū)由?。該第一層然后聚合，并且在其上，布置具有緊密間距的表現(xiàn)出 45°扭曲的第二薄的手性介晶組分74 (例如LC756，BASF)，并且介晶組分74由下面的第一介晶組分73調(diào)準(zhǔn)。另外，該第二薄的手性介晶組分74然后聚合。 在手性介晶層74上面，例如與第一介晶組分73中所使用的相同材料的第三介晶組分75布置在第二手性介晶組分74上并且由其調(diào)準(zhǔn)，然后該第三介晶層75也聚合。這產(chǎn)生單個襯底，形成了完全聚合的光柵，其中由于手性層中的扭曲，與第一介晶層的向列相指向矢廓線比較，第三介晶組分的向列相指向矢廓線偏移45°角(圖7c)。
在本發(fā)明的寬帶偏振光柵中兩個偏振光柵之間的偏移值優(yōu)選地是45° (或 Λ/4)，因為有用的波長范圍的最大加寬在45°處獲得。但是，范圍加寬效果在高于或低于 45°的偏移處例如在30° 60°也能看到。
本發(fā)明的偏振光柵的另一個示例應(yīng)用是作為例如用于LCD顯示器如直視型顯示器和投影顯示器中的光學(xué)開關(guān)。
該類型的光學(xué)開關(guān)涉及圖4中所示的上面討論的實施方案的本發(fā)明的非聚合偏振光柵，以及在介晶層上施加電場以便影響介晶層的向列相指向矢的傾斜的裝置。
為了理解這種光學(xué)開關(guān)，識別所使用的液晶偏振光柵的基本切換性質(zhì)是重要的。 考慮對于λ =0.610μπι處的3/2波長延遲優(yōu)化的具有重復(fù)的螺旋式向列相指向矢圖案的可切換偏振光柵，這意味著第0級透射大約為0，并且所有的光(偏振的或非偏振的)衍射到兩個第一級(士 1)中。使用先前描述的方程(IV a-c)，對于各個液晶Ε7 (Merck，Δη 0. 221700. 610 μ m)，該情況的OV透射譜在圖8中顯示，其中需要L = 2. 06 μ m的厚度以在 6 IOnm處實現(xiàn)3/2波長延遲。
當(dāng)電壓V > 0施加到該介晶層時，局部延遲減小，也就是An(V)*L < Δ η (OV) *L。
結(jié)果，透射光譜改變，如圖8中所示，并且允許跨越整個可見范圍在電學(xué)上控制零和全透射波長。這與電壓的施加只是減小衍射效率而不改變透射譜的廓線的涉及光柵的大部分IXD設(shè)計形成對比。
現(xiàn)在將描述該效果的一個應(yīng)用，并且在圖9a_c中顯示。對于任意的某個波長，在這里通過顏色藍(lán)色(436nm)，綠色(546nm)和紅色(610nm)來示例，可以選擇電壓V，使得零級透射最大化并且第一級衍射最小化(導(dǎo)通值)，或者零級透射最小化并且第一級衍射最大化(關(guān)閉值)。
對于每種顏色，導(dǎo)通狀態(tài)允許理想地通過100%的非偏振光，而關(guān)閉狀態(tài)允許理想地通過 0%的光。應(yīng)當(dāng)注意，對于這些計算，(^<￥1<￥2<￥3<￥4<￥5，并且{V1，V2， V3, V4, V5}是導(dǎo)致延遲值{0. 86，0. 66，0. 58，0. 57，0. 38} * Δ η (OV) *L 的電壓。
因此，通過適當(dāng)?shù)剡x擇電壓，可以確定通過光柵的光將在垂直的方向(第0級透射最大化)還是在第一衍射級的方向(第士1級透射最大化)上出射。
該電光效應(yīng)可以例如用于IXD顯示器中。
IXD元件的第一實施方案在圖10中顯示，并且包括一個偏振光柵，該偏振光柵包括夾置在一對光定向?qū)?02，112之間并由它們調(diào)準(zhǔn)的非聚合介晶層103，每個光定向?qū)硬贾迷谝r底101，111上，并且每個定向?qū)泳哂袑?yīng)于其中所記錄的偏振全息的各向異性圖案。此外，布置形成了多個可獨(dú)立訪問疇105，106的圖案的電極對104，114，以允許在介晶層上的電場的針對疇的施加。
也提供濾色器107，在進(jìn)入介晶層之前，對于每個可獨(dú)立訪問疇將入射光分離成分離的顏色(例如，紅、綠或藍(lán))。
所有疇(R，G，B)可以具有相同的偏振光柵圖案和相同的厚度。
通過對于每個這種疇適當(dāng)?shù)剡x擇每個疇105，106上的電壓，可以控制在什么方向上通過該疇的光將射出光柵。
通過提供用于阻止以垂直軸之外的角度射出的光的裝置，基本上僅第0級透射光對于用戶是可見的。
本發(fā)明的一種實施方案是直視型透射顯示器，其包括作為光源的標(biāo)準(zhǔn)背光以及如上所述的可切換偏振光柵。為了阻止以垂直軸之外的角度射出光柵的光到達(dá)用戶，顯示裝置也可以包括“隱匿膜”，例如在自動提款銀行機(jī)(ATM)上通常使用的那些，其有效地阻止具有大于近似15°的入射角的光。
本發(fā)明的另一種實施方案是投影儀顯示器(例如數(shù)據(jù)投影儀)，其包括光源、如上所述的可切換偏振光柵，以及投影透鏡系統(tǒng)。為了阻止以垂直軸之外的角度射出光柵的光到達(dá)透鏡系統(tǒng)，將透鏡系統(tǒng)布置在離偏振光柵某個距離，使得僅第O級透射，而第1級衍射光不會擊中透鏡系統(tǒng)的入口。
與例如常規(guī)的液晶顯示器件相比，基于該類型的可切換偏振光柵的顯示器件的一個優(yōu)點(diǎn)在于它們可以直接在非偏振光上工作。這導(dǎo)致顯著增加的光效率，因為不需要額外的偏振器。
基于實驗數(shù)據(jù)，我們預(yù)計常規(guī)的LCD驅(qū)動電壓(1V-3V)將大大足以供這種顯示器件工作，并且當(dāng)使用常規(guī)的向列相介晶組分時，切換時間(導(dǎo)通+關(guān)閉時間)可以低至 10ms。任選地，可以使用鐵電或其他液晶。
本發(fā)明的偏振光柵的又一種示例應(yīng)用是偏振器，其可以接收非偏振光并且至少對于窄帶波長以高于50%的效率將它轉(zhuǎn)變成偏振光。
偏振器的一種實施方案在圖11中顯示，并且包括具有用兩個正交圓形疊加光束記錄的周期性光軸圖案的第一偏振光柵121，其用來將入射的非偏振光衍射成每個具有大約50%效率的兩個正交圓形偏振光束。
第一光束經(jīng)過透明媒介，直到它碰到具有與第一偏振光柵相比的反向列相指向矢圖案的第二偏振光柵122。第二光束在定向反射面，例如其法線垂直于光柵的法線的平面鏡 123上反射。一旦反射，第二光束將其方向和偏振分別改變成第一光束的方向和偏振。在反射之后，第二光束也碰到第二偏振光柵。
兩個光柵121，122之間的距離依賴于兩個光束的衍射角，但是，其優(yōu)選地足夠大， 使得僅一個光束從第一光柵碰到第二光柵而不在鏡子中反射。此外，優(yōu)選地第二光柵足夠大，以收集由第一光柵衍射的所有光束。
現(xiàn)在具有相同方向和偏振的兩個光束由第二偏振光柵衍射成圓形偏振光，并且通過垂直軸射出第二光柵。光通量是不變的，但是光束面積擴(kuò)大了。但是，這可以使用透鏡系統(tǒng)聚焦回來。使用四分之一板，射出第二光柵的準(zhǔn)直圓形偏振光可以以高效率轉(zhuǎn)換成線性偏振光。
偏振器的另一種實施方案在圖12中顯示。具有線性偏振的螺旋光軸圖案的偏振光柵125用來將非偏振光入射成每個具有大約50%效率的兩個正交圓形偏振光束。
高傾斜的單軸雙折射層126(傾斜延遲器)布置在兩個光束的路徑上，以轉(zhuǎn)變一個光束的偏振手性，使得兩個光束在通過傾斜延遲器之后具有相同偏振，但是處于發(fā)散的方向。
然后，這兩個光束的每個通過棱鏡127發(fā)散回到偏振光柵的垂直方向上，形成具有擴(kuò)大的光束面積的圓形偏振光束的準(zhǔn)直光束。并且在該實施方案中，透鏡系統(tǒng)可以用來收集和聚焦射出偏振器的光束。
用于發(fā)散光束的棱鏡可以包含在一片對稱棱鏡中，如圖12中所示的。
本發(fā)明的偏振光柵的又一種示例應(yīng)用涉及分束器，并且特別地涉及這樣的分束器，其包括多于一個偏振光柵的組件以獲得高衍射角，例如> 45°，而沒有對于小光柵間距的要求。
如果單個光柵用于該情況，那么需要小于Iym的間距，根據(jù)光柵方程(對于第一級以及空氣中的光柵) Sin(0IN)+Sin(0OUT) = λ/Λ (VI) 如果兩個單獨(dú)的光柵組合(具有光柵間距A1和A2)并且光束垂直入射，那么整個光柵方程變成 Sin( θ ουτ) = λ Φ(1/A1+!/A2) (VII) 這樣，僅僅通過層積兩個或多個光柵(而不是通過減小間距)，在右手側(cè)的項可以變得更大。
分束器的一種實施方案在圖13中顯示，并且包括第一偏振光柵131以及布置在第一偏振光柵上的第二偏振光柵132，兩個光柵都具有用兩個正交圓形疊加光束記錄的周期性光軸圖案。但是，第一偏振光柵131的手性與第二偏振光柵132的手性相對，以便實現(xiàn)光線發(fā)散。
第一光柵131以公式(VI)所定義的角度(分別是正的和負(fù)的)將入射的非偏振光衍射成第一左手圓形偏振分量(第+1級衍射)以及第二右手圓形偏振分量(第-1級衍射)。
具有相反手性的第二光柵132以公式(VI)所定義的角度將來自第一光柵的第一左手分量衍射成右手分量，并且將第二右手分量衍射成左手分量。這兩個光柵的組合給出非常高的總衍射角。
根據(jù)該實施方案的分束器還可以包括另外的偏振光柵，以形成交替手性的偏振光柵的堆疊。
此外，一個或多個偏振光柵可以是如上所述的可切換偏振光柵，以允許分束器導(dǎo)通和關(guān)閉，或者調(diào)諧到期望顏色的光的衍射。
本發(fā)明的偏振光柵的又一種示例應(yīng)用處于安全裝置領(lǐng)域。
偏振光柵可以以多種方式用于安全裝置。除了因其新穎的偏振相關(guān)衍射性質(zhì)而僅僅嵌入發(fā)明的偏振光柵本身作為安全裝置之外，至少還有兩種方法形成具有至少三個安全 “級別”的安全裝置。
在這種安全裝置的第一實施方案中，透射和衍射圖像可以二進(jìn)制方式形成圖案以呈現(xiàn)例如生物圖像、連合活字或文字?jǐn)?shù)字信息。安全裝置以及該實施方案的基本操作在圖 14中顯示。透明膜141形成不同疇的圖案，其中至少一個疇142形成期望圖像，在圖14中由文本“TU/e”表示。
形成圖像的膜的疇包括第一偏振光柵，例如具有用線性偏振的兩個正交圓形疊加光束記錄的周期性光軸的偏振光柵。
當(dāng)用白光或單色光照射膜時，嵌入的圖案(在該實施方案中“TU/e”)將出現(xiàn)在不同路徑中的第0級、第+1級和第-1級衍射方向上。在該實施方案中，字母對應(yīng)于具有通過正交圓形光束形成的本發(fā)明的偏振光柵的疇142。這些疇將入射光強(qiáng)烈地衍射到士 1級中， 并且導(dǎo)致暗字母在第0級中。該黑字母可以設(shè)置成某個顏色范圍，這依賴于偏振光柵的延遲。不形成圖像的疇143對應(yīng)于用均勻排列的LC布局(不是光柵)形成的區(qū)域，所以它根本不衍射。
因此，該實施方案形成安全裝置，其可以用二進(jìn)制(半調(diào)色)圖像形成圖案。對于安全特征，下面的特征使該實施方案不同于的先前光柵設(shè)計(a)最多三個衍射圖像是可能的；(b)所有級都以遵循偏振光柵的性質(zhì)的非常均勻和可控的方式偏振。
所有三個主要安全“級別”適用于該技術(shù)?？梢杂寐阊酆痛怪惫饪吹桨踩卣?“級別1”)，可以用偏振激光看到它以及探測到偏振狀態(tài)(“級別2”)，以及可以用光譜儀測量整個光譜性質(zhì)(“級別3”)。也可以有更復(fù)雜的方法。
在安全裝置的第二實施方案中，衍射圖像的局部偏振狀態(tài)可以形成圖案。作為根據(jù)該第二實施方案的安全裝置的偏振光柵的操作在圖15中概述。
在該實施方案的透明膜151中，背景即不形成圖像的膜的疇153也是偏振光柵，但具有不同的光軸圖案。例如，非圖像形成疇153可以是具有通過用兩個正交圓形偏振光束記錄而形成的光軸圖案的偏振光柵，而圖像形成疇152可以是具有通過用兩個正交線性偏振光束記錄而形成的光軸圖案的偏振光柵。
用白光或單色光照射膜，并且嵌入的圖案(“TU/e”)將首先朦朧地出現(xiàn)在第+1級和第-1級衍射圖像中(圖15a)。一旦偏振器放置到衍射圖像中，高對比度圖像出現(xiàn)(圖 15b)。
可以在該實施方案中通過每個區(qū)域中的偏振光柵的選擇而形成衍射圖像灰度級。 也可以對于更高級別(>第二衍射級別)設(shè)計該特征。
在該實施方案中，字母對應(yīng)于具有由正交線性光束形成的偏振光柵的區(qū)域。該區(qū)域?qū)⑷肷涔膺m度地衍射到士 1級中。非字母背景對應(yīng)于用正交圓形光束形成的區(qū)域，并且以比字母區(qū)域更強(qiáng)的方式衍射入射光。兩個區(qū)域都以相同的方式影響第0級，并且不影響第0級的偏振狀態(tài)，所以該圖像以均勻的灰度出現(xiàn)。
安全特征的該第二實施方案可以形成灰度級圖像的圖案，其中與上面實施方案相同的特征使這點(diǎn)不同于所有給出的安全特征，包括(a)三個或更多衍射圖像是可能的； (b)所有級都以遵循記錄設(shè)置的性質(zhì)的非常均勻和可控的方式偏振。
所有三個主要安全“級別”適用于該技術(shù)。可以用裸眼和垂直光看到安全特征(“級別1”)，可以用偏振激光看到它以及探測到偏振狀態(tài)(“級別2”)，以及可以用光譜儀測量整個光譜性質(zhì)(“級別3”)。
現(xiàn)在將在下面的非限制性例子中進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實例 實例1 單層偏振光柵的制造 為了獲得偏振光柵，將光定向材料Vantico Star-Align 2110旋拋到硼硅酸玻璃襯底上以形成薄的 50nm的薄膜。
玻璃襯底上放置UV吸收器、聚碳酸酯片和折射率匹配液體膜，以最小化背面反射。
然后，光定向膜在標(biāo)準(zhǔn)全息設(shè)置中暴露給 9J/cm2下的351nm的兩個疊加激光束，一個右手且一個左手圓形偏振，每個具有分離這兩個光束的入射角，一個角度是 1.18°，一個角度是2.36°。從而，在該全息設(shè)置中形成的偏振全息記錄到光定向膜中。
在光定向?qū)由?，旋?Convac旋涂器，在2500rmp下進(jìn)行60s)可聚合的液晶組分 (RMM34共熔混合物，Merck)，產(chǎn)生大約1.4μπι的層厚度。為了使液晶組分對準(zhǔn)定向圖案， 在70°C下在熱板上將具有組分的襯底退火30s。其后，液晶組分在氮?dú)猸h(huán)境下用UV光聚合(用Oriel燈在2. 5ff/m2下曝光，在室溫下進(jìn)行2min，然后在90°C下進(jìn)行2min)，以形成 1. 87 μ m厚的固態(tài)膜，其中介晶的光軸、向列相指向矢表現(xiàn)出周期性重復(fù)的“螺旋”圖案。
作為結(jié)果的偏振光柵放置到兩個交叉偏振器之間，并且其照片在圖3b中顯示。亥Ij 度是10 μ m,并且測出光柵周期Λ為 8. 1 μ m。
實例2 雙層偏振光柵的制造 如同實例1，制造偏振光柵，但是以角度6. 70°分離光束。
在光定向?qū)由?，排列并聚合可聚合的介晶組分(RMM34，如同實例1中)，以形成 1 μ m厚的固態(tài)膜，其中光軸表現(xiàn)出重復(fù)的螺旋圖案。
在第一介晶組分聚合之后，第二介晶組分(RMM34，如同上面)涂敷到第一介晶組分上，由此其對準(zhǔn)第一組分的重復(fù)螺旋光軸圖案并且聚合，以形成1. 2μπι厚的固態(tài)層。
作為結(jié)果的雙層膜放置到交叉偏振器之間，并且其照片在圖5b中顯示，其中刻度是10 μ m，并且光柵周期Λ是 3 μ m。
所形成的偏振光柵的總厚度d是2. 2 μ m，因此該膜大大超越d < Λ /2的近似限制。
已經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展該實驗，以布置多于20個液晶組分在彼此之上，在作為結(jié)果的光柵中具有高的光學(xué)質(zhì)量。
實例3 可切換的偏振光柵 兩個硼硅酸玻璃襯底涂敷上如同實例1中的光定向膜，并且布置成定向膜彼此面對的緊密單元結(jié)構(gòu)。單元間距為5. 1 μ m。單元填充上環(huán)己烷，然后在標(biāo)準(zhǔn)的全息設(shè)置中，暴露給在 lOJ/cm2下的351nm的兩個疊加激光束，一個右手且一個左手圓形偏振，以2. 28° 的角度分離兩個光束。
因此，在該全息設(shè)置中形成的偏振全息記錄到兩個光定向膜中。從單元中蒸發(fā)環(huán)己烷，并且單元隨后填充上液晶組分(E7，Merck)，其由這兩個定向膜調(diào)準(zhǔn)。
透明電極布置到每個襯底的外側(cè)上，并且633nm的光通過單元。第一級衍射效率測出為單元上的電壓的函數(shù)。OV 12V的某些電壓的結(jié)果在圖16中顯示，并且如所示的， 第一級衍射效率容易控制在 0至 100%之間。
權(quán)利要求
1.一種偏振光柵，包括偏振敏感光定向?qū)?2)和布置在所述定向?qū)?2)上的液晶組分 (3)，其中對應(yīng)于偏振全息的各向異性定向圖案布置在所述光定向?qū)又?，并且所述液晶組分 (3)由所述定向圖案調(diào)準(zhǔn)，并且其中液晶組分具有由以下公式確定的層厚度d d 彡 Clmax= A/2其中d是層的厚度，并且Λ是偏振光柵的間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的偏振光柵，其中所述各向異性定向圖案的定向方向沿著定向?qū)拥?平面中的至少一根線是周期性的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的偏振光柵，其中定向方向表現(xiàn)出周期性變化，其在一個周期上對 應(yīng)于沿著龐加萊球上的圓的偏振方向的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的偏振光柵，其中所述定向方向變化對應(yīng)于線性偏振的偏振方 向的變 化。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個的偏振光柵，其中所述液晶組分包括可聚合的介晶。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個的偏振光柵，其中所述液晶組分至少部分聚合。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個的偏振光柵，至少包括第一(3)和第二(13)液晶組分， 其中所述第一液晶組分(3)布置在所述定向?qū)?2)上并由其調(diào)準(zhǔn)并且至少部分聚合，并且 其中所述第二液晶組分(13)布置在所述第一液晶組分(3)上并且由其調(diào)準(zhǔn)，并且其中兩個 液晶組分具有由以下公式確定的層厚度d d 彡 Clmax= A/2其中d是層的厚度，并且Λ是偏振光柵的間距。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個的偏振光柵，包括提供有化學(xué)鍵的各向異性定向圖案的 兩個光定向?qū)?2，12)，所述光定向?qū)訆A置并調(diào)準(zhǔn)所述液晶組分(3)和/或(13)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個的偏振光柵，其中所述液晶組分(3)和/或(13)還包 括選自吸收染料、熒光染料、電致發(fā)光染料，以及具有各向異性形狀和/或光譜性質(zhì)的納米 /微米顆粒，以及它們的任意組合的功能化合物。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個的偏振光柵，還包括用于在所述液晶組分(3)和/或 (13)中建立電場和/或磁場的裝置。
11.一種偏振光柵，包括第一偏振光柵(71，73)以及布置在所述第一偏振光柵上的第 二偏振光柵(72，75)，其中所述第一偏振光柵表現(xiàn)出第一光軸圖案，其中所述第二偏振光 柵表現(xiàn)出第二光軸圖案，所述第二光軸圖案在所述光柵的平面內(nèi)以30 60°的角度向所 述第一光軸圖案旋轉(zhuǎn)，并且其中所述第一和所述第二偏振光柵的至少一個是根據(jù)權(quán)利要求 1 10的任一個的偏振光柵。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的偏振光柵，其中膽留型液晶組分布置在所述第一液晶組分(3)和 所述第二液晶組分(13)之間，其中所述膽留型液晶組分表現(xiàn)出30 60°的扭曲。
13.—種顯示裝置，包括光源(115)和根據(jù)權(quán)利要求8的偏振光柵，以及用于在所述偏 振光柵中施加電場的電極裝置(104，114)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的顯示裝置，其中所述電極裝置(104，114)形成多個疇(105， 106)的圖案，每個疇是可被獨(dú)立訪問的。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的顯示裝置，包括布置所述光源和所述偏振光柵之間的濾色 器(107)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13 15的任一個的顯示裝置，包括用于阻擋由所述偏振光柵衍射成 除了第O衍射級之外的衍射級的光的裝置。
17.一種偏振器，包括布置成將入射光束衍射成第一偏振和第一方向的第一衍射光束 以及第二偏振和第二方向的第二衍射光束的，根據(jù)權(quán)利要求1 12的任一個的偏振光柵 (121，125)，用于將所述第二光束的偏振轉(zhuǎn)變成所述第一光束的偏振的裝置，以及用于將所 述第一和所述第二光束準(zhǔn)直的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的偏振器，其中用于將所述第二光束的偏振轉(zhuǎn)變成所述第一光束 的偏振的所述裝置，以及用于將所述第一和所述第二光束準(zhǔn)直的所述裝置包括定向反射面 (123)，其布置成將所述第二衍射光束的至少一部分反射到與所述第一衍射光束的方向平 行的方向上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的偏振器，其中用于將所述第一和所述第二光束準(zhǔn)直的所述裝置 還包括偏振光柵(122)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的偏振器，其中用于將所述第二光束的偏振轉(zhuǎn)變成所述第一光束 的偏振的所述裝置包括延遲器，并且用于將所述第一和所述第二光束準(zhǔn)直的所述裝置包括 至少一個棱鏡(127)。
21.一種分束器至少包括第一偏振光柵(131)以及布置在所述第一偏振光柵上的第二 偏振光柵(132)，其中所述第一偏振光柵表現(xiàn)出第一手性的第一光軸圖案，并且所述第二偏 振光柵表現(xiàn)出第二手性的第二光軸圖案，所述第二手性與所述第一手性相對，并且其中所 述第一和第二偏振光柵的至少一個是根據(jù)權(quán)利要求1 12的任一個的偏振光柵。
22.一種透明膜至少包括第一疇(141，151)和第二疇(143，153)，其中至少所述第一疇 (141，151)包括第一光軸圖案的偏振光柵，并且其中所述第一和第二偏振光柵的至少一個 是根據(jù)權(quán)利要求1 12的任一個的偏振光柵。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的透明膜，其中所述第二疇(143，153)包括第二光軸圖案的第二 偏振光柵。
全文摘要
一種包括偏振敏感光定向?qū)?2)和布置在所述定向?qū)?2)上的液晶組分(3)的偏振光柵。對應(yīng)于全息偏振圖案的定向圖案記錄到光定向?qū)又?，并且液晶組分排列在光定向?qū)由?。因為液晶組分的定向來源是記錄到光定向?qū)又械钠袢D，所以可以用該方法獲得基本上無缺陷的圖案。
文檔編號G02B27/28GK101846811SQ20101014317
公開日2010年9月29日 申請日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月1日
發(fā)明者麥克爾·J.·埃斯卡蒂, 卡洛斯·桑切斯, 科尼里斯·W.·M.·巴斯蒂安森, 迪克·J.·布爾 申請人:荷蘭聚合物研究所