用于寬帶偏振變換的多扭曲延遲器及相關(guān)制造方法
【專利摘要】一種光學(xué)元件包括具有相應(yīng)局部光軸的至少兩個(gè)堆疊雙折射層，所述相應(yīng)局部光軸在所述至少兩層的相應(yīng)厚度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)扭曲角，并且沿著所述至少兩層之間的相應(yīng)界面對準(zhǔn)。相應(yīng)扭曲角和/或相應(yīng)厚度不同。所述至少兩個(gè)堆疊雙折射層可以是液晶聚合物光學(xué)延遲器層。還討論了相關(guān)設(shè)備和制造方法。
【專利說明】用于寬帶偏振變換的多扭曲延遲器及相關(guān)制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用:
本申請是美國專利申請12/596，189的部分延續(xù)，其為具有2008年4月16日的國際申請日的PCT國際申請N0.PCT/US2008/004888的35 USC § 371國家階段申請，該P(yáng)CT國際申請要求 2007 年 4 月 16 日提交的題為 “Low-Twist Chiral Liquid Crystal PolarizationGratings and Related Fabrication Methods (低扭曲手性液晶偏振光柵及相關(guān)制造方法)”的美國臨時(shí)專利申請N0.60/912, 044的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用如同在其全部中陳述的那樣在此并入本文中。本申請還在35 U.S.C.§ 119之下要求2011年10月7日提交的題為“Mult1-Twist Retarders For Broadband Polarization Transformation AndRelated Fabrication Methods (用于寬帶偏振變換的多扭曲延遲器及相關(guān)制造方法)”的美國臨時(shí)專利申請N0.61/544，936的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用以其全部并入于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及偏振變換和相關(guān)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]通過指定波的電場在振蕩的一個(gè)周期上在空間點(diǎn)處的定向來描述光的偏振。偏振變換使用在許多光學(xué)設(shè)備中，包括但不限于，液晶顯示器(LCD)、光學(xué)存儲(chǔ)裝置(例如CD/DVD/藍(lán)光)、3D電影院、光學(xué)遙感以及光纖網(wǎng)絡(luò)?？梢跃_控制以用于在波長的寬范圍上的入射光的偏振變換被稱作寬帶(或消色差的)偏振變換，并且可以用在牽涉人類感知或不同波長處的多個(gè)同步通道的應(yīng)用中。
[0004]偏振是光的非標(biāo)量的量，其可以是完全偏振、部分偏振或不偏振。描述偏振的一種方式是斯托克斯(Stokes)矢量，其將可能的偏振狀態(tài)描述為四個(gè)強(qiáng)度=S=BciS1S2S3]τ。變換偏振的光學(xué)元件可以用最常被布置成4x4米勒矩陣M的16個(gè)參數(shù)來描述。因此，輸入偏振Sin可以通過以下關(guān)系=Stot=M.Sin變換成輸出偏振Sot。對于在本上下文中使用的幾乎所有雙折射部件，矩陣M的元素中的許多可以隨波長強(qiáng)烈地變化，這可能使寬帶偏振變換具有挑戰(zhàn)性。提供偏振變換的元件的一些示例是四分之一波長(quarterwave)延遲元件(其可以被用于將具有線偏振的光變換至圓偏振，或者反之亦然)，以及半波延遲元件(其可以將具有線偏振的光變換至不同的線偏振方向，或者反之亦然)。
[0005]窄帶(或強(qiáng)烈色差的)偏振變換可以通過具有單軸雙折射率的均勻延遲器來實(shí)現(xiàn)，典型地稱為 波片。這些波片具有隨著波長強(qiáng)烈變化的相位延遲(即 二2_ν...%:)(Μ2πΔ?€?/λ,其中Λη = (Ui^nlJ為雙折射率)和不隨波長強(qiáng)烈變化的沿異常指標(biāo)方向(extraordinary index direction)的光軸。波片可以由各式各樣的材料形成,包括但不限于，雙折射晶體、拉伸的聚合物膜以及液晶層。
[0006]寬帶偏振變換可以通過以使得其快和慢光軸相對的方式組合由不同材料形成的至少兩個(gè)波片來實(shí)現(xiàn)。該途徑可以依賴于在材料雙折射率的色散中具有適當(dāng)差異。例如，結(jié)晶石英和氟化鎂波片可以用于寬帶偏振變換。然而，除了涉及性能的其它限制以外，這樣的天然礦物或生長晶體的可用性以及這樣的元件的尺寸和成本在許多情況下可能是阻礙性的。
[0007]可替換地，寬帶偏振可以通過使用典型地由相同材料形成的兩個(gè)或更多個(gè)離散波片來實(shí)現(xiàn)，其中波片的光軸定向和單獨(dú)延遲不是經(jīng)常正交的。該技術(shù)的一些示例牽涉三個(gè)波片，但是還可能實(shí)現(xiàn)具有兩個(gè)、五個(gè)、六個(gè)或更多波片的實(shí)施例。雖然這些波片可以由許多類型的可用雙折射膜(諸如上文提及的用于窄帶波片的那些，包括液晶層)形成，但是可能必需將每個(gè)離散波片就其本身而言形成為物理分離的元件，并且于是隨后以相對于其它元件的高精度水平對每個(gè)分離的元件進(jìn)行組裝。除其它限制以外，該途徑可能相當(dāng)大地添加制造成本，可能經(jīng)常導(dǎo)致厚(即，數(shù)mm或cm)部件，并且可能造成受約束的孔徑張角(angular aperture)。
[0008]寬帶偏振變換元件的附加類別包括單個(gè)非均勻雙折射層，其典型地由具有并非貫穿厚度而一致的局部光軸的單軸雙折射材料形成。這些雙折射層已經(jīng)被使用在LCD和其它光學(xué)設(shè)備中。這些雙折射層可以形成可尋址層，諸如90°扭曲的向列(TN)和超扭曲的向列(STN)IXD，以及具有正和負(fù)雙折射率的補(bǔ)償膜。雖然這些雙折射層可以充當(dāng)偏振變換元件(通常具有一些消色差行為)，但是它們可能具有關(guān)于可以變換的輸入和輸出偏振類型的限制。例如，90° -TN和STN雙折射層僅僅可以將線偏振變換至近線偏振，并且許多補(bǔ)償膜可能僅僅對偏振做出小調(diào)整。而且，單個(gè)扭曲層可以用作延遲器以在相對狹窄的帶寬范圍上部分地將圓偏振轉(zhuǎn)換至線偏振(對于單個(gè)波長)。雖然該單個(gè)扭曲層可以與膽留偏振器組合，但這些元件可以分離地形成并且隨后與彼此組裝，從而類似地造成關(guān)于制造成本、厚度、性能等的問題。
[0009]扭曲層的組合也已被用于寬帶偏振變換。例如，美國專利N0.6，765，635描述了在單軸半波層的任一側(cè)上的兩個(gè)135°扭曲向列層可以被采用作為電控偏振調(diào)制器。在另一情況下，通過使用分離制造并隨后組裝的兩個(gè)扭曲向列盒(nematic cell)來提供寬帶四分之一波長延遲器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本文所描述的本發(fā)明的一些實(shí)施例，光學(xué)膜包括第一光學(xué)層，其中相應(yīng)的局部光軸在限定于第一光學(xué)層的相對面之間的第一厚度上旋轉(zhuǎn)第一扭曲角，以及第二光學(xué)層，其中相應(yīng)的局部光軸在限定于第二光學(xué)層的相對面之間的第二厚度上旋轉(zhuǎn)第二扭曲角。例如，第一層的局部各向異性可以在第一厚度上具有第一連續(xù)可變相移，第二層的局部各向異性可以在第二厚度上具有第二連續(xù)可變相移。在一些實(shí)施例中，第一和第二層(以及因而，它們的局部光軸)的分子的相應(yīng)相對定向沿著其間的界面對準(zhǔn)。
[0011]在一些實(shí)施例中，第一和第二光學(xué)層可以是第一和第二延遲器層，其更改由此穿過的光的偏振狀態(tài)而在寬帶波長范圍上基本上不影響其傳播方向。例如，第一和/或第二光學(xué)層的分子的相對定向在橫向維度上可以基本上一致，以便基本上不更改由此穿過的光的傳播方向。在其它實(shí)施例中，第一和/或第二光學(xué)層的分子的相對定向可以在橫向維度上連續(xù)變化。
[0012]在一些實(shí)施例中，第一和第二層可以被組裝以限定單片結(jié)構(gòu)。例如，第二光學(xué)層可以直接在第一光學(xué)層上，并且第二光學(xué)層的分子可以通過第一光學(xué)層的分子對準(zhǔn)。[0013]在一些實(shí)施例中，光學(xué)膜可以包括具有在其中限定基本上一致的疇(domain)的對準(zhǔn)條件的對準(zhǔn)表面。對準(zhǔn)表面可以基本上不影響由此行進(jìn)的光的局部偏振狀態(tài)。第一光學(xué)層可以直接在對準(zhǔn)表面上，并且第一層的分子可以根據(jù)對準(zhǔn)表面的對準(zhǔn)條件來對準(zhǔn)。第一層、第二層和/或?qū)?zhǔn)表面可以基本上是透明的。
[0014]在一些實(shí)施例中，第一光學(xué)層可以是其中包括具有第一搶向(twist sense)的手性液晶分子的第一手性液晶層，并且第二光學(xué)層可以是其中包括具有第二捻向的手性液晶分子的第二手性液晶層。在一些實(shí)施例中第一捻向可以與第二捻向相同或相反。
[0015]在一些實(shí)施例中，第一和第二厚度不同。在一些實(shí)施例中，第一和第二扭曲角不同。例如，在一些實(shí)施例中，第二扭曲角可以為大約O度，并且第一扭曲角可以大于或小于O度,或者反之亦然。
[0016]在一些實(shí)施例中，第一和第二光學(xué)層中的至少一個(gè)可以是聚合的或可聚合的液晶層。在其它實(shí)施例中，第一和第二光學(xué)層中的至少一個(gè)可以是非反應(yīng)性可切換液晶層。在一些實(shí)施例中，第一和第二光學(xué)層中的至少一個(gè)可以是可切換液晶層，其可以在基本上不影響由此行進(jìn)的光的偏振的第一狀態(tài)與反轉(zhuǎn)或者以別的方式更改由此行進(jìn)的光的偏振的第二狀態(tài)之間切換。
[0017]在一些實(shí)施例中，第一和/或第二扭曲角和/或第一和/或第二厚度被配置成在寬帶波長范圍上提供四分之一波長延遲。在一些實(shí)施例中，第一和/或第二扭曲角和/或第一和/或第二厚度被配置成在寬帶波長范圍上提供半波延遲。寬帶波長范圍可以包括可見波長的范圍，例如大約400nm (納米)到大約800nm。在其它實(shí)施例中，寬帶波長范圍可以包括近紅外范圍(例如，大約IOOOnm到大約1600nm)、中波紅外范圍(例如，大約4000nm到大約10，OOOnm)、或紫外范圍(例如，大約180nm到大約400nm)。延遲在特定波長范圍上可以是基本上消色差的，或者波長范圍的不同區(qū)域可以具有不同的延遲。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施例，一種形成光學(xué)膜的方法包括形成其中包括對準(zhǔn)圖案的對準(zhǔn)表面，以及形成具有分子結(jié)構(gòu)的第一光學(xué)層，其中分子相應(yīng)的相對定向在限定于第一光學(xué)層的相對面之間的第一厚度上旋轉(zhuǎn)第一扭曲角。第一層的分子依照對準(zhǔn)表面的對準(zhǔn)圖案沿著其間的界面而對準(zhǔn)。第二光學(xué)層形成在第一光學(xué)層的與對準(zhǔn)層相對的表面上。第二光學(xué)層具有分子結(jié)構(gòu)，其中分子相應(yīng)的相對定向在限定于第二光學(xué)層的相對面之間的第二厚度上旋轉(zhuǎn)第二扭曲角。第二光學(xué)層的分子基于第一光學(xué)層的表面而對準(zhǔn)，使得第一和第二層的分子相應(yīng)的相對定向沿著其間的界面而對準(zhǔn)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的仍另外的實(shí)施例，雙折射延遲器包括具有空間一致的方位和傾角邊界條件的對準(zhǔn)表面，以及至少兩個(gè)廣義扭曲向列液晶層。第一層具有第一扭曲角和厚度，并且第二層具有第二扭曲角和厚度，其中第一和第二扭曲角或者第一和第二厚度中的至少一個(gè)是不同的，并且其中第一和第二扭曲角中的至少一個(gè)不為零。第一層直接施加于對準(zhǔn)表面上并通過其對準(zhǔn)，并且第二層直接通過其在之上形成的第一層的表面而對準(zhǔn)，從而形成單片結(jié)構(gòu)。
[0020]根據(jù)本文描述的本發(fā)明的一些實(shí)施例，光學(xué)元件包括多個(gè)堆疊的雙折射層，包括第一和第二堆疊的雙折射層，其具有在第一和第二層的相應(yīng)厚度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)扭曲角的相應(yīng)局部光軸。局部光軸沿著第一和第二層之間的界面對準(zhǔn)，并且相應(yīng)扭曲角和/或相應(yīng)厚度不同。例如，第一和第二堆疊雙折射層可以是分別被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿過的光的傳播方向的光學(xué)延遲器層。
[0021]在一些實(shí)施例中，第一和第二堆疊雙折射層的相應(yīng)局部光軸可以在沿著其間的界面的方向上是非周期的。例如，相應(yīng)的局部光軸可以在沿著界面的一個(gè)或多個(gè)不同區(qū)域中基本上一致，或者可以沿著界面連續(xù)變化。
[0022]在一些實(shí)施例中，第一和第二堆疊雙折射層的相應(yīng)局部光軸可以在沿著其間的界面的方向上基本上一致或不變。
[0023]在一些實(shí)施例中，第一和第二堆疊雙折射層直接在彼此上并且限定了單片結(jié)構(gòu)。
[0024]在一些實(shí)施例中，光學(xué)元件可以包括具有基本上一致的對準(zhǔn)條件的對準(zhǔn)表面。第一和第二堆疊雙折射層之一可以直接在對準(zhǔn)表面上，使得其相應(yīng)局部光軸根據(jù)對準(zhǔn)條件而對準(zhǔn)。
[0025]在一些實(shí)施例中，相應(yīng)的扭曲角可以具有相同或相反的捻向。在一些實(shí)施例中，相應(yīng)扭曲角可以在大小上基本上相等并且在捻向上相反。在一些實(shí)施例中，相應(yīng)扭曲角可以在大小上不同，并且扭曲角之一可以非零。
[0026]在一些實(shí)施例中，第一和第二堆疊雙折射層可以分別包括第一和第二鄰近區(qū)域。第一和第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸可以在第一和第二區(qū)域的每一個(gè)中沿著其間的界面基本上一致，但是在第一和第二區(qū)域中的相應(yīng)局部光軸可以不同。
[0027]在一些實(shí)施例中，第一和第二堆疊雙折射層可以包括第一液晶層和堆疊在其上的第二液晶層。第一和第二液晶層的相應(yīng)分子定向可以沿著其間的界面對準(zhǔn)，并且第一和第二液晶層中的至少一個(gè)可以是手性層。
[0028]在一些實(shí)施例中，第一和第二液晶層中的至少一個(gè)可以是聚合的液晶層。
[0029]在一些實(shí)施例中，第一和第二液晶層中的另一個(gè)可以是可切換的液晶層。
[0030]在一些實(shí)施例中，第三手性液晶層可以堆疊在第二液晶層上。
[0031]在一些實(shí)施例中，光學(xué)兀件此外可以包括線偏振器。第一和第二光學(xué)層可以堆疊在線偏振器上，在偏振器與光學(xué)層之間具有對準(zhǔn)表面或粘合層。
[0032]在一些實(shí)施例中，第一和第二光學(xué)層的相應(yīng)扭曲角和/或厚度可以被配置成提供在大約200nm或更大的寬帶波長范圍上基本上消色差的半波延遲。
[0033]在一些實(shí)施例中，第一和第二光學(xué)層的相應(yīng)扭曲角和/或厚度被配置成提供在大約200nm或更大的寬帶波長范圍上基本上消色差的四分之一波長延遲。
[0034]根據(jù)本文描述的本發(fā)明的另外的實(shí)施例，一種制造光學(xué)兀件的方法包括提供第一雙折射層，并且提供堆疊在第一雙折射層上的第二雙折射層。第一和第二雙折射層具有在其相應(yīng)厚度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)扭曲角并且沿著其間的界面對準(zhǔn)的相應(yīng)局部光軸，并且相應(yīng)扭曲角和/或相應(yīng)厚度不同。
[0035]在一些實(shí)施例中，第一和第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸可以在沿著其間的界面的方向上是非周期的。
[0036]在一些實(shí)施例中，第一和第二雙折射層可以是分別被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿過的光的傳播方向的光學(xué)延遲器層。
[0037]在一些實(shí)施例中，第一和第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸可以在沿著其間的界面的方向上基本上一致或不變。
[0038]在一些實(shí)施例中，第一和第二雙折射層可以限定單片結(jié)構(gòu)。例如，第一和第二雙折射層可以是液晶層，并且第二雙折射層可以直接形成在第一雙折射層上，使得其相應(yīng)的分子定向根據(jù)第一雙折射層的相應(yīng)分子定向沿著其間的界面而對準(zhǔn)。
[0039]在一些實(shí)施例中，在形成第一和第二雙折射層之前，可以形成具有非周期對準(zhǔn)條件的對準(zhǔn)表面。非周期的對準(zhǔn)條件可以包括一個(gè)或多個(gè)基本上一致的區(qū)域，或者可以是連續(xù)變化的。第一雙折射層可以直接形成在對準(zhǔn)表面上，使得其相應(yīng)的分子定向根據(jù)對準(zhǔn)條件而對準(zhǔn)。
[0040]在一些實(shí)施例中，第一雙折射層可以是可聚合的液晶層。第一雙折射層可以在其上形成第二雙折射層之前被光聚合到對準(zhǔn)表面上。
[0041]在一些實(shí)施例中，第三液晶層可以直接形成在第二雙折射層上，使得其相應(yīng)的局部光軸根據(jù)第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸沿著其間的界面而對準(zhǔn)。
[0042]在一些實(shí)施例中，對準(zhǔn)表面可以形成為包括連續(xù)變化的對準(zhǔn)條件。
[0043]在一些實(shí)施例中，對準(zhǔn)表面可以形成為在其鄰近的第一和第二區(qū)域中包括相應(yīng)的基本上一致的對準(zhǔn)條件，其中在對準(zhǔn)表面的第一和第二區(qū)域中的基本上一致的對準(zhǔn)條件不同。
[0044]因此，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了光學(xué)延遲器元件，其包括具有相應(yīng)的局部光軸的至少兩個(gè)堆疊的光學(xué)層，所述局部光軸在其相應(yīng)厚度上的方向上連續(xù)變化，并且在沿著其間的相應(yīng)界面的方向上對準(zhǔn)(但是可以或可以不變化)。
[0045]在本領(lǐng)域技術(shù)人員回顧以下附圖和詳細(xì)描述時(shí)，根據(jù)一些實(shí)施例的其它設(shè)備和/或方法將變得對其顯而易見。意圖在于，除了包括在本描述內(nèi)的以上實(shí)施例的任何和所有組合之外，所有這樣的附加實(shí)施例在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且受隨附權(quán)利要求保護(hù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的包括兩個(gè)或更多堆疊的雙折射層的光學(xué)延遲器元件的示意圖。
[0047]圖2A和2B是針對如圖1中所示的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的光學(xué)延遲器裝置在寬帶波長范圍上分別圖示了輸出S3參數(shù)和橢圓率的圖解。
[0048]圖3是針對根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三個(gè)示例光學(xué)元件在寬帶波長范圍上圖示了所測量橢圓率的圖解。
[0049]圖4A-4C是圖示了相比于寬帶四分之一波長參考膜，在不同偏振器布置之間的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三個(gè)光學(xué)元件的圖片。
[0050]圖5A是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的包括三個(gè)堆疊雙折射層的光學(xué)延遲器元件的示意圖。
[0051]圖5B和5C是針對如圖5A中所示的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)延遲器裝置分別圖示了輸出S3參數(shù)和橢圓率的圖解。
[0052]圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別圖示了通過在線偏振器上使用兩個(gè)和三個(gè)堆疊雙折射層所形成的圓偏振器的示意圖。
[0053]圖7A和7B是針對根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的包括兩個(gè)堆疊雙折射層的光學(xué)延遲器裝置分別圖示了輸出S3參數(shù)和橢圓率的圖解。
[0054]圖8是針對根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的兩個(gè)示例光學(xué)元件圖示了所測量橢圓率的圖解。
[0055]圖9A是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在對準(zhǔn)表面上包括兩個(gè)堆疊雙折射層的光學(xué)延遲器元件的示意圖，所述對準(zhǔn)表面包括具有基本上一致但不同的對準(zhǔn)條件的兩個(gè)或更多鄰近疇。
[0056]圖9B是圖示了如圖9A中所示的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的光學(xué)延遲器元件的輸出的圖片。
[0057]圖1OA和IOB是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在對準(zhǔn)表面上包括兩個(gè)和三個(gè)堆疊雙折射層的光學(xué)延遲器元件的示意圖，所述對準(zhǔn)表面包括連續(xù)變化的對準(zhǔn)條件。
[0058]圖11A-11C是圖示了針對一些商用光學(xué)膜的反射特性的圖解。
[0059]圖12A和12B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別圖示了包括兩個(gè)和三個(gè)堆疊雙折射層的光學(xué)延遲器元件的反射特性的圖解。
[0060]圖13是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的在單個(gè)基片和對準(zhǔn)層上包括兩個(gè)或更多個(gè)堆疊雙折射層的多扭曲延遲器元件的示意圖。
[0061]圖14A圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的雙層MTR設(shè)計(jì)。
[0062]圖14B圖示了由如圖14A中所示的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的雙層MTR提供在龐加萊(Poincare)球上的輸出斯托克斯分量。
[0063]圖15A圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三層MTR設(shè)計(jì)。
[0064]圖15B圖示了由如圖15A中所示的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三層MTR提供在龐加萊球上的輸出斯托克斯分量。
[0065]圖16A-16D是圖示了在與用于線(水平)輸入偏振的已知光學(xué)膜相比較時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的雙層四分之一波長MTR的輸出的圖解。
[0066]圖17A-17D是圖示了在與用于線(水平)輸入偏振的已知光學(xué)膜相比較時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三層四分之一波長MTR的輸出的圖解。
[0067]圖18A和18B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別圖示了雙層和三層線到線偏振變換設(shè)計(jì)的輸出的圖解。
[0068]圖18C和18D是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別圖示了雙層和三層圓到圓偏振變換設(shè)計(jì)的輸出的圖解。
[0069]圖19A-19D是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的形成多扭曲延遲器元件的示例制造過程的示意圖。
[0070]圖20A和20B是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別圖示了雙層和三層四分之一波長MTR的延遲的圖解。
[0071]圖21是比較了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的MTR的性能趨勢的直方圖。
[0072]圖22A和22B是圖示了在與用于線(水平)輸入偏振的已知光學(xué)膜相比時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三層四分之一波長MTR的輸出的圖解。
[0073]圖22C和22D是圖示了在與用于圓輸入偏振的已知光學(xué)膜相比時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的三層四分之一波長MTR的輸出的圖解。
【具體實(shí)施方式】
[0074]以下參照附圖更加全面地描述本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來具體化，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為受限于本文所陳述的實(shí)施例。相反地，這些實(shí)施例被提供來使得本公開將是透徹和完整的，并且將完全把本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在各圖中，層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸為了清楚起見可能被夸大。由始至終同樣的標(biāo)號是指同樣的元件。
[0075] 將理解的是，盡管術(shù)語第一、第二、第三等等在本文中可以被用來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或區(qū)段，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或區(qū)段不應(yīng)當(dāng)受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅僅用于將一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段從另一區(qū)域、層或區(qū)段中區(qū)分開來。因此，在不脫離于本發(fā)明的教導(dǎo)的情況下，以下所討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段可以被稱作第二元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段。
[0076]諸如“在……下方”、“在……下面”、“下部”、“在……之下”、“在……上面”、“上部”
等等之類的空間相對術(shù)語在本文中可以為了易于描述而被用來描述如圖中所圖示的一個(gè)元件或特征與另外的(多個(gè))元件或(多個(gè))特征的關(guān)系。將理解的是，空間相對術(shù)語旨在涵蓋除了圖中所描繪的定向之外的使用或操作中的設(shè)備的不同定向。例如，如果圖中設(shè)備被翻轉(zhuǎn)，則描述為在其它元件或特征“下面”或“下方”或“之下”的元件將會(huì)于是被定向成在其它元件或特征的“上面”。因此，示例性術(shù)語“在……下面”和“在……之下”可以涵蓋在上定向和在下定向二者。設(shè)備可以被另行定向(旋轉(zhuǎn)90度或以其它定向)并且本文中使用的空間相對描述符被相應(yīng)地解釋。另外，還將理解的是，當(dāng)層被稱為在兩層“之間”時(shí)，它可以是兩層之間的唯一層，或者還可以存在一個(gè)或多個(gè)中間層。
[0077]本文中所使用的術(shù)語僅僅是出于描述特定實(shí)施例的目的并且不旨在限制本發(fā)明。如本文中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“所述”旨在還包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另行清楚指示。此外將理解的是，術(shù)語“包括”和/或“包含”當(dāng)在本說明書中使用時(shí)指明規(guī)定的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或添加。如本文中所使用的，術(shù)語“和/或”包括關(guān)聯(lián)列舉項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的任何和所有組合。
[0078]將理解的是，當(dāng)元件或?qū)颖环Q為“在……上”、“連接到”、“耦合到”或“鄰近于”另一元件或?qū)訒r(shí)，它可以直接在所述另一元件或?qū)由稀⑦B接到、稱合到或鄰近于所述另一元件或?qū)樱蛘呖梢源嬖谥虚g元件或?qū)?。相比之下，?dāng)元件被稱為“直接在……上”、“直接連接到”、“直接耦合到”或“緊接鄰近于”另一元件或?qū)訒r(shí)，不存在中間元件或?qū)印?br> [0079]本文中參照橫截面圖示來描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述橫截面圖示為本發(fā)明的理想化實(shí)施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。因而，要預(yù)期到作為例如制造技術(shù)和/或容差的結(jié)果的從圖示形狀的變型。因此，本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)被解釋為受限制于本文中圖示的區(qū)域的特定形狀，而是將包括例如由制造導(dǎo)致的形狀偏離。因此，圖示在圖中的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的并且它們的形狀不旨在圖示設(shè)備區(qū)域的實(shí)際形狀并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。
[0080]除非另行限定，本文中所使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同意義。此外將理解的是，諸如在通常使用的字典中限定的那些之類的術(shù)語應(yīng)當(dāng)被解釋為具有這樣的意義:即所述意義與它們在相關(guān)領(lǐng)域和/或本說明書的上下文中的意義一致，并且將不在理想化或過度正式的意義上被解釋，除非本文中明確這樣限定。
[0081]本文中參照液晶(LC)材料描述了本發(fā)明的實(shí)施例。LC可以包括其中存在分子的有序布置的液體。典型地，LC分子可以是各向異性的，具有細(xì)長(桿狀)或扁平(盤狀)形狀。由于各向異性分子的排序，大量LC通常在其物理屬性上展現(xiàn)出各向異性，諸如在其機(jī)械、電、磁和/或光學(xué)屬性上的各向異性。如本文中所使用的，LC可以具有向列相、手性向列相、近晶相、手性近晶相(包括鐵電LC)和/或另外的相。作為桿狀或盤狀性質(zhì)的結(jié)果，LC分子的定向分布可以在諸如液晶顯示器(IXD)之類的光學(xué)應(yīng)用中扮演重要角色。在這些應(yīng)用中，LC對準(zhǔn)可以由對準(zhǔn)表面指示。可以處理對準(zhǔn)表面來使得LC相對于表面以可預(yù)測和可控制的方式對準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，對準(zhǔn)表面可以確保通過LC層的單疇。在其它實(shí)施例中，對準(zhǔn)表面可以提供遍及LC層的許多疇和/或許多不連續(xù)。
[0082]諸如摩擦或可光聚合的聚合物之類的許多聚合物可以被用作對準(zhǔn)層以創(chuàng)建本文中所描述的光學(xué)層。這些聚合物可以相對于LC是惰性的、應(yīng)當(dāng)在LC設(shè)備的操作溫度范圍上(例如，從大約-50°C到大約IO(TC)提供穩(wěn)定的對準(zhǔn)、并且應(yīng)當(dāng)與本文中所描述的制造方法兼容。可以用作本文中的對準(zhǔn)層的聚合物的一些示例包括聚酰亞胺、肉桂酸酯(cinnamate)、查耳酮環(huán)氧材料以及香豆素側(cè)鏈型聚酰亞胺。液晶對準(zhǔn)方法的附加示例也在Crawford等人的美國專利N0.7，196，758中被討論。此外，本文中所描述的一些結(jié)構(gòu)可以牽涉通過旋涂工藝和液晶材料的平衡的精確制造。
[0083]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，如本文中所使用的，“可聚合的液晶”可以指可以被聚合的相對低分子量液晶材料，并且還可以在本文中被描述為“活性液晶基元(reactivemesogen)”。相比之下，“非活性液晶”可以指不可以被聚合的相對低分子量液晶材料。而且，“透射性”或“透明”基片或元件可以允許入射光中的至少一些由此穿過。換言之，本文中所描述的透射性或透明元件不需要是完美透明的，并且可以具有各向同性或二向色性吸收特性和/或可以另行吸收入射光中的一些。在一些實(shí)施例中，透明基片可以是玻璃基片。相比之下，“反射性”基片或元件可以反射入射光中的至少一些。
[0084]本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了可以實(shí)現(xiàn)寬帶偏振變換的方法和設(shè)備，借此具有特定偏振的輸入光可以改變成目標(biāo)或所期望的偏振。這與通過常規(guī)偏振器元件實(shí)現(xiàn)的借以準(zhǔn)許所期望的偏振的光通過而不想要的光被吸收或重定向的偏振轉(zhuǎn)換形成對比。寬帶光的精確偏振變換可以用在許多應(yīng)用中，包括LCD、光學(xué)存儲(chǔ)裝置、雙折射光學(xué)器件、光學(xué)遙感和光纖網(wǎng)絡(luò)。使用單一雙折射元件(其分離形成并且隨后組裝)的單獨(dú)和多個(gè)堆疊的常規(guī)方法可能不能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的寬帶偏振變換性能，和/或不能容易地提供大的通光孔徑、小厚度和/或可接受的成本。
[0085]特別地，本文所描述的本發(fā)明的實(shí)施例提供了包括兩個(gè)或更多雙折射層的光學(xué)元件，在本文中被稱作多扭曲延遲器(MTR)，其提供了寬帶偏振變換的有效控制。例如，MTR可以包括至少兩個(gè)廣義向列液晶層在單個(gè)基本上一致的對準(zhǔn)表面上的布置，其中所述層中的至少一個(gè)具有在層的厚度上扭曲的向列引向器(即局部光軸)，并且其中后續(xù)層直接通過先前層的暴露表面來對準(zhǔn)。這允許不太復(fù)雜的制造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)層配準(zhǔn)，并且導(dǎo)致具有在其厚度上連續(xù)變化的局部光軸的單片膜。相比之下，在許多常規(guī)途徑中，層典型地分離形成并且隨后組裝，并且在一層的末尾處的扭曲角典型地不與下一扭曲層的起始角對準(zhǔn)或平行。
[0086]另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)形成單片雙折射片，其為所期望的幾乎任何波長、帶寬或入射角范圍實(shí)現(xiàn)良好受控的偏振變換，包括在關(guān)于中心波長(例如550nm)的大于約15% (例如lOOnm)、約35% (例如200nm)或更多的波長范圍上的寬帶(即消色差的)四分之一波長和半波延遲。在特定實(shí)施例中，可以使用兩層或三層來實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)良性能和潛在極低成本的寬帶四分之一波長和半波延遲。附加層可以使得能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)波長或視角的對偏振變換輪廓(profile)的甚至更精細(xì)的控制，這以類似于傅里葉級數(shù)中附加項(xiàng)的方式。在一些實(shí)施例中，這樣的附加層的使用可以允許MTR設(shè)計(jì)具有真實(shí)光軸，即，線偏振沿著其而被保持的方向。輸入和輸出偏振之間所期望的確切關(guān)系可以獨(dú)立于波長(如在本文中所描述的寬帶四分之一波長和半波示例中)，或者其可以是取決于應(yīng)用的波長的某種非恒定和非平凡函數(shù)(如在本文中所描述的補(bǔ)償膜和電信示例中)。由于其不太復(fù)雜的制造和多自由度，如本文所描述的MTR可以特別良好地適合于圖案化的消色差延遲器，并且可以實(shí)現(xiàn)可見直到紅外波長內(nèi)的大的帶寬和/或延遲的低變化。然而，雖然本文中參照相對寬的波長范圍上的消色差(或近似恒定)的延遲光譜進(jìn)行了一般描述，但是將理解，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的MTR可以不這樣被限制，并且可以被配置成提供在給定光譜的不同區(qū)域上的不同延遲。例如，非消色差延遲光譜的一個(gè)實(shí)施例將會(huì)是被配置成對于綠波長(例如落在對應(yīng)于綠顏色的可見光譜范圍內(nèi)的波長)提供近似半波延遲而對于紅和藍(lán)波長通過近似零延遲的MTR0在非消色差延遲光譜的另一實(shí)施例中，MTR可以被配置成對于較長波長(例如紅外)提供近似半波延遲并且對于較短波長(例如可見)提供不同的延遲。
[0087]相關(guān)美國專利申請N0.60/912，044也描述了一種消色差偏振變換，其使用在對準(zhǔn)表面上限定單膜或單片元件的兩個(gè)扭曲層。在其中描述的一些實(shí)施例中，對準(zhǔn)表面可以由偏振全息圖來圖案化，使得存在空間非一致的周期性圖案。因此，在那些實(shí)施例中所實(shí)現(xiàn)的對入射光的光學(xué)效應(yīng)是衍射(即，改變傳播方向)，而不是如由本文所描述的本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的延遲(即，改變偏振)。
[0088]如本文所描述的延遲器是雙折射元件，其可以通過誘發(fā)電磁波的正交電場分量之間的不同相移來變換偏振而基本上不影響傳播方向，并且其還被稱作波片。一些基本的延遲器可以通過均勻單軸雙折射率A?和厚度定義，并且可以具有相位延遲
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)兀件，包括: 具有相應(yīng)局部光軸的第一和第二堆疊雙折射層，所述相應(yīng)局部光軸在第一和第二層的相應(yīng)厚度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)扭曲角并且沿著第一和第二層之間的界面對準(zhǔn)， 其中相應(yīng)扭曲角和/或相應(yīng)厚度不同，并且其中第一和第二堆疊雙折射層的相應(yīng)局部光軸在沿著其間界面的方向上是非周期性的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二堆疊雙折射層包括分別被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿過的光的傳播方向的光學(xué)延遲器層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二堆疊雙折射層的相應(yīng)局部光軸在沿著其間界面的方向上基本上一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，其中第一和第二堆疊雙折射層直接堆疊在彼此上并且限定單片結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，此外包括: 其中具有基本上一致的對準(zhǔn)條件的對準(zhǔn)表面， 其中第一和第二堆疊雙折射層中的一個(gè)直接在對準(zhǔn)表面上，使得其相應(yīng)局部光軸根據(jù)對準(zhǔn)條件對準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所 述的光學(xué)元件，其中相應(yīng)扭曲角具有相同的捻向。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其中相應(yīng)扭曲角在大小上基本上相等并且在捻向上相反。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其中相應(yīng)扭曲角不同，并且其中扭曲角中的一個(gè)非零。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二堆疊雙折射層的相應(yīng)局部光軸在沿著其間界面的方向上連續(xù)變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二堆疊雙折射層分別包括第一和第二鄰近區(qū)域，其中第一和第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸在第一和第二區(qū)域中的每一個(gè)中沿著其間界面基本上一致，并且其中第一和第二區(qū)域中的相應(yīng)局部光軸不同。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二堆疊雙折射層包括堆疊在其上的第一液晶層和第二液晶層，其中第一和第二液晶層的相應(yīng)分子定向沿著其間界面對準(zhǔn)，并且其中第一和第二液晶層中的至少一個(gè)為手性層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)元件，其中第一和第二液晶層中的至少一個(gè)包括聚合的液晶層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)元件，其中第一和第二液晶層中的另一個(gè)包括可切換的液晶層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，此外包括堆疊在第二液晶層上的第三手性液晶層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，此外包括: 線偏振器， 其中第一和第二光學(xué)層堆疊在線偏振器上，在其間具有對準(zhǔn)層或粘合層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二光學(xué)層的相應(yīng)扭曲角和/或厚度被配置成提供在大約200nm或更大的寬帶波長范圍上基本上消色差的半波延遲。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中第一和第二光學(xué)層的相應(yīng)扭曲角和/或厚度被配置成提供在大約200nm或更大的寬帶波長范圍上基本上消色差的四分之一波長延遲。
18.—種制造光學(xué)元件的方法，所述方法包括: 提供第一雙折射層；以及 在第一雙折射層上提供第二雙折射層， 其中第一和第二雙折射層具有相應(yīng)局部光軸，所述相應(yīng)局部光軸在其相應(yīng)厚度上旋轉(zhuǎn)相應(yīng)扭曲角并且沿著其間界面對準(zhǔn)，其中相應(yīng)扭曲角和/或相應(yīng)厚度不同，并且其中第一和第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸在沿著其間界面的方向上是非周期性的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一和第二雙折射層包括分別被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿過的光的傳播方向的光學(xué)延遲器層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一和第二雙折射層的相應(yīng)局部光軸在沿著其間界面的方向上基本一致。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一和第二雙折射層限定單片結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中第一和第二雙折射層包括液晶層，并且其中提供第二雙折射層包括: 直接在第一雙折射層上形成第二雙折射層，使得其相應(yīng)分子定向根據(jù)第一雙折射層的相應(yīng)分子定向沿著其間界面來對準(zhǔn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，此外包括在形成第二雙折射層之前的以下各項(xiàng): 形成具有非周期性對準(zhǔn)條件的對準(zhǔn)表面；以及 直接在對準(zhǔn)表面上形成第一雙折射層，使得其相應(yīng)分子定向根據(jù)對準(zhǔn)條件沿著與對準(zhǔn)表面的界面來對準(zhǔn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中第一和第二雙折射層中的至少一個(gè)包括手性液晶層。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中第一雙折射層包括可聚合的液晶層，并且所述方法此外包括: 在其上形成第二雙折射層之前在對準(zhǔn)表面上光聚合第一雙折射層。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，此外包括: 直接在第二雙折射層上形成第三液晶層，使得其相應(yīng)分子定向根據(jù)第二雙折射層的相應(yīng)分子定向沿著其間界面對準(zhǔn)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中形成對準(zhǔn)表面包括: 形成對準(zhǔn)表面以包括連續(xù)變化的對準(zhǔn)條件。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中形成對準(zhǔn)表面包括: 形成對準(zhǔn)表面以在其鄰近的第一和第二區(qū)域中包括基本上一致的對準(zhǔn)條件，其中在對準(zhǔn)表面的第一和第二區(qū)域中基本上一致的對準(zhǔn)條件不同。
【文檔編號】G02F1/33GK103959159SQ201280060131
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年10月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月7日
【發(fā)明者】M.J.埃斯庫蒂, R.K.科曼杜里, K.F.小勞勒 申請人:北卡羅萊納州立大學(xué)