专利名称：制造光学元件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有至少一个光取向聚合物层的光学元件，具体涉及用于制造这种元件的方法和装置。
背景技术：
美国专利No.5389698公开了一种用于制造取向聚合物的方法，其中利用线性偏振光照射可光聚合光学各向同性聚合物材料层，以使层中分子取向和聚合，从而获得取向光聚合物。
取向光聚合物可用于各种光学和电光器件中，例如用于制造液晶单元。已经提出了取向光聚合物可形成多层光学元件的一部分，所述光学元件可用作防伪和防复制的安全装置。美国专利No.6160597公开了这样的多层光学元件和制造方法，该多层光学元件具有至少一个施加在基材上的光取向聚合物层，并且在光取向层上施加有非交联液晶单体层，所述液晶单体层分子具有下面的光取向层的取向，然后单体交联以形成分子取向被固定的液晶聚合物。这种光学元件还可以包括附加层例如其它取向层和液晶层、光学延迟器以及反射或偏振层以形成更复杂的多层结构。
在美国5389698和美国6160597公开的方法中，光取向聚合物层还可具有取向图案，该图案包括具有第一分子取向的第一区和至少一个具有第二分子取向的其它区。在美国5389698的方法中，这是通过两个连续的照射阶段来实现的，其中在第一照射阶段利用线性偏振光第一光源通过掩模照射第一区，然后在移除掩模的第二照射阶段利用具有不同偏振平面的线性偏振光第二光源照射。但是由于去除掩模、用第二光源代替线性偏振光第一光源以及重新调整装置需要时间，因此这种多重曝光的方法效率低并且费时。因此希望提供更加有效地制造具有至少一个光取向聚合物层的光学元件的方法，其中所述光取向聚合物层具有包括不同分子取向的不同区的取向图案。还希望提供用于这种方法的装置。
发明内容
根据本发明的一方面，提供制造具有至少一个提供在基材上的光取向聚合物层的光学元件方法，其中所述方法包括以下步骤提供单激光辐射源；将激光辐射分成具有第一偏振平面的线性偏振光第一光束和具有第二偏振平面的线性偏振光第二光束；将线性偏振光第一光束导向至少一个可光取向聚合物层的第一区域，从而在所述层的第一区域中引起第一分子取向；和将线性偏振光第二光束导向所述可光取向聚合物层上，从而在所述层的第二区域中引起第二分子取向。
优选安排使得线性偏振光第二光束在线性偏振光第一光束之后的预定延迟时间到达可光取向聚合物层。预定延迟时间优选足以让第一光束在第二光束到达之前在可光取向聚合物层的第一区域中引起第一分子取向。
根据本发明的第二方面，提供用于制造具有至少一个光取向聚合物层的光学元件的装置，其中所述装置包括单激光辐射源；用于将激光辐射分成具有第一偏振平面的线性偏振光第一光束和具有第二偏振平面的线性偏振光第二光束的分光器；用于将线性偏振光第一光束导向至少一个可光取向聚合物层的第一区域从而在所述层的第一区域中引起第一分子取向的第一导向器件；和用于将线性偏振光第二光束导向所述可光取向聚合物层上从而在所述层第二区域中引起第二分子取向的第二导向器件；其中所述装置包括用于线性偏振光第二光束的延迟器件，使得第二光束在线性偏振光第一光束之后的预定延迟时间到达可光取向聚合物层。
线性偏振光第二光束优选在其被导向至可光取向聚合物层上之前经多个镜反射。
在一个优选实施方案中，线性偏振光第一光束通过掩模被导向至可光取向聚合物层上，使得仅可光取向聚合物层的第一区域暴露于第一光束。线性偏振光的第二光束可以被导向至第二区域，例如通过另一个掩模。但是优选将第二光束导向至包括第一和第二区域的可光取向聚合物层的全部区域。在这种情况下，由于第二光束在线性偏振光第一光束之后预定时间到达可光取向聚合物层，因此第一光束已经在所述层的第一区域中使分子取向和聚合，从而在第二光束到达之前固定第一区域中的取向。然后第二光束仅使第二区域中的分子取向并聚合，而不影响第一区域中分子的取向。
优选的是，预定延迟时间是毫微秒级的，该时间足以让第一光束使第一区域中的分子取向并聚合。
优选的是，第一和第二光束的能量均小于引起可光取向聚合物层激光烧蚀所需的能量，并且小于使可光取向聚合物层粘附至下层的粘合/粘附力，所述下层可以是基材本身或中间层，例如底涂层或其它层。
优选的是，第一光束能量与第二光束能量之比为约2∶1能量单位。
在一个优选实施方案中，基材由聚合物材料形成。优选的是，基材包括至少一层双轴取向聚合物材料。例如，基材可以包含至少两个层压在一起的透明双轴取向聚合物材料膜的基层，如WO 83/00659中所述。基材还可以包括在双轴取向聚合物材料基层的一侧或两侧上的一个或多个共聚物层。作为替代方案，基材可以由其它材料形成，例如玻璃板或纸片。基材的另一个替代方案是包含纸基层，在所述基层的一侧或两侧上提供有至少一个聚合物层，即共聚物。
基材还可以包括涂覆在基层的至少一侧上的至少一个不透明涂层，特别是当基层由透明聚合物材料形成时。所述至少一个不透明涂层可以完全覆盖透明基材的表面。作为替代方案，所述至少一个不透明涂层可以仅部分覆盖透明基材，从而形成没有被不透明涂层覆盖的透明部分或窗口。
优选的是，由本发明方法形成的光学元件包括至少一个与光取向聚合物层接触的液晶聚合物(LCP)层，所述光取向聚合物层也被称为光配向层。光配向层优选为光取向聚合物网络(PPN)，例如在美国专利No.5602661中所描述，该文献内容通过引用并入本文。LCP层具有一定的分子排列，所述分子具有由下面的光取向层取向确定的或者由下面的光取向层转移至LCP层的取向。LCP层可以通过适当波长的光作用而光致交联并且保持由取向层确定的分子取向。光致交联固定LCP层的取向，使得它不受极端外部影响例如光或高温的影响。
安全文件或装置可以包括另外的取向层和/或LCP层。例如，可以提供具有不同取向图案的两个或更多取向层和LCP层，以在基材上形成取向层和LCP层的堆叠，如美国专利No.5602661和6160597中所公开，通过引用将这些文献内容并入本文。
安全文件或装置还可以包括其它层，例如反射层或偏振层。例如，美国专利No.6144428公开了一种在配向层和基材之间的反射金属层，WO 98/52077公开了一种在取向层和基材之间的线性偏振器。如果安全文件或器件包括反射器或线性偏振器，则利用单偏振器可以看见由LCP层和取向层组合产生的光学效应，而不需要交叉偏振器来观察该效应。
由LCP层和光配向层组合形成的光学元件可包含两种或多种隐藏的图像，如在WO 00/29878中所描述。当光学元件位于两个偏振器之间并且其中一个转动时，这些图像可以连续展现和隐藏。
根据本发明的另一个方面，提供结合至少一个由本发明第一或第二方面的方法或装置形成的光取向聚合物层的光学元件。
现在将参考附图仅利用实施例来描述本发明的优选形式，其中图1是说明根据本发明用于制造光学元件的方法和装置的示意图；图2是由图1的方法和装置产生的光学元件的示意性截面图；图3是光学元件的改进实施方案的示意性截面图；图4是光学元件的另一改进实施方案的示意性截面图；图5是图1装置的部分平面图。
具体实施方案图1示出用于制造光学元件1的装置，所述光学元件1具有提供在基材3上的可光取向聚合物层2，优选包含可光取向聚合物网络(PPN)。装置10包含产生激光辐射入射光束12的激光源11以及将激光辐射分成具有第一偏振平面(P偏振)的线性偏振光第一光束14和具有第二偏振平面(S偏振)的线性偏振光第二光束15的偏振分光器13。第一偏振光束14在经过掩模6之后直接前进到光学元件1，使得可光取向聚合物层2的第一区域4被第一光束14照射。线性偏振光“P偏振”第一光束14使可光取向聚合物层的第一区域4中的分子取向并且聚合，使其具有第一分子取向。
第二偏振激光束15经过一系列飞行时间或延迟镜16，然后经方向反射镜17、18和19反射到光学元件1的可光取向聚合物层2上。
线性偏振光“S偏振”第二光束15被导向光学元件以照射可光取向聚合物层2的表面，从而使层2的第二区域5中分子取向并聚合，使得它们具有不同于所述层的第一区域4中分子取向的第二分子取向。虽然可光取向聚合物层2的第一区域4也被线性偏振光的第二光束照射，但是第二光束15在线性偏振光第一光束14之后的预定延迟时间到达光学元件1。该延迟时间优选足以使第一光束14在第二光束到达之前在层2的第一区域中引起第一分子取向。
不同分子取向的第一和第二区域4和5在可光取向层2中一起形成取向图案，其由掩模6确定。掩模6可以由诸如铬、石英或适当介电材料形成，并且应该理解的是，可以利用不同的掩模来赋予可光取向聚合物层2不同的取向图案。
参考图2，图中示出可以利用图1中示意性说明的方法和装置来形成的光学元件20。光学元件20包含施加在基材23一侧的光聚合物网络(PPN)和施加在PPN层22上的液晶聚合物(LCP)层26。在制造光学元件20的优选方法中，将含有可光取向聚合物网络的溶液涂覆到基材23上。然后干燥基材并去除PPN溶剂。优选涂覆约2nm-约150nm厚的PPN层22。
然后利用图1的装置使PPN层22经受第一偏振激光束14的曝光，以使PPN层22的第一区域24中的分子取向并聚合。在预定的延迟时间之后，优选至少约20毫微秒后，线性偏振光的第二光束50到达PPN层22，使PPN层22的第二区域25中的分子取向并聚合，这样区域25具有不同于第一区域24的第二分子取向，从而在PPN层22中形成取向25图案。
然后将含有液晶单体的溶液涂覆在PPN层22之上，液晶分子呈现下层PPN层22的取向。然后去除溶剂并且使液晶单体通过暴露于适当波长的光下而光致交联从而形成LCP层26。光致交联过程固定LCP层26的取向，使得它具有第一区域27和第二区域28，其中所述第一区域27具有与PPN层22的第一区域24相同的取向，所述第二区域28具有与PPN层22的第二区域25中的分子相同的分子取向。
如图2所示，垂直箭头示意性表示第一区域24、27中的第一分子取向，水平箭头示意性表示第二区域25、28中的第二分子取向。但是应该理解的是，由两组箭头表示的分子取向将在层22、26的平面中，而不是垂直于层的表面。
图2的光学元件可以附着于任何制品，以提供识别该制品真实性的手段，并且特别适合于在需要保护以防复制和伪造的安全文件和票据中用作安全器件。当安全器件20附着于另一制品时，PPN层22和LCP层26优选覆盖基材23的整个表面。作为替代方案，PPN和LCP层22和26可以仅部分覆盖基材的表面，例如当基材23本身构成安全文件或票据的基层时。
参考图3，图中示出类似于图2的改进光学元件30，相应的附图标记用于表示相应部分。安全器件30与图2器件的不同在于，它包括在基材23和光取向聚合物网络(PPN)层22之间的线性偏振器41。在PPN层22下方包含线性偏振器41使得能够使用单偏振器观察由LCP层26和PPN层22产生的光学效应，而不需要交叉偏振器来观察该效应。在替代实施方案中，反射金属层可替代偏振层41。
在类似于图4的另一改进实施方案中，当基材23包括或由聚合物层形成时，例如用于制造柔性安全文件的透明聚合物膜，可以在基材23和PPN层22之间提供底涂层，以改进PPN层对基材的粘附。底涂层可以包括羟基封端聚酯基共聚物以及交联剂例如多官能异氰酸酯，如在2004年1月12日提交的名为“Security DocumentIncorporating Optical Components”的我们的待批准的澳大利亚专利申请中所描述。但是应该理解的是，可以使用其它的底层涂料和交联剂来形成底涂层。
参考图5，图中更详细地示出了图1装置的分光和光束定向部分。如图5所示，来自激光源11的入射光束12通过偏振分光器13被分成第一和第二偏振光束14和15。第一偏振光束14直接经过装置到达掩模(图5中未示出)，掩模将第一光束引导到可光取向聚合物层2的选定区域上。第二偏振光束15经第一镜52反射，通过包含多个飞行时间镜16的三角形容器。飞行时间镜将第二光束延迟预定的延迟时间，该延迟时间优选为至少20毫微秒。然后第二光束15经反射镜17反射通过孔56并到达镜18和19上。第二光束15经镜19反射，然后经过偏振旋转器51和衰减器53，并被引导出装置，到达光学元件1的可光取向聚合物层2，如图1所示。
如图5所示，第二光束还可以被导向至分光器60，以产生任选的线性偏振光第三光束62。第三光束62同样经过偏振旋转器61和衰减器63，并且可用于在PPN层2中形成具有第三分子取向的第三区域。偏振旋转器51、61使得可以对由各个第一、第二和任选的第三光束在PPN层2中形成的偏振图案做出设计变化。衰减器53、63为第二和第三光束提供能量控制。优选第一线性偏振光束14中的能量是第二线性偏振光束15和任选第三偏振光束62的大约两倍。
图5的装置还包括二极管激光器64，该二极管激光器64经过柱面透镜66和用于调准第二线性偏振光束15和任选第三偏振光束62方向的调准镜(Ma)。
应该理解的是，上述方法和装置提供来制造光学元件，其中可光取向聚合物层对线性偏振光第二光束的第二曝光在光聚合物层选定区域通过掩模对线性偏振光第一光束的第一曝光之后极短时间内发生。与多次曝光方法相比，这是制造结合光聚合物层的光学元件的更有效方法，在所述多次曝光方法中，可光取向聚合物层通过掩模经受线性偏振光第一光束的选择性曝光，随后在去除掩模之后经受线性偏振光第二光束的第二曝光。因此本发明的装置和方法使得能够更加经济地生产具有至少一个光取向聚合物层的光学元件。
应该理解的是，可以对上述优选实施方案做出各种修改，而不偏离本发明的精神和范围。
例如，光取向聚合物网络(PPN)层2或22还可以包括除具有第一分子配向或取向的第一区域和具有第二分子配向或取向的第二区域之外的随机取向分子的区域。
权利要求
1.一种制造光学元件的方法，所述光学元件具有至少一个提供在基材上的光取向聚合物层，其中所述方法包括以下步骤提供单激光辐射源；将激光辐射分成具有第一偏振平面的线性偏振光第一光束和具有第二偏振平面的线性偏振光第二光束；将线性偏振光第一光束导向至少一个可光取向聚合物层的第一区域从而在所述层第一区域中引起第一分子取向；和将线性偏振光第二光束导向所述可光取向聚合物层上从而在所述层第二区域中引起第二分子取向。
2.根据权利要求1的方法，其中安排使得线性偏振光第二光束在线性偏振光第一光束之后的预定延迟时间到达可光取向聚合物层。
3.根据权利要求2的方法，其中预定延迟时间足以让第一光束在第二光束到达之前在可光取向聚合物层的第一区域中引起第一分子取向。
4.根据权利要求2或3的方法，其中预定延迟时间是毫微秒级的。
5.根据权利要求2-4中任一项的方法，其中预定延迟时间是约20毫微秒。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一光束通过掩模被导向至可光取向聚合物层的第一区域上。
7.根据权利要求6的方法，其中第二光束通过掩模被导向至可光取向聚合物层的第二区域上。
8.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中第二光束被导向至包括第一和第二区域的可光取向聚合物层的整个区域上。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一和第二光束的能量均小于引起可光取向聚合物层激光烧蚀所需的能量。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一光束能量与第二光束能量之比为约2∶1能量单位。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中光取向聚合物层是光取向聚合物网络(PPN)。
12.根据权利要求1-11中任一项的方法，还包括将至少一个液晶聚合物(LCP)层施加到光取向聚合物层的步骤。
13.根据权利要求12的方法，其中施加LCP层使得其分子具有由下面的光取向聚合物层取向确定的或者由下面的光取向聚合物层转移至LCP层的取向。
14.根据权利要求12或权利要求13的方法，其中LCP层通过适当波长的光作用而光致交联并且保持由光取向聚合物层确定的分子取向。
15.根据权利要求14的方法，其中光致交联固定LCP层第一区域的取向，所述取向与光取向聚合物层的第一区域的取向相同。
16.根据权利要求14或权利要求15的方法，其中光致交联固定LCP层第二区域的取向，所述取向与光取向聚合物层的第二区域的取向相同。
17.根据权利要求11-16中任一项的方法，其中LCP层包含取向交联液晶单体的各向同性层。
18.根据权利要求11-16中任一项的方法，其中光取向聚合物网络被施加至取向层。
19.根据权利要求12-18中任一项的方法，其中另外的取向层和/或LCP层被施加至光学元件。
20.根据权利要求11-19中任一项的方法，其中光学元件包括具有不同取向图案的两个或更多取向层和LCP层，以在基材上形成可光取向层和LCP层的堆叠。
21.根据权利要求1-20中任一项的方法，其中在可光取向聚合物层和基材之间施加反射层。
22.根据权利要求1-20中任一项的方法，其中光学元件还包括偏振层。
23.根据权利要求22的方法，其中偏振层是线性偏振器。
24.根据权利要求22或权利要求23的方法，其中偏振层施加在取向层和基材之间。
25.根据权利要求11-24中任一项的方法，其中在基材和PPN层之间施加底涂层，以改进PPN层对基材的粘附。
26.根据前述权利要求中任一项的方法，其中第一和第二光束的能量均小于使可光取向聚合物层粘附至基材的粘合/粘附力。
27.一种用于制造具有至少一个光取向聚合物层的光学元件的装置，其中所述装置包含单激光辐射源；用于将激光辐射分成具有第一偏振平面的线性偏振光第一光束和具有第二偏振平面的线性偏振光第二光束的分光器；用于将线性偏振光第一光束导向至少一个可光取向聚合物层的第一区域从而在所述层的第一区域中引起第一分子取向的第一导向器件；和用于将线性偏振光第二光束导向所述至少一个可光取向聚合物层上从而在所述层第二区域中引起第二分子取向的第二导向器件；其中所述装置包括用于线性偏振光第二光束的延迟器件，使得第二光束在线性偏振光第一光束之后的预定延迟时间到达可光取向聚合物层。
28.根据权利要求27的装置，其中线性偏振光第二光束在其被导向至可光取向聚合物层上之前经多个镜反射。
29.根据权利要求27或权利要求28的装置，其中线性偏振光第一光束通过掩模被导向至可光取向聚合物层上，使得仅可光取向聚合物层的第一区域暴露于第一光束。
30.根据权利要求27-29中任一项的装置，其中线性偏振光的第二光束通过掩模被导向至第二区域。
31.根据权利要求29或权利要求30的装置，其中掩模由下列任意之一的材料形成铬；或石英；或介电材料。
32.根据权利要求27-29中任一项的装置，其中第二光束被导向至包括第一和第二区域的可光取向聚合物层的全部区域。
33.根据权利要求27-29中任一项的装置，还包括用于将第二光束分成具有第三偏振平面的第三光束的分光器件。
34.根据权利要求33的装置，还包括第三导向器件，用于将线性偏振光第三光束导向至所述可光取向聚合物层上，以在第三区域中引起第三分子取向。
35.根据权利要求27-34中任一项的装置，还包括至少一个偏振旋转器。
36.根据权利要求27-35中任一项的装置，还包括衰减器，以便为第二光束提供能量控制。
37.根据权利要求27-36中任一项的装置，还包括二极管激光器、柱面透镜和用于调准第二光束的调准镜。
38.一种光学元件，其结合由权利要求1-26中任一项的方法形成的至少一个光取向聚合物层。
39.一种光学元件，其结合由权利要求27-37中任一项的装置形成的至少一个光取向聚合物层。
40.一种安全文件或器件，包括由权利要求1-26中任一项的方法形成的光学元件。
41.一种安全文件或器件，包括由权利要求27-37中任一项的装置形成的光学元件。
全文摘要
提供用于制造具有至少一个光取向聚合物层的光学元件的方法和装置。所述装置包括单激光辐射源(11)、用于将激光辐射(11)分成具有第一偏振平面(P偏振)的线性偏振光第一光束(14)和具有第二偏振平面(S偏振)的线性偏振光第二光束(15)的分光器(13)、用于将线性偏振光第一光束导向至少一个可光取向聚合物层的第一区域从而在所述层的第一区域中引起第一分子取向的第一导向器件以及用于将线性偏振光第二光束导向所述可光取向聚合物层上从而在所述层第二区域中引起第二分子取向的第二导向器件。所述装置包括用于线性偏振光第二光束(15)的延迟器件(17、18、19)，使得第二光束在线性偏振光第一光束之后的预定延迟时间到达可光取向聚合物层。
文档编号G02F1/1337GK1918506SQ200580004086
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年2月5日
发明者加里·费尔利斯·鲍尔, 保罗·亨森, 约翰·格雷斯, 罗德里克·安德鲁 申请人:证券票据有限公司