专利名称：含有胆甾液晶的光学元件及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有成像性以及颜色和偏振选择性的反射并含有胆甾液晶(cholesteric liquid crystals)的光学元件，以及这种元件的制备和应用。
胆甾液晶(CLC)在取决于它的螺旋结构的波长范围内反射圆偏振光。反射光的颜色由螺旋结构的螺距(p)决定，并由波带宽度为△λ的反射波带的中央波长λmax描述。下面，将反射波带的中央波长称作反射波长。反射波长与视角有关。它服从下述方程λmax＝n×p×cosψ (1)其中n是CLC的平均折射率，ψ是入射光线与垂直线之间的夹角。这样，ψ＝0°即代表光是垂直入射的。
CLC的特征反射性质出现在螺旋轴方向或略微偏离该轴的方向上。在垂直入射的情形下，反射光的圆偏振度随入射角的增加而下降。因此只有对于小入射角情形才能利用反射光的圆偏振性质。
利用胆甾液晶作为光学透射滤波器已公开在US-A-3，679，290中。除了调节反射光的波长和偏振性质的各种可能方法之外，还描述了用作带阻和带通滤波器的多层CLC组合。各CLC层是以平面形式布置的。
US-A-4，679，911公开了CLC可以夹在一个弯曲表面和一个平面表面之间，使CLC层的厚度不是常值，而是以一种确定的方式变化。在无限薄的区域，所有入射光都透射而过，而在有限厚度的区域如果胆甾液晶的反射波长和入射光的波长相适应，则光被反射。为了限制CLC的体积，所描述的为获得特定光束断面形状的布置采用了弯曲表面。由于不同的曲率半径，所包含的体积随CLC层的厚度而变化，造成所期望的随位置而变化的透射。
EP-A-302619采用了CLC平面滤波器以反射可见光的一部分来获得圆偏振光。然而，该反射器只改变了光的传播方向，而没有透镜那样的成像功能。而且，由于是大入射角，所描述的反射光的圆偏振是不完善的。
EP-A-348141公开了一种红外滤波器，它利用CLC而改善了截止陡度。如图2b所示，护目镜透镜中的弯曲胆甾液晶把任何需要方向上的具有不需要波长的光以非成像的方式反射，从而使透射光得到过滤。
Schadt等人Japanese Journal of Applied Physics 29卷第10期，1990年，1974-1984页上描述了一种平面CLC反射器的布置，用来在投影显示中进行颜色和偏振的选择。在每一情形下，在CLC层上的反射都是取以45°的角度。因为反射光的圆偏振度随着入射角的增加而减小，所以由这种偏振器反射的光基本上没有偏振性。
本发明涉及具有波长和偏振选择性并能形成光学像的元件，其中在两个透光基底的两个弯曲表面之间的等厚度腔内至少包含了一种胆甾液晶，并且该液晶的螺旋轴的取向垂直于透光基底的弯曲表面。
为了达到本发明的目的，所采用的胆甾液晶是一种中间材料，它具有螺旋相(helical phase)，而其光学性质与向列手性相(nematic chiral phase)的光学性质相当。
本发明进一步涉及具有波长和偏振选择性并能形成光学像的反射器的制备。
本发明还涉及将这些反射器作为像投影显示器那样的高光通量设备中的分束器或合束器来使用。
本新型反射器根据所使用的CLC有颜色和偏振选择性地反射光。此外，它们还起着像透镜那样的成像光学元件作用。没有被反射的光穿过CLC层继续沿着光路，而不发生变化。这样就给出了一种成像反射器，它对颜色和圆偏振的旋转方向起到了限定作用，而对透射光没有影响。借助于这种新型元件，颜色滤波器、偏振器和透镜的作用可以结合在一个单一元件中。
为了完成本发明的目的，所处理的光是波长范围在300nm和300nm之间，优选为350nm和2000nm之间的一般电磁辐射。
例如，一个在平凸透镜和平凹透镜之间含有CLC层的光学元件可以根据光从哪一个方向照射而起到凹面反射镜或者凸面反射镜的作用。对于前一情形，平行的入射光波CLC层反射并汇集到焦点上;对于后一情形，反射光变成是发散的，好像是从元件后面的一个虚焦点上发出的，如
图1所示。
没有反射的光的光路不受该新型元件的影响。元件的焦距可以通过适当地选择所用透镜的焦距来加以调节。
除了上述的平凸透镜的平凹透镜之外，另外关于具有弯曲表面的透光基底的例子还有柱面透镜，它们在一个方向上没有曲率，而在与之垂直的方向上按抛物形、圆形或椭圆形弯曲。
能够以理想方式成像的反射器应该有抛物形弯曲的表面。然而，具有球形或椭球形弯曲表面的透镜也可以用来制作新型元件。
利用两侧都是弯曲表面的透镜，即凸-凹、凸-凸或凹-凹透镜，可以制作不仅对反射光部分成像，而且对透射光部分成像的元件。
在平凸和平凹透镜之间包含CLC的元件适用于例如投影显示器那样的应用。这种设备中的高光通量要求采用例如CLC那样的对光不敏感并且不吸收光的材料。迄今为止，大角度照明对CLC层的不良的偏振作用阻碍了CLC在这种设备中的应用。应用新型元件时，因为不发生大角度情况，所以这个问题使解决了。此外，采用该新型元件将减少投影显示器中的元件数目，增加显示的光效率。
在一个基底上可以组合多个新型光学元件。图2示出了一个含有5×8个新型凹面反射镜的这种组合。
新型反射器可以这样制作在一个透光基底的弯曲表面上施加至少一种胆甾液晶，如果需要，在这之前先施加一个取向(Alignment)层;然后，通过加上另一个透光基底的第二个弯曲表面，使得在两个透光基底的弯曲表面之间形成的薄CLC膜层具有均匀的厚度，如果需要，在上述第二个弯曲表面上也预先加上了取向层。如果有必要，胆甾液晶在施加到基底表面上去之前可进行透明化和加温，使之接近透明点(优选为不超过20℃)并使它有流动性。为此目的，透光基底的表面最好也加温到接近于相同的温度。
制备新型光学元件的另外处理过程包括把至少一种CLC引入两个弯曲表面之间的均匀厚度空腔中去，并以已知的方法把液晶材料的螺旋轴取向在垂直于基底表面的方向上。
适合于制作弯曲表面的基底材料是所有的透光材料，优选是玻璃、石英和/或高透明厚度塑料。例如优选是BK7(Schott Glaswerke，Mainz，Germany)之类的光学玻璃。
两基底表面的成型要使得在两表面之间能形成均匀厚度的间隙。间隙的厚度可以通过改变两基底表面的相互间隔来调节。利用间隔圈可以使间隙调节在希望的厚度上。希望的厚度最好在0.5μm到150μm之间，特别优选的是2μm到70μm之间。这样，两弯曲的基底表面就形成了厚度均匀的弯曲空腔。
这种表面的布置的一个简单例子是，见图1，一个焦距为f凸的平凸球面透镜和一个焦距为f凹的平凹透镜的组合，两个透镜有相同的折射率n，它们的结合方式是有凸曲率的一侧与有凹曲率的一侧相接触。
下述关系式适用于曲率半径γr凸+d＝-r凹(2)其中d是两表面之间的间隙的厚度。一般使用的透镜的曲率半径大于5mm，对应于10mm的最小焦距。相对而言，一般不超过150μm，优选为不超过70μm的间隙厚度可以忽略。这样，一般可以使用两个曲率大小相同但符号相反的透镜。这时r凸＝-r凹(3)
因为f＝r/(n-1) (4)f凸＝-f凹(5)只要满足下述关于基底1和基底2在点(x，y)处的曲率p(x，y)的条件，制作新型反射器时也可以采用复杂形状的表面p1(x，y)＝-P2(x，y) (6)这里曲率p(x，y)被当作是基底表面(x，y)的一种调制，其中如上述一样也忽略了两基底之间间隔的厚度。
对于曲率半径非常小，例如小于5mm的透镜，CLC层的厚度必须予以考虑，如式(2)所示。
在两基底表面的间隙中可以充填任何具有能使波长范围位在300nm到3000nm的光反射的螺距的CLC。
CLC的手性物质的性质和比例决定了该CLC扭曲结构的螺距，从而决定了反射光的波长。结构的扭曲性既可以是左手的，也可以是右手的。此外，CLC能够含有可聚物组，这使得以后可以固定取向结构。这种组的例子有异丁烯酰氧(methacryloxy)和丙烯酰氧(acryloxy)组。
适当的材料和它们的制备的说明在例如下列资料中给出DE-C2-3，604，757、EP-A2-358208、EP-A-0066137(US4，388，453相对应)，或者D.J.Broer等人在文献Int.Liquid Conf.，Abstracts Ⅱ，921，1992中所引用的参考资料。
优选的为具有三维交连结构的聚硅氧烷(polyorganosiloxane)，如EP-A-358208所述。
然而，原则上可以用任何CLC来充填两表面间的间隙。有可能使用单种CLC，也有可能使用至少两种液晶的混合物。也可以制备胆甾液晶的单体混合物，例如把向列液晶和手性材料结合起来。
通过使用其反射波长位在各种情形中所希望的最大反射波长区的液晶材料，就可以制作具有任何希望波长的反射器。通过选择具有右手或左手螺旋结构的液晶材料，可以设定各情形中所希望的由新型反射器反射的光的圆偏振性质。
制作反射层时需要使CLC的螺旋轴有垂直于反射器表面的均匀取向。
原则上，这可以由使用任何已知的液晶层取向处来实现。例如，取向可以由错移或施加一个取向层来实现。
优选的向列、胆甾材料的平面取向可以这样实现例如，在基底表面上施加一层作为取向层的聚酰亚胺或尼龙或其他适当的材料的薄膜。该薄膜的施加可以用例如在制作液晶显示器中已知的方法来实现。该薄膜通过用一块例如天鹅绒布来摩擦而得到其平面取向效果。
在使用近晶材料(smectic materials)时需要类均匀(homeotropic)取向，这可以通过施加一层例如卵磷脂层作为取向层来实现。
如果使用具有横向偶极矩的CLC时，也可以在把液晶材料充满间隙腔之后施加一个电场来实现取向，电场的方向应该垂直于基底表面。为了有可能用电场来进行取向，可以例如在基底表面上镀上一层导电层。为此，可以例如在基底表面上蒸镀一层ITO(铟锡氧化物)。
把CLC充入间隙腔可使用已知的方法，例如利用毛细现象。
新型反射器反射圆偏振、位于反射波带光谱区内的平行光，并把它聚焦在反射器的焦点上。没有反射的光不受改变地继续沿它们的光路传播。这样透射光还可以用来作其它用途。例如，可以用一块小平面反射镜首先把聚焦的反射光引开原光路，以便在原光路的外面对它作任何需要的使用。
球面CLC元件作为分束元件的新应用如图3所示。含有一个球面平凸透镜(1)、一个球面平凹透镜(2)和一个CLC层的射器被一束平行、非偏振的白光(4)照明。反射光部分被聚焦到一个平面镜(5)上，并由聚光透镜(6)聚光。这部分光束(7)是圆偏振的，并且其光谱限制在CLC层的反射波带内。透射光(8)中抽掉了这一部分，所以它在反射波带内是反方向圆偏振的，但在反射波带以外的波长上是非偏振的。
球面CLC元件对组合不同颜色光的成像光路的新应用如图4所示。入射的平行光(9)被聚光透镜(6)聚焦在平面镜(5)上，并进而照射含有球面平凸透镜(1)、球面平凹透镜(2)和CLC3的新型元件上，如果该光束的圆偏振性和颜色与CLC层(3)的反射圆偏振和颜色相对应，则该光束被该新型元件反射，从而被引入到透射光束(10)中，给出结合光(11)。如果光束(9)只含有CLC层(3)的反射波带以外的颜色成分，则透射光束(10)将不受影响。
因此这种新型分束器和合束器既能分开不同的光谱分束器和偏振器利用只能分开以45°至90°角入射的光的不同的光谱区的双色反射镜来分开或组合不同的光谱区，而为了获得所希望的偏振性，则需要利用独立于光谱分离元件的分离箔片。
由于在45°角反射的情形下已知的胆甾层的偏振效应是不够的(例如见Schadt et al.，Japanese Journal of Applied Physics，29，No.10，1990，1974-1984)，所以为了试图利用圆偏振反射来免去多余的偏振器而用一个已知的平面CLC层来代替普通分束器中的双色反射镜是不可能的。
如果采用新型球面反射器，则因为在通常的孔径大小情形下只出现小的反射角度，优选为小于20°，特别是小于15°，这样，胆甾层的反射能在垂直入射的状态下保持良好的偏振性。
例如，如图5所示，通过组合三个有各自不同的CLC层的新型分束器(12a-12c)，可以选出有确定圆偏振性的三个基色光，红、绿、蓝(7a-7c)，并且圆偏振性可以被局部地调制，也即如现有技术那样，分别用一个液晶显示器(13a-13c)所决定的每个像素的开关状态去控制圆偏振性是反转还是保持不变，其后三个光路可以用第二个三个新型反射器(14a-14c)的组合(每个反射器有不同的CLC)层重新结合起来。被结合部分的光束(11a-11c)用成像光学系统(15)投射在观察屏(16)上。反射三个基色红、绿、蓝的元件这样的组合，使得投影显示结构中的偏振化、颜色分离和颜色结合都由胆甾液晶层实现。
图1为含有一个球面平凸透镜(1)、一个球面平凹镜(2)和一个夹在两透镜间的CLC层(3)的新型光学元件的结构和应用。在该图中，r代表平凸透镜的曲率半径，D代表光学元件的直径，d代表CLC层的厚度(它对应于透镜(1)和(2)之间的间隔)，a代表凸透镜的中心厚度，f和F分别代表新型光学元件用作凹面镜的焦距和焦点，a’代表凹透镜的中心厚度，f’和F’分别代表新型光学元件用作凸面镜时的焦距和虚焦点。
图1a)所示为元件中的一个纵向剖面图。其剖面的位置如图1b)中所示。
图1b)示出元件中垂直于图1a)剖面的纵剖面图。其剖面的位置如图1a)所示。
图1c)示出新型元件用作凹面镜时的光路。
图1d)示出新型元件作用凸面镜时的光路。
图2a)示出同一基底5×8个新型凹面镜的组合的平面图，还示出了图2b)所表示的剖面的位置。
图2b)示出一个图2a)中平面图中所示的，示意性的，经过充分放大的横截面图。厚度均匀的CLC层位在含有5×8个凸透镜的透明基底表面(17)与含有5×8个凹透镜的透明基底表面(18)之间。
图3示出了一个新型分束元件，它用来从入射的非偏振白光中分离出具有指定偏振性的颜色光。在该图中，(1)代表平凸透镜，(2)代表平凹透镜、(3)代表CLC层，(4)代表平行入射的白色非偏振光，(5)代表平面反射镜，(6)代表聚光透镜，(7)是代表位于胆甾液晶反射波带的光谱区内的圆偏振光，(8)代表去掉被CLC层反射的成分的透射光。
图4示出一个新型分束元件，它用来结合不同颜色的成像光路。在该图中，(1)代表平凸透镜，(2)代表平凹透镜，(3)代表CLC层，(5)代表平面反射镜，(6)代表聚光透镜，(9)代表位在胆甾液晶反射波带光谱区内的圆偏振光，(10)代表位在胆甾液晶反射波带之外的光，(11)代表结合后的光。
图5示出多个分束元件的组合，用来分离和结合投影显示器中的红、绿、蓝三基色光。在该图中，(4)代表平行入射的白色非偏振光，(7)代表位于胆甾液晶反射波带光谱区内的圆偏振光，(11)代表结合后的光(12a-c)分别代表用于红光(12a)、绿光(12b)、蓝光(12c)的图3所示的分束器，(13a-c)分别代表产生红色像部分(13a)、绿色像部分(13b)、蓝色像部分(13c)的液晶显示器，(14a-c)分别代表用于红光(14a)、绿光(14b)、蓝光(14c)的图4所示的合束器，15代表成像光学系统，以及16代表图像在观察屏上的投射。
图6示出含有一个柱面平凸透镜(19)、一个柱面平凹透镜(20)和一个夹在两个透镜之间的CLC层(3)的新型光学元件的结构和应用。在该图中，r代表平凸透镜的曲率半径，D代表光学元件的直径，d代表CLC层的厚度，它对应于两透镜之间的间隔，a代表凸透镜的中心厚度，f和F分别代表新型光学元件用作凹面镜时的焦距和焦点，a’代表凹透镜的中心厚度，f’和F’分别代表新型光学元件用作凸面镜时的焦距和虚焦点。
图6a)示出元件的一个纵剖面，其剖面的位置如图6b)中所示。
图6b)示出元件的一个垂直于图6a)剖面的纵剖面，其剖面的位置如图6a)中所示。
图6c)示出当新型光学元件用作凹面镜时的光路。
图6d)示出当新型光学元件用作凸面镜时的光路。
下面的例子用来更详细地说明本发明。
在新的方法中，使用了下述材料材料Ⅰ材料Wacker-LC-Silicon-CC3767(可从Wacker-Chemie GmbH;81737 Munich得到供货)是一种向列、胆甾相液晶有机硅氧烷(organosiloxane)。在70℃时，这种CLC的反射最大波长是670nm。反射光是左旋偏振。
材料Ⅱ材料Wacker-LC-Silicon-CC3969(可从Wacker-Chemie GmbH;81737 Munich得到供货)是一种向列、胆甾相液晶有机硅氧烷。在70℃时，这种CLC的反射最大波长是390nm。反射光是左旋偏振的。
材料Ⅲ材料Wacker-LC-Silicon-CC37150(可从Wacker-Chemie GmbH;81737 Munich得到供货)是一种向列、胆甾相液晶有机硅氧烷。在70℃时，这种CLC的反射最大波长是1500nm。反射光是左旋偏振的。
材料Ⅳ a、b和c通过将材料Ⅰ-Ⅲ混合，可以设定390nm与1500nm之间的任何反射波长。制备了分别用于红、绿、蓝三基色的三种混合物，当各组分在70℃下聚合时，它们的反射波长分别为634nm(a95%的材料Ⅰ和5%的材料Ⅱ)，530nm(b70%的材料Ⅰ和30%的材料Ⅱ)，和453nm(c40%的材料Ⅰ和60%的材料Ⅱ)。
材料Ⅴ用如下方法合成了一种向列、胆甾液晶有机硅氧烷a)doristeryl 4-(丙烯-2-氧)苯甲酸酯(doristeryl 4-(propen-2-oxy)benzoate)的制备把50g的胆甾二烯(cholestadiene)(98%，Aldrich GmbH，7924 Steinheim)溶解在已加有30ml乙酸的800ml的干乙酸乙酯中，加上1.5g的氧化铂，然后把该混合物倒入容积为2升的高压釜中。在50℃和10大气压的氢气压力下进行氢化，一般经24小时即可完成。反应完全之后，滤去催化剂，在旋转蒸发器上去除溶剂，然后从乙醇中重新结晶出doristerol。产量42.5g(88.5%)。借助于1H-NMR和13C-NMR可保证材料的纯度。
把17g的4-(丙烯-2-氧)苯甲酰氯(用已知方法制备，从4-羟基苯甲酸甲酯(methyl4-hydrozxybenzoate)出发，经过烯丙基化、水解并转换成酰基氯)和32g的doristerol溶解在200ml的干甲苯中，然后将该混合物回流15小时。接着用蒸馏法除去溶剂，使残留物从乙醇中重结晶;产量44.9g(产率99%)，熔点92℃(n＊105℃i)。
b)氢化硅烷化(Hydrosilylation)把1g的doristeryl 4-(丙烯-2-氧)苯甲酸酯、1.53g的4’-苯基苯基-4-(丙烯-2-氧)苯甲酸酯(用常规方法制备)和646mg的五甲基环戊硅氧烷溶解在20ml的干甲苯中，加入0.1ml的双环戊-亲二铂二氯化物(dicyclopenta-dienylplatinum dichloride)溶液(在二氯甲烷中的重量百分数为1%)，然后把混合物加热到100℃，保持1小时。将该溶液冷却到50℃，加入1.45g的(4-异丁烯酰氧)苯基-4-(丙烯-2-氧)苯甲酸酯[(4-methacryloxy)phenyl 4-(propen-2-oxy)benzoate(用常规方法制备)]、500ppm的对苯二酚以及0.1ml的催化剂溶液;在70-80℃的温度下将此溶液搅拌半小时。当反应完全后，通过一个填充有硅胶的短管(长度＝3cm，直径＝3cm)把催化剂分离出去，然后在乙醇中沉淀出成品，得到2.8g(60%)具有反射波长在60℃时为456nm的材料。反射光是右旋偏振的。
材料Ⅵ在向列相混合物Merck ZLI-1565(E.Merck，Darmstadt)中加上重量比为20%的手性材料Merck ZLI-811，可使前者转变成在波长770nm处反射左旋偏振光的向列、胆甾相液晶。
实施例1圆柱面反射器(图6a和b示出该元件的剖面图)在用玻璃(BK7，nBK7＝1.5187)做成的，焦距分别为300mm和-300mm的一对平凸(19)和平凹(20)柱面透镜之间制备了反射CLC层(3)。这里使用了反射波长为530nm的材料Ⅳb，并且为了以后的光聚合，还混合了2%的光引发剂(Irgacure 907;Ciba Geigy)。具体说来，首先在柱面透镜的弯曲表面上施加一个固化的聚酰亚胺镀层，然后用天鹅绒布单方向地摩擦，以实现取向。在保持在70℃的凹透镜的弯曲表面上加上足够量的，也被加温到70℃左右的CLC，然后把也被加温到70℃左右的凸透镜放在顶上，使CLC散布开来，直到在两表面之间留下一层薄膜(层厚的10μm)。然后用紫外A(UVA)光照射，使薄膜聚合化。
这个元件对反射波带内的左旋偏振反射光的成像性质与曲率半径为±155.6mm的柱面凹反射镜的成像性质相同。对于位在空气中的凹面镜，在其凹向一侧的近轴光线焦距为r/2，在其凸向一侧的近轴光线焦距为-r/2(图6c和d)。由于存在透镜基底玻璃，在光路中引入了附加的折射界面，使焦距需按下式计算f＝a+(r/2-a)/n (7)得到凹面镜的焦距f＝52.6mm(a＝4mm)和凸面镜的焦距f’＝-48.7mm(a’＝-7.5mm，参见表1)。
表1 实施例1至实施例9的光学元件的参数(长度数据单位为mm;缩写符号与附图所使用的符号相同;焦距f和f’由式(7)计算得到;f凸凸透镜焦距;f凹凹透镜焦距)实施例 f' D a a' r f f'1 300 60 4 -7.5 155.6 52.6 -48.72,3,4 200 50 6 -2 103.7 36.2 -33.55,6,78 600 95 6.6 -3 311.2 104.7 -101.49 150 22.4 2.8 -2 77.8 26.6 -24.910 10 5 2.6 -2 5.2 2.6 -1实施例2球面反射器，凹面镜(图1a和b为该种旋转对称元件的剖面图)用类似于例1所述的步骤，在焦距分别为200mm和-200mm的平凸球面透镜(1)和平凹球面透镜(2)之间用材料Ⅳa制备了反射红光的聚合CLC层(3)。该元件对反射波带内的左旋偏振反射光的成像性质与凹球面镜(见图1c和d)的成像性质相同。该元件的尺寸和焦距见表1。
实施例3与实施例2类似，用材料Ⅳb的反射绿光的CLC制作凹球面镜。
实施例4与实施例2类似，用材料Ⅳc的反射蓝光的CLC制作凹球面镜。
实施例5与实施例2类似，用反射波长为1500nm的材料Ⅲ的CLC制作凹球面镜。
实施例6与实施例2类似，用材料Ⅴ制作凹球面镜。材料Ⅴ是不可聚合的。因此该元件的固化是通过使它冷却到材料Ⅴ的玻璃态转变温度(约30℃)以下来完成的。
实施例7与实施例2类似，用材料Ⅵ制作凹球面镜。不过，该元件的固化不是通过使液晶聚合来实现的，而是通过使用可买到的无溶剂粘合剂(UHU plus in stant(超快干)胶)粘结两透镜的边缘来实现的。
实施例8与实施例2类似，用焦距分别为600mm和-600mm的两个透镜制作凹球面镜(见表1)。
实施例9与实施例2类似，用焦距分别为150mm和-150mm的两个透镜制作凹球面镜(见表1)。
实施例10与实施例2类似，用焦距分别为10mm和-10mm的两个透镜制作凹球面镜(见表1)。
实施例11用实施例3所述的元件构筑偏振分束器(见图3)。
为达到此目的，利用一个聚光镜把白炽灯泡(12V，150W)的螺圈状灯丝成像到无限远。这样得到的平行光(4)射向球面反射器(3)。入射白光中的圆偏振的，并且波长位在CLC层的反射波带(处于绿色光谱区)内的部分被聚焦在反射镜(5)上。利用M.Born和E.wolf所著的“Principles of Optics”(Pergamon Press，6th edn.;p.552)一书中所描述的方法，对出射光束(7)测量了球面反射器在各种孔径下的偏振度。这里的孔径是指照明面积的直径与CLC层(3)到反射镜(5)上的焦点之间的距离(即表1中的凹面镜焦距)的比率。利用中心光阑，照明面积是可调节的。对于孔径小于最大孔径0.28的各种情形，都得到了0.970±0.002的偏振度，与理想值1十分接近。这里的观察波带宽度限制为20nm。
作为比较，对平面CLC层在分离角为90°(入射角为45°)的情形下，测得了明显下降的偏振度0.90。
权利要求
1.一种能形成光学像的、具有波长和偏振选择性的元件，其中在两个具有弯曲表面的透光基底之间的均匀厚度空腔内至少包含有一种胆甾液晶，并且液晶的螺旋轴被取向得垂直于透光基底的弯曲表面。
2.根据权利要求1所述的元件，其中胆甾液晶至少使用了一种聚硅氧烷。
3.根据权利要求1或2所述的元件，其中，具有弯曲表面的透光基底是第一柱面透镜的凹面一侧与第二柱面透镜的凸面一侧的结合，结合的方式使该元件有部分圆柱体的形状。
4.根据权利要求1或2所述的元件，其中具有弯曲表面的透光基底是第一透镜的凹面一侧与第二透镜的凸面一侧的结合，结合的方式使反射器有凹面镜的形状。
5.一种光学元件，其中在一个基底上组合了多个根据权利要求1至4中的一个或多个所述的元件。
6.包含至少一个根据权利要求1至5中的一个或多个所述的光学元件的具有偏振和颜色选择性的分束器。
7.包含至少一个根据权利要求1至6中的一个或多个所述的光学元件的具有偏振和颜色选择性的合束器。
8.包含至少一个根据权利要求1至7中的一项或多项所述的光学元件的投影显示器。
9.根据权利要求1至7中的一项或多项所述的光学元件的制作方法，它包括在两个透光基底的两个弯曲表面之间的均匀厚度空腔内导入至少一种胆甾液晶，以及用现有的方法使该液晶材料取向。
10.根据权利要求1至7中的一项或多项所述的光学元件的制作方法，它包括在一个当需要时施加了一层取向层的透光基底的当需要时加温了的弯曲表面上施加至少一种当需要时加温了的胆甾相液晶，然后通过加上另一个当需要时也已经施加有一个取向层的透光基底的当需要时加温了的第二个弯曲表面，使该胆甾液晶散布开来，从而在两个透光基底的弯曲表面之间形成一个均匀厚度的CLC薄膜。
全文摘要
本发明涉及具有成像性以及颜色和偏振选择性的反射并含有胆甾液晶的光学元件，还涉及这种光学元件的制备和应用。在能形成光学像的有波长和偏振选择性的元件中，在两个具有弯曲表面的透光基底之间的均匀厚度空腔内含有至少一种胆甾液晶，并且该液晶的螺旋轴的取向垂直于透光基底的弯曲表面。这种元件适合于在投影显示器中用作分束器或合束器。
文档编号G02F1/13GK1111758SQ9411504
公开日1995年11月15日 申请日期1994年8月22日 优先权日1993年8月26日
发明者罗伯特·莫勒, 斯蒂芬·贝耶尔格罗斯莱恩, 弗兰兹-海因里希·克罗伊策尔 申请人:电化学工业有限公司(国际)