制造无源的有图案的延迟器的方法以及由该方法制造的延迟器的制作方法

专利名称：制造无源的有图案的延迟器的方法以及由该方法制造的延迟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造无源的有图案(patterned)的延迟器的方法以及由该方法制造的无源的有图案的延迟器。这种延迟器的应用广泛，包括例如液晶装置(LCD)投影仪的偏振转换光学系统和三维自动立体显示装置。
背景技术：
附图1示出了已知型号的用于提供单线偏振光的偏振转换系统，例如该光用来照明投影仪中的LCD。该装置包括呈灯形式的光源1和具有第一微透镜系统3的反射器2，该第一微透镜系统3将光引向第二微透镜系统4。微透镜4将非偏振光引向设置在其具有有图案的延迟器6的光输出表面上的偏振光分离器5，图中仅示出了部分延迟元件。偏振光分离器5的间距为第二微透镜系统4的一半。串扰块7确保了散射光不干涉偏振光分离器5和有图案的延迟器6的操作。
如8的放大的详图所示，偏振光分离器5包含以偏振分象棱镜表示的偏振分离元件系统。从灯1入射的光基本上不偏振，但包含S和P偏振光，且S偏振光直接通过棱镜。S偏振光在表面9上垂直反射，接着在表面10上垂直反射，从而与P偏振光同向从偏振光分离器5中射出。但是，P偏振光通过有图案的延迟器6的延迟器元件11，该元件呈半波片的形式。这样就将P偏振光转化为S偏振光，基本上使所有离开图1所示装置的光都成为S偏振光。与仅使用一种偏振光的装置相比，该装置具有相当高的光效率。
使用了有图案的延迟器的LCD投影显示装置的偏振转换系统公开于US 6 084714、US 6 278 552、US 6 154 320、US 5 986 809和US 5 555 186中。但是，这些专利没有公开任何制造有图案的延迟器的技术或者提供具有改善的消色差性能的宽频带的有图案的延迟器的技术。
市售的LCD投影显示装置具有延迟装置，它用从拉伸的双折射聚合物上切下的半波片延迟带制成阵列。各带必须与偏振光分离元件的光发射表面精确地对齐并附着在其上，如图1所示。为了通过校正色散现象来改善宽频带光谱效率，双折射聚合物要以几层延迟材料的堆叠形式来使用。对延迟带的精确切割以及各带与偏振光分离器的对齐将延迟器的最小形体尺寸限制为约1.8mm。对带状延迟器而言，这意味着单独带的最小宽度约为1.8mm。这样就限制了可得到的偏振转换单元的最小的总体外形尺寸，因此，限制了投影仪的尺寸。而且，它还限制了灯1输出的光的均化以及LCD盘照明的均一性。
为了避免不得不调节各个延迟元件，已知的方法是将有图案的延迟器作为一个单独的基片元件。例如，US 5 327 285公开了通过化学浸蚀或用机械方法除去双折射物质，如聚乙烯醇(PVA)来制造有图案的延迟器的方法。这种技术的缺点在于有图案的延迟器的不同区域具有不同的吸光性能。为了避免或减少这种效应，可进行后续的偏振化步骤，但是这需要附加的处理步骤。同时，区域的边界清晰度较差，这就再一次限制了可以提供的图案的最小形体尺寸。同时，该技术不能在单个的基片上形成具有不同的延迟器光轴定向的区域，从而在需要这些装置之处处理两种或多种基片，然后互相精确地对齐并附着。而且，这限制了图案的最小形体尺寸。
EP 0887 667公开了制造形体尺寸更小的有图案的延迟器的方法。该技术的一个例子简化地描述在附图2中。有图案的延迟器形成在透明基片15上。适于校列可聚合液晶材料的向列层在基片上形成，并沿“A”表示的第一方向摩擦，使得向列层16能使液晶材料的光轴校列到着沿方向A。
然后，将一层光致抗蚀剂层17形成于摩擦过的向列层16上，并通过掩模18在例如紫外辐射下曝光。将已曝光的光致抗蚀剂层17显影露出缺口如19，然后将向列层16通过其沿“B”表示的第二方向摩擦。除去光致抗蚀剂层17的残余物以露出具有一些摩擦过的区域的向列层16，使得其上沿方向A校列液晶材料的光轴的区域与沿方向B校列液晶材料的光轴的区域交替存在。
然后，将一层可聚合液晶材料层20形成在向列层16上，使得液晶材料的局部光轴沿与向列层16的下面的区域对齐的方向进行校列。然后聚合层20以固定材料的光轴。这样，层20的区域如21具有与方向A对齐的光轴，而区域如22具有与方向B对齐的光轴。
附图3示出了使用通过图2所示的方法制造的有图案的延迟器，作为用于3-D自动立体显示装置的潜在的可转换视差栅栏的例子。延迟器25用作潜在的视差栅栏，当通过输出起偏镜26观察时，它是可见的。图3示出了一个LCD输出起偏镜27，其偏振方向与装置所示的参考方向，即垂直方向成45°。
延迟器25提供了半波延迟，它包含具有45°定向的光轴的区域21和具有0°定向的光轴的区域22。区域21不影响来自LCD起偏镜27的光的偏振，而区域22把偏振旋转了90°。当3-D输出起偏镜26不使用时，该有图案的延迟器对LCD盘不起任何作用。
3D输出起偏镜26具有135°定向的偏振方向，当其用于分析来自3-D显示装置的光的输出时，阻挡来自区域21的光，并让来自区域22的光通过，从而露出潜在的视差栅栏结构。
US 6 222 672公开了通过提供对由多重摩擦技术制造的有图案的延迟器中色散的补偿并包含有效的中源(mesogen)而具有改善的消色差性能的图像系统。该有图案的延迟器包含呈半波片形式的第一延迟区域，该半波片的光轴与参照方向相交成与下述角度相等但方向相反，并堆叠了另一块光轴与参照方向成67.5°的半波片。
已知各种装置，其空间上形成图案的向列层是用于提供对液晶材料的多区域校列的。例如，EP 0 689 084公开了可用作用于双折射材料的形成图案的向列层的线性可光聚材料。为了制造具有多个不同光轴定向的区域的延迟器，需要两种以上的照相平板印刷步骤以把线性可光聚向列材料曝光。这些步骤必须准确地定位，而这将使过程变得复杂并减小了所得的有图案的延迟器的栅距公差。
“通过反向摩擦或两次蒸发制造四区域的TN-LCD”(SID 95 Digest，第865页)和“用于灰度应用的二区域的80°扭转向列”(日本应用物理杂志，第31卷第二页，11B，pL1603)公开了用来提供改善的观察角度性能的多区域LCD。
“在亚微型形成图案的表面上进行液晶校列的机理”(A.Rategar等人，应用物理杂志，第89卷，No.2，pp 960-964，2001)公开了在使用原子力显微镜形成图案的聚合表面上进行液晶校列。该文件分析了在具有不同微小槽沟定向的微结构表面上对液晶进行多区域校列。
US 5 917 570公开了一种显示装置，其中，液晶在一个对称光栅和一个与之垂直的不对称光栅的“双光栅”上校列。双光栅型通过光致抗蚀剂通过彼此正交的掩模两次曝光而形成。或者，光栅可通过压纹来形成。这些公开的技术用于多区域液晶像素。
“使用冲压成形法控制液晶的校列”(E.S.Lee等人，日本应用物理杂志，第32卷，pp L1436-L1438，1993)公开了使用由冲压过程形成的小槽沟对液晶进行单区域校列的技术。
US 5 946 064公开了在涂布了光校列聚合物的具有小槽沟形成于其中的热固性树脂层上对液晶进行单区域校列的方法。

发明内容
本发明的第一方面是提供一种制造无源的有图案的延迟器的方法，该方法包括以下步骤形成包含许多组区域的液晶向列表面，各组区域包含具有下述细长的表面凸纹部分的光栅样结构基本上对准在与互不相同的各组的向列方向相同的向列方向上；将一层其光轴由光栅样结构来定向的可固定的液晶材料配置在向列表面上；将液晶材料固定，使得覆盖向列表面的各自对应区域的固定的液晶材料各区域的光轴固定在由对应区域的向列方向所确定的方向上。
本文中使用的术语“无源的”是指有图案的延迟器的光学性能，具体地说是延迟和光轴的定向在生产中固定，并且在随后的生产和使用中不能控制或变化。这与有源装置，如LCD相反，在该装置的后续生产中，可控制其光学性能使之向所需的方向变化。
本文中使用的术语“光栅样结构”定义为具有表面凸纹部分的结构，该表面凸纹部分包含基本上相互平行地延伸于整个表面上的伸长的隆起和/或凹槽。这些隆起和/或凹槽，也可称为细长的表面凸纹部分，可以(但不是必须)连续延伸于整个结构。这些部分可具有各种截面形状(在垂直于表面以及部分的延长方向的平面上)，它们可以是基本上对称的或不对称的。但是应该注意的是，相邻的表面凸纹部分之间的间距可在以下结构范围内的一组之内和/或各组之间变化该结构不能产生显著的衍射效果，因此使用术语“光栅样结构”要优于“光栅结构”。术语“光栅样结构”可以表示具有以下表面凸纹部分的任意结构它们单独是适用于衍射光栅的普通类型，但是不需要相邻的表面凸纹部分之间的间距具有均匀性或周期性以产生衍射效应。实际上，可更好地选择相邻的表面凸纹部分之间的间距，从而基本上防止衍射效应的产生。
表面凸纹部分的深度可在0.02-5微米之间。
表面凸纹部分的宽度可在0.2-10微米之间。
各区域的表面凸纹部分可基本上相互平行，并平行于各个区域的向列方向。
在相邻的表面凸纹部分之间的垂直于向列方向的间距可在区域内变化。
在相邻的表面凸纹部分之间的垂直于向列方向的间距可在一组内的一个区域与该组内的另一个区域之间变化。
在相邻的表面凸纹部分之间的垂直于向列方向的间距可在一组内的一个区域与另一组内的一个区域之间变化。
液晶材料可以是可聚合的(如可光聚合的(比如通过紫外线照射来聚合))，并且其固定步骤可包含对材料进行聚合。液晶材料可包含有效的中源。
向列表面可包含两组区域。
这些区域可包含与相互交错的各组的条纹基本上平行的条纹。
该方法可包含以下附加步骤形成均匀的延迟器，作为有图案的延迟器的一部分。该附加步骤可包含添附伸展张紧的聚合物层。
形成步骤或者至少一个表面凸纹部分的形成步骤可包含通过幅度掩模照射光致抗蚀剂层并显影该层。
本发明的第二方面是提供一种通过本发明第一方面的方法制造的无源的有图案的延迟器。
这样就可以提供一种制造无源的有图案的延迟器的方法，它比已知的方法更简单方便。例如，单独步骤的数量可减少，对于准确定位的要求可降低或基本消除。可精确地产生更小的图案特征，以得到更小型的光学装置或照明的均匀性。


将通过实施例，并参照以下附图对本发明作进一步的描述图1示出了已知型号的用于LCD投影仪的偏振转换光学系统中的有图案的延迟器的使用。
图2示出了用已知方法制造有图案的延迟器的步骤。
图3示出了使用有图案的延迟器作为三维自动立体显示装置中的视差栅栏的已知装置。
图4图解性地说明了制造构成本发明的实施方式的无源的有图案的延迟器的方法中使用的幅度掩模；图5图解性地说明了制造构成本发明的实施方式的有图案的延迟器的方法。
具体实施例方式
幅度掩模30的典型区域更详细地显示在31中。区域31包含清澈或透明的区域如32，与模糊的、吸收或反射区域33交错。清澈区域32通过照射，如紫外线照射，使光致抗蚀剂层曝光，而吸收或反射区域33阻挡此照射。
清澈区域32和吸收区域33呈细对角线的形式，在各个条纹中相互平行。这些部分的角与无源的有图案的延迟器的光轴所需角度一致。例如，一组条纹的部分可具有与垂直面成夹角+22.5°的定向，而另一组的这些部分以-22.5°定向。或者，一组的这些部分的角的定向可与另一组的这些部分的角的定向大小不同。例如，一组的这些部分的角的定向为+22.5°，而另一组的这些部分的角的定向为-25.0°。另一个例子是，一组的这些部分的角的定向为0℃，而另一组的这些部分的角的定向为-45℃。
清澈区域32和吸收区域33的宽度可以相同或者不同，且最好在0.2-10.0微米之间。如上所述，最好变化清澈区域32和吸收区域33的宽度以抑制衍射效应，虽然清澈区域32和吸收区域33的宽度原则上在整个结构内是均匀的。例如，清澈和/或吸收区域32、33的宽度可在区域39、40之内，例如以随机或伪随机的方式变化。另外，或者清澈和/或吸收区域32、33的宽度可在一组的区域39、40与该组的另一区域39、40之间变化。另外，或者清澈和/或吸收区域32、33的宽度可在一组的区域39与另一组的区域40之间变化。
图5示出了使用图4所示的幅度掩模30形成向列层来制造无源的有图案的延迟器的方法。延迟器形成在，例如玻璃或塑料基片35上，它被适当地清洁，并通过例如旋涂或丝网印刷法涂布了一层光致抗蚀剂层36。在一个具体的例子中，将购自MicroChem的型号为SU8 2002的负光致抗蚀剂喷洒在基片35上，得到厚0.5微米的一层。然后将抗蚀剂在65℃软烘焙1分钟，95℃软烘焙1分钟。
然后，将光致抗蚀剂层36通过相邻光致抗蚀剂层36或与其接触的掩模30，在紫外线照射下曝光。接着，将已曝光的层36在65℃曝光后烘焙1分钟，并在95℃曝光后烘焙1分钟。曝光后的层在购自Shipley公司的EC溶剂中显影1分钟，紧接着，将其置于异丙醇中漂洗并干燥。
这些步骤导致了具有与幅度掩模30的幅度图案标称一致的表面凸纹图案的向列表面的形成。具体地说，在光致抗蚀剂层36上不通过吸收区域33曝光的地方，曝光和显影步骤导致了光致抗蚀剂材料被除去，以在允许下面的光致抗蚀剂层曝光的与清澈区域32的图案对应的地方留下表面凸纹或光栅样的图案。在说明的实施方式中，形成作为交错的垂直条纹的两组向列表面。各组的区域包含具有沿同一方向排列的细长的表面凸纹部分，但是不同的组有沿不同方向排列的细长的表面凸纹部分的光栅样结构。这些方向确定了最终的延迟器的光轴。
干燥后，在150-200℃之间将余下的光致抗蚀剂及基片硬烘焙30分钟。然后，例如通过旋涂或其它普遍已知的涂层技术，使用在25-40重量％的二甲苯或PGMEA(丙二醇单乙醚乙酸酯)溶液中的有效的中源，如购自Merck有限公司的RMM 34，对由残余的光致抗蚀剂形成的向列表面以及基片的相邻表面进行涂布。有效的中源通过光轴在结构的表面凸纹部分的方向上的光栅样结构来校列。层38的双折射和光学厚度决定了延迟器的延迟性。光学厚度可通过控制溶液涂层的浓度、铺展速度和溶剂的蒸发速度来调节。延迟性的精确调节可通过在进行固化的过程中，精确地控制有效的中源的温度来调节，较高的温度使层38的双折射较低，因此延迟性较低。
在溶剂蒸发之后，层38形成了与向列层37的下面区域对应的区域，该向列层37的各区域的光轴在下面的向列层的槽沟的方向上校列。然后，例如通过在气体氮“壳层”下、在波长为365nm、在层38中的流量为1.5焦耳/cm2的紫外灯下曝光来固化层38的有效的中源。这样，层38的材料通过光聚固化或固定，使得光学性能，包括区域的光轴定向和双折射固定下来。
通过与公开于EP 0 887 667的技术进行比较，可将上述方法概括为包含以下步骤1.用抗蚀剂涂布基片；2.通过掩模使抗蚀剂曝光；3.抗蚀剂显影；4.用可聚合的液晶涂布；5.液晶聚合。
相反地，EP 0 887 667的技术可概括如下A.用向列材料涂布基片；B.烘焙向列材料；C.沿第一方向摩擦；D.用抗蚀剂涂布；E.通过掩模将抗蚀剂曝光；F.抗蚀剂显影；G.在第二方向上摩擦抗蚀剂；H.把抗蚀剂大面积曝光；I.抗蚀剂显影；J.用可聚合的液晶涂布；K.液晶聚合。
本方法的步骤1-5与上述方法的步骤D-F、J和K一致，分别使本方法得到实质性的简化，该简化在于不需要已知技术的许多方法步骤。同时，与已知技术的步骤D-F相比，步骤1-3的操作容差减小。因此，本方法需要比已知装置更少、更简单的操作步骤，但是能生产质量相等，例如具有类似尺寸的最小图案特征的无源的有图案的延迟器。
为了改善有图案的延迟器的消色差性能，可将由拉伸的聚合物制得的均匀的延迟器层压在通过图5所示的方法制得的有图案的延迟器的任一面上。适当地校列均匀的延迟器的光轴，例如与垂直面的夹角为-67.5°，使其峰值延迟性与有图案的延迟器匹配。此外，可提供一防反射涂层，该涂层可以，例如形成在制造均匀的延迟器的拉伸的聚合物上。或者，另外地，可在没有用抗蚀剂层36涂布的基片35的表面上提供一防反射涂层。
作为从拉伸的聚合物片材制造均匀的延迟器的一种可选择的方法，可使用如图5所示相同的方法，但是使用包含单一均匀区域或在其整个表面上的光栅样结构的掩模，在有图案的延迟器的任一表面上直接形成均匀的延迟器。用于均匀的延迟器的幅度掩模的清澈区域和吸收区域的宽度可以相等，或者它们可以不相等。掩模的清澈区域和吸收区域的宽度可以等于有图案的延迟器所用的掩模的线宽度，或者它们可以不相等。幅度掩模的清澈区域和吸收区域的宽度可以是均匀的，或者它们可以，例如以随机或伪随机的方式在掩模上变化。均匀的延迟器可以在有图案的延迟器完成后再形成。或者，在各延迟器通过涂布及固定步骤依次形成之后，两种延迟器所用的向列表面可在基片35上形成。
在上述技术中，光栅样结构通过“光”从掩模转移到光致抗蚀剂层来形成。
将光致抗蚀剂层36通过掩模30暴露在UV照射下。已曝光的抗蚀剂置于Clariant公司的MIF726显影剂中显影20秒，在去离子水中彻底漂洗并干燥。在150-200℃将干基片硬烘焙30分钟以增加抗蚀剂材料的通过率。用实施例1中描述的可聚合的液晶涂布烘焙过的基片。
权利要求
1.一种制造无源的有图案的延迟器的方法，它包含以下步骤形成包含许多组区域的液晶向列表面，各组区域包含具有下述细长的表面凸纹部分的光栅样结构基本上对准在与互不相同的各组的向列方向相同的向列方向上；将一层其光轴由结构来定向的可固定的液晶材料配置在向列表面上；将液晶材料固定，使得覆盖向列表面的各自对应区域的固定的液晶材料各区域的光轴固定在由对应区域的向列方向所确定的方向上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述表面凸纹部分的深度为0.02-5微米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述表面凸纹部分的宽度为0.2-10微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述各区域的表面凸纹部分基本上相互平行，并且平行于对应区域的向列方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述在相邻的表面凸纹部分之间、垂直于向列方向的间距可在区域内变化。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述在相邻的表面凸纹部分之间、垂直于向列方向的间距可在一组中的一个区域与该组中的另一区域之间变化。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述在相邻的表面凸纹部分之间、垂直于向列方向的间距可在一组中的一个区域与另一组中的一个区域之间变化。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述液晶材料是可聚合的，且固定步骤包括将材料聚合。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述液晶材料是可光聚合的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述液晶材料可通过紫外线照射进行光聚合。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述液晶材料包含有效的中源。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述向列表面包含两组区域。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述区域包含与相互交错的各组的条纹基本上平行的条纹。
14.根据权利要求1所述的方法，它包含以下附加步骤形成均匀的延迟器，作为上述有图案的延迟器的一部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述附加步骤包含添附伸展张紧的聚合物层。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成步骤或至少一个形成步骤包含通过幅度掩模照射光致抗蚀剂层并对该层显影。
17.一种无源的有图案的延迟器，它是根据权利要求1所述的方法制造的。
全文摘要
提供了一种制造无源的有图案的延迟器的方法，其中，形成液晶向列表面。向列表面37包含若干组的区域。各区域包含具有沿相同向列方向的细长的表面凸纹部分的光栅样结构。不同的组的向列方向互不相同。在向列表面上涂布一层可固定的液晶材料38，该液晶材料的光轴由下面的光栅样结构来定向。然后，将液晶材料固定，使得光轴由下面的光栅样结构来确定，并将其固定。
文档编号G03F7/20GK1432828SQ0310271
公开日2003年7月30日 申请日期2003年1月17日 优先权日2002年1月18日
发明者M·哈日瓦, G·布尔赫, H·史蒂文森 申请人:夏普株式会社