专利名称：结合光反应聚合体的光学器件的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及适用于光学器件的面板，尤其涉及可以采用光聚合作用的聚合体来制造面板和其它光学器件的方法。
背景技术：
纤维光学面板(FOFP)一般都用于科改善视角的构成液晶显示器的结构。例如，美国专利5,959,711披露了增加一层或者多层FOFP层来减少当从不同的方位角来观看显示器时在亮度、对比度和色饱和度中所不希望变化的优点。在大多数LCD模式中的视角是受到限制的，由于随着观看显示的斜角逐渐增加时，对比度会下降且存在着灰阶反型。当几乎所有的商业化LCD都基于影响通过液晶的光偏振态的原理工作时，由于所利用的取决于通过液晶传输光的方向的相移，就会产生透射特征中的各向异性。有许多方法可以克服这一缺陷，从附加被动双折射薄膜到象素结构和显示模式的设计。通过方位角-平均观察的锥形，在LCD中的FOFP层可以增加或甚至于取代许多的上述方法。
在一个实施例中，FOFP可以设置在显示器件前面的上层偏振片和液晶层之间。FOFP的最常见的结构包括一个单独的玻璃或者聚合体光纤的阵列，它可以与空隙的覆层材料融合在一起并随后切割和抛光至所需要的厚度，以形成平板。正如业内人士所众所周知的，在这一方面，FOFP工作的有关原理是以等于或者小于某些可接收角度(θmaxIN)入射纤芯的光可以在纤芯和覆层界面上有总的内部反射(TIR)处理传输通过各个纤芯。正如引导射线所熟知的那样，在纤芯中不会产生任何损耗并且保持着射线的偏振角度，同时可以根据入射射线的位置和反射的次数来确定射线的方位角。正如
图1所示，这一旋转的次序是光纤10平均有关以给定偏振角度入射的所有入射光的方位角位置，使得输出包含具有两倍于最大入射角度的立体角的空心输出锥形22。在图1中，因为所图示说明的入射光线24和26都是以角度θmax入射光纤10，所以空心输出锥形22的立体角为2θmax。只要光是以空心输出锥形22包含有关方位角位置的平均来呈现的，则以所有方位角传输光的强度基本上都是相等的。这是方位角平均的基本属性，使得FOFP与亮度和对比度方面具有固有的各向异性的LCD相耦合时可以在较广泛的角度内产生对称的视角特性。
然而，大于θmaxIN的入射光就不能经历总的内部反射，而是会在每一个纤芯-覆层界面上部分泄漏到覆层中。这些未能引导的泄漏光线和入射到覆层中的任何光线将不是以预先确定的方位角和偏振角度通过阵列继续传输，并因此发生散射。
只要光纤10周围材料的相对折射率在入射平面和输出平面上是相同的，则在光纤10周围的材料折射角度θmaxIN以及光束输出光纤10的角度，θmaxOUT，将是相同的。一旦在入射和输出平面周围的材料具有不同的折射率，则这些粮就会不同。FOFP的这些特性确定了θmaxIN和θmaxOUT在阵列入射或者输出表面上的纤芯、覆层以及边界材料的折射率。在这三个折射率和角度之间的基本关系可以下列两个公式来讨论，这是业内所熟知的NA=N0sinθmax=N2fib-N2clad]]>θmax=arcsin(1N0N2fib-N2clad)]]>式中NA＝FOFP的数值孔径θmax＝接收或输出的FOFP最大立体角N0＝周围材料或边界的折射率Nfib＝光纤的折射率Nclad＝纤芯覆层的折射率在FOFP输入面上的高NA，通过在输入(例如，空气)面上低的N0或者大的纤芯-覆层折射率对比的选择，都可产生宽的接收角度。相类似，在FOFP输出面上的高NA会引起宽的输出角度，在这种情况下，可以通过考虑输出的N0来获得。相反，当选择小的纤芯-覆层折射率对比时或者当使用高折射率的材料用于周围材料(例如，塑料、聚合体或者光学玻璃)时，就会产生有限的θmaxIN和θmaxOUT。
FOFP也可以设置在显示器件的背面，特别是，具有背面照明光源的器件。例如，背面的FOFP可以设置在衍射器和液晶单元之间。背面FOFP可以包括入射面，面对和相邻着衍射器，并且可产生相对宽的光接收角度的高θmaxIN。背面FOFP的输出面相对于输入面，其中，输出面提供了较低的θmaxOUT。因此，FOFP可以具有相对较窄的光输出或者输出角度。背面FOFP提供了增加来自背面照明光源的光聚焦，从而提供了在LCD亮度效率方面的改善。
图2图示说明了FOFP 28的俯视图，该FOFP是由单独的光纤阵列所制成的，其中光纤是与空隙覆层材料融合在一起并随后切割和抛光到所需要的厚度以形成平板。在FOFP 28的表面可以看见纤芯12和覆层材料14。图3图示说明了图2所示的FOFP 28的部分剖面图。
发明内容
本发明的一个实施例是一种适用于形成显示器件的方法，该方法包括通过提供一个具有光敏树脂的第一基板并且采用三种准直射和相干光源曝光于光敏树脂以形成光干涉图形，来产生一个面板元件。光干涉图形可以在光敏树脂中产生第一明亮的区域和第二黑暗的区域。第一明亮区域的光敏树脂可以通过对光干涉图形的曝光来改性，并且第一区域或第二区域都可以形成圆柱形部分。面板可接收或引导光线进入到光学显示元件中。
本发明的另一实施例是一种显示器件，该显示器件包括一个光学显示元件和一个聚合体面板，该面板可以接收或引导光线进入到光学显示元件中。该面板包括圆柱形的区域，其中圆柱形区域的折射率不同于在圆柱形区域周围的覆层区域的折射率。圆柱形区域是通过采用三种准直射和相干光源曝光于光敏树脂以形成光干涉图形来产生的。光干涉图形包括在光敏树脂的第一明亮的区域和第二黑暗的区域。第一明亮区域中的光敏树脂可以通过对光干涉图形的曝光来改性，并且第一区域或第二区域都可以形成圆柱形的区域。
本发明的另一实施例是一种适用于制造波导的方法，该方法包括提供一个具有光敏树脂的第一基板并且在波导的模板中创建一个波导沟道。光敏树脂曝光成具有第一明亮的区域和第二黑暗的区域的光图形。第一或第二区域中的一个区域的光敏树脂可以改性，以便于凝固形成波导模板，同时第一或第二区域中的一个区域的光敏树脂是可以溶解的。可溶解的光敏树脂可以溶解开，以定义在波导模板中的波导沟道。随后，可以采用液晶材料来填充波导沟道。对液晶材料进行曝光，形成光栅，从而产生在波导沟道中的液晶材料的折射率的变化。
附图的简要说明通过以下结合附图的本发明各个实施例的详细讨论可以更加完整地理解本发明。
图1是说明方位角平均的光纤的侧视图。
图2是现有FOFP的俯视图。
图3是图2所示的局部放大示意图。
图4显示了本文用于讨论平面波传输的传统方法。
图5-7显示了适用于三束具有θ＝45°重合S偏振相干平面波沿着X和Y轴的矢量、偏振状态和辐射。图中显示了六层对称的三角阵列。
图8-10显示了适用于三束具有θ＝45°重合P偏振相干平面波沿着X和Y轴的矢量、偏振状态和辐射。该图形时常是图5-7所示情况的翻版。
图11-13显示了适用于三束具有θ＝45°且偏振{96°，178°，86°}重合相干平面波沿着X和Y轴的矢量、偏振状态和辐射。这种情况类似于图5-8所示的情况，但是在最大和最小辐射之间的差异是较大的。
图14-15画出了在图12所示辐射图形的X轴和Y轴上的强度。
图16提供了图12所示的干涉图形的更详细视图。
图17-18画出了图6所示辐射图形的X轴和Y轴上的强度。
图19提供了图6所示的干涉图形的更详细视图。
图20是光聚合作用材料曝光成S偏振三束干涉图形的剖面图。
图21是在图20所示的光聚合作用树脂上的三束干涉图形的俯视图。
图22是光聚合作用材料曝光成不相同的三束干涉图形的剖面图。
图23是在图22所示的光聚合作用树脂上的三束干涉图形的俯视图。
图24是使用掩膜将光反应聚合材料曝光成光图形的剖面图。
图25是使用不同掩膜将光反应聚合材料曝光成光图形的剖面图。
图26是包括聚合体树脂的立体纤芯区域的光学平板的投影图。
图27是FOFP等效结构的投影图，其中，图26或图28所示的光学平板采用第二聚合体回填。
图28是包括具有空心纤芯区域的聚合体树脂的立体覆层区域的光学平板的投影图。
图29是图27所示的FOFP在显示器件中的侧视图。
图30-33是图27所示的FOFP设置在显示器件中的不同位置上的侧视图。
图34是包括具有全息Bragg(布拉格)光栅的覆层区域的立体纤芯区域的光学平板的投影图。
图35是包括具有全息Bragg(布拉格)光栅的纤芯区域的立体覆层区域的光学平板的投影图。
图36是具有全息Bragg(布拉格)光栅的纤芯区域的可切换光纤的投影图。
图37是右角波导模板的投影图。
图38是右角波导的投影图。
图39是沿着图38所示线39-39、包括电极的可切换右角波导模板的剖面图。
在本发明服从各种改进和替代形式的同时，通过附图所示实例显示了特殊实例并进行了详细讨论。然而，应该理解的是，其目的并不是将本发明限制于所讨论的特殊实施例。相反，旨在覆盖所有落在所附权利要求所定义的本发明精神和范围内的改进、等效和替代。
较佳实施例的详细描述本发明相信可以作为光学器件或者于光学器件一起应用于多种器件和结构。本发明已经发现特别有利于光反应聚合体用于形成光学器件，特别是形成面板的应用环境。在本发明没有如此限制的同时，本发明各个方面的评价是通过对以该环境操作的各种应用实例的讨论所获得的。
许多现有技术的FOFP可构成包围在刚性覆层中的光纤纤芯压延束。这类适用于具有从中到大的(例如，12英寸到大于21英寸)显示对角线的LCD的FOFP的劳动集约制造是非常昂贵的，并且所附加的重量和厚度对于大多数应用来说是不需要的。另一种制造方法也已经披露，例如在美国专利5,726,730和美国专利5,928,819中所披露的，但是这些薄膜对通过其的光的偏振是十分敏感的，因此它们就不能复制基于玻璃的FOFP的光学效应。此外，它们的制造需要复杂的加工工艺，涉及到高的电场、图形化的电极以及表面对准层。
任何具有接近于光传输方向的圆柱形部分的平板都能够实现总的内部反射、在输入和输出表面上的可控NA以及足够大的纤芯纵横比，都会呈现出旋转方位角的平均以及目标平面从背后表面到前面表面的变化并因此成为FOFP的光学等效。这些基本的光学性能可以提供材料的范围。包含具有不同反射率的邻近区域的多种单体或聚合体可以产生包含多个圆柱形部分的基板，其边界是由反射率的间断性所定义的。在圆柱形部分中的反射率可以大于在圆柱形边界上以及外部的反射率。另外，在圆柱形部分中的反射率可以小于在圆柱形边界上以及外部的反射率。
光反应聚合体可以用于形成具有FOFP光学性能的结构。全息照相或平版印刷技术都可以用于使用光反应聚合体来创建FOFP所需要的结构，正如本文所要讨论的那样。术语全息照相和平版印刷讨论了光是怎样构成的。
在任何一种技术中，创建FOFP包括采用光致抗蚀剂的均匀薄膜开始。光致抗蚀剂一般都是有机光敏感材料。可以使用负性或者正性光致抗蚀剂。负性光致抗蚀剂是由于光的作用而聚合或者交联或者两者的材料。在正性光致抗蚀剂中，一旦暴露于光，分子就会具有光作用，使得可以溶解的分子处于适当的显影试剂中。光致抗蚀剂材料在业内也是众所周知的，并且在诸如Stanley Wolf和Richard Tauber所编著的“适用于VLSI时代的硅工艺(Silicon Processing forthe VLSI Era)”(第一版，Lattice出版，1986年)中所讨论的。
能够用于构成FOFP等效的光致抗蚀剂材料的一个实例是负性光致抗蚀剂，例如，牌号为Su-8，由加州Santa Clara的Micro-Chem公司所生产。SU-8的聚合材料和许多其它光致抗蚀剂所涉及到的步骤经常包括基板清洗和制备，旋涂，预曝光的焙烘以去除多于的溶剂，暴露于适当的光源，曝光后的焙烘，以及显影以去除未反应的分子。
相干单色电磁波的重叠引起所产生的空间图像的光强度的空间变化，这一现象称之为干涉，并且能够产生超过束强度之和的最大光强度和近似于零的最小光强度。光敏感聚合体可以采集空间干涉图形。光敏感聚合体的实例是光致抗蚀剂(正性和负性)和全息感光乳剂。
在图4中说明了适用于干涉波矢量的讨论的几何图形。图4显示了在坐标系统中的波矢量30。当两个或者多个平面波沿着特殊方向的方位角(例如，Z轴)分布时，很自然就定义了传输矢量有关参考该轴的空间坐标。因此，传输平面波的波矢量30就完全可以幅度K、从Z轴所测量到的极角θ，以及从+X轴测量到的方位角来讨论。极点角ψ是相对于包含K和Z轴两者地平面测量的，图4显示了其中正的ψ的约定。在图4中，K是在Y-Z平面中，所以是90°。在业内众所周知的两种特殊情况是采用这样的符号ψ＝90°时常可称之为s-或者TE-偏振，以及ψ＝0°时常可称之为p-或者TM-偏振。值得注意的是，在m0是所包含的干涉束的数量以及干涉束沿着特殊方向的方位角平均分布的情况下，可以发现在各束之间的方位角分离为0＝360°/m0，这是很有用的。在包含三束干涉束的情况下，在各束之间的方位角分离为120°。
在几个相干平面波相重叠的情况下，可以及计算容积干涉。在折射率n的材料中的总的辐射I(r)、电介质的介质常数ε、以及光的速度v＝c/n，正比于总的电场的平方幅度的时间平均I(r)=ϵ×v⟨ETOT2(r,t)⟩T]]>总的电场是由N个重叠的平面波所组成，其中Em(r)＝Amexp(ik·r)是第m平面波的复数幅度。为了更加简洁，我们注意到总的电场EToT(r，t)是以时间和空间变化的实数值矢量，而矢量符号电场Em(r)是以空间变化得复数值矢量，并且平面波幅度-极点矢量Am是潜在在复数值常数。这一数值可以由下式累加而获得ETOT(r,t)=R{E(r)exp(-iωt)}=12Σm=1N[Em(r)exp(-iωt)+Em*(r)exp(iωt)]]]>当电场是时间的正弦函数时，就将显示出时间平均变成了⟨ETOT2(r,t)⟩T=12E(r)·E*(r).]]>此外，乘积εv可以表示成自由空间的本征阻抗，使得辐射可以重新写成为I(r)=n2η0Σl=1NΣm=1NEl·Em*exp(i(kl-km)·r)]]>如各个干涉平面波的波的矢量、极点和相位的关系都是已知的，就能够发现在一个容积中的辐射。当有可能使用矢量量化方向(k＝[kx、ky、kz]T和E＝[Ex、Ey、Ez]T时，本讨论直观使用球面坐标，正如图4所图示说明的那样km＝[km、m、m]T。因此，单色平面波的波矢量km完全可以由幅度km＝2πλ，从+X轴所测量到的方位角m，从+Z轴所测量到的极角θm来讨论。
诸如图6和图12所示的空间干涉图形可以用于在诸如正性或者负性的光致抗蚀剂的光反应聚合体中创建FOFP性能。
图5-7分别图示说明了沿着三个具有θ＝45°的相互一致S偏振相干平面波的X和Y轴延伸的矢量、偏振状态和辐射。显示了六重叠对称的三角形阵列。图8-10图示说明了沿着三个具有θ＝45°的相互一致P偏振相干平面波的X和Y轴延伸的矢量、偏振状态和辐射。该图形有时是图5-7所示情况的翻版。图11-13图示说明了沿着三个具有θ＝45°和偏振为{96°，178°，86°}的相互一致相干平面波的X和Y轴延伸的矢量、偏振状态和辐射。这种情况类似于图6-8所示的情况，但是在最大和最小辐射之间的差异是较大的。
图14-15画出了在图12所示辐射图形的X轴和Y轴上的强度，而图l6提供例如图12所示干涉图形的更加详细的视图。图17-18画出了在图6所示辐射图形的X轴和Y轴上的强度，而图19则提供了图6所示干涉图形的更加详细的视图。
图20显示了在基板74上的光反应聚合体70的剖面图，其中暴露了三个相干光源76、78和80的干涉图形。在该实例中，干涉图形构成了在光反应聚合体70中所包括的覆层区域86和纤芯区域88。图22显示了图20所示的干涉图形的俯视图。在图20-21所图示说明的特殊干涉图形中，覆层区域86是包括干涉图形的最大值的明亮区域，而纤芯区域88是包括干涉图形的最小值的黑暗区域。当可以使用三个相干光束76、78和80的许多偏振来获得类似于图20-21所示的干涉图形时，S偏振光是较佳的，因为它能够产生最大对比度并且它的辐射图形对极角的变化不敏感。
图22显示了在基板94上的光反应聚合体90的剖面图，其中暴露了三个相干光源96、98和100的干涉图形。图22所示的干涉图形不同于图20所示的干涉图形，因为三个干涉束96、98和100具有与三个干涉束76、78和80所不同的特性。选择三个干涉束96、98和100，使得干涉图形包括在光反应聚合体90中所包括的纤芯区域104和覆层区域108。图232显示了图22所示的干涉图形的俯视图。在图22和23所图示说明的特殊干涉图形中，纤芯区域104是包括干涉图形的最大值的明亮区域，而覆层区域108是包括干涉图形的最小值的黑暗区域。当可以使用三个相干光束76、78和80的许多偏振来获得类似于图22-23所示的干涉图形时，S偏振光是较佳的，因为它能够产生最大对比度并且它的辐射轮廓形状与极角无关。
现在，参见图24-25，平版印刷方法也可以用于使用光反应聚合体薄膜120来形成适用于FOFP的纤芯区域和覆层区域。首先，可选择的是，基板124进行焙烘也可以进行化学制备，例如，清洗表面和去除所嵌入的水蒸气。接着，在基板124的开放面板上涂覆光反应材料的薄膜120。一例较佳的光反应材料的实例是负性光致抗蚀剂，例如，SU-8，当然也可以使用包括正性光致抗蚀剂的其它材料。光反应材料可以采用业内所众所周知的各种不同方法涂覆在基板上，例如，旋涂或者滚涂的方法。可选择的是，进行在基板124上的薄膜120的预暴露的焙烘。随后，使用掩模以光源130来曝光薄膜120。
图24图示说明了具有预定图形的掩模128。该掩模128可以具有开放区域132和封闭区域134。掩模128的俯视图将类同于图23所示的干涉图形的俯视图。
因此，在曝光步骤的过程中，没有被掩模所覆盖的薄膜部分就被光源曝光。采用途24所示的掩模128，薄膜120的纤芯区域136曝光于光源，而覆层138就没有曝光于光源。
另外，在曝光步骤的过程中，图25所示的不同掩模都可以使用。掩模129的俯视图类同于图21所示的辐射图形的外形。采用这类掩模，覆层区域86曝光于光源，而纤芯区域88就没有曝光于光源。在曝光步骤之后，薄膜的某些部分就会固化或者聚合，而薄膜的其它部分将会保持溶解于显影溶剂中，这取决于使用的是负性的还是正性的光致抗蚀剂薄膜。在显影的步骤中，溶剂涂覆在薄膜上，以便于去除屏蔽的掩模和未显影的光致抗蚀剂。随后，可以进行可选择的显影后的焙烘。
形成FOFP的一种方法涉及首先使用平版印刷或者全息照相技术来形成固化的聚合体纤芯区域。接着，去除未固化的覆层区域。可选择的是，可以随后回填覆层区域，以便于达到所指定的NA。固化的聚合体纤芯区域可以使用正性或者负性的光致抗蚀剂采用全息照相技术以至少两种方法来形成。另外，也可以使用平版印刷技术来形成固化的聚合体纤芯。
在一种全息技术中，可以使用正性光致抗蚀剂作为在基板上的光反应聚合体，并且创建纤芯区域为黑暗的和覆层区域为明亮的干涉图形，这类似于图20-21所示的干涉图形。因此，正性光致抗蚀剂的覆层区域将可以进行光反应，并且一旦曝光干涉图形之后将会被溶解于显影溶剂中。没有曝光的纤芯区域是聚合的。可以使用诸如乙醇之类的溶剂来去除覆层区域。图26显示了所产生的纤芯模板1200，该模板具有被基板1220上的空的覆层区域1215所包围的固化纤芯区域1210。
在另一适用于创建固化聚合体区域的全息照相技术中，可以使用负性光致抗蚀剂，并且创建纤芯区域为明亮的和覆层区域为黑暗的干涉图形，这类似于图22-23所示的干涉图形。正如图22所示，在基板94上的光聚合材料90可以采用由三束96、98和100所产生的干涉图形进行曝光，其中纤芯区域104是明亮的，而覆层区域108是黑暗的。在光聚合材料90是负性光致抗蚀剂的情况下，一旦曝光干涉图形，则纤芯区域就会聚合，而覆层区域就会不聚合。于是，就可以使用溶剂来去除覆层区域。
使用图24所图示说明的平版印刷技术，掩模128可以结合负性光致抗蚀剂薄膜一起使用，来形成固化的纤芯区域。掩模128使得纤芯区域136曝光于光，而覆层区域138没有曝光于光。纤芯区域一旦曝光于通过掩模128的光源就会聚合。
在另一平版印刷技术中，可以使用正性光致抗蚀剂作为在基板上的光反应聚合体，并且使用掩模来曝光在覆层区域中的光反应聚合体但是不曝光在纤芯区域中的光反应聚合体，正如图25所示。掩模129已经覆盖着纤芯区域并且开放着覆层区域，类似于图21所示的干涉图形的外形。采用这类掩模，覆层区域可曝光于光，而纤芯区域没有曝光于光。因此，覆层区域一旦曝光干涉图形就会进行光反应并且溶解于显影溶剂。没有曝光于光的纤芯区域就会聚合。
一旦纤芯区域使用平版印刷或者全息照相机技术聚合之后，就可以去除在覆层区域中没有聚合的光反应材料。可以使用在业内众所周知的乙醇或者其它溶剂来清晰未聚合的区域。图26显示了在已经去除了在覆层区域中的光反应材料之后再基板1220上的聚合纤芯区域1210。FOFP可以简单地采用空气作为覆层材料。如果覆层区域是空气，则较佳的是进行仔细的处理，以便于不要破坏聚合纤芯区域。图26所示的空的覆层区域1215可以采用覆层材料回填，形成如图27所示的光学平板，该平板可以在基板1406上具有覆层区域1402和纤芯区域1404。在覆层区域1402中所使用的材料具有低于纤芯区域1404的折射率。
在本发明的一例较佳实施例中，用于形成固化纤芯区域的光图形具有六角形对称的纤芯区域，正如图21和23所示。
FOFP也可以通过先构成在纤芯区域中具有空的固化覆层结构病随后可选择性地回填纤芯区域来构成。具有空的纤芯的固化覆层可以使用正性或者负性光致抗蚀剂来制成。在一种技术中，可以使用负性光致抗蚀剂作为在基板上的光反应聚合体并且创建纤芯区域是黑暗的而覆层区域是明亮的辐射图形(或者是全息照相或者是平版印刷)，例如，正如图20-21所图示说明的。因此，负性光致抗蚀剂的覆层区域可曝光于辐射图形的明亮部分，并且固化、聚合、交联或者变得在显影剂中不会溶解。光反应材料的纤芯部分就不会聚合并且在显影剂中保持着溶解。可以使用在业内众所周知的乙醇或者其它溶剂去除在纤芯区域中没有固化的负性光致抗蚀剂材料。
在互补的技术中，在基板94上的光反应材料90曝光于覆层区域是黑暗的合纤芯区域是明亮的辐射图形(全息照相或者平版印刷)。可以通过由图22-23所示的光束96、98和100所形成的三束干涉图形进行全息照相形成辐射图形。另外，诸如图24所示掩模128的屏蔽掩模可以用于在正性光致抗蚀剂的薄膜120上创建黑暗覆层区域138和明亮纤芯区域132。辐射图形(全息照相或者平版印刷)形成黑暗的覆层区域108和明亮的纤芯区域104，正如图23所示。在纤芯区域104中的正性光致抗蚀剂进行光反应，使之一旦曝光于辐射图形的明亮间距中的光就会溶解于显影溶剂中。其它工艺处理引起在覆层区域中的正性光致抗蚀剂聚合。通过使用在业内众所周知的乙醇或者其它溶剂从光学平板上去除没有聚合的纤芯区域。从而可以产生如图28所示的结构130，该结构在基板上具有固化的覆层区域1310和空的纤芯区域1320。
在覆层区域1310中的圆柱形空的区域1320可以采用折射率高于覆层区域的材料来填充。适用于回填圆柱形空的区域1320的材料的实例包括可聚合的材料，例如，丙烯酸脂、甲基丙烯酸酯、乙烯基和浓缩单体及其衍生物。如果回填圆柱形空的区域1320，则图27所示的光学平板1400最终是在覆层区域1402中的材料具有比在纤芯区域1404中的材料更低折射率。另外，纤芯可以包括具有低于覆层区域的折射率的材料，例如，纤芯可以是没有填充的，从而形成具有空气纤芯区域的光学器件。
使用平版印刷或者全息照相技术，图27所示的光学器件1400、图28所示的光学平板1300、或者图26所示的光学平板1200都可以构成具有FOFP的光学质量并因此可以用于FOFP的等效。这些结构可以定位在显示器件中的接近于液晶层的许多不同的位置上，以完成所需要的光学效应，例如，方位角的平均。
FOFP等效层可以设置在液晶层的上面，以便于通过提供方位角的平均来减少或者消除在显示器中的亮度、对比度比率和色饱和度中所不希望的变化。此外，FOFP的这一设置允许滤色器放置在液晶单元的外边，从而没有或者具有减少的视差问题。这类FOFP设置时常被称之为前置FOFP。一例前置FOFP的实例如图29所示，显示了显示器件l500的剖面图，该显示器件包括FOFP等效1502、第一偏振片1504、基板1505、滤色器506、液晶层1507、第二基板1508、第二偏振片1509、以及光学腔体或者光源1510。在显示器件1500中还可以包括许多其它元件。FOFP 1504包括纤芯区域1512。
适用于图30-32所示显示器件的前置FOFP结构可以减小低通效应问题的发生。低通效应问题是在图像的较高空间频率被抑止并且只要图像平滑或者虽然应用平均滤器时才出现图像的情况下发生。图30-32可产生改善的尖锐和清晰的图像。
许多使用前置FOFP的其它结构的显示器也是有可能，正如图30-32所图示说明的，其中类同于在图29中所使用标号的标号可用于标注类似的部分。图30图示说明了类似于图29的显示器件，除了FOFP 1502可以在偏振片1504之前应用于在基板1505上的显示器件。在图31中，显示器件1516包括FOFP1502，它可应用于基板之前、邻近于滤色层1506和液晶层1507。在图32中，显示器件1518包括前置FOFP 1502，它可以结合邻近于液晶1507和滤色层1506的薄膜偏振片1520一起应用。
背面FOFP图33图示说明了设置在液晶器件中的所谓背面FOFP，其中FOFP等效可以设置在液晶层的下面或者后面。显示器件1600包括第一偏振片1602、基板1603、滤色器1604、液晶层1605、基板1606、第二偏振片1608、背面FOFP 1609，以及背光1610。在显示器件1600中可以包括许多其它元件，FOFP 1609包括纤芯区域1612。背面FOFP设置可以构成准直器的作用。纤芯和覆层的系数，与入射媒介的系数一起，确定了数值孔径(NA)。NA是适用于各个纤维的可接受锥形角度。因此，可以选择纤芯、覆层和入射材料的系数，以便于提供沿着输入边的宽的NA和在输出面上的较小的NA，从而使得FOFP如同准直器一样工作。这允许通过液晶层所传输的光限制于接近垂直的角度，这就可以防止许多偏轴对比度和彩色的问题。轴上的光随后可偏轴折返，只要它能够通过前面FOFP，这样就能具有较窄的输入NA和较宽的输出NA。在背面FOFP中，有许多其它准直器功能的优点。
图26和28所示的纤芯和覆层模板也可以用于构成全息滤色器。在一个实例中，图26所示的纤芯模板可以具有采用全息光聚合体所填充的空的覆层区域。所产生的光学平板1700如图34所示，其中，光学平板包括在覆层区域中由可聚合光反应材料和全息光聚合体1702所制成的固化纤芯区域12l0。随后，该结构曝光于几对相干光束，以形成反射的Bragg光栅。全息光聚合体是一种对光干涉图形反应不均匀的材料。取决于光源的曝光，全息光聚合体的不同区域可以不同反射系数聚合。三基色中的各色都需要分离成两束全息设置。这可以采用单独的激光器来完成(三个激光器可以产生总计六个光束)或者采用一个激光器分成为三个入射角。三个全息照相的曝光也可以同时或者顺序进行，并且在两种情况下需要某些能够屏蔽其它基色的掩模。
在图34所示的一例无源全息滤色器的实例中，Bragg光栅可以采用反射整个可见频谱光的方法来制成。只要整个Bragg光栅的最终的系数低于纤芯系数，则最终只能产生仅仅只允许光通过纤芯区域1210的薄膜。这就能在循环光没有泄漏到覆层的同时确保方位角平均。在覆层中得到的光越少，则方位角平均就越好。在过去的FOFP结构中，经常是使用吸收材料作为覆层材料，以防止泄漏到覆层中。然而，在覆层材料形成Bragg光栅的情况下，入射覆层的光可以循环而不是吸收。入射到覆层材料1702的光束1704和1706就会被反射。相反，入射纤芯区域1210的光束1708和1710可通过纤芯区域传输并且进行方位角上的平均。
在本发明的另一实例中，诸如图28所示的覆层模式模板可以采用全息照相光聚合体回填，以形成纤芯区域。图35图示说明了由可聚合的光反应材料所制成的固化覆层区域1310。图35所示的全安心区域已经采用全息照相的光聚合起1802填充。全息照相的光聚合体曝光于几对相干光束，以形成Bragg反射光栅，它只允许某一频带或某些频带的波长可以传输而反射所有其它频带的波长。这样，Bragg光栅可以构成在方位角平均的同时只允许某些颜色传输，这是因为存在着纤芯覆层的结合点。具有所需波长的光束1803和1804可以由纤芯区域1802传输。不具有所需波长的光束1806可以由纤芯区域1802反射。在纤芯区域1802中由Bragg光栅所反射的光可以由下层的显示器件的结构来循环。在该实施例中，覆层材料1310可以是吸收材料。入射覆层材料1310的光束1808随后被吸收。
诸如图34和35所讨论的全息照相滤色器可以包括于显示器件中，并可设置在液晶层的前面或者后面，这取决于应用和所需要的光学效应。
图34和35所示的全息照相滤色器可以改进，使之提供可切换的滤色器。设置在液晶(H-PDLC)中的全息照相聚合体可以用于图34和35所示滤色器中的全息照相聚合体。H-PDLC是单体，它对干涉图形的反应是不均匀的。美国专利No.6,398,981讨论了某些H-PDLC的实例。H-PDLC是液晶、单体和光引发剂所混合的混合物。扩散处理的结果将包含在化合物中的所有种类。在处理结束时，聚合体主要是在高亮度区域中发现，而没有反应的元件(液晶、表面活性剂，等等)驻留在低亮度区域中的腔体内。某些液晶保持俘获在聚合体粘结剂中，而某些聚合体粘结剂驻留在低亮度区域中。在腔体中，液晶分子并行对准于所施加的电场。这种对准引起在系数调制中的变化以及即使在系数调制消除中的变化。
可切换的反射彩色薄膜可以通过对类似于图35所示的全息照相滤色器添加电极来构成，正如图36所示。光学器件2100包括H-PDLC所构成的聚合体覆层区域2104和纤芯区域2106。低层基板2110和上层2108都包括电极2114和2112。电极可以是一层氧化铟锡(ITO)或者其它导电材料。电极一般是透明的，以便于显示器件所使用。当电场施加于滤色器时，液晶分子对准，使得在纤芯区域2106中的H-PDLC材料允许所有波长的光传输。当器件没有上电时，纤芯区域允许传输某些频带波长的光，而反射其它波长的光，正如图35所示。Bragg匹配条件确定了能够传输的波长，正如业内所众所周知的。干涉(A)的间距或周期以及入射光栅的角度(对于波导取π/2)都与峰值波长(λ)有关，正如下式所表示Λ=λ2sinθ]]>当电场不存在时，纤芯区域2106可以构成反射所有波长的光，使得光学器件2100成为一个可切换的FOFP。
在本发明的另一实施例中，聚合体基板可以用于创建光学波导沟道。波导可以栽剪以便于将光引导到某些空间，例如，在弯曲的周围、以角度转弯、或者沿着弯曲的路径。一例这类波导2200的实例如图37-39所示。首先，使用全息照相或者掩模在基板2206上形成聚合体模板2204，它包括适用于波导沟道的右角空的区域2208。聚合体模板2204的形成可以使用负性或者正性光致抗蚀剂，类似于以上所讨论你的形成纤芯区域和覆层区域的技术。较佳的是，基板2206包括电极2210。空的波导沟道2208随后可采用H-PDLC材料来填充并依次曝光于全息照相光栅或亮度光栅，以便于在波导的纤芯中在适当的点上创建所需的系数调制。H-PDLC材料形成波导沟道2212。
另外，多束全息照相曝光可以用于在不是光栅纤芯区域中形成双折射纤芯。
图39显示了波导器件2200的剖面图。包括电极2118的上面2216也可以包括于器件2200中。聚合层2220和2222也可以定位在电极和波导沟道结构之间。当电场施加至波导沟道2212中的H-PDLC材料，在系数反射中的变化就可以改进或者消除。
上述说明、实例和数据提供本发明组成结构的制造和使用的完整描述。由于本发明的许多实施例都可以在不背离本发明的精神和范围的条件下提出，因此本发明可由所附的权利要求所定义。
权利要求
1.一种形成显示器件的方法，其特征在于，该方法包括由下列步骤产生面板(i)提供第一基板，其表面具有光反应树脂；(ii)光反应树脂曝光于光干涉图形，其中光干涉图形是由三束准直的和相干的光源所形成的，根据光干涉图形，在光反应树脂中产生第一明亮区域和第二黑暗区域，其中第一明亮区域的光反应树脂通过光干涉图形的曝光而改性，而其中第一区域或者第二区域形成圆柱形的特征；以及，面板与光学显示元件组合，以形成显示器件，其中，所述面板接受或者引导光进入所述光学显示元件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆柱形部分在基本平行于所述第一基板的平面上基本上是六角形对称的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在曝光于光干涉图形之后，所述第一和第二区域的光反应树脂改性固化，以形成固化的圆柱形部分，同时所述第一或第二区域的光反应树脂是可溶解的，还包括溶解可溶解的光反应树脂的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括采用液晶材料来填充环绕着固化圆柱形部分的覆层区域；以及，将所述覆层区域中的液晶材料曝光于多束相干光源，以固化液晶材料，其中，所述覆层区域所具有的反射系数小于圆柱形部分的反射系数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多束相干光源是选自能够引起在覆层区域中的液晶材料的反射系数变化的，其中所产生的结构可基本反射所有波长的可见光。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在曝光于光干涉图形之后，所述第一和第二区域的光反应树脂改性固化，以形成环绕着所述圆柱形部分的固化的覆层区域，同时在所述圆柱形部分中的光反应树脂是可溶解的，还包括溶解在圆柱形部分中的可溶解光反应树脂的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括采用液晶材料来填充所述圆柱形部分；以及，将所述液晶材料曝光于多束相干光源，以固化液晶材料，其中，所述覆层区域所具有的反射系数小于圆柱形部分的反射系数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相干光源是选自能够引起在覆层区域中的液晶材料的反射系数变化的，其中所产生的结构可基本反射某些波长的光。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述覆层区域吸收光。
10.一种显示器件，其特征在于，该器件包括光学显示元件；以及，聚合体面板，它可接受或者引导光到所述光学显示元件，所述光学元件包括圆柱形区域，其中，所述圆柱形区域的折射系数不同于环绕着圆柱形区域的覆层区域的折射系数，其中，所述圆柱形区域是通过光反应树脂曝光于由三束准直和相干光源所产生的光干涉图形所形成的，其中，所述光干涉图形包括在光反应树脂中的第一明亮区域和第二黑暗区域，其中，所述第一明亮区域的光反应树脂通过曝光于所述光干涉图形而改性且其中第一区域或第二区域形成圆柱形区域。
11.如权利要求10所述的显示器件，其特征在于，所述圆柱形区域在基本平行于所述第一基板的平面上基本上是六角形对称的。
12.如权利要求10所述的显示器件，其特征在于，所述圆柱形区域或者所述覆层区域都是空的区域。
13.如权利要求10所述的显示器件，其特征在于，所述圆柱形区域是空的区域。
14.如权利要求10所述的显示器件，其特征在于，所述覆层区域是空的区域。
15.如权利要求10所述的显示器件，其特征在于，所述圆柱形区域是固化的圆柱形区域且所述面板还包括在覆层区域中的覆层材料环绕着所述固化的圆柱形区域，所述覆层材料是通过液晶材料曝光于多束相干光源以便于固化所述液晶材料来形成的，其中，所述覆层材料所具有的折射系数小于圆柱形区域的折射系数。
16.如权利要求13所述的显示器件，其特征在于，所述覆层材料的折射系数是不均匀的，其中所述面板基本上反射所有波长的可见光。
17.如权利要求10所述的显示器件，其特征在于，所述面板还包括在覆层区域中的覆层材料，其中所述覆层区域是由在曝光于光干涉图形之后环绕着所述圆柱形区域的第一或第二区域的光反应树脂改性以固化来形成，其中，所述圆柱形区域是没有材料的。
18.如权利要求17所述的显示器件，其特征在于，所述面板的圆柱形区域还包括液晶材料，所述液晶材料已经曝光于多束相干光源以固化液晶材料，其中，所述覆层区域所具有的反射系数小于所述圆柱形区域的反射系数。
19.如权利要求18所述的显示器件，其特征在于，所述圆柱形区域在反射系数中具有变化，其中所述面板反射某些波长的光。
20.如权利要求17所述的显示器件，其特征在于，所述面板的覆层区域吸收光。
21.一种制造波导的方法，其特征在于，该方法包括提供第一基板，其表面具有光反应树脂；采用波导模板来创建波导沟道，所述波导模板包括将光反应树脂曝光于光图形，所述光图形具有第一明亮区域和第二黑暗区域，其中，在曝光于光图形之后，第一或第二区域的光反应树脂改性以固化，从而形成波导模板，同时第一或第二区域的光反应树脂可以溶解，还包括溶解可溶解光反应树脂的步骤，用于定义在所述波导模板中的波导沟道；采用液晶材料来填充所述波导模板的波导沟道；将液晶材料曝光于光栅，以创建在所述波导沟道中的液晶材料折射系数的变化。
22.如权利要求21所述的制造方法，其特征在于，所述第一基板包括电极，还包括将具有第二电极的第二基板面对着所述第一基板定位，使得当电场施加到波导沟道的液晶材料中时，所述第二和第一电极与在所述波导沟道中的液晶材料相接触，以便于改进折射系数的变化。
23.如权利要求22所述的制造方法，其特征在于，当电场施加于在所述波导沟道中的液晶材料时，可消除在折射系数中的变化。
24.如权利要求21所述的制造方法，其特征在于，所述波导沟道形成一个右角。
全文摘要
一种适用于形成显示器件的方法包括通过提供具有光反应树脂的第一基板且将光反应树脂曝光于由三束准直和相干光源所形成的光干涉图形，以形成圆柱形部分来产生面板元件。显示器件包括光学显示元件和聚合体面板，它可用于接受或引导光道光学显示元件。面板包括圆柱形区域，其中圆柱形区域所具有的反射系数不同于环绕着圆柱形区域的覆层区域的反射系数。通过将光反应树脂曝光于由三束准直和相干光源所形成的光干涉图形落形成圆柱形区域。一种制造波导的方法包括提供其表面具有光反应树脂的第一基板和采用波导模板来创建波导沟道。波导沟道可以采用液晶材料来填充，该液晶材料曝光于光栅，以创建在波导沟道中的液晶材料的反射系数的变化。
文档编号G02F1/313GK1739054SQ200380108943
公开日2006年2月22日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年1月17日
发明者M·J·埃斯库蒂, G·P·克劳福德, R·C·艾伦 申请人:3M创新有限公司, 布朗大学