双折射液晶单元的制造方法

专利名称：双折射液晶单元的制造方法
技术领域：
本发明是关于表面起伏双折射液晶元件的制造。
背景技术：
表面起伏双折射液晶元件适用于多种领域，包括但不限于自动立体显
示3D(三维)显示装置，亮度强化显示装置、用于照明显示装置特别是穿透 式及半穿透半反射式显示系统，且可作为光学网络中的切换元件。
例如W0 03/015424及W02005/006056中揭露了表面起伏双折射光学元 件。由位于等向性材料及排列的双折射液晶材料之间的表面起伏介面形成 双折射微透镜阵列。第一线性偏光态的光线通过装置会碰上等向性材料及 双折射液晶材料间的表面起伏介面之间的第一阶折射率，而第二正交线性 偏光态的光线会在该介面碰上不同的第二阶折射率。美国专利US 5， 751， 388 揭露将此种双折射元件用于背光模块中。此种背光模块可发出美国专利申 请案US 2003/0,058,383所述的偏光光线，在该篇专利中揭露了排列结构 化的双折射光学元件以偏射第一偏光光线且不会偏射第二偏光光线。
可利用图1所示的液晶单元(liquid crystal cell )填充法形成双折 射液晶元件。利用紫外线铸造、压印成型、热成型或其他现有习知的方法 在硬式基板2例如玻璃或聚合物基板的表面上形成等向性聚合物层4。使等 向性聚合物层4的外表面具有表面起伏结构，并在其上形成排列层6，如聚 酰亚胺。可利用例如旋转涂布、印刷或其他现有习知的方法形成排列层6。 固化并摩擦排列层6以产生定向的液晶排列特性。第二硬式基板8具有第 二排列层10,可在排列层6及10间形成一单元间隙，且通常可在较高的温 度下，如箭号14所示将双折射液晶材料12以毛细填充的方式填入其间。 液晶材料12可以是可固化液晶材料。在此种情形中，在填充之后将材料固 化，例如可利用热、光、或电子束辐射。此种材料适用于非常粗糙的表面， 且可减低装置的厚度。
此种毛细填充过程有许多问题。常见的表面起伏结构之一为具有细长 圓柱状透镜阵列的透镜状表面。在此种情形中，毛细填充通常会沿着透镜长 边的方向进行。然而，这些透镜很容易发生堵塞，所以无法均匀填充，而产 生会降低光学性能的气泡。在可固化液晶材料中，气泡可能含有氧气，而 氧气会抑制某些可聚合液晶材料的固化。上述情形可能在固化的材料中产
5生应变区域和/或使得靠近气泡处的液晶材料的排列特性变差。
更常见的填充方式是在排列层5及9之间采用一较大的间隔间隙。然
而，此一方法的缺点在于必须利用更多的材料，且因而会增加成本。此外，难 以保持额外材料的厚度的一致性，因而最终装置可能不平坦，而导致不均 匀的光学输出，例如在一自动立体显示系统。
在填充过程中，可利用真空装置以避免形成气泡。真空装置的缺点在 于非常昂贵，且真空填充所需的真空程度过高，可能和透镜聚合物材料不 相容。
上述装置还需要两个基板1及7。此种基板的厚度通常为0. 4 mm或更 大。因此，显示器整体的厚度会非常大。为了在制造后降低厚度，本案发 明人由理论出发，试图由固化的液晶材料11移除基板7。然而，这样的方 式仍会产生问题。硬式基板7很难移除。若基板7是由玻璃制成，则很容 易破裂。液晶材料11及排列层5间的介面的表面能量，可能很相似，所以 分层时无法预料会在那一表面分离开来，因而使得分层时充满不确定性。 再者，液晶材料11和排列层5间的黏着力应该越高越好，以提高装置的耐 久性。将湿润剂加入液晶材料11可提高表面能量，然而，这亦可能增加其 与排列层9的黏着力，且因而将第了在平面介面将其分层的可靠性。
再者，增加排列层会提高制程方法的成本。
再者，填充制程可能花上述小时，特别是对于大型显示装置或玻璃母 板制程方法所需的大型单元。当液晶材料ll为聚合物液晶时，其可能在利 用例如紫外线固化的前受热而固化。这代表在长时间制程中，难以运用此 类材料。提前固化可能造成区域的液晶排列不一致以及填充错误。
当例如图1所示的双折射元件为玻璃母板形式时，还有其他的问题， 因为在玻璃母板形式的制程之后，玻璃母板不易切割，且难以分开个别元 件。在切割时，必须切过两个不同的基板7及1还有固化的聚合物层3及 液晶材料11,且不能让聚合物材料3或固化的液晶材料11分层。
因此，非常需要提出一种制造表面起伏双折射液晶元件的方法，以降 低至少部份上述问题。
为达上述目的，本案发明人由理论出发试图藉由涂布液晶材料，而将 液晶层形成为固化的薄膜。例如美国专利US 5,132,147、 US 6, 262， 788以 及莫克-诺伯拉奇，"用以制造超薄光学膜的可聚合性液晶材料"，SID文 摘 2006 (Mock-Knoblauch, "Paliocolor Polymerisable Liquid Crystal Acrylates for Manufacturing of Ultrathin Optical Films", SID Digest 2006)揭露利用溶剂中的液晶制造厚度一致的双折射光学薄膜。在最后一篇 文献中，涂布溶液包含溶剂溶液中的聚合物液晶晶体材料。将溶液湿式施 覆至聚合物薄膜的表面。移除溶剂并将材料暴露于紫外线中以固化薄膜。图2阐明本案发明人意图用以实施上述涂布方法以制造双折射液晶元 件的设备。利用此一设备，基板2上的等向性材料层4的表面起伏结构具 有一排列层6，利用填满可聚合液晶材料12的涂布机例如槽式涂布机19来 涂布排列层6。此种配置意欲产生一液晶材料薄膜21,其可和空气或气体 如氮气接触。接着利用紫外线光源23将薄膜固化。基本上，这能够减少如 参照图1所述的现有习知的技术一般利用第二基板7所衍生的问题。然而， 当实际上运用可固化液晶来施覆表面起伏光学元件时，可预见会产生许多 问题。
利用现有习知的方式制造的平面装置中， 一般液晶材料干燥薄膜的厚 度为约1 j^m至约10 fim，且需要沈积的液晶材料湿厚度为约10 fxm至约30 iam。相较之下，用于自动立体显示器中的一般表面起伏透镜凹陷的厚度为 约15 至约60 且因而液晶材料的固化薄膜的一般厚度势必远大于 现有习知的涂布方法所产生者。
再者，干燥元件上的材料时，因为在整个元件上的干燥条件不同，可 能无法产生平坦的表面。
此外，利用此种理论上的技术，仅利用排列层6来排列液晶材料的薄膜 21，如此一来也会产生问题。单一排列层6和液晶材料间的互动会随着其和 薄膜21间的距离增加而缩减。因此，液晶材料中会出现排列假影，排列假 影会随着薄膜21的厚度而增加。对于相对较厚的表面起伏双折射元件，较 理想的情形是在液晶材料的两侧都有液晶排列。
更有甚者，较理想的情形中，通常会在液晶材料每一侧之上的平面以 及表面起伏结构的排列方向之间，形成受控制的扭转。在单一排列层的结 构中因，没有上表面可界定排列，所以无法达，精确的，转。再，涂
周边和透镜中心的排列特性不同。此一结构会使得光学品质下降。在后续 处理中，必须保持元件的清洁。因而，需要加入一种额外的保护罩，进而 增加元件的制造成本。

发明内容
根据本发明一态样，提出双折射液晶元件的制造方法。根据本发明一 实施例，上述制造方法包含(a)形成第一材料层其外表面具有表面起伏 结构以及液晶排列特性；(b)形成弹性片其外表面具有液晶排列特性；(c) 将可固化双折射液晶材料施覆至第一材料层的外表面及弹性片的外表面二 者或其中之一；(d)将弹性片放置于第一材料层上方，使得第一材料层的 外表面及弹性片的外表面彼此相对且液晶材料介于二者之间，以形成液晶 单元；(e)固化液晶材料；以及(f)由液晶单元移除弹性片，以形成双折射液晶元件。
上述制造方法相较于图1所示的现有习知的方法及图2所示的理论方 法，具有许多优点。
相较于图2所示的理论方法，本方法在固化的前额外采用具有液晶排 列特性的弹性片。因此，在固化处理中在液晶材料的两侧上皆具有液晶排 列。此一方式具有多种优点，其中最重要的是，可以减少排列^暇影。相似 地，本方法藉由在弹性片及第一材料层的液晶排列特性的排列方向间放置 具有扭转的弹性片，上述液晶排列特性可以是例如等向的，使得可在双折 射液晶材料内形成可靠的排列方向的扭转。
如此一来，不需在元件的整个使用期限间而仅需在聚合处理中，维持 第一材料层及弹性片的排列特性，例如预倾角及稳定性。固化的液晶材料 的上表面在固化之后可在整个装置上保持平坦，因而可提升光学品质。
施覆液晶材料的方式非常简单。可将之施覆至弹性片及等向性材料层 二者或其中之一。能够运用上述现有习知的涂布技术，但其并非关键。由 于运用弹性片以形成液晶材料的上方界限，因此能够其涂布比起现有习知 的涂布技术更快速且较不要求精确度，这也是本方法独特的优点。举例而 言，可藉由弹性片将液晶材料沈积于有限的区域中并横跨元件。
更有甚者，由于在固化之后移除了弹性片，在所产生的双折射液晶元 件中，具有表面起伏结构的第一材料层的相对侧上，并未以基板覆盖于液 晶材料上，因而可达成上述优点。因此，所产生的元件不会和第1图所述 的现有习知的元件一样过厚。
更有甚者，相较于运用两个硬式基板，弹性片比较容易移除，例如可 将其剥开。由于其具有弹性，弹性片的表面能量使得可在固化液晶材料之 后，轻易地将该弹性片由液晶单元分离。
相较于图1的现有习知的方法，本实施例方法的优点如下。
不需将液晶材料进行毛细填充，且相较于毛细或真空填充，本方法可 在非常短的时间内大面积施覆液晶材料。因此可产生不易早期固化的元件。 再者，由于在固化过程中弹性片会覆盖液晶材料，不需将元件进行真空填 充或不需在氮气层中进行固化。因此可降低成本及仪器的复杂性。
弹性片的厚度较小，因此可将材料成本降至最小。
当想要利用可由电磁辐射固化的液晶材料时，弹性片对于该电磁辐射 可以是透明的，且可让上述电i兹辐射穿透该弹性片，以进行固化液晶材料 的步骤。
可轻易地将本实施例的方法运用于玻璃母板形式制成的元件。在此种 情形中，可利用玻璃母板形式将多个双折射液晶元件坐在一起，且本方法 更包含在固化液晶材料之后切割出个别双折射液晶元件，例如藉由激光切割。或者是，可利用标准玻璃切割技术刻划并切该固化的结构。
可选择弹性片的材料，而使得材料本身即具有液晶排列特性。在施覆 之前，可利用例如摩擦进一步强化排列特性。在此种情形中，弹性片因而 不需要形成独立涂布及处理的排列层，且因此其制造成本比涂布玻璃基板 更低廉。
现有习知的透镜状显示装置中，透镜阵列连接至空间光调制器的表面。 一般而言，可连接空气中的透镜使其和显示器对齐。然而，利用标准材料，
空气中透镜表面的反射率约为4-5%。此种透镜可产生高度的前向反射、具 有弯曲表面，且可减低在高亮度环境中的前方荧幕对比。高的荧幕表面可 见性会降低呈现大量影深的能力，因为其会和立体深度感知(d印thcues) 产生视觉冲突。此种透镜利用的材料及表面较为昂贵或难以利用标准抗反 射层进行涂布。再者，此种空气中的透镜具有完全的内部反射假影。理想 的情形中，应能降低来自此种透镜的弗芮耳(Fresnel)反射及整体内部反 射假影，同时提供该表面适当的低成本抗反射涂布。
在先前技术透镜状显示系统中，是将透镜状荧幕连接至空间光调制器 的输出，理论上透镜状荧幕有两种排列方式，包含平面表面及表面起伏表 面。在第一种排列方式中，光线由空间光调制器通过平面表面、通过透镜状 荧幕材料，且通过表面起伏表面而输出。此一透镜在透镜表面会发生反射， 由于透镜表面可散射周围光源，提供透镜表面的可视性，且因此降低3D影 像的品质。在第二种配置中，由空间光调制器将光线输出至空气隙中，该 光线会入射至表面起伏表面上、通过透镜状荧幕材料、并经由平面表面输 出。此一配置和第一种配置一样，二者在弯曲的透镜表面会出现大致上相 同的反射性假影，但第二种配置通常还会产生显著的全内反射假影，在此 种情形中，由表面起伏结构的内表面反射周围光源。上述全内反射使得表 面可见度提高，且因此使装置性能降低。
已知可利用低折射率材料和透镜表面接触的透镜。然而，为了产生适 当的折射率阶，通常必须利用如氟聚合物之类的材料作为材料之一。氟聚 合物非常昂贵，且难以附着至面板。或者是，可利用低折射率材料例如硅 油，但此种方法尚须进行密封以防止渗漏。此类透镜的反射率降低，因为 表面的折射率阶变小，但透镜表面的反射率会存在于两种偏光态中。
有较低的弗^耳反射以及全内反射假i。此种显示^装置的优点在于具^非 常低的表面可见度，且可用于明亮的环境中，而不会显著降低荧幕前方的 对比。此种显示装置能够显现更多的荧幕外深度距离。


为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，
所附图式的详细说明如下
图1为侧面图，阐明先前技术填充法过程中的表面起伏双折射液晶元件。
图2为理论涂布设备的侧面图。
图3A用以制造表面起伏双折射液晶元件的设备的侧面图。 图3B为流程图，阐明制造表面起伏双折射液晶元件的方法。 图3C概要阐明排列表面起伏双折射液晶元件表面上的方位。 图3D为生产设备的侧面图。 图3E为生产设备的侧面图。
图3F阐明在涂布处理中，利用间隔层以增加LC厚度。
图3G阐明工具的结构。
图3H以平面图式阐明玻璃母板基板的裁切。
图4为利用双折射扩散器的背光及显示器的侧面图。
图5为双折射扩散器的侧面图。
图6为利用表面起伏双折射液晶元件的替代性背光配置的侧面图。 图7为采用表面起伏双折射液晶元件的投影设备的侧面图。图8为分 束光学元件的侧面图。
--图9为双层聚焦装置的侧面图。
图IOA及图10B分别阐明本发明一实施例中，透镜排列方向的平面图 式和侧面图。
图11A阐明双透镜。
图11B阐明双透镜的排列方式。
图12阐明利用本发明实施例的透镜的唯3D显示器。图13A及图13B 阐明本发明另 一具体实施例的侧面图。
1、 2:硬式基板 3、 4 :等向性材料层
5、6、 9:排列层7第二硬式基板
8:支柱结构11: 配量器
12:双4斤射液晶材料14:箭号
15:间隔珠16:弹性片
17:液晶层18:施覆条
19:槽式涂布机21:液晶材料薄膜
20:外涂层22、 24:箭号
23、28:紫外线光源26:力口热垫
63:对称轴方向65:伸展方向
68:线段100、 240:光源102:波导
106:棱柱形薄膜
110:反射偏光镜薄膜
114、 118、 220、 244、 245、 250、
116:像素层
122、 124、 212、 216、 230、 232、 150:工具 154:孔洞 202:投影透镜 206:投影荧幕 210:物体 218 :射线束 223:棱柱型微结构表面 226:入射光束 229:正交偏光态
238、 239:表面起伏漫射介面
235、 236:液晶聚合物 242:弗芮耳透镜 248:四分的一波片
304、 306:等向性材料 312:黏着剂或光学耦合材料 314:排列装置 319:像素平面 324:平面表面 328:阵列表面 340:载板 344:中间材料
104:反射薄膜
108:扩散器
112:偏光镇
300、 302:基板
120、 320:输出偏光镜
246:光束
152:表面
200:受照明的显示装置
204:偏光切换器
208:荧幕
214: 影像
222:第一聚合物材料
224、 308、 310:双折射材料
228:偏光态
234、 237:等向性聚合物
240:第一偏光态 242:第二偏光态 252、 254:位点
316、 318:登录表面 322:电矢量传输方向
326、 330:排列方向 331:透镜光学轴方向 342:黏着层 346:显示装置
具体实施例方式
参照图3B，阐明用以制造表面起伏双折射液晶元件的方法，可利用图 3A的设备来进行上述方法。图3B所述各步骤的顺序可任意更动，不限于下 述顺序。
在步骤30，在硬式基板2的表面上形成表面起伏的等向性材料层4。 硬式基板2可由玻璃或聚合物制成。等向性材料层4包含第一材料以及聚 合物，在本实施例中，该第一材料为等向的。使得等向性材料层4之外表 面(图3A中最上方)具有表面起伏结构的外形，在本实施例中上述外形包含圓柱状透镜表面阵列。基板2也可以是半硬式或弹性基板，例如当双折
射液晶元件的平坦度或尺寸安定性较不关键时。在某些情形中，基板2的 材料可和等向性聚合物材料层4的材料相同。
在步骤32，可利用例如清洗和/或紫外线臭氧等来处理等向性材料层4 的表面起伏结构，以移除表面污染。
在步骤34,利用现有习知的技术将排列层6涂布至透镜的表面上，并 固化之。接着在步骤36进行摩擦处理。排列层6使得等向性材料层4的表 面起伏结构具有液晶排列特性。或者是，步骤36包含光排列步骤。
其后，在步骤38于图3A所示的设备内将基板加热，例如利用加热垫 26、将热空气吹过装置表面、或将装置放置于特定温度的烤箱中，例如摄 氏90度。此一过程的温度通常高于结晶温度，而达到可聚合液晶材料12 的流状晶转移温度，但该温度仍应够低而能将材料的热硬化降至最低。若 利用会过冷的材料，处理温度可能低于结晶温度至流状晶转移温度。利用 适当的材料，上述温度可包含室温。
在步骤40,将紫外线可固化液晶材料12和光起始剂混合，以提升UV 辐射造成的固化。液晶材料12可以是例如默克公司(Merck)出产的RM257 或R画34c、或巴斯夫电子化学公司(BASF)出产的LC242、 LC270或LC1057。 上述材料可包含介晶(mesogenic)及非介晶化合物的混合物。可加入额外 的流状晶液晶材料，以改变折射率及黏度参数，而形成液晶胶材料。
液晶材料12可具有过冷特性，而使得当在低于结晶至流状晶转移温度 下冷却装置时，其可在较长的时间内保持经排列的流状晶态。此种材料具 有结晶相，可在转移温度下熔化成流状晶相。在冷却流状晶相材料时，可 达到过冷状态，此时可维持液晶的流状晶特性。相较于高于结晶至流状晶 转移温度的材料，过冷材料的优点在于其黏度较高，且因此在固化期间较 不易流动。此种材料的优点在于可将固化期间因为流动而产生的应力降至 最少。
当利用紫外线进行聚合时，适用于自由基聚合反应的光起始剂可以是 例如汽巴嘉基公司(Ciba Geigy)出产的Irgacure 651、 Irga匿e 184、 Darocure 1173或Darocure 4205、或巴斯夫电子化学公司(BASF)出产的 TP0-L。光起始剂较佳的浓度为约0. 01%至10%，更加为约O. 1%至3%。
同时，可在液晶材料12中加入介面活性剂材料例如3M公司(3M Co.) 出产的Fluorad 171、杜邦公司(DuPont)出产的Zonyl FSN、或巴斯夫电子 化学公司(BASF)出产的BYK361,以提升液晶材料的表面湿润度及其和排列 层6的黏着性。介面活性剂较佳的浓度为0. 01°/。至1%。尚液晶材料12中可 包含其他元件，例如催化剂、安定剂、链转移剂、共同反应单体。
或者是，可利用具有液晶排列特性的材料来形成等向性材料层4，而省略排列层6。可利用LCD产业现有习知的的技术来摩擦等向性材料层4的表 面。
在步骤40,在溶剂中混合上述材料，该溶剂如二氯曱烷、曱基乙基酮 或其他熟知的低沸点溶剂。混合之后，在步骤42于通风橱中，在室温下藉 由煮沸移除溶剂，进行约12小时，而留下混合的液晶材料12的干燥残余 物。在步骤44,加热材料使其成为流状晶相，并利用真空以移除混合物中 的残余气泡。
利用如下步骤，制备弹性片16，其外表面(图3D中最下方)具有液晶 排列特性。弹性片16的可挠性足以使得可藉由剥除而将的自液晶单元移除。 因此其比硬式基板2更具有可挠性。或者是，弹性片162和基板2的可挠 性近似。为了得到最佳的分层效果，材料12对弹性片16的黏着力应小于 材料12对排列层6、排列层6对材料4、以及材料4对基板2的各介面间 的黏着力。
较佳的弹性片16为聚合物制成的薄膜，该聚合物可以为例如聚乙烯对 苯二甲酸酯(PET)、聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸酯(PC)、三醋酸纤维素(TAC)、 或其任意组合。可利用等向或双折射基板。当并未由涂布的弹性片16移除 基板时，利用等向性基板较佳。弹性片16的厚度可为约50 um至约300 u m。
或者是，弹性片16可具有定义良好的双折射特性，且可作为光学结构 中的额外波片，例如其可增加一独立偏光切换元件(此处未显示)的^L角。
在步骤46，可藉由检视弹性片16的角度，以决定伸展方向，使得交叉 的偏光镜及相对于伸展方向配置的弹性片16之间产生最大消光。
选捧弹性片16的材料使得其具有内部液晶排列特性。在将其施覆至液 晶单元之前，在步骤48，可利用LCD产业中现有习知的方式摩擦弹性片16。 若利用双折射薄膜，在摩擦过程中，摩擦方向和弹性片16的伸展方向平行。 亦可在伸展方向以外的其他方向中摩擦弹性片16。
在步骤50,利用图3A所示的配量器11将加热的液晶材料12施覆至等 向性材料层4的表面起伏结构。配量器11可包含例如加热的通风管，而使 得能够以液体形式来施覆液晶材料12。或者是，配量器ll可在设备中施覆 结晶液晶材料12,上述结晶液晶材料12经加热至高于流状晶至结晶转移温 度。在有利的情形中，必须进行液晶材料12的单一涂布。如图3A所示， 在本具体实施例中，液晶材料12的厚度并未受到限制，且因而液晶材料12 可凸起至高于最终元件所需的高度。
在步骤52，利用施覆条18将弹性片16覆盖于等向性材料层4上，而 将弹性片16施覆至液晶材料12的表面上，该施覆条18可在弹性片16上 移动并和弹性片16的外表面接触。事实上，在图3A所示的设备中，施覆 液晶材料12 (步骤50)以及施覆弹性片16 (步骤52)两个步骤可同时进行，当将弹性片16覆盖于液晶材料12上时，同时将液晶材料12施覆至位 于施覆条18前方的等向性材料层4及弹性片16间的间隙内。因此，施覆 条18可挤压液晶材料12,且可由施覆条18的高度将其控制在一定厚度。 因此，液晶材料12相对于表面起伏结构的另一表面是平坦的。
施覆条18可以是该设备的构件，且可具有多种型态。举例而言，施覆 条18可具有圆形的剖面，且可非必须地具有外涂层20，例如橡胶材料。或 者是，施覆条18可具有非圓形剖面，例如一橡胶刷。施覆条18可如箭号 22及24所示，分别在弹性片16的表面上滚动或滑动，因此，可将一层液 晶材料12设于弹性片16及排列层6之间。图3A所示的施覆方向和透镜状 阵列微结构的透镜的对称轴垂直。然而，在此种细长的结构中，较佳的情 形为施覆方向和透镜的对称轴平行，而使得材料能均勾地在通道中向下流 动而不会产生气泡。
可选择弹性片16相对于等向性材料层4的方位，以便在弹性片16的 排列方向以及等向性材料层4之间提供理想程度的扭转。如此一来，如下 文固化液晶材料12之后，能够调整液晶材料12中液晶导向器的扭转。举 例而言，排列方向可如图3C所示。等向性材料层4的表面起伏结构上的排 列方向可和透镜状阵列中的圆柱状透镜的对称轴平行，且和弹性片16的排 列角度成135°。可随着光学架构的要求不同，利用替代性排列方向。
在步骤50，可利用上述不同的其他技术来施覆液晶材料12,只要其能 够将液晶材料施覆至弹性片16及等向性材料层4 二者或其中之一。
图3D阐明本发明另一实施例，其中改变了步骤50,将液晶材料12涂 布至弹性片16上。可利用现有习知的涂布技术将液晶材料12涂覆至弹性 片16，且该液晶材料12可为流状晶、过冷流状晶或结晶态。将弹性片16 施覆至靠近表面6时，材料12会被加热成为流状晶相。本实施例的优点为 在步骤50，在施覆弹性片16之前先施覆液晶材料12，以减低涂布的复杂 性。在本实施例的另 一优点为，在将液晶材料12施覆至等向性材料层4之 前，可决定弹性片16上材料12层的厚度，以便设定流状晶液体材料的厚 度。
图3E阐明本发明又一实施例，其中改变了步骤50，在于步骤50施覆 弹性片16之前，将液晶材料12涂布至等向性材料层4上。可利用现有习 知的涂布技术涂布液晶材料12，例如利用条状涂布机，且在将液晶材料12 置入加热的涂布设备之前，该液晶材料12可为过冷或结晶态。本实施例的 优点为，在步骤50，在施覆弹性片16之前可将液晶材料l2分布于等向性 材料层4之上，以减低涂布的复杂性。在第3E图中，材料12不需均匀分 布，因为在涂布后，弹性片16可提供一致的厚度。
在本发明又一具体实施例中，如图3F所示，在等向性材料层4的等向性材料的表面上形成支柱结构7。在涂布过程中，支柱结构7可用以提供薄 膜16及液晶层17间的间隔。可调整薄膜16的厚度，以在支柱结构7间的 区域提供适当的厚度一致性。本实施例的优点在于，此种等向性材料层4 可增加液晶层的厚度，而使得可在透镜尖端的区域中进行适当的导引，以 便在透镜的整个表面上产生一致的偏光旋转。第3G图阐明工具15G的结构， 该工具150可用以形成本实施例的等向性材料层4。表面152的透镜结构对 应于所想要的透镜表面。表面152的中可形成额外的孔洞154。当利用工具 形成模制品时，可在透镜阵列的表面上方形成支柱结构7。孔洞154的分布 可具有特定图样或随机分布。孔洞154可包含线性结构。
在替代性具体实施例中，如图3F所示，可将间隔珠9混入液晶材料12 中。可将支柱结构7及间隔珠9一并使用或替换使用。亦可在弹性片16中 形成上述间隔。
或者是，在步骤50可于涂布之前，将液晶材料12施覆至弹性片16及 等向性材料层4二者。
上述实施例的优点在于，可能不需要在真空条件下使用液晶材料12， 因而可节省仪器成本并可降低排列污染的影响，例如由等向性材料层4取 出材料所造成的污染。在步骤52之后，在步骤54进行装置的退火残余向错。在步骤56将装 置冷却至较低温度，以增加液晶材料12的双折射性，并增加其在固化过程 中的勦度，以便将一般元件的折射率调整至和基板的折射率一致。
在步骤58，利用光化辐射将液晶材料12固化成为固态薄膜17，光化辐 射例如由光源28发出的电磁(如紫外线)辐射。紫外线灯可经过滤波，以 移除可能会被液晶材料12吸收而造成不良影响的波长部分。本实施例的优 点在于，弹性片16使得液晶材料12的固化过程会受到氧气存在的抑制，而 不需利用氮气层，因此，可降低设备的成本及复杂性。
在固化之后，可进行图3H所示的玻璃母板制程步骤59。在此步骤中， 沿着线段68裁切并隔开基板2，以便裁切出个别的双折射液晶元件。若基 板2为玻璃，可利用划线器进行裁切。或者是，可在步骤60及62之后进 行步骤59。玻璃母板制程一词泛指裁切基板2。
接着，在步骤60进行分层，将弹性片16由液晶材料12的液晶层17 的平面表面移除。本实施例一独到的优点即为此一移除步骤非常简便，这 是因为弹性片16的可挠性提供的表面能量相对较低。举例而言，藉由剥除 即可移除弹性片16。
在组装装置之前，弹性片16可作为保护膜，所以在制程之后不需要进 行清洁。因而，在制程之后不需要额外的保护膜。为了让弹性片16可作为 保护层，可在运输及后续处理之后，再进行分层(步骤60)。此一步骤的优点是，在制造之后以及组装装置之前，不需进行表面清洁，因而可降低成 本，且可避免表面2受到损伤。
在一种非必须的步骤中，可在步骤58之后(以及步骤60及62之前或 之后)，利用分层处理来移除基板2。
在替代性具体实施例中，可调整施覆条18的压力和速度，而使得可在 微结构层上方以及弹性片16下方之间形成一间隙，因而能够增加液晶的液 晶层17的厚度。
在将弹性片16分层之后，能够重新使用弹性片16,虽然一般而言，会 重新处理或丢弃该弹性片16。
弹性片16可更包含一绕射排列结构，以便提升液晶材料12在其表面 的排列特性。非必须地，可利用具有绕射排列层的金属薄膜来取代弹性片 16。在此种情形中，可由下方经过透镜来固化液晶材料12。
可减少排列层6的预倾，以将液晶材料12朝向位于倾斜的微结构表面 上的透镜中心的偏向减到最小。因此，减少预倾能够改善透镜装置的对比。
可利用加热的真空夹头或其他机构来握持元件，而使得可将其上表面 保持平坦，以便避免冷却过程中的应力假影。
根据本发明实施例的方法制造的双折射液晶元件可用于多种领域。下 文为某些非限制性的实施例。
该双折射液晶元件可作为双折射微透镜阵列，以用于可切换自动立体 显示i殳备，如W0-03/015424及W0-2005/006056所述。
该双折射液晶元件可作为双折射散射元件，以用于液晶背光设备，如 图4所示。此一设备可用以再利用显示器的背光中的偏光光线，因此，可 提升装置效率。穿透式或半穿透半反射式显示器包含光源100、波导102及 反射薄膜104。通常会加入额外的薄膜，包括棱柱形薄膜106例如3M出产 的BEF、扩散器108以及反射偏光镜薄膜110例如3M出产的DBEF。扩散器 108可包含双折射扩散器元件，如图5所示。此一薄膜可包含基板2、等向 性材料4及双折射材料12。第一偏光的光束122在双折射及等向性材料间 的微结构介面会发现折射率匹配；而光束124会发现折射率步阶，因而光 束122不会偏向而光束124会受到背光而偏向。本实施例的优点在于，漫 射的光束会通过显示器的偏光镜110及偏光镜112，该显示器更包含基板 114、像素层116、基板118及输出偏光镜120。偏光镜110可将未漫射的 光束反射至背光中。在背光中，将光线重新传递并消除偏光，以待回传至 显示器的输出。在本实施例中，双折射扩散器的优点是不会漫射可供重新 传递的光线。此一配置提升了来自偏光镜110的光束122的反射效率，且 因此可降低偏光镜112中的光线吸收，因而提升显示器的整体效能。
该双折射液晶元件可作为一双折射棱柱状薄膜，以用于一偏光的背光。该双折射液晶元件可作为偏光^:感的准直元件，以用于背光，如图6 所示。将光源240，例如LED,放置于弗芮耳透镜242的孔的后方。该透镜 包含基板2、等向性等向性材料层4及双折射层12。透镜4、 242、 12可准 直大部分第一偏光的光线，而正交偏光的光线则未经准直。准直的光线会 通过偏光敏感的反射器110并沿着光束246行进。上述光线会经过LCD面 板的输入偏光镜。未经准直的光线会传回至背光中以供重新传递。此一配 置使得重新传递的光线具有较佳的散射，而来自背光的准直光线会经过面 板，其优点在于能够增加显示器亮度特性。此一配置更可降低LED光源的 可见度。或者是，偏光镜110可反射准直的光线，而未经准直光线则在漫 射时传递出去。由于入射光位在轴上，此一配置可增加偏光镜110反射光 现的效率。
该双折射液晶元件可作为一偏光敏感的投影荧幕，例如图7所示。利 用投影透镜202在受照明的显示装置200上显示影像。偏光切换器204可 控制来自投影透镜的输出偏光。第一偏光的光线进入投影荧幕206，该投影 焚幕206包含本发明实施例的双折射光学元件。举例而言，荧幕206可为 弗芮耳透镜。物体210位于投影透镜的光瞳附近，荧幕206可将来自该物 体210的光束212导引至显示器200前方的区域214。荧幕208可包含一双 折射漫射微结构，其不会对光束212产生影响。在正交偏光态中，荧幕206 不会对光束216产生光学影响，光束216在碰到荧幕208的后会被漫射成 射线束218。因此，可利用偏光切换器204来控制投影显示器的方向性。可 利用漫射模式来提供广泛的视角，另一方面可利用方向模式以便在有限的 角度范围中提供具有高亮度的高增益值荧幕。此一荧幕适用于例如激光投 影机。可沿着观看者的移动而移动影像214。举例而言，可利用多重投影孔 210产生多重影像214，而能够实现自动立体显示枱4见功能。在此种情形中， 可启用透镜206并停用扩散器208。
该双折射液晶元件可作为一偏光分光器，如图8所示。在基板220上 的第一聚合物材料222中形成棱柱型微结构表面2U，该第一聚合物材料 222具有第一等向折射率。在该微结构上形成双折射材料224。具有偏光态 228的入射光束226在介面表面223会碰上第一阶折射率，并相对应地沿着 光束230偏向。正交偏光态229的光线在表面223碰上不同的第二阶折射 率，并沿着光束232而有另一不同的偏向。此一元件的优点在于制造成本 低廉，且其结构比起立体偏光分光器较为扁平。此一元件可用于定位编码 器、投影机、光纤通讯、背光设备或其他依偏光而定的切换设备。
该双折射液晶元件可作为依偏光而定的漫射元件，如图9所示。利用 基板244、等向性聚合物234、具有表面起伏漫射介面238的液晶聚合物236 以形成第一表面起伏漫射结构，上述结构可形成一种具有双重功能的装置。利用第二基板245、等向性聚合物237、具有表面起伏漫射介面239的液晶 聚合物235形成第二漫射元件。将四分之一波片248装入装置的输出中。 举例而言，可利用该装置将光点显像于两个不同的表面上，例如双层光学 媒体的两个层上。第一偏光态240的光线落到装置上。第一元件在介面238 有第一阶折射率，可用于漫射此一偏光态的光线，但并没有其他阶折射率 以用于漫射第二偏光态242的光线。排列漫射介面238以便将光线导引至 基板250的第一表面上的第一位点252上。波片248将该偏光态转换为圆 偏光。第二漫射元件将偏光242显像至基板250的一不同表面上的第二位 点254上。或者是，可利用具有相同效果的透镜结构如弗芮耳透镜，来取 代绕射元件238、 239。本发明此一实施例的优点在于可针对不同偏光态产 生不同的焦点。此一具体实施例克服了必须利用分光器以结合两个聚焦系 统的输出的问题，且因此易于制造且成本低廉。此一元件适用于例如DVD 读写装置以及光学定位编码器。
在所有上述具体实施例中，可在制造双折射层之后，于元件外层施覆 其他层，例如对压力敏感的黏着剂、及保护膜。可利用涂布制程来施覆上 述层。
在本发明又一具体实施例中，可利用包含偶极的材料来制造等向性材 料层4，该材料可经过排列而提供液晶排列功能。如图IOA所示，可在等向 性材料层4的材料的上表面之上形成表面起伏结构，且可摩擦该表面以产 生排列方向，该排列方向和透镜轴线对齐。本实施例的优点在于，其可免 除在等向性材料层4上形成额外排列层6的需求，因此可降低成本以及进行 排列层烘烤所需的制程温度。等向性材料层4的材料可为双折射材料，其 具有非晶向或部分排列的偶极结构。或者是，等向性材料层4的材料可具 有均匀排列的偶极，其中等向性材料层4的材料的其中一种折射率和具有 一快速轴向排列的双折射材料12的至少一种折射率相符，而〗吏得对于一种 偏光态，这两种材料具有大致上相同的折射率。对于正交偏光态，该材料 具有不同的折射率，且该不同折射率是由每一材料的双折射性所决定。
在一种示范型实施例中，等向性材料层4的材料可为热塑性材料，可 利用伸展制程而使得平行于伸展方向65的偏光光线会碰上较高的折射率。 或者是，垂直于伸展方向65的方向的光线会碰上较高的折射率。之后利用 例如压印成型，在其中一表面上形成表面起伏结构。所形成的元件具有一 透镜状结构，其对称轴方向63垂直于薄膜的伸展方向。平行于透镜轴线方 向63而摩擦该材料，以便重新排列该层表面的偶极。利用本发明实施例的 方法，将液晶层施覆于等向性材料层4的材料表面，而不需使用额外的排列 层，以形成如图10B所示的结构。在和薄膜伸展方向平行(和透镜轴线方 向63垂直)的方向中，等向性材料层4材料的折射率和液晶12相符，而在和伸展方向垂直(和透镜轴线方向63平行)的方向中，会和液晶12形
功能，而正交偏光的2线会碰上^N斤射率。、本实i例的优点为可增二透镜
的光功率。
等向性材料层4的材料可以是双折射热塑性材料如PET或PC、液晶或 其他双折射材料。 一般而言，等向性材料层4的材料的双折射性会远低于 液晶12的双折射性。或者是，方向63及5可以互相平行。
可在网状制程中便利地形成此种透镜。在本发明所有上述具体实施例 中，基板2可以是双折射基板。当基板位于偏光镜及透镜结构4、 12的间 时，则可将基板2的至少一入射排列成平行或垂直于材料4的表面的液晶 12的排列方向。当基板2位于透镜4、 12以及显示器的输出的间，且该处 没有输出偏光镜时，则可任意排列基板2。可利用网状或巻绕式制程便利地 形成本实施例的结构。根据本实施例，可减少制造成本以及提升装置的尺 寸。
在本发明实施例的元件的又一种应用中，可能想要利用现有可用材料 增加元件的光功率。举例而言，可能想要减少本发明实施例透镜的焦距。 一般而言，可用等向性材料的折射率为约1. 45-1. 6。可用液晶材料的双折 射率为约0. 06-0. 3。可固化液晶材料的双折射率为约0. 12-0. 2。可藉由减 少表面曲率半径来增加该表面的光功率。然而，若曲率半径过小，表面会 有较高的倾斜以及高度凹陷，而使得液晶层厚度增加、像差效果增加、且 全内反射效果非常显著。由具有较低阶折射率的两个弯曲表面制成的额外 透镜具有相等的光功率，但相较于具有较高双折射率的单一表面，前者的 弗芮耳反射通常较少。
在理想的情形中，可藉由结合两格折射表面，来提升透镜的光学效能， 图11A所示。利用本发明实施例所述的方法制造第一及第二透镜阵列，其 包含基板300、 302;等向性材料304、 306;双折射材料308、 310;以及一 黏着剂或光学耦合材料312。在连接之前，例如可利用主动光学排列以显微 镜及移动平台来达成二表面间的排列。图11B阐明另一被动排列机制。在 涂布过程中，等向性表面的一区域并未涂布而暴露出登录表面316、 318。 插入排列装置314以在两个表面间提供侧向排列。举例而言，此一排列装 置可为^U朱或纤维。
在本发明实施例的元件的另 一种应用中，可藉由将本发明实施例的双 折射透镜阵列连接至一偏光输出显示器的前方，以配置一方向显示器，上述 偏光输出显示器如图12中具有像素平面319的液晶显示器。举例而言，显 示器的输出偏光镜320可具有电矢量传输方向322。透镜阵列的平面表面 324上的排列方向326可平行于方向322，而透镜阵列表面328上的排列方
19向330可平行于透镜光学轴方向331。
此一元件利用现有习知的固态材料即可提供高品质且具有低表面可见 度的透镜阵列，因此其成本低廉且易于处理例如不需密封液体材料。此一 应用的优点在于，透镜对齐面板的偏光方向，而使得在透镜介面不会反射
射光线，进而使得透镜阵列i面的可见度减半。'在正交偏光态中:《相较于
位于空气中的透镜表面，前者的弗芮耳反射率及全内反射假影皆有显著降 低。更进一步而言，光学元件的前表面可涂布了抗反射层及保护膜，以便 降低空气中显示器的镜面反射，以及增加显示器的耐久性。相较于显示器 318的像素栏方向，透镜可具有倾斜的光学轴方向6331。
相较于先前技术显示装置，此一显示器在周围环境明亮的情形中，具 有较低的透镜可见度，因此可产生较高品质的3D影像。降低了显示器表面 的可见度，而使得3D影响可由显示器表面向前延伸(交叉型像差情况)而 不会和显示器表面产生视觉冲突。此种透镜的优点在于可提供明亮的3D影 像且具有大量的影像深度。
在本发明又一具体实施例中，更可利用黏着层342将固化的液晶材料 12接着至载板340，且之后可将固化的聚合物材料12和等向性材料层4及 6分离，而能够形成位于空气中的表面起伏双折射透镜，如图13A所示。之 后可由等向性材料层4的材料分离该固化的聚合物，而能够形成位于空气 中的表面起伏双折射透镜。此种透镜可连同显示装置346 —起运用，该显 示装置346利用一额外的中间材料344其折射率和双折射材料其中一折射 率相符，如图13B所示。根据本实施例的优点为，在涂布过程中所用的基 板2及材料4不同于装置运作过程中所用的载板340及折射率相符的材料 344。举例而言，可调整材料4以提供排列功能以及释放功能，而不需调整 其折射率；而可调整材料344的折射率且供用于黏着。因此，可将装置效 能最佳化。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明， 任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动 与润饰，因此本发明的保护范围当#见后附的申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1、一种双折射液晶元件的制造方法，其特征在于该方法包含下列步骤形成(a)一第一材料层，其具有一外表面，该第一材料层的外表面有一表面起伏结构且具有一液晶排列特性，以及(b)一弹性片，其具有一外表面，该弹性片的外表面具有一液晶排列特性；施覆一可固化双折射液晶材料至该第一材料层的外表面以及该弹性片的外表面二者或其中之一；施覆该弹性片于该第一材料层上，使得该第一材料层的外表面及该弹性片的外表面彼此相对，且该液晶材料介于二者间，以形成一液晶单元；固化该液晶材料；以及由该液晶单元移除该弹性片，以形成一双折射液晶元件。
2、 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于其中上述施覆该弹性 片于该第 一材料层上是以该弹性片及该第 一材料层的液晶排列特性的排列 方向之间具有 一扭转的方式进行。
3、 根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于其中上述施覆该 弹性片于该第 一材料层上的步骤是将该弹性片覆盖于该第 一材料层之上。
4、 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于其中上述施覆该弹性 片于该第一材料层上的步骤和上述施覆一可固化双折射液晶材料的步骤是 藉由将该液晶材料散布至该弹性片及该第一材料层之间而同时进行。
5、 根据权利要求1至3中任一权利要求所述的制造方法，其特征在于 其中上述施覆可固化的一双折射液晶材料至该第一材料层的外表面以及该 弹性片的外表面二者或其中之一的步骤，是在施覆该弹性片于该等向性材料层上之前，利用一涂布制程来进行。
6、 根据权利要求1至5中任一权利要求所述的制造方法，其特征在于 其中上述施覆该弹性片于该第一材料层上的步骤更包含以接触方式在该弹 性材料的外表面上移动一构件。
7、 根据权利要求1至6所述的制造方法，其特征在于其中该第一材料 层是形成于一基板上，且在进行施覆一可固化双折射液晶材料、施覆该弹 性片于该第一材料层上、固化该液晶材料以及由该液晶单元移除该弹性片 等步骤等步骤的过程中，该第一材料层仍然位于该基板上。
8、 根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于其更包含在移除该弹 性片之后，由该液晶单元移除该基板。
9、 根据权利要求1至8中任一权利要求所述的制造方法，其特征在于 其中该弹性片的材料为一聚合物。
10、 根据权利要求1至9中任一权利要求所述的制造方法，其特征在于其中该弹性片的材料包含聚乙烯对苯二曱酸酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯、 三醋酸纤维素或其任意组合。
11、 根据权利要求1至10中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该弹性片的外表面所具有的上述液晶排列特性是由该弹性片的材料 本身的特性所提供。
12、 根据权利要求1至11中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该弹性片的外表面经摩擦以形成一实质上均勻的液晶排列特性。
13、 根据权利要求1至12中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该第 一材料为等向性材料。
14、 根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于其中该第一材料为 一聚合物。
15、 根据权利要求1至14中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该第 一材料为双折射材料且具有至少 一折射率与该双折射材料的至 少一折射率实质上相同。
16、 根据权利要求1至15中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该第 一材料层的外表面具有 一排列层以提供该液晶排列特性。
17、 根据权利要求1至16中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该液晶材料具有 一 过冷特性。
18、 根据权利要求1至17中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该液晶材料可藉由电磁辐射而固化，该弹性片对该电磁辐射为透明 的，且上述固化该液晶材料的步骤是藉由穿透过该弹性片而施加该电-兹辐 射来进行。
19.根据权利要求1至18任一权利要求所述的制造方法，其特征在于其 中上述移除该弹性片的步骤是利用剥除法来进行。
20、 根据权利要求1至19中任一权利要求所述的制造方法，其特征在 于其中该方法可用于以玻璃母板的形式一起制造多个双折射液晶元件，且 该方法更包含裁切出个别的该双折射液晶元件。
21、 一种非切换式自动立体显示设备的制造方法，其特征在于该方法 包含利用权利要求1-20中任一权利要求所述的制造方法来制造一双折射液 晶元件；组装一显示设备，该显示设备包含一像素平面、 一偏光镜设于该像素 平面以及该显示设备的输出之间、以及该双折射液晶元件，其经配置而得以针对平行于该显示设备的输出偏光的偏光光线实质上提供一透镜功能，且 得以针对一 正交偏光态的光线实质上不会提供透镜功能。
22、 一种非切换式自动立体显示设备，其特征在于其包含一显示设备，其有一偏光镜设于一像素平面以及该显示器的输出之间；以及一双4斤射液晶元件，其中该双折射液晶元件经配置，而得以针对平行于该显示设备的输出 偏光的偏光光线实质上提供一透镜功能，且得以针对一正交偏光态的光线 实质上不会提供透镜功能
23、 根据权利要求22所述的显示设备，其特征在于其中该双折射液晶 元件是利用权利要求1至20中任一权利要求所述的方法所形成。
24、 根据权利要求21或22所述的显示设备，其特征在于其中该双折 射光学元件有一扭转介于位于具有表面起伏结构的液晶的排列方向与该平 面基斧反之间。
全文摘要
本发明是有关于一种双折射液晶单元的制造方法，形成等向性材料层，其外表面有表面起伏结构且具有液晶排列特性。形成弹性片，其外表面具有一液晶排列特性。将可固化双折射液晶材料施覆于等向性材料层及弹性片二者或其中之一。将弹性片覆于等向性材料层之上，且等向性材料层的外表面与弹性片的外表面相对，且液晶材料介于两者之间，以形成液晶单元。固化液晶材料，并将弹性片自液晶单元移除。
文档编号G02B3/00GK101512391SQ200780026873
公开日2009年8月19日 申请日期2007年11月21日 优先权日2006年11月24日
发明者强纳森·哈洛德, 葛瑞汉·约翰·伍德凯吉 申请人:友达光电股份有限公司