用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法

用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法
【专利摘要】一种光学元件包括具有相应局部光轴的至少两个堆叠双折射层，所述相应局部光轴在所述至少两层的相应厚度上旋转相应扭曲角，并且沿着所述至少两层之间的相应界面对准。相应扭曲角和/或相应厚度不同。所述至少两个堆叠双折射层可以是液晶聚合物光学延迟器层。还讨论了相关设备和制造方法。
【专利说明】用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法
[0001]相关申请的交叉引用:
本申请是美国专利申请12/596，189的部分延续，其为具有2008年4月16日的国际申请日的PCT国际申请N0.PCT/US2008/004888的35 USC § 371国家阶段申请，该PCT国际申请要求 2007 年 4 月 16 日提交的题为 “Low-Twist Chiral Liquid Crystal PolarizationGratings and Related Fabrication Methods (低扭曲手性液晶偏振光栅及相关制造方法)”的美国临时专利申请N0.60/912, 044的优先权，其公开内容通过引用如同在其全部中陈述的那样在此并入本文中。本申请还在35 U.S.C.§ 119之下要求2011年10月7日提交的题为“Mult1-Twist Retarders For Broadband Polarization Transformation AndRelated Fabrication Methods (用于宽带偏振变换的多扭曲延迟器及相关制造方法)”的美国临时专利申请N0.61/544，936的优先权，其公开内容通过引用以其全部并入于此。
【技术领域】
[0002]本发明涉及偏振变换和相关系统。
【背景技术】
[0003]通过指定波的电场在振荡的一个周期上在空间点处的定向来描述光的偏振。偏振变换使用在许多光学设备中，包括但不限于，液晶显示器(LCD)、光学存储装置(例如CD/DVD/蓝光)、3D电影院、光学遥感以及光纤网络。可以精确控制以用于在波长的宽范围上的入射光的偏振变换被称作宽带(或消色差的)偏振变换，并且可以用在牵涉人类感知或不同波长处的多个同步通道的应用中。
[0004]偏振是光的非标量的量，其可以是完全偏振、部分偏振或不偏振。描述偏振的一种方式是斯托克斯(Stokes)矢量，其将可能的偏振状态描述为四个强度=S=BciS1S2S3]τ。变换偏振的光学元件可以用最常被布置成4x4米勒矩阵M的16个参数来描述。因此，输入偏振Sin可以通过以下关系=Stot=M.Sin变换成输出偏振Sot。对于在本上下文中使用的几乎所有双折射部件，矩阵M的元素中的许多可以随波长强烈地变化，这可能使宽带偏振变换具有挑战性。提供偏振变换的元件的一些示例是四分之一波长(quarterwave)延迟元件(其可以被用于将具有线偏振的光变换至圆偏振，或者反之亦然)，以及半波延迟元件(其可以将具有线偏振的光变换至不同的线偏振方向，或者反之亦然)。
[0005]窄带(或强烈色差的)偏振变换可以通过具有单轴双折射率的均匀延迟器来实现，典型地称为 波片。这些波片具有随着波长强烈变化的相位延迟(即 二2_ν...%:)(Μ2πΔ?€?/λ,其中Λη = (Ui^nlJ为双折射率)和不随波长强烈变化的沿异常指标方向(extraordinary index direction)的光轴。波片可以由各式各样的材料形成,包括但不限于，双折射晶体、拉伸的聚合物膜以及液晶层。
[0006]宽带偏振变换可以通过以使得其快和慢光轴相对的方式组合由不同材料形成的至少两个波片来实现。该途径可以依赖于在材料双折射率的色散中具有适当差异。例如，结晶石英和氟化镁波片可以用于宽带偏振变换。然而，除了涉及性能的其它限制以外，这样的天然矿物或生长晶体的可用性以及这样的元件的尺寸和成本在许多情况下可能是阻碍性的。
[0007]可替换地，宽带偏振可以通过使用典型地由相同材料形成的两个或更多个离散波片来实现，其中波片的光轴定向和单独延迟不是经常正交的。该技术的一些示例牵涉三个波片，但是还可能实现具有两个、五个、六个或更多波片的实施例。虽然这些波片可以由许多类型的可用双折射膜(诸如上文提及的用于窄带波片的那些，包括液晶层)形成，但是可能必需将每个离散波片就其本身而言形成为物理分离的元件，并且于是随后以相对于其它元件的高精度水平对每个分离的元件进行组装。除其它限制以外，该途径可能相当大地添加制造成本，可能经常导致厚(即，数mm或cm)部件，并且可能造成受约束的孔径张角(angular aperture)。
[0008]宽带偏振变换元件的附加类别包括单个非均匀双折射层，其典型地由具有并非贯穿厚度而一致的局部光轴的单轴双折射材料形成。这些双折射层已经被使用在LCD和其它光学设备中。这些双折射层可以形成可寻址层，诸如90°扭曲的向列(TN)和超扭曲的向列(STN)IXD，以及具有正和负双折射率的补偿膜。虽然这些双折射层可以充当偏振变换元件(通常具有一些消色差行为)，但是它们可能具有关于可以变换的输入和输出偏振类型的限制。例如，90° -TN和STN双折射层仅仅可以将线偏振变换至近线偏振，并且许多补偿膜可能仅仅对偏振做出小调整。而且，单个扭曲层可以用作延迟器以在相对狭窄的带宽范围上部分地将圆偏振转换至线偏振(对于单个波长)。虽然该单个扭曲层可以与胆留偏振器组合，但这些元件可以分离地形成并且随后与彼此组装，从而类似地造成关于制造成本、厚度、性能等的问题。
[0009]扭曲层的组合也已被用于宽带偏振变换。例如，美国专利N0.6，765，635描述了在单轴半波层的任一侧上的两个135°扭曲向列层可以被采用作为电控偏振调制器。在另一情况下，通过使用分离制造并随后组装的两个扭曲向列盒(nematic cell)来提供宽带四分之一波长延迟器。

【发明内容】

[0010]根据本文所描述的本发明的一些实施例，光学膜包括第一光学层，其中相应的局部光轴在限定于第一光学层的相对面之间的第一厚度上旋转第一扭曲角，以及第二光学层，其中相应的局部光轴在限定于第二光学层的相对面之间的第二厚度上旋转第二扭曲角。例如，第一层的局部各向异性可以在第一厚度上具有第一连续可变相移，第二层的局部各向异性可以在第二厚度上具有第二连续可变相移。在一些实施例中，第一和第二层(以及因而，它们的局部光轴)的分子的相应相对定向沿着其间的界面对准。
[0011]在一些实施例中，第一和第二光学层可以是第一和第二延迟器层，其更改由此穿过的光的偏振状态而在宽带波长范围上基本上不影响其传播方向。例如，第一和/或第二光学层的分子的相对定向在横向维度上可以基本上一致，以便基本上不更改由此穿过的光的传播方向。在其它实施例中，第一和/或第二光学层的分子的相对定向可以在横向维度上连续变化。
[0012]在一些实施例中，第一和第二层可以被组装以限定单片结构。例如，第二光学层可以直接在第一光学层上，并且第二光学层的分子可以通过第一光学层的分子对准。[0013]在一些实施例中，光学膜可以包括具有在其中限定基本上一致的畴(domain)的对准条件的对准表面。对准表面可以基本上不影响由此行进的光的局部偏振状态。第一光学层可以直接在对准表面上，并且第一层的分子可以根据对准表面的对准条件来对准。第一层、第二层和/或对准表面可以基本上是透明的。
[0014]在一些实施例中，第一光学层可以是其中包括具有第一抢向(twist sense)的手性液晶分子的第一手性液晶层，并且第二光学层可以是其中包括具有第二捻向的手性液晶分子的第二手性液晶层。在一些实施例中第一捻向可以与第二捻向相同或相反。
[0015]在一些实施例中，第一和第二厚度不同。在一些实施例中，第一和第二扭曲角不同。例如，在一些实施例中，第二扭曲角可以为大约O度，并且第一扭曲角可以大于或小于O度,或者反之亦然。
[0016]在一些实施例中，第一和第二光学层中的至少一个可以是聚合的或可聚合的液晶层。在其它实施例中，第一和第二光学层中的至少一个可以是非反应性可切换液晶层。在一些实施例中，第一和第二光学层中的至少一个可以是可切换液晶层，其可以在基本上不影响由此行进的光的偏振的第一状态与反转或者以别的方式更改由此行进的光的偏振的第二状态之间切换。
[0017]在一些实施例中，第一和/或第二扭曲角和/或第一和/或第二厚度被配置成在宽带波长范围上提供四分之一波长延迟。在一些实施例中，第一和/或第二扭曲角和/或第一和/或第二厚度被配置成在宽带波长范围上提供半波延迟。宽带波长范围可以包括可见波长的范围，例如大约400nm (纳米)到大约800nm。在其它实施例中，宽带波长范围可以包括近红外范围(例如，大约IOOOnm到大约1600nm)、中波红外范围(例如，大约4000nm到大约10，OOOnm)、或紫外范围(例如，大约180nm到大约400nm)。延迟在特定波长范围上可以是基本上消色差的，或者波长范围的不同区域可以具有不同的延迟。
[0018]根据本发明的另外的实施例，一种形成光学膜的方法包括形成其中包括对准图案的对准表面，以及形成具有分子结构的第一光学层，其中分子相应的相对定向在限定于第一光学层的相对面之间的第一厚度上旋转第一扭曲角。第一层的分子依照对准表面的对准图案沿着其间的界面而对准。第二光学层形成在第一光学层的与对准层相对的表面上。第二光学层具有分子结构，其中分子相应的相对定向在限定于第二光学层的相对面之间的第二厚度上旋转第二扭曲角。第二光学层的分子基于第一光学层的表面而对准，使得第一和第二层的分子相应的相对定向沿着其间的界面而对准。
[0019]根据本发明的仍另外的实施例，双折射延迟器包括具有空间一致的方位和倾角边界条件的对准表面，以及至少两个广义扭曲向列液晶层。第一层具有第一扭曲角和厚度，并且第二层具有第二扭曲角和厚度，其中第一和第二扭曲角或者第一和第二厚度中的至少一个是不同的，并且其中第一和第二扭曲角中的至少一个不为零。第一层直接施加于对准表面上并通过其对准，并且第二层直接通过其在之上形成的第一层的表面而对准，从而形成单片结构。
[0020]根据本文描述的本发明的一些实施例，光学元件包括多个堆叠的双折射层，包括第一和第二堆叠的双折射层，其具有在第一和第二层的相应厚度上旋转相应扭曲角的相应局部光轴。局部光轴沿着第一和第二层之间的界面对准，并且相应扭曲角和/或相应厚度不同。例如，第一和第二堆叠双折射层可以是分别被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
[0021]在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上是非周期的。例如，相应的局部光轴可以在沿着界面的一个或多个不同区域中基本上一致，或者可以沿着界面连续变化。
[0022]在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上基本上一致或不变。
[0023]在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层直接在彼此上并且限定了单片结构。
[0024]在一些实施例中，光学元件可以包括具有基本上一致的对准条件的对准表面。第一和第二堆叠双折射层之一可以直接在对准表面上，使得其相应局部光轴根据对准条件而对准。
[0025]在一些实施例中，相应的扭曲角可以具有相同或相反的捻向。在一些实施例中，相应扭曲角可以在大小上基本上相等并且在捻向上相反。在一些实施例中，相应扭曲角可以在大小上不同，并且扭曲角之一可以非零。
[0026]在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层可以分别包括第一和第二邻近区域。第一和第二双折射层的相应局部光轴可以在第一和第二区域的每一个中沿着其间的界面基本上一致，但是在第一和第二区域中的相应局部光轴可以不同。
[0027]在一些实施例中，第一和第二堆叠双折射层可以包括第一液晶层和堆叠在其上的第二液晶层。第一和第二液晶层的相应分子定向可以沿着其间的界面对准，并且第一和第二液晶层中的至少一个可以是手性层。
[0028]在一些实施例中，第一和第二液晶层中的至少一个可以是聚合的液晶层。
[0029]在一些实施例中，第一和第二液晶层中的另一个可以是可切换的液晶层。
[0030]在一些实施例中，第三手性液晶层可以堆叠在第二液晶层上。
[0031]在一些实施例中，光学兀件此外可以包括线偏振器。第一和第二光学层可以堆叠在线偏振器上，在偏振器与光学层之间具有对准表面或粘合层。
[0032]在一些实施例中，第一和第二光学层的相应扭曲角和/或厚度可以被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上基本上消色差的半波延迟。
[0033]在一些实施例中，第一和第二光学层的相应扭曲角和/或厚度被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上基本上消色差的四分之一波长延迟。
[0034]根据本文描述的本发明的另外的实施例，一种制造光学兀件的方法包括提供第一双折射层，并且提供堆叠在第一双折射层上的第二双折射层。第一和第二双折射层具有在其相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着其间的界面对准的相应局部光轴，并且相应扭曲角和/或相应厚度不同。
[0035]在一些实施例中，第一和第二双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上是非周期的。
[0036]在一些实施例中，第一和第二双折射层可以是分别被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
[0037]在一些实施例中，第一和第二双折射层的相应局部光轴可以在沿着其间的界面的方向上基本上一致或不变。
[0038]在一些实施例中，第一和第二双折射层可以限定单片结构。例如，第一和第二双折射层可以是液晶层，并且第二双折射层可以直接形成在第一双折射层上，使得其相应的分子定向根据第一双折射层的相应分子定向沿着其间的界面而对准。
[0039]在一些实施例中，在形成第一和第二双折射层之前，可以形成具有非周期对准条件的对准表面。非周期的对准条件可以包括一个或多个基本上一致的区域，或者可以是连续变化的。第一双折射层可以直接形成在对准表面上，使得其相应的分子定向根据对准条件而对准。
[0040]在一些实施例中，第一双折射层可以是可聚合的液晶层。第一双折射层可以在其上形成第二双折射层之前被光聚合到对准表面上。
[0041]在一些实施例中，第三液晶层可以直接形成在第二双折射层上，使得其相应的局部光轴根据第二双折射层的相应局部光轴沿着其间的界面而对准。
[0042]在一些实施例中，对准表面可以形成为包括连续变化的对准条件。
[0043]在一些实施例中，对准表面可以形成为在其邻近的第一和第二区域中包括相应的基本上一致的对准条件，其中在对准表面的第一和第二区域中的基本上一致的对准条件不同。
[0044]因此，本发明的一些实施例提供了光学延迟器元件，其包括具有相应的局部光轴的至少两个堆叠的光学层，所述局部光轴在其相应厚度上的方向上连续变化，并且在沿着其间的相应界面的方向上对准(但是可以或可以不变化)。
[0045]在本领域技术人员回顾以下附图和详细描述时，根据一些实施例的其它设备和/或方法将变得对其显而易见。意图在于，除了包括在本描述内的以上实施例的任何和所有组合之外，所有这样的附加实施例在本发明的范围内，并且受随附权利要求保护。
【专利附图】

【附图说明】
[0046]图1是图示了根据本发明的一些实施例的包括两个或更多堆叠的双折射层的光学延迟器元件的示意图。
[0047]图2A和2B是针对如图1中所示的根据本发明的一些实施例的光学延迟器装置在宽带波长范围上分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。
[0048]图3是针对根据本发明的一些实施例的三个示例光学元件在宽带波长范围上图示了所测量椭圆率的图解。
[0049]图4A-4C是图示了相比于宽带四分之一波长参考膜，在不同偏振器布置之间的根据本发明的一些实施例的三个光学元件的图片。
[0050]图5A是图示了根据本发明的一些实施例的包括三个堆叠双折射层的光学延迟器元件的示意图。
[0051]图5B和5C是针对如图5A中所示的根据本发明的实施例的光学延迟器装置分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。
[0052]图6A和6B是根据本发明的一些实施例分别图示了通过在线偏振器上使用两个和三个堆叠双折射层所形成的圆偏振器的示意图。
[0053]图7A和7B是针对根据本发明的一些实施例的包括两个堆叠双折射层的光学延迟器装置分别图示了输出S3参数和椭圆率的图解。
[0054]图8是针对根据本发明的一些实施例的两个示例光学元件图示了所测量椭圆率的图解。
[0055]图9A是图示了根据本发明的一些实施例的在对准表面上包括两个堆叠双折射层的光学延迟器元件的示意图，所述对准表面包括具有基本上一致但不同的对准条件的两个或更多邻近畴。
[0056]图9B是图示了如图9A中所示的根据本发明的一些实施例的光学延迟器元件的输出的图片。
[0057]图1OA和IOB是图示了根据本发明的一些实施例的在对准表面上包括两个和三个堆叠双折射层的光学延迟器元件的示意图，所述对准表面包括连续变化的对准条件。
[0058]图11A-11C是图示了针对一些商用光学膜的反射特性的图解。
[0059]图12A和12B是根据本发明的一些实施例分别图示了包括两个和三个堆叠双折射层的光学延迟器元件的反射特性的图解。
[0060]图13是图示了根据本发明的一些实施例的在单个基片和对准层上包括两个或更多个堆叠双折射层的多扭曲延迟器元件的示意图。
[0061]图14A图示了根据本发明的一些实施例的双层MTR设计。
[0062]图14B图示了由如图14A中所示的根据本发明的一些实施例的双层MTR提供在庞加莱(Poincare)球上的输出斯托克斯分量。
[0063]图15A图示了根据本发明的一些实施例的三层MTR设计。
[0064]图15B图示了由如图15A中所示的根据本发明的一些实施例的三层MTR提供在庞加莱球上的输出斯托克斯分量。
[0065]图16A-16D是图示了在与用于线(水平)输入偏振的已知光学膜相比较时的根据本发明的一些实施例的双层四分之一波长MTR的输出的图解。
[0066]图17A-17D是图示了在与用于线(水平)输入偏振的已知光学膜相比较时的根据本发明的一些实施例的三层四分之一波长MTR的输出的图解。
[0067]图18A和18B是根据本发明的一些实施例分别图示了双层和三层线到线偏振变换设计的输出的图解。
[0068]图18C和18D是根据本发明的一些实施例分别图示了双层和三层圆到圆偏振变换设计的输出的图解。
[0069]图19A-19D是图示了根据本发明的一些实施例的形成多扭曲延迟器元件的示例制造过程的示意图。
[0070]图20A和20B是根据本发明的一些实施例分别图示了双层和三层四分之一波长MTR的延迟的图解。
[0071]图21是比较了根据本发明的一些实施例的MTR的性能趋势的直方图。
[0072]图22A和22B是图示了在与用于线(水平)输入偏振的已知光学膜相比时的根据本发明的一些实施例的三层四分之一波长MTR的输出的图解。
[0073]图22C和22D是图示了在与用于圆输入偏振的已知光学膜相比时的根据本发明的一些实施例的三层四分之一波长MTR的输出的图解。
【具体实施方式】
[0074]以下参照附图更加全面地描述本发明，其中示出本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来具体化，并且不应当被解释为受限于本文所陈述的实施例。相反地，这些实施例被提供来使得本公开将是透彻和完整的，并且将完全把本发明的范围传达给本领域技术人员。在各图中，层和区域的尺寸和相对尺寸为了清楚起见可能被夸大。由始至终同样的标号是指同样的元件。
[0075] 将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以被用来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段从另一区域、层或区段中区分开来。因此，在不脱离于本发明的教导的情况下，以下所讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称作第二元件、部件、区域、层或区段。
[0076]诸如“在……下方”、“在……下面”、“下部”、“在……之下”、“在……上面”、“上部”
等等之类的空间相对术语在本文中可以为了易于描述而被用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另外的(多个)元件或(多个)特征的关系。将理解的是，空间相对术语旨在涵盖除了图中所描绘的定向之外的使用或操作中的设备的不同定向。例如，如果图中设备被翻转，则描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”或“之下”的元件将会于是被定向成在其它元件或特征的“上面”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……之下”可以涵盖在上定向和在下定向二者。设备可以被另行定向(旋转90度或以其它定向)并且本文中使用的空间相对描述符被相应地解释。另外，还将理解的是，当层被称为在两层“之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者还可以存在一个或多个中间层。
[0077]本文中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在还包括复数形式，除非上下文另行清楚指示。此外将理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指明规定的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括关联列举项中的一个或多个的任何和所有组合。
[0078]将理解的是，当元件或层被称为“在……上”、“连接到”、“耦合到”或“邻近于”另一元件或层时，它可以直接在所述另一元件或层上、连接到、稱合到或邻近于所述另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在……上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧接邻近于”另一元件或层时，不存在中间元件或层。
[0079]本文中参照横截面图示来描述本发明的实施例，所述横截面图示为本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意性图示。因而，要预期到作为例如制造技术和/或容差的结果的从图示形状的变型。因此，本发明的实施例不应当被解释为受限制于本文中图示的区域的特定形状，而是将包括例如由制造导致的形状偏离。因此，图示在图中的区域本质上是示意性的并且它们的形状不旨在图示设备区域的实际形状并且不旨在限制本发明的范围。
[0080]除非另行限定，本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同意义。此外将理解的是，诸如在通常使用的字典中限定的那些之类的术语应当被解释为具有这样的意义:即所述意义与它们在相关领域和/或本说明书的上下文中的意义一致，并且将不在理想化或过度正式的意义上被解释，除非本文中明确这样限定。
[0081]本文中参照液晶(LC)材料描述了本发明的实施例。LC可以包括其中存在分子的有序布置的液体。典型地，LC分子可以是各向异性的，具有细长(杆状)或扁平(盘状)形状。由于各向异性分子的排序，大量LC通常在其物理属性上展现出各向异性，诸如在其机械、电、磁和/或光学属性上的各向异性。如本文中所使用的，LC可以具有向列相、手性向列相、近晶相、手性近晶相(包括铁电LC)和/或另外的相。作为杆状或盘状性质的结果，LC分子的定向分布可以在诸如液晶显示器(IXD)之类的光学应用中扮演重要角色。在这些应用中，LC对准可以由对准表面指示。可以处理对准表面来使得LC相对于表面以可预测和可控制的方式对准。在一些实施例中，对准表面可以确保通过LC层的单畴。在其它实施例中，对准表面可以提供遍及LC层的许多畴和/或许多不连续。
[0082]诸如摩擦或可光聚合的聚合物之类的许多聚合物可以被用作对准层以创建本文中所描述的光学层。这些聚合物可以相对于LC是惰性的、应当在LC设备的操作温度范围上(例如，从大约-50°C到大约IO(TC)提供稳定的对准、并且应当与本文中所描述的制造方法兼容。可以用作本文中的对准层的聚合物的一些示例包括聚酰亚胺、肉桂酸酯(cinnamate)、查耳酮环氧材料以及香豆素侧链型聚酰亚胺。液晶对准方法的附加示例也在Crawford等人的美国专利N0.7，196，758中被讨论。此外，本文中所描述的一些结构可以牵涉通过旋涂工艺和液晶材料的平衡的精确制造。
[0083]本领域技术人员将理解的是，如本文中所使用的，“可聚合的液晶”可以指可以被聚合的相对低分子量液晶材料，并且还可以在本文中被描述为“活性液晶基元(reactivemesogen)”。相比之下，“非活性液晶”可以指不可以被聚合的相对低分子量液晶材料。而且，“透射性”或“透明”基片或元件可以允许入射光中的至少一些由此穿过。换言之，本文中所描述的透射性或透明元件不需要是完美透明的，并且可以具有各向同性或二向色性吸收特性和/或可以另行吸收入射光中的一些。在一些实施例中，透明基片可以是玻璃基片。相比之下，“反射性”基片或元件可以反射入射光中的至少一些。
[0084]本发明的一些实施例提供了可以实现宽带偏振变换的方法和设备，借此具有特定偏振的输入光可以改变成目标或所期望的偏振。这与通过常规偏振器元件实现的借以准许所期望的偏振的光通过而不想要的光被吸收或重定向的偏振转换形成对比。宽带光的精确偏振变换可以用在许多应用中，包括LCD、光学存储装置、双折射光学器件、光学遥感和光纤网络。使用单一双折射元件(其分离形成并且随后组装)的单独和多个堆叠的常规方法可能不能够实现所期望的宽带偏振变换性能，和/或不能容易地提供大的通光孔径、小厚度和/或可接受的成本。
[0085]特别地，本文所描述的本发明的实施例提供了包括两个或更多双折射层的光学元件，在本文中被称作多扭曲延迟器(MTR)，其提供了宽带偏振变换的有效控制。例如，MTR可以包括至少两个广义向列液晶层在单个基本上一致的对准表面上的布置，其中所述层中的至少一个具有在层的厚度上扭曲的向列引向器(即局部光轴)，并且其中后续层直接通过先前层的暴露表面来对准。这允许不太复杂的制造，实现自动层配准，并且导致具有在其厚度上连续变化的局部光轴的单片膜。相比之下，在许多常规途径中，层典型地分离形成并且随后组装，并且在一层的末尾处的扭曲角典型地不与下一扭曲层的起始角对准或平行。
[0086]另外，根据本发明的实施例的结构形成单片双折射片，其为所期望的几乎任何波长、带宽或入射角范围实现良好受控的偏振变换，包括在关于中心波长(例如550nm)的大于约15% (例如lOOnm)、约35% (例如200nm)或更多的波长范围上的宽带(即消色差的)四分之一波长和半波延迟。在特定实施例中，可以使用两层或三层来实现具有优良性能和潜在极低成本的宽带四分之一波长和半波延迟。附加层可以使得能够实现根据波长或视角的对偏振变换轮廓(profile)的甚至更精细的控制，这以类似于傅里叶级数中附加项的方式。在一些实施例中，这样的附加层的使用可以允许MTR设计具有真实光轴，即，线偏振沿着其而被保持的方向。输入和输出偏振之间所期望的确切关系可以独立于波长(如在本文中所描述的宽带四分之一波长和半波示例中)，或者其可以是取决于应用的波长的某种非恒定和非平凡函数(如在本文中所描述的补偿膜和电信示例中)。由于其不太复杂的制造和多自由度，如本文所描述的MTR可以特别良好地适合于图案化的消色差延迟器，并且可以实现可见直到红外波长内的大的带宽和/或延迟的低变化。然而，虽然本文中参照相对宽的波长范围上的消色差(或近似恒定)的延迟光谱进行了一般描述，但是将理解，根据本发明的实施例的MTR可以不这样被限制，并且可以被配置成提供在给定光谱的不同区域上的不同延迟。例如，非消色差延迟光谱的一个实施例将会是被配置成对于绿波长(例如落在对应于绿颜色的可见光谱范围内的波长)提供近似半波延迟而对于红和蓝波长通过近似零延迟的MTR0在非消色差延迟光谱的另一实施例中，MTR可以被配置成对于较长波长(例如红外)提供近似半波延迟并且对于较短波长(例如可见)提供不同的延迟。
[0087]相关美国专利申请N0.60/912，044也描述了一种消色差偏振变换，其使用在对准表面上限定单膜或单片元件的两个扭曲层。在其中描述的一些实施例中，对准表面可以由偏振全息图来图案化，使得存在空间非一致的周期性图案。因此，在那些实施例中所实现的对入射光的光学效应是衍射(即，改变传播方向)，而不是如由本文所描述的本发明的实施例实现的延迟(即，改变偏振)。
[0088]如本文所描述的延迟器是双折射元件，其可以通过诱发电磁波的正交电场分量之间的不同相移来变换偏振而基本上不影响传播方向，并且其还被称作波片。一些基本的延迟器可以通过均匀单轴双折射率A?和厚度定义，并且可以具有相位延迟
【权利要求】
1.一种光学兀件，包括: 具有相应局部光轴的第一和第二堆叠双折射层，所述相应局部光轴在第一和第二层的相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着第一和第二层之间的界面对准， 其中相应扭曲角和/或相应厚度不同，并且其中第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上是非周期性的。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层包括分别被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上基本上一致。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层直接堆叠在彼此上并且限定单片结构。
5.根据权利要求4所述的光学元件，此外包括: 其中具有基本上一致的对准条件的对准表面， 其中第一和第二堆叠双折射层中的一个直接在对准表面上，使得其相应局部光轴根据对准条件对准。
6.根据权利要求4所 述的光学元件，其中相应扭曲角具有相同的捻向。
7.根据权利要求4所述的光学元件，其中相应扭曲角在大小上基本上相等并且在捻向上相反。
8.根据权利要求4所述的光学元件，其中相应扭曲角不同，并且其中扭曲角中的一个非零。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上连续变化。
10.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层分别包括第一和第二邻近区域，其中第一和第二双折射层的相应局部光轴在第一和第二区域中的每一个中沿着其间界面基本上一致，并且其中第一和第二区域中的相应局部光轴不同。
11.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二堆叠双折射层包括堆叠在其上的第一液晶层和第二液晶层，其中第一和第二液晶层的相应分子定向沿着其间界面对准，并且其中第一和第二液晶层中的至少一个为手性层。
12.根据权利要求11所述的光学元件，其中第一和第二液晶层中的至少一个包括聚合的液晶层。
13.根据权利要求12所述的光学元件，其中第一和第二液晶层中的另一个包括可切换的液晶层。
14.根据权利要求12所述的方法，此外包括堆叠在第二液晶层上的第三手性液晶层。
15.根据权利要求1所述的光学元件，此外包括: 线偏振器， 其中第一和第二光学层堆叠在线偏振器上，在其间具有对准层或粘合层。
16.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二光学层的相应扭曲角和/或厚度被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上基本上消色差的半波延迟。
17.根据权利要求1所述的光学元件，其中第一和第二光学层的相应扭曲角和/或厚度被配置成提供在大约200nm或更大的宽带波长范围上基本上消色差的四分之一波长延迟。
18.—种制造光学元件的方法，所述方法包括: 提供第一双折射层；以及 在第一双折射层上提供第二双折射层， 其中第一和第二双折射层具有相应局部光轴，所述相应局部光轴在其相应厚度上旋转相应扭曲角并且沿着其间界面对准，其中相应扭曲角和/或相应厚度不同，并且其中第一和第二双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上是非周期性的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中第一和第二双折射层包括分别被配置成更改偏振而基本上不更改由此穿过的光的传播方向的光学延迟器层。
20.根据权利要求18所述的方法，其中第一和第二双折射层的相应局部光轴在沿着其间界面的方向上基本一致。
21.根据权利要求18所述的方法，其中第一和第二双折射层限定单片结构。
22.根据权利要求21所述的方法，其中第一和第二双折射层包括液晶层，并且其中提供第二双折射层包括: 直接在第一双折射层上形成第二双折射层，使得其相应分子定向根据第一双折射层的相应分子定向沿着其间界面来对准。
23.根据权利要求22所述的方法，此外包括在形成第二双折射层之前的以下各项: 形成具有非周期性对准条件的对准表面；以及 直接在对准表面上形成第一双折射层，使得其相应分子定向根据对准条件沿着与对准表面的界面来对准。
24.根据权利要求22所述的方法，其中第一和第二双折射层中的至少一个包括手性液晶层。
25.根据权利要求22所述的方法，其中第一双折射层包括可聚合的液晶层，并且所述方法此外包括: 在其上形成第二双折射层之前在对准表面上光聚合第一双折射层。
26.根据权利要求22所述的方法，此外包括: 直接在第二双折射层上形成第三液晶层，使得其相应分子定向根据第二双折射层的相应分子定向沿着其间界面对准。
27.根据权利要求23所述的方法，其中形成对准表面包括: 形成对准表面以包括连续变化的对准条件。
28.根据权利要求23所述的方法，其中形成对准表面包括: 形成对准表面以在其邻近的第一和第二区域中包括基本上一致的对准条件，其中在对准表面的第一和第二区域中基本上一致的对准条件不同。
【文档编号】G02F1/33GK103959159SQ201280060131
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年10月7日
【发明者】M.J.埃斯库蒂, R.K.科曼杜里, K.F.小劳勒 申请人:北卡罗莱纳州立大学