广波域相位补偿叠层片及应用其的光学元件的制作方法

本发明涉及一种广波域相位补偿叠层片及应用其的光学元件，且特别是涉及一种具有旋光性相位补偿膜的广波域相位补偿叠层片及应用其的光学元件。

背景技术：

传统圆偏光片是以一片线性偏光片搭载一片以相对45°夹角排列的四分之一相位补偿膜叠合而成。虽然四分之一相位补偿膜的功能可以让偏光态从线转换成圆的光程差，但是现有的四分之一相位补偿膜多为单一波长的光转换膜，也就是说，相对人眼较为敏感的400纳米～700纳米的可见光波段，现有的四分之一相位补偿膜仅能针对某一波段，并非针对该可见光波段的所有色光都能到达poincare光学球的极点或极区。

传统上，广波域补偿膜可分为一枚型与二枚型。前者材料需特别设计，且不易调整所需相位值；而后者需将二分之一相位补偿涂膜与四分之一相位补偿涂膜作贴合，不但膜厚较厚，制造过程中需要精准对位以达成特别的夹角，大量耗费人力与材料，售价居高不下。因此，提出一种新的能涵盖可见光波段的广波域相位补偿叠层片是本领域业者努力的目标之一。

技术实现要素：

因此，本发明提出一种广波域相位补偿叠层片及应用其的光学元件，可改善前述现有问题。

根据本发明的一实施例，提出一种广波域相位补偿叠层片。广波域相位补偿叠层片包括一旋光性二分之一相位补偿涂膜及一旋光性四分之一相位补偿涂膜。旋光性四分之一相位补偿涂膜与旋光性二分之一相位补偿涂膜接触于一第一接触面。沿第一接触面，旋光性四分之一相位补偿涂膜的第一层液晶分子顺向于旋光性二分之一相位补偿涂膜的最后一层液晶分子而排列。广波域相位补偿叠层片的相位值r与广波域相位补偿叠层片相对一线偏光膜的光轴的等效光轴z符合一线性关系：r＝az+b，其中a及b为常系数。

根据本发明的另一实施例，提出一种光学元件。光学元件包括一广波域相位补偿叠层片、一功能层及一粘合层。粘合层位于广波域相位补偿叠层片的旋光性四分之一相位补偿涂膜与功能层之间，以粘合旋光性四分之一相位补偿涂膜与功能层。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附的附图详细说明如下：

附图说明

图1为本发明一实施例的光学元件的剖视图；

图2a为图1的旋光性二分之一相位补偿涂膜在poincare光学球的路径图；

图2b为图1的旋光性四分之一相位补偿涂膜在poincare光学球的接续路径图；

图3a为图1的广波域相位补偿叠层片的圆偏光分散性测量的结果图；

图3b为第一比较例的相位补偿叠层片的圆偏光分散性测量的结果图；

图3c为第二比较例的相位补偿叠层片的圆偏光分散性测量的结果图；

图4(1)～图4(20)为本发明实施例的广波域相位补偿叠层片搭配线偏光膜的组合所测量而得的圆偏振光分散性测量结果图；

图5为表二g1～g8的叠构光轴与叠构相位值的关系图；

图6为图1的广波域相位补偿叠层片的反射率实验配置图；

图7为图1的广波域相位补偿叠层片的反射率实验配置图；

图8为本发明另一实施例的光学元件的剖视图；

图9为本发明另一实施例的光学元件的剖视图；

图10为本发明另一实施例的光学元件的剖视图；

图11为本发明另一实施例的光学元件的剖视图；

图12为本发明另一实施例的光学元件的剖视图；

图13为本发明另一实施例的光学元件的剖视图。

符号说明

10：反射镜

100、200、300、400、500、600、700：光学元件

110：广波域相位补偿叠层片

111：旋光性二分之一相位补偿涂膜

112：旋光性四分之一相位补偿涂膜

120：线偏光膜

130：粘合层

140：功能层

260：耐刮层

370：功能层

a1、a2、a3、a4、p1～p9：点

c1：极圈

e1：赤道

g：间隙

l1：光线

n1：极点

r：叠层相位

r1：直线

re(λ)：相位值

s1：第一接触面

s2：第二接触面

z：等效光轴

具体实施方式

请参照图1及图2a及图2b，图1绘示本发明一实施例的光学元件100的剖视图，图2a绘示图1的旋光性二分之一相位补偿涂膜111的相位补偿路径图，而图2b绘示图1的旋光性四分之一相位补偿涂膜112的相位补偿路径图。

如图1所示，光学元件100包括广波域相位补偿叠层片110、线偏光膜120、粘合层130及功能层140。此些结构层由下而上依序为功能层140、粘合层130、广波域相位补偿叠层片110及线偏光膜120，其中粘合层130位于广波域相位补偿叠层片110与功能层140之间，以粘合广波域相位补偿叠层片110与功能层140。在本实施例中，功能层140例如是发光二极管层140，然而本发明实施例不受此限。此外，广波域相位补偿叠层片110与线偏光膜120也可构成另一广波域圆偏光片。其中，广波域相位补偿叠层片110与线偏光膜120之间也可包括一粘合层。

广波域相位补偿叠层片110包括一旋光性二分之一相位补偿涂膜111及一旋光性四分之一相位补偿涂膜112。虽然未绘示，然旋光性二分之一相位补偿涂膜111包括第一旋光物及第一液晶分子，其中第一旋光物使第一液晶分子旋转，进而使旋光性二分之一相位补偿涂膜111具有旋光特性。虽然未绘示，然旋光性四分之一相位补偿涂膜112包括第二旋光物及第二液晶分子，其中第二旋光物使第二液晶分子旋转，进而使旋光性四分之一相位补偿涂膜112具有旋光特性。

旋光性四分之一相位补偿涂膜112与旋光性二分之一相位补偿涂膜111直接接触于一第一接触面s1。沿第一接触面s1，旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子顺向于旋光性二分之一相位补偿涂膜111的最后一层液晶分子而排列，使该第一层液晶分子与该最后一层液晶分子之间无偏轴角度。

旋光性二分之一相位补偿涂膜111位于线偏光膜120与旋光性四分之一相位补偿涂膜112之间。外界环境光线l1依序通过线偏光膜120、旋光性二分之一相位补偿涂膜111与旋光性四分之一相位补偿涂膜112。粘合层130例如是透光粘合层，使光线l1可通过粘合层130而入射至功能层140。

图2a所示为以poincare光学球上的轨迹说明振光态的变化，点a1表示外界环境光线l1通过线偏光膜120后转变成线偏振光，点a2表示光线l1于旋光性二分之一相位补偿涂膜111的最后一层液晶分子的偏振态。图3a～图3c所示的点a3表示光线l1于旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子的偏振态，点a4表示光线l1于旋光性四分之一相位补偿涂膜112的最后一层液晶分子后转变成圆偏振光。当偏振态愈接近极点n1(如图示poincare光学球的北极或南极)，表示愈接近圆偏振光。当偏振态位于poincare光学球的赤道e1，表示线偏振光。当偏振态位于极点n1与赤道e1之间，表示为椭圆偏振光。故此，poincare光学球上相对不同波长的最终轨迹点距离极区的分散性越小，可视为该补偿膜在转换圆偏光的能力为广波域补偿膜。

如图2a及图2b所示，由于旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子排列顺向于旋光性二分之一相位补偿涂膜111的最后一层液晶分子，使点a2与点a3大致重合，进而使相位补偿的变化在第一接触面s1呈连续性。

此外，如图1所示，旋光性二分之一相位补偿涂膜111与线偏光膜120直接或间接接触于第二接触面s2；沿第二接触面s2，旋光性二分之一相位补偿涂膜111的第一层液晶分子排列顺向于线偏光膜120的光轴，使旋光性二分之一相位补偿涂膜111的第一层液晶分子与线偏光膜120的光轴无偏轴角度。如此，如图2a所示，光线l1自线偏光膜120射出的偏振态与光线l1入射至旋光性二分之一相位补偿涂膜111的第一层液晶分子的偏振态大致重合于点a1。

旋光性二分之一相位补偿涂膜111具有以下数个特性至少一者。(1).旋光性二分之一相位补偿涂膜111在未添加第一旋光物时，对于波长为550纳米(nm)的光线，旋光性二分之一相位补偿涂膜111的原始相位值介于225nm与325nm之间，较佳是介于约240nm与约300nm之间。(2).旋光性二分之一相位补偿涂膜111在添加第一旋光物后，旋光性二分之一相位补偿涂膜的第一层液晶分子与最后一层液晶分子的角度差介于约15度与约35度之间，较佳为介于约20度与30度之间。(3).在添加第一旋光物后，旋光性二分之一相位补偿涂膜111的个别等效光轴相对线偏光膜120的光轴介于约5度与约30度之间，较佳为介于约5度与20度之间。(4).在添加第一旋光物后，旋光性二分之一相位补偿涂膜111的第一液晶分子的相位值介于约230nm与约270nm之间。

旋光性四分之一相位补偿涂膜112具有以下数个特性至少一者。(1).旋光性四分之一相位补偿涂膜112在未添加第二旋光物时，对于波长为550nm的光线，旋光性四分之一相位补偿涂膜112的原始相位值介于约112nm与约163nm之间，较佳为介于约120nm与150nm之间。(2).在添加第二旋光物后，旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子与最后一层液晶分子的角度差介于70度与95度之间，较佳为介于约75度与约90度之间。(3).在添加第二旋光物后，旋光性四分之一相位补偿涂膜112的个别等效光轴相对线偏光膜120的光轴介于约25度与约50度之间，较佳为介于约30与约50度之间。(4).在添加第二旋光物后，旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第二液晶分子的相位值介于约75nm与约110nm之间。

本发明的广波域相位补偿叠层片110具有以下数个特性至少一者。(1).对于波长为550nm的光线，叠层的相位值介于约160nm与约210nm之间，较佳为介于约170nm与190nm之间。(2).等效光轴相对线偏光膜120的光轴介于约0度与约15度之间，较佳为介于约3与约9度之间。(3)叠层的相位值与其相对线偏光膜120的等效光轴遵循一线性关系：r＝az+b，其中，r为叠层的相位值，而z为叠层相对线偏光膜光轴的等效光轴，其中a及为常系数。a及b的数值视线段的斜率而定，本发明实施例不加以限定。

在一实施例中，旋光性二分之一相位补偿涂膜111的第一液晶分子的旋转角度小于旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第二液晶分子的旋转角度。以下举例说明。

如图3a～图3c所示，图3a绘示图1的广波域相位补偿叠层片110的圆偏光分散性测量的结果图，图3b绘示第一比较例的相位补偿叠层片的圆偏光分散性测量的结果图，而图3c绘示第二比较例的相位补偿叠层片的圆偏光分散性测量的结果图。

图3a的数个点p1～p3表示波长为450nm、550nm及650nm的转换的最终轨迹点。图3b的数个点p4～p6及图3c的数个点p7～p9亦同。

以旋光性二分之一相位补偿涂膜111的第一层液晶分子与最后一层液晶分子的角度差为24度而旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子与最后一层的角度差为75度来说，如图3a所示，对于波长为450nm、550nm及650nm的光线l1而言，波长分散性接近极点n1，足见本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110为一能将广波域(如介于400nm～800nm的波域)的光线转变成圆偏振光的相位补偿叠层片。

第一比较例的相位补偿叠层片是广波域相位补偿叠层片110的旋光性二分之一相位补偿涂膜111与旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子与最后一层液晶分子的角度差对调。如图3b所示，第一比较例的相位补偿叠层片的圆偏光分散性远离极点n1。第二比较例的相位补偿叠层片是将广波域相位补偿叠层片110的旋光性二分之一相位补偿涂膜111与旋光性四分之一相位补偿涂膜112的第一层液晶分子与最后一层的角度差设计成相等，如都为24度。如图3c所示，第二比较例的相位补偿叠层片的圆偏光分散性也是远离极点n1。

如下表一，组1～23的各组表示旋光性二分之一相位补偿涂膜111的相位值(对于波长为550nm的光线l1而言)及个别等效光轴、旋光性四分之一相位补偿涂膜112的相位值(对于波长为550nm的光线l1)及个别等效光轴以及广波域相位补偿叠层片110的波长分散性。表一的re(λ)表示对于波长为λ的光线的相位值，例如，re(550)表示对于波长为550nm的光线的相位值。在表一的波长分散性中，若re(450)/re(550)的比值与re(550)/re(650)的比值不大于1，表示在波长范围内的相位值的斜率呈正斜率趋势，即，在波长范围内的相位值变化呈逆波长分散性，具有广波域相位值特性。如表一所示，虽然有些re(450)/re(550)的比值大于1，但其误差值在可接受范围，因此可视为等于1，仍具备逆波长分散性。

表一

此外，表一的相位值、等效光轴及波长分散性的测量是采用美国axometrics公司的相位差测量仪axoscanmmp测量而得。

本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110搭配线偏光膜120的组合所测量的光学值重新列于表二。以波长为550nm的光线测量此些组合的叠构相位值及叠构光轴，其中叠构光轴是相对偏光膜光轴的角度。

表二

请参照图4(1)～图4(20)对应表二组别g1～g20，其绘示本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110(包括旋光性二分之一相位补偿涂膜111及旋光性四分之一相位补偿涂膜112)搭配线偏光膜120的组合所测量而得的圆偏振光分散性测量结果图。其中，圆偏光分散性测量是在400nm～800nm的波域中，以每25nm为间隔所测量的分布(附图的每一点表示400nm～800nm范围中以每25nm为间隔的一波长光线所测量到的圆偏光分散性)。因为有些点可能重合或过近，图示并未绘示所有的点数量。虽然表二有些组别的圆偏光变换状况差(状况：3)，但仍在可接受范围。

如图4(1)～图4(8)所示，表二的组别g1～g8的圆偏振光分散性都接近极圈c1，其中极圈c1表示椭圆率e为0.9的区域。在poincare光学球模型中，线偏光态的椭圆率e等于0(即赤道e1)，正圆偏光态的椭圆率e为1(即极点n1)，而椭圆偏光态的椭圆率e介于0与1之间。

请参照图5，其绘示表二g1～g8的叠构光轴与叠构相位值的关系图。如图所示，组别g1～g8的叠构光轴与叠构相位值大致呈线性关系：r＝az+b，其中，r为叠层的相位值，而z为叠层相对线偏光膜光轴的等效光轴。图5的纵轴表示叠构相位，叠构相位的单位例如是纳米(nm)，而横轴表示等效光轴，等效光轴的单位例如是度(degree)。图5的数个点的坐标点分别为(1.5,202.0)、(3.9,193.0)、(4.6,187.6)、(6.0,182.7)、(7.3,179.9)、(7.7,175.9)、(9.3,170.8)及(11.0,168.1)。

换言之，本发明其它实施例的广波域相位补偿叠层片110与线性偏光膜120的组合只要能符合此线性关系，即具备广波域相位补偿特性。此处的直线的方程式可以线性拟合技术或其它数学方法获得。

请参照图6，其绘示图1的广波域相位补偿叠层片110的反射率实验配置图。广波域相位补偿叠层片110配置在线偏光膜120与反射镜10之间。广波域相位补偿叠层片110与反射镜10之间并未以粘合层130黏合，因此广波域相位补偿叠层片110与反射镜10之间具有间隙(空气层)g1。如图所示，线偏光膜120包括第一保护层121、偏光层122及第二保护层123，其中偏光层122位于第一保护层121与第二保护层123之间。第一保护层121及第二保护层123的材料包括三醋酸纤维素(tac)。

表三为以表一的组别16～23为例进行反射率实验所得的结果。如表三所示，相较于市售二枚型相位补偿片，本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110反射率较低。因圆偏光片主要作为抗环境光反射之用，反射率愈低表示抗环境光反射效果愈好，对比度也将愈高。

表三

表三的市售二枚型相位补偿片是由一片二分之一相位补偿膜与一片四分之一相位补偿膜叠合而成，其用以获得一种等效于四分之一相位的迂回路径的相位补偿效果，让各个不同的色光都能接近极区。然市售二枚型相位补偿片的缺点是：要有个别的光轴需求且二片相位补偿膜(二分之一相位补偿膜及四分之一相位补偿膜)之间需精确的转动对位。然而，通过转动相位补偿膜的对位方式必然会产生剪裁废料。另外，相较于本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110，市售二枚型相位补偿片的厚度较厚，此限制了有机发光二极管的可挠性应用。

请参照图7，其绘示图1的广波域相位补偿叠层片110的反射率实验配置图。图7的配置类似图6，不同处在于，图8的线偏光膜120省略第二保护层123，且广波域相位补偿叠层片110与线偏光膜120的第一保护层121之间接触，如以粘合层(未绘示)黏合。

表四为以表一的组别17为例进行反射率实验所得的结果。如表四所示，相较于市售二枚型相位补偿片，本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110反射率较低。

表四

虽然前述明实施例的光学元件100是以有机发光二极管显示面板为例说明，然而本发明实施例不限于此。以下举例说明应用广波域相位补偿叠层片110的其它光学元件结构。

请参照图8，其绘示本发明另一实施例的光学元件200的剖视图。光学元件200包括由下而上依序配置的功能层140、粘合层130、广波域相位补偿叠层片110、线偏光膜120及耐刮层260。光学元件200具有类似光学元件100的结构，不同处在于，光学元件200还包括耐刮层260，其覆盖线偏光膜120，可保护线偏光膜120。

请参照图9，其绘示本发明另一实施例的光学元件300的剖视图。光学元件300包括广波域相位补偿叠层片110及功能层370。功能层370配置在广波域相位补偿叠层片110上，其中旋光性四分之一相位补偿涂膜112位于旋光性二分之一相位补偿涂膜111与功能层370之间。在本实施例中，功能层370例如是触控层。

请参照图10，其绘示本发明另一实施例的光学元件400的剖视图。光学元件400包括广波域相位补偿叠层片110、线偏光膜120及功能层370，其中广波域相位补偿叠层片110位于线偏光膜120与功能层370之间。旋光性四分之一相位补偿涂膜112位于旋光性二分之一相位补偿涂膜111与功能层370之间。

请参照图11，其绘示本发明另一实施例的光学元件500的剖视图。光学元件500包括广波域相位补偿叠层片110、线偏光膜120及功能层370，其中线偏光膜120位于广波域相位补偿叠层片110与功能层370之间。旋光性二分之一相位补偿涂膜111位于旋光性四分之一相位补偿涂膜112与线偏光膜120之间。

请参照图12，其绘示本发明另一实施例的光学元件600的剖视图。光学元件600包括依序配置的功能层140、粘合层130、广波域相位补偿叠层片110、线偏光膜120及功能层370，其中旋光性二分之一相位补偿涂膜111位于旋光性四分之一相位补偿涂膜112与线偏光膜120之间。

请参照图13，其绘示本发明另一实施例的光学元件700的剖视图。光学装700包括依序配置的功能层140、粘合层130、广波域相位补偿叠层片110及线偏光膜120，其中旋光性二分之一相位补偿涂膜111位于旋光性四分之一相位补偿涂膜112与线偏光膜120之间。

如上述可知，本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110是使用具旋光性液晶材料，可直接涂布于基板上，基板包括玻璃、聚乙烯醇(pva)、三醋酸纤维素(tac)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、丙烯酰基(acryl)、聚酰亚胺(pi)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚碳酸酯(pc)、聚萘二甲酸乙醇酯(pen)等，可作为逆分散补偿膜使用。此外，广波域相位补偿叠层片110也可直接涂布于线偏光膜120，作为广波域圆偏光片使用，其中，线偏光膜包括涂布型主宾偏光片(guest-hostpolarizer)、线栅偏光片(wiregridpolarizer)、传统碘系或染料系的偏光片，其中传统碘系或染料系的线偏光片与本发明实施例的广波域相位补偿叠层片110之间的tac保护膜也可剥除，以减少元件厚度。在另一实施例中，也可将上述的涂覆在基板上的广波域相位补偿叠层片110转印在线偏光膜上，基板可选择保留或剥离。

在一种旋光性二分之一相位补偿涂膜111的配制方法中，以旋光物将原本仅具单一光轴排列的液晶分子赋予连续扭转性，其中液晶分子例如是采用后述方法配制而成：将basf聚合性向列液晶lc242(例如：2公克)及basf右旋性化合物lc-756(例如是介于0.034％～0.066％之间的相对聚合性向列液晶)溶解在甲苯与环己酮的比例为4：1的混合溶剂(例如：6公克)中。

在一种旋光性四分之一相位补偿涂膜112的配制方法中，以旋光物将原本仅具单一光轴排列的液晶分子赋予连续扭转性，其中液晶分子例如是采用后述方法配制而成：将basf聚合性向列液晶lc242(例如：2公克)及basf右旋性化合物lc-756(例如是介于0.27％～0.45％之间的相对聚合性向列液晶)溶解在甲苯与环己酮的比例为4：1的混合溶剂(例如：8公克)中。

在一种广波域相位补偿叠层片110的制造方法中，将旋光性二分之一相位补偿涂膜111涂布在已完成机械刷膜配向的tac基材上，刷膜方向为90度，经曝光定向固化后，再涂布旋光性四分之一相位补偿涂膜112于旋光性二分之一相位补偿涂膜111上，然后同样经曝光定向固化。

综上，由于本发明实施例的广波域相位补偿叠层片能将广波域范围(如介于400nm～800nm的波域)的光线转变成正圆偏振光或接近正圆偏振光，因此能获得以下数个技术效果的至少一者：(1).提高整合光学元件的对比度，其中的光学元件例如是显示面板、触控面板、触控显示面板等；(2).让减少进入到显示面板内的光线的漏光量，让显示画面接近黑屏或呈全黑屏，或避免显示画面偏蓝；(3).提升显示面板(如有机发光二极管显示面板)抗环境光的能力。此外，本发明实施例的广波域相位补偿叠层片的旋光性二分之一相位补偿涂膜及旋光性四分之一相位补偿涂膜采用涂布技术形成，因此二者的组合并无转动对位问题，不需要进行对位步骤，因此可避免现有二枚型相位补偿片的废料问题。再者，由于本发明实施例的广波域相位补偿叠层片的旋光性二分之一相位补偿涂膜及旋光性四分之一相位补偿涂膜采用涂布技术形成，其厚度甚薄，有助于提升应用其的光学元件的可挠性应用。

综上所述，虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。