CN100406925C - 多层光学涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及各向异性多层薄膜涂层，其可用于制造各种光学元件，例如，偏振器、光束分离器、干涉-偏振滤光片、偏振光反射镜等等。一种多层光学各向异性结构，其包括至少一个具有高度各向异性和完整结构的层，然而将所有层的折射率和厚度及其结合进行选择，以便为在所述光谱范围内以及在多层光学结构的至少一个侧面上的至少一种光的偏振提供一干涉极值，其中至少一层是光学各向异性的并且用至少一种有机材料制成，其分子或分子片段具有平面构造，并且其中至少所述层的一部分具有晶体结构，同时对于在具有线性尺寸不小于至少一个吸收带的最大波长的区域上的至少一个层的材料的吸收带的范围内，各向异性层的折射率的虚部和实部的椭球的主轴，满足下述关系：K1≥K2＞K3，(n1+n2)/2＞n3，其中相应地K1、K2、K3和n1、n2、n3分别是该层的折射率的虚部和实部的椭球的轴的主值。

Description

多层光学涂层
技术领域
本发明涉及各向异性多层薄膜涂层并且可用于制造各种光学元件，例如，偏振器、光束分离器、干涉-偏振滤光片、偏振光反射镜等。
背景技术
目前使用的偏振器为聚合物薄膜，其通过单轴拉伸取向并用有机染料或碘化合物着色。在这些薄膜[US 5007942]中通常将聚乙烯醇用作聚合物(PVA)。在这种偏振器中的附加层是，例如，一层漆，起防护及其它作用并且就观测光干涉而言，没有用来优化透过偏振器(或光的反射-对于反射型偏振器而言)的光的透射。
已知的偏振器[WO 95/17691]，其表现为多层结构，包括至少一个具有厚度的双折射层，它在光学偏振器的存在下，为至少一种光的线性偏振成分提供干涉极值。这种偏振器包括两种透明(在工作波长范围内没有吸收)聚合物材料的替换层，其一是双折射的，而另一个是光学各向同性的。在聚合物材料中的双折射是通过在一个方向上将其拉伸2-10次得到的。
这种偏振器的工作原理如下：光的一种线性偏振成分，其相应的双折射层的异常折射率较大，由于在各向同性和各向异性层二者之间的边界的折射率的不同，明显从多层光学偏振器反射出来。随着相应的层的厚度和折射率的选择，在从层的边界反射出来的波长之间的光程差包含整数波长，即具有最大干涉。在这种情况下，对应于各向异性层的异常(大)的折射率的光的线性偏振成分明显增加。
各向异性层的寻常(小)折射率选择接近于各向同性层的折射率，因此，对应于寻常(小)折射率的入射光的其它线性偏振成分，透过多层光学偏振器没有反射。
因此，当非偏振光入射到已知的偏振器上时，光的一种线性偏振成分反射，同时光的其它线性偏振成分通过，实际没有损失(本质上，偏振器起光束分离器的作用)。
多层偏振器也可以含有另外的二向色性偏振器(具有弱吸收比)，其轴平行于反射型偏振器的轴。当这种组合偏振器“以透射方式”工作时，二向色性偏振器的作用基本上是消除外部光的反射。
由于在透明聚合物材料中各向异性(在正常和异常折射率之间的差别)的程度低，已知的多层偏振器的一个缺点是使用大量交替层的必要性。通常在正常和异常折射率之间的差别值不超过0.2。因此，层边界的反射系数小，并且为得到高反射系数通常一个需要100-600层，其沉积提出了困难的技术挑战并且需要特殊的精密仪器。
已知的偏振器[WO 99/31535]，包括至少一个各向异性吸收层，至少一种随波长增加的折射率。为增加光偏振的效率，建议使用多层偏振器，其中对层的厚度和它们的折射率进行选择以便为至少一种光的线性偏振成分提供干涉极值。这就是所谓的“干涉型”偏振器。至少一种各向异性层的折射率的反常色散允许在宽光谱范围内有效地使光偏振。作为各向异性层的材料，建议使用相应的二向色染料，其混合物和带有各种改性添加剂的染料。这些材料的各向异性程度明显高于拉伸聚合物薄膜。但是，技术发展的现代水平，特别是显示器，需要得到具有高度各向异性和完整结构的涂层。
专利[RU 2155978]披露了偏振器，其包括二向色有机材料的膜，其分子或其分子片段具有平面结构并且至少膜的一部分具有晶体结构。特别是，这种膜可以由各种染料及其混合物制得。这些膜的晶体结构允许得到高度的各向异性并且光学特性的均匀性。
然而，实验表明这种薄膜是吸湿性的并且需要额外保护或对其进行处理以改善其化学性质。为此目的，特别是，将成品薄膜用2x和3x价金属的离子进行处理。
已知薄膜的光学特性取决于有序参数，其在这种情况下是平均特性，不计算晶体结构相对于基片的光轴的特殊情况，其反过来，是给得到具有给定光学性能的“薄膜基片”结构的可能性强加的限制条件。
其它文献也披露了具有光学各向异性层的其它多层结构，它具有其它(不仅限于偏振光)功能性作用。例如，干涉-偏振(IFP)滤光片，其操作原理是基于偏振光线的干涉[Gvozdeva et al.Fisichaskaya optika，M.Mashinostroenie，1991]。这些滤光片的特性是能够排除没有任何本底噪声的极窄的光谱范围(可达10-2纳米(nm))。通常制造IFP的分离层，人们使用各种晶体的薄片，例如结晶石英或冰洲晶石。
发明简述
本发明目的在于制造多层光学各向异性结构，其包括至少一个具有高度各向异性和完整结构的层，同时折射率和所有层的厚度及其结合起来，根据已知规律，根据结构的目的进行选择，以便为至少一种光的偏振提供干涉极值。这种多层光学各向异性结构的目的不仅仅限于作为“常规偏振器”的功能。
通过沉积具有高和低折射率且具有必要光学厚度(通常等于或可被λ/4整除)的交替介电膜，还包括至少一层光学各向异性层，在基片的表面上，人们可以得到如下用于至少一种光的线性偏振成分的主要干涉涂层：
增透(减反射)-降低窄或宽光谱范围的反射；
镜面-增加入射光的反射可达80-95％以及更高；
干涉滤光片-从辐射的连续光谱排除各种宽度的光谱范围；等等。[Gvozdeva et al.Fisichaskaya optika，M.Mashinostroenie，1991]。
这里披露的发明的技术效果是，由于在结构中的至少一层的高度各向异性的可重复性，根据多层光学各向异性结构的功能性用途，增加入射辐射的转换的有效性。各向异性层的材料，从宽光谱的有机化合物及其混合物中选择，其形成稳定的溶致液晶相，允许得到具有一定的、预定比率的虚部和实部的椭圆的轴的折射率的主值的晶体层。本发明的技术效果还在于，由于可以选择分离层具有的所需光学特性并控制其厚度的材料，同时增强了这一结构的耐久性和寿命，同时保持或减少了其厚度，优化了多层结构，简化了其设计和获得的方法，以及增强了制造能力和至少一部分制造过程的生态安全性。
在所提及的具有所述比率的虚部和实部的椭圆的轴的折射率的主值的层的结构中，当使用两种或多种各向异性晶体层时，除简单最终结果外，还有额外效果，起因于所述层的晶格的组合，其可增强入射辐射的转换的有效性的角分布。
所披露结构的必要成分，它决定其性能的各向异性，即光学各向异性，至少部分结晶为层状。制造这种层的材料的最初选择，取决于在共扼芳香环中展开的共扼π键体系的存在，以及分子中基团如胺、酚、cetonic等的存在，位于分子的平面内而且是键的芳香体系的一部分。分子自身或其片段具有平面构造。例如，这可以是有机材料如阴丹酮(瓮蓝4)、二苯并咪唑1，4，5，8-萘四羧酸(瓮红14)、二苯并咪唑3，4，9，10-苝四羧酸、喹吖啶酮(颜料紫19)及其它，它们的衍生物及其形成稳定的溶致液晶相的混合物。
当这种有机化合物溶解在适当溶剂中时，形成胶体体系(液晶溶液)，这里分子聚集成超分子复合物，它代表体系的运动单元。液晶(LC)作为体系的初步有序化状态出现，从此状态经过超分子复合物的调整过程，接着除去溶剂，制造出各向异性晶体膜(或另一叫法为薄膜晶体)。
从具有超分子复合物的胶体体系得到薄各向异性晶体膜的方法包括以下步骤：
-将这种胶体体系沉积到基片(或器皿、或多层结构的一层)上；胶体体系还应该具有触变作用，为此目的胶体体系应该在一定温度下并且具有一定的分散相浓度；
-通过任何种类的外部影响使沉积的或沉积中的胶体体系转变成增加流动性的状态，提供低粘度体系(这可是加热、剪切形变等等)；外部影响可以在整个连续的调整过程期间持续或进行适当的时间以使体系在调整时间的期间内没有足够的时间松弛成较高粘度状态；
-对体系的外部取向影响，其可用机械操作，也可用任何其它方法；该影响的程度应该足够，以便胶体体系的运动单元得到必要的取向并且形成结构，这将是未来形成的层的晶格的基础。
-形成层的取向范围从具有低粘度，通过开始的外部影响得到的状态转变成具有原始或甚至更高粘度的体系的状态；其通过这样的方式操作，形成的层没有乱取向的结构产生并且在其表面不会有缺陷出现；
-结束操作是干燥(除去溶剂)，在此步骤中层的晶体结构形成。
在得到的层中，分子的平面彼此垂直，并且至少在层的一部分，分子形成三维晶体。通过优化这种制造方法，人们可得到单晶体层。晶体中的光轴将会垂直于分子平面。这种层将具有高度各向异性并且至少在一个方向具有高折射率。
所述层的光学各向异性被描绘成椭圆的虚部和实部的折射率，相应地，它说明吸收和折射系数的角度相关性(折射率各向异性的虚部和实部)。下述关系应同时包括根据本发明的光学各向异性层的折射率的虚部和实部的成分：
K1≥K2＞K3，
(n1+n2)/2＞n3。
各向异性折射率的实部和虚部成分，以及椭圆的轴的方向可以通过现有的椭圆对称或分光光度学方法确定。
通过规定一定的在基片表面上的偏振膜的分子角度分布，提供必要的吸收和折射系数的各向异性，以及主轴的取向，即多层结构的各向异性晶体层的光学性能是可能的。
还有可能，混合胶体体系(在此情况下混合的超分子复合物会在溶液中形成)以得到具有中间光学特性的层。从胶体溶液混合物得到的层的吸收和折射可呈现在由原始成分决定的限制范围内的各种值。由于从不同有机化合物的分子参数之一的同时存在，混合不同胶体体系并形成混合超分子复合物是可能的。在干燥期间从湿层进一步形成三维晶体非常容易发生。
对涂层厚度进行控制是通过控制在沉积溶液中的固体物质的含量完成的。在形成这种层中技术参数将是溶液浓度，它在制造期间控制方便。
层的结晶程度可用X射线照相或用光学方法控制。
多层结构中其它层可以从各种材料形成-有机或无机，具有一定折射参数：Al2O3(折射率n＝1.59)、SiO2(1.46)、TiO2(2.2-2.6)、MgF2(1.38)及其它。所述层在不同基片上得到，其利用材料的热蒸发，同时其连续沉淀在基片的表面上；从溶液中化学沉淀；基片材料与所选材料的阴极分散或化学反应。除此之外，这些层在结构中可完成额外功能，例如保护、抛光、粘合等等。
使用的所述有机材料是至少两种染料的混合物，其分子或分子片段具有一个等于3.4±0.2A的尺寸。
本发明的多层光学涂层，其中包括的光学各向异性层还有导电材料层、和/或至少一个相切换层、和/或至少一个调整层、和/或至少一个液晶层、和/或至少一个镜面反射层或漫反射层。
根据本发明的多层光学涂层，其中在所述结构中任何所述层的厚度不超过10μm。
根据本发明的多层光学涂层，其中所述各向异性层在所述结构中邻接两个其它层或它邻接一个层和基片。
根据本发明的多层光学涂层，其中在所述层的透明度范围内，所述各向异性层的至少一个折射率要大于2.2。
根据本发明的多层光学涂层，其用于一偏振器或一亮度控制涂层、或一干涉-偏振滤光片、或一光束分离器、或一偏振光反射镜。
根据本发明的多层光学涂层，其中对于所述折射率的相应的虚部和实部的椭球的轴的主值具有下述关系式：K3＜0.2*K1。
附图简要描述
当结合附图解释时，从下述详细描述中将更清楚地理解本发明，其中：
图1和2示意性地表示光学各向异性层的晶体结构中分子的光学跃迁的偶极矩的不同方向的一些可能性以及相应的层的折射率的虚部和实部的椭圆。
图3表示根据所披露发明的多层结构，其披露于具体实施例中。
图4和5表示包含在多层结构中的层的折射率的虚部和实部的光谱相关性。
图6表示用于两个不同偏振方向的来自多层结构的光的反射光谱。
发明详述
在披露的多层结构中的一个重要因素，由于其所能达到的技术效果，是至少一层光学各向异性层，它至少部分结晶。所述层的光学各向异性是通过折射率的虚部和实部的椭圆来进行描述。这里折射率的虚部和实部的椭圆的主轴是同方向的，但通常相对于与基片(或在多层结构中的前述层)有关的坐标系XYZ是指向任意方向的(图1)。在坐标系XYZ中，Z轴通常指向基片1，同时X轴指向外部取向作用2的方向。Y轴指向垂直于XZ平面。X轴的方向不必与椭球的短轴(n3，k3)的方向重合。通常，短轴，是指向垂直于分子平面或分子的平面片段的方向。那么，主轴(n1，k1)，是指向分子的光学跃迁的偶极矩的主要取向方向。在层的多晶结构的情况下，对于该层不同区域(不同域)，椭球的轴(n1，k1)、(n2，k2)、和(n3，k3)的方向可能不同。
吸收系数k3沿着轴(n3，k3)具有最小值；而对于用来作为偏振器的多层结构，优选其是接近于零。轴(n1，k1)与下述方向重合，沿着此方向吸收系数k1是最大值。此外，应该指出降低k1将会导致k2增加，因为这涉及光学跃迁的偶极矩的重新取向，其伴随着在平面(n1，k1-n2，k2)中分子的某些乱取向。
通过强加给在基片的表面上的偏振膜中的分子一定的角分布，提供必要的吸收和折射系数以及主轴的取向的各向异性，是可能的。如果分布作用相对于偏振器的沉积的方向是对称的并指向基片(图2)，吸收系数的椭圆的轴(n1，k1)和(n3，k3)将与这些方向，即轴X和Z重合，同时第三轴将会指向垂直于它们的方向(Y轴)。那么，最小吸收的轴就是X轴，同时Y轴-最大吸收。在不对称角分布的情况下，轴的方向可以不与提及的方向重合。因此，通过选择各向异性层的制造方法，人们可以得到具有各种光学性能的晶体层。
本发明提供了制造多层光学结构的方法，其作用是在显示器中同时作为反射型偏振器和彩色边缘滤色片。多层结构包括三层(图3)：第一层，沿着入射光方向，是光学各向异性晶体层(TCF-R)3；第二层是-SiO24；而第三层是类似于第一层的光学各向异性层5；组件(assembly)被玻璃板6从两侧封装。光学各向异性层3和5，由二苯并咪唑萘四羧酸的顺式和反式异构体的混合物的7.5％水溶液(LLC)形成。相应地，图4和5表示各向异性层3的折射率的虚部和实部的光谱相关性。
多层结构(图3)用下述途径得到。最初，具有60纳米厚度的各向异性层5TCF-R，在玻璃基片6上，通过LLC的沉积、其调整并连续除去溶剂形成。然后，厚度为100纳米的SiO2(n＝1.51)的层4沉积，并且另一个厚度为60纳米的各向异性层3TCF-R沉积以使第一和第二各向异性层的光轴的方向重合。在顶部，光学各向异性多层结构用其它玻璃板6覆盖。
图6表示入射辐射的偏振具有两个不同方向的上述结构的光的反射光谱(分别是Rper和Rpar)。
这里描述的光学各向异性结构是一种有效的绿光反射型偏振器(波长范围530-590纳米)，它在光谱的长波范围内具有清晰边缘。此外，在长波范围(λ＞600纳米)内的低反射系数是由于在光谱的该范围内，在结构的不同层中折射率之间的差别减少，同时在短波范围(λ＜500纳米)内，它是由于在各向异性层中吸收带的存在。除此之外，这一结构在入射角度明显偏离正常情况时仍起到其功能性作用。
上述例子是具体实施例的特殊情况，并且不限制所有实施本发明权利权要求中披露的发明特征的可能性。
因此，通过使用技术简单并且生态上安全的方法，能够制造具有光学各向异性层的多层结构，该光学各向异性层表现出高各向异性程度、高折射率(就光学轴的至少一个方向而言)性能，并具有选择所需光学特性的可能性。制得的层表现为具有光滑表面的致密薄膜，不需要任何额外处理。
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Claims (15)

1.多层光学涂层，包括多个层，将其在光谱的至少一个范围内的折射率、其厚度及其组合进行选择，以便为在所述光谱范围内以及在所述多层光学涂层的至少一个侧面上的至少一种光的偏振提供一干涉极值，
其中至少一层是光学各向异性的并且用至少一种有机材料制成，其分子或分子片段具有平面构造且其中至少所述层的一部分具有晶体结构，同时对于在具有线性尺寸不小于至少一个吸收带的最大波长的区域上的至少一个层的材料的吸收带的范围内各向异性层的折射率的虚部和实部的椭球的主轴，满足下述关系：
K1≥K2＞K3，
(n1+n2)/2＞n3，
其中，相应地K1、K2、K3和n1、n2、n3分别是所述层的折射率的虚部和实部的椭球的轴的主值。
2.根据权利要求1所述的多层光学涂层，其中对于所述折射率的相应的虚部和实部的椭球的轴的主值具有下述关系式：
K3＜0.2*K1。
3.根据权利要求2所述的多层光学涂层，其中对应于所述各向异性层的折射率的虚部和实部的椭球的轴的主值的最大值和/或最小值的方向在与基片或所述涂层中的至少一个层的平面平行的平面中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层光学涂层，其中所述各向异性层是由一种或多种有机材料的多个超分子复合物形成。
5.根据权利要求4所述的多层光学涂层，其中使用的所述有机材料是至少两种染料的混合物，其分子或分子片段具有一个等于3.4±0.2A的尺寸。
6.根据权利要求5所述的多层光学涂层，其中包括的光学各向异性层还有至少一个偏振层、和/或至少一个导电材料层、和/或至少一个相切换层、和/或至少一个调整层、和/或至少一个保护层、和/或至少一个镜面反射层或漫反射层、和/或至少一个同时起到至少两种所述层的组合功能的层。
7.根据权利要求6所述的多层光学涂层，其中在所述涂层中任何所述层的厚度不超过10μm。
8.根据权利要求7所述的多层光学涂层，其中所述各向异性层在所述涂层中邻接两个其它层或它邻接一个层和基片。
9.根据权利要求8所述的多层光学涂层，其中在所述层的透明度范围内，所述各向异性层的至少一个折射率要大于2.2。
10.根据权利要求9所述的多层光学涂层，其用于一偏振器或一亮度控制涂层、或一干涉-偏振滤光片、或一光束分离器、或一偏振光反射镜。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的多层光学涂层，其中它还包括至少一个偏振层、和/或至少一个导电材料层、和/或至少一个相切换层、和/或至少一个调整层、和/或至少一个保护层、和/或至少一个液晶层、和/或至少一个镜面反射层或漫反射层、和/或至少一个同时起到至少两种所述层的组合功能的层。
12.根据权利要求11所述的多层光学涂层，其中在所述涂层中任何所述层的厚度不超过10μm。
13.根据权利要求12所述的多层光学涂层，其中所述各向异性层在所述涂层中邻接两个其它层或它邻接一个层和基片。
14.根据权利要求13所述的多层光学涂层，其中在所述层的透明度范围内，所述各向异性层的至少一个折射率要大于2.2。
15.根据权利要求14所述的多层光学涂层，其用于一偏振器或一亮度控制涂层、或一干涉-偏振滤光片、或一光束分离器、或一偏振光反射镜。
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