CN101040201A - 包含各向异性衍射层的波导 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层的边光板状波导。本发明涉及一种新的适用在本发明的波导上的倾斜各向异性全息层、制造所述层的方法以及包含本发明的波导的装置。

Description

包含各向异性衍射层的波导
本发明涉及一种新的波导，所述波导适用于例如液晶显示器(LCD)。此外，本发明涉及一种新的适用在波导上的层、制造所述波导和所述层的方法以及包含本发明的波导的装置。
LCD使用消耗大量能量的照明系统。需要提高这些照明系统的能量效率。例如，对于具有LCD的便携式设备，照明系统的效率极大地影响设备的电池寿命和/或显示器的亮度。
对于LCD，已知存在两种不同类型的照明系统：背光系统和前光系统。
透射式和/或半透射反射式显示器通常使用背光系统。其中，来自光源的光在波导中耦合并向观察者发射(最常见地，将基于点模式或表面起伏结构散射扩散器用于耦合输出)。然后，此光线穿过不同的光学层(例如偏振器、滤色器)、补偿层和光电电池。在典型的半透射反射式显示器中，使用半透明镜(半透射反射器)，其反射环境光并透射来自背光的光。在明亮的环境光中关闭照明系统，并用环境光实现显示器的可视化。在暗环境中，打开背光系统来照亮显示器。半透射反射式显示器的光效率高于透射式显示器的光效率。然而，由于例如不同光学层(偏振器、滤色器)的光吸收特性，这些常规LCD的光效率仍然较低。
前光系统通常结合到反射式LCD中。在反射式LCD中，由于全反射镜(反射器)的存在，环境光被十分有效地利用以照亮显示器。这使得对环境光的运用更高效并且提高亮度和/或电池寿命。但是，目前的前光系统装备有使LCD图像失真的光耦出结构。此外，这样的前光系统向LCD发射未偏振的光(白光)，因此仍需要吸收偏振器和滤色器，而这导致光效率降低。
对已知构造的主要挑战是改善对光的运用以减少LCD的功率消耗，并同时产生优异的与例如图像质量相关的显示特性。节省能量的一种选择是用更具光效率的相应部件取代偏振器和可选的吸收式滤色器中的一个。
Jagt等的US 6,750,996公开了使用全息层作为可替代的耦出系统。该方法公开了在透明材料中在波导顶部形成倾斜透射体积全息图，从而产生单向、偏振且分色的发射(图1)。
此外，倾斜相位栅在直接观察下(几乎)是不可见的，并且光可以直接对准观察者。换言之，可以省略(额外的)光耦出结构，从而改善显示器的视觉效果。
如果全息图是以所谓的波导模式记录，其中全息装置的激光束之一的传播方向垂直于感光全息层，而另一束的传播方向位于感光层平面并与第一束干涉，则在这些全息图中可以获得较大的倾斜角度，并且可以得到较大的偏振对比度(图2b)。偏振对比度定义为分别由P与S偏振耦合出来的并在膜的法向附近测量的光强度之比。图2b还示出，偏振对比度在偏离法向的角度上迅速下降，这是这些全息图的严重局限性。
以波导模式记录也具有一些实际缺陷。因此，还研究了以透射模式记录并具有高偏振对比度的倾斜全息图。
US 6,750,996还公开了，在透射模式中，优选用UV激光辐射(例如351nm)记录光栅，以使记录以非常简单且标准的透射全息几何进行(图3)。然而，此装置的操作以及线偏振光的产生关键依赖于乘积(nhigh-nlow)(d/λ)，其中nhigh和nlow分别为倾斜全息图中高和低折射率区间的折射率值，d为全息图层厚度，为λ操作波长。如果此乘积足够大，则透射全息图可被“过调制”，以使一个线性偏振的衍射较强，而正交偏振的衍射接近于零。此方法的缺点是难以找到高质量的具有足够高的折射率差(nhigh-nlow)的全息材料来满足使用薄层的需要。例如，使用或多或少的常规的全息记录材料导致偏振对比度不佳，因为乘积(nhigh-nlow)(d/λ)太低。而且，已公开的全息图的偏振对比度还固有地依赖于用于照亮显示器的光的波长(颜色)。例如，如果用白光来照亮显示器，则对于蓝光、绿光和红光将得到不同的偏振对比度。
本发明的一个目的是提供一种可获得高偏振对比度的可替代方案，所述方案具有更高的能量效率。
令人惊讶地，此目的通过边光板状(edge-lit slab)波导实现，所述波导装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层。
已发现，这样的层可以得到较高的偏振对比度，通常至少等于或高于3，优选至少等于或高于5。合适的偏振对比度依赖于波导的应用。在便携式电话中，约15-20的偏振对比度通常是足够的，而对于TV应用则需要至少200。已发现，与清除(clean-up)(偏振)滤光器结合，本发明的波导可轻松达到至少200的偏振对比度而不明显损失光强度。此外，已发现，当使用各向异性全息层时，该层的性质较少地依赖于所用层的厚度，从而能够使用薄层，这是本发明的波导的另一个优点。
一个附加优点是可以获得独立于波长(颜色)的偏振对比度。
另一个附加优点是这样的全息层可以以透射模式记录。本领域的技术人员知道如何使用全息技术以及光刻技术来制备这样的层，即采用高分辨率的阻光掩膜用于曝光，而不是利用干涉或利用相掩膜。因此，在本文中使用全息技术之处，也可以采用光刻技术。
倾斜的各向异性全息层可直接涂覆在波导上或涂覆在合适的基材(例如膜)上。波导可以具有许多形式。它可以包括波导基材，所述基材上层压作为一个独立层的体积全息图，或者该体积全息图可以与基材形成整体。体积全息图可以位于基材面向或背向显示器的一侧，或甚至嵌入波导基材内部。波导可以包括两个或多个彼此分离的全息图，其中每个均层压在波导基材上或与波导基材形成整体。波导可以在波导基材的相对侧提供或彼此堆叠在顶部。波导可以具有单一的进入侧面或多于一个的进入侧面。如果侧面超过一个，则设置体积全息图以衍射通过任意进入面耦合进来的波导光。如果只有一个进入侧面，则波导可以具有楔行，以将耦合出的光平均分布在整个表面区域上。
合适的基材材料包括玻璃和透明陶瓷。但是优选地，基材由热固性或热塑性聚合物制成。合适的聚合物可以是(半)晶态的或非晶态的。例子包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PES(聚醚砜)，以及交联的丙烯酸酯、环氧化物、氨基甲酸酯和硅酮橡胶。然后在随后的处理步骤中将此基材与波导结合。如果波导是多个光学上不同的元件、层等的组件，并且在第一元件的边界面与第二元件的边界面相遇处形成界面，则可能需要使用粘结层来连接该第一和第二元件的边界面。这使波导具有机械完整性和/或避免产生假反射和由例如界面处形成的空间捕集的空气所导致的光学非均匀性。这样的粘结层的例子以及使用这种粘结层适合的条件和环境对于本领域的技术员是已知的。因此，当在本文中提及装配两个独立的光学元件以形成界面时，应当理解该界面也可以包括这样的粘结层。
本发明将术语“波导”定义为仅包括打算作为照明装置的装置，其中光从边缘耦合进入(边光)并在板状波导的相(侧)上耦合出来。
合适的波导材料通常对波导发射的光是透明的。合适的波导材料包括玻璃和透明陶瓷。但是优选地，波导由热固性或热塑性透明聚合物制成。合适的聚合物可为(半)晶态或非晶态的热固性或热塑性聚合物。例子包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PES(聚醚砜)，以及交联的丙烯酸酯、环氧化物、氨基甲酸酯和硅酮橡胶。
在本发明的另一种实施方式中，本发明的波导可以在不同角度耦合出不同波长的线偏振光。这允许使用合适的在空间上分离的成红-绿-蓝(RGB)像素的微透镜阵列，来取代滤色器或提高产生颜色的效率，从而使波导的能量效率更高。
在本发明的另一种实施方式中，波导能够将未耦合出的光循环。本领域的技术人员可以通过例如US 6,750,996中的方法做到这点。此实施方式将具有甚至更高的光效率，因为最初并不具有正确偏振方向的光被调制成另外的(期望的)偏振方向，然后可以被耦合出来(偏振调制)。或者，最初并不具有正确波长(颜色)的光可被重新定向到另一个像素，然后可以被耦合出来(颜色调制)。也可以在一种实施方式中将偏振调制与颜色调制相结合。
在本发明的另一种实施方式中，波导装有基于至少一种反应性单体和至少一种液晶元的倾斜各向异性全息层，其中所述液晶元在聚合之后呈对齐状态。所述单体可以是单一化合物或化合物的混合物。所述液晶元可以是单一化合物或化合物的混合物。优选地，液晶元含有至少一种反应性液晶元，其为包含至少一个反应性基团的化合物。
在本发明的另一种实施方式中，边光板状波导装有耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层，其中所述层通过至少一种反应性单体与液晶元的聚合获得，并且其中所述液晶元呈对齐状态。优选地，反应性单体至少包含多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯化合物。优选地，液晶元包含至少一种具有可聚合基团的化合物。更优选地，液晶元包含至少一种具有可阳离子聚合基团的化合物。甚至更优选地，液晶元包含至少一种具有环氧基、氧杂环丁烷基或乙烯醚基的化合物。
能够耦合出线偏振光的这样的层是新的，而且也是本发明的主题。US6,750,996公开了一种各向同性层，并且从Boiko等(Optics Letters，2002，第27卷，第19期，第1717-1719页)可知一种倾斜各向异性全息光栅。然而后者只适用于光的透射，而不适用于耦合出偏振光。此外，并没有提及将这样的层用于边光板状波导。令人惊讶地发现，基于至少一种反应性单体和至少一种液晶元的倾斜各向异性全息层(其中所述液晶元在聚合之后呈对齐状态)能够耦合出线偏振光。它可以例如用于边光板状波导，以提高光效率，进而降低能量消耗。
术语“反应性单体”包括可以自发聚合或与合适的(聚合)引发剂一起聚合或在合适的辐射下聚合的任何化合物。通常优选自由基引发剂或阳离子引发剂。优选地，单体是包含以下各类反应性基团的分子：乙烯基、丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基、环氧基、氧杂环丁烷基、乙烯醚基、硫醇-烯基或羟基。
反应性单体的每个分子可以具有一个或多个反应性基团。反应性基团可以相同或不同。在一种优选实施方式中，使用至少一种具有多于一个反应性基团的多官能单体。这带来的优点是在聚合之后形成聚合物网络。这有益于所述层的材料性质(例如抗划性、模量、断裂伸度、Izod冲击强度和柔性)。具有多于一个反应性基团的反应性单体的存在还提高了聚合速度，从而缩短了记录全息图的时间。
每个分子具有至少两个反应性基团的反应性单体的例子包括：含(甲基)丙烯酰基的单体，例如三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇(甲基)丙烯酸酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、四甘醇二(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、1，4-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯、新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯、聚丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、丙三醇三(甲基)丙烯酸酯、磷酸单(甲基)丙烯酸酯和磷酸二(甲基)丙烯酸酯、C7-C20烷基二(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三乙氧基(甲基)丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸酯三(甲基)丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸酯二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯、二季戊四醇一羟基五丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、三环癸烷二基二甲基二(甲基)丙烯酸酯和前述单体的烷氧基化形式，优选前述任何单体的乙氧基化物和/或丙氧基化物，以及作为双酚A的环氧乙烷或者环氧丙烷加合物的二醇的二(甲基)丙烯酸酯、作为氢化双酚A的环氧乙烷或者环氧丙烷加合物的二醇的二(甲基)丙烯酸酯、作为二缩水甘油醚双酚A的(甲基)丙烯酸酯加合物的环氧(甲基)丙烯酸酯、聚氧烷基化双酚A的二丙烯酸酯和三乙二醇二乙烯醚，羟乙基丙烯酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和羟乙基丙烯酸酯的加合物(HIH)，羟乙基丙烯酸酯、甲苯二异氰酸酯和羟乙基丙烯酸酯的加合物(HTH)和酰胺酯丙烯酸酯。
每个分子只具有一个反应性基团的合适单体的例子包括：含乙烯基的单体，例如N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基己内酰胺、乙烯基咪唑、乙烯基吡啶；(甲基)丙烯酸异冰片基酯、(甲基)丙烯酸冰片基酯、(甲基)丙烯酸三环癸基酯、(甲基)丙烯酸二环戊酯、(甲基)丙烯酸二环戊烯基酯、(甲基)丙烯酸环己基酯、(甲基)丙烯酸苄基酯、(甲基)丙烯酸4-丁基环己基酯、丙烯酰吗啉、(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸2-羟乙基酯、(甲基)丙烯酸2-羟丙基酯、(甲基)丙烯酸2-羟丁基酯、(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丙酯、(甲基)丙烯酸异丙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸戊酯、(甲基)丙烯酸异丁酯、(甲基)丙烯酸叔丁酯、(甲基)丙烯酸戊酯、己内酯丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸异戊酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸庚酯、(甲基)丙烯酸辛酯、(甲基)丙烯酸异辛酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己基酯、(甲基)丙烯酸壬酯、(甲基)丙烯酸癸酯、(甲基)丙烯酸异癸酯、(甲基)丙烯酸十三烷基酯、(甲基)丙烯酸十一烷基酯、(甲基)丙烯酸十二烷基酯、(甲基)丙烯酸十八烷基酯、(甲基)丙烯酸异十八烷基酯、(甲基)丙烯酸四氢呋喃基酯、(甲基)丙烯酸丁氧基乙基酯、乙氧基二乙二醇(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸苄酯、(甲基)丙烯酸苯氧基乙基酯、聚乙二醇单(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇单(甲基)丙烯酸酯、甲氧基乙二醇(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸乙氧基乙基酯、甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、甲氧基聚丙二醇(甲基)丙烯酸酯、双丙酮(甲基)丙烯酰胺、β-羧基乙基(甲基)丙烯酸酯、酞酸(甲基)丙烯酸酯、异丁氧基甲基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二甲基(甲基)丙烯酰胺、叔辛基(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸二甲氨基乙基酯、(甲基)丙烯酸二乙氨基乙基酯、(甲基)丙烯酸丁基氨基甲酰乙基酯、n-异丙基(甲基)丙烯酰胺氟化(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸7-氨基-3，7-二甲基辛基酯、N，N-二乙基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二甲氨基丙基(甲基)丙烯酰胺、羟丁基乙烯醚、十二烷基乙烯醚、十六烷基乙烯醚、2-乙基己基乙烯醚。还包括由下式(I)表示的化合物
CH2＝C(R6)-COO(R7O)m-R8                   (I)
其中R6是氢原子或甲基；R7是含2-8个、优选2-5个碳原子的亚烃基；m是0-12、优选1-8的整数；R8是氢原子或含1-12个、优选1-9个碳原子的烷基；或者，R8是四氢呋喃基，它包含4-20个碳原子的烷基，可选地被1-2个碳原子的一个或多个烷基取代；或者R8是二氧杂环己烷基，它包含4-20个碳原子的烷基，可选地被甲基取代；或者R8是芳基，可选地被C1-C12、优选被C8-C9烷基取代，和烷氧基化的脂族单官能单体，例如乙氧基化(甲基)丙烯酸异癸基酯、乙氧基化(甲基)丙烯酸十二烷基酯等。
低聚物也适合用作反应性单体。这样的低聚物的例子是芳族或脂族的氨基甲酸酯丙烯酸酯或者基于酚醛树脂的低聚物(例如双酚环氧二丙烯酸酯)，以及通过乙氧基化物扩链的任意上述低聚物。氨基甲酸酯低聚物例如可以基于多醇主链，例如聚醚多醇、聚酯多醇、聚碳酸酯多醇、聚己内酯多醇、丙烯酸多醇等。这些多醇可以单独使用或者两种或更多种结合使用。对于这些多醇中结构单元的聚合方式没有特定的限制。任意一种无规聚合、嵌段聚合或者接枝聚合均可接受。WO 00/18696公开了用于形成氨基甲酸酯低聚物的多醇、多异氰酸酯和含羟基的(甲基)丙烯酸酯的合适例子，并通过引用将其内容结合于此。
其它可以用作反应性单体的化合物是可湿固化的异氰酸酯、烷氧基/酰氧基硅烷、烷氧基钛酸酯、烷氧基锆酸盐或尿素-、尿素/蜜胺-、蜜胺-甲醛或苯酚-甲醛(甲阶酚醛树脂resol、线型酚醛清漆novolac)的可湿固化混合物，或可自由基固化(过氧化-或光引发)的烯键式不饱和单官能和多官能单体和聚合物，例如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酯/乙烯醚，或者可自由基固化(过氧化-或光引发)的不饱和混合物，例如在苯乙烯和/或甲基丙烯酸酯中的顺丁烯二酸或反丁烯二酸聚酯。
还可以使用上述物质的组合。这些化合物组合在一起可以导致交联相的形成，因而适于结合用作反应性单体的组合是例如羧酸和/或羧酸酐与环氧化物的组合，酸与羟基化合物、特别是2-羟烷基酰胺的组合，胺与异氰酸酯、例如封端异氰酸酯、脲二酮(uretdion)或者碳二亚胺的组合，环氧化物与胺或者与双氰胺的组合，肼酰胺(hydrazinamide)与异氰酸酯的组合，羟基化合物与异氰酸酯、例如封端异氰酸酯、脲二酮或者碳二亚胺的组合，羟基化合物与酸酐的组合，羟基化合物与(醚化)羟甲基酰胺(“氨基树脂”)的组合，硫醇与异氰酸酯的组合，硫醇与丙烯酸酯或其它乙烯类(可选自由基引发的)的组合，乙酰乙酸酯与丙烯酸酯的组合。当使用阳离子交联时，环氧化合物与环氧或羟基化合物的组合是合适的。
在一种优选实施方式中，反应性单体包含具有丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯官能团的化合物。这样的反应性单体的例子是高度反应性的(甲基)丙烯酸酯或可购得的用于制备聚合物分散液晶(PDLC)的混合物。这样的优选混合物的例子是单-和三丙烯酸酯的混合物，例如Merck的PN393。
采用术语“液晶”或“液晶元”来表示包含一个或更多个(半)刚性棒形、香蕉形、板形或盘形液晶元基团(即，能够呈现出液晶相行为的基团)的材料或化合物。具有棒形或板形基团的液晶化合物在本领域中也被称为“棒状”液晶。具有盘形基团的液晶化合物在本领域中也被称为“盘状”液晶。在下文中，除非另有说明，术语“液晶”或“液晶元”可互换使用。包含液晶基团的化合物或材料无需本身具有液晶相。它们还可以仅在与层中所用的其它化合物形成混合物时，或在聚合之后进入特定的层而存在于本发明的波导上时才呈现出液晶相行为。
液晶元可以是反应性液晶元或非反应性液晶元。合适的非反应性液晶元的例子是可从Merck获得的那些，例如其产品册中描述的LicristalLiquid Crystal Mixtures for Electro-Optic Displays(May 2002)(通过引用其中关于非反应性液晶元的内容而将其结合在本文中)。在PDLC中，优选例如可以使用卤化液晶元，例如TL205(Merck，Darmstadt)或氰基联苯，例如E7(Merck，Darmstadt)。还可以使用非反应性液晶元的混合物。
合适的反应性液晶元的例子是那些包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、环氧、氧杂环丁烷、乙烯醚、苯乙烯、羟基和硫醇-烯(thiol-ene)基团的液晶元。合适的例子例如描述在WO 04/025337(通过引用其中关于反应性液晶元的内容而将其结合在本文中)中，在WO 04/025337中被称为可聚合液晶化合物和可聚合液晶材料。
以下给出了特别适合的一元-和二元反应性可聚合液晶化合物的例子，但是这些例子仅为示例性，用于说明本发明而无意于限制本发明。
Figure A20058003536900141
Figure A20058003536900151
在以上各式中，P为可聚合基团，优选丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基、乙烯氧基、丙烯醚基、环氧基或苯乙烯基；x和y各自独立地为1-12；A为被L1可选地单、二或三取代的1，4-亚苯基或1，4-亚环己基；v为0或1；Z0为-COO-、-OCO-、-CH2CH2-、-C≡C-或单键；Y为极性基；R0为非极性烷基或烷氧基；L1和L2各自独立地为H、F、Cl、CN或具有1-7个碳原子的可选卤化的烷基、烷氧基、烷羰基、烷氧羰基或烷氧羰基氧基。
术语“极性基”在这里是指选自F、Cl、CN、NO2、OH、OCH3、OCN、SCN的基团、具有至多4个碳原子的可选氟化的羰基或羧基、或具有1-4个碳原子的单氟化或多氟化的烷基或烷氧基。术语“非极性基”是指具有1个或更多个、优选1-12个碳原子的烷基或具有2个或更多个、优选2-12个碳原子的烷氧基。
可聚合液晶材料的聚合可例如通过将其暴露于热或光化辐射来实现。光化辐射是指用光(例如UV光、IR光或可见光)辐射、用X射线或γ射线辐射或用高能粒子(例如离子或电子)辐射。优选地，聚合通过UV辐射进行。还可以使用反应性液晶元的混合物(Merck Reactive Mesogens，Brighter Clearer Communication，2004)。优选地，反应性液晶元包含至少具有可阳离子聚合基团的化合物。
也可以使用反应性液晶元和非反应性液晶元的混合物。如果使用混合物，则优选基本上全部液晶元在最终层中呈对齐状态。优选的是，超过80％的液晶元在最终层中呈对齐状态。
单体与液晶元的合适组合的例子是PN393和TL205(均得自Merck，Darmstadt)。
在本发明的一种优选实施方式中，液晶元的常规折射率(no，m)与聚合物的各向同性折射率(niso，p)之间的差异小于0.01，甚至更优选小于0.005。最优选地，在耦合出偏振光的状态中，no，m与niso，p匹配。
在本发明的另一种优选实施方式中，液晶元的非常规折射率(ne，m)与聚合物的各向同性折射率(niso，p)之间的差异小于0.01，甚至更优选小于0.005。最优选地，在耦合出偏振光的状态中，ne，m与niso，p匹配。
在本发明的一种实施方式中，所述层基于至少一种反应性单体和至少一种反应性液晶元。在现有技术中，这样的层是未知的。包含至少一种反应性液晶元的优点是提高了所述层的机械稳定性。
在本发明的另一种实施方式中，所述层基于至少一种反应性单体和至少一种非反应性液晶元，其中所述非反应性液晶元的取向可以用外部场切换。液晶元取向的切换可以通过不同的方式实现，例如利用电场、磁场和/或光。如果使用光，则优选添加光色添加剂。包含本发明的层的波导可以例如装有用于电寻址的层(有源或无源矩阵)。在此具体实施方式中，有时优选使用包含非反应性和反应性液晶元的液晶元混合物来增强响应时间。这对于某些应用(例如膝上型电脑、台式电脑和电视)来说是重要的。
当使用至少一种非反应性液晶元(仅为非反应性或与反应性液晶元的组合)时，包含本发明的层的波导是可切换的。优选地，所述波导可在耦合出光的状态(亮态)与未耦合出光的状态(暗态)之间切换。在一种优选实施方式中，在耦合出光的状态(亮态)与未耦合出光的状态(暗态)之间得到高的强度对比度(在接近法线的角度测量的、分别在亮态和暗态时被显示器透出的光强度之比)，并且其中所述亮态的偏振对比度至少为3，优选至少5。通常，强度对比度高是指对比度至少为5，更优选至少20，甚至更优选至少100。
本发明的可切换波导可以例如用于可切换背光和前光系统，从而额外提高能量效率。当波导被制成使用图案化电极来局部耦合出光时，它可以用于例如动态背光，以减少运动伪影和提高动态对比度。为了减少基于所谓的取样保持(sample-and-hold)问题的动态伪影(其与液晶显示器中信息刷新方式相关)，需要带状电极图案，并且光耦出设置在整个屏幕上以类似于液晶显示器的刷新速率(即例如50、80或100Hz)扫描。虽然光仅在局部被耦合出来，但仍可生成明亮图像，这是因为(1)来自耦合进波导的灯系统(例如冷阴极荧光灯或发光二极管)的全部光以高强度局部耦合出来，而不是以低强度在整个区域上分布，并且因为(2)光已被偏振化，较少的光在显示器的偏振过滤器中损失。波导的扫描频率使得观察者将其感受为在时间上连续的光源。这样的动态显示器的另一个优点是背光或前光的亮度在整个表面区域上相等，并且不需要额外的装置将光均匀分布，例如使用散射特征的梯度或楔形波导。显示器的动态对比度可以通过应用电极矩阵来提高，所述电极矩阵具有位于光栅结构之下或之上的正交电极条带。例如为了加亮显示器代表明亮区域(太阳、天空等)的部分，并且使图像较暗的部分变暗，可通过多路化使光栅形成光被局部耦合出来的条件。当然，可以将通过扫描改善运动伪影与改善动态对比度相结合。
通过反应性单体与液晶元的聚合，可以制成倾斜各向异性全息层。
反应性单体聚合之后，发生相分离并形成包含聚合物富集相和液晶元富集相的多相系统。令人惊讶地，此相分离可使液晶元对齐。并不排除这些相包含从一相进入到另一相的突起，有时甚至将另一相与相邻的相似相桥联，例如聚合物的突起穿过液晶元富集相。突起可以具有纤维状、条状或带状的几何形状。相片1示出了这种几何形状的一个例子的SEM照片。
此外，本发明涉及通过聚合制备本发明的倾斜各向异性全息层的新方法。合适的聚合方法的例子是热聚合、电子束聚合、电磁辐射(UV、可见光和近红外)聚合和光聚合。光聚合可由可见光或UV光引发。优选地，使用UV光来记录全息图，因为它可以以透射模式记录并耦合出可见光波长区域的光(参见Jagt等，US 6,750,996)。UV聚合可通过自由基机理、阳离子机理或其结合发生。如果是光聚合，则优选在反应混合物中存在合适的光引发剂。
任何已知的光引发剂可用于本发明的方法。可以通过使用相同或不同的聚合方法使反应性单体与可选的反应性液晶元聚合来制备所述层。
如果存在反应性液晶元，则优选使用不同的聚合方法、机理或不同的反应性端基。这样做的优点是可以实现更好的相分离，原因是可能会在不同的时间点聚合不同的化合物。
优选地，本发明的方法包括制备包含至少一种反应性单体和至少一种反应性液晶元的混合物的步骤，其中所述反应性单体使用一种聚合方法聚合，而所述液晶元使用另一种聚合方法聚合。更优选地，至少一种聚合是光聚合。
反应性单体可以在反应性液晶元聚合之前或之后聚合。优选地，反应性单体在反应性液晶元聚合之前聚合。以此方式，可以使反应性液晶元对齐，同时建立更坚固的光栅结构。
在本发明的一种实施方式中，使用UV或可见光使反应性单体反应，同时以不同方式(例如热聚合)使反应性液晶元聚合。在第二种实施方式中，使用两种不同的UV聚合机理(分别为自由基聚合和阳离子聚合)。例如，首先使用(快)自由基引发剂聚合(甲基)丙烯酸酯基反应性单体，然后使用阳离子(慢)UV引发剂通过泛射(均匀)曝光聚合环氧基反应性液晶元。
在本发明的一种优选实施方式中，使用光引发剂引发单体的聚合，之后使用UV光在不需要额外的耦合元件的配置中记录全息图。
在本发明的另一种实施方式中，使用UV或可见光使反应性液晶元反应，同时以不同方式聚合反应性单体。
制备倾斜各向异性全息层的优选方法包括步骤：
a)提供至少一种反应性单体与反应性液晶元的混合物；
b)制备所述混合物的层；
c)施加UV辐射以至少部分地将所述反应性单体聚合成倾斜透射光栅；
d)施加后续的热或UV曝光以进一步聚合所述反应性液晶元和(可选的)残余的未反应单体。
优选地，步骤c中的UV辐射使用分成两束透射模式结构的激光来施加。优选地，反应性单体至少包含多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯化合物。优选地，反应性液晶元至少包含具有可阳离子聚合基团的化合物。优选地，通过将所述混合物填入具有一个或多个规定厚度的隔板的小盒中，制备所述混合物的层。
由本发明的方法获得的各向异性层也是本发明的一部分，因为该层具有与由现有技术的已知方法得到各向异性层不同的性质。
本发明还涉及包含本发明的波导的前光系统、背光系统、显示器和光学装置。
本发明的波导不必使用独立的偏振器，从而简化了显示器的设计，并且由于较高的效率而节省了电功率。或者，波导上的层可用于提高显示器的亮度，而采用的功率量与传统显示器所用相同。在特定的设备中，通过结合本发明的波导与清除偏振器，甚至可以增大对比率。
下面通过非限制性的具体实施方式和对比实验来描述本发明。
对比实验A
在间隔150μm的2片玻璃基材之间涂布49.5wt％甲基丙烯酸环己酯、49.5wt％聚苯乙烯(Mw＝45000g/mol)和1wt％UV引发剂(1-羟基环己基苯基甲酮)的混合物。如Jagt所述使用波导模式的记录以UV束(角度为18.4和32.8度，以生成从CCFL以接近直角耦合出波导光的全息膜)使该基材曝光。使用CCD-分光计(Autronic，CCD-spect-2)测量耦合出的光的亮度。图2a表明亮度在两个偏振方向上均为角度的函数，图2b示出了所述膜的偏振对比度。偏振对比度在接近法向方向上具有80的最大值，并在偏离法向的角度上迅速下降。
对比实验B
在间隔50μm的2片玻璃基材之间涂布49.5wt％甲基丙烯酸环己酯、49.5wt％聚苯乙烯(Mw＝45000g/mol)和1wt％UV引发剂(1-羟基环己基苯基甲酮)的混合物。将该基材曝光于采用2光束透射模式记录结构的Ar离子激光(每束25mW/cm2)的351nm线(图3)。以371.2nm的栅距和43度的倾斜角记录光栅。用CCD-分光计(Autronic，CCD-spect-2)测量耦出光的亮度。得到的偏振角亮度分布(图4)表明，两种偏振方向的衍射效率没有明显差异。高强度区的最高偏振对比度为1.25。偏振对比度低是因为层厚度与光栅的折射率差(nhigh-nlow)不匹配。
实施例1
分别以40/50/10的重量百分比制备PN393预聚物(丙烯酸2-乙基己基酯单体和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂，使用UV感光光引发剂，得自Merck)、TL205向列型液晶(来自Merck的具有长度为2-5个碳原子的脂族尾部的卤化二或三苯基的混合物，在589nm、20℃下，(no，ne)＝(1.527，1.745))和另外的交联剂三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(Aldrich)的混合物。
用该混合物填充具有7μm隔板的小盒，并将其曝光于采用角度为+71.5和+13.4度的2光束透射模式记录结构的Ar离子激光(每束25mW/cm2)的351nm线。随后均匀曝光于365nm 30分钟，以完成残余丙烯酸酯的聚合。以此方式，以d＝7μm的膜厚记录周期Λ≈450nm且倾斜角φG＝23°的倾斜透射光栅。用CCD-分光计(Autronic，CCD-spect-2)测量从CCFL耦合出的光的亮度。在接近法向角度得到红光(611nm)、绿光(546nm)和蓝光(436nm)的偏振对比度分别为13、12和8(图5a)。与对比实验A中所述的膜相比，在宽波长范围内获得高偏振对比度。图5b表明，发射的光具有极高的单向性，这在特别是前光应用中是主要的优点。图5c表明，角度稍有不同，发出的光的颜色也不同。可利用这个现象来提高滤色器的效率(参见Jagt等，US 6,750,996)。
实施例2
分别以40/50/10的重量百分比制备PN393预聚物(丙烯酸2-乙基己基酯单体和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂，使用UV感光光引发剂，得自Merck)、液晶型二环氧化物4-[(2，3-环氧丙烯基)氧]苯甲酸4-[(2，3-环氧-丙烯基)氧]苯基酯与1wt％的阳离子二芳基碘鎓盐以及另外的交联剂三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(Aldrich)的混合物。
将该混合物填充具有18μm隔板的小盒，并将其曝光于采用角度为+42.5和-42.5度的2光束透射模式记录结构的Ar离子激光(每束25mW/cm2)的351nm线。随后均匀曝光于365nm 60分钟，以完成残余丙烯酸酯的聚合，并聚合液晶型二环氧化物。以此方式，形成具有周期Λ≈450nm的倾斜光栅的完全聚合膜。得到高折射率调制(～0.005)的固体膜，其显示出反应性单体(丙烯酸酯)与反应性液晶元(液晶型二环氧化物)的相分离。聚合物光栅可从玻璃基材剥离，获得完全聚合的柔性膜。此外，所述膜在546nm下的偏振对比度为7。
图1
根据Jagt等(US 6,750,996)装有全息图的背光和前光的操作；未偏振的光从边缘耦合进波导板，使用光栅膜在垂直于背光的方向作为偏振且分色的光发射。
图2
(a)对比实验A所述光栅的P和S偏振发射测量的角度分布。示出了由CCFL发射的光在红色(R)、黄色(Y)、绿色(G)和蓝色(B)中的颜色分离；
(b)对比实验A所述光栅测量的角度分布所得的偏振对比度与角度的关系。
图3
双光束的透射模式记录结构。示出了所得的光栅和光栅-向量(K)(垂直于光栅方向)。
图4
对比实验B所述光栅的P、S和未偏振的光的测量角度分布。
图5
(a)S和P偏振光在红光(611nm)、绿光(546nm)和蓝光(436nm)波长测量的角度分布，突出准直和角度分散；
(b)红光的前发射光和背发射光的角度分布；
(c)S和P偏振光在红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)波长的角度分布。

Claims (30)

1.装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层的边光板状波导。
2.如权利要求1的波导，其具有至少为3的偏振对比度。
3.如权利要求1或2的波导，其中不同波长(颜色)的光在不同的角度耦合出。
4.如权利要求3的波导，其在全部可见光波长都具有至少为3的偏振度。
5.如权利要求1-4中任何一项的波导，其中未耦合出的光可以循环。
6.基于可光聚合材料和至少一种液晶元的倾斜各向异性全息层，其中所述液晶元在聚合之后呈对齐状态。
7.如权利要求6的层，其中所述层基于至少一种反应性单体和至少一种非反应性液晶元，其中所述液晶元在所述单体聚合之后呈对齐状态。
8.如权利要求6的层，其中所述层基于至少一种反应性单体和至少一种反应性液晶元，其中所述液晶元在聚合之后呈对齐状态。
9.如权利要求6-8中任何一项的层，其中所述层包含至少一种反应性单体以及至少一种反应性液晶元与至少一种非反应性液晶元的混合物，其中所述液晶元在聚合之后呈对齐状态。
10.如权利要求1-5中任何一项的波导，其包含如权利要求6-9中任何一项的层。
11.装有可耦合出线偏振光的倾斜各向异性全息层的边光板状波导，其中所述层通过将至少一种反应性单体与液晶元的混合物聚合而得到，并且其中所述液晶元呈对齐状态。
12.如权利要求11的波导，其中所述液晶元包含至少一种具有可聚合基团的化合物。
13.如权利要求11或12的波导，其中所述反应性单体至少包含多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯化合物。
14.如权利要求11-13中任何一项的波导，其中所述液晶元包含至少一种具有可阳离子聚合基团的化合物。
15.如权利要求14的波导，其中所述液晶元包含至少一种具有环氧基、氧杂环丁烷基或乙烯醚基的化合物。
16.如权利要求1-5或10-15中任何一项的波导，其中在耦合出偏振光的状态中，所述液晶元的常规折射率(no，m)与所述聚合物的各相同性折射率(niso，p)之间的差异小于0.03；或者，在耦合出偏振光的状态中，所述液晶元的非常规折射率(ne，m)与所述聚合物的各相同性折射率(niso，p)之间的差异小于0.03。
17.如权利要求1-5或10-16中任何一项的波导，其包含至少一种非反应性液晶元，其中所述涂层或层可在耦合出光的状态(亮态)与未耦合出光的状态(暗态)之间切换。
18.制备倾斜各向异性全息层的方法，其基于使用不同的聚合方法聚合至少一种反应性单体和至少一种反应性液晶元。
19.如权利要求18的方法，其中所述单体的聚合是用光引发剂和UV光引发，并且其中所述全息图以透射模式记录。
20.可通过如权利要求18或19的方法获得的倾斜各向异性全息层。
21.包含如权利要求20的倾斜各向异性全息层的边光板状波导。
22.包含如权利要求1-5、10-16或21中任何一项的波导的前光系统。
23.包含如权利要求1-5、10-16或21中任何一项的波导的背光系统。
24.包含如权利要求1-5、10-16或21中任何一项的波导的显示器。
25.包含如权利要求1-5、10-16或21中任何一项的波导的光学装置。
26.制备倾斜各向异性全息层的方法，包括步骤：
a)提供至少一种反应性单体与反应性液晶元的混合物；
b)制备所述混合物的层；
c)施加UV辐射以至少部分地将所述反应性单体聚合成倾斜透射光栅；
d)施加后续的热或UV曝光以进一步聚合所述反应性液晶元和(可选的)残余的未反应单体。
27.如权利要求26的方法，其中步骤c)中的所述UV辐射使用分成两束透射模式结构的激光束来施加。
28.如权利要求26或27的方法，其中所述反应性单体至少包含多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯化合物。
29.如权利要求26-28中任何一项的方法，其中所述反应性液晶元至少包含具有可阳离子聚合基团的化合物。
30.如权利要求26-29中任何一项的方法，其中所述混合物的层是通过将所述混合物填入具有一个或多个规定厚度的隔板的小盒中而制备的。
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