CN101133348B - 介晶膜中的偏振光栅 - Google Patents

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Abstract

一种包括偏振敏感光定向层(2)和布置在所述定向层(2)上的液晶组分(3)的偏振光栅。对应于全息偏振图案的定向图案记录到光定向层中，并且液晶组分排列在光定向层上。因为液晶组分的定向来源是记录到光定向层中的偏振全息图，所以可以用该方法获得基本上无缺陷的图案。

Description

介晶膜中的偏振光栅
技术领域
本发明涉及新颖的偏振光栅，以及这种新颖的偏振光栅的应用领域。
背景技术
常规的衍射光栅通过周期性地调制传播通过它们的光的相位或振幅，可能将入射光分裂成多个衍射级而工作。
自从1970年代，当关于偏振全息的更一般情形的最初出版在苏联刊物中出现时，就已经知道周期性地调制传播通过它们的光的偏振状态的偏振光栅。
人们很快认识到了，偏振光栅优于常规的衍射光栅的最引人注目的优点是控制衍射级的偏振状态同时使每个级中的效率依赖于入射光的偏振的可能性。简化实现偏振光栅的理论的最初成功用于使用全息学的光致变色氯化银(AgCl)玻璃。在该方法中，两个几乎正交偏振的相干激光束几乎平行传播地叠加，产生具有偏振状态的周期性调制的同时保持恒定强度的驻光波。因为线性偏振光通过韦盖特效应在材料中引起显著的光学各向异性(线性双折射)，所以偏振从线性改变成圆形然后改变回来的周期性图案被捕捉为偏振光栅。
当包含偶氮苯基元的有机材料显示出能够将这些偏振全息记录为相对强的双折射时，该全息方法最终产生实在的优点。在这些材料中，偶氮苯基团经历可逆的trans＝＞cis＝＞trans异构化过程以及相关的发色团的取向再分布。研究表明也可以使用多种含偶氮苯的聚合物以及色散。
在这些聚合物的许多中，在照射过程中也形成表面凹凸光栅。虽然表面产生过程的主要原因还没有很好地理解，但是几种理论已试图解释现有的现象学，并且人们同意表面凹凸似乎是质量扩散机制的结果。虽然它可能是有用的，但是该表面凹凸结构作为相位光栅而衍射，并且不导致传播通过它的光的偏振状态的调制。事实上，该表面凹凸光栅通常使偏振光栅的独特衍射性质退化，因为两者的性质叠加了。含偶氮苯的材料具有可见光的颜色，所以波长适用性的范围是有限的。另外，长期稳定性通常是有限的，尤其是当光栅暴露于处于材料的吸收带中的光或者受到在某些应用例如LCD制造中很普遍的高温热处理时。
其他材料也已经被研究作为可选的偏振全息材料，包括菌视紫红质、散布全息聚合物的液晶、以及吸入偶氮苯液晶分子的多孔玻璃系统。次波长金属条纹结构的光刻处理也已经表明通过引起空间上周期性的各向异性吸收成功地形成偏振光栅。在该方法中，衬底上的导电层被形成具有次波长间距的平行线的图案(产生线性偏振器)，其中这些线的取向确定偏振器的透射/吸收轴。该取向通过以大于波长的间距的光刻而周期性地变化，形成偏振光栅。
该类型的光栅在红外波长下工作，但是原理在可见波长下也有效(但是制造更困难，因为尺寸实质地更小)。虽然可以获得良好的光学质量，但是它是吸收光学元件(典型地，吸收50％的入射光)，并且制造过程需要例如用于半导体晶片的实质光刻处理(绝对无尘室环境、昂贵的遮光板、光刻胶显影、无机导电层的湿法化学刻蚀，等等)。
基于液晶的偏振光栅的一种当前制造方法由Eakins等人的“周期性排列的液晶中的零电压弗雷德里克兹转变”，Applied PhysicsLetters 85，no 10，pp 1671-1673，2004所描述，其使用全息曝光以光聚合偏振敏感定向层，并且在其上排列液晶组分。
但是，仍然需要一种易于制造的，温度稳定的，以及在实际应用中有用的新的高质量偏振光栅。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术的上述问题以及提供易于制造的并且表现出在可见/IR波长中的高衍射效率、透明度，中大可用面积，当暴露于中等温度和可见光时的稳定性，以及灵活的设计特征的偏振光栅。
发明者已经惊奇地发现，可以通过使用将偏振图案记录到光定向膜中并且在光定向膜上排列液晶组分的偏振全息来制造实现该目的的偏振光栅。
因此，在第一个方面中，本发明提供一种偏振光栅，其包括例如布置在衬底上的偏振敏感光定向层，以及布置在所述光定向层上的整体液晶组分。将对应于全息图的偏振图案的图案布置在(记录在)光定向层中，例如以化学键的各向异性图案的形式。将液晶组分布置在定向层上，结果与定向层相邻的液晶组分的局部介晶指向矢遵循各向异性图案，也就是介晶的指向矢从而局部光轴将遵循全息图的偏振图案。由于液晶材料的本质，与定向层的表面相邻的介晶的取向将传播通过液晶组分的厚度，以产生具有形成图案的高值各向异性和双折射的透明膜。
因为形成图案的双折射的起源是记录在光定向层中的偏振全息，所以用该方法可以获得基本上无缺陷的图案。形成图案的双折射的取向作为偏振光栅导致非常强的衍射。
在本发明的实施方案中，各向异性定向图案的定向方向沿着定向层的平面中的至少一条线是周期性的。
在本发明的实施方案中，定向方向呈现周期性变化，其在一个周期上对应于沿着庞加莱球上的圆形的偏振方向变化。
因为各向异性图案对应于具有恒定强度以及周期性变化的偏振廓线的全息图，所以该图案最方便映射到庞加莱球上。在本发明的研究过程中的令人惊奇的发现之一是对应于庞加莱球上的任一个圆的定向图案可以通过全息方法产生，这允许产生偏振光栅，其将光衍射成任何期望的一组正交偏振，包括线性的、圆形的以及/或者椭圆形的偏振。
在本发明的实施方案中，液晶组分可以包括可聚合的化合物，例如可聚合的介晶或可聚合的非介晶化合物。
在本发明的实施方案中，可聚合的液晶组分可以至少部分聚合，以从液晶组分形成固态膜。在本发明的实施方案中，偏振光栅可以包括由两个定向层夹置和定向的上述液晶组分。在其他实施方案中，偏振光栅可以包括布置在定向层上的第一液晶组分以及布置在第一液晶组分上并由其定向的第二液晶组分。另外，第三液晶组分可以布置在第二液晶组分上，等等。
在本发明的实施方案中，液晶组分可以包括另外的功能化合物，例如具有各向异性的形状和/或光谱性质的不同类型的染料和颗粒。这种化合物可以在组分中由介晶定向，从而将另外的例如光学的性质赋予偏振光栅。
在本发明的实施方案中，偏振光栅可以包括用于在所述液晶组分中建立电场和/或磁场的装置，例如电极。因为介晶的定向可以受这种场的影响，所以光学性质也可以受影响，提供可转变的光栅。
本发明也涉及具有高效透射的更宽波长间隔的宽带偏振光栅。这种宽带偏振光栅可以是常规偏振光栅的有吸引力的备选。
本发明也涉及包括本发明的偏振光栅作为光学开关的显示器件。该类型的开关可以在非偏振光上工作，避免偏振器的使用，从而允许非常高的总光学效率的可能性。
本发明也涉及基于偏振光栅的分光器，其中可以获得高衍射角而不需要小的光栅栅距。
本发明也涉及包括本发明的偏振光栅的新的偏振器。这种偏振器具有以显著高于50％的效率将非偏振光转变成偏振光的能力。
本发明也涉及包括偏振光栅的安全措施。
附图说明
现在将通过下面的参考附图的优选实施方案来进一步描述本发明，其中：
图1说明正交偏振的叠加光束的两种不同设置以及作为结果的偏振图案。图1a：左手和右手圆形偏振光束。图1b：垂直和水平线性偏振光束。
图2说明在二维尺度上螺旋式重复的各向异性偏振图案。
图3a示意地说明根据本发明的偏振光栅的实施方案。图3b是在交叉偏振器之间的图3a中所示的偏振光栅的照片。
图4示意地说明根据本发明的偏振光栅的另一个实施方案。
图5a示意地说明根据本发明的偏振光栅的另一个实施方案。图5b是在交叉偏振器之间的图5a中所示的偏振光栅的照片。
图6说明标准的偏振光栅和宽带偏振光栅的透射曲线。
图7a说明宽带偏振光栅的第一实施方案。
图7b说明宽带偏振光栅的第二实施方案。
图7c说明宽带偏振光栅的各向异性指向矢图案。
图8说明偏振光栅对外加电压的透射曲线。
图9分别说明对于红光(图9a)、绿光(图9b)和蓝光(图9c)而优化的偏振光栅的透射曲线。
图10说明包括发明的偏振光栅的显示器件。
图11说明包括偏振光栅的偏振器的实施方案。
图12说明包括偏振光栅的偏振器的另一个实施方案。
图13说明包括两个偏振光栅的分光器。
图14说明包括偏振光栅的安全装置的实施方案。
图15说明包括偏振光栅的安全装置的另一个实施方案。
图16显示偏振光栅的第一级衍射效率对电压。
具体实施方式
本发明的偏振光栅的一种实施方案在图3a中显示。该实施方案的偏振光栅包括其上布置偏振敏感光定向层2的衬底1。
在光定向层中，对应于偏振全息的各向异性图案被记录为构成光定向层的(参见例如图1a和1b)聚合物中的化学键的各向异性图案。
在光定向层2上，布置液晶组分3。布置成与光定向层的表面相邻的介晶将沿着光定向层中的各向异性图案自定向。
因此，布置成与光定向层2的表面相邻的液晶介晶的指向矢在偏振全息的每个位置中将定向在偏振的方向上。
由于液晶组分3的本质，所以形成图案的指向矢布局将传播通过组分，以形成具有形成图案的各向异性和双折射的透明膜，作为结果给出偏振光栅的光学性质。
在这里，术语“介晶(mesogen)”和“液晶”用来指示这样的材料或化合物，其包括一种或多种介晶基团，例如(半)刚棒形、香蕉形、板形或盘形介晶基团，即具有引起液晶相位行为的能力的基团。具有棒形或板形基团的液晶化合物在本领域中也称作“棒状”液晶。具有盘形基团的液晶化合物在本领域中也称作“盘状”液晶。包含介晶基团的化合物或材料本身不一定必须表现出液晶相。它们仅在与其他化合物的混合物中，或者当介晶化合物或材料或它们的混合物聚合时显现液晶相也是可能的。
如在这里所使用的，术语“液晶组分”指的是包含介晶并且表现出液晶相行为的组分。
其上布置光定向层2的衬底1可以是任何刚性的或柔性的衬底。合适衬底的例子包括但不限于玻璃、透明陶瓷、熔融硅、可以是热硬化性或热塑性的以及(半)晶体或非晶的透明聚合物例如PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PET(聚乙烯对苯二甲酸酯)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PET(聚乙烯对苯二甲酸酯)、PES(聚醚砜)，以及交联丙烯酸脂、环氧树脂、聚氨脂和硅树脂橡胶。
其他合适的衬底材料包括反射式衬底，例如金属衬底，例如银和铝等，以及半导体衬底，例如硅等。另外的衬底材料将对于本领域技术人员是显然的。
定向层2可以通过已知的方法，例如旋涂、刮刀涂、铸造等而布置在衬底1上，以在衬底上形成薄膜。
偏振敏感光定向层材料在本领域中是众所周知的并且包括例如线性光可聚合聚合物，例如在商业上可从Rolic、Vantico和Huntsman获得的那些，以及可从JSR和LG Cable获得的类似材料。
可选地，上述的含偶氮苯材料也可以用作定向层，因为这些既可以记录偏振图案也可以使介晶对准偏振图案。
为了在光定向层中获得各向异性的定向图案，可以在定向层上叠加两个或多个相干且正交的偏振激光束(线性、椭圆或圆形偏振)，导致光的偏振的空间上周期性变化。
关于这点的基本理论是已知的，例如Nikolova等人的OpticaActa 31，579(1984)。
两个正交的圆形偏振叠加光束的情况产生线性偏振的在一维空间上延伸的周期性“旋转”图案，其中每个周期中的偏振图案由围绕庞加莱球的赤道的大圆(其中S3＝0)表示(参见图1a)。
两个正交的线性偏振叠加光束的情况产生包含多种偏振的一维周期性空间图案，包括线性的、圆形的和椭圆的，其中每个周期中的偏振图案由围绕庞加莱球的大圆(其中S1＝0)表示，该大圆经过两极和表示这两个叠加光束的偏振的点(参见图1b)。
两个正交的椭圆偏振叠加光束的一般情况产生包含多种偏振的一维空间上的周期性图案，其一般地可以以这样的方式选择以对应于庞加莱球上的任意圆。当两个光束具有相同的强度时，那么全息映射到球上的“大圆”。当两个光束具有不等的强度时，全息映射到球上的任意圆。
当液晶组分布置在定向层上时，组分中的介晶将对准定向图案，形成光轴靠近定向层的双折射光栅，即与定向层相邻的介晶的指向矢遵循定向图案。指向矢图案以对于所使用的液晶组分特有的方式传播通过该层。例如，在胆甾型液晶组分中，指向矢图案将从定向层扭曲一定距离并且离定向层任意距离，指向矢图案仍然存在，但是以液晶组分的间距所定义的角度扭曲。
一般地，这种光栅的衍射性质是这样的，衍射级以与形成全息图的正交光束相同的偏振发生偏振。
该偏振图案的周期(Λ)由激光束的波长(λ)以及分开相干的叠加光束的角度
Figure B2006800066873D00081
根据以下公式确定：
Λ＝λ/(2*sin(φ/2))(I)
二维(2D)偏振图案，即其中偏振图案在平面的两个维度上都表现出周期性的空间旋转图案的，可以以几种不同方式形成，包括“一步”方法和“顺序”方法。在任一种情况中，该类型的光栅都是引人注意和有用的，因为衍射级根据形成全息图的光束而发生偏振(就好像上面所讨论的一维情况中一样)。
首先将讨论顺序形成，因为它是现有技术中最直观和知名的，然后是据我们所知在现有技术中没有的“一步”形成的说明。
在顺序方法中，一维(1D)光栅如上所述(通过使两个正交相干光束干涉)而形成，其后将衬底旋转选定的角度(例如，90°)。随后，(用相同的或不同的两个正交相干光束)执行第二曝光，其导致第二个1D光栅叠加到第一个上面。这可以根据期望重复多次(H.Ono等人的Opt.Exp.11，2379-2384(2003))。
该方法的一个优点在于产生1D偏振光栅的相同设置可以用来产生2D偏振光栅。但是，许多引人注意的2D偏振图案不能以该方法形成，并且在许多实例中，随后的记录使先前记录的质量退化。并且，在某些情况(R.C.Gauthier和A.Ivanov，Opt.Expr.12，990-1003(2004))中，旋转台需要非常严格的定位/旋转要求。
提供2D偏振光栅的可选方法是通过单步形成。通过选择传播和偏振参数叠加三个或更多相干激光束使得恒定或几乎恒定强度图案产生而执行这点。例如，三个叠加相干光束的干涉图案可以通过下面的公式来描述：
I(x，y)＝1+V12*cos(G12X*x+G12Y*y)(II)
+V23*cos(G23X*x+G23Y*y)
+V31*cos(G31X*x+G31Y*y)
其中常数G##X和G##Y与相干光束的传播矢量相关，并且其中常数V##由偏振和传播参数确定。关于2D强度光栅的该表达式的细节可以在M.J.Escuti和G.P.Crawford，Opt.Eng.43，1973-1987(2004)中找到。2D偏振光栅的条件在于I(x，y)是恒定的。这在函数的导数为零时发生：
DI(x，y)/dx＝DI(x，y)/dy＝0(III)
在该条件下，2D偏振图案产生。典型例子在图2中显示，其由下面的参数确定：入射角＝～35.3°，以及所有光束具有横磁(TM)偏振。
叠加光束引起光定向层中的聚合，并且光的偏振确定交联键的方向，从而将图案的偏振特征捕捉到各向异性化学结构的布局中。结构的该布局能够调准布置在其上的液晶混合物。
偏振图案的间距，即周期(Λ)可以是例如0.2～100μm(10～5000个周期每mm)，例如0.4～25μm(40～2500个周期每mm)。
一般地，任意波长的激光束可以用来将偏振图案记录到定向层中，并且波长(λ)优选地是157nm～1064nm。
从公式(I)中，显然地，分开相干叠加光束的入射角的角度依赖于期望间距(Λ)和波长(λ)。事实上，任意角度
Figure B2006800066873D00092
可以用来产生期望的间距。
液晶组分3布置在光定向层2上。适合于在本发明中使用的介晶的例子包括近晶相的、向列相的、手性向列相的以及铁电的介晶。
介晶可以是反应性介晶或非反应性介晶。
合适的非反应性介晶的例子包括例如可从Merck获得的介晶，例如在它们的产品折叠册电光显示器的
Figure B2006800066873D00093
液晶混合物(2002年5月)中所描述的，其内容在此引用作为关于非反应性介晶的参考。例子包括例如卤代介晶如TL205(Merck，Darmstadt)，或者氰基联苯如E7(Merck，Darmstadt)。另外，可以使用两种或更多非反应性介晶的混合物。
合适的反应性介晶例子包括例如包含丙烯酸脂、甲基丙烯酸盐、环氧树脂、乙氧烷、乙烯基乙醚、苯乙烯以及硫醇-烯基团的介晶。合适的例子例如在WO04/025337中描述，其内容在此引用作为关于反应性介晶的参考，在WO04/025337中称作可聚合的介晶化合物和可聚合的液晶材料。例子包括C3M、RMM34(Merck)。另外，可以使用两种或更多反应性介晶的混合物(Merck反应性介晶，更明亮更清楚的传递)。
另外，可以使用反应性和非反应性介晶的混合物。
在混合物的情况中，所有使用的介晶优选地在最终层中处于对准状态。
此外，液晶组分也可以包括合适的表面活性剂，以减小介晶-空气界面处或组分和定向层之间的表面能量。
液晶组分还可以包括吸收的、荧光的电致发光染料，以及具有各向异性形状和/或光谱性质的纳米/微米颗粒，以向偏振光栅添加额外的功能。特别地，液晶组分可以包括这种染料，它们是二色性的以及与液晶组分中的取向对准的。
当具有各向异性吸收系数的二色性染料分子例如G205(参见下面)添加到液晶混合物时，它们的定向将遵循指向矢图案。
Figure B2006800066873D00101
在微观水平上，二色性染料用作线性偏振器，有效地通过一个线性偏振而同时吸收另一个。在宏观水平上，在偏振光栅中(例如，由正交圆形偏振光束形成的光栅)，二色性染料分子遵循螺旋式向列相指向矢配置。作为结果的膜是由F.Gori(见前)提出和在理论上分析的斯托克斯参数传感器的实施方案，至少在染料的强各向异性吸收的带宽中。因此，本发明也涉及包含本发明的偏振光栅的斯托克斯参数传感器。
从也是二色性的并且遵循向列相指向矢的纳米/微米颗粒中预期到几乎相同的光效应。例如，碳纳米管可以添加到液晶混合物代替吸收性染料。在该情况中，作为结果的斯托克斯参数传感器将具有更宽得多的探测带宽，因为纳米管具有更宽得多的吸收带(有效地从UV～IR波长)。添加荧光分子到液晶混合物允许更多的功能性，也就是发出激光的功能性。
但是，由于液晶的本质，液晶偏振光栅是温度敏感的。在高于液晶组分的澄清温度的温度下，扰乱了取向和位置顺序，并且组分变成失去偏振性质的各向同性相。
因此，由于这个以及其他原因，期望获得具有上述液晶偏振光栅的偏振性质的固态膜。
为了形成固态膜偏振光栅，液晶组分还可以包括可聚合的化合物，其可以聚合以锁定介晶的取向。可聚合的化合物可以由可聚合的介晶构成，但也可以是分散的、可聚合的非介晶化合物。
包含反应性介晶的液晶组分也可以包含聚合引发剂，例如自由基引发剂或阳离子剂，它们可以是光敏感的或热敏感的，也就是引发剂分别由光和热激活。可以使用一种或多种聚合引发剂的混合物。
几种不同的这种聚合引发剂是本领域技术人员已知的，并且引发剂的选择将依赖于可聚合化合物的选择。
因此，在本发明的某些实施方案中，液晶组分例如通过光或通过热聚合或至少部分聚合，以形成固态膜。
在图4中所示的本发明的第二实施方案中，光栅包括具有两个衬底1，11的单元，衬底装配有其中记录了各向异性定向图案的偏振敏感光定向层2，12。光定向层夹置并调准液晶组分3以形成偏振光栅。
为了产生这种组件，两个偏振敏感光定向层2，12分别提供在各个衬底1，11上。使用标准的LCD技术，两个定向层彼此平行地布置，任选地具有隔离器以控制单元间隙，以及以至少一个填充孔的胶密封。衬底被布置，使得定向层彼此面对。
通过将两个层同时暴露到相同的偏振全息，其中底部定向层通过顶部定向层暴露，将偏振全息记录到两个定向层2，12中。
为了避免会干扰全息图案的偏振全息在单元内部的反射，单元可以在该步骤中有利地填充上各向同性组分，例如液体，例如有机溶剂，如环己烷，或者各向同性的液晶组分，它们具有与定向层的折射率匹配的折射率。
在记录偏振全息之后，从单元中去除例如蒸发各向同性组分，并且单元填充上液晶组分，其对准定向层的各向异性图案。
另外，在发明的该实施方案中，液晶组分可以随后至少部分地聚合。
液晶材料固有的一个限制在于远离定向层的介晶倾向于比接近定向层的介晶受定向层的影响更小。这种定向损失的程度依赖于许多事情，例如定向层的特性如图案和化学组分，以及依赖于液晶组分的特性如弹性常数和粘性。由于这点，当使用单个定向膜时，一般地难以产生具有小的间距同时维持高质量偏振图案的相对厚的全息光栅。
在我们的实验中，我们已经发现对于该类型的应用布置在定向层上的单个液晶层的最大厚度由下面的近似经验规则公式确定：
dmax≤Λ/2(IV)
其中d是层的厚度，并且Λ是光栅的间距。虽然这不是精确的公式，但是它说明光学质量不显著退化时涂敷在单个衬底上的单个层的厚度的近似限制。在几种实施方案的设计中，超过该限制以便达到特点的光学效果是必须。
克服该限制的本发明的另一个实施方案在图5a中说明，并且包括几个液晶组分。第一液晶组分3布置在位于衬底1上的定向膜2上并且由位于衬底1上的定向膜2中的定向图案调准(如上所述)，并且然后至少部分聚合。在该第一组分3上，布置第二液晶组分13。第二组分13现在将由第一液晶组分3调准。发明者已经令人惊讶地将该原理应用到多于20层，导致高的光学质量。
这样，没有介晶位于远离其定向层，并且这允许通过许多相对薄的层制造具有相对小的间距的相对厚的偏振光栅，甚至其中dtotal＞Λ/2。
上述实施方案只是说明性的，并且对于本领域技术人员将是显然的，即这些实施方案的几种变型和修改可能处于附加权利要求书的范围内。例如，可以提供装置如电极，以便在液晶组分中建立电场和/或磁场。除非它们由于聚合被锁定在原位，否则介晶使它们自己指向施加到组分上的电场或磁场。这允许可切换的偏振光栅，其光学性质可以通过场的施加来控制。例如，在如上所述的发明的两衬底光栅中，一对形成图案的电极可以布置在衬底中或衬底上。
此外，本发明的两个或更多偏振光栅可以布置在相互的顶部。
本发明的偏振光栅的一个示例应用涉及宽带偏振光栅。
宽带偏振光栅是在宽的波长范围上具有高的衍射效率的光栅。它的另一个名称是“消色差偏振光栅”，因为光学元件的性能对于波长变化较不敏感。为了理解这点，应当注意由两个正交圆形偏振光束(图1a)形成的基本偏振光栅的衍射效率如下(表达式主要来自已知文献，但是其中S3/S0相关性由本发明者确定)：
Eff(0thorder)＝cos2(Γ/2)(IVa)
Eff(±1storder)＝(1/2)*sin2(Γ/2)*[1±S3/S0](IVb)
Eff(all·other·orders)＝0(IVc)
其中相位延迟是Γ＝2πΔnL/λ，并且入射光束的椭圆率由其其正规化的斯托克斯参数S3/S0来描述。
当相位延迟是半波时，或者换句话说，当Γ＝π±2πp其中p是整数时，第一级的衍射效率是最高的。虽然对于具体波长这可能容易匹配，但是相位延迟具有关于波长的反比关系。此外，已经显示液晶层本身的双折射Δn依赖于波长(称作色散)。例如，反应性介晶混合物RMS03-001(Merck)具有测量为以下的双折射(λ以nm为单位)：
Δn(λ)＝0.12+(110/λ)2(V)
使用该材料的层形成的标准偏振光栅将表现出如图6中所示的衍射效率(标准PG)。在该图中以及贯穿下面的关于宽带偏振光栅的讨论，对于微红-橙色圆形偏振入射光(λ＝0.6μm)优化所有的延迟和衍射。在该图中标准偏振光栅对于±20nm的范围或者40nm的带宽具有高衍射(＞99.5％)。
但是，通常期望增加高衍射效率的该带宽。
在一种方法中，两个偏振光栅可以组合以实现宽带效果。
从普通光学中知道可以以这样一种的方式布置两个单轴各向异性板，以产生用来代替一个板的宽带延迟板，以便加宽工作带宽(例如，S.Pancharatnam，Proc.Indian Acad.Of Sci.A 41，130(1955))。一个这样的例子是使用上面的具有双折射Δn(λ)的RMS03-001例子材料而形成的两个半波板。当布置成在它们的光轴之间具有45度的角度时(例如，相对于某个任意轴，第一个位于22.5°且第二个位于66.5°)，它们在比如果仅使用一个时更宽的范围上表现出半波延迟。
将该想法应用于偏振光栅，我们需要对于λ＝0.6μm处的最高衍射优化的两个相同的偏振光栅(在该例子中用RMS03-001形成)。当它们层积在一起并偏移，使得在局部向列相指向矢之间存在45度的差时，高衍射效率产生。结果在图6中显示(宽带PG)。作为结果的偏振光栅对于510nm～750nm或者240nm的带宽具有高衍射(＞99.5％)。相对于单层偏振光栅的6倍的这种提高将允许这种宽带光栅用于更多应用。
本发明的宽带偏振光栅的第一实施方案在图7a中显示。例如具有相应的例如基本相同的向列相定向图案的两个单独的单层偏振光栅71，72平行排列并层积在一起，但是处于Λ/4的偏移(给出叠加的向列相指向矢之间的45°角)，其中Λ是对于两个偏振光栅共同的光栅周期。这导致图7c中所示的叠加的平面内向列相指向矢廓线。
本发明的宽带偏振光栅的第二实施方案在图7b中显示。第一介晶组分73排列在其中记录了期望的各向异性偏振图案的定向层上。该第一层然后聚合，并且在其上，布置具有紧密间距的表现出～45°扭曲的第二薄的手性介晶组分74(例如LC756，BASF)，并且介晶组分74由下面的第一介晶组分73调准。另外，该第二薄的手性介晶组分74然后聚合。在手性介晶层74上面，例如与第一介晶组分73中所使用的相同材料的第三介晶组分75布置在第二手性介晶组分74上并且由其调准，然后该第三介晶层75也聚合。这产生单个衬底，形成了完全聚合的光栅，其中由于手性层中的扭曲，与第一介晶层的向列相指向矢廓线比较，第三介晶组分的向列相指向矢廓线偏移45°角(图7c)。
在本发明的宽带偏振光栅中两个偏振光栅之间的偏移值优选地是45°(或Λ/4)，因为有用的波长范围的最大加宽在45°处获得。但是，范围加宽效果在高于或低于45°的偏移处例如在30°～60°也能看到。
本发明的偏振光栅的另一个示例应用是作为例如用于LCD显示器如直视型显示器和投影显示器中的光学开关。
该类型的光学开关涉及图4中所示的上面讨论的实施方案的本发明的非聚合偏振光栅，以及在介晶层上施加电场以便影响介晶层的向列相指向矢的倾斜的装置。
为了理解这种光学开关，识别所使用的液晶偏振光栅的基本切换性质是重要的。考虑对于λ＝0.610μm处的3/2波长延迟优化的具有重复的螺旋式向列相指向矢图案的可切换偏振光栅，这意味着第0级透射大约为0，并且所有的光(偏振的或非偏振的)衍射到两个第一级(±1)中。使用先前描述的方程(IV a-c)，对于各个液晶E7(Merck，Δn～0.2217@0.610μm)，该情况的0V透射谱在图8中显示，其中需要L＝2.06μm的厚度以在610nm处实现3/2波长延迟。
当电压V＞0施加到该介晶层时，局部延迟减小，也就是Δn(V)＊L＜Δn(0V)＊L。
结果，透射光谱改变，如图8中所示，并且允许跨越整个可见范围在电学上控制零和全透射波长。这与电压的施加只是减小衍射效率而不改变透射谱的廓线的涉及光栅的大部分LCD设计形成对比。
现在将描述该效果的一个应用，并且在图9a-c中显示。对于任意的某个波长，在这里通过颜色蓝色(436nm)，绿色(546nm)和红色(610nm)来示例，可以选择电压V，使得零级透射最大化并且第一级衍射最小化(导通值)，或者零级透射最小化并且第一级衍射最大化(关闭值)。
对于每种颜色，导通状态允许理想地通过100％的非偏振光，而关闭状态允许理想地通过～0％的光。应当注意，对于这些计算，0V＜V1＜V2＜V3＜V4＜V5，并且{V1，V2，V3，V4，V5}是导致延迟值{0.86，0.66，0.58，0.57，0.38}＊Δn(0V)＊L的电压。
因此，通过适当地选择电压，可以确定通过光栅的光将在垂直的方向(第0级透射最大化)还是在第一衍射级的方向(第±1级透射最大化)上出射。
该电光效应可以例如用于LCD显示器中。
LCD元件的第一实施方案在图10中显示，并且包括一个偏振光栅，该偏振光栅包括夹置在一对光定向层102，112之间并由它们调准的非聚合介晶层103，每个光定向层布置在衬底101，111上，并且每个定向层具有对应于其中所记录的偏振全息的各向异性图案。此外，布置形成了多个可独立访问畴105，106的图案的电极对104，114，以允许在介晶层上的电场的针对畴的施加。
也提供滤色器107，在进入介晶层之前，对于每个可独立访问畴将入射光分离成分离的颜色(例如，红、绿或蓝)。
所有畴(R，G，B)可以具有相同的偏振光栅图案和相同的厚度。
通过对于每个这种畴适当地选择每个畴105，106上的电压，可以控制在什么方向上通过该畴的光将射出光栅。
通过提供用于阻止以垂直轴之外的角度射出的光的装置，基本上仅第0级透射光对于用户是可见的。
本发明的一种实施方案是直视型透射显示器，其包括作为光源的标准背光以及如上所述的可切换偏振光栅。为了阻止以垂直轴之外的角度射出光栅的光到达用户，显示装置也可以包括“隐匿膜”，例如在自动提款银行机(ATM)上通常使用的那些，其有效地阻止具有大于近似15°的入射角的光。
本发明的另一种实施方案是投影仪显示器(例如数据投影仪)，其包括光源、如上所述的可切换偏振光栅，以及投影透镜系统。为了阻止以垂直轴之外的角度射出光栅的光到达透镜系统，将透镜系统布置在离偏振光栅某个距离，使得仅第0级透射，而第1级衍射光不会击中透镜系统的入口。
与例如常规的液晶显示器件相比，基于该类型的可切换偏振光栅的显示器件的一个优点在于它们可以直接在非偏振光上工作。这导致显著增加的光效率，因为不需要额外的偏振器。
基于实验数据，我们预计常规的LCD驱动电压(1V-3V)将大大足以供这种显示器件工作，并且当使用常规的向列相介晶组分时，切换时间(导通+关闭时间)可以低至10ms。任选地，可以使用铁电或其他液晶。
本发明的偏振光栅的又一种示例应用是偏振器，其可以接收非偏振光并且至少对于窄带波长以高于50％的效率将它转变成偏振光。
偏振器的一种实施方案在图11中显示，并且包括具有用两个正交圆形叠加光束记录的周期性光轴图案的第一偏振光栅121，其用来将入射的非偏振光衍射成每个具有大约50％效率的两个正交圆形偏振光束。
第一光束经过透明媒介，直到它碰到具有与第一偏振光栅相比的反向列相指向矢图案的第二偏振光栅122。第二光束在定向反射面，例如其法线垂直于光栅的法线的平面镜123上反射。一旦反射，第二光束将其方向和偏振分别改变成第一光束的方向和偏振。在反射之后，第二光束也碰到第二偏振光栅。
两个光栅121，122之间的距离依赖于两个光束的衍射角，但是，其优选地足够大，使得仅一个光束从第一光栅碰到第二光栅而不在镜子中反射。此外，优选地第二光栅足够大，以收集由第一光栅衍射的所有光束。
现在具有相同方向和偏振的两个光束由第二偏振光栅衍射成圆形偏振光，并且通过垂直轴射出第二光栅。光通量是不变的，但是光束面积扩大了。但是，这可以使用透镜系统聚焦回来。使用四分之一板，射出第二光栅的准直圆形偏振光可以以高效率转换成线性偏振光。
偏振器的另一种实施方案在图12中显示。具有线性偏振的螺旋光轴图案的偏振光栅125用来将非偏振光入射成每个具有大约50％效率的两个正交圆形偏振光束。
高倾斜的单轴双折射层126(倾斜延迟器)布置在两个光束的路径上，以转变一个光束的偏振手性，使得两个光束在通过倾斜延迟器之后具有相同偏振，但是处于发散的方向。
然后，这两个光束的每个通过棱镜127发散回到偏振光栅的垂直方向上，形成具有扩大的光束面积的圆形偏振光束的准直光束。并且在该实施方案中，透镜系统可以用来收集和聚焦射出偏振器的光束。
用于发散光束的棱镜可以包含在一片对称棱镜中，如图12中所示的。
本发明的偏振光栅的又一种示例应用涉及分束器，并且特别地涉及这样的分束器，其包括多于一个偏振光栅的组件以获得高衍射角，例如＞45°，而没有对于小光栅间距的要求。
如果单个光栅用于该情况，那么需要小于1μm的间距，根据光栅方程(对于第一级以及空气中的光栅)：
Sin(θIN)+Sin(θOUT)＝λ/Λ(VI)
如果两个单独的光栅组合(具有光栅间距Λ1和Λ2)并且光束垂直入射，那么整个光栅方程变成：
Sin(θOUT)＝λ*(1/Λ1+1/Λ2)(VII)
这样，仅仅通过层积两个或多个光栅(而不是通过减小间距)，在右手侧的项可以变得更大。
分束器的一种实施方案在图13中显示，并且包括第一偏振光栅131以及布置在第一偏振光栅上的第二偏振光栅132，两个光栅都具有用两个正交圆形叠加光束记录的周期性光轴图案。但是，第一偏振光栅131的手性与第二偏振光栅132的手性相对，以便实现光线发散。
第一光栅131以公式(VI)所定义的角度(分别是正的和负的)将入射的非偏振光衍射成第一左手圆形偏振分量(第+1级衍射)以及第二右手圆形偏振分量(第-1级衍射)。
具有相反手性的第二光栅132以公式(VI)所定义的角度将来自第一光栅的第一左手分量衍射成右手分量，并且将第二右手分量衍射成左手分量。这两个光栅的组合给出非常高的总衍射角。
根据该实施方案的分束器还可以包括另外的偏振光栅，以形成交替手性的偏振光栅的堆叠。
此外，一个或多个偏振光栅可以是如上所述的可切换偏振光栅，以允许分束器导通和关闭，或者调谐到期望颜色的光的衍射。
本发明的偏振光栅的又一种示例应用处于安全装置领域。
偏振光栅可以以多种方式用于安全装置。除了因其新颖的偏振相关衍射性质而仅仅嵌入发明的偏振光栅本身作为安全装置之外，至少还有两种方法形成具有至少三个安全“级别”的安全装置。
在这种安全装置的第一实施方案中，透射和衍射图像可以二进制方式形成图案以呈现例如生物图像、连合活字或文字数字信息。安全装置以及该实施方案的基本操作在图14中显示。透明膜141形成不同畴的图案，其中至少一个畴142形成期望图像，在图14中由文本“TU/e”表示。
形成图像的膜的畴包括第一偏振光栅，例如具有用线性偏振的两个正交圆形叠加光束记录的周期性光轴的偏振光栅。
当用白光或单色光照射膜时，嵌入的图案(在该实施方案中“TU/e”)将出现在不同路径中的第0级、第+1级和第-1级衍射方向上。在该实施方案中，字母对应于具有通过正交圆形光束形成的本发明的偏振光栅的畴142。这些畴将入射光强烈地衍射到±1级中，并且导致暗字母在第0级中。该黑字母可以设置成某个颜色范围，这依赖于偏振光栅的延迟。不形成图像的畴143对应于用均匀排列的LC布局(不是光栅)形成的区域，所以它根本不衍射。
因此，该实施方案形成安全装置，其可以用二进制(半调色)图像形成图案。对于安全特征，下面的特征使该实施方案不同于的先前光栅设计：(a)最多三个衍射图像是可能的；(b)所有级都以遵循偏振光栅的性质的非常均匀和可控的方式偏振。
所有三个主要安全“级别”适用于该技术。可以用裸眼和垂直光看到安全特征(“级别1”)，可以用偏振激光看到它以及探测到偏振状态(“级别2”)，以及可以用光谱仪测量整个光谱性质(“级别3”)。也可以有更复杂的方法。
在安全装置的第二实施方案中，衍射图像的局部偏振状态可以形成图案。作为根据该第二实施方案的安全装置的偏振光栅的操作在图15中概述。
在该实施方案的透明膜151中，背景即不形成图像的膜的畴153也是偏振光栅，但具有不同的光轴图案。例如，非图像形成畴153可以是具有通过用两个正交圆形偏振光束记录而形成的光轴图案的偏振光栅，而图像形成畴152可以是具有通过用两个正交线性偏振光束记录而形成的光轴图案的偏振光栅。
用白光或单色光照射膜，并且嵌入的图案(“TU/e”)将首先朦胧地出现在第+1级和第-1级衍射图像中(图15a)。一旦偏振器放置到衍射图像中，高对比度图像出现(图15b)。
可以在该实施方案中通过每个区域中的偏振光栅的选择而形成衍射图像灰度级。也可以对于更高级别(≥第二衍射级别)设计该特征。
在该实施方案中，字母对应于具有由正交线性光束形成的偏振光栅的区域。该区域将入射光适度地衍射到±1级中。非字母背景对应于用正交圆形光束形成的区域，并且以比字母区域更强的方式衍射入射光。两个区域都以相同的方式影响第0级，并且不影响第0级的偏振状态，所以该图像以均匀的灰度出现。
安全特征的该第二实施方案可以形成灰度级图像的图案，其中与上面实施方案相同的特征使这点不同于所有给出的安全特征，包括：(a)三个或更多衍射图像是可能的；(b)所有级都以遵循记录设置的性质的非常均匀和可控的方式偏振。
所有三个主要安全“级别”适用于该技术。可以用裸眼和垂直光看到安全特征(“级别1”)，可以用偏振激光看到它以及探测到偏振状态(“级别2”)，以及可以用光谱仪测量整个光谱性质(“级别3”)。
现在将在下面的非限制性例子中进一步描述本发明。
实例
实例1：单层偏振光栅的制造
为了获得偏振光栅，将光定向材料Vantico Star-Align 2110旋抛到硼硅酸玻璃衬底上以形成薄的～50nm的薄膜。
玻璃衬底上放置UV吸收器、聚碳酸酯片和折射率匹配液体膜，以最小化背面反射。
然后，光定向膜在标准全息设置中暴露给～9J/cm2下的351nm的两个叠加激光束，一个右手且一个左手圆形偏振，每个具有分离这两个光束的入射角，一个角度是1.18°，一个角度是2.36°。从而，在该全息设置中形成的偏振全息记录到光定向膜中。
在光定向层上，旋抛(Convac旋涂器，在2500rmp下进行60s)可聚合的液晶组分(RMM34共熔混合物，Merck)，产生大约1.4μm的层厚度。为了使液晶组分对准定向图案，在70℃下在热板上将具有组分的衬底退火30s。其后，液晶组分在氮气环境下用UV光聚合(用Oriel灯在2.5W/m2下曝光，在室温下进行2min，然后在90℃下进行2min)，以形成1.87μm厚的固态膜，其中介晶的光轴、向列相指向矢表现出周期性重复的“螺旋”图案。
作为结果的偏振光栅放置到两个交叉偏振器之间，并且其照片在图3b中显示。刻度是10μm，并且测出光栅周期Λ为8.1μm。
实例2：双层偏振光栅的制造
如同实例1，制造偏振光栅，但是以角度6.70°分离光束。
在光定向层上，排列并聚合可聚合的介晶组分(RMM34，如同实例1中)，以形成1μm厚的固态膜，其中光轴表现出重复的螺旋图案。
在第一介晶组分聚合之后，第二介晶组分(RMM34，如同上面)涂敷到第一介晶组分上，由此其对准第一组分的重复螺旋光轴图案并且聚合，以形成1.2μm厚的固态层。
作为结果的双层膜放置到交叉偏振器之间，并且其照片在图5b中显示，其中刻度是10μm，并且光栅周期Λ是～3μm。
所形成的偏振光栅的总厚度d是2.2μm，因此该膜大大超越d＜Λ/2的近似限制。
已经进一步发展该实验，以布置多于20个液晶组分在彼此之上，在作为结果的光栅中具有高的光学质量。
实例3：可切换的偏振光栅
两个硼硅酸玻璃衬底涂敷上如同实例1中的光定向膜，并且布置成定向膜彼此面对的紧密单元结构。单元间距为5.1μm。单元填充上环己烷，然后在标准的全息设置中，暴露给在～10J/cm2下的351nm的两个叠加激光束，一个右手且一个左手圆形偏振，以2.28°的角度分离两个光束。
因此，在该全息设置中形成的偏振全息记录到两个光定向膜中。从单元中蒸发环己烷，并且单元随后填充上液晶组分(E7，Merck)，其由这两个定向膜调准。
透明电极布置到每个衬底的外侧上，并且633nm的光通过单元。第一级衍射效率测出为单元上的电压的函数。0V～12V的某些电压的结果在图16中显示，并且如所示的，第一级衍射效率容易控制在～0至～100％之间。

Claims (20)

1.一种偏振光栅，包括偏振敏感光定向层(2)和包含可聚合的介晶的至少第一液晶组分(3)和第二液晶组分(13)，所述第一液晶组分布置在所述定向层(2)上，其中对应于偏振全息的各向异性定向图案布置在所述光定向层中，并且所述第一液晶组分(3)由所述定向图案调准且至少部分聚合，其中所述第二液晶组分(13)布置在所述第一液晶组分(3)上并由所述第一液晶组分(3)调准，并且其中两个液晶组分都具有由以下公式确定的层厚度d：
d≤dmax＝Λ/2
其中，d是液晶层的厚度，并且Λ是偏振光栅的间距。
2.根据权利要求1的偏振光栅，其中所述各向异性定向图案的定向方向沿着定向层的平面中的至少一根线是周期性的。
3.根据权利要求2的偏振光栅，其中定向方向表现出周期性变化，该周期性变化在一个周期上对应于沿着庞加莱球上的圆的偏振方向的变化。
4.根据权利要求2或3的偏振光栅，其中所述定向方向变化对应于线性偏振的偏振方向的变化。
5.根据权利要求1-3中的任一项的偏振光栅，包括提供有化学键的各向异性定向图案的两个光定向层(2，12)，所述光定向层夹置并调准所述第一液晶组分(3)和所述第二液晶组分(13)。
6.根据权利要求1-3中的任一项的偏振光栅，其中所述第一液晶组分(3)和/或所述第二液晶组分(13)还包括选自由吸收染料、荧光染料、电致发光染料、具有各向异性形状和/或光谱性质的纳米/微米颗粒、以及它们的任意组合构成的组中的功能化合物。
7.根据权利要求1-3中的任一项的偏振光栅，还包括用于在所述第一液晶组分(3)和/或所述第二液晶组分(13)中建立电场和/或磁场的装置。
8.根据权利要求1的偏振光栅，其中胆甾型液晶组分布置在所述第一液晶组分(3)和所述第二液晶组分(13)之间，其中所述胆甾型液晶组分表现出30～60°的扭曲。
9.一种偏振光栅，包括第一偏振光栅(71，73)以及布置在所述第一偏振光栅上的第二偏振光栅(72，75)，其中，所述第一偏振光栅表现出第一光轴图案，所述第二偏振光栅表现出第二光轴图案，所述第二光轴图案在所述第二偏振光栅的平面内以30～60°的角度向所述第一光轴图案旋转，并且，所述第一偏振光栅和所述第二偏振光栅中的至少一个是根据权利要求1～8中的任一项的偏振光栅。
10.一种显示装置，包括光源(115)和根据权利要求5的偏振光栅，以及用于在所述偏振光栅中施加电场的电极装置(104，114)。
11.根据权利要求10的显示装置，其中所述电极装置(104，
114)形成多个畴(105，106)的图案，每个畴是可被独立访问的。
12.根据权利要求10或11的显示装置，包括布置在所述光源和所述偏振光栅之间的滤色器(107)。
13.根据权利要求10或11的显示装置，包括用于阻挡由所述偏振光栅衍射成除了第0衍射级之外的衍射级的光的装置。
14.一种偏振器，包括布置成将入射光束衍射成第一偏振和第一方向的第一衍射光束以及第二偏振和第二方向的第二衍射光束的根据权利要求1～9中任一项的偏振光栅(121，125)，用于将所述第二衍射光束的偏振转变成所述第一衍射光束的偏振的装置，以及用于将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束准直的装置。
15.根据权利要求14的偏振器，其中用于将所述第二衍射光束的偏振转变成所述第一衍射光束的偏振的所述装置，以及用于将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束准直的所述装置包括定向反射面(123)，该定向反射面布置成将所述第二衍射光束的至少一部分反射到与所述第一衍射光束的方向平行的方向上。
16.根据权利要求15的偏振器，其中用于将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束准直的所述装置还包括偏振光栅(122)。
17.根据权利要求14的偏振器，其中用于将所述第二衍射光束的偏振转变成所述第一衍射光束的偏振的所述装置包括延迟器，并且用于将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束准直的所述装置包括至少一个棱镜(127)。
18.一种分束器，至少包括第一偏振光栅(131)以及布置在所述第一偏振光栅上的第二偏振光栅(132)，其中所述第一偏振光栅表现出第一手性的第一光轴图案，并且所述第二偏振光栅表现出第二手性的第二光轴图案，所述第二手性与所述第一手性相对，并且其中所述第一偏振光栅和第二偏振光栅中的至少一个是根据权利要求1～9中的任一项的偏振光栅。
19.一种透明膜，至少包括第一畴(141，151)和第二畴(143，153)，其中至少所述第一畴(141，151)包括第一光轴图案的偏振光栅，并且其中所述偏振光栅是根据权利要求1～9中的任一项的偏振光栅。
20.根据权利要求19的透明膜，其中所述第二畴(143，153)包括第二光轴图案的第二偏振光栅。
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