CN101995598A - 具有空间上变化的倾角的液晶层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造包括具有空间上变化的倾角的液晶层的光学元件的方法，包括：使用线性光聚合的聚合物层涂覆衬底，使用线偏振紫外光以斜角照射线性光聚合的聚合物层，以及在所照射的线性光聚合的聚合物层的表面上涂敷一层液晶材料。液晶材料在其倾角和线偏振紫外光的总剂量之间有预定的关系。使用至少一个剂量的线偏振紫外光照射线性光聚合的聚合物层，所述至少一个剂量的线偏振紫外光足以引起在具有比相邻区域更大的面内双折射率的液晶层内形成多个离散区域。

Description

具有空间上变化的倾角的液晶层
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年8月7日提交的美国临时申请号61/232,313的优先权，在此通过参考将其合并入本申请中。
技术领域
本发明一般涉及具有空间上变化的倾角的液晶(LC)层，尤其是涉及用于产生具有在空间上变化的倾角的液晶聚合物(LCP)的方法，以及使用LCP所制造的光学元件以及LCP的应用。
发明背景
具有空间上变化的倾角的液晶(LC)被用于各种应用。例如，被编码到基于可编程液晶(LC)的空间光调制器(SLM)上的衍射光栅和更复杂的薄全息图，作为改变光束的波前的方法被积极地研究。虽然被编码到LC/SLM上的可编程薄全息图是非常通用的，这些有源部件对于很多应用成本较高。此外，已经知道，这些可编程薄全息图提供相对小的转向角。例如，现有技术的硅基LC(LCoS)面板具有小于10μm的像素间距，其在0.5μm的波长处并利用每光栅周期最少两个像素来提供大约1.4度的最大光束偏转角。所有其它可编程全息图输出(例如，称为重放)将具有甚至更小的偏转角。
最近，对使用具有空间上变化的倾角的液晶聚合物(LCP)形成光学部件的兴趣逐渐增加，例如形成上述衍射光栅和/或更复杂的薄全息图。例如，在美国申请号20090009668中，Tan等人提出了基于LCP膜的偏振选择衍射光学元件。LCP膜包括像素阵列，其中每个像素使用固定的液晶指向矢被编码，使得每个液晶指向矢在垂直于LCP膜的公共平面中被取向，并提供面外倾角的预定模式。
发明内容
本发明提供了形成具有带有空间上变化的倾角的LCP层的光学部件的方法，光学部件例如为衍射光栅和/或更复杂的全息图。本发明还提供了包括具有空间上变化的倾角的LCP的光学部件以及包括所述光学部件的系统。
根据本发明的一个方面，提供了制造包括具有空间上变化的倾角的液晶层的光学部件的方法，该方法包括步骤：a)使用线性光聚合的聚合物层涂覆衬底；b)使用线偏振紫外光以斜角照射线性光聚合的聚合物层；以及c)在所照射的线性光聚合的聚合物层的表面上涂敷一层液晶材料，其中液晶材料在其倾角和线偏振紫外光的总剂量之间有预定的关系，且其中使用至少一个剂量的线偏振紫外光照射该线性光聚合的聚合物层，所述至少一个剂量的线偏振紫外光足以引起在具有比相邻区域更大的面内(in-plane)双折射率的液晶层内形成多个离散区域。
附图说明
结合附图，通过下列详细说明，本发明的特点及优势将是明显的，其中：
图1a是相对于LC层的坐标系统的示意性图示；
图1b是对LC层的光轴的坐标系统的示意性图示；
图1c是示出在具有离散地变化的倾斜轴的衬底上的LC层的侧视图的示意性图示；
图1d是示出在具有连续变化的倾斜轴的衬底上的LC层的侧视图的示意性图示；
图2是示出用于在LCP层中强加可变倾斜的倾斜取向的对LPP的LPUV曝光系统设置的示意图；
图3是示出ROP119/ROF5106系统的面内双折射行为与LPUV剂量的关系曲线；
图4示出根据本发明的一个实施方式的LCP倾角光栅结构的例子；
图5示出根据本发明的另一实施方式的与方位定向光栅组合的LCP倾角光栅结构的例子；
图6示出根据本发明的另一实施方式的在LCP层中的连续倾角梯度的例子；
图7示出在具有较高倾角的LCP层的区域内具有低倾角域(LTD)的LCP层的例子；
图8示出根据本发明的另一实施方式的具有在较低倾角光栅线上成核的LTD的LCP层的例子；
图9是示出具有任意倾角和一致的方位方向的LD设备的示意图；
图10示出(a)中的单轴O板指向矢在(b)中的面内和面外(out-of-plane)双折射部件内的投影；
图11是示出给定LC指向矢倾角的相差与在λ＝400nm处使用LCP单轴材料的A板配置的像素比较的曲线；以及
图12是示出包括具有XY随机LC指向矢极化倾角的相格的、用于通过在每个XY位置暂时改变相位调制来抑制散斑的基于激光器的照明系统的子系统的示意图。
注意，在全部附图中，相同的特征由相同的参考数字标识。
具体实施方式
本发明涉及用于产生液晶(LC)材料层的方法，该材料层的指向矢或光轴的倾角在沉积有LC层的衬底区域上空间变化。LC材料可为常规液晶(非聚合物)或液晶聚合物(LCP)。术语“倾角”指在LC的光轴和衬底的平面之间的角。对于正性单轴LC材料，光轴也称为慢轴(SA)。
参考图1a所示，LC层10被布置在衬底11上。所示衬底11的平面平行于x-y平面，而z轴垂直于该主表面。根据本发明的一个实施方式，LC层的倾斜轴在衬底的区域上作空间变化(即，在整个x-y平面上变化)。参考图1b所示，矢量α的光轴可由极角θ和方位角φ限定。方位角φ指投影在衬底平面中的光轴的方位角方向，其相对于与衬底的平面相关的某个任意参考方向(例如，所示为x轴)被测量。极角θ是该指向矢的倾角，并相应于该矢量从x-y平面偏离的角。
具有等于0°的空间上不变的倾角的LC材料一般称为A板，并被称为拥有平行取向。具有等于90°的空间上不变的倾角的LC材料一般称为C板，并被称为拥有垂面取向。具有在0°和90°之间的一致的倾角的LC材料一般称为O板，并被理解为具有A板和C板延迟分量。
通常，空间上变化的倾角意指倾角穿过LC层的整个表面以预定的或随机的顺序变化。例如，对于预定顺序变化，图1C示出了具有离散模式的空间上变化的倾斜轴，而1d示出了遵循连续模式(例如，梯度)的空间上变化的倾斜轴。当LC材料的倾角变化时，有效面内(或A板分量)双折射率ΔnA也变化。例如，当正性单轴LC材料的倾角从0°增加到90°时，其ΔnA值从LC材料的固有Δn值降低到零。与ΔnA直接相关的是面内(A板)延迟ΓA，其为ΔnA*d的积，其中d是LC材料层的物理厚度。因此，当LC材料的倾角变化时，ΓA也变化。类似地，当LC的倾角变化时，面外(C板)延迟ΓC变化。ΔnA的变化的另一结果是平均面内折射率nA，avg的变化。
通常，空间上变化的倾角在LC材料层中产生，LC材料层能够形成具有在0和90度之间的两个或多个不同的倾角的O板。更具体地，LC材料涂敷在衬底上，在衬底的区域上方，使倾角连续地、离散地或随机地变化。当倾角θ在LC材料层的整个表面上方变化时，方位角φ可为一致的，或也可在LC材料层的区域上连续地或离散地变化。通常，空间上变化的倾角指在沿着衬底的表面上的横向方向上变化的平均倾角。更具体地，在表面上的每个点处的倾角将是在该层整个厚度上的LC指向矢的平均值(即，倾角一般越接近取向层时越高)。
在一个实施方式中，LC层从O板类型的LCP前体形成，该LCP前体的倾角由实验条件确定。例如，在一个实施方式中，LCP前体是可从Rolic得到的ROF5106LCP前体。在另一实施方式中，LC层由以不同比例与也可从Rolic得到的ROF5113LCP前体混合的ROF5106形成。被混合的混合物是有利的，因为它们使得很容易获得不同范围的倾角。O板型LCP前体结合取向层材料使用，取向层材料在沉积LCP前体层之前首先涂敷在衬底上。通常，取向层材料将展示一种机制，通过该机制可控制随后被涂敷的LCP前体的倾角。在一个实施方式中，取向层是线性光聚合(LPP)的聚合物，其在被控制剂量的线偏振紫外(LPUV)辐射以非零入射角(AOI)照射时，将在随后被涂敷的LCP前体层中产生预定的方位角方向和预定的倾角。在上述LPP/LCP系统的情况下，通过控制LPUV能量剂量来获得预定的倾角。例如，在一个实施方式中，可从Rolic得到的ROP119用于形成LPP层，且LCP层由可从Rolic得到的ROF5106LCP前体或以不同的比例与ROF5113LCP前体混合的ROF5106形成，ROF5113LCP前体也可从Rolic得到。因而产生的LPP/LCP系统示为在LCP中提供在一范围内的被控制的倾角。有利地，该过程对所使用的确切AOI不是高度敏感的，然而，通常，AOI将明显不同于零。
参考图2，示出了用于制造具有LC层的光学元件的系统，该LC层具有空间上变化的倾角。光学装置60包括用于支撑在制造中的设备65的底座、线偏振紫外(LPUV)光曝光系统70和光掩模75。在制造中的设备65包括衬底66，其上沉积了线性光聚合(LPP)取向层67。LPUV曝光系统70包括UV光源71、准直透镜72和UV偏振器73。可选地，准直透镜72用准直反射器代替。光掩模75被摹制/设计成以预定的方式向取向层提供变化水平的光。特别是，光掩模75被摹制成向取向层提供变化水平的能量密度，作为横向空间坐标的函数。在一个实施方式中，光掩模75是可变的透射掩模。在另一实施方式中，光掩模75是可变尺寸的孔掩模。在另一实施方式中，一系列二进制掩模单独地用于产生作为横向空间坐标的函数的传送到取向层的变化水平的能量密度的效应。在又一实施方式中，掩模的和无掩模曝光的组合用于产生作为横向空间坐标的函数的传送到取向层的变化水平的能量密度的效应。
在操作中，光源71将处于倾斜角的LPUV光提供到衬底66的表面。在这个实施方式中，所示光源相对于水平衬底倾斜。在其它实施方式中，衬底相对于光源倾斜。非垂直的LPUV光入射及其能量密度剂量引起取向层67的变化，其使在随后沉积的LCP前体层中的LC指向矢以倾斜角被取向(以某个方位角从衬底的平面倾斜)。在这个实施方式中，UV偏振器73被定向成以高透射率来透射平行于制图面(即，其是入射面)偏振的UV光。根据LPP材料的化学性质，该配置将一般导致随后沉积的LCP层的LC指向矢在平行或垂直于LPUV入射面的方位面中被取向。LC指向矢的实际面外倾斜取决于输送到LPP取向层67的LPUV能量密度剂量。因为光掩模75以预定的模式向取向层67提供不同的能量密度，导致具有空间上可变的倾角的随后形成的LCP膜，其具有可变的面内延迟。虽然LC指向矢的面外倾斜以预定的方式在整个膜上变化，在该实施方式中，LC指向矢的方位角是恒定的。一旦LPP层以这种方式对LPUV曝光，于是液晶聚合物前体的薄层就涂覆在取向层上。该层接着对UV光(例如，其不必为偏振的)曝光，以交联LCP前体，并以预定的倾斜角固定LC指向矢。因此，提供了相对稳定的LCP层，其只需要被单个衬底支撑。
应当指出，参考LCP前体描述了该制造技术，该LCP前体优选地与随后的UV照射交联，以将其转变成LCP。通常，O板LCP层可使用本领域中已知的LPP和O板LC化合物中的任何一个形成，后者可为聚合的和/或以UV照射和/或热力地交联。例如，在一个实施方式中，LPP层通过在玻璃衬底上旋涂环戊酮中的ROP119的2wt％溶液(例如，在60秒内以2000RPM)来形成，以获得50nm厚的取向层。在其它实施方式中，LPP层使用另一涂敷方法例如线涂敷、照相凹板式涂敷、狭缝式涂敷等形成，以涂覆ROP119层。通常，LPP常常包括苯乙烯酸衍生物和/或阿魏酸衍生物，如本领域中公知的。根据本发明，LPP层将具有在随后涂镀的LC或LCP层中产生面外倾角的类型。在一个实施方式中，LPP涂敷的玻璃在通过光掩模被LPUV照射之前，在预定的温度时(例如，180度)在热板上被烘焙预定的时间(例如，5分钟)。在一个实施方式中，LCP层从包括LCP前体的液晶材料形成。例如可包括交联的丙烯酸向列型液晶化合物的LCP前体材料在本领域中是公知的。根据本发明，LCP材料将具有适当地响应于倾角的包括LPP层的类型。适合于形成LCP层的各种LCP前体化合物可从Rolic(Allschwil，CH)得到。在一个实施方式中，LCP前体层作为ROF5106LCP前体的15wt％溶液，或苯甲醚中的ROF5106LCP前体和ROF5113LCP前体的混合物，被旋涂在LPP层上。在其它实施方式中，LCP层使用另一涂敷方法例如线涂敷、照相凹板式涂敷、狭缝式涂敷等形成。因而形成的LPP/LCP设备随后一般被烘培(即，退火)预定的时间，以促进LCP到LPP取向层的良好取向。有利地，LCP前体形成LCP的随后的光化学交联使膜凝固，并使LC指向矢的方向持久。这被认为在高功率照明和短波长激光曝光下提供改进的可靠性。
如上所讨论的，控制LPP层所强加的倾角的一种方法是改变LPP层上的LPUV剂量。参考图3，示出了ΔnA响应与对上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统应用40度的入射角的LPUV剂量的曲线。对于小于～80mJ/cm2的LPUV剂量，具有倾角和ΔnA的高变化率。对于大于～180mJ/cm2的LPUV剂量，倾角和ΔnA逐步变化。在低于～40mJ/cm2的低剂量时，各种倾角域缺陷在该系统中被观察到。更具体地，可观察到在基质LCP相内稍微作为隔离的相分离域出现的“低倾角域”，其具有与基质LCP明显不同的倾角。根据本发明的一个实施方式，这些观察用于产生具有空间上变化的或图案化的倾角(例如，因而和ΔnA、ΓA、ΓC、nA，av)的双折射光学元件。空间变化可为离散的或连续的、在规模上宏观的或在规模上微观的。
根据本发明的一个实施方式，LPUV剂量模式通过经由一个或多个单独的光掩模的系列使LPP层曝光来建立。更具体地，空间上调制的LPUV剂量通过一个或多个光掩模或通过掩蔽的和无掩模曝光的组合作为剂量的范围或作为两个或多个离散的剂量被应用。
例如，在一个实施方式中，通过使用两布骤过程照射LPP层，在上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统中提供了空间上变化的倾角。在第一步骤中，该层对线偏振光曝光，而没有光掩模(例如，通过标准孔，以在所有的位置设定最低倾角)。在第二步骤中，该层通过光掩模对线偏振光曝光(例如，以在相应于光掩模的透射区域的选定位置设定较高的倾角)。在这个实施方式中，与只在第一照射步骤中曝光的那些区域比较，在第一和第二照射步骤中曝光的那些区域处所输送的总能量密度(即，剂量)将更高。通常，照明的所需能量密度和波长将依赖于LPP材料。对于上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统，能量密度一般在30-300mJ/cm2之间，而波长范围一般将在280和365nm之间。LPUV的入射角一般将在20和60度之间。特别地，没有发现入射角(AOI)对该过程有明显的影响，然而，通常，AOI应明显不同于零。
在这个实施方式中，光掩模有阻挡LPUV的第一多个区域和透射LPUV的第二多个区域(即，二进制掩模)。因为在LPP层上的任何给定点处输送的总剂量是在每次曝光中输送到该点的剂量的和(例如，如果LPUV的方位角方向对所有曝光都是相同的)，LPP将在随后涂镀的LC层中引起空间上变化的倾角，其中空间上变化的倾角布置在由光掩模指示的离散模式中。例如，在一个实施方式中，空间上变化的倾角提供交替的面内延迟模式(例如，相应于图1c所示的倾角模式)。
通常，光掩模将根据预期的应用被摹制。在一个实施方式中，光掩模被摹制来以像素方式向取向层提供变化的能量密度。通常，像素将是周期性的(例如，以规则的间隔)或非周期性的(例如，随机的或以预定的模式)。有利地，光掩模的使用允许LCP层以大量相位分布水平和以增加的精度被摹制。在一个实施方式中，光掩模被摹制以提供两个水平的相位分布。在另一实施方式中，光掩模被摹制以提供多于两个水平的相位分布。通常，如果具有空间上变化的倾角的LC是衍射光栅或更复杂的全息图，则它将一般有至少4个水平的相位分布，以便提供合理的衍射效率。
在另一实施方式中，通过经由单个光掩模照射LPP层，在上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统中提供了空间上变化的倾角。在这个实施方式中，光掩模是具有光密度分布的梯度掩模，其提供连续变化的而不是离散地变化的在空间上变化的LPUV剂量。例如，在一个实施方式中，空间上变化的倾角形成连续变化的梯度(例如，图1d所示的延迟模式)。
在这些实施方式的每个中，LC指向矢的光轴具有空间上变化的倾角和大体一致的方位角。在其它实施方式中，LPP层被照射多次，每次使用具有不同的方位角方向的LPUV。例如，在一个实施方式中，LPUV的方位角方向在输送到LPP层上的不同点的不同曝光中间不同，以便在LCP层中提供空间上变化的倾角和方位角方向的叠置模式。在这种情况下，对LCP的因而形成的倾角和面内方向的预测更复杂。
此外，在上述实施方式的每个中，衬底可选地设置有非反射背面，其对于LPP材料所响应的UV波长是不反射的。例如，在一个实施方式中，衬底的背面涂有UV抗反射涂层或UV吸收涂层。有利地，不反射涂层阻止来自UV透明衬底的背面的LPUV的强背向反射，其可趋向于使剂量模式降级。特别地，如果所使用的光掩模包含微观或相对小的特征化的图案，这更是问题，其中实现预期的倾角模式更难。在衬底材料的固有反射率足够低或衬底对UV是非透射的其它实施方式中，一般对LPUV过程不需要非UV反射背面。
参考图4，示出了微观地摹制的倾角结构的例子。更具体地，照片显示图像，其中该结构包括具有空间上变化的倾角的第一区域(即，标记为光栅区)和具有一致的倾角的第二区域(即，标记为非光栅区)。上面的照片是亮态(BS)图像，在交叉的偏振器之间的透射中观看样本，而下面的照片是暗态(DS)图像，在交叉的偏振器之间的透射中观看样本。
空间上变化的倾角LCP结构通过在200mm熔融的硅石衬底晶片上旋涂包括环戊酮中的ROP119的2wt％溶液的LPP层来形成(例如，在60秒内以2000RPM)，以获得50nm厚的取向层。在这个实施方式中，在衬底上不设置抗反射层。LPP涂敷的衬底接着经受两步骤照射过程。在第一步骤中，该层在第一次曝光中对LPUV曝光而没有光掩模，以在所有位置设定最低倾角。更具体地，该第一LPUV曝光提供了相应于较低的倾角的均匀低剂量(即，40mJ/cm2)。在第二步骤中，光栅区域在第二次曝光中通过具有5μm线/5μm的间隔的光栅光掩模对LPUV曝光，以在相应于光掩模的透射区域(5μm间隔)的选定位置设定较高的倾角。更具体地，第二次LPUV曝光提供了模式化的高剂量(即，100mJ/cm2)，使得第一次低剂量曝光和第二次高剂量曝光的和相应于在相应于光掩模的透射区域的位置处产生的高倾角。对于这两次曝光，LPUV光的方位角是相同的，相对于某个任意参考被测量(在这种情况下，方位角名义上平行于光栅方向)。对于这两次曝光，LPUV的入射角是40度。随后，LCP层通过在LPP层上旋涂ROF5106LCP前体的37％wt％溶液(即，以1000rpm)来形成。LCP层中的LC指向矢采用由模式化的LPUV曝光剂量限定的倾角模式。LCP前体层随后被退火、UV固化以形成LCP、后烘培。
因而产生的LCP层包括具有5微米宽的线的光栅，这些线以倾角交替。更具体地，由于LCP倾角在～50°和～65°(即，分别相应于在75～80nm和25nm之间交替的延迟)，光栅包括高和低延迟的交替的线的图案。光栅方向平行于这两个倾角的倾斜面。
参考图5，示出了微观地模式化的倾角结构的另一例子。更具体地，照片显示图像，其中该结构包括具有空间上变化的倾角的第一区域(即，标记为光栅区)和具有一致的倾角的第二区域(即，标记为非光栅区)。上面的照片是BS图像，在交叉的偏振器之间的透射中观看样本，而下面的照片是DS图像，在交叉的偏振器之间的透射中观看样本。
空间上变化的倾角LCP结构通过在200mm熔融的硅石衬底晶片上旋涂包括环戊酮中的ROP119的2wt％溶液的LPP层来形成(例如，在60秒内以2000RPM)，以获得50nm厚的取向层。在这个实施方式中，在衬底上不设置抗反射层。LPP涂敷的衬底接着经受两步骤照射过程。在第一步骤中，LPP层在第一次曝光中对LPUV曝光而没有光掩模(即，通过标准孔，以在所有位置设定最低倾角)。更具体地，该第一LPUV曝光提供了相应于较低的倾角的均匀低剂量(即，40mJ/cm2)。在第二步骤中，光栅区域在第二次曝光中通过具有5μm线/5μm的间隔的光栅光掩模对LPUV曝光，以在相应于光掩模的透射区域(5μm间隔)的选定位置设定较高的倾角。更具体地，第二次LPUV曝光提供了模式化的高剂量(即，100mJ/cm2)，使得第一次低剂量曝光和第二次高剂量曝光的和相应于在相应于光掩模的透射区域的位置处产生的高倾角。对于第一次曝光，LPUV光的方位角是56.7度。对于第二次曝光，LPUV光的方位角是0度。对于这两次曝光，LPUV的入射角是40度。随后，LCP层通过在LPP层上旋涂ROF5106LCP前体的37％wt％溶液(即，以1000rpm)来形成。LCP层中的LC指向矢采用由模式化的LPUV曝光剂量限定的倾角模式和方位角模式。LCP前体层随后被退火、UV固化以形成LCP、后烘培。
因而产生的LCP层包括在线之间有慢轴(SA)方位角偏移的高/低斜线的光栅。特别是，高/低斜线展示大约45度SA偏移。更具体地，根据所产生的低倾斜SA离光栅方向为大约57度以及所产生的高倾斜SA离光栅方向为大约14度，观察到45度SA偏移。特别地，在高/低倾斜光栅线之间的SA偏移表现为小于第一和第二次LPUV曝光的方位角的偏移。这是由于第二次曝光所限定的高倾角区实际上接收具有不同的方位角的两个不同的LPUV曝光剂量。
根据本发明的另一实施方式，LPUV剂量模式通过使LPP层对LPUV曝光来建立，同时LPP层在单个方向上平移。更具体地，移动的LPP层通过插在LPP层和LPUV源之间的静止的孔和/或掩模或孔和/或掩模的系列被曝光。因此，LPUV剂量模式沿着衬底表面的一个方向建立，而沿着另一方向实质上是恒定的。
例如，在一个实施方式中，通过使用两布骤过程照射LPP层在上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统中提供了空间上变化的倾角。在第一步骤中，静止的LPP层通过规则的孔对低剂量的线偏振光均匀地曝光。在第二步骤中，LPP层通过锯齿形光掩模对较高剂量的线偏振光曝光，同时LPP层在第一方向上平移。在这个实施方式中，能量密度(即，剂量)将以预定的连续方式变化。更具体地，输送到LPP层上的每个点的LPUV剂量由曝光时间和LPUV功率的积确定。曝光时间是衬底的平移速度和孔的宽度的函数。LPUV功率是孔开口的透射的函数。通常，照明的所需能量密度和波长将取决于LPP材料。对于上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统，能量密度一般在30-300mJ/cm2之间，而波长范围一般将在280和365nm之间。LPUV的入射角一般将在20和60度之间。获得期望剂量所需的锯齿形孔的平移速度和宽度取决于偏振UV光源的功率输出。
参考图6，示出了在200mm玻璃衬底上产生的微观的连续变化的倾角结构的例子。更具体地，图6中左侧示出在交叉的偏振器之间观看的结构的BS图像，中间的图示出空间上变化的延迟，而右侧示出基本一致的FA轴的方位角方向。在附图的右下侧还示出了锯齿形光掩模。
空间上变化的倾角LCP结构通过在200mm熔融的硅石衬底晶片上旋涂包括环戊酮中的ROP119的2wt％溶液的LPP层来形成(例如，在60秒内以2000RPM)，以获得50nm厚的取向层。在这个实施方式中，在衬底上不设置抗反射层。LPP涂敷的衬底接着经受两步骤照射过程，其中LPP涂敷的衬底通过某些孔以平移扫描方式被曝光。在第一步骤中，该层在第一次曝光中通过平行的孔对以恒定的速度在单个方向上扫描的LPUV曝光，以在所有位置提供40mJ/cm2的均匀剂量。在第二步骤中，该层在第二次曝光中通过锯齿形剂量孔(例如，如图6所示)对与在第一次曝光中一样以恒定的速度在相同的方向上扫描的LPUV曝光，以在垂直于扫描方向的方向上产生从0到60mJ/cm2的周期性变化的剂量。更具体地，由于这个两步骤曝光过程，LPP层在垂直于扫描方向的方向上在LPP层的整个表面上接收从40到100mJ/cm2摆动的LPUV剂量。对于这两次曝光，LPUV光的方位角是0度。对于这两次曝光，LPUV的入射角是40度。随后，LCP层通过在LPP层上旋涂ROF5106LCP前体的37％wt％溶液(即，以1000rpm)来形成。LCP层中的LC指向矢采用由模式化的LPUV曝光剂量限定的倾角模式。LCP前体层随后被退火、UV固化以形成LCP、后烘培。
因而产生的LCP层具有面内延迟值，其在锯齿形模式中在衬底上的一个方向上变化。更具体地，由于倾角在65和50度(即，相应于Δn范围在0.012和10.04)之间变化，大致线性变化的延迟在大约25到85nm之间变化。
在上述实施方式中，衬底在垂直于LPUV的方位角的方向上平移，这在LCP层中产生平行于平移方向且恒定的FA。在其它实施方式中，LPUV方位角方向在第二次曝光期间旋转，以便使LCP层的FA方位角方向在空间上变化。在又一些实施方式中，LPP层旋转而不是平移。
例如，在一个实施方式中，通过使用两布骤过程照射LPP层在上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统中提供了空间上变化的倾角。在第一步骤中，静止的LPP层通过第一静止的窄弧形孔(即，具有只有几度的顶角)对低剂量的线偏振光曝光，同时衬底从起始位置绕着垂直于其表面并与孔的顶点重合的轴旋转360度。在第二步骤中，LPP层通过第二静止的窄弧形孔(即，具有只有几度的顶角)对较高剂量的线偏振光曝光，该孔的透射在径向方向上从其顶点变化，同时衬底从相同的起始位置绕着垂直于其表面并与孔的顶点重合以及也与第一次曝光的旋转轴重合的轴旋转360度。在这两次曝光中，孔放置在相对于衬底的起始位置的相同位置上，且LPUV照明的方位角是衬底的同一相对起始位置。输送到LPP层上的每个点的剂量由曝光时间和LPUV功率的积确定，然而，曝光时间是衬底的角速度和孔的角宽度的函数。LPUV功率依然是孔开口的透射的函数。通常，照明的所需能量密度和波长将取决于LPP材料。对于上述ROP119/ROF5106LPP/LCP系统，能量密度一般在30-300mJ/cm2之间，而波长范围一般将在280和365nm之间。LPUV的入射角一般将在20和60度之间。所需的旋转速度取决于期望剂量、LPUV功率和孔开口的角宽度。两次曝光的组合效应提供一剂量，该剂量相对于衬底从相应于孔的顶点位置的点径向变化，并且在绕着该点的方位角方向上是恒定的。此外，在相对于衬底的方位角方向上，关于该点，LPUV的方向在方位角位置每变化一度时变化1度。随后，LCP层通过在LPP层上旋涂ROF5106LCP前体的37％wt％溶液(即，以1000rpm)来形成。LCP层中的指向矢采用由模式化的LPUV曝光剂量限定的倾角模式。LCP前体层随后被退火、UV固化以形成LCP、后烘焙。在这个实施方式中，LCP的LC指向矢采用绕着衬底上的点的旋涡方位角取向(阶数m＝2)，但也采用在远离该点径向方向上变化的倾角。
在衬底和/或LPUV光改变(例如，平移、旋转等)的上述实施方式中，LPP层可选地受到不止一种上述变化。例如，在一个实施方式中，产生LPP的多于一个高剂量旋转曝光，其中旋转中心在曝光之间不同。在另一实施方式中，LPP层和相对于衬底的LPUV方向在旋转曝光过程期间变化。在其它实施方式中，LPP层被曝光多次，每次使用不同的光掩模和/或孔。在后一种情况下，可选地使用一个或多个平移方向，其中在衬底的平面中的衬底的旋转方向在每次平移之前产生，且其中LPUV方向可选地在每次平移之前旋转。实质上，容易实现复杂的2维剂量和方位角方向模式。
在衬底和/或LPUV光源改变的上述实施方式的每个实施方式中，平移速度、角速度和LPUV源是恒定的。在其它实施方式中，平移速度或角速度被调节，同时衬底被平移或旋转。在又一些实施方式中，LPUV源功率在平移或旋转过程期间被调节。
在衬底和/或LPUV光源改变的上述实施方式的每个实施方式中，光掩模具有允许LPUV通过LPP层、完全阻挡LPUV和/或允许LPUV的一部分通过LPP层的一个或多个部分。例如，在一个实施方式中，光掩模是由UV阻挡材料制造的具有孔的板(即，金属板)。在一个实施方式中，孔具有在宽度上变化(调节)的开口剖面，宽度在平行于衬底的平移方向的方向上被测量。在另一实施方式中，孔具有完全被阻挡的部分。在又一实施方式中，孔开口具有变化的光透射(例如，如果渐变的光密度掩模用作光掩模)。
有利地，基于静止光掩模和静止衬底的上述实施方式对生产复杂和细微地摹制的倾角结构特别有用，而基于机械启动的衬底和/或LPUV光源的上述实施方式对生产较不复杂和宏观倾角结构特别有用。
根据本发明的另一实施方式，空间上变化的倾角通过使用相对低的LPUV剂量(即，低于～40mJ/cm2)使LPP层曝光来建立。可选地，低LPUV剂量通过一个或多个单独的掩模的系列提供，作为剂量的范围或两个或多个离散的剂量。
如图3所示，对于上述LPP/LCP系统，使用低LPUV剂量(即，低于～40mJ/cm2且特别低于30mJ/cm2)照射LPP层将导致随后涂镀的LCP层中的微观低倾角域(LTD)的形成。术语LTD指具有与周围的LCP材料比较相对低的倾角的区域。更具体地，LTD稍微表现为在周围“正常表现”的较高倾角LCP相内的隔离的相分离域。因为LTD具有明显较低的倾角，它们展示比周围材料更高的面内延迟(或双折射)。因为LTD的空间分布一般在LCP层内是随机的，结果是具有随机分布的二进制(或接近于二进制)空间上变化的倾角。通常，当LPUV剂量降低时，LTD的尺寸和区域密度将增加。在某个点，如果剂量足够低，则预期LTD的连续网络。
参考图7，示出了使用上述LPP/LCP系统在20mJ/cm2处以单次曝光形成微观LTD的例子。更具体地，照片显示图像，其中该结构包括具有空间上变化的倾角的第一区域(即，显示LTD的上面的区域)和具有一致的倾角的第二区域(即，下面的区域)。上面的照片是BS图像，样本在交叉的偏振器之间的透射中被观看，而下面的照片是DS图像，样本在交叉的偏振器之间的透射中被观看。右下方的照片显示在BS图像中的LTD的特写，样本在交叉的偏振器之间的透射中被观看。
空间上变化的倾角LCP结构通过在200mm熔融的硅石衬底晶片上旋涂包括环戊酮中的ROP119的2wt％溶液的LPP层来形成(例如，在60秒内以2000RPM)，以获得50nm厚的取向层。在这个实施方式中，在衬底上不设置抗反射层。LPP涂敷的衬底首先在第一次曝光中在20mJ/em2的相对低的均匀剂量处对LPUV曝光。只LPP涂敷的衬底的下面的部分接着在第二次曝光中对100mJ/cm2的LPUV剂量(即，对于120mJ/cm2的总剂量)曝光。LPUV光的方位角在每种情况下为0。随后，LCP层通过在LPP层上旋涂ROF5106LCP前体的37％wt％溶液(即，以1000rpm)来形成。LCP前体层随后被退火、UV固化以形成LCP、后烘培。
因而形成的LCP层具有在空间上变化的面内延迟。特别是，下面的区域将具有相应于相对高倾角的一致的延迟，而上面的区域具有二进制空间上变化的延迟。更具体地，面内延迟值在衬底的整个表面上以随机的二进制方式在空间上变化。参考图7，二进制空间上变化的倾角产生于从LTD的形成(即，BS图像中的较亮的相)。特别地，LTD通过旋向线(即，较低的倾斜相的较黑的线)与主LC矩阵分离。通常，两个相将展示相同的慢轴(SA)方向，虽然确切的倾角和面内折射没有被测量。
有利地，该实施方式使用单次曝光提供了两个离散的LCP倾角(即，一个来自LTD，而一个来自“正常”表现的LCP)的随机空间分布。通常，LCP层内的LTD的相对尺寸和区域密度依赖于曝光剂量，以及依赖于其它处理条件。
在参考图7讨论的实施方式中，使用单次曝光实现空间上变化的倾角。在其它实施方式中，使用足够低剂量LPUV光的LTD的形成与上述实施方式中的任何一个组合。例如，参考图8，示出了使用类似于用于形成图4所示的结构的方法形成的微观LTD的例子。
更具体地，空间上变化的倾角LCP结构通过在200mm熔融的硅石衬底晶片上旋涂包括环戊酮中的ROP119的2wt％溶液的LPP层来形成(例如，在60秒内以2000RPM)，以获得50nm厚的取向层。在这个实施方式中，在衬底上不设置抗反射层。LPP涂敷的衬底接着经受两步骤照射过程。在第一步骤中，该层在第一次曝光中对LPUV曝光而没有光掩模，以在所有位置设定最低倾角。更具体地，该第一LPUV曝光提供了相应于较低的倾角的均匀低剂量(即，20mJ/cm2)。在第二步骤中，上面的部分在第二次曝光中通过具有5μm线/5μm的间隔的光栅光掩模对LPUV光曝光，以在相应于光掩模的透射区域(5μm间隔)的选定位置设定较高的倾角。更具体地，第二次LPUV曝光提供了模式化的高剂量(即，100mJ/cm2)，使得第一次低剂量曝光和第二次高剂量曝光的和相应于在相应于光掩模的透射区域的位置处产生的高倾角。对于这两次曝光，LPUV光的方位角是相同的，其相对于某个任意参考被测量(在这种情况下，方位角名义上平行于光栅方向)。随后，LCP层通过在LPP层上旋涂ROF5106LCP前体的37％wt％溶液(即，以1000rpm)来形成。LCP层中的LC指向矢采用由模式化的LPUV曝光剂量限定的倾角图案。LCP前体层随后被退火、UV固化以形成LCP、后烘培。
因而产生的LCP层包括具有5微米宽的线的上面的区域以及具有随机分布的LTD(例如，相应于20mJ/cm2的单次剂量)的下面的区域，这些线以倾角交替(例如，相应于20和120mJ/cm2的交替的剂量)。参考图8，较黑的光栅线相应于120mJ/cm2剂量，因此具有较高的倾角，而较亮的光栅线相应于20mJ/cm2剂量，因此具有比120mJ/cm2剂量低的倾角。特别地，LTD表现为优先形成低剂量光栅线。特别是，显然较小尺寸的LTD只在较亮的20mJ/cm2剂量线上成核。然而，一些较大尺寸的LTD被发现在两个或多个20mJ/cm2剂量线之间越过120mJ/cm2线跨接。
有利地，展示LTD桥接效应的LCP层在需要三个或多个LCP倾角的准随机分布和/或在没有LTD的情况下可用倾角的范围不足的应用中有潜力。例如，在一个实施方式中，LPP层对交替的小特征的图案曝光，例如，如在微观棋盘格图案中的，其中交替的特征可选地对高和低LPUV剂量曝光。在这种情况下，该过程被优化以使LTD在低剂量特征的某个比例上随机地成核，且对那些LTD中的一些桥接到其它附近的低剂量特征。
在其它实施方式中，通过增加高剂量特征的宽度，增加低剂量特征的宽度，或增加应用于低剂量线的剂量，LTD桥接减小和/或被消除，以便减小LTD的尺寸和区域密度。
设想了对具有空间上变化的倾角特别是具有LTD的LCP层的很多应用。例如，在一个实施方式中，具有空间上变化的倾角的LCP层用于抑制激光照明系统中的散斑。
激光照明系统通常用在投影显示器中，以提供高功率照明和饱和颜色。然而，虽然激光器提供了具有良好色彩的明亮图像，但是图像质量由于散斑而降低。当相干光从粗糙或多尘的表面反射或通过具有随机折射率变化的介质传播时产生散斑。更具体地，反射光包括具有大于光波长的微分延迟的多个光束，当反射光在探测器(例如人眼或平方律光电探测器)处干涉时产生散斑。该干涉提供了光密度的不均匀的、随机的波动，通常称为散斑图样。
在投影显示器中，散斑通常在光从显示屏反射时产生，显示屏一般具有大于激光的波长的四分之一的表面粗糙度。所反射的激光的因而形成的随机空间干扰产生明显降低图像质量(例如，使它看起来是粒状的和/或较不清楚)的散斑图样。此外，根据视点，散斑图样可能由于在给定方向上的相对相位延迟的不同特征而改变。因此，被观察的图像随着视点改变，且光学系统不能可靠地重建高保真度图像。
虽然折射率变化、光学部件上的灰尘和屏幕粗糙度都引起散斑，该效应一般只在使用相干光源例如激光器时是个明显的问题。存在几种方法用于减少/破环激光输出的相干性，使得显示器不受图像质量降低的影响。一种方法是增加纵模的数量，以便来自多个波长的散斑图样平均到平滑的分布。另一方法是使相干激光二极管(LD)的阵列平铺，该阵列规定空间上不相干的照明。不幸的是，波长分集的这个规定是昂贵的方法(即，很多微型投影仪一般依赖于单个LD芯片来输出数十流明照明)。又一方法是在激光照明中创建偏振分集。例如，一个激光光束可分成两个偏振，第一偏振被允许通过PBS，而第二偏振被延迟大于激光的相干波长。不幸的是，这种方法庞大且具有有限的散斑对比度降低。
除了改变激光二极管(LD)布置(即，降低空间相干性)或处理激光器件特征(即，提供偏振和波长分集)以减小激光光束的空间和时间相干性以外，可代替的方法是创建各种各样的沸腾散斑图样的很多小颗粒，沸腾散斑图样及时移动过XY平面并允许对探测器(即，眼睛)的时间平均以减少强度不均匀性。该方法一般需要外部光学元件，例如扩散器[J.W.Goodman et al.，“Speckle reduction by a moving diffuser in laser projectiondisplays，”Annual Meeting of the Optical Society of America，Rhode Island，2000]、相位板[美国专利号6,323,984和06747781]、或随机衍射光学元件[L.Wang et a1.，Specklereduction in laser projection systems by diffractive optical element，”Appl.Opt.37，pp.177-1775，1998]，其被振动或旋转以随时间对每个XY位置产生多个相位延迟。
在由此通过引用被并入本申请的对于激光照明系统的基于延迟器的去散斑器件的美国专利号12/424,168中，Tan等人提出了另一方法，使用可启动的波片元件来产生很多不同的沸腾散斑图样。特别是，可启动的波片元件通过提供可变的相位调制产生各种各样的散斑图样，该相位调制由近半波光学延迟器的机械扰动和/或电子转换产生，该近半波光学延迟器具有包括多个旋涡的空间上变化的慢轴方向(即，倾角是恒定的，但方位角在延迟器的整个表面上变化)。
根据本发明的一个实施方式，具有空间上变化的倾角的LCP层用于产生随机相位扩散器，其用于在激光投影系统中抑制散斑。
参考图9，示出了形成随机相位扩散器的随机倾斜的液晶器件的例子。器件200包括布置在衬底209上的可变倾斜LC层201。LC层201包括多个不同地倾斜的指向矢，其中两个被示为202和203。出于说明的目的，LC层201被示为平行于XY平面，而入射光平行于Z轴215传播。LC分子的倾斜面平行于XZ平面。输入线偏振210被取向到倾斜面。
在没有损失一般性的情况下，单个编码元件由相对于Z轴倾斜一角度并包含在XZ面内的LC指向矢表示。参考图10，该LC指向矢的双折射可被投影到如(b)中所示的面内和面外双折射部件，该LC指向矢具有如(a)中所示的单轴O板双折射。更具体地，LC指向矢202形成具有Z轴的极角偏移222θc，而面外倾角223θt由π/2-θc给出。在极端情况下，LC取向具有A板对称性(θt＝0度)或C板对称性(θt＝90度)。从描述折射率椭球的二次方程中，面内na和面外nc有效折射率由XY平面230内的投影和沿着Z轴240的投影表示。这些有效折射率由下式给出：
1 [ n A ( θ t ; λ ) ] 2 = cos 2 ( θ t ) [ n e ( λ ) ] 2 + sin 2 ( θ t ) [ n o ( λ ) ] 2 , 和(1)
1 [ n C ( θ t ; λ ) ] 2 = sin 2 ( θ t ) [ n e ( λ ) ] 2 + cos 2 ( θ t ) [ n o ( λ ) ] 2 - - - ( 2 )
其中ne(λ)和no(λ)是单轴材料的非寻常和寻常折射率的色散。在使相位提前方面，相对于A板取向的像素(θt＝0)，方程(1)给出随着面外倾角的增加的相位斜波的非线性增加。相对于A板配置的像素(即，na(θt；λ)-ne(λ))的相差在图11中绘制出。从该图中，以～56.7°与LC倾角对准的编码像素产生每-0.1单位长度的相差。换句话说，2mm像素高度提供相对于A板像素的200nm相位超前。这在λ＝400nm处给出所需的π相位阶跃。
以这种方式，使通过每个微观LC域的相对相位延迟依赖于LC分子的面外倾角。这是纯相位调制。可忽略在每个XY位置处的恒定的振幅项。到达探测器分辨率的每个相位单元划分的复振幅由下式给出：
Figure BSA00000221823300163
为了使空间上变化的倾斜LC层作为用于抑制散斑的随机调制器件起作用，倾角一般及时变化，以便产生主动扩散器。参考图12，示出了包括用于将随机调制应用于子分辨率光束的所启动的主动扩散器的投影系统的子系统400。特别是，子系统400包括具有线性输出偏振320的相干激光源301。扩散器403包括具有随机倾斜的微米域的LC延迟器。出于说明目的，LC指向矢的投影被示为在不同的XY位置处沿着器件横截面。扩散器403被致动器410(例如，电子/光机械)及时平移。每个光流在该配置中作为e波传播。因此，输出偏振未改变，如线偏振321所示的。扩散器在探测器的每个间隔内产生时间调制差异。在本例中，主动扩散器沿着LC指向矢倾斜面线性平移，如箭头411所示。激光光束沿着Z方向传播。通过在一个探测器积分时间内对每个子分辨率区域随机提供光束的变化的相位，一系列不相关的或空间上关联的散斑图样在探测器产生。在子分辨率区域上和在时间上平均使强度不均匀性能够减小。
图12所示的基于激光器的照明子系统可利用强度调制面板(例如，DLP)和基于偏振的调制面板(例如，硅基透射LCD或反射LC)来合并到显示系统中。因为随机扩散器可被制造成使得倾角是在空间上变化的，而快轴是恒定的，随机扩散器有利地保持在照明中的偏振态，因而对基于偏振的系统是理想的。在基于强度的显示系统中，激光照明的偏振输出和主动扩散器不需要被保存。在每种情况下，制造具有LTD的去散斑器件在对抑制在激光照明系统中所感觉到的散斑图样理想的规模上有利地提供了倾角的变化。例如，通常，LTD的平均宽度一般小于100微米，常常在5和10微米之间。当然，具有更小或更大的宽度的LTD都是可能的并被设想。
在本发明的又一实施方式中，空间上变化的倾角延迟器用于形成例如在美国专利申请号20090009668中公开的偏振全息图，在此通过引用并入本申请。在又一些其它实施方式中，空间上变化的倾角延迟器用在光学捕获、光镊或光相干层析成像应用中。
当然，上面的实施方式仅作为例子被提供。本领域普通技术人员应认识到，可以使用各种修改，可选配置和/或等效形式，而不偏离本发明的精神和范围。特别是，使用足够低剂量的LPUV光形成LTD的方法可与形成空间上变化的倾斜层的任何其它方法组合。此外，虽然上述显示使用LPP/LCP系统提供LTD(例如，多个离散区域)，可以预计其它O板LPP/LCP系统能够使用类似的LPUV剂量提供类似结果。相应地，本发明的范围因此被认为仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种制造包括具有空间上变化的倾角的液晶层的光学元件的方法，所述方法包括步骤：
a)使用线性光聚合的聚合物层涂覆衬底；
b)使用线偏振紫外光以斜角照射所述线性光聚合的聚合物层；以及
c)在所照射的线性光聚合的聚合物层的表面上涂敷一层液晶材料，
其中所述液晶材料在其倾角和线偏振紫外光的总剂量之间有预定的关系，以及
其中使用至少一个剂量的线偏振紫外光照射所述线性光聚合的聚合物层，所述至少一个剂量的线偏振紫外光足以引起在具有比相邻区域更大的面内双折射率的液晶层内形成多个离散区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述液晶材料包括液晶聚合物前体，并包括步骤：
d)使用紫外光照射具有所述多个离散区域的所述液晶层以形成液晶聚合物。
3.如权利要求2所述的方法，其中步骤b)包括：
使用足以引起形成所述多个离散区域的所述至少一个剂量的线偏振紫外光照射所述线性光聚合的聚合物层；以及
通过光掩模使用第二剂量的线偏振紫外光照射所述线性光聚合的聚合物层。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述光掩模包括对所述线偏振紫外光的不同透射水平的至少两个离散区域。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述光掩模是具有对所述线偏振紫外光的连续变化的透射的可变透射掩模。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述光掩模是光栅光掩模。
7.如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个剂量和所述第二剂量由具有相对于所述衬底的不同方位角方向的线偏振光所提供。
8.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)包括：
使用足以引起形成所述多个离散区域的所述至少一个剂量的线偏振紫外光照射所述线性光聚合的聚合物层；以及
通过光掩模使用第二剂量的线偏振紫外光照射所述线性光聚合的聚合物层。
9.如权利要求8所述的方法，其中步骤b)包括：
移动所述光掩模和所述衬底中的至少一个，同时使用所述第二剂量的线偏振紫外光照射所述线性光聚合的聚合物层。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述液晶层内的所述多个离散区域和周围的区域具有相同的慢轴方位角方向。
11.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述衬底包括布置在所述衬底的背面上的紫外抗反射涂层或紫外吸收涂层。
12.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述至少一个剂量小于40mJ/cm2。
13.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述至少一个剂量小于30mJ/cm2。
14.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述多个离散区域是随机或准随机分布的。
15.如权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述光学元件用于抑制激光照明系统中的散斑。
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