CN102317824A - 偏振光分离元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
通过在规定形状的光栅凹槽中填充聚合性液晶并接着使聚合性液晶固化,不使用液晶取向膜而形成一种条纹状结构,所述条纹状结构由取向方向与凹槽的长度方向一致的单轴性高分子液晶构成。由此,由于能够不使用取向膜而使高分子液晶良好稳定地取向,且膜厚的调整也变得容易,因此能够稳定地得到分离效率高且分离效率的均一性好的偏振光分离元件。
Description
技术领域
本发明涉及分离元件及其制造方法。
背景技术
以往,在使用了高分子液晶的偏振性分离元件中,通过如下方法制作形成了规定形状的光栅的高分子液晶薄膜,从而形成具有光学各向异性的衍射光栅:在2块透明基板上涂布、热固化聚酰亚胺树脂后,利用抛光进行取向处理而形成液晶取向膜,然后在两基板间填充聚合性液晶材料,在聚合性液晶为液晶状态的温度下隔着光掩模进行曝光而形成光栅后,升温至聚合性液晶成为各向同性状态的温度,并使未固化的聚合性液晶交联。
但是,该方法具有如下问题:难以稳定并管理由形成的取向膜所引起的聚合性液晶的取向状态,而且抛光后洗涤工序是必须的。
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的在于解决以往技术中的前述问题而提供一种新的使用高分子液晶薄膜的分离元件及其制造方法。
解决课题的方法
本发明的偏振光分离元件的特征在于,其为将由单轴性高分子液晶构成的条纹状结构排列而成的偏振光分离元件,由单轴性高分子液晶构成的条纹状结构在各向同性介质中形成,且高分子液晶的光轴与条纹状结构的长度方向一致。
另外,本发明的偏振光分离元件的第1制造方法的特征在于,在形成于介质中的规定形状的凹槽中填充聚合性液晶后进行固化,从而形成使光学各向异性轴沿凹槽的长度方向取向的高分子液晶光栅。
本发明的偏振光分离元件的第2制造方法的特征在于,在形成于转印用金属模具上的规定形状的凹槽中填充聚合性液晶后进行固化而形成高分子液晶,利用各向同性介质将前述高分子液晶转印到基材上后,用各向同性介质填充由前述高分子液晶形成的光栅间隙。
发明效果
通过采用本发明的分离元件的结构及制造方法,能够不使用特别的取向膜而使高分子液晶良好稳定地取向,而且膜厚的调整也变得容易,因此能够稳定获得分离效率高且分离效率的均一性好的偏振光分离元件。
附图说明
图1A和图1B分别为表示本发明中的偏振光分离元件的一例的侧面截面图。图1A为表示在表面形成有凹凸形状的基板的凹槽中形成了高分子液晶的偏振光分离元件的侧面截面图;图1B为表示高分子液晶层被转印到基板上的偏振光分离元件的侧面截面图。
图2A~图2C为表示本发明的偏振光分离元件的制造工序的一例的侧面截面图。图2A为表示在具有凹凸的基板的凹槽中填充液状聚合性液晶的工序的侧面截面图;图2B为表示利用紫外线将填充的聚合性液晶进行聚合固化而形成高分子液晶的工序的侧面截面图;图2C为表示制成的偏振光分离元件的结构的侧面截面图。
图3A~图3E为表示本发明的偏振光分离元件的制造工序的另外一例的侧面截面图。图3A为表示在具有凹凸的金属模具的凹槽中填充液状聚合性液晶的工序的侧面截面图;图3B为表示利用紫外线将填充的聚合性液晶进行聚合固化而形成高分子液晶的工序的侧面截面图;图3C为表示在填充有高分子液晶的金属模具上层叠液状的紫外线固化树脂和玻璃板,利用紫外线将紫外线固化树脂进行聚合固化而形成透明各向同性介质,并将高分子液晶转印到基板上的工序的侧面截面图;图3D为表示在通过透明各向同性介质在基板上转印的高分子液晶光栅上涂布液状的紫外线固化树脂,并利用紫外线将紫外线固化树脂进行聚合固化而形成另一透明各向同性介质的工序的侧面截面图;图3E为表示制成的偏振光分离元件的结构的侧面截面图。
具体实施方式
针对上述课题,本发明中,在预先形成为规定形状的凹槽中填充聚合性液晶。聚合性液晶不实施特别的取向处理而是通过凹槽壁面与液晶分子的相互作用来自发地沿凹槽的长度方向取向。之后,维持该取向状态而使聚合性液晶聚合,从而形成高分子液晶。由此,能够不通过液晶取向膜而沿凹槽的长度方向高精度地控制高分子液晶的取向方向,并且液晶层的厚度也能够通过预先形成的凹槽的深度进行控制。
本发明中使用的用于形成高分子液晶光栅的聚合性液晶为表现出液晶性的单体、低聚物及其他的反应性化合物等的组合物。
作为固化聚合性液晶的方法,有照射可见光或UV(紫外)光等光的方法、加热的方法等,但由于照射光的固化方法不容易受聚合性液晶的相变温度的制约,因此是优选的。因此,此处说明通过光的照射将聚合性液晶聚合并固化的情况。另外,本发明书中,为了方便起见,将该液晶未聚合的状态称作“聚合性液晶”,将高分子化后的状态称作“高分子液晶”,以示区别。
将本发明的具备高分子液晶光栅的偏振光分离元件的结构的一例示于图1A和图1B。
图1A表示本发明的偏振光分离元件的一例的截面图。图中,1为由高分子液晶形成的光栅,2为由各向同性介质形成的基板。该结构中,通过在预先形成了规定的凹凸形状的基板2的凹槽中填充聚合性液晶,液晶分子通过凹槽壁面与液晶之间的分子相互作用而自发地沿凹槽的长度方向排列,因此能够不实施特别的取向处理而使液晶在基板的表面上沿凹槽的长度方向取向。如果在该状态下固化聚合性液晶,则能够稳定制成具有光学各向异性的偏振光分离元件。
作为本结构中使用的基板2,折射率等于高分子液晶的常光折射率(no)或非常光折射率(ne)的各向同性介质由于可提高依赖于入射光的直线偏振光方向的偏振光分离性能而被优选。
作为基板2,可以使用透明的玻璃板或塑料板、在将涂布于玻璃基板上的丙烯酸系自由基聚合单体作为主成分的紫外线固化树脂上转印有凹凸形状的所谓的2P(Photo Polymer)基板等,但从量产性、凹槽容易成形的方面考虑,优选塑料板,从硬度、耐久性等优异的方面考虑,优选玻璃板。
另外,从与液晶层的折射率容易匹配的方面考虑,优选只要形成凹槽的UV树脂固化物的折射率与高分子液晶的折射率一致即可的2P基板。而且,根据需要,还可以在基板的凹凸面上实施用于强化粘接力的处理。
另外,聚合性液晶中,优选在表现出液晶状态的介晶基团(mesogenic group)的末端带有丙烯基、环氧基等具有聚合性的官能团的物质,最优选在聚合前的液晶状态中具有向列状态的物质。
图1B为表示本发明的偏振光分离元件的另一例的截面图。如图所示,也可以用另一透明的各向同性介质3包覆由高分子液晶1形成的光栅。4为由玻璃或塑料等形成的透明基板。
作为各向同性介质3,最优选紫外线固化树脂。特别是在形成高分子液晶1的聚合性液晶中使用丙烯酸改性型的情况下,通过在各向同性介质3中使用丙烯酸系紫外线固化树脂,能够在高分子液晶1和各向同性介质3之间获得较强的粘接。
作为包围聚合后的高分子液晶1的各向同性介质2,折射率等于高分子液晶薄膜的常光折射率(no)或非常光折射率(ne)的各向同性介质由于可提高依赖于入射光的直线偏振光方向的偏振光分离性能而被优选。作为各向同性介质2,例如可以使用光聚合型的丙烯酸系树脂、环氧系树脂等。
各向同性介质2、3的材料可以不同也可以相同。
本发明的偏振光分离元件不限定于图1A和图1B。还可以形成例如用其他的透明部件夹持本发明的偏振光分离元件的结构、与其他的光学部件层叠的结构。
上述本发明的结构中,由于液晶分子通过与凹槽的壁面的相互作用而自发地相对凹槽而沿平行方向排列,因此高分子液晶的光轴变成与凹槽的长度方向平行。
由于该效果在凹槽的截面形状为矩形、三角形、半圆形等任意形状时均能表现出,因此可以根据用途来选择适当的形状,但用于衍射光栅时,优选矩形形状、三角形。
另外,本发明的结构中,由于液晶层的取向通过液晶分子与凹槽的壁面的相互作用而发生,因此形成的高分子液晶的光轴并不仅限定于凹槽的长度方向。这在用作偏振光分离元件的场合完全不受制约。通过例如在1个元件中设置凹槽的方向不同的多个区域,从而具有这样的优点,即容易地设置多个形成不同取向方向的高分子液晶光栅的区域。但是,这种情况下,根据入射的偏振光的偏振方向,不使偏振光衍射的高分子液晶光栅与完全使其衍射的高分子液晶光栅被分别限定。
另外,上述偏振光分离元件为光透过型元件,但本发明的偏振光分离元件并不限定于此,还可以适用于反射型元件。
实施例
以下关于本发明的实施例,边参照附图边进行说明。
实施例1
图1A表示例示的偏振光分离元件的实施例。将排列由高分子液晶构成的条纹状结构而形成的偏振光分离元件的第1制造方法的各工艺的侧面截面图示于图2A~图2C。
作为基板2,使用在表面上层叠了紫外线固化树脂层的玻璃基板,所述紫外线固化树脂层在表面形成了槽宽10μm、槽距20μm、深8μm的相互平行的多个凹槽(图2A~图2C中省略了玻璃基板的图示)。该基板2通过所谓的2P法来制作,即:在表面经Ni-P化学镀的金属模具上利用机械加工形成凹槽,在所得的金属模具上涂布液状紫外线固化树脂并层叠玻璃基板后,照射紫外线而固化紫外线固化树脂,在紫外线固化树脂上转印凹槽形状后,一体地剥离玻璃基板和紫外线固化树脂层。作为紫外线固化树脂,使用将丙烯酸异冰片酯(共荣社化学制造)和作为折射率调整剂的苯氧基丙烯酸酯(共荣社化学制造)总计80重量份、作为聚合引发剂的IRGACURE184(汽巴精化制造)3重量份、与二环戊二烯六丙烯酸酯(共荣社化学制造)20重量份进行混合,并将固化物的折射率设为1.525的物质。
首先,如图2A所示,在基板2的凹凸面上滴加作为液状的聚合性液晶5的RMS03-001C(默克制造),将溶剂加热干燥后降至室温,然后用涂刷器6使基板2的表面变得均匀,除去从基板2的凹槽露出的聚合性液晶而使表面平坦化。箭头6a表示涂刷器6的移动方向。
在该状态下,接着如图2B所示,照射以365nm的波长为主的紫外线11而使聚合性液晶5反应固化,从而形成如图2C所示的偏振光分离元件。
在偏光显微镜下观察具有条纹状结构的高分子液晶1的取向状态时,观察到高分子液晶光栅的分子轴沿其条纹方向(凹槽方向)取向,并确认为良好的取向状态。
对于对基板2滴加后以及用涂刷器6对凹槽填充后,分别通过偏光显微镜观察液状的聚合性液晶5的取向状态,结果:滴加后未见较强的取向状态,而与此相对,用涂刷器6对凹槽填充后,观察到与凹槽的长度方向平行的较强的取向。被认为其原因是:由于液晶分子具有与基板2的壁面平行排列的性质,因此在被多个壁面包围的凹槽中,液晶分子自发地相对凹槽而沿平行方向排列。
涂刷时,难以使聚合性液晶完全仅残留在凹槽内,会连带少量的聚合性液晶残留在凹槽与凹槽之间的平坦部分,但该部分的聚合性液晶由于不受凹槽的强的取向限制,因此成为无规取向,并且由于厚度也非常薄,因此不影响形成的光栅的偏振状态。
另外,对所得的偏振光分离元件照射已偏振的红色激光,在使偏振方向与高分子液晶1的条纹方向(凹槽方向)一致的情况下,通过目视能够确认:相对其正交方向,衍射光强度变化较大,从而能够确认本发明中获得更加良好的偏振衍射光。
另外,RMS03-001C的固化物的常光折射率为1.529,非常光折射率为1.684,包围高分子液晶的紫外线固化树脂的折射率比它们低,这是考虑了凹槽中的聚合性液晶固化时会体积收缩而导致其膜厚变化的结果。
实施例2
图1B表示例示的偏振光分离元件的实施例。将排列由高分子液晶构成的条纹状结构而形成的偏振光分离元件的第2制造方法的各工艺的侧面截面图示于图3A~图3C。
本实施例中,首先,如图3A所示,在表面形成有槽宽10μm、槽距20μm、深8μm的相互平行的多个凹槽的金属模具7上滴加作为聚合性液晶5的RMS03-001C(默克制造),将溶剂加热干燥后降至室温,然后用涂刷器6使金属模具7的表面变得均匀,除去从金属模具7的凹槽露出的聚合性液晶而使表面平坦化。箭头6a表示涂刷器6的移动方向。另外,该金属模具7为在经Ni-P化学镀的表面上利用机械加工形成凹槽而得到的金属模具。
在该状态下,接着如图3B所示,照射以365nm的波长为主的紫外线11而使聚合性液晶5反应固化。
接着如图3C所示,在凹槽中填充有高分子液晶1的金属模具7上涂布液状紫外线固化树脂,在其上层叠表面形成了由KBM-503(信越化学制造)构成的粘接强化膜(未图示)的0.5mm厚的玻璃基板4,并照射以365nm的波长为主的紫外线12而使紫外线固化树脂反应固化。作为液状紫外线固化树脂,使用将丙烯酸异冰片酯(共荣社化学制造)和作为折射率调整剂的苯氧基丙烯酸酯(共荣社化学制造)总计80重量份、作为聚合引发剂的IRGACURE184(汽巴精化制造)3重量份、与二环戊二烯六丙烯酸酯(共荣社化学制造)20重量份进行混合,并将固化物的折射率设为1.53的物质。
在该阶段,由于由固化了的紫外线固化树脂形成的透明各向同性介质3与高分子液晶1牢固地粘接,因此可以在玻璃基板4一侧转印由高分子液晶1形成的光栅。
之后,从金属模具7将通过各向同性介质3而与玻璃基板4一体化的由高分子液晶1形成的光栅剥落取下后,如图3D所示,在各向同性介质3上的高分子液晶1的表面上涂布与上述不同的液状的紫外线固化树脂,并照射以365nm的波长为主的紫外线13而使紫外线固化树脂反应固化,从而形成由透明树脂构成的各向同性介质2。如此制成如图3E所示的偏振光分离元件。作为构成各向同性介质2的紫外线固化树脂,使用将甲基丙烯酸羟丁酯(共荣社化学制造)和作为折射率调整剂的2-羟基-3-苯氧基丙基丙烯酸酯(共荣社化学制造)总计80重量份、作为聚合引发剂的IRGACURE184(汽巴精化制造)3重量份、与1,6-二丙烯酸己酯(共荣社化学制造)20重量份进行混合,并将固化物的折射率设为1.53的物质。
在偏光显微镜下观察具有条纹状结构的高分子液晶1的取向状态时,观察到高分子液晶光栅的分子轴沿其条纹方向取向,并确认为良好的取向状态。
另外,对所得的偏振光分离元件照射已偏振的红色激光,在使偏振方向与高分子液晶1的条纹方向一致的情况下,通过目视能够确认:相对于其正交方向,衍射光强度变化较大,从而能够确认本发明中获得更加良好的偏振衍射光。
符号说明
1:高分子液晶
2:各向同性介质(基板)
3:各向同性介质
4:透明基板
5:透明性液晶
6:涂刷器
7:金属模具
Claims (4)
1.一种偏振光分离元件,其特征在于,其为将由单轴性高分子液晶构成的条纹状结构排列而成的偏振光分离元件,由单轴性高分子液晶构成的条纹状结构在各向同性介质中形成,且高分子液晶的光轴与条纹状结构的长度方向一致。
2.如权利要求1所述的偏振光分离元件,其特征在于,高分子液晶与各向同性介质不通过液晶取向膜而直接接触。
3.一种偏振光分离元件的制造方法,其特征在于,在形成于介质中的规定形状的凹槽中填充聚合性液晶后进行固化,从而形成使光学各向异性轴沿凹槽的长度方向取向的高分子液晶光栅。
4.一种偏振光分离元件的制造方法,其特征在于,在形成于转印用金属模具上的规定形状的凹槽中填充聚合性液晶后进行固化而形成高分子液晶,利用各向同性介质将所述高分子液晶转印到基材上后,用各向同性介质填充由所述高分子液晶形成的光栅间隙。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120111 |