CN103353696A

CN103353696A - 宽视角波片及其应用

Info

Publication number: CN103353696A
Application number: CN2013102418385A
Authority: CN
Inventors: 钱皓; 董昆
Original assignee: Jiangsu Hecheng Display Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Hecheng Display Technology Co Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN103353696B

Abstract

本发明提供一种宽视角波片，包括：两个液晶盒，每个所述液晶盒包括相对的一第一侧和一第二侧以及在所述第一侧和所述第二侧之间的双折射液晶材料；所述两个液晶盒以所述第一侧相互贴合或者以所述第二侧相互贴合的方式配置；每一个所述液晶盒中的所述双折射液晶材料中的液晶分子在靠近所述第一侧处具有0°至20°的预倾角，在靠近所述第二侧处具有70°至90°的预倾角；在所述第一侧和所述第二侧之间的所述双折射液晶材料的液晶分子呈现自然展曲状态。本发明的宽视角的波片，能够实现利用较为简单的制作工艺，较低的制作成本，达到使波片产生的相位差不再随视角变化的效果。

Description

宽视角波片及其应用

技术领域

本发明涉及一种波片，尤其涉及一种宽视角的波片，及其在光学器件中的应用。

背景技术

常用的波片由双折射晶体或树脂材料经过一轴拉伸制成。其产生的相位延迟随着光线经过波片的方向有明显差异。这种差异会破坏光学器件的视角特性。比如使用圆偏振光的3D显示器件中，正视角下，λ/4板可以正确地将相互垂直的线偏振光转换为左旋和右旋圆偏振光；但随着视角倾斜，λ/4板产生的光延迟量将随视角变化，左旋和右旋圆偏振光将带有椭圆成分。这一现象将使左右眼图像发生串扰，严重破坏3D显示效果。类似地，在TFT-LCD中应用的补偿液晶层的色散，将椭圆偏振光补偿为直线偏振光的相位差补偿膜，也存在正视角时完成补偿，视角倾斜时相位差补偿值不正确，破坏TFT-LCD显示效果的问题。这种波片产生的相位差随视角变化而变化的特性，因波片在立体空间特定方向的折射率不同而产生。

预倾角为液晶指向矢最初偏离液晶盒法线方向的角度，由于上基板处的液晶分子具有一定的预倾角，当外加电场低于临界电场以后，靠近处的液晶分子由于弹性力的作用将沿着该方向就地旋转，并且逐渐发展到下基板处的液晶分子在液晶盒内产生展曲形变。

设定入射方向垂直于xy平面的偏振光，偏振方向分别为x轴和y轴方向时，波片的折射率为n_x，n_y，波片厚度方向的折射率为n_z。如果将三个折射率的关系调整为(n_x+n_y)/2=n_z，可以使波片产生的相位差不再随视角变化。在现有技术中，这种方法需要使用三光轴晶体，或多材料进行二轴拉伸，但是使用该方法制作的波片，对材料要求高，制作工艺难。

因此，需要一种宽视角的波片，能够实现利用较为简单的制作工艺，较低的制作成本，达到使波片产生的相位差不再随视角变化的效果。

发明内容

本发明提供一种宽视角波片，使用双折射液晶材料，通过取向层，电场或磁场作用，使液晶分子取向在同一平面内完成120°至180°的翻转，或60°至90°的翻转。使用单层或两层取向翻转的液晶材料制作的波片，可以实现水平方向180°范围内不同视角产生的光延迟量差异不超过0.05π，水平方向120°范围内不同视角产生的光延迟量差异不超过0.02π。

本发明的一个方面提供一种宽视角波片，包括：两个液晶盒，每个所述液晶盒包括相对的一第一侧和一第二侧以及在所述第一侧和所述第二侧之间的双折射液晶材料；所述两个液晶盒以所述第一侧相互贴合或者以所述第二侧相互贴合的方式配置；

每一个所述液晶盒中的所述双折射液晶材料中的液晶分子在靠近所述第一侧处具有0°至20°的预倾角，在靠近所述第二侧处具有70°至90°的预倾角；在所述第一侧和所述第二侧之间的所述双折射液晶材料的液晶分子呈现自然展曲状态。

本发明的另一个方面提供一种宽视角波片，包括一个液晶盒，所述液晶盒包括相对的一第一侧和一第二侧以及在所述第一侧和所述第二侧之间的双折射液晶材料；

所述液晶盒中的所述双折射液晶材料中的液晶分子在靠近所述第一侧和在靠近所述第二侧处均具有0°至20°的预倾角，或者，所述液晶盒中的所述双折射液晶材料中的液晶分子在靠近所述第一侧和在靠近所述第二侧处均具有70°至90°的预倾角；同时，处于在所述第一侧和所述第二侧之间、与所述第一侧和所述第二侧基本上等间距的中间侧处的所述双折射液晶材料的液晶分子，处于相变状态；在所述第一侧和所述中间侧以及在所述中间侧和所述第二侧之间的所述双折射液晶材料的液晶分子呈现自然展曲状态。

在一些实施方案中，所述双折射液晶材料是流动态液晶或者取向后固化的液晶，所述液晶盒还包括上基板、下基板、上取向层和下取向层，其中所述流动态液晶或所述取向后固化的液晶在所述上取向层和所述下取向层之间。

在一些实施方案中，所述固化可以是热固化或者UV固化。

在一些实施方案中，当所述双折射液晶材料为取向后固化的液晶时，所述宽视角波片可以只包含下基板。

在一些实施方案中，所述上基板和所述下基板各自独立地为刚性基板或者柔性基板。其中，所述刚性基板可以为玻璃基板，所述柔性基板可以为塑料基板。

在一些实施方案中，所述上取向层和所述下取向层可以各自独立地为垂直取向层或者水平取向层。

在一些实施方案中，当所述双折射液晶材料是流动态液晶时，所述中间侧处的所述双折射液晶材料的液晶分子处于0.5-10V范围的电压作用下。

在一些实施方案中，所述液晶盒还包括上基板、下基板、上导电层、下导电层、上取向层和下取向层，其中所述流动态液晶或所述取向后固化的液晶在所述上取向层和所述下取向层之间，所述上基板在所述上导电层外侧，所述下基板在所述下导电层外侧，所述上取向层、下取向层均为垂直取向层；或者均为水平取向层。

在一些实施方案中，所述上基板和/或所述下基板包含透明导电层。

在一些实施方案中，所述导电层设置在所述上基板、下基板的内表面上。

本发明的另一个方面还提供如本发明所述的宽视角波片在宽视角圆偏光发生器和广视角3D显示器中的应用。

与现有技术的波片相比，本发明的宽视角波片，视角范围能够实现水平方向180°内，不同视角产生的光延迟量差异不超过0.05π，同时，视角范围水平方向120°内，不同视角产生的光延迟量差异不超过0.02π，并且本发明的宽视角波片可以不使用导电层，从而减少对环境的危害，节约成本，适合工业化生产。

本发明涉及光学原理是利用液晶分子旋转在水平方向上的对称性，和视角增加产生的液晶层厚度增加，实现自补偿，如图2和图3所示。

附图说明

图1是表示本发明宽视角波片，包含两个液晶盒时，所述液晶盒的结构示意图；

图2是表示本发明宽视角波片，包含一个液晶盒时，所述液晶盒的结构示意图；

图3是表示厚度方向的液晶取向矢分布图；

图4是表示厚度方向的液晶取向矢分布图；

图5是方案A模拟示意图；

图6是方案B模拟示意图；

图7是方案C模拟示意图；

图8是方案D模拟示意图；

图9是视角特性说明图；

图10是实施例1宽视角λ/2波片与普通λ/2波片的透过率对比图；

图11是实施例2宽视角λ/2波片与普通λ/2波片的透过率对比图；

图12是实施例3宽视角λ/2波片与普通λ/2波片的透过率对比图；

图13是实施例4宽视角λ/2波片与普通λ/2波片的透过率对比图；

图14是宽视角λ/2波片的检测原理示意图；

图15是宽视角λ/4波片的检测原理示意图；以及

图16是两个宽视角λ/4波片叠加形成宽视角λ/2波片的检测原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的宽视角波片包含两个液晶盒时，所述液晶盒的结构依次为上基板、上取向层、液晶分子、下取向层、下基板。

如图2所示，本发明所述的宽视角波片，包含一个液晶盒时，所述液晶盒的结构依次为上基板、上导电层、上取向层、液晶分子、下取向层、下导电层、下基板。

预倾角是紧贴取向层的液晶分子的指向矢和取向层所在平面的夹角，其与取向层的种类和取向层的取向工艺有关，取向层的种类包括垂直取向层和水平取向层，取向层的取向工艺主要分为摩擦或光取向两种方式，取向层通过摩擦或光取向形成沟槽，液晶分子沿着沟槽方向排列，这样就形成了预倾角。

本领域技术人员通过图3和图4的厚度方向的液晶取向矢分布图，可以看出，紧贴取向层的液晶分子与取向层之间形成预倾角，其它液晶分子通过分子间作用力的相互作用，呈现自然“展曲”的状态。

本发明所提供的宽视角波片，通过宽视角λ/4波片和λ/2波片的检测原理示意图可以知道，经过λ/4波片后的出射光线为圆偏振光，而对圆偏振光的检测难度较高，故将两层宽视角1/4波片叠加，形成宽视角λ/2波片后再对其进行检测，如图14、图15和图16所示。其中，P1表示偏振片，P2表示偏振片，C1表示液晶盒，C2表示液晶盒。

为了达到发明的发明目的，现提供以下方案：

方案A：

如图5所示，通过上下基板上的取向层，使液晶取向。一侧液晶的预倾角为0°至15°，另一侧液晶的预倾角为75°至90°。使用向列相液晶填充在上下基板间，形成一个液晶盒10a。将两个液晶盒10a以镜面对称的方式贴合在一起，组成宽视角波片11a或12a。上下基板间的液晶厚度和液晶的折射率各向异性值决定此宽视角波片的光学延迟量。

比较理想的设计，是使用柔性基板，在两基板上分别使用水平取向层和垂直取向层。在使用垂直取向层的一面基板上，避开显示区域的位置制作凸起物，控制液晶层厚度。使用水平取向层的基板经过摩擦或光取向，控制液晶分子方向。向两基板间填充液晶，制成液晶盒。再将两液晶盒贴合制成宽视角波片。也可以使用三层基板，即上下两液晶盒公用一个基板。

方案B：

如图6所示，同样通过上下基板上的取向层，使液晶取向。一侧液晶的预倾角为0°至15°，另一侧液晶的预倾角为75°至90°。使用的不再是单纯的向列相液晶，而是可以固化的聚合型液晶（参见图6中的10b）。通过盒厚和取向层达成所需要的光学效果后，固化可聚合向列相液晶，使之成为液晶聚合物膜（20b1，20b2），再将两块液晶聚合物膜（20b1，20b2）以镜面对称方式贴合，制作宽视角波片（21b；22b）。此方法可以提高宽视角波片的可靠性，和工作温度范围。同时可以拆去上下基板，只留下液晶聚合物薄膜，可以通过提高透过率，减小反射率，进一步提高宽视角波片的光学效果。也可以不拆去上下基板，而是选用折射率和液晶相近的材料制作基板。

方案C:

如图7所示，将平行摩擦的液晶盒，灌入可以固化的聚合型液晶，在加电条件下，使液晶取向，两侧的预倾角均为0°至20°（10c），利用UV固化或热固化。实现图示C中所表达的结构（20c）。控制电压，从而保持中央与液晶盒表面垂直的液晶层的厚度足够小。而且可聚合的向列相液晶往往粘度较大，比较难实现所要求的排列效果。如果不适用可聚合液晶，则需要保持对液晶盒施加电压。

方案D：

如图8所示，方案D是与方案C相类似的结构，需要使用介电负性液晶，将平行摩擦的液晶盒，灌入可以固化的聚合型液晶，在加电条件下，使液晶取向，两侧的预倾角均为75°至90°（10d），利用UV固化或热固化。实现图示D中所表达的结构（20d）。控制电压，从而保持中央与液晶盒表面垂直的液晶层的厚度足够小。而且可聚合的向列相液晶往往粘度较大，比较难实现所要求的排列效果。如果不适用可聚合液晶，则需要保持对液晶盒施加电压。

模拟所得的延迟量为λ/2的宽视角波片，在相互垂直的线偏光片间；波片中液晶分子所在平面与上下偏光片偏振方向成45°或得的器件的亮度分布，如图9所示。

可以看到透过率在2%以下的区域达到了垂直方向±30°，水平方向±60°以上的效果。

与传统的延迟量为λ/2的波片对比，可见此宽视角波片，在水平方向上不同视角的光延迟变化非常小。

实施例1

准备四片ITO玻璃（通过市售途径获得），做取向处理：其中两片预倾角为2°(A)，另外两片预倾角为88°(B)。将一片A玻璃与一片B玻璃贴合，制成两片5μm液晶盒。

宽视角波片所用向列相液晶为江苏和成显示科技股份有限公司生产，型号为：HAG603200-000。

将液晶利用毛细作用灌入5μm液晶盒，加热至清亮，再缓慢降温至常温，使液晶盒内的液晶分子有序排列。贴合两片液晶盒，形成λ/2宽视角波片。要求B玻璃面均向内，并保证A玻璃面取向方向一致。

将完成的宽视角波片置于两平行偏光片中间，偏光片透光轴与水平方向成45°，使A玻璃面的取向方向水平。以竖直方向轴，转动宽视角波片，并测量其光透过率。

经测试，视角范围水平方向120°内，不同视角下宽视角λ/2波片的光延迟变化非常小，对比普通λ/2波片，性能更加优异，如图10所示。

同样的方法，将液晶盒盒厚降低至2.5μm，使Δn·d降低为原本的一半，则可获得广视角λ/4波片。

经测试，视角范围水平方向120°内，不同视角下宽视角λ/4波片的光延迟变化非常小，对比普通λ/4波片，性能更加优异。

实施例2

宽视角波片所用可聚合向列相液晶及光引发剂为江苏和成显示科技股份有限公司生产，型号为WAWP005-01及IE184。其中光引发剂含量占混合物质量百分数为0.1%。将混合物加热搅拌至清亮后在室温下搅拌均匀，搅拌过程中混合物需避光，或者在黄光下操作。

将液晶利用毛细作用灌入5μm液晶盒，加热至清亮，再缓慢降温至常温，使液晶盒内的液晶分子有序排列。将液晶盒置于UV灯下固化7min，UV光强为3mw/cm²。

贴合两片液晶盒，形成λ/2宽视角波片。要求B玻璃面均向内，并保证A玻璃面取向方向一致。

经测试，视角范围水平方向120°内，不同视角下宽视角λ/2波片的光延迟变化非常小，对比普通λ/2波片，性能更加优异，如图11所示。

同样的方法，将液晶盒盒厚降低至2.5μm，使得Δn·d降低为原本的一半，则可获得广视角λ/4波片。

实施例3

准备两片ITO玻璃（通过市售途径获得），做取向处理：预倾角为1°。将两片玻璃贴合，做成10μm反平行摩擦盒。

将液晶利用毛细作用灌入10μm液晶盒，加热至清亮，再缓慢降温至常温，使液晶盒内的液晶分子有序排列。给液晶盒加上1.3v、1000Hz的电压，此时中间层分子恰好垂直于基板，并将液晶盒置于UV灯下固化7min，UV光强为3mw/cm²。

将完成的宽视角波片置于两平行的偏光片中间，偏光片透光轴与水平方向成45°。以竖直方向为轴转动宽视角波片，并测量其透过率。

经测试，视角范围水平方向120°内，不同视角下宽视角λ/2波片的光延迟变化非常小，对比普通λ/2波片，性能更加优异，如图12所示。

同样的方法，将液晶盒盒厚降低至5μm，使得Δn·d降低为原本的一半，则可获得广视角λ/4波片。

实施例4

准备一片ITO玻璃（通过市售途径获得），做取向处理：预倾角为88°。将两片玻璃贴合，做成10μm负性反平行摩擦盒。

宽视角波片所用可聚合负性向列相液晶及光引发剂为江苏和成显示科技股份有限公司生产，型号为WAWPVA004-01及IE184。其中光引发剂含量占混合物质量百分数为0.1%。将混合物加热搅拌至清亮后在室温下搅拌均匀，搅拌过程中混合物需避光，或者在黄光下操作。

将液晶利用毛细作用灌入10μm负性液晶盒，加热至清亮，再缓慢降温至常温，使液晶盒内的液晶分子有序排列。给液晶盒加上1.1v、1000Hz的电压，此时中间层分子恰好平行于基板，并将液晶盒置于UV灯下固化5min，UV光强为3mw/cm²。

经测试，视角范围水平方向120°内，不同视角下宽视角λ/2波片的光延迟变化非常小，对比普通λ/2波片，性能更加优异，如图13所示。

以上实施例仅为了突出说明本发明在性能上的优点，而不限制本发明的适用范围。在本发明的基础上，可以对之做出一些修改或改进，这对本领域内技术人员而言，是非常显而易见的。因此在不偏离本发明精神的基础上，对本发明做的修改和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种宽视角波片，包括：两个液晶盒，每个所述液晶盒包括相对的一第一侧和一第二侧以及在所述第一侧和所述第二侧之间的双折射液晶材料；所述两个液晶盒以所述第一侧相互贴合或者以所述第二侧相互贴合的方式配置；

2.根据权利要求1所述的宽视角波片，其中，所述双折射液晶材料是流动态液晶或者取向后固化的液晶，所述液晶盒还包括上基板、下基板、上取向层和下取向层，其中所述流动态液晶或所述取向后固化的液晶在所述上取向层和所述下取向层之间。

3.根据权利要求2所述的宽视角波片，其中，所述取向后固化的液晶是被热固化的液晶或者被UV固化的液晶。

4.根据权利要求1所述的宽视角波片，其中，当所述双折射液晶材料为取向后固化的液晶时，所述宽视角波片还包括下基板。

5.根据权利要求2所述的宽视角波片，其中，所述上基板和所述下基板各自独立地为刚性基板或者柔性基板。

6.根据权利要求5所述的宽视角波片，其中，所述刚性基板为玻璃基板。

7.根据权利要求5所述的宽视角波片，其中，所述柔性基板为塑料基板。

8.根据权利要求2所述的宽视角波片，其中，所述上取向层为垂直取向层，所述下取向层为水平取向层；或者，所述上取向层为水平取向层，所述下取向层为垂直取向层。

9.一种宽视角波片，包括一个液晶盒，所述液晶盒包括相对的一第一侧和一第二侧以及在所述第一侧和所述第二侧之间的双折射液晶材料；

10.根据权利要求9所述的宽视角波片，其中，当所述双折射液晶材料是流动态液晶时，所述中间侧处的所述双折射液晶材料的液晶分子处于0.5-10V范围的电压作用下。

11.根据权利要求9所述的宽视角波片，其中，当所述双折射液晶材料是取向后固化的液晶时，所述取向后固化的液晶是被热固化的液晶或者被UV固化的液晶。

12.根据权利要求10所述的宽视角波片，其中，所述液晶盒还包括上基板、下基板、上导电层、下导电层、上取向层和下取向层，其中所述流动态液晶在所述上取向层和所述下取向层之间，所述上基板在所述上导电层外侧，所述下基板在所述下导电层外侧；所述上取向层和所述下取向层均为垂直取向层；或者，所述上取向层和所述下取向层均为水平取向层。

13.根据权利要求11所述的宽视角波片，其中，当所述双折射液晶材料为取向后固化的液晶时，所述宽视角波片包括下基板。

14.根据权利要求12所述的宽视角波片，其中，所述上基板和所述下基板各自独立地为刚性基板或者柔性基板。

15.根据权利要求13所述的宽视角波片，其中，所述下基板是刚性基板或者柔性基板。

16.根据权利要求14或15所述的宽视角波片，其中，所述刚性基板为玻璃基板。

17.根据权利要求14或15所述的宽视角波片，其中，所述柔性基板为塑料基板。

18.根据权利要求12或13所述的宽视角波片，其中，所述上基板和/或所述下基板包含透明导电层。

19.根据权利要求18所述的宽视角波片，其中，所述导电层设置在所述上基板和/或下基板的内表面上。

20.一种如权利要求1-19中任一项所述的宽视角波片在宽视角圆偏光发生器和广视角3D显示器中的应用。