CN1054439C - 光学部件 - Google Patents

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Abstract

本申请中的光学部件实质上包括一种其液晶分子的局部取向可以变化的交联液晶单体的各向异性层。该液晶层与一种包含光可取向的聚合物网络(PPN)的取向层相接触。
为了制备该光学部件，该液晶单体通过与PPN层相互作用而被取向，并且，在接着进行的交联步骤中，使该取向固定。

Description

光学部件
本发明涉及一种光学部件，该部件包括一种液晶分子的局部取向可以变化的交联液晶单体的各向异性薄膜。本发明也涉及这些部件的制备。
各向异性的透明的、或有色的、具有可在不同点预置的三维取向光轴的聚合物网络层在显示技术和集成光学方面是很重要的。
一般，许多年来，已知一些物质具有这一特性。即，某些可交联的液晶二丙烯酸酯类和双环氧化合物。在液晶相这些物质可以以单体形式(即交联之前)利用通常的取向层在器件中使其取向或者在外部场，例如磁场或电场的作用下使其取向，并且，可以在第二步进行光交联，而不会失去在单体状态时使其所具有的取向。
这类层状结构是已知的，例如，见EPA331233。它们可以利用以下的方法来制备，即，在一外场中，将单体取向，然后，通过掩膜，对其中的一部分进行辐照，只有在辐照区域才诱发交联作用。然后，改变外部场的方向，使剩余的未交联的单体区域根据该场的新的方向重新取向，然后，利用照射，使后者的区域也进行交联。很清楚，由于自由基的交联反应并不会因掩膜的隐蔽作用而形成清晰的边界，因此，这一方法不能得到具有高局部分辨率的取向结构。
取向层在液晶显示器件的结构中是极为重要的。它们决定了在器件中液晶材料的取向，即光轴的位置，进而基本上决定了制备液晶器件的可能性，例如，“TN”或“STV”器件。一般，这些取向层，由适宜的粉状聚酰亚胺或聚乙酸乙烯酯层或斜蒸沉积的SiOx层所组成。这些层的制备方法，基本上只提供了宏观区域的均匀取向，但是，在许多可能的应用中，希望能任意地改变液晶层的取向，例如，在微观区域也可以周期性地改变其取向。
近来已知某些方法可以制备、可以改变局部取向性质的取向层。例如，US-A4,974,941公开了通过将二色性染料分子掺混到聚合物中的光刻取向方法，这一方法制备出一种热不稳定的发色体的取向，因此，对于本发明所使用的可交联液晶的取向是不适宜的。
本发明的目的是提供改进的、用于光学和电光部件的上述类型的层结构。
按照本发明，其目的可通过一种取向层来达到，该取向层包括一种光取向的聚合物网络(PPN)，该聚合物网络与液晶层相接触。按照本发明，该层结构用下列方法制备，即，液晶单体通过与PPN层的相互作用而被取向，然后，在接着进行的交联步骤中，使该取向固定。
该取向层由光可取向的聚合物网络层(PPN)所组成，该聚合物网络层用偏振紫外光选择性地照射时，在液晶层产生高分辨率的取向图象。所谈到的这类物质是，例如，在瑞士专利申请2244/91
和2246/91中所公开的肉桂酸衍生物。该取向方法是基于光致取向以及聚合物侧链的二聚作用。这种情况，与US-A4,974,941所公开的方法不同，是通过二聚反应将取向图象稳定化，该反应将聚合物层转化成取向的聚合物网络层。并且，还有力地降低了聚合物层的溶解性。
令人惊奇的是，这些PPN聚合物也可以用于赋予某些可交联的液晶单体层以一种结构化的取向，并且，也可以将它们交联起来，以便使其保持上述取向。业已发现了相当合适的具有高玻璃化温度的PPN例如如下所示的组分：
1)Ro47-7269                                       2)Tg＝133℃
  Tg＝156℃
Figure C9410158500061
和，例如，如下所示的、由二丙烯酸酯所组成和液晶单体层
Figure C9410158500071
及其混合物。
按照本发明，该PPN和可交联的液晶(LC)单体的结合，在下文中将称为混合层。它首次提供了一种方法，将光记录的薄聚合物层的高分辩率取向结构传递到双折射的、任意厚度的紧交联聚合物层。下面是这些混合层的某些有用的性质。它们在许多溶剂中不溶解，特别是低分子量的LC；它们是热稳定的，它们的光学各向异性实际上不取决于温度，该光学各向异性可以高达n＞，2，并且，该取向结构的局部分辩率由PPN所决定，即，是在亚微的区域。
许多已知的光学部件，可以用一种新的方法来制备，该方法是通过将光刻结构化的PPN涂层与具有可以清晰边界被取向的强各向异性的液晶网络层结合起来。此外，新颖的光学部件首次成为可能的。
例如，层状导波结构、结构延迟板、偏光分束器等，它们在器件中可以通过利用双折射来制备。另外一种可能是利用交联作用来固定TN结构，从而制备出偏光旋转器。这些可以在遍及整个的器件表面的范围内做到，或者被局限于非常小的区域内，棋盘式的结构是重要的，其中相邻小区(大约是象素大小)或者将偏振光旋转例如90°，或者对偏振光不影响。这是一种制备三维电视(TV)液晶屏的方法，该方法已经在瑞士专利申请2245/91中公开了。
另外，一种应用是用于折线图(line graphics)的三维透明体。在这种情况下，将两个涂有PPN的基片首先用线性偏振紫外光进行辐照，然后在第二个照射步骤，这两部分图象(分别作为右和左眼的映象)通过线性偏振紫外光而被记录在PPN的一层上，该紫外光的偏振方向相对于首次辐照，旋转了+45°或-45°。根据本发明由这些基片构成一个液晶器件，里面用可交联的液晶单体填充。这种由PPN取向层所诱导的取向结构可以通过交联作用而被固定，该产物是一种光学结构，其中，与首次辐照的偏振方向平行或成直角偏振的线性偏振光在图象轮廓之外保持原偏振方向透射过去，同时，光在一部分图象的轮廓中旋转+45°，而在另一部分图象的轮廓中旋转-45°。结果，当通过适当的偏振眼镜观察该器件时，这两部分的图象分别由右和左眼来接收，从而产生了三维效果。
如同在实施例中所描述的，这种结构化交联层，可以以基片上涂层的形式来给出。这可以通过在用PPN涂布了的基片上，“旋转涂布”可交联的液晶单体或者通过在器件中制备交联层，接着分开一片基片来制备。
这种类型的涂层，可以用作LCDs类的取向层，因此，在非常小的空间内，结合了取向和双折射的性质。有两种可能实施方案。
一种是在相邻液晶层上由已经取向了的各向异性网络涂层自身诱发一种取向。在这种情况下，该液晶层的取向图形和网络层的双折射图形是相关的。另一种情况是，利用研磨如同在通常的取向层中那样，将与网络涂层结构无关的取向方向外加到取向的网络涂层上。在这种情况下，该液晶层的光学性质将与网络涂层无关。
一种附加层可以沉积在取向的网络涂层上。例如，可以通过溅射而施加一种透明的导电层(ITO)，而不会损伤该网络涂层。这些可能性，对于显示技术是非常重要的。特别是，在STN显示中所必需的那一类的延迟层，可以掺混到该显示层中。
根据本发明的另一特征，是将二向色性染料与可交联的单体相混合，并且，使它们取向时与单体平行排列。这是一种构成局部结构化的二向色滤光器和二向色偏振器的手段。结构化的二向色分束器是一种特殊的应用。二向色性染料分子，当它们具有某种能够使该染料掺混在网络中的官能基时，则它们是特别适用的，例如，包括一种丙烯酸酯头基染料，该染料可以被掺混到二丙烯酸酯类液晶的网络中。
此外，某些手性分子可以与可交联的单体相混合，或者，某些具有官能作用的手性分子可以掺混在该网络中。这类手性分子及其浓度可以加以选择，以便诱发出可以用作胆甾醇型的滤光器或光学延迟器的螺旋形结构。
根据本发明的另一个特征是，具有强的轴向或横向永久偶极矩的官能作用的液晶分子可以与可交联的液晶单体相混合。根据这一方法，可以增强该PPN层的取向效果，或者，可通过外加电场而对取向效果施加影响。尤其是，通过液晶层厚度的作用，而提供了一种可能性，即可以将液晶层的取向方向，由在一种边界层的平行(homogeneous)取向转化到在另一边界层的垂直(homoeo tropic)取向。
在一种特别重要的应用中，通过选择层的厚度和/或外加磁场或电场的方向和强度，以便产生液晶显示所需要的具有预倾角的取向层。
实施例1
将1％PPN1在NMP中的溶液，旋转涂布在二个已经涂有ITO的玻璃板上，旋转参数为400Orpm。将其在台式加热器上，在130℃下预先干燥两小时，随后，在真空下在180℃干燥4小时。
在25℃，将这两个涂布板用由400W超高压汞灯所产生的线性偏振光辐照1.5小时。然后，由这两个基片构成一个10μ厚度的液晶器件，将板作这样的处理，即，使它们相对于辐照的偏振方向，互相成直角而被取向。
该器件，在l40℃下用交联的液晶1填充，并拎却到在95℃下的向列相。
该向列层在器件中被取向，并采取一种TN结构，该向列层通过制备取向层而预置。将该取向层在90℃下暴露在由100W超高压汞灯所发出的非偏振光下，历时几分钟，从而在保持TN结构的同时，使该液晶层交联。通过以上步骤将器件中的这种结构固定，并且，在冷却到室温时，仍保持不变。实施例2
按照实施例1的方法构成一种液晶器件，但是，在本实施例中，只有一块基片用PPN涂布。而第二块基片具有常规的磨碎聚酰亚胺取向层。在这种情况下，当研磨聚酰亚胺层的方向，与辐照PPN基片所使用的紫外光的偏振方向平行取向时，得到TN器件。实施例3
按照实施例1的方法，将用PPN1涂布的玻璃板用线性偏振紫外光辐照。接着，将其中的一个板，用线性偏振紫外光，经由一种铬掩膜板，再对其辐照，但是偏振方向旋转90°。该板被用来制备一种液晶器件，用实施例1的方法将此器件用可交联的液晶1来填充，并进行交联。所得到的是，在只进行一次照射的该层的那些区域中得到和实施例1相同的TN构造，在进行两次照射的区域中获得平行构造。这二部分区域，彼此用清晰的边界被刻划开。实施例4
一种三维透明体
按照实施例2的方法，将用PPN1所涂布了的二个基片用线性偏振光来辐照，接着，在第二次和第三次的照射步骤中，该含有分别作为右和左眼映象信息的三维线性体的二部分图象，分别被记录在二种基片的一种上。结果，在第二次的照射步骤中，用紫外偏振光通过一块掩膜板对一部分图象进行辐照(该紫外光的方向相对第一次的辐照的方向旋转了+45°)，而在第三次的照射步骤中，用通过附加掩膜板(它具有第二部分图象的轮廓)的、旋转-45°的偏振光，来记录第二部分图象。然后，按照本发明，用这两种基片构成一种液晶器件，并用可交联的液晶单体填充。
利用交联作用，将由PPN1取向层所产生的结构加以固定。得到的是一种光学结构，其中，在图象轮廓的外部与第一次辐照的偏振方向平行或成直角偏振的线性偏振光，被不加改变地透射过去，不过，在一部分图象的轮廓区域内，该偏振光旋转+45°，而在另一部分图象的区域内，旋转-45°。通过用适当的偏振眼镜对这类器件进行观测，得到了三维效果。
在实施例2的情况中，没有结构化的第二种基片，可以用常规的取向层来处理获得。实施例5
按照实施例1的方法，将PPN1用旋转涂布的方法，涂布在某种基片上，进行干燥，并用线性偏振紫外光辐照，然后，将可交联的液晶单体和光引发剂的混合物(溶于NMP中)，旋转涂布到上述的涂层上，并在140℃下，在暗处，在台式加热器上进行干燥。将温度降低到90℃，以便使液晶层处于向列相。用紫外光，通过隔绝氧的孔，对该层进行辐照，并使其进行交联。该经过交联的层，相应于底层的PPN1层而被取向。
现在，参照下列附图，来说明本发明的其它实施方案。
图1是一种“延迟器”器件的剖面图。
图2是结构化“延迟器”器件结构的剖面和平面图。
图3是彩色补偿的“STN”液晶显示器图。
图4是用于彩色显示器的一种液晶器件的图。
图5表示在图4中的液晶器件上的色栅。
图6是一种结构化的“偏振旋转器”的剖面图。
图7是作为三维投影用的透明体的图。
图8是作为重现立体图象的后投影设备图，及图9是作为重现立体图象的前投影设备图。
液晶单体的光致取向并交联，是一种制备透明的各向异性聚合物涂层的方法，该涂层具有一种确定的光程差δ＝n，d，其中Δn＝(ne-no)，表示层的折射率各向异性(ne＝非常光折射率，no＝寻常光折射率)，而d是该层的厚度，其光程差由层的厚度来决定，可以采用在o＜d＜400nm范围内的值。该层的光轴方向由对PPN取向时所使用的偏振方向来决定。其振动方向，可以在0°-180°范围内变化。
图1表示一种延迟器件的剖面图，该器件包括二个彼此有间隔的基片1和5(例如，玻璃板)，基片的相对表面有PPN层2和4。一种液晶网络3，被配置在二个板之间。
图2表示具有一种相似构成的结构化延迟器件，如上所述的，含有二个基片1和5，基片的相对表面具有结构化的PPN层2和4，并含有如上所述的在二板之间的液晶网络3。
该结构被示于平面图b中。
图示的线表示延迟器层的光轴方向。
通过上述方法和材料来构成图形或大面积光学延迟器层的可能性，展示出制备新颖的的液晶显示器的多种可能性。这类新型的液晶显示器或者可以以透射式或者以反射式工作。电光效应基本上是所有已知的场效应，尤其是扭曲向列效应(TN-LCDs)，超扭曲向列效应(STN-LCDs)，垂直排列相畴形效应(DAP-LCDs)，或者是下列的铁电场效应；表面稳定的铁电效应(SSF)，变形的螺旋铁电(DHF)效应和短螺距双稳态(SBF)铁电效应。
图3图示了一种“STN”器件，它包括带有驱动电极2和6涂层的二个玻璃板1、5。电极通常是分段的，例如，在显示器器件中。示于图的左端的在板1上的电极2，通常是用取向层3来覆盖，通过这一方式，在板之间的液晶10相邻分子沿一从优方向取向。
在右端板5上，面对液晶的表面具有上述的取向层7。此外，在它和电极层6之间，还有一种混合层形式的中间层9，该混合层包括一种用线性偏振光辐照而被取向并任意结构化的PPN层，与光交联的液晶层结合或被覆盖，所述液晶层，在交联之前，通过与PPN层相接触而被取向。
该混合层是各向异性的，从而适于按已知的方式，作为用于STN器件的彩色补偿的延迟器。该混合层的特殊优点在于，在用紫外光进行辐照的制备条件下，它的各向异性性质可在很宽的范围内受到影响。照这样，层9的光程差和双折射椭圆体的主轴方向n可以以精确的方式来控制，以得到最佳的彩色补偿。
如果层9不是均匀的，而是结构化即，在不同的区域它的光学性质可以不同。照这样，例如，具有彩色补偿的区域(即有黑白对比度)可以与不补偿的(即彩色的)区域来转换。当在一个板上不用混合层9时，可以在二个板上提供上述类型的延迟器层。当液晶反射式工作时，这一点是重要的。
也可以将混合延迟器层9安置在玻璃板1和电极层2之间。当延迟器层9的厚度不具有电效应时，即，当在电极施加电压时，将不会通过层9而产生电压压降，这样做是特别优越的。
也可以将混合延迟器层9，施加到基片1和5中的1个或2个的外部表面上。按照通常的方式，通过斜蒸沉积或通过研磨，可以使取向层3、7产生取向效果。此外，PPN层也可以用来作为取向层。
示于图3的液晶显示器件，可用成直角的线性起偏器4和线性检偏器8来补充。此外，线性偏振器可以按已知的方式用圆偏转器来代替。
来源于光源11的非偏振光12，通过偏振器4而发生线性偏振，其方向与图示的平面成直角。并且，在如图所示的关态，在通过液晶时，被分解，并部分地旋转，从而转化成椭圆偏振光。没有层9时，由于光通过液晶10的时间差与波长有关，因此光成为彩色的。按照已知的方式，可以用层9产生彩色补偿，结果在开态和关态之间产生黑白对比度。与检偏器8的偏振方向平行的振动光部分13，被透射到观察器14。在开态，当STN器件以正对比度方式工作时，该液晶10相对于透射光，变成光学上的单轴状态，这样，便保持了线性偏振，并且，检偏器8阻止了该透射光，使观察器14看不到光。
除了选择光程差和光学延迟器层的双折射椭圆体的位置，使STN显示器件的固有的彩色得到补偿外，还可以结合偏振器的位置，选择相同的参数来做到，以便可以通过使用图3中的器件而产生彩色。
众所周知，器件在光学双稳态场效应和包括灰度状态的场效应这二者存在的情况中，通过使用作为基本性能的效应(导波，双折射)，及采用适宜的偏振器位置，就可以产生彩色。利用一个或多个附加的延迟器层可以对这些干涉色产生影响，不同的相邻的彩色区可以利用上述提到的就光学性质方面结构化的延迟层的方式来得到，即使延迟层具有在不同表面区域中的不同光程差和双折射椭圆体位置。
图4和图5图示了一种彩色显示的实例，它包括以一种规则图案，并列配置的不同颜色的象素。
图4是一种显示器件的剖面图，它基本上具有与图3所示器件相同的结构。与图3相比较，该延迟层9和电极层6是互换的。另外，这两层，在图案中可以被划分成分立的区域。图5是电极层6和延迟层9的平面图，具有按行和列配置的象素。
为了显示彩色，该延迟器层可以构成为，例如，使红色出现在左上部的象素15区域，右端相邻的象素16区域呈现绿色，在紧挨着的象素17呈现黄色，接着再出现红色。在下一行中，将彩色横向漂移一步。
在光学延迟器层之间的光程差的不同，或者，在不同区域中各层之间的光程差的不同，可以通过在聚合反应时，改变光辐照的时间(照射时间)，或者通过改变聚合反应时光的强度来做到。
此外，如上所述，在图象中，边壁取向层可以通过顺序辐照，改变取向方向来得到。这也意味着，改变相对于每个象素的偏振器的向列指向矢的位置。这种与象素……，及与特殊光学性质的延迟器层或各种层的结合，可以得到广泛变化的彩色效果。
作为图4的一种变化，该光学延迟器层可以被安置在电极层和壁取向层之间，或者安置在玻璃板的外部。
图6示出了一种结构化的偏振旋转器，它包括了二个间隔开的基片1和5，其相对的表面有结构化的PPN层2和4。在二个基片之间，有一种结构化的液晶网络层3，它由TN图象和平行排列的器件所组成。
图7是三维透明体图，它包括一种线性偏振器11和一种器件，该器件包括二个平行的基片12和16，在基片12上，具有均匀取向的PPN层(未示出)，而在另一基片16上，具有结构化的PPN层。在这二个基片之间，有一种液晶网络层14，该层14相应于取向层13和15被取向。
这二个平面图，示出了在输入端的取向层13的取向方向和在输出端12的取向层15的取向方向。
图8示出了一种后立体投影设备，它包括线性偏振器38，该偏振器紧挨着由光源36所产生的光37，它对光进行偏振(其偏振方向与图的平面平行)。该偏振器后面接着是含有许多可驱动的象素(例如，形成方块组成的矩阵形式)的TD-LCD40。相邻象素含有分别作为右和左眼映象图象信息。在关态，光离开器件，而具有旋转90°的偏振方向。然后该光到达一种聚焦光学系统48和平面镜49。该镜将光反射到达位于图象平面的投影屏50上，该投影屏包括一种线性偏振器51和结构化的偏光旋转层，后者配置在漫反射的透明体基片上。该结构的尺寸是这样确定的，即，使一个象素的图象填充层的一个结构单元。该相邻的结构单元形式分别是TN和平行器件。这样，该图象信息，例如，作为右眼的映象，偏振旋转90°，同时，作为左眼的映象的图象信息，按照上述相同的状态，保持原偏振。通过适当的偏振眼镜可观测到三维效果。
图9示出了一种前投影设备，它可以用相似的方式来构成。在这些情况下，在第一次图象平面中的结构化的偏振旋转层52，被配置在透明的基片54上。第二种光学体系55将该平面投影到保持偏振的投影屏上。

Claims (19)

1.一种光学部件，它包括一种液晶分子的局部取向可以变化的交联的液晶单体的各向异性薄膜，其特征在于，有一取向层，该取向层包括一种光取向的聚合物网络(PPN)，并且，该层与液晶层相接触。
2.一种根据权利要求1所述的光学部件，其中，该取向层具有在局部限定的区域中不相同的聚合物分子取向。
3.一种根据权利要求2所述的光学部件，其中，各向异性薄膜的光轴方向，随着在取向层中的聚合物分子的取向而改变。
4.一种根据权利要求1所述的光学部件的制备方法，包括将一层液晶单体施于一层可光取向的聚合物网络(PPN)，其特征在于液晶单体通过与PPN层的相互作用而被取向，并且，在接着进行的交联步骤中，将此单体取向固定。
5.一种根据权利要求4所述的方法，其中，交联作用通过用光照射而产生。
6.一种权利要求4所述的方法，其特征在于，该可交联的单体是二丙烯酸酯类，并且，在取向层中的材料是肉桂酸酯衍生物。
7.一种根据权利要求4所述的方法，其中，交联作用是在一个用二个平行的取向层所制成的器件中进行。
8.一种根据权利要求7所述的方法，其中，二个取向层中的一个，在交联作用之后被除去。
9.一种根据权利要求4所述的方法，其中，用PPN涂布的层，通过使用具有可改变偏振方向的、线性偏振的紫外光进行重复照射而被选择性结构化，接着，使可交联的液晶材料取向，通过旋转涂布或浸渍，使可交联的液晶材料交联。
10.一种根据权利要求4至9的任一权利要求所述的方法，其中，可交联的液晶材料由多官能团作用的液晶单体和官能团作用的二色性发色团的混合物所组成。
11.一种根据权利要求4至9的任一权利要求所述的方法，其中，该可交联的液晶材料由多官能作用的液晶单体和手性分子的混合物所组成。
12.一种根据权利要求4至9的任何一权利要求的方法，其中，该可交联的液晶材料包括多官能作用的液晶单体和官能作用的液晶单体的混合物，后者具有一种轴向或横向的永久偶极矩，这样，这些混合物就具有正或负介电各向异性。
13.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件作为延迟器层的应用。
14.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件作为胆甾醇型滤光器的应用。
15.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件作为二色性滤光器的应用。
16.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件作为二色性偏振器的应用。
17.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件作为偏振旋转器的应用。
18.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件作为载图象器件的应用，其中，该图象信息，利用各种取向的器件部分而被贮存。
19.根据权利要求1-3的任一权利要求所述的光学部件在三维投影体系中的应用。
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