CN1117289C - 在可光结构化的材料中产生向异性的方法及选择性暴露偏振敏感材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种偏振面罩用于由未偏振或均匀偏振光产生具有局部不同偏振作用的光。在光输出面出现具有不同偏振方向的不连续区域，它们或是固定的或是可切换的。面罩是有用的，如将偏振模式传递到光取向聚合物网络层上。

Description

在可光结构化的材料中产生向异性的方法 及选择性暴露偏振敏感材料的方法

本发明涉及由入射光产生具有预先确定偏振方向的线性偏振光的光学组件，该组件具有在偏振—敏感层曝光时作为偏振面罩的作用，也涉及到这些组件的制备和它们的优选应用。“产生”一词在本发有的描述中理解为既表明由非偏振光真正产生线性偏振光又表明改变已经被线性偏振的入射光的偏振方向。

最近，已经知道多种通过线性偏振光辐照产生各向异性材料性能的方法和材料。各向异性性能—即，材料在微观小区域内的优选方向—可以通过偏振光的定位而改变。除了光学各向异性，更为特别的是立体各向异性，它使这些材料具有工业应用价值。通过这种材料的立体各向异性，与聚合物材料相接触的液晶朝着与优选方向一致的方向被取向。因而，这类光致结构化聚合物以适合作为液晶取向层而著名，它可以使取向方向在微米范围内变化。

US-A-4974941介绍了一种基于客—主系统的方法，在这里优选方向是通过染料顺—反异构化通过具有适当波长的线性偏振光照射产生的。与这样照射后的表面相接触的液晶在优选方向上被取向。取向过程是可逆的—即，以具有第二种偏振方向的光进一步照射这一层，原来已经记下的取向方向可以再次改变。这种再取向过程可以随着需要多次进行，因而在与可再重排光学记忆有关的方面显得特别有意义。

US-A5389698介绍了光致结构化取向层，与上面介绍的可逆取向过程不同，建立了一种不可逆各向异性聚合物网络。网络中诱导产生的光学和取向性能在受到线性偏振光照射时是光稳定的，因而在进一步曝光时，不会再次取向。因而，这些光取向聚合物网络(PPN)可用于要求稳定，结构或非结构液晶(LC)取向层或光学元件，如非吸收滤色器、线型和胆甾型偏振滤光片、光延迟层以及其它类似的场合。

作为一个规则，在光致结构化取向层曝光时，必须采用至少两个不同偏振态的光来记下一个确定的模式。目前，已经知道有不同的曝光过程使偏振模式印刻于光致结构化层。所有已知的过程具有总的信息不能以平行方式传递，而必须以系列方式传递的缺点—即，需要多于一个曝光步。因而已知的过程是复杂、昂贵和费时的。

例如，采用一个扫描器将信息以点的方式施加给光致结构层。这种情况下，点与点的偏振方向是不一样的。然而，在传递高信息含量模式时，如果该模式总的曝光时间不超过可接受的限度，那么对每一个点来说，只有很短的曝光时间。因此，必须在短时间内将取向所需的能量应用到光致结构层的一个小的区域，这样光致结构化材料的热量负载力受到严重抑制。

US5389698介绍了另外一种可能的情况，偏振光通过一个面罩对层进行辐照，这使得具有相同取向方向的层的所有区域和范围同时被曝光。通过采用其它面罩，可将多种不同取向方向写入层中。在这一过程中，每一个取向方向都需要一个曝光步，每一次偏振过滤器的传递方向必须调整，面罩也必须改变和调整。调整面罩是相当费时的操作。

由于在逐步曝光过程中，起偏光镜的每一特定传递方向是与每个面罩相联系的，起偏镜本身可以是面罩的一部分。这类偏振面罩可采用已知的技术以不同的方式制造出来，例如，将一层片覆盖在偏振片上。如果所有需要偏振方向可以结合到一个面罩上就可以改进这类偏振面罩，这样通过一个曝光步，就可以将一个完整的偏振模式传递到光致结构化层。用于制备液晶取向层的这种偏振面罩在EP-A-632311中已有介绍，但是没有指出如向制备这种偏振面罩。事实上，在制备偏振片时，通常的拉伸过程会在大面积范围自发地产生一致的偏振方向。

US-A-5327285公开了制备具有两个偏振方向，其区域差别在微米范围的聚合机(polymerizer)的方法。该过程基于制备偏振片的技术。通过化学或机械处理并以90°补偿方式彼此准确地粘在一起，使两个偏振片的偏振性能区域地消失掉。然而，由于对两个偏振片放置并粘接在一起的严格要求，不同偏振带不能做到所要求那么小。而且，由于相对厚的偏振片彼此堆积造成视觉错误，使可能偏振方向的数目限定到2个。

本发明的目标是设计一个光学组件，使产生并应用的线性偏振光具有不同偏振方向的晶区状态，例如，制备面罩使偏振定向模式以一个曝光步写入偏振敏感层。

为此目的，根据本发明，存在这样的区域彼此限制在光输出端并具有至少间歇地不同偏振方向。

相应地，在本发明一个优选的实施方案中，液晶层以不同方向晶区形式取向，使入射光通过液晶层后被取向，光的偏振面与取向模式一致地变化。

优选地，晶区具有不同的光学转动能量，使得在这些晶区中，入射线性偏振光的偏振面以不同的角度转动。“转动能量”一词可以这样理解，即在这里既表示扭转的液晶具有转动光偏振方向的能力，又表明通过双折射产生不同偏振方向。

液晶层的取向可以通过相应的结构定向层长期测定，或以带有电极的液晶池从动力学上测定。在后一种情况，取向模式可以非常简单地通过电活化不连续的图点来改变。这些偏振面罩的切换特性提供了很大的适应性使面罩在计算机控制下几分之一秒内被改变。因此，信息的个别项目，如内容、数据或影像可迅速传递。

另一方面，偏振模式的永久化可以通过具有定向层的个别基材的交联液晶层或通过液晶池来达到。在后一种情况，两个液晶池定向层中至少一个必须是结构定向的。

由于由偏振面罩提供的具有持久偏振模式的偏振方向必须根据需要进行调整，按照一个个象素(pixel by pixel)，在需要传递具有两个以上不同偏振方向的模式时，采用这种面罩特别有用。为此目的，可以采用不同的技术产生结构取向。优选地，在这种情况下，光致结构化材料通过面罩以不同偏振方向的光进行曝光也可被采用。同样，这种一步法制备偏振面罩可以通过下面技术完成，如在不同方向上摩擦并覆盖未被摩擦的晶区，或以机械压印印下取向模式，这对于取向层的大量生产是太精细了。

在通过偏振面罩曝光时，入射光的偏振化可以通过在液晶层前面处理的并具有一致的传递方向的常规起偏镜，也可以通过在液晶层涂上二色性分子，这些分子根据与光致结构化层的光谱灵敏度来选择。

根据本发明，提供了一种在可光结构化的材料中产生各向异性的方法，它包括以下步骤：

提供偏振面罩，用于由入射光产生具有预先确定的偏振方向的线性偏振光，并且该偏振面罩具有光输入端和光输出端，并且包括多个区域，所述区域在所述光输出端彼此划界以使该多个区域在通过偏振面罩的光束上产生不同偏振方向的局部不同的偏振模式；和

将光线照射通过偏振面罩，以在该光束上印记局部不同的偏振模式以用该光束辐射所述可光结构化的材料，在该可光结构化材料上产生光学异性。优选地，其中至少所述偏振面罩的至少一些偏振方向在所述可光结构化的材料曝光之前被改变。

根据本发明，还提供了一种将偏振敏感材料选择性地暴露于具有多于一个偏振方向的线性偏振光的方法，它包括以下步骤：

a)提供具有输入端和输出端的偏振面罩，该偏振面罩具有多个区域，所述区域在该偏振面罩的所述光输出端彼此划界，并且具有不同的偏振方向；b)提供偏振敏感的材料；和c)将所述偏振面罩暴露于光线中以使所述光线进入所述偏振面罩的所述输入端，并且从所述偏振面罩的输出端出来，使所述偏振敏感材料选择性地暴露于具有多于一个偏振方向的线性偏振光。优选地，其中至少所述偏振面罩的至少一些偏振方向在所述偏振敏感材料曝光之前被改变。

本发明的具体内容将在后面介绍，有关的附图为：

图1为用于产生具有晶区不同取向的交联液晶单体层的装置；

图2为根据图1制备的层被用作双折射面罩的装置；

图3为结构取向液晶池被用作偏振旋转面罩的装置；

图4为可电切换的偏振转动面罩。

实施例1光致结构化光取向聚合物网络层的制备

可以考虑以肉桂酸衍生物作为光取向聚合物。选择一种具有高玻璃化温度(Tg＝133℃)的材料用于具有光取向聚合物网络层的例子。

光聚合物：

光取向聚合物网络材料以5％浓度溶解在NMP中。然后，通过2000转/分钟旋转涂膜，该溶液在一玻璃板上形成一光取向聚合物网络层。然后在热台130℃2小时和真空下130℃再4小时干燥。然后，在室温下，取向层以200W高压汞灯的线性偏振光曝光5分钟，之后光取向聚合物网络层可用作液晶的取向层。

实施例2含有交联液晶单体层的制备(见图1)

光取向聚合物网络层1根据实施例1制备，所用基材2为一层可透过紫外光的硼硅酸盐玻璃。为辐照左和右半板，紫外光的偏振方向抵消45°。

根据还未出版的专利申请RAN 4701/152的介绍，可交联液晶单体的混合物以20％的浓度溶解在甲氧基苯中并在室温下以旋转涂膜方式应用到已曝光的光取向聚合物网络层上。

在真空下，为进行光引发交联，层被150W氙灯的各向同性光照射30分钟。对于机械、热和紫外光应力，交联液晶层(LCP)可是稳定的。在交叉起偏镜下观察，交联层是双折射的。分开的左和右半板的光轴4，5形成45°的角。液晶承受光取向聚合物网络层的取向并在交联过程中保持它。

实施例3光取向聚合物网络层通过双折射面罩曝光(见图2)

实施例2制备的交联液晶单体层的光学延迟为大约170nm，接近336nm汞线。1，2，3板作为双折射面罩放置在被涂上光取向聚合物网络材料的玻璃板上，这样交联液晶单体层面相互接触。然后，通过双光折射面罩，光取向聚合物网络层被波长336nm的偏振紫外光6照射5分钟。紫外光的偏振方向调节到与双折射面罩左半部分的光轴相平行。因此，在它通过面罩左半部分时，紫外光的偏振方向得以保持，同时右半极部分作为λ/2延迟板因而在偏振方向转动过90°。

液晶层曝光后以实施例2旋转涂膜方式涂覆到光取向聚合物网络层上。通过一个倾斜补偿器发现左和右半板的液晶在板的平面上是相互垂直的。

通过小于90°转动入射光的偏振平面的双折射面罩可以相似地制备。为此目的，不同取向光轴间的角度必须小于45°。这种方法可用来制备具有多个晶区且每个晶区彼此在它们光轴方向不同的偏振面罩。

实施例4结构取向液晶池作为偏振转动面罩(见图3)

同实施例2，用线性偏振紫外光辐照光取向聚合物网络涂饰的硼硅酸盐玻璃板7，偏振方向因而在辐照左半和右半板之间转动45°。将聚酰亚胺取向层涂覆到第二个硼硅酸盐玻璃板8上，同样用一块布以与该板纵向边缘平行方向摩擦。然后，两个玻璃板结合成6μm的液晶池，使得光取向聚合物网络板的左半部分与聚酰亚胺板一起形成一个平行池。相应地，右半PPN的取向方向和聚酰亚胺层的取向方向形成45°角。然后，池里充满向列型液晶。当起偏镜9放置在聚酰亚胺涂饰玻璃板的后面，使它的传递方向与摩擦方向相平行，当起偏镜上检偏器的传递方向与起偏镜的传递方向相垂直放置时，板的左半部最黑暗。然而，当检偏器旋转45°时，板的右半板为最黑暗。因此，在通过左半池时，入射光的偏振面保持不变，而在通过右半池时，偏振面转动45°。

通过光取向聚合物网络的侧面，这个池安装到涂上光取向聚合物网络的另一玻璃板上。通过这个池用与聚酰亚胺摩擦方向平行偏振的紫外光照射光取向聚合物网络层。然后，通过旋转涂膜液晶层被涂到光取向聚合物网络层上。当后一层采用交叉起偏镜观察时发现液晶已经取向，左半板和右半板之间取向方向差别45°。

实施例5可电切换偏振转动面罩(见图4)

通过旋转涂膜将聚酰亚胺层14、15涂覆到具有1×1cmITO电极12，13的两个硼硅酸盐玻璃板10、11。通过用一块布摩擦聚酰亚胺层，每块板的偏振方向16、17可以预先测定。两块板的摩擦方向差45°。用6μm厚的间隔物，安装它们形成一个液晶池，使得两个电极表面重叠。然后，液晶池里充满向列型液晶混合物18。由于器壁取向差别，可产生45°扭曲的转动液晶池。

当在液晶池底部起偏镜19的传递方向安置成与摩擦方向相平行时，为了得到最大亮度，放在液晶池上的检偏器必须转动45°。检偏器进一步旋转90°使得池最黑暗。当足够大的电压作用到两个ITO电极时，电极表面附近的液晶分子本身取向使它们的纵轴与玻璃表面相垂直。该晶区中传递的光保持起偏镜预先决定的偏振方向-即，为了最大的亮度，检偏器必须调节到与起偏镜平行。

液晶池安装到光取向聚合物网络涂饰的玻璃板上。起偏镜安装到液晶池的背面，这样它的传递方向与起偏镜附近玻璃板的摩擦方向相平行。然后，当光取向聚合物网络层通过起偏镜和液晶池曝光时，液晶池保持活动性。照射后，通过旋转涂膜将液晶涂到光取向聚合物网络层上。当液晶层安置到交叉起偏镜下面时，可以看出液晶已经取向。通过液晶池切换部分进行曝光区域的取向方向与其它区域的方向差别为45°。

实施例6LCP起偏镜

同实施例2，采用与左半部分纵向边缘平行而与右半部分呈45°的偏振光照射，使硼硅酸盐玻璃板上的光取向聚合物层被取向。可交联液晶单体的混合物涂上3％以下氰基三联苯分子：氰基三联苯分子：

选择氰基三联苯分子是因为最大吸收出现在与所用光取向聚合物网络材料(λ_max＝310nm)情况下相同的波长。涂饰过的混合物溶解到甲氧基苯溶液中形成40％浓度，在室温下通过旋转涂膜涂覆到曝光的光取向聚合物网络层上。液晶接受通过光取向聚合物网络曝光确定的取向并在下面的交联中保持这种取向。氰基三联苯分子本身与液晶基质一致地取向，这可以通过下面的事实看出，即在310nm处测量的透射，平行指向器时比垂直时测量小20倍。由于在高于300nm范围时，所用的交联液晶分子对吸收不起作用，这一定是由于氰基三联苯分子的二色性所致。

所得到的板作为偏振面罩使层面向下安装到光取向聚合物网络涂饰的玻璃板并以从面罩面来的各向同性紫外光照射。然后，通过旋转涂膜将液晶层涂到光取向聚合物网络层上。当旋转涂膜层放置在交叉起偏镜下时，可以看出液晶已经取向了，左半板和右半板彼此间取向方向相差45°。

在光敏材料中，使用LCP偏振面罩产生取向模式不需要采用外部起偏镜。偏振化及偏振面的确定通过偏振面罩采用按一个个象素方法(with pixel by pixel)来对待。

实施例7结构取向液晶池作为偏振面罩

同实施例2，硼硅酸盐玻璃板上的光取向聚合物网络层受到偏振光照射而取向，这样使得在左半部与纵线边缘相平行，在右半部与纵线边缘呈45°。

将一聚酰亚胺取向层涂到第二个硼硅酸盐玻璃板上并用一块布与纵向边缘平行地摩擦。然后，两块玻璃板结合形成6μm厚液晶池，这样光取向聚合物网络板的左半部与聚酰亚胺板一起形成一个平行池。相应地，右半光取向聚合物网络板的取向方向与聚酰亚胺层的取向方向彼此形成45°角。然后，池里充满涂以1％氰基三联苯化合物的液晶混合物。当将起偏镜放置在聚酰亚胺涂饰玻璃板的背面使得它的传递方向与摩擦方向相平行时，当在它上面检偏器的传递方向与起偏镜的传递方向垂直时，池的左半部为最黑暗。然而，当检偏器转动45°时，池的右半部为最黑暗。在通过池的左半部时，入射光的偏振面保持不变，在通过右半部时，转动45°。

通过它的光取向聚合物网络面，这个池安装到另一个光取向聚合物网络涂饰的玻璃板上。然后，通过这个池用各向同性紫外光照射光取向聚合物层，之后用旋转涂膜将液晶层涂到光取向聚合物层上。之后，当这一层放到交叉起偏镜下面时，可以发现液晶已经取向，在左半板和右半板的取向方向彼此相差45°。这个例子表明通过结构取向LCD偏振面罩曝光，不需要其它外部起偏镜。

实施例8自偏振可切换式LCD面罩

在硼硅酸盐玻璃板上面积1cm²内制备ITO的指状电极。被与板边缘平行处理的电极路径的宽度为20μm、路径之间的距离为40μm。之后，一聚酰亚胺层涂到上面并用一块布与电极路径方向呈45°摩擦。另一个没有电极的硼硅酸盐板也涂上聚酰亚胺并与纵向边缘呈45°摩擦使得当装配这两个板后出现一个平行池。板之间的距离为6μm。一种具有负介电的各向异性的向列型液晶混合物涂上1％的氰基三联苯化合物，然后加入到池里。当适当的高电压作用到指状电极上时，电极板附近的电极分子本身与电极路径平行地取向。因此，在指状电极附近液晶具有45°扭转结构，而在电极外面未切换晶区平行确定保持不变。

然后，这个池安装到涂有光取向聚合物网络玻璃板。通过切换池用各向同性紫外光辐照光取向聚合物网络层，之后，通过旋转涂膜，液晶层涂到光取向聚合物网络层上。当液晶层放置在交叉起偏镜下面时，可以看见液晶已经取向，在被指状电极区覆盖的晶区内的取向方向与外面区域的取向方向相差45°。在这一构造中也不需要外部起偏镜。通过涂饰的液晶混合物，紫外光被偏振，通过活化这个池，偏振面可以切换45°。因此在传递不同信息项目时，不需要改变面罩。

Claims (4)

1.在可光结构化的材料中产生各向异性的方法，它包括以下步骤：

提供偏振面罩，用于由入射光产生具有预先确定的偏振方向的线性偏振光，并且该偏振面罩具有光输入端和光输出端，并且包括多个区域，所述区域在所述光输出端彼此划界以使该多个区域在通过偏振面罩的光束上产生不同偏振方向的局部不同的偏振模式；和

将光线照射通过偏振面罩，以在该光束上印记局部不同的偏振模式以用该光束辐射所述可光结构化的材料，在该可光结构化材料上产生光学异性。

2.将偏振敏感材料选择性地暴露于具有多于一个偏振方向的线性偏振光的方法，它包括以下步骤：

a)提供具有输入端和输出端的偏振面罩，该偏振面罩具有多个区域，所述区域在该偏振面罩的所述光输出端彼此划界，并且具有不同的偏振方向；

b)提供偏振敏感的材料；和

c)将所述偏振面罩暴露于光线中以使所述光线进入所述偏振面罩的所述输入端，并且从所述偏振面罩的输出端出来，使所述偏振敏感材料选择性地暴露于具有多于一个偏振方向的线性偏振光。

3.根据权利要求1的方法，其中至少所述偏振面罩的至少一些偏振方向在所述可光结构化的材料曝光之前被改变。

4.根据权利要求2的方法，其中至少所述偏振面罩的至少一些偏振方向在所述偏振敏感材料曝光之前被改变。

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