CN1146750C - 布拉格反射光学器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
光学器件(20)是利用至少一层能够反射来自入射光的至少一个波长带的胆甾液晶薄膜(23)制作的。该器件的特征是在薄膜的部分或全部厚度中存在非零双折射梯度。该梯度是通过重叠双折射系数分别上升或下降的各层(24a-24j)而获得的。双折射梯度具有消除反射谱侧带的作用，因此使反射光的色彩更加艳丽，饱和度更高。这种作用对于红色光特别有利，因为人眼对位于黄色光一侧的侧带特别敏感。
Description
本发明涉及对入射光中的至少一个预定波长带进行反射的布拉格反射光学器件，该器件至少包括一种胆甾(cholesteric)型液晶薄膜。本发明还涉及制备这种光学器件的方法。
大家知道胆甾型液晶只能通过布拉格反射原理反射旋转方向与液晶相同的圆偏振光线。注意，在下面的描述中，当圆偏振光受到全反射时，反射系数等于1。
某些胆甾型液晶的特性是具有可调螺距的螺旋周期结构。该螺旋结构使得通过将螺距和/或液晶双折射设定为其它值可以很容易地改变布拉格反射的反射带，即能够反射的波长范围。
利用这种晶体，通过在两层板或衬底之间引入几种具有多个经调节可以分别反射与预定色彩对应的波长的螺距的胆甾液晶，可以制作光学器件，特别是显示器。
在制作这种器件过程中经常遇到的一个问题是所反射的颜色，特别是红色，具有阴暗和褪色的视觉效果。
为了解释这一现象，下面将参考图1，该图中的曲线1示出具有调节为反射红色光的胆甾液晶的光学器件的反射谱。注意，这种液晶对与红色光对应的波长λ的反射并不完美。实际上，曲线1可以分割成与红色光的反射相对应的主带A，及其两侧的侧带B和C。侧带B和C的存在使光学器件反射的红色光不纯，即饱和度不够，鲜艳度不足。
大家知道，饱和度与红色光波谱的范围有关，鲜艳度与反射系数是否接近于1有关。
此外，人眼的特性将更加突出侧带对所看到的红色光的纯度产生的不利影响。图1中的曲线2示出人眼的响应随眼睛接收到的光波长λ的变化，即对于可见光谱中的所有颜色(该曲线还称为适光曲线)。注意人眼在白天对于靠近波长555nm的波长λ最敏感，该波长对应于曲线2的峰。
图2中的曲线3示出眼睛对反射到具有曲线1所示特点的光学器件上的红色光的感觉。换句话说，图2示出经人眼响应调制后的红色光的反射谱随波长λ的变化。注意，在图2中，波长小于红色光的侧带C的作用被人眼放大了，这对红色光产生不利影响，使其产生阴暗的视觉效果；从而成为桔红色。
已经观察到，对于蓝色光也会出现类似现象。然而，由于人眼的适光曲线的作用，侧带效应对红色光的放大效应强于蓝色光。
为了克服这种由上述类型光学器件发射纯色光产生的问题，现有技术中存在几种解决方案。
针对纯度问题的第一个解决方案见Taylor和Francis在1996出版的题为“复杂结构的液晶(Liquid Crystal in Complex Geometries)”的著作，257页，该方案在液晶中掺杂能够吸收反射谱中的不需要部分的染料。
第一个方案的一个缺点是获得的光学效果不是最优的。实际上，液晶反射的光线有可能没有遇到染料分子或者仅仅受到几个染料分子的改变，因此，颜色未达到饱和，或者换句话说，颜色不纯。
该方案的另一个缺点是它需要将液晶与染料的混合物与分别反射绿光和蓝光的其它液晶进行物理隔离，以便避免染料分子扩散到邻近的反射其它颜色的液晶中。这增加了器件的复杂度。
另一个缺点是染料会对主带波长进行残余吸收，这种吸收降低了鲜艳度。
另一个缺点是该方案吸收透射光，这意味着不能使用多个液晶单元来复合光学效应，例如对于不同的颜色。
另一个缺点是构成染料的分子的化学稳定性较差，特别是在出现紫外线(UV)的情况下，这将降低显示器件的可靠性，缩短其寿命。
针对上述纯度问题的第二个解决方案见针对液晶显示器件(LCD)的欧洲专利申请EP 0 872 759。该方案为LCD器件提供了一个能够吸收波长与晶体必须反射的颜色所对应的波长不同的可见光的滤光器。该滤光器消除了上述由液晶反射谱引起的侧带效应，从而使反射光更纯。
第二个方案仍有一些缺点。它需要结构复杂的吸收滤光器，这与通常的工业考虑不符，例如成本、简洁性和合理性。此外，它需要安置补偿层，以确保整个单元表面上的液晶具有一致的厚度，这加大了该器件的复杂度。
该方案还有一个缺点是吸收透射光，这意味着不能使用多个液晶单元来复合光学效应。
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺点的光学器件，特别是能够以最优的纯度反射和透射其波长属于可见光范围的预定彩色光，例如红色光，和不属于可见光范围的预定彩色光，例如红外线。
本发明的另一个目的是提供一种能够以最优饱和度反射或透射预定彩色光的器件。
本发明的另一个目的是提供一种能够反射或透射预定彩色光的器件，其鲜艳度是最优的。
本发明的另一个目的是提供一种能够反射或透射多种彩色光的器件。
本发明的另一个目的是提供一种满足通常工业需求的光学器件，例如成本、简洁性和合理性。
根据本发明，提供了一种在开篇中描述的光学器件，其特征是液晶薄膜，至少在其厚度的一部分中，具有随着在薄膜中的深度变化的双折射梯度。
这种光学器件的双折射梯度液晶的一个优点是，它可以将反射谱限制在与相邻波长具有非常清晰的界限的波长带内，使反射系数接近于1。结果，该光学器件反射的带更加艳丽，饱和度更高，即，更纯。同样，非反射光线能够以很高的纯度透过光学器件。
双折射梯度可以是正或负的，即双折射随着由接收入射光的薄膜表面算起的深度而分别降低和增大。换句话说，对于透过液晶薄膜的光线，达到了消除侧带的效果。
双折射梯度可以使固定的，或随着由接收入射光的薄膜表面算起的深度而变化。
在具体实施方案中，薄膜由能够反射预定波长带的胆甾型液晶制成的多个聚合层制作，这些层具有恒定的双折射系数，这些系数互不相同，且按顺序排列，以便形成双折射梯度。
通常，异常折射率ne可以随着深度z作线性或非线性变化，正常折射率no可以是恒定或变化的。
在另一个实施方案中，光学器件包括一个包含所述液晶薄膜的单元，该单元包括第一和第二衬底，和界定出包含薄膜的腔体的密封架。该器件还包括两组分别配置在薄膜两侧的电极和连接到电极并为其提供控制电压的控制电路，从而使液晶能够从反射波长带内光线的第一状态转换到透射该光线的第二状态，或相反。
在上述两个实施方案中，所述器件包括多个所述液晶薄膜组成的堆栈，每个所述薄膜能反射不同波长带内的光线。
本发明还涉及利用上述多个聚合层制作光学器件的方法。该方法包括一下步骤：
-提供衬底；
-在衬底顶部淀积由具有第一双折射系数并反射预定波长带的可聚合胆甾液晶制成的第一层，并使第一层聚合；
-在前一层上淀积并聚合由反射所述预定波长带并具有相对于前一层逐渐变化的各自双折射系数的可聚合胆甾液晶制成的叠加层，以便由多个叠层制作在薄膜厚度方向具有双折射梯度的薄膜。
本发明还涉及制备具有上述单元的光学器件的方法。该方法包括一下步骤：
-制备包含由下列混合物构成的薄膜的液晶单元：滤除紫外辐射的试剂、具有第一双折射系数并反射预定波长带的第一胆甾液晶、和具有不同于第一双折射系数的第二双折射系数并反射所述预定波长带的第二胆甾液晶；
-利用来自单元上表面的紫外辐射照射混合物，来聚合薄膜顶部的第二液晶，这样第二液晶将通过聚合作用大部分固定在顶部，其浓度将随着薄膜的深度而下降。
这种通过随深度变化的聚合作用实现的部分隔离可以由欧洲专利EP 606 940和美国专利5,691,789获知，但是其制作方法是混合两种具有不同螺距的液晶，而不是不同的双折射系数。实际上，在这些方法中，其目的是制备具有胆甾螺旋螺距梯度的胆甾偏振器，以便提供比现有技术更宽的带宽。这完全不同于本发明的目的，本发明的目的是精确地限制光学器件的带宽。然而，在这些现有技术出版物中提及的、随深度逐渐下降的聚合方法可以用于实现在此公开的本发明。
本发明的其它特点和优点将通过参照附图，阅读完全通过实例的方式给出的本发明的两个优选实施方案的详细描述而更加清楚，其中：
-图1示出能够反射红色光的传统布拉格反射器的反射谱，以及人眼的适光曲线；
-图2示出乘以人眼的适光响应之后的图1的反射谱；
-图3示出本发明的光学器件的第一实施方案；
-图4示出与图3有关的第一双折射曲线；
-图5示出本发明的光学器件的第二实施方案；
-图6示出与图3和5有关的第二双折射曲线；
-图7示出图3和5的光学器件的反射谱；和
-图8a至8e示出与图3和5有关的第三、第四、第五、第六和第七双折射曲线。
本领域的技术人员将注意到，本发明可以应用于大量的光学器件。通过示例的方式，在此将描述两个优选实施方案，分别是滤光器和布拉格反射器。
第一实施方案将参考示出滤光器20的图3进行描述。
滤光器20包括透明衬底22和由多层经聚合作用形成的液晶聚合物层24a至24j构成的液晶薄膜23，这些晶体能够反射与例如红色光对应的预定波长带。聚合物层的数目只是通过示例的方式给出的。在图3所示的实例中，层24a至24j相互层叠在一起，这样层24j的下表面25与衬底22的上表面紧密接触，层24a的上表面26接收在图3中由箭头L表示的入射光。衬底22可以由玻璃或塑料材料制成。因为衬底22是透明的，滤光器20向下传播除布拉格反射作用向上反射的波长带之外的所有入射光线L。
层24a至24j均具有恒定的双折射系数，但是各层之间的双折射系数并不相同，这样在薄膜23中不存在零双折射梯度。图4示出薄膜23的第一双折射曲线Δn随薄膜深度z的变化。具体地说，图4示出代表异常折射率ne曲线的曲线50和代表普通折射率no曲线的曲线52随深度z的变化。大家知道，双折射Δn定义为Δn＝ne-no。曲线50和52是阶梯函数，它们分别随着深度z下降和上升，这样双折射随着深度的增加而下降，即具有随深度变化的负梯度。换句话说，薄膜23在表面(即，z＝0)的双折射较强，而在深处较弱。通过示例，结合图4，双折射在z＝0处为0.23，并随着深度每增加1μm而下降0.023。
层24a至24i是根据用于制作具有随深度z作阶梯变化的全局折射率曲线的液晶的制作方法制作的。该方法的描述见于涉及本发明技术领域的文献，特别是欧洲专利申请EP 0 881 509，该申请公开了一种由多层具有不同反射光波长的聚合胆甾液晶制成的分层偏振器。本质上，参考附图3，制作薄膜23的方法包括以下步骤：在衬底22的上表面淀积具有第一双折射值的第一胆甾液晶单层；使第一层聚合，形成层24j；以类似于层24j的方式，制作后续层24i至24a，只是液晶分别具有逐渐降低的双折射值，这样层24a至24j就构成了其双折射值呈现为如图4所示的曲线的层23。在一种变例中，各层还可以按照双折射增加或根据任意规则变化的方式进行淀积。
注意实现欧洲专利申请EP 0 881 509中公开的制作方法的目的不同于本发明。事实上，在本申请中，加宽反射带，以便反射可见光的全部光谱，这种反射是通过胆甾结构的螺距梯度实现的。
上面已经解释了，通过选择性地反射波长带，滤光器20允许入射光谱L的所有剩余部分通过。由此可以理解的是，有可能将多个同类型的基本滤光器复合在一起，但每个基本滤光器都分别反射不同的波长带，构成一个复合滤光器，该滤光器反射基本滤光器反射谱的形状，并基本上透射入射光谱的所有其它波长。作为在每个基本滤光器的反射波长和透射波长之间的清晰突变的结果，获得了“定制(made toorder)”、精确定义的透射谱。
值得注意的是，如果入射光L来自下面，在图3所示的情况下，即双折射梯度随深度的变化是正的，还具有着消除反射光中的侧带的作用。这还意味着图4的折射率曲线50和52可以左右颠倒，同时保持相同的光学效果。换句话说，底层24j的双折射最大，顶层24a的最小。
还要注意，滤光器20执行色彩选择功能，即与色彩偏振器相同的功能，而不必使用圆偏振器，薄膜23的胆甾结构实现入射光的圆偏振选择。
应当注意，图3所示的光学器件还可以构成反射器。在这种情况下，在衬底22的上表面25上安置反射层是有利的。
现在参考图5，描述第二实施方案，该图示出了构成布拉格反射器30的液晶单元。
反射器30包括安置在前侧，即接收由箭头L表示的入射光的一侧，的第一透明衬底32，和安置在后侧的第二衬底34，这样衬底34面向衬底32延伸，并与之平行。
衬底32和34可以由玻璃和塑料材料制作，衬底34可以是不透明的，例如黑色。如图5所示，衬底34也可以覆以光吸收层43，例如位于前侧衬底32上的衬底34的表面上的黑色层。在另一实施方案中，层43可以是反射层。
衬底32和34通过密封架36连接在一起，以便在它们之间界定出包含胆甾型液晶(CL)薄膜38的腔。薄膜38由液晶和手性(chiral)聚合物的混合物制作，且在薄膜38的深度中形成随深度变化的非零双折射梯度。
图6示出具有随着在薄膜38中的深度z变化的负梯度的双折射曲线Δn。准确地说，图6示出了随深度z变化的异常折射率ne的曲线曲线60和普通折射率no的曲线62。曲线60和62分别随着深度z的增大而下降和上升，这样液晶CL的双折射作用在薄膜38的上表面(即在z＝0处)非常显著，随着深度的增加逐渐变弱。结合图6，仅以示例的方式，双折射值在z＝0处为0.23，并随深度每增加1um而下降0.023。
薄膜38可以根据使用混合物的制作方法进行制作，混合物包括滤除紫外辐射的试剂；以可聚合单体形式存在的低双折射的第一胆甾液晶和高双折射的第二胆甾液晶(其双折射明显地高于第一液晶)，例如在紫外线照射下可聚合的单体。在这种放置在反射器30的腔中的混合物中，来自反射器上方的UV射线促使第二液晶聚合。假定因为存在滤波试剂，使聚合作用随深度z的增加而下降，第二液晶单体在薄膜顶部倾向于变得更加稀薄，由此通过扩散而上升，并在较浅的位置聚合量更大。这就在薄膜顶部(即靠近表面的位置)的第二聚合胆甾液晶中形成梯度，产生与图6类似的双折射曲线。
通过示例，根据数字模拟，计算了反射器30的反射谱。该谱由图7中的曲线70示出。注意，曲线70不再包含侧带(不同于图1中的曲线1)，并以650nm的波长为中心，即基本上以红色光的波长为中心。反射峰的边缘几乎是垂直的，这就确保了非常高的色彩纯度。还要注意，与红色光波长对应的反射系数几乎等于1，这可以使反射红色光的鲜艳度达到最优。
换句话说，已经观察到，在薄膜38的深度中存在的双折射梯度具有将反射谱限制在预期色彩(即，在图5的实例中是红色光)的波长范围之内的作用，具有使反射系数接近1的作用。结果，反射器30反射的预期色彩的饱和度更高，更加艳丽，即纯度更高。
已经计算出，存在最小双折射梯度，只要超过该梯度就可以显著地改善反射器30的品质。例如，在薄膜38的10％厚度中存在双折射梯度的情况下，最小双折射梯度大约为0.1/μm，在薄膜38的整个厚度中都存在双折射梯度的情况下，最小双折射梯度大约为0.01/μm。对于一些中间情况，最小梯度值可以作为厚度的函数通过插值获得，如果有的话。
注意，反射器30完成与色彩偏振器相同的色彩选择功能，而不必使用圆偏振器，因为单元38的胆甾表面实现了对入射光的圆偏振选择。
作为一个变例，可以由反射器30制作可切换单元反射器，如图5所示。为此，控制液晶CL，使其具有至少两种状态，即反射与预定色彩相对应的波长范围内的光的第一状态，例如红色光，和透射光线的第二状态。
面向衬底34的衬底32的表面具有第一组电极40。面向衬底32的衬底34的表面包括例如排列成与电极40垂直的条形的第二组电极42。电极40和42中的每一个都是由利用传统技术淀积并构造的透明导电条制作的，优选的是由氧化铟一锡(ITO)制作。反射器30以众知的方式连接到电极40和42的控制电路，该电路能够为选定的电极提供适当的控制电压，以便调节位于电极40和42的交叉点上的液晶的光学条件，即将其切换到上述两种状态中的一种，或切换到这两种状态之间的中间状态。
经改进，如图5所示，反射器30的可切换单元包括安置在薄膜38和电极40之间的组合层41。安置这种组合层41的一个优点是它可以构成保证可切换单元反射器30的可靠性所必需的介质阻挡层。
对本领域的技术人员来讲，可以在不偏离本发明范围的条件下，对上述描述进行各种修改。
作为一个变例，光学器件的单元可以制作得反射可见光中除红色光之外的一种色光，例如蓝色光，或可见光之外的射线，例如红外线。
作为另一实施方案，在薄膜的部分或整个厚度中具有非零双折射梯度的薄膜可以根据图8a和8e所示的双折射曲线中的一种进行制作。
图8a示出由折射率ne的曲线80和折射率no的曲线82表示的第三双折射曲线。注意，曲线80是随着深度z的增加而下降的函数，曲线82是不随深度z变化的函数。这就产生了双折射梯度，双折射在薄膜38的顶部(即在z＝0处)最大。
图8b示出由折射率ne的曲线84和折射率no的曲线86表示的第四双折射曲线。注意，曲线84是随着深度z的增加而上升的函数，曲线86是随着深度z的增加而下降的函数。这就产生了双折射梯度，双折射在薄膜38的底部(即在z＝10μm处)最大。
图8c示出由折射率ne的曲线88和折射率no的曲线90表示的第五双折射曲线。注意，曲线88对应于随着深度z变化的正的正弦曲线交替，曲线90对应于随着深度z变化的负的正弦曲线交替。这就产生了双折射梯度，双折射在薄膜38的中部(即在z＝5μm处)最大，在薄膜表面最小。
图8d示出由折射率ne的曲线92和折射率no的曲线94表示的第六双折射曲线。注意，曲线92对应于随着深度z变化的正的正弦曲线交替，曲线94是不随深度z变化的函数。这就产生了双折射梯度，双折射在薄膜38的中部(即在z＝5μm处)最大。
图8e示出由折射率ne的曲线96和折射率no的曲线98表示的第七双折射曲线。注意，曲线96对应于随着深度z变化的正的正弦曲线交替，曲线98对应于随着深度z变化的负的正弦曲线交替，折射率ne和no在z＝0μm和z＝10μm处，即薄膜38的两个表面处，具有相同值。由此，双折射具有可变的梯度，其最大值在薄膜38的中部(即在z＝5μm处)。
作为一个变例，可以制作根据本发明的光学薄膜叠层，每个器件都能够通过布拉格反射选择预定的波长带，这样叠层就能够反射几个预定的波长带，因为由安置在底部的薄膜反射的光波带(如果入射光来自上面)可以透过放置在上面、且不反射该波长带的薄膜。通过合理地组合具有不同反射带的薄膜，可以构成任何所需的反射谱，以及透射谱，该透射谱对应于缺少反射谱带的入射光谱。
Claims (21)
1.一种反射在入射光中出现的至少一个预定波长带的布拉格反射光学器件(20，30)，该器件包括至少一层胆甾型液晶薄膜(23，38)，其特征在于所述液晶薄膜至少在其厚度的一部分中具有随着薄膜深度(z)变化的双折射梯度。
2.权利要求1的光学器件，其特征在于所述薄膜(23)由多个能够反射所述预定波长带的胆甾型液晶制成的聚合层(24a-24j)构成，各层均具有恒定的双折射系数，各层的系数互不相同，且按顺序排列，从而构成所述双折射梯度。
3.权利要求1的光学器件，其特征在于该器件包括具有所述液晶薄膜(38)的单元，所述单元具有第一和第二衬底(34，32)和界定出包含薄膜的腔的密封架(36)。
4.权利要求3的光学器件，其特征在于所述薄膜(38)包括两种具有不同双折射的液晶的混合物，一种液晶通过聚合作用在薄膜中固化，以便形成随深度(z)变化的浓度。
5.权利要求3的光学器件，其特征在于还包括两组分别安置在薄膜(38)两侧的电极(40，42)和连接到所述电极并选择性地为其提供控制电压的控制电路，以便使第一液晶由反射来自所述特定波长带的光线的第一状态转换到透射该光线的第二状态，或反之。
6.权利要求1的光学器件，其特征在于所述双折射梯度是负的，双折射(Δn)随着由接收入射光的薄膜(23，38)表面算起的深度(z)的增加而下降。
7.权利要求6的光学器件，其特征在于所述薄膜具有随着深度(z)的增加而下降的异常折射率(ne)。
8.权利要求6的光学器件，其特征在于所述薄膜具有随着深度(z)的增加而升高的普通折射率(no)。
9.权利要求1的光学器件，其特征在于所述双折射梯度是正的，双折射(Δn)随着由接收入射光的薄膜(23，38)表面算起的深度(z)的增加而升高。
10.权利要求9的光学器件，其特征在于所述薄膜具有随着深度(z)的增加而升高的异常折射率(ne)。
11.权利要求9的光学器件，其特征在于所述薄膜具有随着深度(z)的增加而下降的普通折射率(no)。
12.权利要求7的光学器件，其特征在于所述薄膜具有恒定的普通折射率(no)。
13.权利要求1的光学器件，其特征在于所述双折射梯度随着由接收入射光的薄膜(23，38)表面算起的深度(z)的变化而变化。
14.权利要求13的光学器件，其特征在于所述双折射在薄膜厚度的中央最大，在靠近薄膜表面的位置最小或为零。
15.权利要求1的光学器件，其特征在于所述双折射梯度的绝对值大于最小值，单位深度的所述最小值介于双折射梯度只出现在薄膜的10％厚度中的0.1/μm和双折射梯度出现在整个薄膜厚度中的0.01/μm之间。
16.权利要求1的光学器件，其特征在于包括多层所述液晶薄膜(23，38)的堆栈，每层薄膜都反射不同波长带的光。
17.权利要求1的光学器件，其特征在于包括相对于薄膜(38)配置在与接收入射光的一侧相对的另一侧上的反射层(43)。
18.权利要求1的光学器件，其特征在于该器件构成了一个利用一层或多层液晶薄膜(23，38)反射一个或多个入射光波长带并允许入射光谱的剩余部分通过的滤光器。
19.制备权利要求2的光学器件(20)的方法，包括以下步骤：
-提供衬底(22)；
-在所述衬底的上表面淀积由具有第一双折射系数并反射预定波长带的可聚合胆甾液晶构成的第一层(24)，并使第一层聚合；
-在前一层上淀积并聚合由反射预定波长带并具有相对于前一层逐渐变化的各自双折射系数的可聚合胆甾液晶制成的叠加层(24i-24a)，以便由多个叠层制作在薄膜厚度方向具有双折射梯度的薄膜。
20.制备权利要求3的光学器件(30)的方法，包括以下步骤：
-制备包含由下列混合物构成的薄膜的液晶单元：滤除紫外辐射的试剂、具有第一双折射系数并反射预定波长带的第一胆甾液晶、和具有不同于第一双折射系数的第二双折射系数并反射所述预定波长带的第二胆甾液晶；
-利用来自单元上表面的紫外辐射照射混合物，来聚合薄膜顶部的第二液晶，这样第二液晶将通过聚合作用大部分固定在顶部，其浓度将随着薄膜的深度(z)的增加而下降。
21.权利要求1至16之一的光学器件作为滤光器的使用，所述滤光器透射处于由一个或多个预定波长带构成的、且受到所述一层或多层薄膜反射的光谱外部的入射光。
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