CN1475819A - 辐照衬底的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理多层液晶膜显示材料的系统，具有多个辐照设备(60)用于用具有所需的角度的入射光将偏振的UV辐照的区提供到从卷材(16)馈送的衬底上。每个辐照设备(60)包括UV光源(64)和一个或多个任选的滤波器(82)。提供并且按大小排列并设置偏振器(90)以便当卷材(16)移动时在卷材(16)之上提供偏振光。辐照设备(60)使用栅格(81)阵列和/或棱镜阵列(72)。一个辐照设备(60)辐照在卷材移动方向上以0度校准的第一LPP1层(22)，另一个辐照设备(60)辐照以正交的90度校准的第二LPP2层(26)。

Description

辐照衬底的设备和方法
技术领域
本发明通常涉及利用曝光能量处理衬底材料的设备和方法，更具体地涉及用于校准以作为卷筒式馈送(web-fed)的衬底提供的液晶显示器补偿膜的设备和方法。
背景技术
当前液晶显示器(LCD)应用的快速增加完全是由于显示器性能的提高。高对比度、良好的彩色再现和稳定的灰度等级强度是对于采用液晶技术的电子显示器的重要特征。对于对比度，主要制约液晶显示器的是在暗或“黑”象素状态下光泄漏的倾向。而且，这种泄漏和由此液晶显示器的对比度还依赖于观察显示器屏的角度。典型地，只在视角以对显示器的法线入射为中心的窄的视角之内才能获得最佳对比度，并且随着视角的增加该最佳对比度快速下降。在彩色显示器中，光泄漏不仅降低对比度，而且还产生不需要的色彩或色调偏移，降低色彩的重现。除了黑状态的光泄漏，由于液晶材料的固有的光各向异性，作为视角函数的亮度电压响应中的偏移加剧了对于典型的扭曲向列的液晶显示器的视角的约束。
因此，决定LCD显示器质量的一个主要因素是视角特性，其说明相对于不同视角的反差比的变化。期望在宽的视角范围内保持对比度，这也是液晶显示器件公知的缺点。改善视角特性的一种方法是在偏振器和液晶单元之间插入具有适合光学特性的补偿器(也称为补偿膜、延缓膜或延缓器)，例如在美国专利No.5583679，5853801，5619352，5978055和6160597中所公开的。广泛采用的是根据美国专利No.5583679和5853801的基于显示负双折射的盘形分子液晶的补偿膜。这种薄膜在较宽的视角范围提供改善的对比度；然而，根据Satoh等的(“用于NW-TN-LCDs的作为视角补偿器的向列混合和盘形分子混合膜的比较”，SID 2000文摘，347-349页，(2000))，与由具有正双折射的液晶材料制造的补偿器相比，它承受较大的灰度水平图像色彩偏移。为了在降低色彩偏移时获得可比拟的反差比，一种补偿膜的解决方案采用一对具有垂直正交光轴的液晶聚合物膜(LCP)，设置在液晶单元的每一侧，如Chen等的(“宽视角光校准的塑料膜(WideViewing Angle Photoaligned Plastic Films)”，SID 99文摘，98-101页(1999))中所述。此论文阐述了“因为第二LPP/LCP延缓膜直接覆盖在第一LCP延缓膜的上部，所以最终的宽视角延缓膜叠层的总厚度仅为几微米厚”。尽管这种方法提供了非常紧凑的光学部件，但很难制造具有其光轴垂直取向的两个LCP层的补偿膜。在薄膜衬底为卷筒式馈送，例如连续的、辊至辊的制造工艺中的情况下，这是一个巨大的挑战。
在处理液晶补偿膜中，认为光校准(photo-alignment)方法比早期的摩擦校准方法具有优点。采用光校准，典型地为线性光聚合介质(LPP)的薄的校准介质被涂敷于衬底，然后典型地利用UV光进行辐照以提供定向的校准偏压。基于不同的光反应工艺，存在多种光校准方法。通常，光校准方法可以是三种基本类型之一：
(1)如美国专利No.4974941中公开的异构化是利用激光辐照的可逆处理，其中利用顺反异构化效应校准单体或单分子；
(2)如美国专利No.5602661中公开的光二聚作用使用光致取向和包含交联的聚合物侧链的二聚作用；以及
(3)光解离采用光以便各向异性地改变校准介质例如聚酰胺酸或聚酰亚胺或由酰胺酸和亚胺组成的共聚物。
在一种有前途的光二聚作用方法中，在LPP层之上提供液晶聚合物(LCP)层中的盘形分子液晶结构以便产生优选的校准方向。利用这种方法的光校准的大多数解决方案是以倾斜角将准直的偏振UV光射向校准LPP衬底以便在所需的方向上校准聚合物分子，该方向为随后涂敷的含有液晶结构的LCP层提供预定倾角。应当清楚，对于适合的性能，只有LPP校准层中的分子的小部分需要被光聚合。典型的LCP介质包括二丙烯酸酯和双环氧化合物和类似的可交联液晶材料。LCPs可以具有固有的正光学各向异性，例如用二丙烯酸酯，或负各向异性和不稳定的双轴特性，例如用盘形分子液晶材料。
已经采用多种不同的光校准介质和技术来提供用于不同类型液晶显示介质所需的预定倾角。对于适合种类的LPP介质，提供用于校准的辐照的光学设备必须满足以下标准：
1、额定10-15mJ/cm2的曝光量。
2、波长范围窄。适合于校准辐照的精确范围取决于材料。对于多种类型的校准衬底，UV-B(280-320nm)是优选的范围。为了使不希望的校准影响或不需要的温度效应最小，优选放弃一些波长。对于辊至辊制造设备中的效率，放弃不希望的波长非常重要，在该设备中加工以每分钟几百英尺行进的衬底的卷材。如此高的速度，对于在所需波长的辐射必须的增加容易带来从光谱的其它部分中的不需要的辐照量的增加。例如，由激发汞或离子掺杂的汞分子的一类灯有效地产生UV光。这种灯典型地产生UV-C(200-280nm)、UV-B(280-320nm)、UV-A(320-400nm)、可见光和红外光。对于选择UV-B作为优选的光谱范围的实施例，需要限制光谱的其它成分对卷材的辐照和总的曝光。
3、均匀的曝光剂量。曝光剂量表示为每单位面积的能量。应当清楚，即使在一些应用中跨越被辐照表面的剂量变化达到+/-50％之多的情况下，剂量水平或可称作曝光水平也能提供可接受的校准结果。然而，剂量均匀性的合理补偿有助于获得均匀的校准结果，使衬底中央处的水平和衬底边缘处的水平之间的强度水平变化最小。
4、均匀的偏振方向。施加的校准辐射被严重偏振的重要性没有被提出。然而，对于LPP类的材料，当曝光辐射具有高度均匀的偏振方向时，就能获得最好的结果。为了维持高标准的质量和均匀校准，优选提供一致的偏振方向，在整个辐射表面之上不超过1度的变化。当然，当辐射大范围的表面时，需要强调维持偏振的方向均匀性的这种容差的问题。
5、用于预倾斜的倾斜入射角。典型地，为了将必须的预倾斜角提供到LPP材料，就需要距介质的法线入射的一些偏移。对于大多数的应用，允许宽范围的入射角例如超过10-70度范围。我们将称这种照明为具有预定倾斜的照明，应当理解，倾斜指多重入射角的平均角度而不是单一照明角度。
已经开发的一些传统系统通常满足用于在小范围内辐照校准介质的上述1-5的大多数要求。然而，很明显，当被辐照的表面面积或曝光区增加时就很难满足这些要求。传统方法尚不能适合有效地辐照卷筒式馈送的衬底的需要，在衬底以制造的速度移动通过辐照设备且卷材宽度超过1m的情况下。
除对于大规模光校准处理的要求之外，还存在一种需要，即提供具有复合LPP/LCP结构的薄膜，其中已经处理了两个校准表面以致它们各自的光轴接近90度，就是说，它们各自的光轴彼此相对垂直。传统方法仍然不能为卷筒式馈送的介质提供实现此需要的适合的解决方案。
在用于光校准的提出的现有技术解决方法中有多种扫视的解决方法：
美国专利No.5889571公开了一种用于跨越衬底扫描线性偏振UV以便获得校准层均匀性的辐照设备。美国专利No.5889571强调倾斜辐照的重要性。这种方法最适合于薄片形式提供的衬底而不适合于由卷材连续地馈送的衬底。
美国专利No.6295110公开了一种用于跨越衬底施加偏振UV辐射的基于激光的系统。设计是为具有对角线大约为10英寸或稍微更大范围的衬底进行的，对于所采用的光学辐射类型，美国专利No.6295110的方法在超过此尺寸限制的面积之上提供二维辐照。然而，在将这种类型的方法用于具有1m宽或更大的尺寸的卷筒式馈送衬底时就存在实用上的限制。
应当注意，强辐照度条件有益于在高速辊至辊制造设备中的应用，特别是需要提供紧凑系统的场合。在这种环境下卷材上的峰值辐照度可在大约50毫瓦/cm2至几百毫瓦/cm2值的范围。这就意味着在任何偏振器上的平均辐照度将更高。借助例如可以利用100-600W范围功率水平的中等压力长弧汞灯施加的范围的辐照度，不适合采用传统的树脂基偏振器。例如，这种类型的辐照超过例如3M(St.Paul，MN)的HNP`B-线性偏振器的偏振器的实际工作范围。片式偏振器通常不能处理较强的辐照强度并且会在延长的曝光周期快速退化。考虑到这种限制，用于在大面积之上提供偏振的辐照的现有技术的方法包括以下方法：
美国专利No.6190016公开了一种利用在光学系统中的不同点处设置的椭圆形聚焦镜、积分透镜和偏振器的辐照设备。美国专利No.6190016强调入射到偏振器的准直光量以便提高偏振性能。公开了利用布儒斯特(Brewster)平板偏振器用于大范围的表面。
美国专利No.5934780公开了一种使用具有椭圆形聚焦镜的UV光源的曝光设备，其中该设备包括积分透镜、偏振器和准直光学器件。在优选实施例中采用布儒斯特平板偏振器。对于达到某一尺寸的衬底，这种方法可以很好地工作。然而，对于大衬底存在制约布儒斯特平板偏振器的使用的实际尺寸限制。类似地，EP 1020739A2公开了一种改进的布儒斯特平板设置。作为布儒斯特平板偏振器的变型，EP1172684公开了一种改进的V型布儒斯特的角度设置。然而，类似的重量和尺寸的限制同样制约了这种方法的可行性。
美国专利No.6292296公开了一种大尺度的偏振器，该偏振器包括以布儒斯特角设置的多个石英片，用于采用UV辐照的系统。然而，特别是作为对于具有大辐照面积的卷筒式馈送的曝光系统的解决方法，这种设置将非常昂贵且体积大。
如上所述的专利说明书显示设计用于大曝光区的辐照设备已经使用了相当大的偏振部件，典型为以布儒斯特角设置的石英或玻璃板。由于这些偏振器的相对尺寸和重量的阻碍，这种辐照设备必然以较低的效率将光能量传送到曝光表面。因此，利用布儒斯特平板的传统偏振器或基于布儒斯特角原理的干涉偏振器同样显示了高度的角度依赖。就是说，为了获得均匀偏振的光输出，就必须基本上准直入射光。
值得注意的是，布儒斯特平板偏振器例如在美国专利No.5934780和美国专利No.6061138和6307609中所示的偏振器并非最佳用于提供均匀的偏振，除非采用高度准直的光。只有当布儒斯特平板的平面位于非常有限的角度范围时，相对于被辐照表面，布儒斯特平板偏振器的偏振的主轴才是均匀的。否则，布儒斯特平板偏振器不具有良好限定的、均匀的偏振主轴。借助布儒斯特平板偏振器，偏振方向取决于进光的角度方向。对于每个光束的方向，如图16a和16b所示，在入射点处建立与含有入射和射出光束的子午面对准的特定局部坐标系统。因此，当存在不同角度的几个进入的光束时，布儒斯特平板偏振器相应地提供多重偏振方向，就是说，多重偏振轴。而且，布儒斯特平板偏振器只在一个方向上操作；采用布儒斯特平板偏振器用于在卷筒式馈送的衬底上获得多重LPP校准层的正交偏振将是不实用的。此外，为了提供重叠的LPP层的正交校准，需要暴露单独切割的介质片，旋转该介质以便获得正交曝光。布儒斯特平板方法不紧凑或不实用于长弧光灯，特别地不实用于必须获得正交曝光方向的情况。
参照图16a和16b，图16a和16b示出对于布儒斯特平板偏振器132，偏振主轴126如何随不同角度的入射光束124变化。如这些图中所示，由入射光束124、反射光束120和透射光束122限定子午面130。取决于入射光束124的入射角，偏振主轴126具有相对于参考方向128的可变角ψ1或ψ2。从几何角度看，子午面130的倾角导致了偏振主轴126的改变。
相反，传统的片式偏振器具有为处于入射角范围内的光提供均匀偏振主轴的特性。片式偏振器还能够被旋转以便校准允许例如在连续的基于卷材的制造工艺中所需要的正交校准曝光。然而，在强UV光辐照度的条件下片式偏振器并不坚固并且会快速退化。因此，可以看出，在相对强辐照水平下并且对于相对宽的入射角下的入射光，利用传统的偏振部件和技术就很难获得UV-B光(280-320nm)的有效偏振。
通常，在红外和更长波长的应用中已经使用了栅网偏振器。特别是最近，已经开发了利用可见光的栅网偏振器(wire gridpolarizer)，如在美国专利No.6234634和6243199中所公开的。尽管在1983年就实验性的说明了用于UV应用的栅网偏振器概念(参见Sonek等的《应用光学》第22期，第1270-1271页；其中在石英衬底上蒸发115nm厚度的铝以覆盖大约200-800nm的波长范围)，但只有到最近才有商业应用的利用UV光范围的栅网偏振器件。栅网偏振器在高热和强辐照度应用中具有固有的优点，而传统的片式偏振器则不适用。栅网偏振器还比其它类型的偏振器，特别是比布儒斯特平板和干涉型偏振器具有更小的角度依赖。有利地，栅网偏振器具有小空间轮廓(dimensional profile)，使它们能够被用于在沿光轴的空间可为最小的情况下代替片式偏振器。此外，栅网偏振器相对于偏振主轴显示出优良的响应，类似于用如上所述的片式偏振器得到的。例如，如图所示，在图16c和16d中，当入射光束124具有入射角的范围时，栅网偏振器134相对于参考方向128提供完全均匀的偏振主轴126。这种能力表示，例如，栅网偏振器134可以相对于入射光束124倾斜而不存在对应于偏振主轴126的变化。在此方式中，栅网偏振器134的偏振主轴126在宽角度范围上不依赖于入射光束124入射的角度。然而，栅网偏振器件在尺寸上不适合在大的曝光区域之上施加偏振光的需要。
或者，斯特棱光学公司(Sterling Optic)(Williamstown，KY)的商业可得到的贝尔毕(Beilby)层偏振器具有有效偏振UV光谱中的光的所需特性。这种类型的偏振器采用提供并固定到熔凝硅石的单向抛光板的偶氮染料。对于贝尔毕层的并发角的接受角(subsequentangular acceptance angle)超出了任何一种商业可得到的干涉滤波器、布儒斯特平板或UV栅网偏振器的接受角，对高热或强辐射的表面回弹性超过树脂基片式偏振器的表面回弹性。贝尔毕层偏振器还显示出小空间轮廓和相对于偏振主轴的良好响应。
已经公开了用于光校准的多个不同种类光源，例如：
WO00/46634公开了一种用于衬底校准的方法，其利用在倾斜方向施加的未被偏振或圆偏振的光源。
美国专利No.4974941公开了优选利用激光光源的校准和重校准。
美国专利No.5389698公开了利用线性偏振UV用于光聚合物辐照。类似地，美国专利No.5936691公开了利用线性偏振UV用于光聚合物辐照，该UV光源位于邻近衬底表面。
如上所述，准直或基本上准直的光的使用在很大程度上由偏振器的特性决定。在相关的曝光工艺应用中，认为准直光具有优点，例如如下的这些实例：
美国专利No.5604615和EP 0684500 A2公开了通过使准直的UV穿过光掩模中的缝隙来形成校准层。
在相关的固化应用中，美国专利No.6210644公开了使UV穿过条形校准器用于固化树脂。
美国专利No.6061138和6307609公开了一种利用曝光辐射用于校准的方法和设备，即“部分偏振”和“部分准直”。通过“部分偏振”，此说明书确定一个从1∶100到100∶1的S∶P值的宽范围，优选从0.5∶1到30∶1的范围。通过“部分准直”，这些说明书确定了在一个方向上的大于约5度并小于约30度的发散的宽范围。利用这种宽范围简单地说明了对于偏振和准直两者可接受的一些重要的变化程度。当然，实际上大多数偏振器工作在美国专利No.6061138所述的宽范围内，特别在相当大的曝光区上。如众所周知并示出在美国专利No.6190016的说明书中的，仅对于偏振的一致控制需要一定程度的准直。当光仅穿过孔隙并不被另外的方式阻挡、聚焦、投射或漫射时，就会在美国专利No.6061138所述的宽范围之上产生部分准直。阻挡杂散光的挡板或孔隙需要在美国专利No.6061138中公开的范围之内进行“准直”。在美国专利No.5934780中公开的早期的工作类似地展示出具有相对弱偏振的部分准直光的使用以及用于曝光能量的相对大入射角的使用，覆盖了美国专利No.6061138中规定的范围。另一个早期专利EP 0684500 A2阐述了辐照偏振光束的准直是优选的，但不要求准直。
因此，现有技术似乎指出自身认为的准直不如曝光辐射的其它特性重要。确实，例如，通过利用例如使用反射护罩的装置利用在所有方向上发射的光，为了有效地聚集并将光射到衬底上，一定程度的准直是完全必须的。如上所述，由于一般不装配偏振装置来处理入射光发散的宽的变化，所以需要一定程度的准直用于对光进行偏振。但是，注意到自身特性，准直可具有相对于曝光的其它特性的次要的重要性。
相反，为了获得好的结果，维持一致的偏振方向或方位角就显得非常重要。聚合方向或LC校准材料的选择严格对应于偏振方向。事实上，已经证明，如美国专利No.6061138中建议并如Schadt等(日本应用物理杂志，1992年第31卷第2155-2164页的“借助线性聚合的光聚合物的液晶的表面感应的平行校准(Surface-Induced ParallelAlignment of Liquid Crystals by Linearly PoymerizedPhotopolymers)”)公开的早期工作所展示的部分偏振显然可以接受，只要该部分偏振维持一致的偏振方向。美国专利No.5934780的说明书强调了这种偏振方向的重要性。已经说明，当曝光能量稍微均匀分布并且当偏振方向严格控制在大约1度的范围之内时在曝光区就能获得最佳结果。
正如上面引证的现有技术解决方案中所述，用高强度的UV-B辐照以严格控制的偏振方向在宽的曝光区上获得偏振是非常困难的。难于获得以合理的成本提供偏振UV-B光的UV-B光源。而且，高热和强辐照度要求在相当程度上需要滤波器和偏振部件。传统的树脂基片式偏振器不能承受高的辐照和高热条件。布儒斯特平板和干涉滤波器能够承受这些条件，但是存在尺寸和重量的缺点以及接受角的限制。
更复杂的原因是，已经证实当卷材材料曝光时难于获得并维持辐射能量强度的控制。从线性光源获得均匀的剂量分布需要用于重定向所施加的能量的一些设备，以致被照表面边缘处的强度与表面中心处的强度不会明显不同。虽然容许限度不严格，但是还是期望达到某种合理程度的一致。
LC材料的节省成本的批量制造需要高产量。这就必须使用一致地提供到快速曝光并固化的材料上的足够的强度水平。尽管传统方法提供高容量卷筒式馈送制造的一些能力，很明显，存在一种对现有技术方法的加工速度、成本和质量进行改善的空间。
应当清楚，存在有利的用于制造具有正交布置的光学特性的补偿膜的制造设备和方法。这种薄膜将提高液晶显示器的视角性能，用于包括扭曲向列型(TN)、超扭曲向列型(STN)、光学补偿弯曲(OCB)、板内切换(IPS)和垂直校准(VA)液晶显示器的显示技术。在美国专利No.5619352、5410422和4701028中描述了这些不同的液晶显示器技术。传统方法不能提供用于批量制造这种补偿膜的适合方法。
因此，应当看出，存在对于改进的设备和方法的需要，该设备和方法用于制造作为卷筒式馈送衬底提供的液晶显示器补偿膜，且该膜包括两个正交取向的校准层(alignment layer)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种设备和方法，该设备和方法用于用偏振辐射辐照液晶衬底，该偏振辐射具有基本上均匀的曝光和高度均匀的偏振方向。考虑到此目的，本发明还提供一种光学曝光设备，该曝光设备用于在卷筒式馈送的衬底上形成校准层，该设备包括：
(a)辐照设备，在跨越衬底的整个宽度的曝光区上，用于将入射紫外光以预定的平均倾斜角射向衬底，该辐照设备包括：
(a1)光源，用于提供所述入射紫外光；
(a2)光定向装置，用于相对于衬底表面以所述预定的平均倾斜角定向所述入射紫外光；以及
(b)偏振器，设置在所述光定向装置和衬底之间并可旋转取向以便保持偏振主轴具有相对于卷材运动方向的预定取向，所述偏振主轴不依赖于所述倾斜角。
本发明的另一个方面提供一种方法，该方法用于制造多层卷筒式馈送衬底，该卷筒式馈送衬底具有沿第一光轴校准的第一液晶薄膜层和沿第二光轴校准的第二液晶薄膜层，所述第二光轴正交于所述第一光轴，该方法包括：
(a)将第一校准层涂敷到衬底以形成多层膜；
(b)用入射紫外光辐照所述第一校准层以便提供在第一方向上的校准，该入射紫外光以相对于多层膜的表面的第一角度通过具有第一偏振主轴的第一偏振器；
(c)将第二校准层涂敷到所述多层膜；以及
(d)用入射紫外光辐照所述第二校准层以便提供在第二方向上的校准，该入射紫外光以相对于多层膜的表面的第二角度通过具有第二偏振主轴的第二偏振器，所述第二角度正交于所述第一角度。
本发明的一个特征是具有非常均匀偏振方向的偏振光在大的辐照区上直射。本发明能够将相对于偏振方向在1度之内均匀的线性偏振光射向宽度超过1米的整个曝光区域上。
本发明的优点是提供一种辐照设备，该辐照设备适合于在多个偏振方向中的一个方向上曝光。利用这种特性，第一辐照设备用具有第一偏振方向的偏振光辐照衬底，第二辐照设备用具有正交于第一方向的第二偏振方向的偏振光辐照衬底，第二辐照设备与第一辐照设备结构和部件相似、但以不同角度设置并具有不同数量和结构的支撑棱镜或栅格(louver)。
本发明的另一个优点是提供具有高度一致的偏振方向的UV光，同时在宽的曝光区上维持相对均匀的辐照。不需要准直光就能提供在此曝光区上的一致、均匀的偏振方向。
本发明的进一步优点是提供一种能够连续地列式(in-line)处理卷筒式馈送衬底的系统，该衬底具有彼此相互正交校准的多个校准层(alignment layer)。
本发明的再一个优点是通过靠近衬底表面设置照明光源来提供一种比现有技术的光校准系统改进的能量效率。
本发明的再一个优点是提供一种用于在较大的曝光区之上进行辐照的相对紧凑的设备。
本发明的再一个优点是为了提高处理速度允许顺次组合多个辐照设备。
本发明的再一个优点是提供一种用于在液晶衬底之中形成校准层的改进的无接触且无尘的方法。
附图说明
本领域普通技术人员通过阅读以下结合附图的详细的说明，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得明显，在附图中显示并描述了本发明的说明性的实施例。
虽然说明书以特别提出并清楚地要求本发明的主题的权利要求来结束，但应当相信，从以下结合附图的说明中将更好地理解本发明，其中：
图1是显示用于处理液晶补偿膜的多层卷材的本发明系统的方框图；
图2是显示利用本发明的设备处理的补偿膜的介质层的剖面图；
图3是显示补偿膜层中结构的关键几何关系透视图；
图4是根据本发明的辐照设备的透视图；
图5是示出辐照设备部件的一种构形的前视分解图；
图6a是0度构形的辐照设备的前视图；
图6b是0度构形的辐照设备的侧剖面图；
图7a是90度构形的辐照设备的前视图；
图7b是90度构形的辐照设备的侧剖面图；
图8a是显示当90度构形时栅格阵列的前视图；
图8b是显示在卷材移动方向上角发散限制的90度构形的辐照设备的侧剖面图；
图9是显示当处于90度构形时转向棱镜阵列(divertive prismarray)的前视图；
图10是显示栅格阵列的光定向操作的典型前视图；
图11是显示转向棱镜阵列的光定向操作的典型前视图；
图12a是棱镜阵列的透视顶视图；
图12b是显示棱镜阵列的操作以便减少角发散的典型前视图；
图13是显示棱镜阵列和转向棱镜阵列的组合操作的典型前视图；
图14a是显示栅网偏振器阵列的平面图；
图14b是显示在优选实施例中栅网偏振器阵列是如何组装的透视图；
图15是显示利用灯阵列作为光源的重叠图案的光源的替换方案的顶视图；
图16a和16b图示表示布儒斯特平板偏振器对不同入射角的光的角度响应；以及
图16c和16d图示表示与图16a和16b相比较的栅网偏振器和贝尔毕层偏振器的角度响应。
具体实施方式
本说明书具体直接地指向形成根据本发明的设备的一部分的元件或更直接地与根据本发明的设备共同工作的元件。应当理解，没有特别地示出或描述的元件可以采用本领域普通技术人员所公知的各种形式的元件。
处理系统
参照图1，示出本发明的优选实施例的一种处理设备10，处理设备10用于处理如在图1中表示为从左至右移动的卷材16馈送的透明衬底的原料辊(source roll)12，以便提供完成的成品辊(goodsroll)14。在优选实施例中，完成的成品辊14是液晶显示器补偿膜，制造为由多层材料构成的卷材16，具有图2所示的部件。这些材料是线形光聚合介质(LPP)和液晶聚合物介质(LCP)。
现在参照图1和2，在原料辊12上提供清洁的衬底层18。在优选实施例中，清洁的衬底层18由三乙酰纤维素制成。在LPP1层涂敷台30处添加LPP1层22。第一辐照台20a处理LPP1层22以提供预定的分子排列，交联聚合物以便获得具有最佳倾角的光学校准。然后，在LCP1层涂敷台32处将LCP1层24粘贴到处理过的LPP1层22上。第一固化台40a将LCP1层24固化到LPP1层22的上部。随后，在LPP2层涂敷台34处涂敷LPP2层26。类似地，在第二辐照台20b处处理LPP2层26以提供校准，该校准在卷材16的平面内正交于提供给LPP1层22的分子排列。最后，在LCP2层涂敷台36处涂敷LCP2层28并在第二固化台40b处固化。然后在完成的成品辊14上卷绕所制造的补偿膜。
利用处理设备10示出的工艺，就可以进行液晶显示器介质或其它材料连续地、基于卷材的制造，而不需要由连续辊切割单独的薄片。在上述处理中，LPP层非常薄，大约为50nm。
在优选实施例中，卷材16相当宽、具有超过1m的宽度。对于处理LPP1层22和LPP2层26，辐照台20a和20b提供线性偏振的UV-B辐照、标称280-320nm。提供接近10-15mJ/cm2水平的曝光剂量。为了防止在卷材16的宽度中心处的“热点”需要+/-30％内的曝光均匀度并且充分地将曝光能量扩展到卷材16的侧边。对于适当处理LPP1层22和LPP2层26最重要的是在卷材16上的任何一点提供具有非常一致的在1度之内的偏振方向的偏振光。
固化台40a和40b提供一些适合于固化LCP1层24和LCP2层28的辐射能量的形式式。优选地，避免UV-B波长使固化操作对已经处理的LPP1层22和LPP2层26的影响最小。在优选实施例中，采用UV-A波长用于固化。在第一和第二辐照台20a和20b以及第一和第二固化台40a和40b处优选滤波一些不希望波长例如IR和可见光。
参照图3，图3示出相对于XYZ坐标系的LCD层校准的三维几何表示。在图3的上部，示出对于LCP2层28的盘形液晶结构190的取向。图3的下部示出对于LCP1层24的取向。光轴100和102分别表示对于LCP1层24和LCP2层28的光轴。对于每一LCP1层24和LCP2层28，校准处理排列盘形结构190以致光轴100和102每个都具有适合的倾角θ并且和/或方位角。方位角位于衬底192的XY平面内，从X轴起平行于在图1的辐照台20a或20b的曝光区之中卷材16。倾角θ位于Z方向、由原点向上的角度。光轴100和102应当在几度的容差之内彼此正交。
光轴100、102的方位角某种程度上是各向异性LCP材料中掺杂剂的因数。倾角θ很大程度上是入射光角、曝光剂量和偏振的因数，并可在θ1至θ2的范围有些变化。然后，根据保持一个适合的入射角、适合的曝光剂量和均匀的偏振特性而获得优质的补偿膜。
在优选实施例中，倾角取向的正交方向如下：在基本上平行于卷材运动的方向设置0度取向；在正交于0度取向、基本上横向于卷材的方向上设置90度取向。考虑到这种区别，依次参考0度和90度的构形进行说明。然而，必须注意到，本发明的设备和方法可易于适合于其它正交校准的排列。例如，利用本发明的设备和方法，能够制造交叉45度的校准排列，将正交校准提供到多层。
用于辐照的设备
参照图4，图4示出了使用的辐照设备60，辐照设备60具有辐照台20a和20b内的变化以便在辐照区之上提供UV光到卷材16。辐照设备60包括机壳组件70和光调节组件74，机壳组件70产生并直射跨越卷材16的整个宽度的源辐射，光调节组件74用于控制光的发散、用于将光定向为所需的入射角并且用于偏振该源辐射。在机壳组件70中，光源64以优选的波长和功率电平提供源辐射。例如通过冷却管66或其它设备提供冷却。例如，冷却管66可以是空气冷却型或水冷型。空气管62还可以提供为冷却的目的。冷却管66还提供一定数量的UV-C和IR的滤波。
作为光调节组件74的一部分，棱镜阵列72设置在辐射通路上。棱镜阵列72有助于降低沿辐照设备60的长度方向的光的发散角。例如，可以设置任选的涂层71以便例如防止UV-B反射。然后在棱镜阵列72之下设置栅格阵列80。如后所述，栅格阵列80还可以帮助降低发散角并且在朝向卷材16表面的所需方向上直射光。最后，偏振器90提供用于曝光辐照的必须的偏振量，这将在此后描述。
光源64可以是例如Hg中等压力的长弧光灯，例如可从NordsonCorporation，Amherst、OH得到的孤光灯。
图4示出了辐照设备60的一种结构。如将在随后进行描述，为0度和90度构形提供支撑部件例如棱镜阵列72和栅格阵列80的不同排列。
参照图5，图5示出辐照设备60的前视分解图。从此图可见的附加部件包括滤波器82。在优选实施例中，滤波器82包括一个或多个熔凝硅石平板，其对于可见光和UV-A光具有高反射率。
辐照台20a或20b可以容纳超过一个的辐照设备60。通过利用串接的多个辐照设备60，第一或第二辐照台20a或20b能提供额外的曝光剂量容量，有效地提供更宽的曝光区，能够加速处理设备10的处理。
辐照设备60的0度和90度构形
如上面的描述，第一辐照台20a可以具有一个或多个辐照设备60，用于在一个方向上提供校准。同样，第二辐照台20b可以具有多于一个的辐照设备60，用于在第二、正交的方向上提供校准。多个辐照设备60单元的配置增加了处理LPP介质的可用的曝光剂量。辐照设备60的细微差别的构形分别用于在第一和第二辐照台20a和20b中所用的0度和90度构形。然而，只需要较小的修正就能适应用于0度或90度构形的辐照设备60。
参照图6a的前视图和相应的图6b的侧视图，示出了第一辐照台20a中采用的用于0度构形的辐照设备60的结构。关于图6a的视图，卷材16的移动方向是从纸面向外。参照相应的图6b的侧视图，辐照设备60以相对于卷材16的表面的角度H倾斜。通过倾斜辐照设备60或通过相对于辐照设备60以倾角传送卷材16就可以获得此倾角。这种排列就以用于获得0度校准的最佳入射角提供曝光。沿光源64的长度方向上放置反射器68，聚集并再次定向从光源64发射的光。
参照图7a的前视图和相应的图7b的侧视图，示出了第二辐照台20b中采用的用于90度构形的辐照设备60的结构。关于图7a的视图，卷材16的移动方向是从纸面向外。参照相应的图7b的侧视图，辐照设备60没有以相对于卷材16的表面的倾角倾斜。然而，入射光的角度必须在横向于卷材的方向倾斜转向，如随后描述，或者通过利用如图7b和9中示出的转向棱镜阵列104、或通过改变如图8a中所示的栅格阵列80的角度取向。
降低角发散
机壳组件70的一个功能是使偏振器90上的光入射的角发散为最小。参照图8b，图8b示出了90度构形中的辐照设备的侧视图。在机壳组件70中的光源64和反射器68的排列有效地限制在卷材行进方向上曝光的角发散，由角度F表示。在优选实施例中，角度F被限制在大约45度。在卷材行进方向上的这种角度限制可以应用于0度和90度构形。
根据所用的0度或90度构形，通过采用单一或组合的多种不同结构能够进行正交方向、横跨卷材的角发散的控制。控制角发散的最简单装置是不透明的栅格阵列80，其具有如图5所示垂直设置的栅格。借助如图5所示设置的栅格阵列80，将角发散限制为栅格间隔的因数。
用于控制横跨卷材16的角发散的另一种配置是采用如图12a和12b中所示的棱镜阵列72。棱镜阵列72包括一系列的对称棱镜73。每个棱镜73具有相同尺寸并沿卷材16的行进方向纵向延伸。在优选实施例中，高度h为大约0.5英寸，底部B为大约1英寸；角α1为90度，角α2和角α3每个标称为45度。可以使用其它尺寸特征；或者棱镜73可以沿棱镜阵列72在尺寸上变化。棱镜可以具有图12a的线性排列或某些修改的排列，例如各个棱镜73交错以便使图形效应最小化。棱镜阵列72在图8a所示的90度构形下为最有效，在此构形下提高了光的效率。
图12b示出了棱镜阵列72的操作，此时它与光源64和反射器68一起操作。从光源64上的任何一点发射的射线R覆盖很宽的角度范围。射线R穿过棱镜阵列72时被折射以便变窄角的范围。如图12b中可见，还可以结合反射器68利用棱镜73的反射特性，以便重新定向并由此再次利用以一角度范围入射的一些光。
在卷材16的行进方向和跨越卷材16的方向上控制角发散的组合效果就限制了从光源64上的任何点到偏振器90的光锥的角度范围。借助入射光角的更窄的范围，就获得了偏振器90改善的性能。然而，应当充分注意到，由于在优选实施例中偏振器90的性能特征，它不需要来自光源64的光被准直。
应当注意，图5所示的栅格阵列80的排列可以存在多种适应性。例如，在辐照台20a或20b包括串接的多个辐照设备60的情况下，它还可以优选相对于卷材16的行进方向，使一个辐照设备60中的栅格与成对的辐照设备60中的栅格偏置。还可以采用非均匀的栅格间隔。
以所需的入射角度定向光
对于第一辐照台20a处的0度校准，倾斜的机壳组件70提供曝光辐射所需的角度，如图6b的侧视图中所示，曝光辐射沿卷材16的长度方向向下指。然而，对于第二辐照台20b处的90度校准，所需的入射角度为跨越卷材16的宽度的基本上正交的方向。为了在此方向上转向来自机壳组件70的曝光辐射，存在多种选择。在优选实施例中，如图10所示设置栅格阵列80。这里，各个栅格81以适合的角度用于将来自光源点P的光线R射向卷材16。借助这种构形，每个栅格81具有反射侧83和非反射侧84。最佳角度的射线R只穿过栅格阵列80。入射到反射侧83的射线R由此在可能处被转向为更加适合的入射角。不能被容易地被转向的其它射线R在非反射侧84处被吸收。结果，获得的入射角的范围对于90度取向的校准是可接受的。栅格81被分隔开以便限制由光源64提供的入射光的发散角。
对于转向来自机壳组件70的曝光辐照的可选择的排列采用图9的前视图中所示的转向棱镜阵列104。参照图11，表示转向棱镜阵列104的操作。这里，各个棱镜105分别通过折射转向入射光线R，以适合的角度重定向光。每个棱镜105包括不透明表面106，用于吸收不能被令人满意地重定向的射线R。不透明表面106典型为吸收涂层。在尺寸上，棱镜105可以横越转向棱镜阵列104的相同的尺寸或按此尺寸变化。
参照图13，在替换的实施例中，图13从前视图示出转向棱镜阵列104如何结合棱镜阵列72操作。这里，如参照图12b所述，棱镜阵列72限制来自光源点P的射线R的角发散。因此射线R以用于按优选取向的校准的适合的入射角被重定向。
偏振器90的构形
回头参照图16a至16d，就能理解在偏振器90处维持均匀偏振主轴126的重要性。当偏振器90具有这种特性时，入射光能够在一角度范围变化而不影响所提供的偏振轴。
作为一般原则，当采用具有减少的发散角的光并且当位于靠近卷材16处时，偏振器90工作最佳。参照图14a和14b，图14a和14b分别示出了在优选实施例中的偏振器90的平面图和分解图。偏振器片91是栅网偏振器，在优选实施例中，如图所示典型为3平方英寸、平铺在一起。偏振器90使用多个偏振器片91，优选以相对于卷材16的运动的一角度设置。角偏移补偿了由于各个偏振器片91之间的边界的可能的条纹效应(streaking effect)。采用栅格框架96和覆盖框架94以在夹在面罩92之间的位置处支撑偏振器片91。
借助图14a和14b的排列，偏振器90是可旋转的。就是说，完整的偏振器90组件可被旋转以便有效地改变相对于卷材16的曝光区的偏振主轴。或者，各个偏振器片91可被旋转以致偏振器90适合于提供一定范围的角度。
在优选实施侧中栅网偏振器被用作偏振器片91，由于它们能够承受高温的能力和适合的偏振特性。通常，可接受3∶1或更好的偏振；5∶1提供校准的优选比例。由于它们固有的热恢复力和减少的厚度，所以栅网偏振器存在优点。因为与布儒斯特平板偏振器或其它偏振器装置相比，这些装置通常对于角度变化更不敏感，因此栅网偏振器不需要准直光。此外，因为这些装置是反射型的，可以反射回一定数量的不使用的光，并且存在重复使用的可能。栅网偏振器可被容易地取向以便仅仅通过在偏振器90的平面内旋转偏振器片91的网线方向提供0度和90度的校准。
可以采用其它类型的偏振器90，只要它们能够在相对高温的条件下工作。然而，可以采用由熔凝硅石或石英制成的布儒斯特平板用于在卷材16的运动方向上的校准，尺寸和重量的限制制约了这种用于大规模辐照解决方法的可行性。当采用布儒斯特平板装置时，难于维持均匀的偏振主轴。而且，如在该申请的背景部分中所注意到的，特别是采用长弧光灯作为光源64的情况下，布儒斯特平板偏振器并不非常适合于横向于卷材的辐照。或者可以使用同样采用布儒斯特平板原理的干涉型偏振器；然而，这些偏振器在尺寸上不具有优点且同样不适合于横向于卷材的辐照。
偏振器片91的可选择类型可以采用贝尔毕层偏振器，例如可由斯特棱光学(Sterling Optics)公司得到的适合的贝尔毕层偏振器。当采用贝尔毕层装置时，采用类似于图14a和14b所示的矩阵排列是可行的。当采用这些装置时，相应的偏振器片91可以大于栅网偏振器的偏振器片。
借助图7a和7b的90度校准构形，偏振器90最好在曝光区之内平行于卷材16的表面定位。借助图6a和6b的0度校准构形，偏振器90可以平行于机壳组件70的底部、平行于卷材16或位于某些中间的角度。这对于使用使辐射水平最大并提供高度的均匀偏振的角度存在一些优点，特别在0度排列的情况下。如参照图16c和16d所述，对于一定的入射角范围上的光，栅网和贝尔毕层偏振器维持均匀的偏振主轴。因为这样，当采用这些装置制造偏振器90时，偏振器90可以倾斜于平行于光源64的长度方向的轴而不对偏振方向均匀度产生显著影响。可以采用相对于卷材16表面至大约30度的倾角而不影响偏振器90的性能。
光源64的替换实施例
在优选实施例中，光源64是中等压力水银弧光灯。这些装置具有接近或超过灯长度的400瓦/英寸的功率输入并具有有利的长的灯寿命。这种方法提供利用具有相当长的使用寿命(标称1000小时)的单个灯泡的优点并且可被容易地更换而对设备的中断最小。
可选择的光源64包括水银短弧光灯，典型具有10-15kW的输入。然而，水银短弧光灯更昂贵并通常具有比中等压力的弧光灯更短的使用寿命。参照图15，图15示出了利用多个光源164a、164b、164c、164d、164e和164f的排列。为了横跨卷材16的宽度，光源164a、164b、164c、164d、164e和164f组成地交错排列以便不留出可察觉的缝隙或边界。
滤波器82的实施例
UV光的滤波有利于削弱有害波长并去除来自系统的不需要的光和热。例如，UV-C光(200-270nm)对于校准所需的LPP交联表现出有害。例如，用于去除UV-C波长的一种方法是采用WG280的吸收板。然而，认为UV-A、可见光和红外光对于加热和其它不希望的副作用的最小化是多余的，优选实施例采用任选的滤波器82以便去除来自系统的这种不需要的光。正如上面所述，特别是在使用水的情况下，通过冷却管66还提供邻近光源64的附加滤波。
在优选实施例中，滤波器82位于光通路中的栅格阵列80和棱镜阵列72之后。通过这种设置，滤波器82以更为受控的发散角接受入射光。然而，滤波器82可以位于光学通路中的交替点。处理设备10的替换实施例
本发明已经特别详细地参考其某些优选实施例进行了描述，但是应当理解，本领域普通技术人员可以在上面描述的并作为在所附权利要求中提出的本发明的范围之内进行变化和修改，而不脱离本发明的范围。例如，虽然在优选实施例中机壳组件70相对于卷材16的移动方向为直角，但其它设置是可能的。例如，机壳组件70可以相对于卷材16为对角设置。可以采用其它类型的光源，只要获得常规的均匀辐照。
辐照设备60还可以适合于满足一些需要，用于获得所需的偏振和预定倾角方向。在优选实施例中，对于90度构形所使用的辐照设备60采用棱镜阵列72和栅格阵列80。然而，在0度构形中，辐照设备60不采用栅格阵列80。应当清楚，其它设置是可能的，以致每个辐照设备60可以配备有栅格阵列80或棱镜阵列72或配备有栅格阵列80和棱镜阵列72二者。对于90度构形，栅格阵列80可以如前面参照图10所述为一角度的并进行配置。或者，可以采用使用棱镜阵列72和转向棱镜阵列104二者的组合。
在优选实施例中，在卷材16的行进方向上并在横向于卷材的方向上正交校准LPP层。或者，可以采用正交角度的不同设置。例如，校准角相对于卷材16的边缘可以为45度。
处理设备10的可选择的系统布置可以采用用于处理具有一个校准层的介质辊的单个辐照设备60，该校准层校准在45度取向。可以利用相同的辐照设备60单独制造135度校准的第二校准层。因此，在正交设置中可以将两个正交的层叠置在一起。
在光学通路上可以采用附加的光调节部件，例如用于附加的滤波。任选地，可以使用漫射体例如全息漫射体用于改善辐照的均匀性。
应当清楚，本发明的辐照设备60提供一种紧凑、能量有效的装置，用于利用具有均匀偏振方向的光辐射使大面积衬底曝光。可适合于在正交方向上提供入射光，可以在辊至辊制造条件下有利地配置辐照设备60，用于制造具有正交取向校准层的卷筒式馈送的多层液晶介质。
因此，本发明提供的是一种处理作为卷筒式馈送衬底提供的液晶显示器补偿膜的设备和方法。

Claims (10)

1、一种用于在卷筒式馈送的衬底上形成校准层的光学曝光设备，该设备包括：
(a)辐照设备，在跨越衬底的整个宽度的曝光区上，用于将入射紫外光以预定的平均倾斜角射向衬底，该辐照设备包括：
(a1)光源，用于提供所述入射紫外光；
(a2)光定向装置，用于相对于衬底表面以所述预定的平均倾斜角定向所述入射紫外光；以及
(b)偏振器，设置在所述光定向装置和衬底之间并可旋转取向以便保持偏振主轴具有相对于卷材运动方向的预定取向，所述偏振主轴不依赖于所述倾斜角。
2、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述辐照设备还包括反射器。
3、根据权利要求1的光学曝光设备，进一步包括用于滤波从所述光源中发射的不期望波长的装置。
4、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述光源包括多个灯。
5、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述光源包括长弧光UV灯。
6、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述第一偏振主轴平行于所述衬底的运动方向。
7、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述偏振器包括多个栅网偏振器。
8、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述偏振器包括贝尔毕层偏振器。
9、根据权利要求1的光学曝光设备，其中相对于所述曝光区、沿横跨移动的衬底的宽度延伸的倾斜轴、以预定的倾斜角布置所述辐照设备。
10、根据权利要求1的光学曝光设备，其中所述偏振器包括栅网偏振器矩阵，每个所述栅网偏振器以第一角度选择性地取向用于提供沿所述第一偏振主轴的偏振；或者以第二角度取向用于提供沿所述第二偏振主轴的偏振。
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