CN1732394A - 液晶部件 - Google Patents

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Abstract

描述了一种制造包括液晶的部件的方法。该方法包括步骤：将液晶(200)置于基板(150)和模具(100)之间，模具(100)具有成形表面(102)。成形表面(102)的至少一部分具有形成在其上的对准层(110)。基板(150)包括在其上形成有粘合层(120)的第一表面(152)。将模具和基板结合在一起从而使液晶夹在基板的第一表面和模具的成形表面之间。液晶(202)被聚合并且因此被粘接到粘合层(120)上。从模具(100)中移除具有粘接了聚合液晶(203)的基板(150)。

Description

液晶部件
技术领域
本发明涉及一种制造包括液晶的部件的方法，一种包括根据上述方法制造的液晶的部件，和包括上述部件的装置。本方法尤其适用于，但不限于，制造在光学扫描装置内使用的液晶透镜。
背景技术
光学扫描装置内使用的光学拾取单元是已知的。为了扫描穿过光盘的轨道将光学拾取装置安装在移动支座上。为了减小生产成本并允许额外的空间用于使其他部件安装在扫描装置内，光学拾取单元在可用的情况下其大小和复杂度最好尽可能的减小。
现代的光学拾取装置通常能兼容至少两种不同的光盘格式，如光盘(CD)和数字化视频盘(DVD)格式。最近已经采用了Blu-ray盘(BD)格式，其提供了大约25GB的数据存储容量(与CD的650MB容量，和DVD的4.7GB容量比较)。
较大的存储容量可以通过利用短的扫描波长和大的数值孔径(NA)实现，并提供小的焦点(焦点的大小大约是λ/NA)，从而允许读出光盘的信息层中较小尺寸的点。例如，典型的CD格式使用785nm的波长和数值孔径为0.45的物镜，DVD使用650nm的波长和0.65的数值孔径，并且BD系统使用405nm的波长和0.85的数值孔径。
典型的，材料的折射系数作为波长的函数而变化。因而，透镜将为不同的入射波长提供不同的焦点和不同的性能。进一步，光盘可能具有不同厚度的透明层，因而对于不同类型的光盘需要不同的焦点。
在一些情况下，通过增加每张光盘内信息层的数量可以进一步提高存储容量。例如，双层BD光盘具有两层由25μm厚的间隔层隔离的信息层。因而，当聚焦在第二信息层时来自于光学拾取单元的光必须穿过间隔层。这就引入了255mλrms(0.255λ均方根)的球形光行差，即接近于光的会聚锥形的中心轴的光与锥形外面的光相比具有不同的焦点的现象。这导致焦点模糊，和随后在读取光盘过程中保真度的减小。
为了实现双层读出和向后兼容(也就是，相同的光学系统可用于不同的光盘格式)，已经采用偏振感光透镜(PS-透镜)来补偿球形光行差。上述透镜可以由双折射材料形成，如液晶。双折射意味着对于一束光的两种偏振分量存在不同的折射率。双折射材料具有非常折射率(ne)和寻常光折射率(no)，并在折射率之间的差是Δn＝ne-no。通过确保使相同或不同波长入射在具有不同偏振的透镜上，PS透镜可以用于对单个的或不同的波长提供不同的焦点。
为了形成具有所希望的光学特性的透镜，液晶分子需要在特殊的方向内被定向。产生这种定向的常用的材料是聚酰亚胺。这种聚酰亚胺通常通过旋涂提供，并且随后利用不起毛的布将其擦除以产生聚酰亚胺对准层的特殊定向，其随后就确定了在层上的液晶分子的定向。
然而，如果基板被弯曲(或要不然变形了，例如具有阶梯结构)，该基板上的液晶分子必须被定向，基板的擦除经常是不能再现的。进一步，生成具有特定所希望曲率的合适的成形基板相对来说是比较贵的。
JP031578616A描述了一种制造液晶透镜的方法，该方法通过经由可变焦点的液晶的平板的两个表面上的粘合剂来层叠透明的聚碳酸酯片材，并且随后利用模具压印片材，从而得到所希望的形状的液晶透镜。上述方法需要在层叠之前已经预先对准平板液晶层。进一步，可能出现后来的液晶模具改变透镜体内的液晶的对准。在一些情况中，还希望在后来移除透明聚碳酸酯片材，这需要另外的处理步骤并可能导致透镜表面遭到破坏。
本发明的实施例的一个目的是提供一种改进了的制造方法，该方法能解决现有技术中的一个或多个问题，不论是此处提到的还是其他的。
本发明的实施例的一个目的是提供一种制造方法，该方法允许包括具有能相对便宜地制造的预成形状的液晶的部件的结构，和利用上述方法制造的液晶部件。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种制造包括液晶的部件的方法，该方法包括步骤：将液晶置于基板和模具之间，模具具有成形表面，成形表面的至少一部分包括在其上形成的对准层，并且基板具有第一表面，在该表面上形成粘合层；将模具和基板结合在一起从而使液晶夹在基板的第一表面和模具的成形表面之间；聚合液晶；将液晶粘接到粘合层内；并且从模具上移除包括粘接了聚合液晶的基板。
上述制造方法允许具有预定成形模具重复使用。这降低了生产成本。进一步，因为模具内的对准层也可以重复使用，所以改进了该方法形成的部件的定向和形状的再现性。
在另一方面，本发明提供了一种包括液晶的光学部件，该光学部件的至少一部分是根据前面描述的方法形成的。
在另一方面，本发明提供了一种用于扫描光学记录载体上的信息层的光学扫描装置，该装置包括产生发射光束的发射源和将发射光束会聚到信息层上的物镜系统，其中该装置包括根据前面描述的方法形成的光学部件。
附图说明
为了更好地理解本发明，并示出相同的实施例是如何实现的，现在将通过示例解释作为参考的附图，其中：
图1A-1F说明了根据本发明的优选实施例形成液晶透镜的方法步骤；
图2说明了用在图1的方法中的模具的截面图；
图3说明了根据本发明的优选实施例的用于扫描包括液晶透镜的光学记录载体的装置；
图4A和图4B说明了图3中的扫描装置的光学系统如何利用光的不同偏振来扫描双层光学记录载体内的不同层。
具体实施方式
图1A-1F说明了根据本发明的优选实施例的形成光学部件的各种步骤。在这种特殊情况下，光学部件是液晶双折射透镜。
在如图1A所示的第一步中，提供模具100，模具具有成形表面102，该成形表面随后用于确定最终光学部件的形状的一部分。在这种特殊的情况下，液晶最终被光聚合，并且因此模具由用于聚合液晶的透光材料，如玻璃、塑料形成。
将对准层110形成在弯曲表面102上，从而在随后形成在对准层上面的液晶内产生预定定向(由箭头方向110表示)。
在这个特殊的例子中，对准层是一聚酰亚胺层(PI)。聚酰亚胺可以从溶液中通过旋涂提供。聚酰亚胺然后可以被对准从而产生特殊的定向(该定向确定液晶分子的最后定向)。例如，一种公知的方法是利用不起毛的布在单方向内重复擦除聚酰亚胺层以产生这种定向(110)。
在本实施例中形成光学部件的一部分的基板150具有提供到第一表面152的粘合层120。粘合层设置为形成与液晶的粘合。在这种特殊的实施例中，粘合层也是包括聚酰亚胺的对准(或定向)层。粘合层包含排列以形成具有液晶分子的化学键的反应基，并且在这种情况下具有与液晶分子相同类型的反应基，如当光聚合液晶分子时，也在基板上形成具有粘合层的化学键。这会在基板和液晶层之间出现较好的附着力。可以利用与将对准层沉积和对准在模具100上相同类型的工艺将粘合层沉积在基板上。根据最后液晶部件的所希望的特性，使粘合层(其在该情况下也起到对准层的功能)在预定方向(箭头120)上被定向。
在该特殊的实施例中，形成PS透镜，使粘合层被对准从而与模具上的对准层的方向110平行。优选地，粘合层的旋转与对准层的定向方向反向平行。
如图1B所示，将合并一个或多个液晶的化合物200置于基板150的第一表面152和模具100的成形表面102之间。
在该特殊的实施例中，如图1B所示，化合物200包括两种不同的液晶的混合物。这两种不同的液晶被选择为一旦至少其中一种液晶被聚合时能提供所希望的折射率特性。
将一小滴的液晶200放置在基板的第一表面152上。化合物200已经被脱气，从而避免在最后的光学部件内产生气泡。这样还避免在聚合(等容的)过程中从凝固液体出来的溶解气体中形成气泡，因为在等容的(也就是恒定容积)聚合过程中由于收缩产生的驱动力导致在聚合液体内大的压力下降。
然后对玻璃模具加热从而使液晶处于各向同性相位内(典型的是80℃-120℃)，从而促进了随后液晶流动成所希望的形状。
这样基板和模具就被结合在了一起，从而确定了最后作为结果的光学部件(图1C)的液晶部分201的形状。为了确保液晶在模具和基板之间形成一均匀层，必须提供压力使得将基板推向模具(或反之亦然)。
然后冷却基板/模具/液晶，例如将其在低于室温放置30分钟，从而保证液晶从各向同性相位进入到向列型相位。
当进入到向列阶段时，在液晶混合物中可能出现很多域。因此，可以使混合物被加热到高于清除点(clearing point)以破坏多域定向(例如混合物可以被加热3分钟达到105℃)。接下来，将混合物冷却以得到均匀的定向202(图1D)。
然后利用来自于紫外线发射源300的光302使均匀的液晶混合物被光聚合(图1E)，例如通过提供60秒的密度为10mW/cm2的UV光。同时，化学键也将在液晶和粘合层之间形成。
接下来，光学部件(150、203)能够从模具100被释放(图1F)。例如，这可以通过在有角的物体400上轻轻地弯曲模具100来实现。可以选择的是，其也可以通过在平面支架上按压平面基板的一部分实现，从而轻轻地弯曲平面基板。当将传统的聚酰亚胺(没有反应基)应用在模具上时，液晶/基板部件应该能很容易地从模具分离。
通过重复图1B-1F所示的步骤，模具可以重复用于生产后面的部件。典型地，对准层可以留在模具100上，并且因此不需要再提供。
如果需要，进一步的处理步骤可以被执行用于从基板150上移除液晶203。然而，在很多情况下，假定基板150将形成最终的光学部件的一部分。
在实验中为了表现模具参数对透镜的光学特性的影响，可以使用三种不同的成形模具。图2说明了根据三种不同的成形模具而变化的参数，其中r＝曲率半径，d＝直径，h＝高度，并且α＝切线和模具表面之间的夹角。表1说明了与三种不同的模具相关的不同的参数。
表1
 r(mm) d(mm) h(mm) α(°)
 100  3.36  0.014  0.96
 49  3.44  0.030  1.97
 21  3.84  0.088  5.50
用于对准层的合适的聚酰亚胺是日本Synthetic Rubber公司提供的OPTMER AL-1051，同时从γ-丁内酯中的溶液旋涂的Merck ZLI2650可以用作适合的具有异丁烯酸基的反应聚酰亚胺作为粘合层。
如上面提到的，在优选实施例中可以使用两种液晶的混合物得到所希望的ne和n0。使用的两种液晶是来自于德国的Merck，Darmstadt的(1，4-二(4-(3-丙稀酰基丙氧基氧代)苯甲酸基-2-甲苯(1，4-di((4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy)-2-methylbenzene)(RM257)和E7(一种具有一小部分氰基三苯基(cyanotriphenyl)化合物的氰基联二苯(cyanobiphenyl)混合物)。用于确保液晶的光聚合的光引发剂是来自于巴塞尔的Ciba，Geigy的Irgacure 651。
测试结果表明从半径为49mm的模具得到的透镜具有最好的光学特性，即使在模具表面是陡峭的光瞳边框(pupil boarder)的附近区域内，也具有非常均匀的液晶定向。利用波长为430nm的激光，所有的均方根波阵面光行差通常小于0.015波长。
在一些情况下，将表面活性剂与液晶混和以促进透镜从模具释放。所用的表面活性剂是一种FC171全氟化(perfluorinated)表面活性剂(3M)和2-(N-乙基全氟代辛烷亚磺酰氨基-丙烯酸乙酯(2-(N-ethylperfluorooctane sulfonamido-ethylacrylate))(Acros)。使用表面活性剂要注意对液晶定向的影响(使用表面活性剂时Δn会更小)。
通常，液晶透镜的光学光行差很小，并且通常均方根波阵面光行差小于0.02波长。
图3示出了根据本发明的实施例的用于扫描包括物镜18的光学记录载体2的装置1。记录载体包括透明层3，在该层的一侧布置有信息层4。信息层背离透明层的一侧可以受到保护层5的保护使其免受环境影响。透明层面对装置的一侧称之为入口表面6。通过为信息层提供机械支撑，透明层3起到了记录载体的基板的作用。
可以选择的是，透明层可以具有保护信息层的唯一的功能，而利用信息层的另一侧上的层提供机械支撑，例如利用保护层5或利用与信息层4连接的另一信息层和透明层。信息可以以图中没有示出的基本上并行、同心的或螺旋型轨道排列的光学可检测的标记的形式被存储在记录载体的信息层4内。上述标记可以是任何光学可读形式，如，坑的形式、或具有不同于它们周围的反射系数或磁化方向的区域的形式、或上述形式的组合。
扫描装置1包括一个可以发出发射光束12的发射源11。发射源可以是半导体激光。分光器13将发散的发射光束12反射到准直透镜14，其将发散光束12转换成准直光束15。准直光束15入射到物镜系统18内。
物镜系统可以包括一个或多个透镜和/或光栅。物镜系统18具有一个光轴19。物镜系统18将光束17改变成会聚光束20，入射到记录载体2的入口表面6上。物镜系统具有适用于穿过透明层3的厚度的发射光束的通路的球形光行差校正。会聚光束20在信息层4上形成亮点21。信息层4反射回来的光形成发散光束22，其通过物镜系统18基本上被转变为准直光束23并且接下来通过准直透镜14被转换为会聚光束24。分光器13通过将至少一部分会聚光24传送到检测系统25，将向前的光束和反射光束分离。检测系统收集光并将其转换成电输出信号26。信号处理器27将上述输出信号转换成各种其他信号。
其中一种信号是信息信号28，该信息信号的值表示从信息层4读出的信息。用于误差校正的信息处理单元29处理上述信息信号。来自于信号处理器27的其他信号是焦点误差信号和径向误差信号30。焦点误差信号表示在亮点21和信息层4之间的高度上的轴向差。径向误差信号表示亮点21和通过亮点被跟踪的信息层内的轨迹的中心之间的信息层4平面内的间距。
将焦点误差信号和径向误差信号反馈到伺服电路31内，该电路将上述信号转换为分别用于控制焦点调节器和径向调节器的伺服控制信号32。上述调节器没有在图中示出。焦点调节器控制物镜系统18在焦点方向33内的位置，因此控制亮点21的实际位置，以使其基本上与信息层4的平面一致。径向调节器控制物镜系统18在径向方向34内的位置，因此控制亮点21的径向位置，以使其基本上与在信息层4内跟踪的轨迹的中心线一致。图内的轨迹沿着垂直于图面的方向前进。
在本实施例中的图3的装置也适于扫描第二种类型的记录载体，该记录载体具有比记录载体2厚的透明层。该装置利用发射光束12或具有不同波长的发射光束来扫描第二种类型的记录载体。该发射光束的NA可以适应记录载体的类型。物镜系统的球形光行差补偿也必须相应的适应。
图4A和图4B说明了根据上面的实施例制造的偏振感光透镜如何用于提供两个不同的焦点，即适用于读出双层光学记录媒介2’。双层媒介2’具有两个信息层(4，4’)，第一信息层4在透明层3内的深度d处，并且第二信息层4’在第一信息层4下面的进一步距离Δd处。
在图4A和4B示出的实施例内，物镜系统包括一个偏振感光透镜181(包括液晶203，并且其是根据上面的描述制造的)，和第二透镜182。
可以利用液晶透镜181的双焦点特性改变物镜系统的焦点。在该特殊的情况下，在透镜制造过程中使用的基板150是玻璃。进一步，基板是平面片材，并且其也不影响透镜的聚光能力。因而透镜181的焦距对于特殊和普通模式分别的是fe＝r/(ne-na)和f0＝r/(n0-na)，其中na是空气的折射系数，并且r是透镜的曲率半径。
因此，可以看出通过提供具有与液晶定向平行的偏振的光学信号，使用上述透镜181的特殊模式，物镜系统18使准直光束15在更接近于信息层4的位置聚焦。然而，当将准直光束入射到具有垂直于液晶定向的偏振的物镜系统18内时，在最后的普通模式中物镜系统18的焦点会进一步远离，也就是，在第二信息层4’上。
应当理解上述实施例是通过例子描述的，并且各种变化对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。例如，虽然已经描述了适于制造偏振感光透镜的方法，应当理解如果需要，任何光学部件都可以从液晶中制造，尤其是如果最后的光学部件具有成形的表面，如其可以通过模具上的曲线表面和阶梯表面限定。
例如，上述方法可以用于形成具有大的表面的部件，如可以用于视频显示器的表面内或表面上的补偿箔以使视角最优化。在上述补偿箔内，可以将显示屏幕本身用于生产过程中的基板。
模具可以由各种材料形成，包括刚性材料如玻璃。
进一步，模具的成形表面可以被注出尺寸，以允许在生产过程中液晶材料的形状或体积的各种变化。例如，由于液晶内的双键被重新形成为单键，典型的液晶单体在聚合过程中会稍微收缩。通过适当地使利用基板限定的成形的光学部件和模具稍微大一点，可以生产出来适当尺寸和形状的光学部件。
虽然在本特定的实施例中可以看出基板包括具有两个基本上平行的平面的单个玻璃片。应当理解在实际中基板可以是任何所希望的形状。
可以为模具和/或基板提供附加的粘合层(在将基板和定向层上的粘合层沉积在模具上之前)，从而确保所应用的层很好地粘接到模具和基板上。例如，可以利用有机硅烷提供上述粘合层。对于基板使用包括异丁烯酸基的有机硅烷，对于模具使用包括胺端基(amine end group)的有机硅烷。
同等地，使用的对准层可以具有任何所希望的定向。例如，通过使基板上的对准层的定向与模具上的对准层的定向垂直，可以形成扭曲向列装置。
通过利用上述方法，可以重复使用预定成形的模具，从而降低了生产成本，并可以生产大小一致的光学部件。

Claims (15)

1、一种制造包括液晶的部件的方法，该方法包括步骤：
将液晶置于基板和模具之间，该模具具有成形表面，该成形表面的至少一部分具有在其上形成的对准层，并且基板具有第一表面，在该表面上形成粘合层；
将模具和基板结合在一起以使液晶夹在基板的第一表面和模具的成形表面之间；
聚合液晶；
将液晶粘接到粘合层上；并且
从模具上移除包括粘接了聚合液晶的基板。
2、根据权利要求1所述的方法，其中粘合层包括具有至少一种化学物质，其具有与液晶的反应基属于同一家族基的共价化合的反应基，从而当液晶被聚合时，通过在粘合层和液晶之间形成的化学键使液晶粘合在粘合层上。
3、根据权利要求3所述的方法，其中粘合层包括一种化学物质，该化学物质具有包括丙烯酸脂、异丁烯酸、环氧化物、氧杂环丁烷、硫醇烯和乙烯基醚中的至少一种的反应基。
4、根据前面任一权利要求所述的方法，其中对准层形成在基板的第一表面上。
5、根据权利要求4所述的方法，其中使用单层以提供在基板和粘合层上的对准层。
6、根据前面任一权利要求所述的方法，其中在基板和模具中的至少一个具有粘合层。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述粘合层包括一种有机硅烷化合物。
8、根据权利要求7所述的方法，其中所述有机硅烷化合物包括异丁烯酸反应基或氨端基。
9、根据前面任一权利要求所述的方法，其中基板包括光学透明材料。
10、根据前面任一权利要求所述的方法，其中模具的成形表面是弯曲表面，使得该基板和粘合的液晶形成透镜。
11、根据前面任一权利要求所述的方法，进一步包括步骤：
将对准层提供到模具的成形表面上，并且在对准层上产生特殊的定向。
12、一种包括液晶的光学部件，该光学部件的至少一部分是根据权利要求1-11中的任一权利要求所描述的方法形成的。
13、根据权利要求12所述的光学部件，其中所述光学部件包括透镜。
14、一种用于扫描光学记录载体上的信息层的光学扫描装置，该装置包括产生发射光束的发射源和将发射光束会聚到信息层上的物镜系统，其中该装置包括根据权利要求1-11中的任一权利要求的方法形成的光学部件。
15、一种根据权利要求14所述的装置，其中物镜系统包括根据权利要求1-11中的任一权利要求的方法形成的透镜。
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