CN1918492A - 多层膜光学元件和制造多层膜光学元件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造多层膜光学元件的制造方法，包括：注入步骤，在该注入步骤中，把紫外线固化液晶注入到一对透明基板之间的空间中，其中在这些透明基板中的每个透明基板上设置透明导电膜；第一辐射步骤，在该第一辐射步骤中，平行相干紫外光束从紫外线固化液晶的两侧穿过那对透明基板辐射到紫外线固化液晶上；和第二辐射步骤，在该第二辐射步骤中，在那对透明导电膜之间施加电场的同时，在透明基板的表面上实现均匀强度的紫外光穿过透明基板辐射到紫外线固化液晶上。
Description
技术领域
本发明涉及由光固化液晶构成的多层膜组成的光学元件及制造这种光学元件的方法。
背景技术
通常通过蒸汽沉积制造多层膜，光依据其波长在该多层膜处反射或透射。此种多层膜包括多级交替层叠的至少两类具有变化的光学特性的层，并被用作透镜中的光学膜、光学过滤器等。通过层压法制造采用干涉法的类似多层聚合物膜，也称作GBO(大型双折射光学)膜。通过将拉制的聚合物薄膜多级层压形成的GBO膜实现了光学各向异性，并因而能够在制造例如具有偏振特性的光学元件时使用。
日本待定专利公开JP2000-139979(专利参考文献1)公开了一种通过以特定的比例混合非光固化液晶与光固化液态聚合物材料并照射具有干涉性的紫外激光、从而产生交替的液晶和聚合物层来制造多层膜的方法。
发明内容
如果液晶和液态聚合物材料没有均匀混合，或者如果混合比例有误差，则如上所述通过专利参考文献1公开的方法利用液晶和液态聚合物材料的混合物制造的多层膜可能达不到所需的光学特性。此外，为了精确地控制光固化液态聚合物材料相对于其扩散速度的固化反应速度，需要把聚合抑制剂、增感色素等掺合到液晶与液态聚合物材料的混合物中。因为这些物质是杂质，所以产物的光学质量受损。换言之，难以制造确保高光学质量的光学元件。
根据本发明第一方面制造多层膜光学元件的制造方法，执行：注入步骤，在该注入步骤中，把紫外线固化液晶注入到一对透明基板之间的空间中，其中在这些透明基板中的每个透明基板上设置透明导电膜；第一辐射步骤，在该第一辐射步骤中，平行相干紫外光束从紫外线固化液晶的两侧穿过那对透明基板辐射到紫外线固化液晶上；和第二辐射步骤，在该第二辐射步骤中，在那对透明导电膜之间施加电场的同时，在透明基板的表面上实现均匀强度的紫外光穿过透明基板辐射到紫外线固化液晶上。
根据本发明第二方面制造多层膜光学元件的制造方法，执行：注入步骤，在该注入步骤中，把紫外线固化液晶注入到一对透明基板之间的空间中；第一辐射步骤，在该第一辐射步骤中，平行相干紫外光束从紫外线固化液晶的两侧穿过那对透明基板辐射到紫外线固化液晶上；和第二辐射步骤，在该第二辐射步骤中，在将已经注入到那对透明基板之间的空间中的紫外线固化液晶保持在磁场中的同时，在透明基板的表面上实现均匀强度的紫外光穿过透明基板辐射到紫外线固化液晶上。
在根据第二方面的制造紫外线固化液晶的制造方法中，可以通过相对于那对透明基板的表面选择磁场的所需取向来执行第二辐射步骤。
在根据第一或第二方面的制造紫外线固化液晶的制造方法中，优选：在第一辐射步骤期间，从一侧辐射到紫外线固化液晶上的光的入射角设置为等于从另一侧辐射的光的入射角。可以通过把从一侧辐射到紫外线固化液晶上的光的辐射强度和辐射时间长度之一以及从另一侧辐射的光的辐射强度和辐射时间长度之一指定为变量来执行第一辐射步骤。优选在第二辐射步骤中辐射的实现均匀强度的紫外光是非相干光。还优选：在结束第二辐射步骤之后，执行将多层膜光学元件与透明基板分离的分离步骤。
本发明的第三方面是一种通过上述制造方法制造的多层膜光学元件。
根据本发明第四方面的多层膜光学元件包括沿彼此不同的方向取向并彼此层叠的多个液晶层。
附图简述
图1是示意地表示在本发明第一实施例中实现的多层光学膜的局部截面图；
图2是折射率椭球的概念图；
图3是液晶盒的局部截面图，表示第一辐射步骤，该步骤是为了制造本发明第一实施例中的多层光学膜而执行的制造步骤之一；
图4是在用于执行第一辐射步骤的干涉光学系统中采用的结构的简图；
图5是用于参考解释第一辐射步骤中呈现的辐射角的简图；
图6(a)和6(b)是第二辐射步骤的简图，当制造本发明第一实施例中的多层光学膜时执行其中一个制造步骤；
图7是示意地表示在本发明第二实施例中实现的多层光学膜的局部截面图；并且
图8是表示在磁场中执行的辐射步骤的简图，该步骤是为了制造本发明第二实施例中的多层光学膜而执行的制造步骤之一。
执行本发明的最佳模式
现在参考图1～8解释根据本发明的多层膜光学元件及制造该多层膜光学元件的方法。
第一实施例
图1是示意地表示在本发明第一实施例中实现的多层光学膜的局部截面图。图1在正交坐标系中表示多层光学膜10，其中沿x轴指示该多层光学膜10的厚度。
如图1所示，多层光学膜10由两类具有不同光学特性的层组成，即由以分层间距d交替层叠数级的A层1和B层2组成。多层光学膜10的厚度为显示用液晶板中的液晶层厚的几倍到10倍大，并且例如可以设置为几十微米～100微米。通过在变化的固化条件下固化紫外线固化液晶、从而实现彼此不同的光学特性来形成A层1和B层2。
第一实施例中使用的紫外线固化液晶中的液晶分子具有单轴光学各向异性，并形成单轴折射率椭球。组成A层1的折射率椭球1a的长轴平行于膜表面(z方向)取向，而组成B层2的折射率椭球2a的长轴沿膜的厚度(x方向)取向。因而，通过周期性地层叠具有变化的光学特性的A层1和B层2实现的整个多层光学膜10显示光学各向异性。注意，分派附图标记10a以共同引用折射率椭球1a和2a。
参见图2解释折射率椭球10a的特性。折射率椭球10a是单轴晶体。假设nx、ny和nz分别表示沿x方向、y方向和z方向的折射率，折射率nx和ny彼此相等，而沿折射率椭球10a长轴(沿z方向)的折射率nz与nx及ny不同。现在让我们来考虑入射光K1平行于y方向进入折射率椭球以及入射光K2平行于z方向进入椭球的情况。S 1表示用经过折射率椭球10a的中心并垂直于入射光K1的平面切断折射率椭球10a所得的椭圆平面。S2表示用经过折射率椭球10a的中心并垂直于入射光K2的平面切断折射率椭球10a所得的圆平面。折射率椭球10a对入射光K1呈现两个不同的折射率，每个折射率对应于特定的偏振方向。即，如果入射光K1沿z方向偏振，则呈现折射率nz，而如果入射光K1沿x方向偏振，则呈现折射率nx。此外，无论偏振方向如何，折射率椭球10a对入射光K2呈现折射率nx(＝ny)。
当偏振光以直角进入图1的多层光学膜10时，只要光平行于z方向偏振，则多层光学膜10用作具有彼此交替层叠的折射率nz的A层1和折射率nx的B层2的多层膜，而如果光平行于y方向偏振，则多层光学膜用作折射率nx的单层膜。
下面参考图3～5解释用于制造本实施例中多层光学膜10的方法。在液晶注入之前，在一对玻璃基板11的内侧表面处形成透明导电膜12如ITO(氧化铟锡)膜，在每个透明导电膜12上涂布取向膜13如聚酰亚胺聚合物膜，并对取向膜13执行取向处理如摩擦。此外，在通过例如把聚苯乙烯聚合物球散布并固定到其中一块玻璃基板11的内侧表面处而在该内侧表面处设置间隔物14之后，组装由这两块玻璃基板11构成的玻璃盒，这两块玻璃基板设置成使得它们的内侧表面彼此面对。在忽略紫外线固化液晶的固化收缩等的条件下，间隔物14的厚度相当于多层光学膜10的厚度。随后，除了用于形成液晶注入口的区域外，对玻璃盒的端表面施加密封材料(未示出)，玻璃盒由此被密封。
液态紫外线固化液晶经液晶注入口注入到玻璃盒中，由此形成液晶盒20。此紫外线固化液晶例如通过以特定的比例混合单丙烯酸酯和多官能丙烯酸酯来制备。紫外线固化液晶呈现沿特定的取向方向的取向。在注入紫外线固化液晶之后，用粘合剂密封液晶注入口。
紫外光通量L1和L2辐射到液晶盒20的已经注入紫外线固化液晶的前后表面上。此过程被称作第一辐射步骤。紫外光通量L1和L2是相干平行光束。紫外光通量L1和L2的波长应该在大约300nm～400nm的范围内，并且此紫外光可以从例如407nm的Kr激光器的光源发出。
在两个紫外光通量L1和L2发生干涉时，沿与玻璃基板11的表面垂直的方向形成许多干涉条纹。即，平行于玻璃基板11表面显示出周期性的光强分布。液晶盒20内光强较高的空间中存在的紫外线固化液晶在维持初始取向的同时固化。液晶盒20内光强较低的空间中存在的紫外线固化液晶不经历聚合反应，因而不固化。在此阶段，液晶盒20中的紫外线固化液晶呈现具有彼此周期性层叠的固化层(对应于A层1)和液态未固化层(对应于B层2)。
现在来参考图4中的干涉光学系统解释第一辐射步骤的实例。从激光源21发出的紫外光在半反射镜22处被分成两个光通量。已经在半反射镜22处被反射的紫外光L1在以入射角θ进入液晶盒20的一个表面之前经反射镜23传播，而已经透过半反射镜22的紫外光L2在以相同的入射角θ进入液晶盒20的另一个表面之前经反射镜24传播。将紫外光被分成紫外光通量L1和L2的位置、即紫外光通量L1和L2从半反射镜22到液晶盒20的光路长度之差调节成与波长整数倍的值匹配。
当紫外线固化液晶的A层1通过第一辐射步骤被完全固化时，执行第二辐射步骤。在第二辐射步骤中，固化还未被固化的B层2。
图5表示在那对透明导电膜12之间施加电压的同时被紫外光L3辐射的液晶盒20。当电源装置25的电压施加到透明导电膜12之间时，未固化的B层2沿电场方向、即沿x方向重新取向(见图1)。在此状态下，当强度均匀分布的紫外光L3辐射到液晶盒20上时，B层2中的液晶分子在保持沿x方向重新取向的同时被固化。
B层2固化之后，去除密封玻璃盒端表面的密封材料，拆卸玻璃盒，并从玻璃基板11剥去多层光学膜10。由此获得包括沿彼此不同的方向取向并反复彼此层叠的A层1和B层2的多层光学膜10。注意，紫外光L3应该是不显示干涉的非相干光，从而在玻璃基板11的辐射面处维持均匀的强度。紫外光L3可以辐射到液晶盒20的一侧上，或者可以辐射到两侧上。此外，施加到透明导电膜12之间的电压可以是直流电压，或者可以是例如约100Hz的低频的交流电压。
第一实施例中A层1和B层2的层厚可以通过改变紫外光通量L1和L2在液晶盒20处的入射角θ来调节。首先参考图6(a)和6(b)给予定性的解释。图6(a)表示在液晶盒20的两个侧表面上进入液晶盒20的具有波前p1和入射角θ1的平面波L1以及具有波前p2和入射角θ1的平面波L2。图6(b)表示从液晶盒20的这两个表面进入液晶盒20的具有波前p3和入射角θ2的平面波L1以及具有波前p4和入射角θ1的平面波L2。θ1小于θ2。
如图6(a)所示，假设平面波L1和L2的干涉在波前p1和p2的交叉点处达到峰值，则沿x方向周期性地形成使这些交叉点在yz平面上连接的许多平面。这些平面构成前述的干涉条纹。同样，图6(b)表示沿x方向周期性地形成使波前p3和p4的交叉点在yz平面上连接的许多平面。因为干涉条纹的条带之间的间隔与sinθ成比例，所以图6(a)中的条带间隔小于图6(b)中的条带间隔。
接下来，参考数学表达式解释由平行光通量构成的紫外光L1和紫外光L2。紫外光通量L1和L2分别如下(1)和(2)表示。
r1(x，y)＝r·exp(2πiξx) (1)
r2(x，y)＝r·exp(2πiξ′x) (2)
表达式(1)和(2)中的x和y分别代表玻璃基板11的厚度方向以及与玻璃基板11的表面平行延伸的方向。λ表示紫外光通量L1和L2的波长。φ(φ＝90°-θ，θ表示入射角)表示玻璃基板11与沿光传播方向的矢量(方向矢量)形成的角度，则ξ＝cosφ/λ和ξ′＝cos(π-φ)/λ对表达式(1)和(2)成立。
由紫外光L1和紫外光L2的干涉产生的光的强度I可以如下(3)表示。
I＝(r1+r2)2＝2r2+2r2exp(2πi(ξ-ξ′)) (3)
(3)中右侧项的第一项表示固定背景，而右侧项的第二项与干涉条纹中的光强有关。计算了表达式(3)中第二项的实部之后，干涉条纹的光强Is可以如下(4)表示。
Is＝2r2cos(2π·2cosφ/λ·x) (4)
表达式(4)暗示：当紫外光通量L1和L2以直角(φ＝90°)入射时显示最高光强，而当φ＝45°时光强为垂直紫外光束所达到的光强水平的1/。
当紫外光以直角入射时干涉条纹中的条带间隔为波长λ的1/2，而当紫外光束以45°入射角入射时条带间隔为波长λ的1/。例如，如果λ＝350nm，则用垂直紫外光束实现的条带间隔将为175nm，并且用以45°入射角入射的紫外光束实现的条带间隔将为247nm。换言之，通过改变入射角θ，可以改变沿x方向的光强的周期性分布。因为干涉条纹中的条带间隔等于A层1和B层2层叠的分层间距d，所以也可以通过调节干涉条纹中的条带间隔来调节彼此层叠的A层1和B层2的分层间距d。此外，A层1和B层2彼此层叠的分层间距d也可以通过调节紫外光通量L1和L2的波长λ来调节。当波长λ较小时，各层呈现较小的层厚，并且分层间距d相应地呈现较小值。
注意，A层1的层厚可以通过至少指定紫外光通量L1和L2的亮度或辐射时间长度为变量来控制。通过在将紫外光通量L1和L2的入射角θ和波长λ维持在恒定设置的同时提高亮度或延长辐射时间，可以形成具有较大厚度的A层1。另一方面，通过降低亮度或缩短辐射时间，可以获得具有较小厚度的A层1。这意味着可以调节A层1和B层2的层厚比例。
如上所述，通过调节紫外光通量L1和L2的入射角θ或波长λ，或者通过调节紫外光的亮度或辐射时间长度，能够制造实现多种光学特性的多层光学膜10。此外，因为通过利用单一紫外线固化液晶制造的多层光学膜10没有任何制造误差或杂质的不利影响，因而确保了很高的光学质量。
第二实施例
图7是示意地表示在本发明第二实施例中实现的多层光学膜的局部截面图。图7在正交坐标系中表示多层光学膜30，其中沿x轴指示多层光学膜30的厚度。
如图7所示，第二实施例中实现的多层光学膜30呈现一种结构，该结构包括以分层间距d彼此周期性层叠的两种不同类型的膜层，与第一实施例中实现的多层光学膜10(见图1)一样。多层光学膜30与多层光学膜10的不同之处在于其包括代替多层光学膜10中的B层2的C层3。在折射率椭球30a中，A层1中的折射率椭球1a取向为使得这些折射率椭球1a的长轴平行于膜表面(沿z方向)延伸，而构成C层3的折射率椭球3a取向为使得这些折射率椭球3a的长轴相对于膜的厚度方向(沿x方向)对角延伸。结果，在A层1和C层3中实现不同的光学特性，这使得整个多层光学膜30显示光学各向异性。
当偏振光以直角进入图7的多层光学膜30时，只要光平行于z方向偏振，则多层光学膜30用作具有彼此交替层叠的折射率nz的A层1和折射率nx1的C层3的多层膜，而如果光平行于y方向偏振，则多层光学膜30用作包括彼此交替层叠的折射率nx的A层1与折射率nx2的C层3的多层膜。因为C层3中的折射率椭球3a的长轴相对于x方向对角取向，所以折射率nx、nx1和nx2呈现彼此不同的值。
接下来，解释制造第二实施例中多层光学膜30的过程。下面的解释集中在区分第二实施例与第一实施例的制造步骤上。第二实施例中的制造过程与第一实施例中的制造过程从开始到第一辐射步骤的结束是相同的。在第一辐射步骤的结尾，紫外线固化液晶中的A层1将被固化。为了固化C层3，如下所解释的那样在磁场内执行辐射步骤代替在第一实施例中执行的第二辐射步骤。
图8表示已经经历第一辐射步骤的液晶盒40，该液晶盒被保持在磁场M中，并被用强度均匀的紫外光L4辐射。当液晶盒40相对于磁场方向(A方向)倾斜角α时，液晶盒40中的未固化的C层3对应于倾斜角α而相对于液晶盒40的厚度方向(沿x方向)沿对角方向重新取向。在此状态下，当强度均匀的紫外光L4辐射到液晶盒40上时，C层3固化，而C层3中的液晶分子沿新的方向保持取向。
注意，紫外光L4应该是不显示干涉的非相干光，从而在液晶盒40的玻璃基板的辐射面处维持均匀的强度。紫外光L4可以辐射到液晶盒40的一侧上，或者可以辐射到两侧上。此外，磁场发生源可以是永久磁体或电磁体。
C层3固化之后，去除密封玻璃盒端表面的密封材料，拆卸玻璃盒，并从玻璃基板剥去多层光学膜30。由此得到包括沿彼此不同的方向取向并反复彼此层叠的A层1和C层3的多层光学膜30。
在第二实施例的多层光学膜30中实现了与第一实施例中多层光学膜10的操作效果类似的操作效果。此外，因为不需要施加电场，所以在第二实施例中不需要形成透明导电膜12。但是，必须执行取向处理以控制A层1的取向。
另外，在第二实施例中，通过在固化C层3时调节倾斜角α，即通过相对于液晶盒40的表面选择磁场M的理想取向，能够自由地控制C层3中液晶分子的取向方向。因而，能够获得具有所需的多种光学特性的多层光学膜30。注意，通过将液晶盒40以在0～90°范围内选出的倾斜角α保持在磁场M中并使液晶盒40绕它的法线旋转所需的角度，能够获得具有甚至更多种光学特性的多层光学膜30。
紫外线固化液晶固化之后，从玻璃基板11剥去第一和第二实施例中的多层光学膜10和30。多层光学膜10和30均可以单独使用，或者可以设置在透镜上或过滤器上并与这些光学部件结合使用。在后一种情形中，可以利用透镜或过滤器的基底代替玻璃基板11，以允许透镜或过滤器上的膜即刻用作光学元件。本发明无论如何不限于以上说明的实施例，只要其特征保持完整即可。
如上所述，多层光学膜10和30每个都呈现通过反复层叠层单元而实现的多层结构，每个层单元由具有变化的光学各向异性特性的两种不同类型的层构成。换言之，多层光学膜10和30每个都组成通过多级层叠沿不同的方向取向的液晶层而实现的多层膜光学元件。多层光学膜10和30每个都可以用在光以直角进入的偏振分束器、对以直角进入的光实现大致100％的反射率的偏振光反射镜等中。包含多层膜10的偏振分束器能够通过充分利用布儒斯特角来完全分离p偏振光与s偏振光。
如上所述，采用第一实施例或第二实施例，能够通过简单的过程制造高质量的多层膜光学元件。
这里引入下列在先申请公开作为参考：
2004年2月12日提交的日本专利申请JP2004-034734。
Claims (9)
1.一种制造多层膜光学元件的制造方法，包括：
注入步骤，在该注入步骤中，把紫外线固化液晶注入到一对透明基板之间的空间中，其中在这些透明基板中的每个透明基板上设置透明导电膜；
第一辐射步骤，在该第一辐射步骤中，平行相干紫外光束从紫外线固化液晶的两侧穿过那对透明基板辐射到紫外线固化液晶上；和
第二辐射步骤，在该第二辐射步骤中，在那对透明导电膜之间施加电场的同时，在透明基板的表面上实现均匀强度的紫外光穿过透明基板辐射到紫外线固化液晶上。
2.一种制造多层膜光学元件的制造方法，包括：
注入步骤，在该注入步骤中，把紫外线固化液晶注入到一对透明基板之间的空间中；
第一辐射步骤，在该第一辐射步骤中，平行相干紫外光束从紫外线固化液晶的两侧穿过那对透明基板辐射到紫外线固化液晶上；和
第二辐射步骤，在该第二辐射步骤中，在将已经注入到那对透明基板之间的空间中的紫外线固化液晶保持在磁场中的同时，在透明基板的表面上实现均匀强度的紫外光穿过透明基板辐射到紫外线固化液晶上。
3.如权利要求2所述的制造紫外线固化液晶的制造方法，其中：
通过相对于那对透明基板的表面选择磁场的所需取向来执行第二辐射步骤。
4.如权利要求1～3中任一项所述的制造紫外线固化液晶的制造方法，其中：
在第一辐射步骤期间，从一侧辐射到紫外线固化液晶上的光的入射角设置为等于从另一侧辐射的光的入射角。
5.如权利要求1～4中任一项所述的制造紫外线固化液晶的制造方法，其中：
通过把从一侧辐射到紫外线固化液晶上的光的辐射强度和辐射时间长度之一以及从另一侧辐射的光的辐射强度和辐射时间长度之一指定为变量来执行第一辐射步骤。
6.如权利要求1～5中任一项所述的制造多层膜光学元件的制造方法，其中：
在第二辐射步骤中辐射的实现均匀强度的紫外光是非相干光。
7.如权利要求1～6中任一项所述的制造多层膜光学元件的制造方法，还包括：
在结束第二辐射步骤之后，执行将多层膜光学元件与透明基板分离的分离步骤。
8.一种通过如权利要求1～7中任一项所述的制造方法制造的多层膜光学元件。
9.一种多层膜光学元件，包括：
沿彼此不同的方向取向并彼此层叠的多个液晶层。
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