KR101919646B1 - 광대역 편광 변환을 위한 멀티 트위스트 지연기 및 관련 제조 방법 - Google Patents

광대역 편광 변환을 위한 멀티 트위스트 지연기 및 관련 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101919646B1
KR101919646B1 KR1020147010980A KR20147010980A KR101919646B1 KR 101919646 B1 KR101919646 B1 KR 101919646B1 KR 1020147010980 A KR1020147010980 A KR 1020147010980A KR 20147010980 A KR20147010980 A KR 20147010980A KR 101919646 B1 KR101919646 B1 KR 101919646B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
layers
birefringent
liquid crystal
optical
Prior art date
Application number
KR1020147010980A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140088107A (ko
Inventor
마이클 제이. 에스쿠티
라비 케이. 코만두리
크리스토퍼 에프. 제이알. 라울러
Original Assignee
노쓰 캐롤라이나 스테이트 유니버시티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 노쓰 캐롤라이나 스테이트 유니버시티 filed Critical 노쓰 캐롤라이나 스테이트 유니버시티
Publication of KR20140088107A publication Critical patent/KR20140088107A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101919646B1 publication Critical patent/KR101919646B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
    • G02F1/133636—Birefringent elements, e.g. for optical compensation with twisted orientation, e.g. comprising helically oriented LC-molecules or a plurality of twisted birefringent sublayers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3016—Polarising elements involving passive liquid crystal elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

광학 요소는 적어도 두 개의 층의 각각의 두께에 걸쳐 각각의 트위스트 각도만큼 회전되면서 적어도 두 개의 층 사이의 각각의 계면을 따라 정렬되는 각각의 국지적 광축을 갖는 적어도 두 개의 적층된 복굴절 층을 포함한다. 각각의 트위스트 각도 및/또는 각각의 두께는 서로 다르다. 적어도 두 개의 적층된 복굴절 층은 액정 폴리머 광학 지연 층일 수 있다. 관련된 장치 및 제조 방법도 개시되어 있다.

Description

광대역 편광 변환을 위한 멀티 트위스트 지연기 및 관련 제조 방법 {MULTI-TWIST RETARDERS FOR BROADBAND POLARIZATION TRANSFORMATION AND RELATED FABRICATION METHODS}
관련 출원 참조
본 출원은 그 전문이 기재되어 있는 것처럼 그 내용이 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 발명의 명칭이 "저-트위스트 카이럴 액정 편광 격자 및 관련 제조 방법"인 2007년 4월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/912,044호에 대한 우선권을 주장하는, 국제 출원일이 2008년 4월 16일인 PCT 국제 출원 제PCT/US2008/004888호의 35 USC§371 국내 단계 출원인 미국 특허 출원 제12/596,189호의 부분 연속 출원이다. 또한, 본 출원은 그 전문이 기재되어 있는 것처럼 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 2011년 10월 7일자로 출원된 발명의 명칭이 "광대역 편광 변환을 위한 멀티-트위스트 지연기 및 관련 제조 방법"인 미국 가특허 출원 제61/544,936호에 대한 35 U.S.C. §119 하의 우선권을 주장한다.
분야
본 발명은 편광 변환 및 관련 시스템에 관한 것이다.
광의 편광은 진동의 일 주기에 걸쳐 공간 내의 일 지점에서 웨이브의 전기장의 배향을 특정하는 것에 의해 설명된다. 편광 변환은 액정 디스플레이(LCD), 광학 저장부(예를 들어, CD/DVD/블루-레이), 3D 영화 시네마, 광학적 원격 감지 및 광섬유 네트워크를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 다수의 광학 장치에서 사용된다. 넓은 범위의 파장에 걸친 입사광에 대해 정밀하게 제어될 수 있는 편광 변환은 광대역(또는 무색성) 편광 변환이라 지칭되며, 다양한 파장들에서의 인간 인지 또는 다수의 동시적 채널을 포함하는 용례에 사용될 수 있다.
편광은 광의 비스칼라 양이며, 완전-, 부분적- 또는 비-편광일 수 있다. 편광을 설명하는 한 가지 방식은 Stokes 벡터이며, 이는 네 가지 강도로서 가능한 편광 상태들을 설명한다: S=[S0 S1 S2 S3]T. 편광을 변환하는 광학 요소는 16개 파라미터로 설명될 수 있으며, 이들 16개 파라미터는 매우 빈번하게 4 x 4 Mueller 매트릭스(M)로 배열된다. 따라서, 입력 편광(SIN)은 다음의 관계: SOUT = M·SIN에 의해 출력 편광(SOUT)으로 변환될 수 있다. 이에 관하여 사용되는 거의 모든 복굴절 구성요소에 대하여, 매트릭스(M)의 요소 중 다수는 파장에 따라 강하게 변할 수 있으며, 이는 광대역 편광 변환의 과제가 될 수 있다. 편광 변환을 제공하는 요소의 일부 예는 1/4 파장 지연 요소(선형 편광을 갖는 광을 원형 편광으로 또는 그 반대로 변환하기 위해 사용될 수 있음)및 반파장 지연 요소(선형 편광을 갖는 광을 다른 선형 편광 방향으로 또는 그 반대로 변환하기 위해 사용될 수 있음)이다.
협대역(또는 고도 색성) 편광 변환은 통상적으로 파장판이라 지칭되는 단축 복굴절을 갖는 균질 지연기에 의해 달성될 수 있다. 이들 파장판은 파장(즉, Γ=2π(ne - n0)d/λ = 2π△nd/λ, 여기서, △n = (ne - n0)은 복굴절)에 따라 강하게 변하는 위상 지연과, 파장에 따라 강하게 변하지 않는 이례적 인덱스 방향을 따른 광축을 갖는다. 파장판은 복굴절 결정, 신장 폴리머 필름 및 액정 층을 포함하지만 이에 한정되지 않는 매우 다양한 재료로 형성될 수 있다.
광대역 편광 변환은 그 신속 및 저속 광축이 대향되는 방식으로 다양한 재료로부터 형성된 적어도 두 개의 파장판을 조합함으로써 달성될 수 있다. 이 접근법은 재료의 복굴절의 분산의 적절한 편차를 갖는 것에 의존할 수 있다. 예로서, 결정 석영 및 마그네슘 플루오라이드 파장판이 광대역 편광 변환을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 성능에 관련한 제한들 중에서 이런 천연 미네랄 또는 성장된 결정의 가용성 및 이런 요소의 크기 및 비용은 다수의 경우에 허용불가할 수 있다.
대안적으로, 광대역 편광은 통상적으로, 동일 재료로 형성되는 둘 이상의 별개의 파장판을 사용하여 달성될 수 있으며, 여기서, 파장판의 광축 배향 및 개별 지연은 일반적으로 직교하지 않는다. 이러한 기술의 일부 예는 세 가지 파장판을 포함하지만, 2개, 5개, 6개 또는 그 이상의 파장판을 갖는 실시예를 이행하는 것이 가능하다. 이들 파장판은 다수 유형의 가용 복굴절 필름(액정 층을 포함하는 협대역 파장판을 위해 상술한 것들 같은)으로 형성될 수 있지만, 각 별개의 파장판을 물리적으로 분리된 요소로서 그 자체 상에 형성하고, 그후, 다른 요소에 대해 높은 정확도 레벨로 각 분리된 요소를 후속하여 조립할 필요가 있을 수 있다. 이 접근법은 제한 사항들 중에서 제조 비용을 실질적으로 추가할 수 있으며, 종종 구성요소를 두껍게(즉, 수 mm 또는 cm) 만들 수 있고, 속박된 각도 개구를 초래할 수 있다.
광대역 편광 변환 요소의 추가적 부류는 두께 전반에 걸쳐 균일하지 않은 국지적 광축을 갖는 단축적 복굴절 재료로 통상적으로 형성되게 되는 단일 비균질 복굴절 층을 포함한다. 이들 복굴절 층은 LCD 및 다른 광학 장치에 사용되어 왔다. 이들 복굴절 층은 90°트위스트 네마틱(TN) 및 슈퍼-트위스트 네마틱(STN) LCD 및 양 및 음 복굴절을 갖는 보상 필름 같은 어드레스가능한 층을 형성할 수 있다. 이들 복굴절 층은 편광 변환 요소로서 작용할 수 있지만, 종종 일부 무색성 거동에 의해, 이들은 변환될 수 있는 입력 및 출력 편광의 유형에 관한 제한을 가질 수 있다. 예로서, 90°-TN 및 STN 복굴절 층은 단지 선형 내지 근사 선형 편광만을 변환할 수 있고, 다수의 보상 필름은 편광에 대한 단지 작은 조절만을 수행할 수 있다. 또한, 단일 트위스트 층은 비교적 좁은 대역폭 범위에 걸쳐 원형 편광을 선형 편광(단일 파장에 대하여)으로 부분적으로 변환하기 위한 지연기로서 사용될 수 있다. 이 단일 트위스트 층은 콜레스테릭 편광기와 조합될 수 있지만, 이들 요소는 별개로 형성되고 후속하여 서로 조립되어, 유사하게 제조 비용, 두께, 성능 등의 문제를 초래할 수 있다.
트위스트 층의 조합이 또한 광대역 편광 변환을 위해 사용되어 왔다. 예로서, 미국 특허 제6,765,635호는 단축 반파장 층의 각 측부 상의 두 개의 135°트위스트 네마틱 층이 전기 제어식 편광 변조기로서 사용될 수 있다는 것을 설명한다. 다른 경우에, 광대역 1/4 파장 지연기가 별개로 제조되고 후속하여 조립되는 두 개의 트위스트 네마틱 셀을 사용하여 제공된다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 일부 실시예에 따라서, 광학 필름은 제1 광학 층과 제2 광학 층을 포함하며, 제1 광학 층에서, 각각의 국지적 광축은 제1 광학 층의 대향하는 면들 사이에 형성된 제1 두께에 걸쳐 제1 트위스트 각도만큼 회전되며, 제2 광학 층에서, 각각의 국지적 광축은 제2 광학 층의 대향 면들 사이에 형성된 제2 두께에 걸쳐 제2 트위스트 각도만큼 회전된다. 예로서, 제1 층의 국지적 이방성은 제1 두께에 걸쳐 제1 연속적으로 변하는 위상 이동을 가질 수 있고, 제2 층의 국지적 이방성은 제2 두께에 걸쳐 제2 연속적으로 변하는 위상 이동을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 층의 분자의 각각의 상대적 배향(그리고, 따라서, 그 국지적 광축들)은 그 사이의 계면을 따라 정렬된다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 광학 층은 광대역 파장 범위에 걸친 그 전파 방향에 실질적으로 영향을 주지 않고 그를 통해 통과하는 광의 편광 상태를 변경하는 제1 및 제2 지연 층일 수 있다. 예로서, 제1 및/또는 제2 광학 층의 분자의 상대적 배향은 그를 통해 통과하는 광의 전파 방향을 실질적으로 변경하지 않도록 횡방향 치수가 실질적으로 균일할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및/또는 제2 광학 층의 분자의 상대적 배향은 횡방향 치수가 연속적으로 변할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 층은 단일체형 구조를 형성하도록 조립될 수 있다. 예로서, 제2 광학 층은 제1 광학 층 상에 직접적으로 존재할 수 있고, 제2 광학 층의 분자는 제1 광학 층의 분자에 의해 정렬될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 필름은 내부에 실질적으로 균일한 도메인을 형성하는 정렬 조건을 갖는 정렬 표면을 포함할 수 있다. 정렬 표면은 그를 통해 진행하는 광의 국지적 편광 상태에 실질적으로 영향을 주지 않을 수 있다. 제1 광학 층은 정렬 표면 상에 직접적으로 존재할 수 있고, 제1 층의 분자는 정렬 표면의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있다. 제1 층, 제2 층 및/또는 정렬 표면은 실질적으로 투명할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 광학 층은 제1 트위스트 방향을 갖는 카이럴 액정 분자를 내부에 포함하는 제1 카이럴 액정 층일 수 있고, 제2 광학 층은 제2 트위스트 방향을 갖는 카이럴 액정 분자를 내부에 포함하는 제2 카이럴 액정 층일 수 있다. 제1 트위스트 방향은 일부 실시예에서 제2 트위스트 방향과 동일하거나 대향할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 두께는 서로 다르다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 트위스트 각도는 서로 다르다. 예로서, 일부 실시예에서, 제2 트위스트 각도는 약 0도일 수 있고, 제1 트위스트 각도는 0도보다 크거나 그보다 더 작을 수 있거나 그 반대일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 광학 층 중 적어도 하나는 중합된 또는 중합가능한 액정 층일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 광학 층 중 적어도 하나는 비반응성 스위칭가능한 액정 층일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 광학 층 중 적어도 하나는 그를 통해 이동하는 광의 편광에 실질적으로 영향을 주지 않는 제1 상태와, 그를 통해 이동하는 광의 편광을 반전 또는 다른 방식으로 변경하는 제2 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 스위칭가능한 액정 층일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 트위스트 각도 및/또는 제1 및/또는 제2 두께는 광대역 파장 범위에 걸쳐 1/4 파장 지연을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제1 및/또는 제2 트위스트 각도 및/또는 제1 및/또는 제2 두께는 광대역 파장 범위에 걸쳐 반파장 지연을 제공하도록 구성된다. 광대역 파장 범위는 예로서, 약 400 nm(나노미터) 내지 약 800 nm의 가시적 파장의 범위를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 광대역 파장 범위는 근적외선 범위(예로서, 약 1000 nm 내지 약 1600 nm), 중파장 적외선 범위(예로서, 약 4000 nm 내지 약 10,000 nm), 또는 자외선 범위(예로서, 약 180 nm 내지 약 400 nm)를 포함할 수 있다. 지연은 특정 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 무색성일 수 있거나, 파장 범위의 다양한 영역이 서로 다른 지연을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 광학 필름을 형성하는 방법은 내부에 정렬 패턴을 포함하는 정렬 표면을 형성하는 단계와, 분자 구조를 갖는 제1 광학 층을 형성하는 단계를 포함하고, 분자의 각각의 상대적 배향은 제1 광학 층의 대향 면들 사이에 형성된 제1 두께에 걸쳐 제1 트위스트 각도만큼 회전된다. 제1 층의 분자는 그 사이의 계면을 따른 정렬 표면의 정렬 패턴에 따라 정렬된다. 제2 광학 층은 정렬 층에 대향한 제1 광학 층의 표면 상에 형성된다. 제2 광학 층은 분자의 각각의 상대적 배향이 제2 광학 층의 대향 면들 사이에 형성된 제2 두께에 걸쳐 제2 트위스트 각도만큼 회전된다. 제2 광학 층의 분자는 제1 및 제2 층의 분자의 각각의 상대적 배향이 그 사이의 계면을 따라 정렬되도록 제1 광학 층의 표면에 기초하여 정렬된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 복굴절 지연기는 공간적으로 균일한 방위각 및 경사각 경계 조건을 갖는 정렬 표면과, 적어도 두 개의 대체로 트위스트된 네마틱 액정 층을 포함한다. 제1 층은 제1 트위스트 각도 및 두께를 가지고, 제2 층은 제2 트위스트 각도 및 두께를 가지며, 제1 및 제2 트위스트 각도 또는 제1 및 제2 두께 중 적어도 하나는 서로 다르며, 여기서, 제1 및 제2 트위스트 각도 중 적어도 하나는 0이 아니다. 제1 층은 정렬 표면 상으로 직접적으로 적용되고 그에 의해 정렬되며, 제2 층은 제2 층이 그 위에 형성되는 제1 층의 표면에 의해 직접적으로 정렬됨으로써 단일체형 구조를 형성한다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 일부 실시예에 따라서, 광학 요소는 제1 및 제2 층의 각각의 두께에 걸친 각각의 트위스트 각도만큼 회전되는 각각의 국지적 광축을 갖는 제1 및 제2 적층된 복굴절 층을 포함하는 복수의 적층된 복굴절 층을 포함한다. 국지적 광축은 제1 층과 제2 층 사이의 계면을 따라 정렬되며, 각각의 트위스트 각도 및/또는 각각의 두께는 서로 다르다. 예로서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 그를 통해 통과하는 광의 전파 방향을 실질적으로 변경하지 않는 상태로 편광을 변경하도록 각각 구성되는 광학 지연 층일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 그 사이의 계면을 따른 방향으로 불규칙적일 수 있다. 예로서, 각각의 국지적 광축은 계면을 따른 하나 이상의 서로 다른 영역에서 실질적으로 균일할 수 있거나, 계면을 따라 연속적으로 변할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 실질적으로 균일하거나 그 사이의 계면을 따른 방향으로 변하지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 하나가 나머지 상에 직접적으로 존재하며, 단일체형 구조를 형성한다.
일부 실시예에서, 광학 요소는 실질적으로 균일한 정렬 상태를 갖는 정렬 표면을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 적층된 복굴절 층 중 하나는 그 각각의 국지적 광축이 정렬 상태에 따라 정렬되도록 정렬 표면 상에 직접적으로 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 트위스트 각도는 동일 또는 대향한 트위스트 방향을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 트위스트 각도는 크기가 실질적으로 동일하고, 트위스트 방향이 반대일 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 트위스트 각도는 크기가 서로 다르고, 트위스트 각도 중 하나는 0이 아닐 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 각각 제1 및 제2 인접한 영역을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 그 사이의 계면을 따른 제1 및 제2 복굴절 영역 각각에서 실질적으로 균일할 수 있지만, 제1 및 제2 영역의 각각의 국지적 광축은 서로 다를 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 제1 액정 층 및 그 위에 적층된 제2 액정 층을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 액정 층의 각각의 분자 배향은 그 사이의 계면을 따라 정렬될 수 있고, 제1 및 제2 액정 층 중 적어도 하나는 카이럴 층일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 액정 층 중 적어도 하나는 중합된 액정 층일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 액정 층 중 다른 하나는 스위칭가능한 액정 층일 수 있다.
일부 실시예에서, 제3 카이럴 액정 층은 제2 액정 층 상에 적층될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 요소는 선형 편광기를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광학 층은 편광기와 광학 층 사이에 정렬 표면 또는 접착제 층을 갖는 상태로 선형 편광기 상에 적층될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 광학 층의 각각의 트위스트 각도 및/또는 두께는 약 200 nm 이상의 광대역 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 무색성인 반파장 지연을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 광학 층의 각각의 트위스트 각도 및/또는 두께는 약 200 nm 이상의 광대역 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 무색성인 1/4 파장 지연을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 광학 요소를 제조하는 방법은 제1 복굴절 층을 제공하는 단계와, 제1 복굴절 층 상에 적층된 제2 복굴절 층을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 복굴절 층은 그 각각의 두께에 걸쳐 각각의 트위스트 각도들만큼 회전되는 각각의 국지적 광축을 가지며, 그 사이의 계면을 따라 정렬되며, 각각의 트위스트 각도 및/또는 각각의 두께는 서로 다르다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 그 사이의 계면을 따른 방향으로 불규칙적일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 복굴절 층은 그를 통해 통과하는 광의 전파 방향을 실질적으로 변경하지 않고 편광을 변경하도록 각각 구성되는 광학 지연 층일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 실질적으로 균일하거나 그 사이의 계면을 따른 방향으로 변하지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 복굴절 층은 단일체형 구조를 형성할 수 있다. 예로서, 제1 및 제2 복굴절 층은 액정 층일 수 있으며, 제2 복굴절 층은 그 각각의 분자 배향이 그 사이의 계면을 따라 제1 복굴절 층의 각각의 분자 배향을 따라 정렬되도록 제1 복굴절 층 상에 직접적으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 복굴절 층을 형성하기 이전에, 불규칙 정렬 상태를 갖는 정렬 표면이 형성될 수 있다. 불규칙 정렬 상태는 하나 이상의 실질적 균일 영역을 포함할 수 있거나, 연속적으로 변할 수 있다. 제1 복굴절 층은 그 각각의 분자 배향이 정렬 상태에 따라 정렬되도록 정렬 표면 상에 직접적으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 복굴절 층은 중합될 수 있는 액정 층일 수 있다. 제1 복굴절 층은 그 위에 제2 복굴절 층을 형성하기 이전에 정렬 표면 상에 광 중합될 수 있다.
일부 실시예에서, 제3 액정 층은 그 각각의 국지적 광축이 그 사이의 계면을 따라 제2 복굴절 층의 각각의 국지적 광축을 따라 정렬되도록 제2 복굴절 층 상에 직접적으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 정렬 표면은 연속적으로 변하는 정렬 상태를 포함하도록 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 정렬 표면은 그 인접한 제1 및 제2 영역에 각각의 실질적으로 균일한 정렬 상태를 포함하도록 형성될 수 있으며, 정렬 표면의 제1 및 제2 영역의 실질적으로 균일한 정렬 상태는 서로 다르다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예는 그 각각의 두께에 걸친 방향으로 연속적으로 변하면서 그 사이의 각각의 계면을 따른 방향으로 정렬되는(그러나, 변하거나 변하지 않을 수 있는) 각각의 국지적 광축을 갖는 적어도 두 개의 적층된 광학 층을 포함하는 광학 지연 요소를 제공한다.
본 기술 분야의 숙련자는 이하의 도면 및 상세한 설명의 고찰을 통해 본 발명에 따른 다른 장치 및/또는 방법을 명백히 알 수 있을 것이다. 상술한 실시예의 임의의 또는 모든 조합에 추가로, 모든 이런 추가적 실시예는 본 설명에 포함되어 있으며, 본 발명의 범주 내에 있고, 첨부 청구범위에 의해 보호된다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 둘 이상의 적층된 복굴절 층을 포함하는 광학 지연 요소를 예시하는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 광대역 파장 범위에 걸쳐 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에 따른 광학 지연 배열을 위한, 출력(S3) 파라미터와 편평율을 각각 예시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 예시적 광학 요소의 광대역 파장 범위에 걸쳐 측정된 편평율을 예시하는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 광대역 1/4 파장 기준 필름에 비교한, 다양한 편광기 배열 사이의 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 광학 요소를 예시하는 사진이다.
도 5a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 적층된 복굴절 층을 포함하는 광학 지연 요소를 예시하는 개략도이다.
도 5b 및 도 5c는 도 5a에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 광학 지연 배열을 위한, 출력(S3) 파라미터 및 편평율을 각각 예시하는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 선형 편광기 상의 2개 및 3개 적층된 복굴절 층을 사용하여 형성된 원형 편광기들을 각각 예시하는 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 적층된 복굴절 층을 포함하는 광학 지연 배열을 위한 출력(S3) 파라미터와 편향율을 각각 예시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 예시적 광학 요소를 위한 측정된 편평율을 예시하는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 실질적으로 균일한, 그러나, 정렬 상태가 다른 둘 이상의 인접한 도메인을 포함하는 정렬 표면 상에 두 개의 적층된 복굴절 층을 포함하는 광학 지연 요소를 예시하는 개략도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에 따른 광학 지연 요소의 출력을 예시하는 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연속적으로 변하는 정렬 상태를 포함하는 정렬 표면 상에 2개 및 3개 적층된 복굴절 층을 포함하는 광학 지연 요소를 예시하는 개략도이다.
도 11a 내지 도 11c는 일부 상업적 광학 필름을 위한 반사율 특성을 예시하는 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 2개 및 3개 적층된 복굴절 층을 포함하는 광학 지연 요소의 반사율 특성을 각각 예시하는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예에 따라, 단일 기판 및 정렬 층 상에 둘 이상의 적층된 복굴절 층을 포함하는 멀티-트위스트 지연 요소를 예시하는 개략도이다.
도 14a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 층 MTR 디자인을 예시한다.
도 14b는 Poincare 구체 상의 도 14a에 도시된 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 층 MTR에 의해 제공되는 출력 Stokes 구성요소를 예시한다.
도 15a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 층 MTR 디자인을 예시한다.
도 15b는 Poincare 구체 상의 도 15a에 도시된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 층 MTR에 의해 제공된 출력 Stokes 구성요소를 예시한다.
도 16a 내지 도 16d는 선형(수평) 입력 편광을 위한 공지된 광학 필름에 비교된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 층 1/4 파장 MTR의 출력을 예시하는 그래프이다.
도 17a 내지 도 17d는 선형(수평) 입력 편광을 위한 공지된 광학 필름에 비교된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 층 1/4 파장 MTR의 출력을 예시하는 그래프이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 및 3개 층 선형-대-선형 편광 변환 디자인의 출력을 각각 예시하는 그래프이다.
도 18c 및 도 18d는 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 및 3개 층 원형-대-원형 편광 변환 디자인의 출력을 각각 예시하는 그래프이다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일부 실시예에 따른 멀티-트위스트 지연 요소를 형성하기 위한 예시적 제조 프로세스를 예시하는 개략도이다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 2개 및 3개 층 1/4 파장 MTR의 지연을 각각 예시하는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR의 성능 경향을 비교하는 막대 그래프이다.
도 22a 및 도 22b는 선형(수평) 입력 편광을 위한 공지된 광학 필름에 비교된 바와 같은, 본 발명의 일부 실시예에 따른 3개 층 1/4 파장 MTR의 출력을 예시하는 그래프이다.
도 22c 및 도 22d는 원형 입력 편광을 위한 공지된 광학 필름에 비교된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 3개 층 1/4 파장 MTR의 출력을 예시하는 그래프이다.
본 발명의 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조로 이하에서 본 발명을 더 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 다수의 다른 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 실시예는 본 발명이 전체적으로 완전해질 수 있게 하고, 당업자에게 본 발명의 범주를 완전히 전달하기 위해 제공된 것이다. 도면에서, 층 및 영역의 크기 및 상대적 크기는 명료성을 위해 과장될 수 있다. 전반에 걸쳐 유사 참조 번호는 유사 요소를 나타낸다.
용어 제1, 제2, 제3 등이 다양한 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이들 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션은 이들 용어에 한정되지 않아야 한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이들 용어는 단지 하나의 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션으로부터 구별하기 위해 사용된다. 따라서, 후술된 제1 요소, 구성요소, 영역 층 또는 섹션은 본 발명의 교지로부터 벗어나지 않고 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션이라 명명될 수 있다.
"밑", "아래쪽", "하부", "하위", "상위" 및 "상부" 등 같은 공간적으로 상대적인 용어가 도면에 예시된 바와 같은 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 대한 하나의 요소 또는 특징의 관계를 설명하기 위해 설명의 용이성을 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향에 추가로 사용 또는 동작 중인 장치의 다양한 배향을 포함하는 것을 의도한다는 것을 알 수 있을 것이다. 예로서, 도면의 장치가 뒤집히는 경우, 다른 요소 또는 특징의 "아래쪽" 또는 "밑" 또는 "하위"에 있는 것으로 설명된 요소는 이때, 다른 요소 또는 특징의 "상위"에 배향된다. 따라서, 예시적 용어 "아래" 및 "하위"는 상위 및 아래쪽의 배향 양자 모두를 포함한다. 장치는 다른 방식으로 배향될 수 있고(90도 또는 다른 배향으로 회전), 본 명세서에 사용된 공간적으로 상대적인 설명은 이에 따라 해석될 수 있다. 추가적으로, 층이 두 개의 층 "사이"에 있는 것으로 설명될 때, 이는 두 층 사이의 유일한 층일 수 있거나, 하나 이상의 개입 층이 또한 존재할 수 있다는 것도 이해하여야 한다.
본 명세서에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하는 목적을 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 사용될 때, 문맥상 달리 명시적으로 나타나 있지 않은 한, 단수 형태는 복수 형태를 마찬가지로 포함하는 것을 의도한다. 또한, 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배재하지 않는다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "및/또는"은 관련하여 나열된 항목 중 임의의 것과 그 모든 조합을 포함한다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층에 대해 "위에 존재", "연결", "결합" 또는 "인접"한 것으로 설명될 때, 이는 직접적으로 다른 요소 또는 층 위에 존재, 연결, 결합 또는 인접할 수 있거나, 개입 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 또는 층에 대해 "직접적으로 위에", "직접적으로 연결", "직접적으로 결합" 또는 "직접적으로 인접"하는 것으로 설명될 때, 어떠한 개입 요소나 층도 존재하지 않는다.
본 발명의 실시예는 본 명세서에서 본 발명의 이상적인 실시예(그리고, 중간 구조)의 개략적 예시도인 단면 예시도를 참조로 설명된다. 따라서, 예로서, 제조 기술 및/또는 공차의 결과로서 예시도의 형상으로부터의 변경이 예상된다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 예시된 특정 영역의 형상에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 예로서, 제조시 초래되는 형상의 편차를 포함할 수 있다. 따라서, 도면에 예시된 영역은 본질적으로 개략적이며, 그 형상은 장치의 영역의 실제 형상을 예시하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범주를 한정하는 것으로서 해석되지 않는다.
달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 용어(기술적 및 과학적 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적 숙련자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것들 같은 용어는 본 명세서 및/또는 관련 기술에 관한 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에 그렇게 명시적으로 정의되어 있지 않은 한, 이상화되거나 과도하게 정형적인 의미로 해석되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는 액정(LC) 재료를 참조로 본 명세서에서 설명된다. LC는 그 안에 분자의 정돈된 배열이 존재하는 액체를 포함한다. 통상적으로, LC 분자는 세장형(로드형) 또는 평판형(디스크형) 형상을 가지는 이방성일 수 있다. 이방성 분자의 정돈의 결과로서, 벌크 LC는 종종 그 기계적, 전기적, 자기적 및/또는 광학적 특성의 이방성 같은 그 물리적 특성의 이방성을 나타낸다. 본 명세서에서 사용될 때, LC는 네마틱 페이즈, 카이럴 네마틱 페이즈, 시메틱 페이즈, 카이럴 시메틱 페이즈(강유전성 LC 포함) 및/또는 다른 페이즈를 가질 수 있다. 로드형 또는 디스크형 특성의 결과로서, LC 분자의 배향의 분포는 액정표시장치(LCD)에서 같은 광학 용례에서 중요한 역할을 수행할 수 있다. 이들 용례에서, LC 정렬은 정렬 표면에 의해 지정될 수 있다. 정렬 표면은 LC가 예측가능하고 제어가능한 방식으로 표면에 대해 정렬하도록 처리될 수 있다. 일부 실시예에서, 정렬 표면은 LC 층을 통해 단일 도메인을 보증할 수 있다. 다른 실시예에서, 정렬 표면은 LC 층을 통해 다수 도메인 및/또는 다수 불연속부를 제공할 수 있다.
러빙된 또는 광중합가능한 폴리머 같은 다수의 폴리머가 본 명세서에 설명된 광학 층을 생성하기 위해 정렬 층으로서 사용될 수 있다. 이들 폴리머는 LC에 관해 불활성일 수 있고, LC 장치의 동작 온도 범위에 걸쳐(예를 들어, 약 -50℃ 내지 약 100℃) 안정적인 정렬을 제공하여야 하며, 본 명세서에 설명된 제조 방법과 공존가능하여야 한다. 본 명세서에서 정렬 층으로서 사용될 수 있는 폴리머의 일부 예는 폴리이미드, 신나메이트, 칼콘-에폭시 재료 및 쿠마린 사이드 체인 폴리이미드를 포함한다. 액정 정렬 방법의 추가적 예는 Carwford 등의 미국 특허 7,196,758에도 설명되어 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 일부 구조는 스핀 코팅 프로세스 및 액정 재료의 균형화를 통한 정확한 제조를 수반할 수 있다.
본 기술 분야의 숙련자는 본 명세서에서 사용될 때, "중합가능한 액정"이 중합될 수 있는 비교적 저 분자량 액정 재료를 지칭하며, 또한, "반응성 메소겐"이라고도 본 명세서에서 설명될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 대조적으로, "비반응성 액정"은 중합될 수 없는 비교적 저 분자량 액정 재료를 지칭할 수 있다. 또한, "전달성" 또는 "투명" 기판 또는 요소는 입사광의 적어도 일부를 그를 통해 통과시킬 수 있다. 달리 말하면, 본 명세서에 설명된 전달성 또는 투명 요소는 완벽히 투명할 필요는 없으며, 등방성 또는 이색성 흡수 특성을 가질 수 있고 및/또는 입사광 중 일부를 다른 방식으로 흡수할 수 있다. 투명 기판은 일부 실시예에서 유리 기판이다. 대조적으로, "반사성" 기판 또는 요소는 입사광 중 적어도 일부를 반사할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는 광대역 편광 변환을 달성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하며, 이에 의해, 특정 편광을 갖는 입력 광은 목표 또는 희망 편광으로 변경될 수 있다. 이는 원하는 편광이 통과 허용되고 원하지 않는 광이 흡수 또는 재반사되는 종래의 편광기 요소에 의해 달성되는 편광 변환과 대조적이다. 광대역 광의 정확한 편광 변환은 LCD, 광학 저장부, 복굴절 광학 장치, 광학 원격 감지 및 광섬유 네트워크를 포함하는 다수의 용례에서 사용될 수 있다. 별개로 형성되고 후속하여 조립되는 간단한 복굴절 요소의 개별 및 다중 적층체를 사용하는 종래의 방법은 원하는 광대역 편광 변환 성능을 달성할 수 없을 수 있으며 및/또는 큰 투명 개구, 작은 두께 및/또는 허용가능한 비용을 쉽게 제공하지 못할 수 있다.
특히, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 광대역 편광 변환의 효율적 제어를 제공하는 멀티 트위스트 지연기(MTR)라 본 명세서에서 지칭되는 둘 이상의 복굴절 층을 포함하는 광학 요소를 제공한다. 예로서, MTR은 단일 실질적 균일 정렬 표면 상의 적어도 두 개의 일반적 네마틱 액정 층의 배열을 포함할 수 있으며, 층 중 적어도 하나는 층의 두께에 걸쳐 트위스트된 네마틱 디렉터(즉, 국지 광축)를 가지고, 후속 층은 이전 층의 노출된 표면에 의해 정렬된다. 이는 덜 복잡한 제조를 가능하게 하고, 자동 층 정합을 달성하며, 연속적으로 변하는 국지적 광축을 그 두께에 걸쳐 갖는 단일체형 필름을 도출한다. 대조적으로, 다수의 종래의 접근법에서, 층은 통상적으로 개별적으로 형성되고 후속하여 조립되며, 하나의 층의 단부의 트위스트 각은 통상적으로 다음 트위스트 층의 개시 각도와 정렬되거나 평행하지 않다.
추가적으로, 본 발명의 실시예에 따른 구조는 중심 파장(예를 들어, 550 nm)에 관하여 약 15% 초과(예를 들어, 100 nm), 약 35% 초과(예를 들어, 200 nm) 또는 그 이상의 범위의 파장 범위에 걸쳐 광대역(즉, 무색성) 1/4 파장 및 반파장 지연을 포함하는, 거의 임의의 파장, 대역폭 또는 원하는 입사각 범위를 위한 잘 제어된 편광 변환을 달성할 수 있는 단일체형 복굴절 판을 형성한다. 특정 실시예에서, 둘 또는 세 개의 층이 사용되어 양호한 성능과, 가능하게는, 매우 낮은 비용을 갖는 광대역 1/4 파장 및 반파장 지연을 달성할 수 있다. 추가적 층은 푸리에 급수의 추가적 항과 유사한 형태로, 파장 또는 관찰 각도의 함수로서 편광 변환 프로파일에 대한 매우 더 섬세한 제어를 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이런 추가적 층의 사용은 트루 광축, 즉, 그를 따른 선형 편광이 보전되는 방향을 갖는 MTR 디자인을 가능하게 할 수 있다. 입력과 출력 편광 사이에 요구되는 정확한 관계는 파장에 독립적일 수 있거나(본 명세서에 설명된 광대역 1/4 파장 및 반파장 예에서와 같이) 또는 용례에 의존하는 파장의 일부 비일정 및 비자명(non-trival) 함수일 수 있다(본 명세서에 설명된 보상 필름 및 텔레콤 예에서와 같이). 그 덜 복잡한 제조 및 다수의 자유도에 기인하여, 본 명세서에 설명된 MTR은 패턴화된 무색성 지연기에 특히 매우 적합할 수 있고, 가시적 스루 적외선(thru-infrared) 파장 내의 낮은 지연 변동 및/또는 큰 대역폭을 달성할 수 있다. 그러나, 비교적 넓은 파장 범위에 걸친 무색성(또는 대략 일정한) 지연 스펙트럼을 참조로 본 명세서에서 일반적으로 설명되었지만, 본 발명의 실시예에 따른 MTR은 이에 한정되지 않으며, 주어진 스펙트럼의 다양한 영역에 걸쳐 다양한 지연을 제공하도록 구성될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예로서, 비-무색성 지연 스펙트럼의 일 실시예는 녹색 파장(예를 들어, 녹색에 대응하는 가시 스펙트럼의 범위 내에 드는 파장)을 위한 대략 반파장 지연을 제공하지만, 적색 및 청색 파장에 대해서는 거의 0 지연을 제공하도록 구성된 MTR일 수 있다. 비무색성 지연 스펙트럼의 다른 실시예에서, MTR은 더 긴 파장(예를 들어, 적외선)을 위해 대략 반파장 지연을 제공하고, 더 짧은 파장(예를 들어, 가시광)에 대해서는 다른 지연을 제공하도록 구성될 수 있다.
관련 미국 특허 출원 제60/912,044호는 또한 정렬 표면 상의 단일 필름 또는 단일체형 요소를 형성하는 두 개의 트위스트 층을 사용한 무색성 편광 변환을 설명한다. 설명된 일부 실시예에서, 정렬 표면은 공간적으로 비균일 주기성 패턴이 존재하도록 편광 홀로그램에 의해 패턴화될 수 있다. 따라서, 이들 실시예에서 달성되는 입사 광 상의 광학적 효과는 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예에 의해 달성되는 바와 같은 지연(즉, 편광 변경)이 아닌 회절(즉, 전파 방향의 변경)이다.
본 명세서에 설명된 지연기는 전자기 웨이브의 직교 전기장 성분 사이의 다양한 페이즈 이동을 유도함으로써 전파 방향에 실질적으로 영향을 주지 않고 편광을 변환할 수 있는 복굴절 요소이며, 웨이브 판이라고도 지칭된다. 일부 기본적 지연기는 두께(d)를 갖는 균질 단축 복굴절(△n)에 의해 규정될 수 있고, 파장(λ)에 따라 강하게 변하는 위상 지연(Γ=2π△nd/λ)을 가질 수 있다.
넓은 파장 범위에 걸쳐 정확하게 제어될 수 있는 광대역(무색성 포함) 편광 변환은 다양한 파장에서의 다수의 동시적 채널 또는 인간 인지를 동반하는 용례에 특히 중요할 수 있다. 불행하게, 다수의 광학 재료의 복굴절의 공간적 분산(△n(λ))은 하나의 판 내에서의 광대역 편광 변환을 일반적으로 가능하게 하지 않는다. 대신, 다수의 복굴절 판을 동반하는 다수의 기술이 개발되어 왔으며, 이들은 지연 보상의 원리를 통해 광대역 거동을 달성하고, 여기서, 하나의 판의 지연의 결핍은 적어도 부분적으로 후속 판에 의해 교정되지만, 이들 기술은 개별적으로 제조되고 후속하여 정렬되는 다수의 요소를 사용하는 것에 기인하여, 이전의 접근법과 유사한 제조 복잡성의 문제가 있다. 제조 복잡성은 각 LC 요소가 두 개의 기판과 두 개의 LC 정렬 층(그 자체의 정렬 과제를 갖는)을 포함하는 경우에 더욱 확대될 수 있다.
대조적으로, 본 발명의 일부 실시예에 따른 광학 필름 또는 요소는 단일 정렬 표면을 포함하고, 그 상단에는 적어도 두 개의 트위스트 복굴절 광학 지연 층(예로서, 일반적으로 트위스트된 네마틱 액정 층)이 배열되며, 이는 일반적으로 본 명세서에서 다층 트위스트 지연기 또는 멀티 트위스트 지연기(MTR)라 지칭된다. 도면에 도시된 원통형 형상에 의해 표현된 국지적 광축(예를 들어, 액정의 네마틱 디렉터)은 그 아래의 표면의 정렬 방향에 의해 형성되고(임의의 층의 저부에서), 필름의 두께에 걸쳐 연속적으로 변하는 광축을 갖는 단일체형 필름을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 요소 또는 필름(여기서, MTR이라 지칭됨)을 단면으로 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 광학 지연 층(102)이 제1 광학 지연 층(101) 상에 형성되어 다층 구조를 형성한다. 제1 및 제2 층(101, 102)은 서로에 대해 동일한 또는 대향한 트위스트 방향을 따라, 그 각각의 두께(d1, d2)에 걸쳐 회전되는 분자 구조를 갖는다. 예로서, 제1 및 제2 층(101, 102)은 동일 또는 대향 핸디드니스(handedness)의 카이럴 분자(즉, 서로 다른 좌측 및 우측 형태를 갖는 비대칭 분자)를 포함할 수 있다. 이 때문에, 일부 실시예에서, 제2 층(102)은 두께(d1)에 걸친 제1 층(101)의 것과는 다른 및/또는 그와 반대인 두께(d2)에 걸친 그 국지적 이방성 패턴의 위상 이동을 가질 수 있다. 도 1에서, 제1 및 제2 층(101, 102)은 카이럴 액정(LC) 층으로서 예시되어 있다. 두께(d1, d2)는 각각 제1 및 제2 광학 층(101, 102)의 대향 면들 사이에 형성되고, 두께(d1, d2)는 일부 실시예에서 다를 수 있다. 더 일반적으로, 본 명세서에 설명된 실시예에서, 광학 필름은 두 개 이상의 층을 포함하고, 층 중 적어도 두 개는 서로 다른 트위스트 각도(서로 다른 트위스트 방향 포함) 및/또는 서로 다른 두께를 갖는다.
특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 층(102)의 분자는 제1 층(101)(예를 들어, 좌측)의 분자에 대비하여 대향한 핸디드니스(예를 들어, 우측)로 이루어진다. 예로서, 제1 층(101)은 내부의 분자의 배향이 층(101)의 두께(d1)에 걸쳐 트위스트 각도(φ1)만큼 회전 또는 "트위스트"되도록 카이럴 분자로 도핑될 수 있고, 제2 층(102)은 내부의 분자의 배향이 층(102)의 두께(d2)에 걸쳐 다른 트위스트 각도(φ2)만큼 회전 또는 "트위스트"될 수 있도록 다른 카이럴 분자로 도핑될 수 있다. 제1 트위스트 각도(φ1) 또는 제2 트위스트 각도(φ2)는 일부 실시예에서 0°일 수 있다. 제1 및 제2 층(101, 102)의 제조시, 네마틱 LC 혼합물은 현저한 결함 없이 내부의 각각의 트위스트 각도를 유발하도록 구성된 카이럴 LC 분자로 도핑될 수 있다. 각각의 트위스트 각도(φ1, φ2)는 변하는 카이럴 도핑제의 양 및/또는 변하는 광학 지연 층의 두께에 의해 변경될 수 있다. 각 광학 층(101, 102) 내의 분자의 "트위스트"는 그 각각의 두께(d1, d2)에 걸쳐 국지적 이방성 패턴으로 연속적 페이즈 이동을 제공할 수 있다.
도 1에 추가로 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 광학 층(101, 102)의 분자는 그 사이의 계면(109)에서 정렬 또는 인-페이즈 상태가 된다. 특히, 제1 및 제2 광학 층(101, 102)의 각각의 분자형 분자는 평면을 따른 방향 또는 계면(109)의 방향으로 실질적으로 균일한(예를 들어, 공간적 변화가 없는) 배향을 갖는다. 이 때문에, 제1 및 제2 광학 층(101, 102)은 그 각각의 두께를 따른 방향으로 연속적으로 변하는 분자 배향을 가지고, 그 사이의 계면을 따른 방향으로 변하지 않는 또는 실질적으로 균일한 배향을 갖는 단일체형 광학 요소 또는 필름(100)을 형성한다.
도 1에 예시된 예에서, 제1 및 제2 광학 층(101, 102)은 정렬 표면(115) 상에 제공되고, 이는 정렬 표면(115)의 평면 내의 방위각(본 명세서에서 개시 각도(φ0)라고도 지칭됨)에서 좌측에서 우측으로 실질적으로 균일한 정렬 방향을 갖는다. 제1 층(101) 내의 네마틱 디렉터 배향은 정렬 표면(115)과의 계면에서 이 방위각(φ0)으로부터 시작하고, 그후, 제2 층(102)을 위한 정렬을 제공하는 소정 최종 방위각(φ0+φ1)까지, 제1 층(101)에 사용된 트위스트 네마틱 액정 재료의 카이럴 특성에 의해 유도되는 트위스트 각도(φ1)만큼 그 두께(d1) 전반에 걸쳐 트위스트된다. 제1 층(101)과의 계면(109)에서 제2 층(102) 내의 네마틱 디렉터 배향은 φ1의 값에 따라 정렬 표면(115)의 정렬 상태에 대응하거나 그렇지 않을 수 있다. 제2 층(102)의 네마틱 디렉터 배향은 제1 층(101)과의 계면(109)에서의 각도(φ0 + φ1)로부터 시작하여, 소정 최종 방위각(φ0+φ1+φ2)까지 트위스트 각도(φ2)만큼 그 두께(d2) 전반에 걸쳐 트위스트 된다. 이는 제2 층(102) 상에 형성될 수 있는 후속 트위스트 네마틱 층을 위해서도 계속 유사하며, 이하의 일반적 원리를 채용한다: 제1 층(101)은 정렬 표면(115)에 의해 정렬되고, 모든 후속 층은 그 이전의 표면에 의해 정렬되어 단일, 분할불가한 얇은 필름을 형성한다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 층(101, 102)은 액정 프리-폴리머 및 솔벤트 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다. 예로서, 제1 층(101)은 원하는 두께(d1)에 도달하도록 정렬 표면(115) 상의 제1 카이럴 네마틱 LC 재료(즉, 사전결정된 핸디드니스 또는 트위스트 방향을 제공하도록 카이럴 액체로 도핑되는 비카이럴 네마틱 액정)를 스핀 캐스팅함으로써 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 정렬 표면(115)은 본 명세서에서 추가로 설명되지 않은 기술에 의해, 유리 기판 같은 투명 기판 상에 형성되는 러빙된 포리이미드 정렬 층 또는 광 정렬 층일 수 있다. 제1 카이럴 LC 재료의 분자는 정렬 표면(115)에 의해 제공되는 균일한 정렬 상태(예를 들어, 방위각(φ0)을 따른)에 의해 제공되는 균일한 정렬 상태에 의해 정렬될 수 있고, 제1 카이럴 LC 재료는 예로서, 내부의 광학적 이방성을 영구적으로 고정하여 제1 광학 층(101)을 형성하도록 블랭킷 자외선(UV) 노광을 사용하여 중합될 수 있다. 동일 또는 대향 핸디드니스/트위스트 방향을 제공하도록 도핑된 제2 카이럴 네마틱 LC 혼합물은 원하는 두께(d2)를 가질 때까지 스핀 캐스팅되거나 다른 방식으로 직접적으로 제1 층(101) 상에 적용될 수 있고, 제2 카일러 LC 재료의 분자는 그 사이의 계면(109)에서 제1 층(101)의 분자에 따라 정렬될 수 있다. 달리 말하면, 제1 층(101)의 표면은 제2 카이럴 LC 혼합물을 위한 정렬 표면으로서 작용할 수 있다. 제2 카이럴 LC 혼합물은 그후 중합되어 제2 층(102)을 형성한다. 이색성 또는 형광 염료나 나노입자 같은 다른 도핑제도 트위스트 액정 층(101, 102) 중 임의의 것에 포함될 수 있다.
다른 실시예에서, 스위칭가능한 액정 광학 필름이 형성될 수 있다. 특히, 제1 층(101)은 사전결정된 핸디드니스 또는 트위스트 방향과 제1 정렬 표면 상의 원하는 두께(d1)를 갖고 상술한 바와 같이 형성될 수 있다. 그 위에 제2 정렬 표면을 포함하는 대향 전달성 기판(유리 기판 같은)이 원하는 두께(d2)에 대응하는 셀 간극을 갖고 제1 층(101)에 적층될 수 있다. 제2 정렬 표면은 제1 광학 층(101)의 트위스트 방향에 기초한 제1 광학 층(101)의 표면의 것에 대해 오프셋되는 정렬 상태를 포함할 수 있다. 제2 정렬 표면과 제1 정렬 층(101) 사이의 간극은 제2 층(102)으로서의 액정 층을 제공하도록 대향한 트위스트 방향을 갖는 카이럴 네마틱 LC 재료로 충전될 수 있으며, 그에 의해, 스위칭가능한 액정 광학 필름을 형성할 수 있다. 제2 층(102)의 분자 배향은 그를 통해 이동하는 광의 편광에 실질적으로 영향을 주지 않는 제1 상태와 제2 층(102)에 인가된 전압에 응답하여 그를 통해 이동하는 광의 편광을 변경하는 제2 상태 사이에서 스위칭될 수 있다.
일부 실시예에서, 러빙된 폴리머 또는 선형 광중합성 폴리머(LPP)가 정렬 표면(115)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 또는 소정 램프를 포함하는 임의의 협대역 광원(때때로, UV 파장 범위)이 광 정렬 표면(115) 상에 공간적으로 균일한 방위각 및 경사각 경계 조건을 갖는 정렬 상태를 노광 또는 형성하기 위해 사용될 수 있다. 노광 이후, 제1 및 제2 광학 층(101, 102)은 스핀 코팅에 의해 정렬 표면(115) 상에 증착될 수 있다. 제1 층(101)은 소량(~0.3%)의 카이럴 도핑제(CB15(Merck Ltd. 우측 핸디드니스)와 RMS03-001C(Merck Ltd. 589 nm에서 △n~0.16)로 구성된 혼합물일 수 있다. 제2 층(102)은 제1 층(101)의 상단에 직접적으로 증착될 수 있으며, 다른 두께, 트위스트 방향 및/또는 트위스트 각도의 소량(~0.3%)의 다른 카이럴 도핑제(ZLI-811(Merck Ltd. 좌측 핸디드니스)로 도핑된 RMS03-001C로 구성될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 러빙된 폴리머(예를 들어, 폴리이미드 또는 PVA), 신장 폴리머 필름, 편광기로서 작용하는 정렬된 분자, 기존 액정 층(예를 들어, 콜레스테릭 액정) 및/또는 기판 자체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 다른 정렬 표면이 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 수치 해석 방법(Berrenman 4 x 4 전달 매트릭스 방법)을 사용하여 시뮬레이션되었고, 그후, 이론적 방정식 및 경험적 테스트를 사용하여 분석되었다. 간결성을 위해, 본 발명의 실시예의 기능적 원리를 설명하기 위해 상술한 모든 것을 참조한다.
본 명세서의 설명된 광학 필름 또는 다른 복굴절 요소의 배열이 편광 변환기로서 기능하기 때문에, 그 광학적 거동을 관찰하기 위한 다양한 방식이 존재하며, 그 중 일부는 변환의 유형에 의존할 수 있다. 예로서, 지연(△nd: 길이 단위)은 복굴절 층으로부터 출력된 편광된 광의 두 개의 직교 성분 사이의 상대적 위상차를 설명한다. 지연율(△nd/λ: 웨이브 단위)이라 지칭되는 유사하지만 정규화된 양이 광범위한 파장에 걸친 분석을 위해 사용될 수 있다. 추가적으로, 일부 경우에, 특수한 양이 분석을 위해 사용될 수 있다. 이런 특수한 양은 원형 편광 광을 출력하기 위해 입력된 선형 편광 광을 변환하는 양의 척도인 편심율(e=tan((asin-1(-S3)/2) 같이, Stokes 파라미터 중 하나나 그와 함께 계산되는 일부 함수를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 예 및 실시예에 대하여, 파장에 대한 소정 의존성을 갖는(즉, 색 분산) 실제 복굴절(△n(λ)=0.128+8340/λ2, 여기서 파장은 nm 단위)이 추정될 수 있다. 이 특정 복굴절 분산은 액정 폴리머 RMS03-001C(Nerck Ktd)에 대응한다. 예가 특정 재료 및 그 특성에 관하여 본 명세서에서 설명되지만, 본 발명의 실시예는 이런 특정 재료에 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 2a 및 도 2b는 출력(S3) 파라미터 및 편평율을 도 1에 예시된 다중 층 트위스트 지연 배열(100)에 대하여 각각 예시하는 그래프이다. 특히, 도 2a 및 도 2b는 대표적 경우로서 수평 선형 편광 입력 광(즉, S1 = 1)에 대한 광대역 1/4 파장 지연(즉, 목표 S3 = +1.0)을 제공하는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 디자인을 명시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 트위스트 층(101, 102)이 사용되며, 표 1(이하)에 나열된 각도와 두께 값을 가지고, 본 명세서에서 실시예 1a 및 1b라 지칭된다. 도 2a 및 도 2b에서 실시예 1a(실선) 및 실시예 1b(점선)를 위해 도시된 출력 편평율 및 S3 파라미터는 양자 모두 실질적으로 더 넓은 파장 또는 파장 범위에 걸쳐 목표 또는 원하는 S3 = +1.0에 더 근접하다. 편평율은 이를 더 더욱 부각시킨다: 실시예 1a(실선)는 0.9보다 큰 편평율의 더 넓은 대역폭을 가지며, 실시예 1b(점선)는 스펙트럼의 중심에서 더 넓은 영역에 걸쳐 더 높은 편평율(>0.95)을 갖는다.
상술한 실시예에 따른 광학 필름은 상업적 액정 및 정렬 재료를 사용하여 실험적으로 제조되었고, 도 3에 결과가 도시되어 있다. 카이럴 농도 및 스핀 코팅기 프로세싱 조건은 미소하게 변한다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 세 개의 서로 다른 샘플 광학 필름(300a, 300b, 300c)에 대해 측정된 편평율이 도 4에 예시되어 있으며, 곡선은 실시예 1의 배열과 일치하는 광대역 편평율을 도시한다. 추가적으로, 도 4a 내지 도 4c는 상업적 광대역 1/4 파장 기준 필름 "AQW2" 필름(판매자 ColorLink Japan Ltd)에 비교한 다양한 편광기 배열 사이의 세 개의 샘플 필름(300a, 300b, 300c)을 예시한다. 특히, 도 4a는 평행한 편광기 사이의 세 개의 필름(300a, 300b, 300c)을 도시하고, 도 4b는 45도의 각으로 배열된 편광기 사이의 세 개의 필름(300a, 300b, 300c)을 도시하고, 도 4c는 교차된 편광기(90도 각도로 배열됨) 사이의 세 개의 필름(300a, 300b, 300c)을 도시한다. 평행(또 4a) 및 교차된(도 4c) 경우를 위한 모습은 거의 동일하며, 결과물의 품질을 부각시킨다.
도 5b 및 도 5c는 본 명세서에서 실시예 2라 지칭되고 도 5a에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 세 개의 적층된 복굴절 층(501, 502, 503)을 포함하는 광학 지연 배열(500)을 위한 출력 S3 파라미터와 편심율을 각각 예시하는 그래프이다. 실시예 2는 실시예 1보다 매우 더 넓은 광대역 1/4 파장 지연을 달성하는 다층 트위스트 지연기(500)를 제공한다. 특히, 세 개의 트위스트 층(501, 502, 503)이 표 1에 도시된 바와 같은 트위스트 각도(φ1, φ2, φ3) 및 두께(d1, d2, d3)를 갖는 상태로 정렬 표면(515) 상에 형성된다. 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 실시예 2(실선)는 +1에 근접한 출력 Stokes 파라미터(S3)와 e>0.95의 편심율을 전체 400 내지 800 nm 범위에 대해 나타내고 있으며, 이는 예 1(일점 쇄선) 및 예 2(이점 쇄선)에 비해 현저한 개선을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 각각 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 실시예 1 또는 2 각각에 따라 형성된 광대역 1/4 파장 지연기와 선형 편광기(695)의 조합에 의해 형성된 원형 편광기를 제공할 수 있다. 특히, 도 6a는 선형 편광기(695) 상의 정렬 표면(615) 상에 적층된 두 개의 복굴절 층(601, 602)을 포함하는 배열(600a)을 예시하고, 여기서, 각 층(601, 602)은 다른 두께(d1, d2)와 대향한 트위스트 방향을 갖는 트위스트 각도(φ1, φ2)를 구비한다. 유사하게, 도 6b는 선형 편광기(695) 상의 정렬 표면(615) 상에 적층된 세 개의 복굴절 층(601, 602, 603)을 포함하는 배열(600b)을 예시하며, 여기서, 층(601)은 층(602, 603)의 두께(d2, d3)와는 다른 두께(d1)를 가지며, 층(601, 603)은 층(602)의 트위스트 각도(φ2)의 방향에 대향한 동일 트위스트 방향을 갖는 트위스트 각도(φ1, φ3)를 갖는다. 그러나, 정렬 표면(615)은 광학 층의 제조 이후 제거될 수 있으며 및/또는 일부 실시예에서 접착제를 사용하여 편광기(695) 상에 광학 층을 적층하기 위해 사용될 수 있다.
광학 저장 장치 같은 일부 경우에, 다양한 파장을 갖는 다수의 레이저가 사용되고, 따라서, 단지 이들 파장에서 또는 그 부근에서만 편광 변환을 지정 또는 요구할 수 있다. 예로서, 통합 BR/DVD/CD 플레이어의 광학 경로는 405 nm(BR), 650 nm(DVD) 및 780 nm(CD) 부근에서 1.0에 근접한 편심율을 요구할 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 실시예 3으로서 본 명세서에 지칭되는 두 개의 적층된 광학 층을 포함하는 다른 다층 트위스트 지연 배열을 위한 출력 S3 파라미터와 편심율(e)을 각각 예시하는 그래프이다. 실시예 3에서, 두 개의 적층된 트위스트 층은 표 1에 도시된 서로 다른 트위스트 각도 및 두께를 가지며, 이들 파장 대역 각각에 대해 0.9에 근접한 편평율을 달성한다. 특히, 도 8b는 실시예 3의 배열의 편평율(실선)이 405 nm, 650 nm 및 780 nm에서 0.9에 근접하다는 것을 예시한다. 본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 유사하게, 실시예 3이 자체 정렬 층을 갖는 단일 기판 상에 형성되기 때문에, 제조 복잡성(그리고, 이에 따른, 비용)이 일부 현용의 제품에 비해 현저히 감소될 수 있다.
Figure 112014039003183-pct00001
본 명세서에 설명된 실시예 3에 따른 광학 필름이 또한 상업적 액정 및 정렬 재료를 사용하여 실험적으로 제조되었으며, 결과가 도 8에 도시되어 있다. 카이럴 농도 및 스핀 코터 처리 조건은 미소하게 변했다. 특히, 다수의 샘플(800a, 800b)을 위한 측정된 편심율이 도 8에 도시되어 있으며, 여기서, 곡선은 실시예 3과 일치하는 BR/DVD/CD 장치를 위한 레이저 파장 부근에서 0.9에 근접한 편평율을 나타낸다.
비록, 층의 수, 두께 및 트위스트 각도의 특정 조합을 참조로 상술하였지만, 이들 파라미터 중 하나 이상은 원하는 결과를 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따라 변할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 비록, 1/4 파장 지연을 참조로 상술하였지만, 일부 실시예는 광대역 반파장 지연 또는 파장에 관해 비교적 일정한 다른 지연을 제공하도록 구성된 두 개의 트위스트 층을 포함하는 다층 트위스트 지연 배열을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 예로서, 층의 수, 트위스트 각도 및/또는 각 층의 두께를 변화시킴으로써 넓은 시야를 위해 광대역 지연율을 제공하도록 구성된 두 개 또는 세 개의 트위스트 층을 포함하는 다층 트위스트 지연 배열을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 일부 실시예는 개선된 광대역 특성에 추가로, 개선된 시야각 특성을 제공하도록 설계될 수 있다. 예로서, 광학 조립체는 선형 편광기, 1/4 파장 다층 트위스트 지연기 및 거울을 포함할 수 있으며, 광은 다수의 극 및 방위각으로 입사된다. 이 조립체는 실질적으로 거울과 조합된 원형 편광기를 제공하며, 다른 용도 중에서 OLED 표시 장치를 위한 개선된 대비율을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 선형 편광기는 입사 광을 선형 편광(예로서, 수평 선형 편광)으로 변환하고, 1/4 파장 지연기는 선형 편광을 일 핸디드니스(예로서, 우측)의 원형 편광으로 변환하고, 거울은 원형 편광을 반사하고 또한 그 핸디드니스를 반전(예로서, 좌측)시키며, 이는 그후 1/4 파장 지연기를 통해 역방향 통과하여 선형 편광되고(예로서, 수직 선형 편광), 이는 그후 편광기에 의해 흡수된다.
이런 조립체는 지연기가 1/4 파장 지연을 제공할 때 입사 비편광 광을 반사하지 않고(즉, 검게 나타나고), 지연기 1/4 파장이 아닐 때(예를 들어, 지연기가 1/4 파장 지연 이외의 지연, 예로서, 반파장 지연을 제공할 때) 회색 또는 유색으로 나타난다. 또한, 1/4 파장 지연 상태가 법선 방향(즉, 0° 극 각도)을 따라 충족될 때에도, 더 큰 각도(즉, 30° 이상)에서 더 많은 광 누설이 발생할 수 있다. 이의 두 비교예가 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있으며, 여기서, 도 11a는 협대역 웨이브 판의 반사율 특성을 예시하고, 도 11b는 3개 층 비트위스트 광대역 웨이브 판의 반사율 특성을 예시하며, 이들은 도 2a 및 도 2b를 참조로 각각 상술한 예 1 및 예 2의 1/4 파장 지연기와 유사하다. 도 11c에 도시되고 본 명세서에서 예 3으로 지칭되는 제3 비교예는 1/4 파장 지연기가 단일 트위스트 층(예로서, 미국 특허 제7,187,424호에 설명된 유형)인 경우의 반사율 특성을 예시한다. 각 배열의 층을 위한 특정 특성은 기호표에 나타나 있다. 모든 3개 비교 예에서, 일부 파장 및 일부 각도에서 현저한 광 누설이 존재한다.
다층 트위스트 지연 배열이 관찰각 특성을 개선시킬 수 있다는 것을 예시하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 디자인의 결과가 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있다. 도 12a에 도시된 그래프는 상술한 표 1에 예시된 특정 세부사항을 갖는, 실시예 4a라 본 명세서에서 지칭되는 두 개의 트위스트 층을 구비한 MTR의 반사율 특성을 예시한다. 도 12b에 도시된 그래프는 상술한 표 1에 예시된 특정 세부사항을 갖는, 실시예 4b라 본 명세서에서 지칭되는 3개 트위스트 층을 구비한 MTR의 반사율 특성을 예시한다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 실시예 4a 및 4b 양자 모두에 대하여, 반사율은 거의 모든 파장 및 각도에 대해 도 11a 내지 도 11c의 비교예에 비해 감소된다.
상술된 본 발명의 실시예에 따라 형성된 패턴화된 광대역 지연기는 또한 다수의 불연속 도메인을 제공하도록 동일 평면이나 나란한 방식으로 배열될 수도 있다. 특히, 정렬 표면은 다수(즉, 둘 이상)의 불연속 도메인으로 패턴화될 수 있으며, 방위각(φ0)은 각 도메인에서 일정하지만 도메인간에는 서로 다르고, 도메인의 모든 측방향 치수는 회절을 피하기 위해 광의 파장(그리고, 복굴절 층의 두께)보다 매우 크다(>100λ).
도 9a는 실질적으로 균일한, 그러나, 각각 정렬 상태가 다른 두 개의 인접한 도메인 또는 영역(915a, 915b)을 포함하는 정렬 표면(915) 상의 두 개의 층(901, 902)을 포함하는 다층 트위스트 지연 배열(900)을 예시한다. 제1 층(901)이 패턴화된 다중 도메인 정렬 표면(915) 상에 형성될 때, 제1 층(901)의 분자는 정렬되고 각 도메인(915a, 915b)의 방위각(φ0a, φ0b)에 따라 균일하게 배향되며, 제2 층(902)은 제1 층(901)에 의해 정렬된다. 후속 추가 층(미도시)이 또한 형성되고 아래의 층에 의해 정렬될 수 있다. 또한, 하나 이상의 추가 및/또는 교번 도메인/영역이 제2 도메인/영역(915b)에 인접하게 정렬 표면(915)에 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 공간적 변동, 예를 들어, 선형 편광 광을 수용하고, 이를 각 도메인이 서로 다른 핸디드니스를 갖는 원형 편광 광으로 변환하거나 그 반대인 1/4 파장 지연을 갖는 편광 변환을 제공할 수 있다. 이런 패턴화된 지연기는 3D LCD, 편광 이미징 카메라 및 편광 변환 시스템(PCS)을 포함하는 다른 광학 시스템에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 실시예는 또한 아래의 실험적 결과에 나타난 바와 같이, 1D 루버로서 사용될 수 있으며, 또한, 정렬 표면이 도메인 내에서 균일하게 배향을 제공하는 2D 그리드 패턴일 수도 있다.
도 9a의 실시예에 따른 광학 필름이 또한 상업적 액정 및 정렬 재료를 사용하여 실험적으로 제조되었으며, 결과가 도 9b의 사진에 도시되어 있다. 먼저, 정렬 표면(915)(여기서, 광 정렬 폴리머)은 크롬 마스크를 통해 편광 광 포토리소그래피를 사용하여 패턴화되고, 크롬 마스크는 각각 공간적으로 균일한 정렬 상태를 갖는 다수의 인접한 영역 또는 도메인(915a, 915b)을 형성하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 공간적으로 균일한 정렬 또는 경계 조건은 각 도메인(915a, 915b) 내에서 균일한 것으로 이해되며, 회절을 피하기 위해 파장보다 매우 큰 치수를 갖는다. 정렬 표면(915)은 그후 도 1 및/또는 실시예 1을 참조로 상술한 것과 유사한 방식으로 액정 재료로 코팅되었다. 도 9b의 사진은 그 사이에 선명한 경계(9)를 갖는 상태로 두 개의 도메인(1, 2)이 생성된 샘플을 도시하며, 양 도메인(1, 2)은 광대역 1/4 파장 특성을 갖지만, 도메인 1의 유효 광축(그리고, 표면 방위각(φ0a)은 도메인 2의 유효 광축(그리고, 표면 방위각(φ0b))과 직교한다.
상술한 본 발명의 실시예에 따라 형성된 패턴화된 광대역 지연기는 연속적으로 변하는 광축을 제공할 수 있다. 특히, 정렬 표면은 방위각(φ0)이 하나 이상의 횡단 치수(예로서, 정렬 표면의 평면에 의해 규정되는 바와 같이 x-방향 또는 y-방향만 또는 x 및 y 방향 양자 모두)에서 정렬 표면 위에서 연속적으로 변한다.
특히, 도 10a는 기판(1010)상의 정렬 표면(1015) 상에 적층된 두 개의 복굴절 층(1001, 1002)을 포함하는 다층 트위스트 지연기 배열(1000a)을 예시한다. 정렬 표면(1015)은 연속적으로 변하는 정렬 상태를 포함하고, 각 층(1001, 1002)은 동일하거나 서로 다른 두께(d1, d2) 및 동일하거나 대향한 트위스트 방향을 갖는 각각의 트위스트 각도(φ1, φ2)를 갖는다. 일부 실시예에서, 정렬 패턴 및 상태는 방위각(φ0(x) 또는 φ0(x,y)에 의해 제어되고, 각 층(1001, 1002) 내의 트위스트(φ1, φ2)는 각 두께(d1, d2) 내에서 동일할 수 있다. 유사하게, 도 10b는 연속적으로 변하는 정렬 상태를 포함하는 정렬 표면(1015) 상에 적층된 세 개의 복굴절 층(1001, 1002, 1003)을 포함하는 배열(1000b)을 예시하며, 여기서, 층(1001, 1002, 1003) 중 하나 이상은 동일하거나 서로 다른 두께(d1, d2, d3)를 가지고, 층(1001, 1002, 1003)은 동일하거나 대향한 트위스트 방향을 갖는 각각의 트위스트 각도(φ1, φ2, φ3)를 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예는 하나 이상의 차원에서 연속적 공간적 변화를 갖는 편광 변환을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 편광 변환 요소의 특정 비제한적 예가 더 상세히 추가로 후술되어 있다. 특히, 본 발명의 일부 실시예는 멀티 트위스트 지연기(MTR)로서 본 명세서에서 지칭되는 단일 정렬 층 및 기판 상의 다중 트위스트 LC 층을 사용하여 광대역 지연기를 제공한다. 각 MTR에서, 후속 LC 층은 이전 LC 층에 의해 직접적으로 정렬되어 덜 복잡한 제조로 제조될 수 있는 단일체형 필름을 초래하고, 거의 임의적 대역폭 및 형상을 위한 지연 제어가 가능하다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예는 명확하게 하나의 가능한 트위스트 층으로서 0 트위스트 각도(즉, 균질 층)를 가능하게 한다. 달리 말하면, 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR은 둘 이상의 자체 정렬 층을 포함하고, 여기서, 두 개의 층 중 적어도 하나는 비제로 트위스트를 갖는다.
MTR에 의해 제공된 자유도는 일부 전통적 접근법에 비해 편광 변환 성능을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 MTR의 추가적 특징은 이들이 루버형 웨이브 판, 벡터 볼텍스 판 및/또는 광대역 편광 격자를 포함하는 패턴화된 기판 상에 더욱 쉽게 적용된다는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 MTR이 적어도 두 개의 복굴절 층을 포함하기 때문에, 폴리머 네트워크로 형성될 수 있는 LC(예를 들어, "중합가능한" LC)가 사용될 수 있다. 반응성 메소겐이라고도 지칭되는 LC 폴리머(LCP)는 초기에 저 분자량 LC이며, 이는 표면(그리고, 고유 카일럴리티)에 의해 복합 프로파일로 정렬될 수 있고, 그후, 광 중합에 의해 고체 폴리머 필름으로 경화되어 "중합된" LC 층을 초래할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 MTR의 한 가지 특징은 이전 층으로부터 후속 층으로의 전파식 정렬-자동-복제 정렬이다. 달리 말하면, 본 명세서에 설명된 제조 프로세스에 따라 형성된 MTR은 그 위에 이것이 형성되는 이전 층이 잘 정돈되고 중합되어 있다면 후속 층의 자발적 정렬을 가능하게 할 수 있다. 거의 임의의 LCP가 본 명세서에 설명된 MTR을 위해 사용될 수 있지만, 일부 실시예는 RMS10-025(Merck Chemicals Inc.)를 참조로 설명되며, 이는 △nd(λ) = 0.128+8390/λ2의 보고된 복굴절을 갖는다. 이 실제 세계 복굴절 분산은 본 명세서에 설명된 시뮬레이션을 위해 가정된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 MTR(1300)의 단위 셀은 둘 이상의 복굴절 층(1301, 1302,..., 130m)을 포함하며, 층(1301, 1302,..., 130m) 중 적어도 일부는 다른 트위스트 각도(φ1, φ2,..., φm) 및/또는 다른 두께(d1, d2,..., dm)를 갖는다. 층(1301, 1302,..., 1300m) 각각의 분자 배향은 아래의 층에 의해 형성되며, 그래서, 층(1301, 1302,..., 130M) 각각의 각 분자 배향은 그 사이의 각 계면에서 정렬된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 다른 트위스트 각도(φ1, φ2,..., φm)는 방향/트위스트 방향(예를 들어, 부호가 양/음)의 편차 및/또는 크기의 편차를 지칭할 수 있다. 다수의 트위스트의 전체 효과는 전달 매트릭스 기술을 사용하여 계산될 수 있다. 주어진 재료에 대하여, M 총 층을 갖는 MTR(1300)은 2M+1 파라미터를 가지며, 각 층(m)은 그 자체의 트위스트(φm) 및 두께(dm) 더하기 기판(1310) 상의 정렬 층(1315)에 의해 설정되는 제1 트위스트 층의 개시 각도(φ0)를 갖는다. 이들 제약을 사용하여, 임의의 특정 층의 Mueller 매트릭스(Tm)는 아래와 같이 기재될 수 있다.
Figure 112014039003183-pct00002
(1)
여기서,
Figure 112014039003183-pct00003
(2)
Figure 112014039003183-pct00004
(3)
Figure 112014039003183-pct00005
(4)
Figure 112014039003183-pct00006
(5)
상술한 바에서, 각 층은 정규화된 지연
Figure 112014039003183-pct00007
, 파라미터
Figure 112014039003183-pct00008
및 편향 평균
Figure 112014039003183-pct00009
을 갖는다. 함수
Figure 112014039003183-pct00010
. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 광축은 LC 네마틱 디렉터에 평행하고, 양의 △n 재료에 대하여, 이는 느린 축이다. 따라서, 전체 MTR의 Mueller 매트릭스는 다음과 같고,
Figure 112014039003183-pct00011
(6)
출력 편광은
Figure 112014039003183-pct00012
로서 정립되며, 여기서, S0(λ) 및 Si(λ)는 각각 각 파장을 위한 입력 편광 광 및 출력 편광 광을 위한 Stokes 벡터이다.
Figure 112014039003183-pct00013
는 몇몇 접근법을 사용하여 측정될 수 있다. MTR이 단축 복굴절의 비균질 프로파일을 가질 수 있기 때문에, 이들은 일반적으로 전체가 단축적이지도 쌍축적이지도 않다. 그럼에도 불구하고, 유효 지연 및 광축 방향은 동일 입력 편광에 대해, 표준 균질 지연기로부터 예상되는 것에 대해 Stokes 출력을 비교함으로써 전체 구조에 대해 계산될 수 있다.
MTR을 설계하는 것은 통상적으로 2M+1 파라미터를 선택하는 것을 수반한다. 원론적으로 이는 매트릭스(TMTR)를 사용하여 직접적으로 이루어질 수 있다. 일반적 편광 변환 문제가 N 특정 디자인 파장을 위한 공지된 입력과 원하는 출력 편광의 세트를 포함하는 경우, 이때, 이들이 존재할 때 가능한 정확한 MTR 해를 발견하기 위해 수학식 (6)으로부터 발생하는 방정식의 시스템을 푸는 것이 가능하다. 높은 레벨에서, 한가지 디자인 프로세스는 다음과 같다: 비용 함수(f)의 구성 및 그 글로벌(그리고, 때대로, 국지적) 최소치에 대한 검색. 이 비용 함수는 특정 해(공지된 입력(Si(λ))이 제공되면)의 목표(St(λ)) 및 출력(So(λ)) 편광 스펙트럼의 함수일 수 있거나,
Figure 112014039003183-pct00014
의 성분 중 하나의 함수일 수 있다. 예는
Figure 112014039003183-pct00015
및
Figure 112014039003183-pct00016
를 포함한다. 종종,
Figure 112014039003183-pct00017
같이 검색이 더 신속하게 수렴하도록 매우 더 비선형적인 비용 함수를 적용하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서,
Figure 112014039003183-pct00018
는 편평율이다. f는 또한 다른 제약, 예를 들어, 제조 선호도나 제한을 포함하도록 설정될 수 있다.
d 및 φ를 위한 보수적 범위 내에서도, 이 계산은 수십의 국지적 최소치를 초래할 수 있고, 이들 중 다수는 대략 동일한 f 결과를 갖는 등가 글로벌 최소치이다. 이 불충분한 상황에서, 편리한 해가 등급화 및 선택될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는 1/4 및 반파장 위상 지연기를 위해 개선된 또는 최적의 디자인을 추가로 제공한다. 단순성 및 명료성을 위해, 이들 실시예는 광의 가시광 파장에 관하여 설명되지만, 본 발명의 실시예의 기능성은 가시 파장에 한정되지 않고 마찬가지로 적외선 및/또는 자외선 파장에 걸쳐 동작할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 일부 실시예에서, 다양한 파장 범위를 위한 디자인이 트위스트 각도를 변경하지 않고 개별 층의 두께를 스케일링함으로써 얻어질 수 있다.
1/4 파장(QW) 지연기는 입력 광을 선형(예를 들어, Si=(1, 1, 0, 0)T) 및 원형(예를 들어, St = (1, 0, 0, 1)T) 편광으로/로부터 입력 광을 변환한다. 따라서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 정확히 특정 파장에 대해 또는 거의 주어진 대역폭에 대해 TMTR[2, 2] = 0, TMTR[3, 2] = 0 및 TMTR[4, 2] = 1이다. 후술된 예는 두 가지 경우를 포함한다: 약 200 nm의 대역폭 범위에 걸쳐(예로서, 450 내지 650 nm) M=2인 무색성 QW MTR 및 약 400 nm의 대역폭에 걸쳐(예로서, 400 내지 800 nm) M=3 층을 갖는 슈퍼-무색성 QW MTR. 편의상, 이들 디자인은 각각 2TR 및 3TR 디자인이라 지칭되며, 표 2에 요약되어 있다.
Figure 112014039003183-pct00019
도 14a는 본 발명의 일부 실시예에 따라서 2층 MTR 디자인(1400)을 예시한다. 다수의 2TR 무색성 QW 디자인이 가능할 수 있지만, 도 14에 도시된 단면은 대체로 이런 디자인을 위해 변형될 수 있는 파라미터를 예시한다. 특히, MTR(1400)은 각각 다른 트위스트(φ1 및 φ2)만큼 및/또는 다른 두께(d1, d2)에 걸쳐 회전되는 분자 배향을 갖는 제1 및 제2 복굴절 층(1401, 1402)을 포함하며, 여기서, 제1 층(1401)의 각각의 분자 배향은 기판(1410) 상의 정렬 표면(1415)에서 실질적으로 균일한 정렬 상태(개시 각도(φ0)를 제공함)에 의해 달성되며, 제2 층(1402)의 각각의 분자 배향은 그 위에 제1 층(1401)의 표면에 제공된 실질적으로 균일한 분자 배향에 의해 형성된다. 한가지 특정 해가 도 21a 내지 도 21b를 참조로 후술된다. 그럼에도 불구하고, 이 해 및 다른 해는 약 450 내지 650 nm의 대역폭 내에서 비용 함수
Figure 112014039003183-pct00020
의 수치적 최적화를 사용하여 발견될 수 있다.
표 2에 도시된 일 예시적 실시예(2TR QW-A)에서, 제1 층(1401)은 약 0도의 트위스트 각도를 가질 수 있으며(예를 들어, "제로 트위스트" 층), 제2 층(1402)은 비제로 트위스트 각도를 가질 수 있다(예를 들어, "비제로 트위스트" 층). 표 2에 도시된 바와 같은 다른 예시적 실시예(2TR QW-B 및 2TR QW-C)는 각각 동일 및 대향한 카이럴 핸디드니스를 갖는 두 개의 비제로 트위스트 층을 포함하고, 한다. 2TR QW-B 및 2TR QW-C 배열은 일부 양태에서 각각 실시예 1a 및 1b의 배열과 유사할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 선형(수평) 입력 편광을 위한 2TR QW 디자인의 출력이 도 16a 내지 도 16d에 2TR QW-A(실선), 2TR QW-B(점선) 및 2TR QW-C(일점 쇄선)를 위해 도시되어 있다. 특히, 도 16a는 출력 Stokes 성분(S3)이 450 nm 내지 650 nm 파장 범위에 걸쳐 1과 대략 동일하다는 것을 예시한다. 마찬가지로, 450 nm 내지 650 nm 파장 범위에 걸쳐, 도 16b는 일부 실시예에 따른 2TR MTR이 약 90°의 유효 순 지연을 제공한다는 것을 예시하며, 도 16c는 MTR로부터 출력된 광의 편평율(e)이 약 0.95 내지 약 1이라는 것을 예시한다. 도 16d는 광축이 450 nm 내지 650 nm 파장 범위에 걸쳐 대략 45도의 각도로 배향된다는 것을 예시한다. 또한, 1.75 내지 0.88㎛의 두께를 가지고 그 광축이 각각 15도와 74도로 배향되어 있는 두 개의 균질 판을 포함하는 전형적 무색성 QW 디자인으로부터의 비교 결과가 도시되어 있다(점선). 도 16a 내지 도 16d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR에 의해 제공되는 출력 Stokes 성분(S3), 순 지연, 출력 편평율(e) 및 유효 광축 배향 각도는 전형적 QW 디자인에 의해 제공되는 것과 실질적으로 유사하다.
도 14b는 Poincare 구체 상의 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR에 의해 제공되는 출력 Stokes 성분(S1, S2, S3)을 예시한다. Poincare 구체는 2TR QW가 기능하는 방식을 설명하는 것을 돕는다. 특히, 도 14b는 450 nm 내지 650 nm 스펙트럼을 가로질러 2TR QW-A의 두께를 통한 편광 전개를 보여준다. 2TR QW 디자인(1400)의 제1 층(1401)은 입력 선형 편광을 비자명 타원 편광으로 변환하며, 이는 그후, 제2 층(1402)에 의해 타겟 원형 편광으로 변환된다. 이는 그 제1 층이 적도까지, 그리고, 그후, 그곳으로부터 극까지 편광을 취하는, 도 16a 내지 도 16d의 비교를 통해 도시된 전형적 디자인에 의해 취해지는 경로와는 다르다. 이 때문에, 일부 종래의 접근법과는 대조적으로, MTR(1400)에 의해 제공되는 추가적 자유도는 더 많이 가능한 편광 궤적에 대한 액세스를 가능하게 하고, 그에 의해, 최종 편광 스펙트럼 분포를 조율하는 데 더 많은 유연성을 제공한다.
QW 지연기를 위한 실제 대역폭은 중심 파장으로 나누어진, 그 S3 ≥ 0.995 및 등가 e ≥ 0.9인 근사 파장으로서 규정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 일부 2TR QW 디자인은 대략 37%의 대역폭을 가질 수 있다. 이는 다수의 용례에 유용하지만, 도 15a에 도시된 바와 같이, 추가적 층을 추가함으로써 실질적으로 더 넓은 대역폭이 제공될 수 있다.
도 15a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 3 층 MTR 디자인(1500)을 예시한다. 도 15a는 도 14a의 2TR 무색성 QW 디자인보다 더 넓은 동작 대역폭을 갖는 다수의 3TR 슈퍼 무색성 QW 디자인에 대해 변할 수 있는 파라미터를 포함하는 단면을 일반적으로 예시한다. 동일한 수치 최적화 접근법 및 f가 도 14a의 실시예에서와 같이, 그러나, 400 내지 800 nm의 증가된 파장 범위에 걸쳐 사용된다. 특히, MTR(1500)은 각각 다른 트위스트(φ1, φ2, φ3)만큼 및/또는 다른 두께(d1, d2, d3)에 걸쳐 회전되는 분자 배향을 갖는 제1, 제2 및 제3 복굴절 층(1501, 1502, 1503)을 포함하며, 여기서, 제1 층(1501)의 각각의 분자 배향은 실질적으로 균일한 정렬 상태에 의해 형성됨으로써 기판(1510) 상의 정렬 표면(1515)의 개시 각도(φ0)를 제공하고, 제2 층(1502)의 각각의 분자 배향은 그 위에 제1 층(1501)의 표면에서 제공되는 실질적으로 균일한 분자 배향에 의해 형성되며, 제3 층(1503)의 각각의 분자 배향은 그 위의 제2 층(1502)의 표면에 제공된 실질적으로 균일한 분자 배향에 의해 형성된다.
표 2에 도시된 일 예시적 실시예(3TR QW-A)에서, 제1 층(1501)은 제로 트위스트를 가질 수 있으며, 다른 두 개의 층(1502, 1503)은 임의의 비제로 트위스트를 가질 수 있다. 다른 실시예(3TR QW-B)에서, 제로 트위스트 규제가 제거된다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 일부 3TR QW 디자인의 출력은 3TR QW-A(실선) 및 3TR QW-B(일점 쇄선)를 위해 도 17a 내지 도 17d에 도시되어 있으며, 2TR 디자인과 다수 유사하지만, 더 넓은 대역폭을 갖는다. 특히, 도 17a는 400 nm 내지 800 nm 파장 범위에 걸쳐 출력 Stokes 성분(S3)이 대략 1과 동일하다는 것을 예시한다. 유사하게, 400 nm 내지 800 nm 파장 범위에 걸쳐, 도 17b는 일부 실시예에 따른 2TR MTR이 약 90°의 유효 순 지연을 제공한다는 것을 예시하지만, 도 17c는 MTR로부터 출력된 광의 편평율(e)이 약 0.94 내지 약 1이라는 것을 예시한다. 도 17d는 광축이 400 nm 내지 800 nm 파장 범위에 걸쳐 약 45도의 각도로 배향된다는 것을 예시한다. 또한, 각각 1.6, 1.6 및 0.8㎛의 두께와 7°, 27°및 65°로 배향된 그 광축을 갖는 세 개의 균질 판을 포함하는 전형적 슈퍼 무색성 QW 디자인으로부터의 비교 결과가 도시되어 있다(점선). 도 17a 내지 도 17d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR에 의해 제공되는 출력 Stokes 성분(S3), 순 지연, 출력 편평율(e) 및 유효 광축 배향 각도는 전형적 슈퍼 무색성 QW 디자인에 의해 제공되는 것과 실질적으로 유사하다.
도 15b는 Poincare 구체 상의 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR에 의해 제공되는 출력 Stokes 성분(S1, S2, S3)을 예시한다. 특히, 도 15b는 425 내지 775 nm 스펙트럼에 걸쳐 3TR QW-A의 두께를 통한 Poincare sphere 상의 편광 전개를 도시한다. 3TR QW 디자인의 제1 층(1501)은 입력 선형 편광 부근에서 편광을 온건하게 전개(fan out)한다. 이들 편광은 그후 제2 층(1502)에 의해 반구체를 가로질러 변환되고, 최종적으로 제3 층(1503)에 의해 폴까지 취해진다. 이는 이들이 제3 균질 지연기의 분산과 정확하게 일치하도록 적도 주변에 분포되는, 제3 균질 지연기에 대해 45°로 정렬된 자오선을 따르는 3개 편광 상태로 수평 입력을 회전시키도록 제1 2개 균질 HW 지연기가 특정 각도로 정렬된다.
본 발명의 실시예에 따른 3TR QW 디자인은 도 14a에 도시된 2TR보다 두 배 큰 ~75%의 대역폭을 가질 수 있다. 이 때문에, 특정 이론에 구속될 필요 없이, 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 일부 실시예는 더 넓은 대역폭이 더 많은 복굴절 층을 추가함으로써 달성될 수 있다는 것을 예시한다.
본 발명의 실시예에 의해 제공되는 다른 편광 요소는 반파장(HW) 지연기이며, 이는 일 선형 편광으로/으로부터 다른(회전된) 선형 편광(lin-lin)으로 변환하며, 광학적 회전을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, HW 지연기는 원형 편광을 직교 원형(cir-cir) 편광으로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 이하에 설명된 예는 양 변환 모두를 달성하는 두 개의 HW MTR 디자인을 포함한다. 각각 450 내지 650 nm 및 400 내지 800 nm 대역폭을 위한 특정 2TR 및 3TR 디자인이 표 3에 도시되어 있다. 이하의 결과는 2- 및 3-TR HW 디자인의 대역폭이 상술한 유사한 QW MTR에 유사하다는 것을 보여준다(즉, 각각 무색성 2TR 및 슈퍼 무색성 3TR을 위해 37% 및 75%). 이 HW 경우에, 유사한 대역폭 정의는 중심 파장으로 나누어진
Figure 112014039003183-pct00021
인 파장 범위이다.
Figure 112014039003183-pct00022
단일 트위스트 LC 층은 적당한 대역폭에 걸쳐 선형 편광의 회전을 달성할 수 있지만, MTR은 비교적 더 작은 두께에서 더 넓은 대역폭을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 표 3에 도시된 lin-lin HW MTR(예를 들어, 2TR HW-A 및 3TR HW-A 디자인)에 대하여, 수평 선형 편광을 갖는 입력 광이 사용되며, 목표 출력 편광은 수직 선형으로서 설정된다(예를 들어, St = (1, -1, 0, 0)T).
본 발명의 일부 실시예에 따른 2- 및 3-MTR HW-A(lin-lin) 디자인의 출력이 2-TR QW-A(쇄선) 및 3TR QW-A(실선)를 위해 도 18a 및 도 18b에 도시되어 있다. 특히, 도 18a 및 도 18b는 출력 Stokes 성분(S1)은 대략 -1과 대략 동일하고, 유효 순 지연은 각각 대략 180°이다. 또한, 1.77㎛의 두께와 22.5°및 67.5°(점선)에서 광축 양자 모두를 갖는 두 개의 균질 판을 포함하는 무색성 HW 디자인 및 각각 19°, 93° 및 48°의 광축 및 3.2, 1.6 및 1.6㎛의 두께를 갖는 세 개의 균질 판을 포함하는 디자인(일점 쇄선)으로부터의 비교 결과가 도시되어 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 2TR HW-A 및 3TR HW-A 디자인은 lin-lin 변환을 위한 무색성 및 슈퍼-무색성 HW 거동을 달성할 수 있다.
또한, 단일 트위스트 LC 층이 원형 편광 광을 위한 HW 지연기를 모사하지 않는다는 사실에도 불구하고 본 발명의 실시예에 따른 MTR은 cir-cir HW 변환을 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 표 3에 도시된 cir-cir HW MTR에 대하여(예를 들어, 2TR HW-B 및 3TR HW-B 디자인), 원형 편광을 갖는 입력 광(예를 들어, Si = (1, 0, 0, 1)T)이 사용되고, 목표 출력 편광은 입력 원형 편광에 직교하는 것으로서 설정된다(예를 들어, St = (1, 0, 0, -1)T). 본 발명의 일부 실시예에 따른 2- 및 3-MTR HW-B(cir-cir) 디자인의 출력은 2TR QW-B(쇄선) 및 3TR QW-B(실선)를 위해 도 18c 및 도 18d에 도시되어 있다. 특히, 도 18c 및 도 18d는 출력 Stokes 성분(S3)이 대략 -1이고, 유효 순 지연이 각각 대략 180°라는 것을 예시한다. 또한, 각각 16°, 59.3° 및 16°의 광축과 0.83, 1.66 및 0.83 ㎛의 두께를 갖는 세 개의 균질 판을 포함하는 무색성 디자인(점선들) 및 각각 19.7°, 74.1°및19.7°의 광축과 0.81, 3.22 및 0.81 ㎛의 두께를 갖는 세 개의 균질 판을 포함하는 다른 디자인(일점 쇄선들)의 비교 결과들이 도시되어 있으며, 이들 양자 모두는 2TR HW-B 및 3TR HW-B 디자인과 실질적으로 유사한 중첩을 갖는다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 2TR HW-B 및 3TR HW-B 디자인은 cir-cir 변환을 위해 무색성 및 슈퍼 무색성 HW 거동을 달성할 수 있다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR을 형성하기 위해 사용될 수 있는 예시적 제조 프로세스를 예시한다. 도 19a 내지 도 19d의 제조 프로세스는 우수한 광학 특성을 MTR에 제공하도록 표준 툴 및 재료를 사용할 수 있다. 도 19a 내지 도 19d에 도시된 바와 같이, MTR 제조는 적어도 세 개의 폴리머 층을 코팅하는 것을 수반한다. 특히, 도 19a에 도시된 바와 같이, 정렬 층(1915)은 기판(1910)에 적용된다. 도 19b에서, LCP(1901')의 층은 그 분자가 아래의 정렬 층(1915)의 정렬 상태에 정렬되도록 배향되게 정렬 층(1915) 상에 코팅된다. 도 19c에서, LCP 층(1901')은 예로서, (UV) 광중합(1990)에 의해 경화되어 LCP(1901)에 가교 결합 폴리머 네트워크를 형성한다. 도 19d에서, 하나 이상의 추가적 층 LCP(1902')는 층(1901) 상에 코팅되고, 경화되어 층(1902')의 분자는 전체 MTR(1900)이 완료될 때까지 그 각각의 개시 각도가 배향되도록 LCP 층(1901) 직전의 상단 표면에서 분자의 배향에 의해 정렬된다. 실제로, 도 19a 내지 도 19d의 제조 프로세스는 비교적 신속하고(예를 들어, 몇 분), 반복가능하고, 큰 영역들로 스케일링가능할 수 있다(예로서, 2 내지 6 in 직경 요소). 유리 단부캡이 또한 보호 및 반사방지 효과를 위해 노출된 LCP 최종 층(본 예에서, 층(1902)) 상에 적층될 수 있다.
특정 예에서, 광정렬 재료 LIA-C001(DIC Corp)이 정렬 층(1915)을 위해 사용되고, 기판(1910)을 위한 보로플로트 유리(PG&O) 상에 제공된다. 100℃에서 1분의 열판 베이크가 후속되는 1500 rpm 스핀 프로세스가 정렬 층(1915)을 증착하기 위해 사용되며, 이는 그후 UV LED 소스(0.5 J/cm2, 365 nm, Clearstone Technologies)에 노광되고, 선형 편광기는 정렬 층(1915)에 원하는 개시 각도(φ0)를 설정하도록 배열된다. 후속 LCP 층(1901, 1902)은 RMS10-025 상에 기반하고, 다양한 소량의 카이럴 보조제 CB-15 및 MLC-6247(Merck Chemicals Inc)로 도핑되며, 이는 각각 솔벤트 PGMEA(Fisher Scientific)와 함께 양 및 음 트위스트 방향을 갖는다. LCP 층(1901, 1902)은 건조 질소 환경 항에서 광 중합되며, 광 정렬 층(1915)을 위한 것과 동일한 비편광 UV 소스 및 플루엔스를 갖는다(그러나, 상술한 편광기가 없다). 다수의 혼합물이 표 5에 도시된 스핀 레시피를 사용하여 표 4에 나열된 바와 같이 형성된다.
Figure 112014039003183-pct00023
Figure 112014039003183-pct00024
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 정밀한 회전 스테이지(Thorlabs Ltd) 내에 장착된 선형 편광기(Edmund Optics Ltd)를 사용하는 측정 툴 및 고 품질 무색성 QW 지연기(AQW2, Colorlink Japan, Ltd)가 다른 기준 샘플과 함께 본 발명의 실시예에 따른 예시적 MTR을 특성화하기 위해 사용된다. Stokes 파라미터는 원하는 파장 범위에 걸쳐 스펙트로미터(Ocean Optics Ltd)에 의해 수집된 일련의 강도 측정을 통해 측정되며, 데이터는 Stokes 파라미터를 추정하고, 후속하여 유효 지연, 유효 광축 배향 및 편평율을 포함하는 관련 파라미터를 계산하도록 MATLAB에서 사후 처리된다. 툴의 측정은 공지된 지연기를 사용하여 계산되며, 측정은 상업적 측정 툴(Axoscan)을 사용하여 일련의 지연기 상에서 확인되었다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 QW MTR로부터의 출력이 도 20a 및 도 20b에 도시되어 있다. QW-A 디자인으로부터 측정된 지연은 도 16b 및 도 17b의 스펙트럼에 대응한다. 최소 자승 최상 정합은 표 2의 목표 값의 ±4% 이내인 추산된 두께와 트위스트를 초래한다. 상업적 AQW2 지연기 상의 지연 측정 및 상업적 슈퍼무색성 QW 지연기(AQWO05M-600, Thorlabs)의 판매자 제공 지연이 기저선으로서 사용된다.
도 20a에 도시된 바와 같이, 2TR QW-A 샘플을 위한 측정된 지연은 450 내지 650 nm의 무색성 파장 범위를 가로질러 90°의 원하는 값에 근접한다. 수평 편광 입력에 대하여, 이 요소로부터의 출력의 평균 편평율은
Figure 112014039003183-pct00025
이라 측정됨으로써, 유출/출력 광이 거의 완전히 원형 편광되고 상업적 AQW2 지연기 상의 측정치와 실질적으로 동일하다는 것을 나타낸다.
도 20b는 400 내지 800 nm의 매우 더 큰 파장 범위에 걸쳐 90°의 원하는 값에 마찬가지로 근접한 3TRQW-A 샘플을 위한 측정된 지연을 예시한다. 수평 편광 입력에 대하여, 평균 출력 편평율은
Figure 112014039003183-pct00026
로서 측정된다. 도 20b에 도시된 예에서 사용되는 제조 프로세스는 2TR QWP의 것과 유사하며, 단 하나의 여분의 트위스트 층이 추가되어 있다. 3TR QWA 샘플은 또한 상업적 AQWO05M-600 지연기의 성능을 개선시키며 그 지연 스펙트럼은 동일 파장 범위에 걸쳐 더 큰 편차를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 MTR은 일반적 편광 조작을 위해 설계될 수 있는 위상 지연기를 제공하며, 덜 복잡한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 도 21은 본 발명의 일부 실시예에 따른 MTR의 성능 경향을 비교하는 막대 그래프이다. 도 22에 도시되고 상술된 바와 같이, MTR의 동작 파장은 층의 수(M)가 증가할 때 증가할 수 있다. 이 때문에, 4 또는 5 또는 그 이상의 층을 포함하는 MTR은 매우 더 큰 대역폭을 제공할 수 있고, 단파, 중파 및 장파 적외선 파장에 특히 매우 적합할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 MTR은 또한 재료 자체의 음의 분산을 나타내는 LC 혼합물을 사용하여 형성될 수도 있다. 이런 LC 혼합물은 단독으로 단일 층에서 일부 대역폭 개선(즉, 거의 모든 다른 재료에 비해)을 달성할 수 있고(예로서, 약 15%), 따라서, 추가로 개선된 성능을 갖는 지연기를 달성하기 위해 본 명세서에 설명된 MTR에 사용될 수 있다.
그 비균질 특성에 기인하여, MTR 디자인은 일반적으로(그리고, 상술한 비교예 중 다수) 그를 따라 선형 편광이 보전되는 방향으로 트루 광축을 갖지 않을 수 있다. 그러나, 사실 이런 거동이 바람직한 경우, 본 발명의 일부 실시예에 따라 추가적 층을 사용하여 MTR에서 이를 달성할 수 있다.
지연(Γ) 및 잘 규정된 광축을을 갖는 웨이브 판으로서 MTR을 설계하기 위해, 일부 디자인 조건은 이하의 Mueller 매트릭스 성분에 관하여 기재된다: TMTR[2,2] = 1, TMTR[3,3] = cosΓ 및 TMTR[4,3] = -sinΓ. 일 예로서, 3개 층 MTR 디자인은 무색성 1/4 파장 판(Γ=π/2)을 달성하도록 시뮬레이팅되며, 450 내지 650 nm의 파장 범위에 걸쳐 트루 광축을 갖는다. 이 3TR QW-C 디자인은 디자인 파라미터를 갖는다: φ0 = 23.9°, d1 = 0.92㎛, φ1=0°, d2 = 0.7㎛, φ2 = 93.2°, d3 = 1.85㎛, φ3 = -146°. 비교를 위해, 이하의 디자인 파라미터로 서로의 상단에 적층된 세 개의 균질 웨이브 판으로 구성되는 QHQ-QW 디자인이 시뮬레이션된다: d1 = 1.08㎛, θ1 = 15.4°, d2 = 1.66㎛, θ2 = 70.1°, d3 = dl, θ3 = θ1. 이들 웨이브 판의 트루 광축 특성은 두 경우에 확인될 수 있다. 도 22a 및 도 22b에서, 3TR QW-C(굵은선) 및 QHQ-QW(쇄선)가 수평 입력(S1 = 1)로부터 우측 원형 출력(S3 = 1, e= 1)으로의 광대역 변환을 달성할 수 있다. 또한, 동일 측부로부터, 양 디자인은 각각 도 22c 및 도 22d에 의해 표시된 바와 같이 수평 편광 출력(S1=1, e=0)으로 다시 좌측 원형 입력(S3=-1)을 변환할 수 있다. 설명된 원리를 사용하여 임의의 지연 및 파장에 걸쳐 유사한 결과가 얻어질 수 있다.
MTR의 다른 특성은 그 수용 각도(즉, 각도 개구)이다. 본 명세서에 설명된 일차적 시뮬레이션 및 실험적 관찰은 본 발명의 실시예에 따른 QW 및 HW MTR이 적어도 30°이상의 입사각을 갖는 입력 광에 대해 균일하게 거동한다는 것을 제시한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서, 입력 광은 완전히 또는 부분적으로 편광되며, 임의의 편광, 임의의 파장 및/또는 약 20도 이상까지의 각 발산을 갖는다.
그 자체 정렬 거동에 기인하여, 본 명세서에 설명된 MTR의 층은 복합 복굴절 광학장치를 가능하게 하도록 패턴화된 기판 상에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 MTR은 또한 예로서, 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 발명의 명칭이 "편광 격자를 갖는 편광 변환 시스템 및 관련 제조 방법"인 공동 소유된 U.S. 가특허 출원 제61/544,888호에 설명된 바와 같은 더욱 효과적 휴대용 투사기를 제공하도록 편광 변환 시스템 내의 웨이브 판으로서 사용될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 멀티 트위스트 지연기(MTR)라고도 지칭되는 단일 기판 상의 다수의 트위스트 복굴절 층을 사용하는 광대역 지연기를 제공한다. 카이럴 LC로 형성될 때 이들 층은 자체 정렬되고, 단일 정렬 층을 사용하며, 다수의 균질 지연기를 사용하는 접근법에 비해 제조가 더 저렴하고 더 용이하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 MTR은 이런 다른 접근법에 비해 개선된 성능(예로서, 대역폭, 유효 지연 및 배향 각도에 관하여)을 제공할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 또한 상술한 실시예 중 임의의 것의 상반(inversion)을 포함할 수도 있다. 예로서, 정렬 표면이 다른 측부 상에 제공될 수 있고 및/또는 층의 순서가 본 발명의 실시예에 따라 반전될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 특정 MTR 디자인의 입력 및 출력 측부가 보전될 수 있지만, 그러나, 작동시 원하는 편광 변환을 제공하도록 주의가 기울어져야만 한다. 예로서, 표 2에 예시된 2TR QW-A 디자인은 입력 측부가 층(1401)일 때 선형 편광을 원형 편광으로 변환하고, 입력 측부가 층(1402)일 때 원형 편광을 선형 편광으로 변환한다. 그러나, 원형 편광이 층(1401)에 입력되도록 MTR이 배열되는 경우, 층(1402)으로부터 출력된 편광은 선형이 아니다. 또한, 상술된 임의의 특정 트위스트 층은 일부 경우의 더 용이하거나 더 저렴한 비용의 박막 코팅을 가능하게 하도록 동일한 재료의 서브층을 통해 제조될 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 광학 장치에 사용되는 복굴절 요소를 설명할 때, 용어 "판"은 용어, 필름, 슬래브, 시트 또는 층과 동의어이다. 또한, 편광 변환 효과는 두 개의 부류(지연기 및 회전자)를 참조로 설명될 수 있지만, 용어 "지연기"는 일반적으로 본 명세서에서 예를 들어, 광학 회전 및 복굴절 지연 양자 모두를 포함하는 일부 방식으로 편광을 변화시키는 복굴절 요소를 설명하기 위해 사용된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 용어 "복굴절 지연기", "지연기", "지연 판" 및 "보상 필름"은 균질 웨이브 판을 포함하는 임의의 복굴절 판을 지칭하기 위해 서로 교체가능하게 사용될 수 있다. 이런 복굴절 판은 또한 단축, 쌍축 또는 비균질일 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 지연기는 광대역(즉, 무색성) 또는 협대역(즉, 유색성)일 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 지연기는 따라서 광학 회전 또는 복굴절 지연 또는 그 임의의 조합을 통해 편광 변화를 달성할 수 있지만, 그를 통해 통과하는 광의 전파 방향에 현저한 영향을 주거나 변경할 수 있다.
본 발명은 모든 층이 동일 복굴절을 갖는 동일 재료로 형성되는 일부 실시예를 참조로 본 명세서에서 설명되었지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 다른 액정 재료가 각 층을 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 페이즈 "트위스트 네마틱"은 필요조건 없이 사용될 때 양, 음 또는 심지어 0인 모든 트위스트 각도를 포함하는, 임의의 일반적 트위스트 네마틱(GTN) 액정을 지칭할 수 있다. 일반적 트위스트 네마틱(GTN) 층은 층의 전체 트위스트(Φ) 및 위상 지연 각도(Γ)에 의해 특징지어질 수 있다. 단일 층 상의 네 개의 일반적 체제: 단열 도파, 복굴절, 브래그, 형상-복굴절. Φ<<Γ일 때, 이때, 광학 회전은 단일 트위스트 층에서 이루어지며(소위 단열 도파 또는 Mauguin 체제); Φ∼Γ일 때, 이때 복굴절 지연이 발생하며; Φ>Γ이고 no<(λ/P)<nc일 때, P는 나선형 피치이고, 이때, 원형 편광 브래그 반사가 이루어지며, 마지막으로 Φ>>Γ일 때, 이때, 형상 복굴절이 발생한다. 상술된 실시예가 0≤Φ∼Γ의 범위의 트위스트 층을 포함하지만, 여기서, 주도적 광학 효과는 복굴절 지연과 광학 회전 양자의 중첩이며, 임의의 GTN 체제가 본 명세서에 설명된 층 중 하나 이상에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 실질적으로 단축적, 쌍축적(삼중굴절이라고도 지칭됨) 또는 둘 중 어느 것도 아닌(즉, 전체 광축이 없는 복합 지연기) 복굴절 필름을 제공할 수 있다.
네마틱 액정 재료로부터 형성된 과학 지연기 층에 관하여 본 명세서에서 주로 설명되었지만, 본 발명의 실시예에 따른 다른 재료(예로서, 형상 복굴절, 메타재료 및/또는 나노입자/와이어/튜브 포함)가 본 명세서에 설명된 광학 효과를 달성하기 위해 사용될 수 있으며, 광학 원리가 동일하게 유지될 수 있기 때문이다. 예로서, 서브 파장 구조 내의 등방성 재료는 상술한 바와 동일 또는 유사한 방식으로 구성될 수 있는 형상 복굴절을 생성할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 설명된 특정 재료에 한정되지 않으며, 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능하는 임의의 및 모든 재료 층을 사용하여 구현될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
다수의 다른 실시예가 상술한 설명 및 도면과 연계하여 본 명세서에 설명되어 있다. 이는 이들 실시예의 모든 조합 및 하위조합을 문헌적으로 설명하고 예시하는 것은 부당하게 반복적이고 혼란스럽다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 도면을 포함하는 본 명세서는 본 명세서에 설명된 실시예 및 이들을 형성하거나 사용하는 방식 및 프로세스의 모든 조합 및 하위조합의 완전히 문헌화된 설명을 구성하는 것으로 해석되어야 하며, 임의의 이런 조합 또는 하위조합에 대한 청구항을 지원한다.
도면 및 명세서에서, 본 발명의 실시예가 개시되어 있으며, 비록 특정 용어가 사용되지만, 이들은 제한의 목적을 위해서가 아니라 단지 포괄적이고 설명적인 개념으로 사용된다. 따라서, 상술한 바는 본 발명의 예시이며, 개시된 특정 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 개시된 실시예에 대한 변형 및 다른 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함되는 것을 의도한다.

Claims (28)

  1. 광학 요소이며,
    제1 및 제2 적층된 복굴절 층을 포함하고,
    제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 제1 및 제2 층의 각각의 두께에 걸쳐 각각의 트위스트 각도만큼 회전되고 제1 및 제2 층 사이의 계면을 따라 정렬되는 각각의 국지적 광학 층을 갖고,
    각각의 트위스트 각도 및/또는 각각의 두께는 서로 다르고, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 그 사이의 계면을 따른 방향으로 변하고 불규칙한 광학 요소.
  2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 그를 통해 통과하는 광의 전파 방향을 실질적으로 변경하지 않고 편광을 변경하도록 각각 구성되는 광학 지연 층을 포함하고, 각각의 트위스트 각도는 0도부터 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 위상 지연 각도까지의 범위에 있는 광학 요소.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 서로 상에 직접적으로 적층되며, 단일체형 구조를 형성하는 광학 요소.
  5. 제4항에 있어서, 내부에 불규칙한 정렬 상태를 갖는 정렬 표면을 더 포함하고,
    제1 및 제2 적층된 복굴절 층 중 하나는 그 각각의 국지적 광축이 정렬 상태에 따라 정렬되도록 직접적으로 정렬 표면 상에 존재하는 광학 요소.
  6. 제4항에 있어서, 각각의 트위스트 각도는 동일 트위스트 방향을 갖는 광학 요소.
  7. 제4항에 있어서, 각각의 트위스트 각도는 크기가 실질적으로 동일하고 트위스트 방향이 반대인 광학 요소.
  8. 제4항에 있어서, 각각의 트위스트 각도들은 서로 다르고, 트위스트 각도 중 하나는 0이 아닌 광학 요소.
  9. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 그 사이의 계면을 따른 방향으로 연속적으로 변하는 광학 요소.
  10. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 각각 제1 및 제2 인접한 영역을 포함하고, 제1 및 제2 영역의 각 국지적 광축은 서로 다른 광학 요소.
  11. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 제1 액정 층과 그 위에 적층된 제2 액정 층을 포함하고, 제1 및 제2 액정 층의 각각의 분자 배향은 그 사이의 계면을 따라 정렬되며, 제1 및 제2 액정 층 중 적어도 하나는 카이럴 층인 광학 요소.
  12. 제11항에 있어서, 제1 및 제2 액정 층 중 적어도 하나는 중합된 액정 층을 포함하는 광학 요소.
  13. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 액정 층 중 나머지는 스위칭가능한 액정 층을 포함하는 광학 요소.
  14. 제12항에 있어서, 제2 액정 층 상에 적층된 제3 카이럴 액정 층을 더 포함하고, 제2 액정 층 및 제3 액정 층 각각의 분자 배향은 그 사이의 계면을 따라 정렬되는 광학 요소.
  15. 제1항에 있어서, 선형 편광기를 더 포함하고,
    제1 및 제2 적층된 복굴절 층은 사이에 정렬 층 또는 접착제 층을 갖는 상태로 선형 편광기 상에 적층되는 광학 요소.
  16. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 트위스트 각도 및/또는 두께는 200 nm 이상의 광대역 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 무색성인 반파장 지연을 제공하도록 구성되는 광학 요소.
  17. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 트위스트 각도 및/또는 두께는 200 nm 이상의 광대역 파장 범위에 걸쳐 실질적으로 무색성인 1/4 파장 지연을 제공하도록 구성되는 광학 요소.
  18. 광학 요소를 제조하는 방법이며,
    제1 복굴절 층을 제공하는 단계와,
    제1 복굴절 층 상에 제2 복굴절 층을 제공하는 단계를 포함하고,
    제1 및 제2 복굴절 층은 그 각각의 두께에 걸쳐 각각의 트위스트 각도만큼 회전되면서 그 사이의 계면을 따라 정렬되는 각각의 광축을 가지며, 각각의 트위스트 각도 및/또는 각각의 두께는 서로 다르고, 제1 및 제2 복굴절 층의 각각의 국지적 광축은 그 사이의 계면을 따른 방향으로 변하고 불규칙적인 광학 요소 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 제1 및 제2 복굴절 층은 그를 통과하는 광의 전파 방향을 실질적으로 변경하지 않고 편광을 변경하도록 각각 구성되는 광학 지연 층을 포함하고, 각각의 트위스트 각도는 0도부터 제1 및 제2 적층된 복굴절 층의 각각의 위상 지연 각도까지의 범위에 있는 광학 요소 제조 방법.
  20. 삭제
  21. 제18항에 있어서, 제1 및 제2 복굴절 층은 단일체형 구조를 형성하는 광학 요소 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 제1 및 제2 복굴절 층은 액정 층을 포함하며,
    제2 복굴절 층을 제공하는 단계는 그 각각의 분자 배향이 그 사이의 계면을 따른 제1 복굴절 층의 각각의 분자 배향에 따라 정렬되도록 제1 복굴절 층 상에 직접적으로 제2 복굴절 층을 형성하는 단계를 포함하는 광학 요소 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 제2 복굴절 층을 형성하기 이전에,
    뷸규칙 정렬 상태를 갖는 정렬 표면을 형성하는 단계와,
    그 각각의 분자 배향이 정렬 표면과의 계면을 따른 정렬 상태에 따라 정렬되도록 정렬 표면 상에 직접적으로 제1 복굴절 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 광학 요소 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서, 제1 및 제2 복굴절 층 중 적어도 하나는 카이럴 액정 층을 포함하는 광학 요소 제조 방법.
  25. 제22항에 있어서, 제1 복굴절 층은 중합가능한 액정 층을 포함하고,
    그 위에 제2 복굴절 층을 형성하기 이전에 정렬 표면 상에 제1 복굴절 층을 광중합하는 단계를 더 포함하는 광학 요소 제조 방법.
  26. 제22항에 있어서, 그 각각의 분자 배향이 그 사이의 계면을 따른 제2 복굴절 층의 각각의 분자 배향에 따라 정렬되도록 제2 복굴절 층 상에 직접적으로 제3 액정 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 광학 요소 제조 방법.
  27. 제23항에 있어서, 정렬 표면을 형성하는 단계는 연속적으로 변하는 정렬 조건을 포함하도록 정렬 표면을 형성하는 단계를 포함하고,
    제1 복굴절 층이 정렬 표면 바로 위에 형성되어 제1 복굴절 층과 정렬 표면 각각의 분자 배향이 정렬 표면과의 계면을 따라 연속적으로 변하는 광학 요소 제조 방법.
  28. 삭제
KR1020147010980A 2011-10-07 2012-10-05 광대역 편광 변환을 위한 멀티 트위스트 지연기 및 관련 제조 방법 KR101919646B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161544936P 2011-10-07 2011-10-07
US61/544,936 2011-10-07
PCT/US2012/059008 WO2013052834A1 (en) 2011-10-07 2012-10-05 Multi-twist retarders for broadband polarization transformation and related fabrication methods

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140088107A KR20140088107A (ko) 2014-07-09
KR101919646B1 true KR101919646B1 (ko) 2018-11-16

Family

ID=48044194

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147010980A KR101919646B1 (ko) 2011-10-07 2012-10-05 광대역 편광 변환을 위한 멀티 트위스트 지연기 및 관련 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9298041B2 (ko)
EP (1) EP2764402A4 (ko)
JP (1) JP6265901B2 (ko)
KR (1) KR101919646B1 (ko)
CN (1) CN103959159B (ko)
WO (1) WO2013052834A1 (ko)

Families Citing this family (66)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9739710B2 (en) * 2012-10-15 2017-08-22 Nutech Ventures Optical sensing and separation based on ordered three-dimensional nanostructured surfaces
US10107945B2 (en) * 2013-03-01 2018-10-23 Beam Engineering For Advanced Measurements Co. Vector vortex waveplates
CN105229499B (zh) 2013-03-13 2018-12-04 北卡罗莱纳州立大学 具有几何相位全息图的偏振转换系统
CN104637976B (zh) * 2013-11-12 2018-10-19 宸鸿光电科技股份有限公司 有机发光二极管触控显示设备
JP5996516B2 (ja) * 2013-11-29 2016-09-21 住友化学株式会社 偏光子及びそれを含む偏光板
WO2016019123A1 (en) * 2014-07-31 2016-02-04 North Carolina State University Bragg liquid crystal polarization gratings
KR101656949B1 (ko) * 2014-11-21 2016-09-12 서울과학기술대학교 산학협력단 편광 회전자 및 광학 소자
US11468639B2 (en) * 2015-02-20 2022-10-11 Microsoft Technology Licensing, Llc Selective occlusion system for augmented reality devices
KR102604023B1 (ko) * 2016-03-10 2023-11-20 삼성디스플레이 주식회사 광산란 필름 및 이를 포함하는 표시장치
JP6940056B2 (ja) 2016-10-13 2021-09-22 エルジー・ケム・リミテッド 光孤立装置
IL310194A (en) 2016-11-18 2024-03-01 Magic Leap Inc Liquid crystal refraction lattices vary spatially
US11067860B2 (en) * 2016-11-18 2021-07-20 Magic Leap, Inc. Liquid crystal diffractive devices with nano-scale pattern and methods of manufacturing the same
JP7019695B2 (ja) * 2016-11-18 2022-02-15 マジック リープ， インコーポレイテッド 広入射角範囲の光を再指向するための多層液晶回折格子
EP4002000A1 (en) 2016-12-08 2022-05-25 Magic Leap, Inc. Diffractive devices based on cholesteric liquid crystal
KR102576133B1 (ko) 2017-03-21 2023-09-07 매직 립, 인코포레이티드 회절 광학 엘리먼트들을 이용한 눈-이미징 장치
WO2018206524A1 (en) * 2017-05-11 2018-11-15 Merck Patent Gmbh Method of manufacturing a polymer stabilised liquid crystal display
CN110945415B (zh) 2017-05-17 2022-09-13 元平台技术有限公司 用于偏振旋转的液晶盒
TWI756426B (zh) * 2017-05-17 2022-03-01 美商菲絲博克科技有限公司 用於極化旋轉的液晶單元
JP6975258B2 (ja) * 2017-12-27 2021-12-01 富士フイルム株式会社 光学素子およびセンサー
US10394080B2 (en) * 2017-12-28 2019-08-27 Industrial Technology Research Institute Wideband compensation stack film and optical element using the same
WO2019169170A1 (en) * 2018-03-02 2019-09-06 Sharp Gary D Retarder stack pairs for polarization basis vector transformations
WO2019189852A1 (ja) * 2018-03-29 2019-10-03 富士フイルム株式会社 光学素子、導光素子および画像表示装置
WO2019189675A1 (ja) 2018-03-29 2019-10-03 富士フイルム株式会社 光偏向装置および光学装置
US11184967B2 (en) 2018-05-07 2021-11-23 Zane Coleman Angularly varying light emitting device with an imager
US10816939B1 (en) 2018-05-07 2020-10-27 Zane Coleman Method of illuminating an environment using an angularly varying light emitting device and an imager
JP7062054B2 (ja) 2018-05-18 2022-05-02 富士フイルム株式会社 光学素子
US11693165B2 (en) * 2018-06-11 2023-07-04 Lockheed Martin Corporation Thin film optics
JP7015392B2 (ja) * 2018-07-27 2022-02-15 富士フイルム株式会社 光学素子およびセンサー
US10778963B2 (en) * 2018-08-10 2020-09-15 Valve Corporation Head-mounted display (HMD) with spatially-varying retarder optics
CN116184549A (zh) * 2018-09-28 2023-05-30 富士胶片株式会社 光学元件及光偏振装置
WO2020075711A1 (ja) * 2018-10-12 2020-04-16 富士フイルム株式会社 光学積層体、導光素子およびａｒ表示デバイス
CN113196875B (zh) * 2018-12-27 2024-06-11 夏普株式会社 显示装置及显示装置的制造方法
JP7394794B2 (ja) * 2019-02-14 2023-12-08 富士フイルム株式会社 反射光学素子、導光素子および画像表示素子
US11422409B2 (en) * 2019-04-25 2022-08-23 Meta Platforms Technologies, Llc Broadband optical device including liquid crystal polymer films
JP7367010B2 (ja) * 2019-05-10 2023-10-23 富士フイルム株式会社 光学素子、波長選択フィルタおよびセンサー
US11029908B2 (en) * 2019-08-28 2021-06-08 Himax Display, Inc. Head mounted display apparatus
WO2021085332A1 (ja) * 2019-10-31 2021-05-06 Ａｇｃ株式会社 光学素子
US11209657B2 (en) 2020-01-24 2021-12-28 Valve Corporation Position tracking system for head-mounted display systems that includes angle sensitive detectors
US11073906B1 (en) 2020-01-27 2021-07-27 Valve Corporation Eye tracking system for head-mounted display devices
US20210239893A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Lawrence Livermore National Security, Llc Polarization manipulation of free-space electromagnetic radiation fields
CN114902110A (zh) 2020-02-03 2022-08-12 威尔乌集团 用于显示器背光的空间变化偏振器
KR20220131330A (ko) 2020-02-06 2022-09-27 밸브 코포레이션 디스플레이 시스템들에 대한 교정 편광 보상 광학부
US11815684B2 (en) 2020-02-06 2023-11-14 Valve Corporation Spatially and time varying polarization correction optic for scan beam systems
EP4100786A4 (en) * 2020-02-06 2024-03-27 Valve Corporation POLARIZATION RECYCLING OPTICS OF A MICRO LENS ARRANGEMENT FOR ILLUMINATION OPTICS
US11487120B2 (en) 2020-02-06 2022-11-01 Valve Corporation Polarization compensation for wire grid polarizer of head-mounted display system
WO2021158677A1 (en) * 2020-02-06 2021-08-12 Valve Corporation Viewing field-based optical correction using spatially varying polarizers
CN115053167B (zh) 2020-02-06 2024-07-26 威尔乌集团 使用空间变化偏振器的可变光学校正
EP4100785A4 (en) 2020-02-06 2024-03-06 Valve Corporation POLARIZATION MULTIPLEXED OPTICS FOR HEAD-MOUNTED DISPLAY SYSTEMS
EP4100784A4 (en) * 2020-02-06 2024-03-06 Valve Corporation POSITION TRACKING SYSTEM FOR HEAD-MOUNTED DISPLAY SYSTEMS
US11796393B2 (en) * 2020-02-11 2023-10-24 Valve Corporation Polarimetry camera for high fidelity surface characterization measurements
JP2023512884A (ja) * 2020-02-11 2023-03-30 バルブ コーポレーション 空間変動偏光子を用いたカメラデバイス
KR20220129666A (ko) 2020-02-11 2022-09-23 밸브 코포레이션 조명 광학부에 대한 회절 요소들의 편광-기반 멀티플렉싱
WO2021261435A1 (ja) * 2020-06-22 2021-12-30 富士フイルム株式会社 円偏光板、有機エレクトロルミネッセンス表示装置
WO2022024677A1 (ja) * 2020-07-30 2022-02-03 富士フイルム株式会社 透過型液晶回折素子
CN116261682A (zh) * 2020-09-30 2023-06-13 富士胶片株式会社 光学元件
JP2022068694A (ja) * 2020-10-22 2022-05-10 株式会社ジャパンディスプレイ 液晶光学素子
US11733445B2 (en) 2020-10-29 2023-08-22 Meta Platforms Technologies, Llc Optical element having multiple layers for reducing diffraction artifacts
CN112230478B (zh) * 2020-12-16 2021-02-19 北京瑞波科技术有限公司 一种位相延迟装置及其制备方法、显示设备
WO2022170135A1 (en) 2021-02-05 2022-08-11 Boulder Nonlinear Systems, Inc. Simultaneous focusing of an optical system to multiple focal planes using liquid crystal polarization lenses
CN113093440B (zh) * 2021-04-19 2021-12-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法
CN118176448A (zh) * 2021-11-12 2024-06-11 富士胶片株式会社 光学元件及图像显示装置
US11921377B2 (en) 2021-12-02 2024-03-05 Sharp Display Technology Corporation Optical element, varifocal element, and head mounted display
US11886094B2 (en) 2022-02-21 2024-01-30 Sharp Display Technology Corporation Optical element, varifocal element and head mounted display
CN114624926A (zh) * 2022-03-28 2022-06-14 南京南辉智能光学感控研究院有限公司 一种涡旋波片
CN115069398B (zh) * 2022-07-27 2024-01-12 江苏益佳通新能源科技有限公司 一种提高废旧电池回收利用率的电池粉碎控制系统
WO2024061796A1 (en) 2022-09-21 2024-03-28 Merck Patent Gmbh Polymerisable liquid crystal medium and polymerised liquid crystal film

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002189124A (ja) * 2000-12-20 2002-07-05 Dainippon Printing Co Ltd 円偏光抽出光学素子及びその製造方法、偏光光源装置、液晶表示装置

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5245596A (en) 1991-06-26 1993-09-14 Eastman Kodak Company Optical head having a grating with a doubly periodic structure
DE59208605D1 (de) 1991-07-26 1997-07-17 Hoffmann La Roche Flüssigkristallanzeigezelle
EP0632311B1 (en) 1993-06-29 1999-11-24 Stanley Electric Co., Ltd. Method of orienting liquid crystal molecules in a multi-domain liquid crystal display cell
US6072629A (en) * 1997-02-26 2000-06-06 Reveo, Inc. Polarizer devices and methods for making the same
GB9713981D0 (en) * 1997-07-03 1997-09-10 Sharp Kk Optical device
US5867239A (en) * 1997-10-17 1999-02-02 Minnesota Mining And Manufacturing Company Wide angle optical retarder
EP1345049B1 (en) * 2000-12-20 2010-11-24 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Circularly polarized light extraction optical element and method of manufacturing the optical element
AU2002308302A1 (en) 2001-03-13 2002-09-24 Merck Patent Gmbh Combination of optical films comprising a twisted a-plate and a polarizer
US6669999B2 (en) 2001-05-30 2003-12-30 Industrial Technology Research Institute Method for broadening bandwidth of cholesteric liquid crystal
WO2004019085A1 (ja) * 2002-08-26 2004-03-04 Dai Nippon Printing Co., Ltd. 位相差光学素子、その製造方法及び液晶表示装置
JP2004145268A (ja) * 2002-08-26 2004-05-20 Dainippon Printing Co Ltd 位相差光学素子及びその製造方法、並びに位相差光学素子を備えた偏光素子及び液晶表示装置
JP4377633B2 (ja) * 2002-08-26 2009-12-02 大日本印刷株式会社 位相差光学素子、その製造方法及び液晶表示装置
JP4277518B2 (ja) * 2002-11-29 2009-06-10 旭硝子株式会社 位相板および光情報記録再生装置
US7088511B2 (en) * 2003-02-12 2006-08-08 3M Innovative Properties Company Light polarizing film and method of making same
JP2005049866A (ja) * 2003-07-17 2005-02-24 Dainippon Printing Co Ltd 位相差層およびそれを用いた液晶表示装置
CN101398502B (zh) 2003-07-17 2010-12-01 大日本印刷株式会社 相位差光学元件的制造方法
US7196758B2 (en) 2003-12-30 2007-03-27 3M Innovative Properties Company Method of alignment of liquid crystals comprising exposing an alignment material to an interference pattern
CN101846811A (zh) * 2005-03-01 2010-09-29 荷兰聚合物研究所 介晶膜中的偏振光栅
EP1796400A1 (en) * 2005-12-06 2007-06-13 JDS Uniphase Corporation Thin-film optical retarders
US8574454B2 (en) 2006-12-22 2013-11-05 Rolic Ag Patternable liquid crystal polymer comprising thio-ether units
ATE529769T1 (de) * 2007-04-16 2011-11-15 Univ North Carolina State Chirale flüssigkristallpolarisationsgitter mit leichter drehung und herstellungsverfahren dafür
US8144269B2 (en) 2009-01-08 2012-03-27 Micron Technology, Inc. Reflective LCOS displays utilizing novel polarizing beam splitters
US20110188120A1 (en) 2010-01-29 2011-08-04 Beam Engineering For Advanced Measurement Co. Broadband optics for manipulating light beams and images
JP5660786B2 (ja) * 2010-02-16 2015-01-28 富士フイルム株式会社 パターニング位相差フィルムとその製造方法、偏光眼鏡、映像表示システムとその製造方法
US20110262844A1 (en) 2010-04-21 2011-10-27 Beam Engineering For Advanced Measurement Co. Fabrication of high efficiency, high quality, large area diffractive waveplates and arrays

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002189124A (ja) * 2000-12-20 2002-07-05 Dainippon Printing Co Ltd 円偏光抽出光学素子及びその製造方法、偏光光源装置、液晶表示装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2764402A1 (en) 2014-08-13
JP2014528597A (ja) 2014-10-27
US9298041B2 (en) 2016-03-29
EP2764402A4 (en) 2015-05-20
WO2013052834A1 (en) 2013-04-11
CN103959159A (zh) 2014-07-30
KR20140088107A (ko) 2014-07-09
JP6265901B2 (ja) 2018-01-24
CN103959159B (zh) 2017-12-05
US20130027656A1 (en) 2013-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101919646B1 (ko) 광대역 편광 변환을 위한 멀티 트위스트 지연기 및 관련 제조 방법
Tabiryan et al. Advances in transparent planar optics: enabling large aperture, ultrathin lenses
US8305523B2 (en) Multi-layer achromatic liquid crystal polarization gratings and related fabrication methods
JP6726110B2 (ja) 光学素子、及び回折光学素子
KR101507048B1 (ko) 로우 트위스트 카이랄 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들
Rafayelyan et al. Ultrabroadband gradient-pitch Bragg-Berry mirrors
US20210389513A1 (en) Liquid crystal optical element and fabrication method thereof
CN115605785A (zh) 透射型液晶衍射元件
Yuan et al. Spin‐decoupled transflective spatial light modulations enabled by a piecewise‐twisted anisotropic monolayer
KR102136655B1 (ko) 원형 편광 소자, 이를 포함하는 노치 필터 및 밴드 패스 필터
WO2016031946A1 (ja) 輝度向上フィルムおよび液晶表示装置
Komanduri et al. Multi-twist retarders for broadband polarization transformation
KR20200050936A (ko) 원형 편광 소자, 이를 포함하는 노치 필터 및 밴드 패스 필터
US9383483B2 (en) Diffuse cholesteric reflector
Tabirian et al. High efficiency broadband liquid crystal polymer vector vortex waveplates
JP2004145268A (ja) 位相差光学素子及びその製造方法、並びに位相差光学素子を備えた偏光素子及び液晶表示装置
JP2002258053A (ja) 円偏光抽出光学素子及びその製造方法、偏光光源装置、液晶表示装置
US20240272339A1 (en) Polarization gratings having large diffraction angle, high efficiency, high degree of circular polarization output
KR101656949B1 (ko) 편광 회전자 및 광학 소자
JP2003149425A (ja) コレステリック液晶フィルター
JP2003240943A (ja) 円偏光素子およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant