專利名稱：光學器件中液晶排列的控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液晶層中宏觀液晶排列的控制，還涉及包括液晶層的光學器件，其中該液晶層具有以該方式控制的宏觀液晶排列。
所附附圖中，

圖1說明了空間中液晶指向矢(平均分子取向)的坐標系。角θ為頂角(平面外)，而φ為方位角(面內(nèi)或平面的)。角θ也就是公知的傾角，而φ也就是公知的扭轉(zhuǎn)角。液晶層(或基底)位于x-y面內(nèi)。
已知關于大尺度的液晶排列的圖案結構。在本文中，大圖案結構指的是橫向擴展大于液晶層厚度的排列區(qū)域。由此得到的液晶層具有至少兩個可光學地相互區(qū)分的晶疇，其中一個區(qū)域中的圖案結構對相鄰區(qū)域的圖案結構的影響可忽略。
液晶器件中關于細微尺度(1μm)的排列的圖案結構之前也已經(jīng)公開。作者Kim等在Applied Physics Letters，78，pp3055(2001)上發(fā)表的“通過取向無效的表面圖案實現(xiàn)的向列液晶的表面排列雙穩(wěn)定性”描述了沿兩個方向的方位微圖案結構，并論證了雙穩(wěn)態(tài)體指向矢取向。作者Kim等在Nature 429，pp159(2002)上發(fā)表的“利用微圖案化表面排列的三穩(wěn)態(tài)向列液晶器件”描述了沿三個方向的方位微圖案結構，并論證了三穩(wěn)態(tài)體指向矢取向。Kim等人沒有公開空間地改變圖案化排列區(qū)域的比例，也未提及可以由這種圖案結構引起的可能的器件。上述論文中的方位圖案結構利用原子力顯微鏡(AFM)摩擦基底并且得到寬度4μm(低至0.5μm)的疇來實現(xiàn)。然而，利用原子力顯微鏡(AFM)摩擦單個象素大小(90μm×90μm)的區(qū)域需要花費2到10小時之間的時間。因此，AFM摩擦并不被認為是生產(chǎn)上可行的技術。
作者Ong等在Journal of Applied Physics，57，pp186(1985)上發(fā)表的“通過不均勻表面進行向列液晶的排列”描述了使用由能夠促進垂直排列的碎片構成的表面，該碎片被圍繞在能夠促進平行(基底)排列的矩陣中。由此得到的頂圖案化表面產(chǎn)生一個介于平面和垂直之間的預傾斜的體。預傾斜角為垂直和平行排列區(qū)域之間的面積比的函數(shù)。然而，這種頂圖案化方法依賴SiO和金屬膜沉積，并且SiO沉積不被認為是生產(chǎn)上適合的技術。Ong等人描述的制造方法不能用于空間地改變垂直和平行排列方向的比例。因此各處的平均體頂角都相同(即頂延遲的空間變化是不可能的)。Ong等人沒有公開空間地改變圖案化排列區(qū)域的比例，也未提及可以由這種圖案結構引起的可能的器件。
頂雙穩(wěn)態(tài)顯示器(ZBD)已經(jīng)在若干專利例如WO 97/14990中公開。所有的ZBD器件在光柵結構上具有局部均勻的表面預傾角，。由此得到的ZBD的體光學性能為波動面拓撲的結果。
上述技術被認為要么依賴于商業(yè)上不適合的生產(chǎn)方法，要么缺乏圖案結構靈活性，以至于不能形成許多新穎的光學元件，或者兩個問題都存在。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種方法，該方法通過控制圖案化排列層中第一、第二和第三不同類型的排列區(qū)域之間的面積比，允許同時控制橫跨液晶層的、宏觀的、沿方位角方向和頂角方向的液晶(LC)排列，三種不同類型的排列區(qū)域傾向于在液晶層中沿三個各不相同的、、不共面的主要取向產(chǎn)生液晶排列。
排列區(qū)域的第二和第三種類型可以傾向于沿基本正交的主要取向產(chǎn)生排列。
在一個實施例中，第一類型的排列區(qū)域傾向于產(chǎn)生基本垂直的排列，第二和第三類型的排列區(qū)域傾向于沿不同的各個主要取向產(chǎn)生基本平行的排列，宏觀頂液晶排列的控制通過控制垂直和平行區(qū)域類型之間的面積比來實現(xiàn)，宏觀方位液晶排列的控制通過控制兩個平行區(qū)域類型之間的面積比來實現(xiàn)。
排列層可以通過下述步驟圖案化首先提供具有第一類型的基本均勻初始排列的排列層，再應用第一圖案化步驟以產(chǎn)生第二類型的排列區(qū)域，然后應用第二圖案化步驟以產(chǎn)生任何所需的第三類型的排列區(qū)域。
對于液晶層的至少一部分，任何兩種類型的排列區(qū)域之間的面積比可以為零。例如，對于液晶層的至少一部分，第三和第二類型之間的面積比可以為零。這對于整個液晶層也可以成立。
排列區(qū)域的至少一種類型可以具有稍微不同排列的兩種選擇，以提供宏觀液晶排列的進一步控制。對于一種類型的排列區(qū)域的兩種選擇可以關于該類型的主要排列取向同樣地排列。對于一種類型的排列區(qū)域的兩種選擇可以用于基本相等的面積比。對于一種類型的排列區(qū)域的兩種選擇可以基本上位于包含另一種類型的排列區(qū)域的主要排列取向的面內(nèi)。排列區(qū)域的第二類型可以具有兩種這樣的選擇，即第二類型的兩種選擇用在第一類型排列區(qū)域的相對兩側(cè)。另一種類型的排列區(qū)域可以為第一類型的排列區(qū)域。對于一種類型排列的兩種選擇可以相差小于20度。
排列層可以至少部分地通過光排列來形成圖案。排列層可以至少部分地通過摩擦來形成圖案。排列層可以至少部分地通過表面浮雕光柵來形成圖案。排列層可以至少部分地通過至少兩種類型材料的選擇性印刷(例如微接觸印刷)來形成圖案，其中一種材料在另一種材料之上，每種類型的材料傾向于產(chǎn)生一種類型的排列，其不同于至少兩種類型中的另一種類型材料產(chǎn)生的排列。排列層可以至少部分地通過形成至少兩層材料層來形成圖案，每層傾向于產(chǎn)生不同于另一層的排列類型，并且有選擇地除去這些層中的至少一層的一部分，以便曝光該部分之下的至少一層的一部分。排列層可以至少部分地通過有選擇地改變排列層的表面能來形成圖案。
第二排列層可以設置在與已被圖案化的第一排列層相對的液晶層的表面上。兩種排列層可以配合，以產(chǎn)生液晶排列的宏觀圖案，能夠聚焦特定線性偏振的入射光。兩種排列層可以配合，以產(chǎn)生液晶排列的宏觀圖案，能夠旋轉(zhuǎn)特定線性偏振的入射光的偏振。兩種排列層可以配合，以產(chǎn)生液晶層中液晶排列的V態(tài)pi-單元(pi-cell)圖案。第二排列層也可以根據(jù)所聲稱的方法形成圖案。第二排列層可以設有與第一排列層相同的排列區(qū)域的圖案類型。
第一排列層可以在液晶層的第一區(qū)域中產(chǎn)生液晶排列的第一宏觀圖案，第二排列層在液晶層的第二區(qū)域中產(chǎn)生不同于第一宏觀圖案的液晶排列的第二宏觀圖案，第二區(qū)域基本不同于液晶層的第一區(qū)域。第一和第二區(qū)域可以在液晶層內(nèi)形成各自的子層，并且第一區(qū)域設置在第一排列層和第二區(qū)域之間。
排列層的圖案結構可以至少部分是周期的。排列層的圖案結構可以至少部分是隨機的。
區(qū)域的圖案類型的至少一個橫向尺寸可以與液晶層的厚度相當或者小于液晶層的厚度。宏觀排列的可以在與液晶層厚度相當或者小于液晶層厚度的尺度上實現(xiàn)。
第一、第二和第三不同類型的排列區(qū)域之間的面積比中的至少一個面積比可以橫跨排列層改變。該至少一個面積比的變化可以發(fā)生在與液晶層厚度相當或著小于液晶層厚度的尺度上。
僅作為一個例子，上述尺度可以為1μm級或更小。
上述變化可以控制以便橫跨液晶層的液晶排列的宏觀圖案對于特定線性偏振的入射光呈現(xiàn)變化延遲。延遲的變化可以提供該偏振光的波前調(diào)制功能。延遲的變化可以提供該偏振光的透鏡功能。
第一和第二排列層的面積比可以變化，該變化可以控制以便液晶排列的第一宏觀圖案對于第一線性偏振的入射光呈現(xiàn)變化延遲，液晶排列的第二宏觀圖案對于不同于第一線性偏振的第二線性偏振的入射光呈現(xiàn)變化延遲。還可以對于第一和第二線性偏振都提供透鏡功能。
液晶排列的均勻宏觀圖案可以橫跨液晶層形成，以形成其光軸與其表面之一成一定角度排列的雙折射光學元件，以便對于入射到該表面上的光提供像移功能。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種包括液晶(LC)層和至少一層圖案化排列層的光學器件，該液晶層具有橫跨該液晶層的方位和頂液晶排列的宏觀圖案，其利用本發(fā)明第一方面的方法來實現(xiàn)。
光學器件可以在遠離平行排列的10和80度之間的至少部分液晶層上具有宏觀頂排列。
宏觀排列圖案可以具有兩種或多種穩(wěn)定的結構。通過施加電場和/或施加磁場和/或施加機械力和/或在液晶層內(nèi)產(chǎn)生宏觀流體流，宏觀排列可以在兩種或多種穩(wěn)定的結構之間轉(zhuǎn)換。宏觀排列圖案可以在至少部分液晶層中具有兩種宏觀頂角彼此不同的穩(wěn)定結構。
光學器件可以包括用于橫跨至少部分液晶層施加電場和/或磁場的裝置，以便該至少部分液晶層的宏觀排列圖案取決于至少一層排列層和任何施加的場。
光學器件可以從第一模式轉(zhuǎn)換到第二模式，第一模式中液晶具有由至少一層排列層基本確定的宏觀排列圖案，第二模式中液晶具有由施加的場基本確定的宏觀排列圖案。
操作場施加裝置可橫跨液晶層的不同部分施加不同的電場和/或磁場。
場施加裝置可以包括多個電極。至少一些電極可以是分段的。
光學器件可以包括改變輸入到該器件的光的偏振的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種漸變折射率(GRIN)透鏡，包括根據(jù)本發(fā)明第二方面的光學器件。
GRIN透鏡可以為扭曲向列GRIN透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種光學延遲器，包括根據(jù)本發(fā)明第二方面的光學器件。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種視差阻擋層，包括根據(jù)本發(fā)明第四方面的光學延遲器和至少一個偏振器。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種顯示器件，包括根據(jù)本發(fā)明前述方面的光學器件、透鏡、延遲器或阻擋層。
顯示器件可以是多視圖顯示器件。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種波前調(diào)制器，包括根據(jù)本發(fā)明第二方面的光學器件。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供一種像移器，包括根據(jù)本發(fā)明第二方面的光學器件。
現(xiàn)在將參考作為例子的所附附圖，其中之前所討論的圖1說明了空間中液晶分子的坐標系；圖2說明了如何在體現(xiàn)本發(fā)明的圖案化排列層中通過使用兩種不同類型的排列區(qū)域，來設定宏觀頂液晶排列；圖3說明了如何在體現(xiàn)本發(fā)明圖案化排列層中通過改變兩種不同類型排列區(qū)域的面積比，來改變宏觀頂液晶排列；圖4說明了如何在體現(xiàn)本發(fā)明的圖案化排列層中通過使用兩種不同類型的排列區(qū)域，來設定宏觀方位液晶排列；圖5說明了在液晶層表面處的排列簡并；圖6說明了在本發(fā)明實施例的一種類型的排列區(qū)域中可使用較小傾角以削弱圖5所示的簡并；圖7(a)和(b)說明了在本發(fā)明的實施例中使用+α和-α的排列區(qū)域可以增加液晶可經(jīng)受的變形；圖8說明了本發(fā)明的實施例應用于正傾斜彎曲(splay-bend)型漸變折射率(GRIN)透鏡；圖9說明了本發(fā)明的實施例應用于正扭曲向列(TN)漸變折射率(GRIN)透鏡；圖10說明了本發(fā)明的實施例應用于正扭曲型漸變折射率(GRIN)透鏡；
圖11說明了本發(fā)明的實施例應用于多視圖顯示器件；圖12說明了本發(fā)明實施例在多視圖顯示器件中的另一種應用；圖13(a)和13(b)說明了本發(fā)明的實施例應用于正獨立偏振(polarisation-independent)漸變折射率(GRIN)透鏡；圖14說明了體現(xiàn)本發(fā)明的包含分段電極的GRIN透鏡；圖15說明了根據(jù)本發(fā)明進一步實施例的包含分段電極的GRIN透鏡；圖16說明了根據(jù)本發(fā)明進一步實施例的包含分段電極的GRIN透鏡；圖17說明了本發(fā)明的實施例可應用于可轉(zhuǎn)換像移器；圖18說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的頂雙穩(wěn)態(tài)器件；圖19說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的雙穩(wěn)態(tài)混合排列向列器件；圖20為說明傾斜狀態(tài)下的π(pi)-單元的示意圖；和圖21為說明圖20的單元在V態(tài)下的示意圖。
在描述體現(xiàn)本發(fā)明的具體應用前，首先描述一下本發(fā)明下面實施例的一般原理。
考慮具有排列層的基底，該層產(chǎn)生其未處理狀態(tài)下的垂直排列(即當排列層沒有經(jīng)過摩擦，或在UV光下曝光等時，液晶分子排列平行于圖1所示坐標系中的z軸)。隨后的一種圖案化處理步驟可以用于產(chǎn)生平行于面內(nèi)軸之一(假定x軸)的表面排列區(qū)域。如果單元在一種圖案化處理步驟后被構造，那么在單元內(nèi)的所有點處，體光軸將位于x-z面內(nèi)(即分子排列在x-y面內(nèi)的所有點處具有常數(shù)值φ)。然而，光軸與基底所成的角度(θ)可以或不可以在x-y面內(nèi)空間地改變。光軸角度θ在x-y面內(nèi)空間改變與否取決于微圖案結構的細節(jié)。
圖2說明了如何通過在圖案化排列層中使用兩種不同類型的排列區(qū)域T1和T2，來設定宏觀頂液晶排列。第一類型排列區(qū)域T1傾向于在液晶層中產(chǎn)生基本垂直的液晶排列(基本沿z方向)，而第二類型排列區(qū)域T2傾向于在液晶層中產(chǎn)生基本平行的液晶排列(在該例子中，基本沿x方向)。體積中平均的宏觀指向矢取向為下述幾者的函數(shù)(i)一種類型的圖案結構與另一種類型的圖案結構的面積比；(ii)液晶本身的各向異性彈性常數(shù)；和(iii)不同圖案化區(qū)域的相對固定(anchoring)長度。在圖3示出的例子中，可以理解在液晶層的體積中宏觀頂角假定為角度θ。
現(xiàn)將參考圖3進行描述，通過改變垂直與平行排列的比例，可獲得中間預傾角θ的整個范圍。在圖3中，垂直類型區(qū)域與平行類型區(qū)域交替布置，垂直類型區(qū)域的寬度表示為“H”，平行類型區(qū)域的寬度表示為“P”。垂直和平行區(qū)域的比例可以通過改變這兩個寬度來改變。該比例可以用兩種不同類型排列區(qū)域之間的面積比來表示。在圖3示出的簡單例子中，該比例也可以用垂直類型區(qū)域的寬度減去平行類型區(qū)域的寬度來表示。圖3右手側(cè)的圖表示出了如何通過改變垂直類型區(qū)域與平行類型區(qū)域的面積比，來使宏觀預傾角θ在大約30度和70度之間改變；適當?shù)膱D案可以用于實現(xiàn)任何體預傾(頂)角。
如上所述參考圖2和3的利用一個圖案化處理步驟能夠?qū)崿F(xiàn)頂排列的細微控制。而且增加第二圖案化處理步驟能夠制造更復雜的結構。使用第二圖案化處理步驟可以產(chǎn)生平行于剩余的面內(nèi)軸(即y軸)的表面排列區(qū)域。在第二圖案化處理步驟后構造一個單元，這樣產(chǎn)生的單元的體光軸不再必要地約束在單面內(nèi)(即分子排列在x-y面內(nèi)的不同空間位置處可以具有不同的值φ)。再次，光軸與基底所成的角度(θ)可以或不可以在x-y面內(nèi)空間地改變。
通過使用兩個圖案化處理步驟，在任意的橫向位置[x1，y1]處產(chǎn)生局部具有體排列方向[θ1，φ1]的器件是可能的。而且只有在兩個處理步驟產(chǎn)生不平行的排列方向，并且兩個已處理的排列方向也不平行于未處理的排列方向的情況下，這才是可能的。排列方向沒有必要是正交的。此外，通過改變局部微圖案結構(即改變不同排列方向的比例)，那么在[x1，y1]處的體排列[θ1，φ1]可以轉(zhuǎn)換成[x2，y2]處的[θ2，φ2]。將一個任意的排列方向轉(zhuǎn)換到另一個可以僅在彈性連續(xù)體理論的約束下發(fā)生。實際上，這意味著為了在[x1，y1]處的[θ1，φ1]和[x2，y2]處的[θ2，φ2]之間轉(zhuǎn)換，兩點之間的距離(即{(x1-x2)2+(y1-y2)2}]]>)必須足夠的大以適應與變形有關的彈性能量。該距離為分子排列變形和液晶材料本身的函數(shù)。
圖4說明了隨后如何通過在圖案化排列層中使用兩種不同類型的排列區(qū)域T2和T3，來設定宏觀方位液晶排列。排列區(qū)域的第二類型T2傾向于沿x方向產(chǎn)生平行液晶排列，如參考圖2的上述例子中的第二類型。排列區(qū)域的第三類型T3傾向于沿y方向，即與第二類型正交排列的方向產(chǎn)生平行液晶排列。同樣，體積中平均的宏觀指向矢取向為下述幾者的函數(shù)(i)一種類型的圖案結構與另一種類型圖案結構的面積比；(ii)液晶本身的各向異性彈性常數(shù)；和(iii)不同圖案化區(qū)域的相對固定長度。通過改變兩種正交平行排列的比例，中間方位角φ的整個范圍可以橫跨液晶層實現(xiàn)。同樣，相對比例可以用兩種不同類型的排列區(qū)域T2和T3之間的面積比來表示。
經(jīng)由兩個圖案化處理步驟的使用，任意分子排列可以在基底的任意位置處實現(xiàn)。然而，只有在兩點之間的距離足夠大以便適應與液晶變形有關的彈性能量的情況下，可以發(fā)生在一種任意的體排列方向和另一種之間的連續(xù)轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在討論能夠削弱表面處的排列簡并以便增加屈曲變形量的圖案化處理步驟的使用。
參考圖5，考慮接受單個圖案化處理步驟的基底。如前所述，初始排列方向平行于z軸，而圖案化處理步驟產(chǎn)生平行于x軸的排列碎片。由此得到的體分子取向?qū)嶋H上具有兩個穩(wěn)定的結構，即關于z軸對稱的±θ體分子傾角。由于膜處理中的實驗變化，熱波動等，體分子排列在宏觀晶疇中采取+θ或-θ的結構。這些宏觀晶疇通過反向的傾斜壁分開。
現(xiàn)在考慮一種情況，其中圖案化處理步驟產(chǎn)生的排列沒有完全地平行于表面上的x方向，而是還有小的組成部分平行于z軸的方向。表面處的局部分子排列現(xiàn)在具有預傾角α，其相對較小(例如小于10°)，如圖6中所說明。預傾斜的大小取決于在其他情況中的排列層/液晶組合。預傾斜用于削弱兩個體分子排列方向的高能簡并，因此僅觀察到一個體宏觀傾斜。參考圖6，這意味著+θ或-θ態(tài)將形成但兩者不會同時形成。
提供+α和-α的兩種排列區(qū)域的圖案化處理步驟可以用于增加液晶可經(jīng)受的變形，如參考圖7(a)和(b)論證。在該說明中，特定的考慮將提供給區(qū)域中的體傾角θ，該區(qū)域中所需的體傾角θ為0°(標記為“1”)或90°(標記為“2”)。
首先，考慮一種情況，其中僅使用一種預傾角(假定+α)，如圖7(a)所示。體傾角θ決不可能等于0°，因為即使不使用垂直(θ＝90°)區(qū)域，體傾角也將簡單地等于基底上各處的預傾角(即θ＝α)。只要包含絕對90°區(qū)域的微圖案化區(qū)域在x-y面內(nèi)橫向延伸等于或大于單元厚度的距離，那利用一種預傾角實現(xiàn)θ～90°就是可能的。
現(xiàn)在考慮使用兩種預傾角(+α和-α)的情況，如圖7(b)所示。在圖7(b)中，標記在正方形中的平行排列區(qū)域具有預傾角-α，而剩余的區(qū)域具有預傾角+α。體預傾角這時可以等于零，這是由于相對預傾角的相鄰圖案化區(qū)域的平均(即+α和-α的平均值為零)。為了獲得θ～90°，考慮圖7(b)中標記為“2”的垂直區(qū)域，該區(qū)域被限制為一側(cè)為預傾角+α的區(qū)域，另一側(cè)為預傾角-α的區(qū)域。垂直區(qū)域任一側(cè)的相反體傾斜可防止垂直區(qū)域發(fā)生傾斜。與單預傾斜圖案化處理步驟相比，利用相對傾斜的平行區(qū)域限制垂直區(qū)域的技術能夠得到更大的液晶變形。因此，體分子取向中顯著的橫向變化(限制在x-z面內(nèi))現(xiàn)在可以在更短的距離上發(fā)生。
上述技術可以延伸到平行于其他平面方向的排列(即主要平行于y軸的排列也可以具有預傾角)。這使得兩維上(即x-y面)的屈曲變形增加。盡管上文已經(jīng)描述平行排列區(qū)域的排列比例可以改變，但應當理解，通過改變垂直排列區(qū)域的排列比例，可以實現(xiàn)相同的效果。
表面的周期圖案結構引起表面附近液晶取向中的周期變形。這些周期變形的橫向長度尺度和厚度使得通過微圖案化光學元件的光發(fā)生衍射。對于在此公開的一些實施例，這種衍射對性能沒有影響，而對于其他實施例，該衍射實際上可以是有用的。然而，對于那些衍射將降低性能的實施例，利用隨機而不是周期的排列圖案來避免光學衍射是可能的。
利用本發(fā)明的實施例，排列晶疇通常是在與液晶層厚度相當或小于液晶層厚度的尺度上。由此得到的在特定點處的液晶層的體光學特性為該點附近內(nèi)的排列區(qū)域的函數(shù)。大體上，體光學特性為至少兩個排列晶疇的函數(shù)。
體方位和體頂排列可以經(jīng)由表面的適當微圖案結構同時控制。這使得任何宏觀體指向矢的結構可以在器件或顯示器內(nèi)的任何橫向位置處得到。圖案結構可以出現(xiàn)在包括該器件的一個或兩個基底上。排列圖案結構可以為周期或隨機的。圖案結構可以利用任何生產(chǎn)上適合的技術，例如摩擦、光排列、光柵等來實現(xiàn)。圖案結構可以通過材料的選擇印刷(例如微接觸印刷)來實現(xiàn)，該材料在自己或結合排列材料的相鄰單層或多層上產(chǎn)生所需排列狀態(tài)。圖案結構可以通過至少兩層在彼此之上的沉積，然后選擇性地除去部分較高的單層或多層以曝光較低單層或多層的區(qū)域來實現(xiàn)，每層產(chǎn)生不同的排列狀態(tài)。排列層也可以至少部分通過選擇性地改變排列層的表面能來形成圖案。
只要局部圖案化區(qū)域與單元的整體厚度相當或小于單元的整體厚度，在表面上局部圖案化兩個或多個排列方向?qū)е缕骄暮暧^排列方向。體積中平均宏觀液晶指向矢取向具有兩個或多個能量穩(wěn)定的結構。
盡管上文已經(jīng)描述三種不同類型的排列區(qū)域T1、T2和T3形成為平行排列層，但應當理解，這些區(qū)域可以在平面或非平面表面上形成圖案。
在描述具體實施例之前，將簡短地描述本發(fā)明的實施例超越現(xiàn)有技術的一些優(yōu)點。
所有的液晶顯示器和器件要求排列技術的一些形式。之前考慮的商業(yè)上的LCD制造沒有利用表面的微圖案結構來實現(xiàn)平均體指向矢取向，如在本發(fā)明的實施例中那樣。具有橫跨x-y面變化的中間體傾角(10°＜θ＜80°)空間圖案化的LCD之前沒有被描述。本發(fā)明實施例中的微圖案化表面可以用于實現(xiàn)任何預傾角(即0°＜θ＜90°的角度范圍是可實現(xiàn)的＝＝＝＝＝＝＝＝。
具有中間預傾角的LCD和器件具有的應用為例如像移器，漸變折射率透鏡等，這些將在下文詳細描述。這些器件可以僅利用一個圖案化處理步驟的最小值制造。利用兩個圖案化處理步驟的最小值就可以實現(xiàn)指向矢取向上完全的控制(即在x-y面內(nèi)任意位置處的任意θ，φ取向)。在連續(xù)性理論的約束下，兩個圖案化處理步驟的使用可以用于將一種任意的排列方向連續(xù)地轉(zhuǎn)換為位于基底上其他位置處的另一種?？梢允褂迷诒砻嫣幭魅跖帕泻啿⒌母郊訄D案化處理步驟以便增加屈曲變形的量。
本發(fā)明實施例中的指向矢結構單獨通過基底表面處的微圖案化排列實現(xiàn)，因此不需要能量去“激活”微圖案化光學器件，這不同于文獻中之前描述的許多類似的元件。本發(fā)明實施例中的微圖案化指向矢結構也可以是可轉(zhuǎn)換的，這不同于文獻中之前描述的許多類似的元件(由石英、活性(reactive)mesogen等制造)。
作為選擇，本發(fā)明實施例中的指向矢結構可以永久固定；由此得到的結構對電場、熱循環(huán)等是不變的。這可以以兩種不同的方式實現(xiàn)。一種方法為用液晶和單體前身的混合物填充單元(其具有圖案化的排列區(qū)域)。在UV光下曝光使單體聚合以形成網(wǎng)絡，由此得到的結構實際上對外部物理條件不起作用。另一種實現(xiàn)相同目標的方法為用活性mesogen(RM)填充單元(其具有圖案化的排列區(qū)域)，然后在UV光下使RM聚合。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的具體應用。
光學相位延遲器用于控制反射或透射光的相位和偏振態(tài)。常規(guī)的空間相位延遲片由許多有效可尋址液晶象素組成，每個象素起單獨的可變延遲器的作用。這種類型的空間光調(diào)制器類型的分辨率被限制為象素分辨率(～50μm)。關于入射光線的相位延遲因此在一個象素的區(qū)域上是不變的。
圖案化無源延遲片之前也已經(jīng)公開。在這些器件中，光軸假定為兩個可能的宏觀取向之一。光軸保持不變的晶疇的尺寸通常為～100μm，因此這些器件的使用被限制到一些特殊的應用。
根據(jù)本發(fā)明實施例的微圖案化光學相位延遲器可以用于連續(xù)控制在顯著高于象素的分辨率(～1μm)處的延遲。光束經(jīng)過的相位改變與體光軸相對于入射光的頂角(θ)和方位角(φ)有關。因此，具有連續(xù)變化相位和偏振態(tài)的偏振波前可以轉(zhuǎn)換為新的偏振波前，其可以或不可以具有空間變化的相位和偏振態(tài)。任何偏振的輸入波前可以轉(zhuǎn)換為任何所需的偏振波前。為了制造這種器件，排列層將形成圖案以產(chǎn)生橫跨x-y面的所需光軸取向(所需θ和φ)。
本發(fā)明的實施例也可以應用于“軟”視差阻擋層的制造，例如用于多視圖和三維自動立體顯示器件。軟視差阻擋層，其在GB 2352573A和GB 2315902A中公開，具有空間非均勻透射功能。這種軟視差阻擋層可以利用使本發(fā)明具體化的微圖案化排列技術來制造。適當?shù)奈D案結構應用于排列單層或多層以制造具有預定節(jié)距的空間變化延遲的延遲器。延遲器夾在適當?shù)钠衿髦g以產(chǎn)生非均勻透射功能(即軟視差阻擋層效果)?？臻g強度分布的函數(shù)形式將取決于微圖案結構的細節(jié)。例如，微圖案結構可以是(a)垂直和平行以產(chǎn)生可控的預傾角(面外延遲控制)；或(b)兩個正交平行方向以產(chǎn)生可控的面內(nèi)延遲控制。
下文將描述可轉(zhuǎn)換液晶漸變折射率(GRIN)透鏡實施例的應用。這種可轉(zhuǎn)換GRIN透鏡之前已經(jīng)公開。液晶GRIN透鏡的一種已知類型通過不均勻電場激活。然而，這些透鏡需要電極和驅(qū)動電路的復雜陣列，以便得到正確的橫向分子結構，以聚焦入射光[S.Sato J.Appl.Phys.，18，1679(1979)]。聚合物分散的液晶(PDLC)GRIN透鏡具有簡單的驅(qū)動電子設備和電極結構，但要求高驅(qū)動電壓，并具有1cm級的寬度[H.Ren and S-TWu，App.Phys.Letts.，82，22(2003)]。由于中性密度掩模生產(chǎn)中的限制，制造的PDLC透鏡寬度不小于1cm，因此不可能制造成微透鏡陣列。
圖8說明了本發(fā)明的一種可能的以可轉(zhuǎn)換液晶漸變折射率(GRIN)透鏡的形式的應用，該透鏡聚焦一種線性偏振態(tài)的光而透射正交偏振態(tài)的光。為了在本發(fā)明的實施例中經(jīng)由微圖案結構實現(xiàn)可轉(zhuǎn)換GRIN透鏡，垂直和平行排列的比例需橫向改變。微排列中的橫向變化能夠得到用于聚焦光的適當?shù)捏w指向矢輪廓，如圖8中所示。在該器件中，聚焦光的有效折射率從透鏡的邊緣向透鏡的中心增加。因此透鏡將聚焦恰當偏振的入射光。這種類型的透鏡被稱為正GRIN透鏡。
通過互換平行排列區(qū)域和垂直排列區(qū)域，在正GRIN透鏡中反之亦然，器件的有效折射率將從透鏡的邊緣向中心下降。這種類型的透鏡將使恰當偏振的入射光從虛焦點發(fā)散。這為負GRIN透鏡。
參考圖8詳細描述的可轉(zhuǎn)換微圖案化GRIN透鏡的變形為扭曲向列(TN)GRIN透鏡，如圖9所示。該器件除了頂基底關于底基底旋轉(zhuǎn)(扭曲)任意角度以外，具有與圖8相似的橫向圖案結構。沒有手性摻雜時，最大允許扭曲為90°。該器件的原理為對應于正透鏡結構的原理(即有效折射率從透鏡邊緣向中心增加)，當偏振光的面被旋轉(zhuǎn)時給定的線性偏振態(tài)也同時聚焦。通過該透鏡線性偏振光被旋轉(zhuǎn)的角度等于頂基底關于底基底旋轉(zhuǎn)的角度。對于恰當工作的器件，Mauguin條件(λ＜＜0.5pΔn)必須在橫跨透鏡的所有點處滿足。因此對于最大允許的體預傾角(θ)存在實際的限制。當θ增加時，Δn減少為Δn＝noff-n0，其中1/noff2＝(sin2θ/n02)+(cos2θ+n02)。
上文參考圖8描述的實施例為液晶漸變折射率(GRIN)透鏡，其聚焦一種線性偏振的光而透射基本不受影響的正交偏振。在圖8的實施例中，施加到頂基底和底基底的圖案結構產(chǎn)生在整個體中x-y面內(nèi)具有橫向傾斜彎曲變形的指向矢輪廓，其導致僅對于一種特定偏振光起透鏡功能。一種選擇為對兩個基底都提供圖案結構以便產(chǎn)生在整個體中x-y面內(nèi)具有橫向扭曲變形而不是傾斜彎曲變形的指向矢輪廓。扭曲變形將導致對于一種線性偏振光的透鏡功能，而傾斜彎曲變形將導致對于正交線性偏振的透鏡功能。這種扭曲構造在圖10中說明。
在圖8和圖10的實施例中，頂基底和底基底都具有圖案化排列層。這些可以稱為“Fredericks”器件，意思是在兩個基底上存在圖案化排列。在替代的結構中，排列圖案結構僅位于單個基底上，相對的基底具有排列但該排列沒有形成圖案；這可以稱為混合排列向列或“HAN”器件。應當理解，本發(fā)明的實施例采取下面任一種結構“Fredericks扭曲”、“Fredericks傾斜彎曲”，“HAN扭曲”和“HAN傾斜彎曲”。
利用上述技術形成的透鏡也可以平鋪以形成微透鏡陣列。這使得它們作為在多視圖和三維自動立體顯示器件中的視差元件、或?qū)τ谙笏爻上窕驅(qū)τ谝暡钭钃鯇涌讖匠上裉貏e有用，這些通常在文獻中描述。上文已經(jīng)描述本發(fā)明的實施例用作“軟”視差阻擋層。此外，通過使本發(fā)明具體化的技術形成的微透鏡陣列可以直接用作透鏡型視差元件，如在圖11中示意地說明。通過使本發(fā)明具體化的技術形成的微透鏡陣列也可以用于多視圖型顯示器，其中視差阻擋層、孔徑或象素利用透鏡系統(tǒng)再成像，例如GB 2405543A中公開的內(nèi)容；這種類型的裝置在圖12中示意說明。
上面參考圖8到10描述的實施例試圖聚焦一種線性偏振光，而透射基本不受影響的正交偏振。圖13(a)說明了使本發(fā)明具體化的GRIN透鏡，其能夠聚焦兩種線性偏振的光，或完全非偏振的光。圖13(a)的實施例基本通過將具有傾斜彎曲結構的GRIN透鏡和具有扭曲結構的一個透鏡結合來實現(xiàn)。如圖13(a)所示，頂基底和底基底被圖案化以便提供在區(qū)域R2向頂基底的區(qū)域中的扭曲透鏡，以及在區(qū)域R1向底基底的區(qū)域中的傾斜彎曲透鏡，它們配合以聚焦非偏振光。頂基底和底基底上微圖案結構的確切細節(jié)沒有示出，但本領域的技術人員從其他描述中將很清楚。圖13(a)中說明的液晶取向為通過兩個各自的基底，而不是各個基底附近的表面排列產(chǎn)生的體取向。橫跨較低基底橫向延伸的指向矢輪廓具有傾斜彎曲(在該頁紙的面內(nèi))變形，并聚焦平行于該頁面偏振的光。橫跨頂基底橫向延伸的指向矢輪廓具有扭曲(扭曲入該頁面內(nèi))變形，并聚焦垂直于該頁面偏振的光。兩種不同偏振態(tài)的折射率的空間分布在圖13(b)中說明。
基底上圖案結構的周期和覆蓋層可以相似或不相似。在圖13(a)中說明的頂基底扭曲透鏡和底基底傾斜彎曲透鏡具有一致的節(jié)距，但彼此橫向在180度相位范圍外；因此兩種偏振態(tài)被聚焦到不同的空間位置。頂基底關于底基底的相對位置確定兩種偏振態(tài)的聚焦位置是否重合。在器件中給定的橫向位置處，如果底基底處的平均傾角大約與頂基底處的平均傾角相同，那么兩種偏振態(tài)的焦點重合；這表示底基底圖案結構和頂基底圖案結構為“相位內(nèi)”。
體現(xiàn)本發(fā)明的GRIN透鏡具有的優(yōu)點在于即使不存在施加的電壓時，也聚焦光。該聚焦作用也可以利用橫跨液晶層施加適當?shù)碾妷簛硐?。通過改變中間級處的施加電壓，透鏡的f數(shù)也可以在這兩個極值之間連續(xù)變化。這具有改變透鏡焦距的效果。同樣，由于該實施例中的聚焦作用僅對特定線性偏振有效，因此通過轉(zhuǎn)換或改變輸入光的偏振而不需要任何直接涉及透鏡本身的結構，使體現(xiàn)本發(fā)明的這種器件可以被轉(zhuǎn)換，或其聚焦作用被調(diào)制。當然，對于簡單的應用，可以提供體現(xiàn)本發(fā)明的固定GRIN透鏡而不需要任何橫跨液晶層施加電壓的裝置，或任何其他類型的轉(zhuǎn)換裝置。
利用分段電極裝置以產(chǎn)生施加電場，得到透鏡功能的更復雜控制是可能的，這樣的例子在圖14中示出。在圖14示出的實施例中，基于上文參考圖8描述的GRIN透鏡類型，均勻的電極V0和V4結合分段電極V1和V2使用從而允許透鏡焦點的橫向(左—右)位置發(fā)生改變。該焦點的橫向移動通過利用電極在對稱相位輪廓中產(chǎn)生不對稱液晶相位排列輪廓來實現(xiàn)。在電極V0、V1、V2和V3之間沒有電勢差時，透鏡將入射的線性偏振光聚焦到圖14中標記為“1”的位置。如果V0和V1之間的電勢差不是零，V0、V2和V3之間的電勢差為零，則透鏡將入射的線性偏振光聚焦到標記為“3”的位置。如果V0和V2之間的電勢差不是零，V0、V1和V3之間的電勢差為零，則透鏡將入射的線性偏振光聚焦到標記為“2”的位置。V0和V3之間的任何電勢差將移動焦點的縱向(上—下)位置到進一步遠離液晶層的位置。當V0和V3之間的電勢差適當大時，焦點出現(xiàn)在無窮遠處(即不具有透鏡功能)。
圖15說明了體現(xiàn)本發(fā)明的GRIN透鏡陣列，其中光可以按照圖15中示出的虛線或?qū)嵕€傳播，但不可能同時沿兩條線傳播。分段電極的使用可以用于將光從虛線光路轉(zhuǎn)換到實線光路。這通過橫向移動對稱相位輪廓直到透鏡的一半節(jié)距來實現(xiàn)，因此總效應為橫向移動透鏡的中心。這可以利用圖16中示出的分段電極裝置實現(xiàn)，其中分段電極V1、V2和V4和均勻電極V0和V3與GRIN透鏡結構中的雙頻液晶材料結合使用。如果所有電極之間的電勢差為零，則器件以之前描述的方式聚焦光。如果每個分段電極V1、V2和V4和電極V0之間的各個電勢差不是零，則對于雙頻液晶材料，透鏡的垂直排列部分可以轉(zhuǎn)換為平行，而透鏡的平行排列部分轉(zhuǎn)換為垂直。因此，焦點位置被橫向移動(圖16中左—右)。V0和V3之間適當?shù)碾妱莶顚⒁苿咏裹c的縱向(上—下)位置到進一步遠離液晶層的位置。當V0和V3之間的電勢差適當大時，焦點出現(xiàn)在無窮遠處(即不具有透鏡功能)。
多種其他類型的電極分段對本領域的技術人員而言是顯而易見的。例如，利用適當分段的電極裝置，液晶層的第一橫向區(qū)域可以施加大電場，而第二橫向區(qū)域沒有施加電場。第一區(qū)域的透鏡功能將禁用，僅留下第二區(qū)域的透鏡功能。如果分段電極裝置與體現(xiàn)本發(fā)明的GRIN透鏡排列成行，那么陣列中的單個透鏡，或透鏡組可以獨立地轉(zhuǎn)換為開或關。
由排列單層或多層產(chǎn)生的體液晶排列圖案與由分段電極施加的場的圖案結構配合，從而提供靈活和可配置的微透鏡裝置。如上所述，透鏡的空間位置在工作期間可以改變，同樣，它們的寬度和焦距也可以改變。該能力使得這種類型的光學裝置在包含取景器追蹤和/或時間復用能力的多視圖顯示器件方面特別有用。
本發(fā)明的另一種應用為可轉(zhuǎn)換像移器件，如圖17所示。在該實施例中，液晶排列形成圖案使得角度γ形成在液晶層的光軸和垂直于表面之一入射的光之間。沒有電壓施加時，器件經(jīng)由雙折射機構將光空間分離為兩種線性偏振組分。角度δ為在光軸面內(nèi)偏振的光傳播的“離分”角。光束的分離度(圖17中用“d”表示)為有效的液晶雙折射、光軸相對于入射角的角度(即離分角)和該器件的厚度的函數(shù)。對于最佳空間分束，30°＜γ＜60°。利用體現(xiàn)本發(fā)明的方法具有垂直和平行排列區(qū)域的器件表面的適當微圖案結構將給出所需的體光軸傾角。施加適當?shù)碾妷汉?，光軸可以基本重新排列，因此器件將回復到對透射光沒有影響的惰性光學元件。
盡管無源(不可轉(zhuǎn)換)像移器很普遍并且通常由單個石英晶體或耐熱合金制造，但之前對于可轉(zhuǎn)換像移器沒有任何公開。得到適當尺寸以及切割的晶體可能是困難的，并且研制周期通常很長(6個月或更長)，因此根據(jù)本發(fā)明實施例制造的像移器即使在非轉(zhuǎn)換形式方面也具有顯著的優(yōu)點。
頂雙穩(wěn)態(tài)器件已經(jīng)在文獻中報道，其可以在兩個穩(wěn)定的體分子排列結構之間轉(zhuǎn)換[Proceedings of Society for Information Display International Symposium.Digest of Technical Papers Volume XXVIII，Boston，MA，USA(1997)5.3，pp.37-40]。為了實現(xiàn)該操作，一種排列表面為物理表面浮雕光柵，而另一種表面為均勻平行或垂直的。通過施加電場和產(chǎn)生液晶彎電偏振的光柵的相互作用，器件可以被轉(zhuǎn)換到兩種穩(wěn)定態(tài)之一。
以相似方法操作的器件可以通過本發(fā)明實施例的表面排列圖案結構的適當使用來實現(xiàn)(見圖18)。圖案化處理步驟可以用于制造基本+45°和-45°傾角的區(qū)域(或任何其他適當?shù)慕嵌龋@取決于應用，例如±30°和±60°之間的角度對其他應用可以是適當?shù)?。產(chǎn)生彎電偏振的傾角和施加場的相互作用使器件能夠轉(zhuǎn)換到兩個宏觀態(tài)之一。這兩種狀態(tài)能量上是穩(wěn)定的(即無論選擇哪種狀態(tài)，它在施加的電場去除后保持不變)。通過適當波形的施加，可以形成連續(xù)的狀態(tài)(圖18的左手側(cè))或不連續(xù)狀態(tài)(圖18的右手側(cè))。為了這個目根據(jù)在先技術實現(xiàn)均勻(或調(diào)制)表面浮雕光柵結構是困難的。因此任何對于所需光柵結構的微小偏離都將對轉(zhuǎn)換狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。根據(jù)本發(fā)明實施例經(jīng)由兩個圖案化處理步驟形成的可以相同方式操作的器件的簡易性具有制造和產(chǎn)量的優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明實施例可以實現(xiàn)的另一種類型的雙穩(wěn)態(tài)器件為雙穩(wěn)態(tài)混合排列向列(BHAN)器件，體現(xiàn)本發(fā)明的BHAN器件在圖19中說明。利用體現(xiàn)本發(fā)明的方法，具有垂直和平行排列的器件表面的適當微圖案結構將導致體平均傾角，其采取“正”或“負”傾角，如圖19中說明。兩個穩(wěn)定態(tài)為彼此的鏡像，且能量上簡并。圖19的左手側(cè)示出了穩(wěn)定“正”態(tài)時的器件，其中液晶體取向沿一個方向傾斜，圖19的右手側(cè)示出了另一穩(wěn)定的“負”態(tài)時的器件，其中液晶體取向沿相反方向傾斜。圖案化處理步驟可以用于制造具有基本+45°和-45°傾角的穩(wěn)定態(tài)的區(qū)域(或任何其他適當?shù)慕嵌?，這取決于應用，例如30°和60°之間的角度對其他應用可以是適當?shù)?，或甚?0°到80°之間)。
通過耦合介電各向異性和/或液晶的彎電組分，適當?shù)碾妶隹梢杂糜谠诜€(wěn)定態(tài)之間轉(zhuǎn)換。此外，根據(jù)流體流動的方向，液晶沿基本平行于基底方向的體流體流將引起器件在穩(wěn)定態(tài)之間轉(zhuǎn)換。沿特定方向的流體流(圖19所示器件中向右或向左)將引起器件轉(zhuǎn)換到具有沿該方向傾斜的體液晶取向的穩(wěn)定態(tài)。該產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的流體流可以通過機械或電裝置實現(xiàn)?；椎臋C械變形可以用于引起轉(zhuǎn)換，這是觸覺敏感液晶模式的例子。適當?shù)碾妶鲆部梢杂糜诋a(chǎn)生體流體流，其作為引起穩(wěn)定態(tài)之間轉(zhuǎn)換的媒介。
本發(fā)明也可以應用到表面模式液晶器件，其中通過改變橫跨液晶的場引起的光學變化主要出現(xiàn)在液晶的表面層中。這種器件的一個例子已知為pi-單元，其中液晶配置在產(chǎn)生平行排列的排列層之間。本發(fā)明的實施例也可以應用于實現(xiàn)pi-單元的更小閾值轉(zhuǎn)換，如下文所述。
表面模式液晶器件(LCD)公開在Mol Cryst.Liq.Cryst.，1972，19，123-131“向列液晶在電場中的變形”，Sov.J.Quant.Electron.，1973，3，78-9，“在取向液晶膜中的電光轉(zhuǎn)換”，和US 4385806中。pi-單元類型的LCD公開在MolCryst.Liq.Cryst.，1984，113，329-339，“pi-單元快速液晶光學轉(zhuǎn)換器件”，US 4635051和GB 2276730中。一般已知的pi-單元結構包括配置在平行摩擦的聚酰亞胺排列層之間液晶層，并設有適當?shù)膶ぶ冯姌O。利用該結構的顯示器提供開和關狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換時間，例如毫秒級或更小。
在橫跨液晶層的電場不存在時，已知類型的液晶位于傾斜模式(或H態(tài))，下文將詳細描述。對于以pi-單元模式工作的已知顯示器，通過適當電場的施加，液晶必須轉(zhuǎn)換成V態(tài)，如下文詳細描述。然而，當最初施加適當?shù)碾妶鰰r，需要花費幾秒鐘用于將顯示器改變到V態(tài)。當橫跨單元電極的電壓超過臨界(閾值)電壓時，發(fā)生從傾斜態(tài)到V態(tài)的轉(zhuǎn)換，該單元的驅(qū)動電壓因此在顯示器的工作期間必須總是超過臨界電壓。如果驅(qū)動電壓降到臨界值以下，則液晶回復到扭曲狀態(tài)，其中在排列表面之間的液晶存在180度扭曲。
圖20示出了已知類型的包括單元1的液晶器件，具有第一基底4，其上沉積導電電極2和排列層3。第二基底4a類似地具有導電電極5和排列層6。液晶7形成在排列層3和6之間。圖20說明了單元的傾斜態(tài)，其為沒有電場時特別是在電極2和5之間沒有電勢差時液晶7的狀態(tài)。液晶分子的指向矢通過短線8說明。在排列層3和6的表面處，指向矢基本彼此平行(在單元的面內(nèi))并指向相同方向。在排列層3和6處的液晶指向矢具有關于排列層3和6的表面的1度到10度之間量級的預傾角。整個單元的液晶指向矢彼此平行或幾乎平行，如圖所示。
為了建立pi-單元工作，液晶必須改變到V態(tài)，如圖21所示。交替電壓施加在電極2和5之間，RMS幅度大于閾值，該閾值對于液晶材料E7而言為1.5到2V級，因此液晶從傾斜態(tài)改變到V態(tài)，這通過圖2中液晶分子指向矢所說明。如前所述，對于V態(tài)的建立需要一些時間，一般為秒級或甚至分級。一旦V態(tài)已經(jīng)建立，在已知的單元中，驅(qū)動電壓一定不能降到預定值以下，以便保持V態(tài)下的pi-單元工作。在pi-單元模式下的正常工作期間，相鄰排列層3和6的液晶層中的指向矢根據(jù)在電極2和5之間施加的電壓幅度改變方向。這引起單元改變的延遲，該效應可以用于提供如下文所述的顯示器。
當施加到電極2和5的驅(qū)動電壓減小到臨界電壓以下時(對于液晶材料E7，一般為約1.2到1.6V)，液晶7從V態(tài)回復到扭曲態(tài)。如果對于任何相當長的時間，驅(qū)動電壓保持在該電壓以下，那么扭曲態(tài)進一步逐漸回復到傾斜態(tài)，其一般需要小于一秒到幾分鐘的時間。如果處于扭曲態(tài)時適當?shù)尿?qū)動電壓再次施加到單元，則液晶7可以直接返回到V態(tài)，盡管轉(zhuǎn)換到扭曲態(tài)和從扭曲態(tài)轉(zhuǎn)換的響應時間比在V態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)換的一般響應時間小得多。然而，如果任何傾斜的晶疇在扭曲區(qū)域中形成，則從傾斜態(tài)到V態(tài)的初始緩慢的轉(zhuǎn)變必須重復以去除這些晶疇。
一般理想的是能夠使處于V態(tài)的液晶穩(wěn)定以避免上述缺點，因此在橫跨液晶施加的場不存在的情況下V態(tài)將保持。然后在器件已經(jīng)轉(zhuǎn)換為關后，對于變換V態(tài)沒有時間要求。進一步，這種器件可以與其中一個驅(qū)動電壓為零的驅(qū)動電路一起使用。之前的建議已經(jīng)包括聚合物的使用以穩(wěn)定LCD的膽甾特征(TheConference record of the International Display Research Conference，1991，49-52“零場處的膽甾液晶/聚合物凝膠分散雙穩(wěn)態(tài)”)。顯示器通過對膽甾液晶增加少量的單體而形成。單體的聚合改變顯示器的轉(zhuǎn)換特性以形成兩個半穩(wěn)定態(tài)。這些態(tài)可以在橫跨液晶施加的場不存在時存在，并且可以通過橫跨液晶的適當?shù)碾妷好}沖尋址。
根據(jù)本發(fā)明實施例的允許同時控制橫跨液晶層的宏觀方位和頂液晶排列的方法可以用于設計液晶預傾角。通過這樣，可以防止H態(tài)形成，并且不再需要使V態(tài)集結(nucleate)。足夠大的預傾角，例如約40°和55°之間，將防止H態(tài)形成，因此pi-單元總是處于所需的V態(tài)。
多重超扭曲向列板的工作依靠陡峭的電光曲線(即對于電壓微小的變化，傳輸?shù)淖兓艽?。然而，在該結構中對于液晶單元的陡峭的電光曲線引起不需要的條紋變形。在條帶狀圖案中，局部光軸沿兩個空間坐標改變其取向，該坐標中一個垂直于層，一個平行于層(條紋垂直于單元中間的局部光軸操作)。
The Conference record of the International DisPlay Research Conference，1994，480-483，“聚合物穩(wěn)定的SBE器件”公開了在超扭曲雙折射效應(SBE)器件，也稱為超扭曲向列(STN)器件中用于產(chǎn)生液晶的體預傾角的技術。單體增加到液晶中，在橫跨液晶單元施加電壓的同時聚合。聚合物的作用在于通過產(chǎn)生液晶的體預傾角消除來自SBE或STN顯示器的條紋變形。然而，聚合物會使STN器件的轉(zhuǎn)換速度變慢。
可以防止條紋變形在具有足夠大的預傾角(θ～＞10°)單元中形成，而所需的預斜角可以利用本發(fā)明的實施例容易地實現(xiàn)。
權利要求
1.一種允許同時控制橫跨液晶層的宏觀方位和頂液晶(LC)排列(φ，θ)的方法，該方法通過控制圖案化排列層中第一、第二和第三不同類型的排列區(qū)域(T1，T2，T3)之間的面積比來實現(xiàn)，三種不同類型的排列區(qū)域(T1，T2，T3)傾向于沿三種各不相同的、不共面的、主要取向(z，x，y)產(chǎn)生液晶層中的液晶排列。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中第一類型(T1)的排列區(qū)域傾向于產(chǎn)生基本垂直的排列(z)，第二和第三類型(T2，T3)的排列區(qū)域傾向于沿不同的各個主要取向(x，y)產(chǎn)生基本平行的排列，其中宏觀頂液晶排列(θ)的控制通過控制垂直(T1)和平行(T2，T3)類型區(qū)域之間的面積比來實現(xiàn)，宏觀方位(φ)液晶排列的控制通過控制兩個平行類型區(qū)域(T2，T3)之間的面積比來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權利要求1或2的方法，其中第二和第三類型(T2，T3)的排列區(qū)域傾向于沿基本正交的主要取向(x，y)產(chǎn)生排列。
4.根據(jù)權利要求1、2或3的方法，其中排列層通過下述步驟形成圖案提供具有第一類型(T1)的基本均勻初始排列的排列層，應用第一圖案結構步驟以產(chǎn)生第二類型(T2)的排列區(qū)域，以及應用第三圖案結構步驟以產(chǎn)生任何所需的第三類型(T3)的排列區(qū)域。
5.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中對于液晶層的至少一部分，第三和第二類型(T3，T2)之間的面積比為零。
6.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中至少一種類型的排列區(qū)域(T1，T2，T3)具有稍微不同排列的兩種選擇，以提供宏觀液晶排列(φ，θ)的進一步控制。
7.根據(jù)權利要求6的方法，其中第二類型的排列區(qū)域(T2)具有兩種這樣的選擇，即第二類型(T2)的兩種選擇用在第一類型(T1)排列區(qū)域的相對兩側(cè)。
8.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層至少部分通過光排列來形成圖案。
9.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層至少部分通過摩擦來形成圖案。
10.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層至少部分通過表面浮雕光柵來形成圖案。
11.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層至少部分通過一種在另一種之上的至少兩種類型材料的選擇印刷來形成圖案，每種類型的材料傾向于產(chǎn)生一種類型的排列，其不同于至少兩種類型的另一種類型材料產(chǎn)生的排列。
12.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層至少部分通過形成至少兩層材料層來形成圖案，每層傾向于產(chǎn)生不同于另一層的排列類型，并且選擇地除去這些層的至少之一的一部分以曝光該部分之下的至少一層的一部分。
13.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層至少部分通過選擇改變排列層的表面能來形成圖案。
14.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中第二排列層設置在與圖案化、第一排列層相對的液晶層的表面上。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中兩種排列層配合產(chǎn)生液晶排列(φ，θ)的宏觀圖案，以旋轉(zhuǎn)特定線性偏振的入射光的偏振。
16.根據(jù)權利要求14的方法，其中兩種排列層配合以產(chǎn)生液晶層中液晶排列的V態(tài)pi-單元圖案。
17.根據(jù)權利要求14到16的任一權利要求的方法，其中第二排列層也形成圖案。
18.根據(jù)權利要求17的方法，其中第二排列層設有與第一排列層相同的排列區(qū)域的圖案類型。
19.根據(jù)權利要求17的方法，其中第一排列層在液晶層的第一區(qū)域(R1)中產(chǎn)生液晶排列(φ，θ)的第一宏觀圖案，第二排列層在液晶層的第二區(qū)域(R2)中產(chǎn)生不同于第一宏觀圖案的液晶排列(φ，θ)的第二宏觀圖案，第二區(qū)域基本不同于液晶層的第一區(qū)域(R1)。
20.根據(jù)權利要求19的方法，其中第一和第二區(qū)域(R1，R2)在液晶層內(nèi)形成各自的子層，并且第一區(qū)域(R1)設置在第一排列層和第二區(qū)域(R2)之間。
21.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層的圖案結構至少部分是周期的。
22.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中排列層的圖案結構至少部分是隨機的。
23.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中區(qū)域的圖案類型的至少一個橫向尺寸與液晶層的厚度相當或者小于液晶層的厚度。
24.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中宏觀排列改變以與液晶層的厚度相當或者小于液晶層厚度的尺度實現(xiàn)。
25.根據(jù)前述權利要求中任一權利要求的方法，其中第一、第二和第三不同類型(T1，T2，T3)的排列區(qū)域之間的至少一個面積比橫跨排列層改變。
26.根據(jù)權利要求25的方法，其中該至少一個面積比的變化以與液晶層的厚度相當或小于液晶層厚度的尺度發(fā)生。
27.根據(jù)權利要求25或26的方法，其中控制該變化以便橫跨液晶層的液晶排列的宏觀圖案對于特定線性偏振的入射光呈現(xiàn)變化延遲。
28.根據(jù)權利要求27的方法，其中延遲的變化提供該偏振光的波前調(diào)制功能。
29.根據(jù)權利要求27的方法，其中延遲的變化對面該偏振光提供透鏡功能。
30.根據(jù)權利要求27、28或29當其從屬于權利要求19時的方法，其中第一和第二排列層的面積比發(fā)生變化，控制該變化以便液晶排列(φ，θ)的第一宏觀圖案對于第一線性偏振的入射光呈現(xiàn)變化延遲，液晶排列(φ，θ)的第二宏觀圖案對于不同于第一線性偏振的第二線性偏振的入射光呈現(xiàn)變化延遲。
31.根據(jù)權利要求30當其從屬于權利要求29時的方法，其中對于第一和第二線性偏振都提供透鏡功能。
32.根據(jù)權利要求1到23中任一權利要求的方法，其中液晶排列(φ，θ)的均勻宏觀圖案橫跨液晶層形成，以形成其光軸與其表面之一成一定角度排列的雙折射光學元件，以便對于入射到該表面上的光提供像移功能。
33.一種包括液晶(LC)層和至少一層圖案化排列層的光學器件，該液晶層具有橫跨液晶層的方位和頂液晶排列(φ，θ)的宏觀圖案，其利用任一前述權利要求的方法來實現(xiàn)。
34.根據(jù)權利要求33的光學器件，在遠離平行排列的10和80度之間的至少部分液晶層上具有宏觀頂排列(θ)。
35.根據(jù)權利要求33或34的光學器件，其中宏觀排列圖案(φ，θ)具有兩種或多種穩(wěn)定的結構。
36.根據(jù)權利要求35的光學器件，其中通過施加電場和/或施加磁場和/或施加機械力和/或在液晶層內(nèi)產(chǎn)生宏觀流體流，使宏觀排列(φ，θ)在兩種或多種穩(wěn)定的結構之間轉(zhuǎn)換。
37.根據(jù)權利要求35或36的光學器件，其中宏觀排列圖案(φ，θ)在至少部分液晶層中具有兩種在宏觀頂角(θ)方面彼此不同的穩(wěn)定結構。
38.根據(jù)權利要求33到37中任一權利要求的光學器件，包括用于橫跨至少部分液晶層施加電場和/或磁場的裝置，以便使該至少部分液晶層的宏觀排列圖案(φ，θ)取決于至少一層排列層和任何施加的場。
39.根據(jù)權利要求38的光學器件，從第一模式轉(zhuǎn)換到第二模式，第一模式中液晶具有通過至少一層排列層基本確定的宏觀排列圖案(φ，θ)，第二模式中液晶具有通過施加的場基本確定的宏觀排列圖案(φ，θ)。
40.根據(jù)權利要求38或39的光學器件，其中場施加裝置可操作以橫跨液晶層的不同部分施加不同的電場和/或磁場。
41.根據(jù)權利要求38到40中任一權利要求的光學器件，其中場施加裝置包括電極。
42.根據(jù)權利要求41當其從屬于權利要求40時的光學器件，其中至少一些電極是分段的。
43.根據(jù)權利要求33到42中任一權利要求的光學器件，包括改變輸入到該器件的光的偏振的裝置。
44.一種漸變折射率GRIN透鏡，包括權利要求33到43中任一權利要求，當其從屬于權利要求29時的光學器件。
45.根據(jù)權利要求44當其從屬于權利要求15時的GRIN透鏡，為扭曲向列GRIN透鏡。
46.一種光學延遲器，包括權利要求33到43中任一權利要求，當其從屬于權利要求27時的光學器件。
47.一種視差阻擋層，包括權利要求46中的光學延遲器和至少一個起偏振器。
48.一種顯示器件，包括權利要求33到47中任一權利要求的光學器件、透鏡、延遲器或阻擋層。
49.根據(jù)權利要求48的顯示器件，其中顯示器件是多視圖顯示器件。
50.一種波前調(diào)制器，包括權利要求33到43中任一權利要求，當其從屬于權利要求28時的光學器件。
51.一種像移器，包括權利要求33到43中任一權利要求，當其從屬于權利要求32時的光學器件。
全文摘要
一種允許同時控制橫跨液晶層的宏觀方位和頂液晶排列(φ，θ)的方法，該方法通過控制圖案化排列層中第一、第二和第三不同類型的排列區(qū)域(T1，T2，T3)之間的面積比來實現(xiàn)，三種不同類型的排列區(qū)域(T1，T2，T3)傾向于沿三種各不相同的、不共面的、主要取向(z，x，y)產(chǎn)生液晶層中的液晶排列。在所述例子中，第一類型的排列區(qū)域(T1)傾向于產(chǎn)生基本垂直的排列(沿z方向)，第二和第三類型的排列區(qū)域(T2，T3)傾向于沿不同的各個主要取向(沿x和y方向)產(chǎn)生基本平行的排列。宏觀頂液晶排列(θ)的控制通過控制垂直(T1)和平行(T2，T3)類型區(qū)域之間的面積比來實現(xiàn)，宏觀方位液晶排列(φ)的控制通過控制兩個平行類型區(qū)域(T2，T3)之間的面積比來實現(xiàn)。
文檔編號G02F1/13GK1727966SQ20051007830
公開日2006年2月1日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權日2004年3月6日
發(fā)明者N·史密斯, P·A·加斯, J·P·布蘭布利, M·D·蒂林, B·M·莫斯格拉夫 申請人:夏普株式會社