相位調(diào)制器的制造方法
【專利說明】相位調(diào)制器
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于偏振光的相位調(diào)制器，包括具有第一表面的第一基板和具有 第二表面的第二基板，兩個基板之間的液晶層（也稱為LC層）和基于具有大的預(yù)傾角的LC 取向（LC=液晶）的電極布置，以及涉及一種用于產(chǎn)生這種相位調(diào)制器的方法。
[0002] WO 2011/067265 Al描述了一種相位調(diào)制器，其用于調(diào)制與相位調(diào)制器相互作用 的光線。用于調(diào)制圓形偏振光的相位的WO 2011/067265 Al中所描述的相位調(diào)制器尤其包 含第一和第二基板及在兩個基板之間的液晶層，配置所述基板的表面以便將緊鄰第一表面 的液晶分子定向在實質(zhì)上平行于第一表面的方向中，并將緊鄰第二表面的液晶分子定向在 實質(zhì)上垂直于第二表面的方向中。這種定向也稱為向列型（HAN)液晶的混合取向。
[0003] 如WO 2011/067265 Al所公開的，使用這種HAN配置以便選擇性地實現(xiàn)液晶分子 定向的平面內(nèi)分量的旋轉(zhuǎn)--例如從0到90度或從0到-90度--這根據(jù)施加給電極的 電場的符號，因此通過所施加的電場的這種控制整體實現(xiàn)從〇到2JI的相位調(diào)制。LC層的 厚度在這種情況下優(yōu)選以其光學(xué)功能對應(yīng)于λ/2板這樣的方式來選擇。
[0004] 電場中的符號依賴旋轉(zhuǎn)在這種情況下是基于撓曲電極化。該極化是基于通過混合 取向的LC或LC分子的機械變形。
[0005] WO 2011/067265 Al還描述了這樣一種相位調(diào)制器，其以這樣一種方式被配置，即 作為在可預(yù)定方向中的衍射的結(jié)果，與相位調(diào)制器相互作用的光線可以可變地偏離，并且 因此可以實現(xiàn)可變地可調(diào)節(jié)的偏轉(zhuǎn)光柵的功能。
[0006] 以與DE 10 2009 028 626 Al中所描述的相當(dāng)?shù)姆绞剿褂玫?，基于相位調(diào)制的 可變偏轉(zhuǎn)光柵可通過單獨的平面內(nèi)電極的單獨驅(qū)動來產(chǎn)生。
[0007] 由于混合取向，LC分子被部分定向在平面外，特別是作為大致以45度、在從液晶 層的一個表面到另一個表面的大致〇到90度之間的線性變化的情況下隨層厚度的平均值。
[0008] 用于穿過LC層的光、相對于光在其中穿過的方向以角度β傾斜的LC分子的有效 雙折射率是
[0010] 其中，叫和η 2是具有雙折射率Δ η = η 2-ηι的液晶的普通和特別的折射率。
[0011] 對于混合取向，角度β隨著層厚度在0度和90度之間變化，Anrff因此也隨著LC 層的厚度變化。有效光程差（〇pd) -一在均勻的LC定向的情況下通常以層厚度d和雙折射 率Δ η被描述為opd = d Δ n，在這種情況下為
[0013] 對于混合定向，隨層厚度的平均有效雙折射率大致為
并且光程差 是為 opdHAN~0· 5dAn。
[0014] 用于垂直穿過液晶層的光線的有效光路差小于液晶分子在其中被定向在平面 內(nèi)的液晶層的情況。為了實現(xiàn)λ/2板的光學(xué)功能，LC層的層厚度和LC材料的雙折射 率的乘積因此必須相對大。在3微米的層厚度的情況下，大約需要0.18的Δη以便調(diào) 整用于綠色光的λ/2板。具體地，利用對應(yīng)于大約綠色光的波長值的一半的這些數(shù)值 叩~產(chǎn) 〇· 5 · 〇· 18 · 3 μ m = 0· 27 μ m〇
[0015] 通常，很難實現(xiàn)0. 18的雙折射率或類似的值作為同時與低粘度相結(jié)合的材料性 能。然而，具有增加的粘度的LC材料的使用損害了可變可調(diào)節(jié)相位調(diào)制器的最大可調(diào)節(jié)的 調(diào)節(jié)速度。
[0016] 面內(nèi)電場中的液晶分子的符號依賴旋轉(zhuǎn)是基于撓曲電極化。極化與場的相互作用 是線性的。除了撓曲電極化，也發(fā)生介電各向異性A ε與場的二次相互作用。
[0017] 具體地，介電相互作用可以具有的影響是，利用較高的場，除了 LC分子定向的平 面內(nèi)分量的所需旋轉(zhuǎn)之外，在場內(nèi)也發(fā)生LC分子定向的平面外分量的與其耦合的所不需 要的旋轉(zhuǎn)。這種LC分子定向的平面外分量的旋轉(zhuǎn)具有的影響是，LC層不再滿足λ/2板的 光學(xué)功能。在最壞的情況下，穿過LC層的光程可能加倍。這是因為，如果所有的LC分子被 定向在平面內(nèi)，即平行于基板，則所述光程將為
[0018] opd平行=d Δ η = 2 · opdHAN。
[0019] 光程隨平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角的改變導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)光柵的降低的衍射效率，特別是當(dāng)使用相位 調(diào)制器作為可變偏轉(zhuǎn)光柵時。因而更少的光進入所需的衍射級，并且在一定情況下，不需要 的擾動光進入其他衍射級。
[0020] 作為可變偏轉(zhuǎn)光柵的HAN相位調(diào)制器的正確的功能因此需要具有高撓曲電系數(shù)， 并且同時具有低介電各向異性Λ ε的液晶材料。優(yōu)選地，Δ ε處于小于2,理想地小于0.2 的范圍內(nèi)。如上所述，結(jié)合液晶材料的高的雙折射率An，介電各向異性被要求是優(yōu)選在 0. 15至0. 2的范圍內(nèi)。
[0021] 令人期待的是具有避免所述缺點的用作可變偏轉(zhuǎn)光柵的相位調(diào)制器，所述相位調(diào) 制器特別是使使用材料參數(shù)位于更接近當(dāng)前使用的材料的標(biāo)準(zhǔn)值的液晶材料成為可能。
[0022] 例如，目前在顯示器中使用的液晶材料的雙折射率Δ n通常位于從〇. 8到0. 10的 范圍內(nèi)，介電各向異性Δ ε通常位于從5到10的范圍內(nèi)。
[0023] US 7, 564, 510 Β2描述了一種液晶顯不裝置，其包含像素，每個像素被分成若干區(qū) 域，并且在一個區(qū)域中的電場的方向一一實質(zhì)上平行于基板一與在另一區(qū)域中的場方向相 反，并且在這種情況中，當(dāng)沒有施加場時此外存在在液晶層中的偏振。US 7, 564, 510 Β2因 此描述了一種像素結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生用于大的觀察者角度的均勻亮度感應(yīng)在于像素的不同區(qū)域 在用于不同觀察方向的像素的總體亮度中相互補償。例如，當(dāng)從一個特定的方向被觀察時， 像素的第一區(qū)域顯得較明亮，并且第二區(qū)域顯得較暗。從另一方向觀察時，情況正好相反。 然而由于眼睛不能單獨地分辨像素的區(qū)域，因此存在有均勻的亮度感應(yīng)。
[0024] 為此，在US 7, 564, 510 Β2中，使用根據(jù)電場符號的液晶分子定向的旋轉(zhuǎn)，從而使 在像素的不同區(qū)域中的液晶分子因此相反地旋轉(zhuǎn)。對這種符合依賴旋轉(zhuǎn)可以同樣是基于撓 曲電極化進行描述。
[0025] US 7, 564, 510 Β2的附圖3描述了一種具有在基板的兩個表面上平行摩擦的配 置。這導(dǎo)致兩個基板上的LC分子的鏡面對稱相等取向（在LC層的中間具有平行于基板的 鏡面平面）和在兩個基板之間的LC層中的展曲變形。這種展曲變形產(chǎn)生撓曲電極化。
[0026] 然而，在US 7, 564, 510 Β2中所描述的布置將不能用作相位調(diào)制器，因為像素的不 同區(qū)域?qū)⒎謩e產(chǎn)生不同的相位值，從而使完整的像素將不具有均勻的相位調(diào)制。
[0027] 因此，本發(fā)明的一個目的是描述一種避免上述缺點的相位調(diào)制器，其可以進一步 用作可變偏轉(zhuǎn)光柵，并且對于其的生產(chǎn)，特別是有可能使用目前常規(guī)的液晶材料。
[0028] 所述目的通過如權(quán)利要求1中所述的相位調(diào)制器來實現(xiàn)。
[0029] -種相位調(diào)制器，其具體地用于調(diào)制總體上是圓形偏振光的與相位調(diào)制器相互作 用的偏振光的相位，所述相位調(diào)制器包括：具有第一表面的第一基板；以及具有第二表面 的第二基板，兩個基板被設(shè)置為面對彼此；設(shè)置在兩個基板之間并包含液晶分子的液晶層； 在至少一個基板上的電極布置，配置基板的兩個表面以便緊鄰各自表面的液晶分子定位在 以各自基板的各自表面各自形成平面外角度的方向中。
[0030] 在根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器中，平面外角度的大小大于0度但小于或等于45度。 平面外角度，或極角一一即液晶分子的光學(xué)長軸與各自基板的表面產(chǎn)生的角度一一也被稱 為預(yù)傾角，關(guān)于此描述了與各自基板相關(guān)聯(lián)的這些液晶分子的定向，一一即無需借由電極 布置通過施加電場重新定向。在此，定向總是要意味著液晶分子的或另一種可取向的雙折 射材料的光學(xué)長軸的取向。
[0031] 此外，在根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器中，電極布置可以以這樣一種方式被驅(qū)動，即液 晶分子定向的平面內(nèi)分量Φ--也被稱為方位角分量--可以在尚達180度的角度范圍 內(nèi)進行調(diào)節(jié)，并且緊鄰第一表面的液晶分子的旋轉(zhuǎn)方向與緊鄰第二表面的液晶分子的旋轉(zhuǎn) 方向相反。
[0032] 換言之，避免了或者至少減少了上述問題的相位調(diào)制器配置如下：
[0033] 其包括第一和第二基板、電極布置和包括液晶分子的液晶層。第一基板被設(shè)置成 面對第二基板。液晶層被設(shè)置在兩個基板之間。第一基板具有第一表面，并且第二基板具 有第二表面。配置第一表面，以便將緊鄰第一表面的液晶分子定向在相對于第一基板的第 一表面形成第一平面外角度α (〇)或第一極角的方向中。α (〇)的大小在這種情況下大于 〇度但小于或等于45度。配置第二表面，以便將緊鄰第二表面的液晶分子定向在相對于第 二基板的第二表面形成第二平面外角度a (d)或極角的方向中。a (d)的大小同樣大于0 度但小于或等于45度。根據(jù)本發(fā)明，平面外角度α (0)和a (d)的，以及因此緊鄰表面的液 晶分子的旋轉(zhuǎn)方向相對于表面相反。換言之，角度α (〇)和a (d)的符號是不同的。此外， 角度α對應(yīng)于用于光垂直穿過相位調(diào)制器的特殊情況的上述角度β。在根據(jù)本發(fā)明的相 位調(diào)制器的使用的優(yōu)選情況下，光垂直進入相位調(diào)制器，盡管可以設(shè)想任何其他進入角度。 [0034] 在這種情況下，電極布置可以以這樣一種方式來驅(qū)動，即液晶分子定向的平面內(nèi) 分量或方位角分量可以在高達180度的角度范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。
[0035] 這確保了帶有其平面內(nèi)分量的液晶分子可以采取任何可能的位置，因為液晶分子 是光學(xué)對稱的分子，其因此形成與它們的光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的橢圓體。
[0036] 在由相位調(diào)制器執(zhí)行的偏振光的相位調(diào)制中，也可能發(fā)生光的偏轉(zhuǎn)。這里所描述 的光調(diào)制器因此也可以用作相位偏轉(zhuǎn)器。