寬角度光學延遲器的製作方法

2023-08-10 02:58:01

專利名稱：寬角度光學延遲器的製作方法
本申請是1998年2月20日提交的題為「寬角度光學延遲器」的第98810262.5號中國專利申請的分案申請。
背景本發明一般地涉及光學延遲器，尤其涉及在寬範圍入射角上可操作的光學延遲器。
光學延遲器通常用於以某種方式改變通過該延遲器的偏振光的相對相位。光學延遲器尤其適合應用於需要對偏振進行控制的場合。光的偏振一般指將電(或磁)場矢量振動限制在單個平面內。通常認為電磁輻射的偏振方向為電場矢量來回振蕩的方向。偏振矢量與光平面內的光束方向是正交的。
偏振光可以假設許多不同形式。在給定點上光束僅在一個方向上振蕩的地方，將該光束稱為線(或平面)偏振光。振蕩的方向就是偏振方向。如果光束具有兩個正交的相位變化相差90°的偏振方向，該光束稱為橢圓或圓偏振光。圓偏振出現在兩個振蕩的幅度相等(即電場矢量尖端在圓上移動)時。橢圓偏振出現在兩個振蕩的幅度不相等(即電場矢量尖端在橢圓上移動)時。相反，非偏振光的正交振蕩是隨機變化相位差的平均相等。
線偏振光可以通過從非偏振光束去除其電場在單個平面內振蕩以外的所有波而獲得。例如可以採用光學延遲器將線偏振光轉變為圓或橢圓偏振光。當用於控制光的偏振時，通常將延遲器構造成導致1/2和1/4波延遲。通常，採用這種延遲器在偏振光的兩個線性分量之間產生所需的相對相位延遲。
光學延遲器的一種典型用途是作為補償器，用於在入射光中引起相位差，以校正由系統中其它光學元件的機械或光學位移引起的偏振光兩個分量之間的相位差。例如，在液晶顯示器(LCD)中，液晶單元的雙折射可能引起線偏振光變為少許橢圓偏振。採用延遲器將橢圓偏振光返回為線偏振光。將補償延遲器放置在光路中，對由液晶雙折射引起的特定相位差作調諧。
典型光學延遲器是由雙折射材料構成的。雙折射材料沿延遲器兩個正交平面內軸形成一個快光路和一個慢光路。當雙折射延遲器的這兩個軸以45°與入射光偏振方向對準時，可以採用該延遲器來引起或者補償兩個偏振分量之間的相位差。雙折射延遲器的快和慢光路是由沿延遲器平面內軸偏振的光的不同折射率產生的。通過增大兩個平面內軸之間的折射率差和/或通過增大延遲器厚度可實現兩個偏振軸之間較大的延遲差。因此，通過控制延遲器中雙折射材料的厚度和折射率，便能夠控制延遲器的光學性能。
除了沿延遲器平面內軸偏振的光的折射率外，在厚度方向偏振的光的折射率也會影響延遲器在特定應用中的性能。例如，LCD顯示技術中所採用的補償器必須對在相對較大角度範圍上入射在補償器上的光提供相對均勻的延遲。已經建議，通過採用對厚度方向偏振的光具有受控的折射率的延遲薄膜，可對LCD顯示器獲得展寬的的寬視角範圍。
目前試圖生產具有均勻寬角度性能延遲器的嘗試已經證明造價昂貴且難以製造，在獲得均勻寬角光學性能方面僅獲得有限的成功。對獲得均勻寬角度性能的嘗試作了變化，例如包括在拉伸時在垂直於拉伸方向的方向上使薄膜收縮、通過拉伸控制從熔化聚合物或聚合物溶液產生的原薄膜在施加電場下的雙折射、將在電場下產生的薄膜層疊在傳統相位延遲器上等等。這些處理通常是相當複雜和昂貴的，僅獲得有限的成功。由於在形成延遲器的雙折射部分中所採用的工藝和材料變為更加複雜，將這種材料組裝到延遲器中的難度越來越大了。
發明概要一般地，本發明涉及光學延遲器。在一個實施例中，提供一種光學延遲器，它對在相對較寬入射角範圍上入射在延遲器上的光產生均勻的延遲，所述入射角範圍從垂直於延遲器平面的角度變化到至少約30°的最大角度。光學延遲器可以包括一塊基板和設置在該基板上的丙烯腈基聚合物和彈性體共聚物的混合薄膜。當入射角從法向入射變為以最大角度入射時，延遲幅度的變化小於法向角度入射延遲的約25％。在一個實施例中，最大角度可以大於約60度。當最大角度較小時，延遲的變化也較小。
在另一個實施例中，提供一種丙烯腈基延遲器反射鏡。使被延遲器反射鏡反射的線偏振光旋轉成基本上正交的線性偏振。偏振方向的旋轉在延遲器反射鏡上相對較寬入射角範圍上是相對均勻的。在另一個實施例中，抗反射光學結構包括丙烯腈基延遲器，以改善抗反射結構的離位角度性能。
本發明的上述概要並非希望描述本發明的每一個例舉實施例或每一種實施方案。附圖和下面給出的詳細描述將更具體地例舉各種實施例。
附圖簡述考慮到以下結合附圖所作的對本發明各個實施例的詳細描述，將能更全面地理解本發明，附圖中

圖1A-1B示出按照本發明一個實施例的延遲器。
圖2A-2C示出按照本發明一個實施例的延遲器的特性。
圖3A-3C示出按照本發明一個實施例的延遲器的特性。
圖4A-4B示出按照本發明一個實施例的延遲器的特性。
圖5A-5B示出按照本發明一個實施例的光學延遲器的一種具體應用。
圖6示出按照本發明一個實施例的光學延遲器的另一種具體應用。
圖7示出按照本發明一個實施例的光學延遲器的又一種具體應用。
詳細描述本發明可應用於許多光學延遲器。本發明尤其適合於在被延遲的光以相對較寬入射角範圍入射在延遲器上的環境中使用的光學延遲器。這種延遲器非常適合於用作光學補償器、1/2波和1/4波延遲器等。為了便於說明本發明，下面將提供這種延遲器的各種不同例子。
下面將參考圖1A描述按照本發明一個特定實施例的光學延遲器。圖1A中的光學延遲器101由丙烯腈基聚合物薄膜形成。薄膜可以用三個彼此正交的軸，即兩個平面內的軸x和y及在薄膜厚度方向的第三軸z來描述。正如圖1B所示，圖1A中所示的丙烯腈基延遲薄膜101可以設置在基板105上。基板105可以用作不同用途。例如，基板可以是光學中性的，如玻璃，以及主要用作其機械特性和/或作為將延遲薄膜101固定到其它光學元件的基礎。基板也可以起到一種或多種光學功能。例如，基板可以是反射鏡、偏振器等，這裡延遲薄膜的功能是作為較大光學結構中的光學延遲器。基板也可以是一種聚合物薄膜。聚合物薄膜可以是各向同性的或者可以是雙折射(平面內或平面外)的，與丙烯腈基延遲器的光學性能合作獲得所需的全光學性能。薄膜也可以與補償器薄膜相組合，以改善光學性能。
通常，延遲薄膜101可與任何合適的基板105合用。可以將延遲薄膜101層疊在基板上，用粘合劑固定，或者以其它合適方式設置在基板上。應當注意，要保證將延遲薄膜101設置在基板105上所採用的工藝和方式不會對最終延遲構造的光學性能產生不利影響。
正如下文更全面地描述的，結合本發明已經確定，丙烯腈基延遲薄膜尤其適合於要求在寬角度範圍入射在延遲器上的光具有相對比較均勻延遲的這些應用中。再參考圖1A，對於在x、y和z軸的方向上分別偏振的光，延遲器101的延遲和角度性能是薄膜厚度d和薄膜的相對摺射率nx、ny和nz的函數。沿平面內軸的雙折射為入射在薄膜上的偏振光例如產生短路徑和長路徑。通常，光以偏振方向與平面內折射率軸以45°角對準入射在薄膜上。
薄膜的延遲通常定義為沿平行入射面方向(p)和垂直入射面方向(s)對準的偏振光Ep和Es的線性分量之間引入的相位差。例如在理想的1/4波延遲器中，沿一根軸偏振的光(即沿該軸的偏振光)相對於沿平面內另一根軸偏振的光被延遲其波長的四分之一。當偏振光起始是線偏振光時，兩個分量或是同相或是相位相差180°(即相位差等於0或π弧度)。當線偏振光通過1/4波延遲器時，在兩個分量之間引入π/2弧度的相位差。兩個分量Ep和Es之間的總相位差現在是π/2和3π/2弧度。以這種方式，可以採用1/4波延遲器在線偏振光與圓偏振光之間進行轉換。
當光以垂直於延遲器平面的角度入射在延遲器上時，延遲是薄膜厚度和平面內折射率ny與nx之差的函數。當入射角度偏離法向入射時，通過延遲器的光的延遲還受在延遲器厚度方向z偏振的光的折射率nz的影響。
通過將法向入射的延遲幅度與偏離法向入射的入射光的延遲幅度進行比較可以研究給定延遲器的離位性能。
對於已知折射率的給定延遲器，利用以下關係式可以檢查在不同角度下延遲的相對幅度(1)---=d[nxnz(nz2-(sin)2)1/2-(ny2-(sin)2)1/2]]]>式中δ是s和p場之間的延遲幅度，d是薄膜厚度，nx、ny和nz是對於給定波長的光薄膜的各個折射率，φ是x-z平面內的入射角度(從垂直於薄膜平面的軸起測量)。因此，方程式(1)中延遲幅度代表當入射光通過延遲器時入射光中s和p偏振光分量所經歷的延遲差與x-z平面內入射角的函數。應當明白，方程式(1)作為表示延遲的一種方法。可以導出類似的表示，表示光的延遲與其它平面(例如y-z平面)內變化的光的函數。
在上述關係式中，當光以垂直於薄膜的方向(即φ＝0)入射在薄膜上時，延遲幅度δ簡化為厚度d和平面內折射率差的函數，由以下關係式表示(2) δ＝d(nx-ny)因此，所需的法向角度入射光的延遲可以通過控制薄膜厚度和平面內折射率獲得。通過增大nx與ny之間的差和/或增大厚度可以獲得更大的延遲。
所需的延遲量通常取決於將採用延遲器的特定應用和要延遲的光的波長。例如，典型的1/4波延遲器的延遲值在約115nm至158nm的範圍。典型的1/2波延遲器的延遲值在約230nm至316nm的範圍。也可以採用全波延遲器使兩個分量的相位簡單延遲2π弧度。有許多應用特別適合於延遲值在115nm至158nm的丙烯腈基延遲器。除非另外註明，在以下討論中，採用波長約為550nm(大約為可見光的中心波長)的光表示延遲器的性能。雖然適當地採用這種光作為表示延遲器特性的一種手段，但是應當明白，可以採用延遲器在整個可見光範圍內或者以其任何特定波長或波段進行光延遲。
可以採用法向角度入射的光的延遲與偏離法向(離位)的光的延遲之差來確定光學延遲器在光從法向到最大離位角度的寬角度範圍內入射在延遲器上的應用中的合適程度。正如下面更詳細描述的，丙烯腈基延遲器提供異常好的離位光學性能。
通常，在通過拉伸或抽拉材料在聚合物材料中引起雙折射。當材料被拉伸時，分子趨向於在拉伸方向上對準。引起的分子取向對在拉伸與非拉伸方向偏振的光產生折射率差。拉伸聚合物薄膜不僅引起在拉伸方向偏振的光的折射率變化，而且引起在非拉伸和厚度方向上的變化。例如，在利用拉幅機的典型拉制條件下，非拉伸和厚度方向上偏振的光的折射率變化通常是很不同的。結果，當對薄膜進行拉伸以獲得所需平面內折射率失配時，厚度方向折射率可以與平面內折射率中的任何一個不匹配。雖然這種變化可以不影響採用法向入射光的延遲器的性能，但是當對離位入射光延遲時，尤其是在採用相對較大角度的地方，這種變化明顯地影響延遲器性能。
從方程式(1)可以確定，當在厚度方向偏振的光的折射率nz介於平面內折射率ny與nx之間時，可獲得改善的離位性能。然而，在典型拉制條件下，拉制的聚合物薄膜的厚度方向折射率nz並不落在平面內折射率ny和nx之間。根據本發明，當對丙烯腈基聚合物進行拉伸時，在平面內折射率之間能夠獲得所需的失配，同時在非拉伸和厚度方向偏振的光的折射率基本維持相等。此外，即使在以限制在非拉伸方向的尺寸縮小的方式拉制薄膜時(例如當利用傳統拉幅機對薄膜進行拉伸時)，也獲得緊密匹配的ny與nx折射率。
從方程式(1)將會明白，當入射角增大時，延遲量變化。在本發明的丙烯腈基延遲器中，由於折射率(例如ny和nz)基本上相等，所以延遲的變化幅度明顯減小。相反，諸如聚丙烯的典型雙折射聚合物當在傳統拉幅機中拉伸時顯示在非拉伸方向與厚度方向的折射率失配在0.009的量級。這一失配的結果，當與丙烯腈基延遲器比較時，這種延遲器的離位性能被明顯削弱。
雖然在利用法向和近法向入射光的延遲器應用中可以採用基於丙烯酸的延遲薄膜，但是這種延遲器尤其適合於用在入射光從法向入射變為離位入射角至少約30°的應用中。在這種應用中，利用丙烯腈基延遲器允許獲得法向與離位入射光之間的延遲差，它小於法向入射延遲的15％，小於10％則較佳，小於約6％則更加好。隨著離位入射角增大，延遲差也增大。然而，在高達60°的離位角度下，丙烯腈基延遲器的延遲差小於法向入射延遲的30％，小於約25％則較佳，小於約20％則更加好。也可以採用丙烯腈基延遲器來獲得較低入射角的均勻延遲。例如，當最大離位角至少約為15°或者更小時可獲得這種優點。下面將提供丙烯腈基延遲器的示範實施例。
如上所述，為生產寬角度延遲器所推薦和採用的製造技術是複雜又昂貴的。這些技術通常涉及將多種材料層疊在一起、利用高度專用設備對雙折射材料進行拉伸以人為地控制各個折射率的步驟。相反，在本發明的一個實施例中，丙烯腈基延遲器能夠利用標準處理設備進行製備，如用拉幅機進行拉伸，很少或不需要作改進。因此，能夠明顯地節約成本。此外，該過程便於獲得高產量，進一步降低生產丙烯酸基延遲器的成本。
發現尤其適合於作光學延遲器的一種丙烯腈基薄膜是丙烯腈相與韌化相的混合物。例如，一種彈性體(橡膠)共聚物可以用作混合物中的韌化劑。增加韌化相可以獲得許多好處。例如，最終的薄膜抗碰撞能力將提高，薄膜更柔軟並展現抗斷裂、分裂和撕裂的能力提高。彈性體相也可以增強拉制能力。
然而，在光學延遲器的形成中還必須考慮到韌化相的流加。正如下面將全面地討論的，根據本發明一個實施例，丙烯腈基聚合物和彈性體共聚物的混合物被單軸拉伸以獲得所需的雙折射和延遲器厚度。由於丙烯腈聚合物和彈性體共聚物相對於所施加的應變是相反雙折射，應變引起的彈性體相的折射率變化減小了拉伸薄膜的總延遲。因此，包含彈性體共聚物的丙烯腈基混合薄膜必須製成比沒有彈性體共聚物的丙烯腈基薄膜更厚，以便獲得相同的總延遲。然而，厚度增加也增加了總吸收和離位延遲。這些會導致透射強度降低和/或離位顏色變化，二者對於許多延遲應用可能是有害的。在改善薄膜處理和加工的特定情況中，厚度增加可能也是需要的(例如，較厚的薄膜可能更容易被層疊)。
根據特定的應用，可以給混合物增加不同量的韌化共聚物。通常，在衝突的利益之間必須找到平衡。例如，對於增加的厚度，必須對所採用的韌化劑的量稱重，以獲得所需的延遲。通常，在採用彈性體共聚物的地方，要求彈性體相的重量小於約18％-20％。在需要相對較高透射的地方，要求彈性體相小於約15％，小於約10％則較好，小於約5％更好。
當應用韌化劑時，還必須考慮韌化劑的其它光學特性。通常要求丙烯腈基聚合物和韌化劑的折射率相對比較接近。這對於使通過延遲器的光的漫散射和反射減至最低是重要的，因為它與不同的相相互作用。在以上的例子中，在對丙烯腈基聚合物和彈性體共聚物進行拉伸前通過使各向同性折射率相匹配能夠獲得比較接近的匹配。雖然在拉伸薄膜中可以不產生嚴格匹配，由於在拉伸期間折射率的不同變化，對於許多應用折射率是足夠接近的。也可以選擇材料、組分和初始折射率，以致於在定向過程中兩種相的折射率彼此接近，進一步降低或消除對拉伸薄膜的危害。
為了便於理解本發明，將描述示範的延遲器，它們包括丙烯腈基聚合物/彈性體共聚物的混合物。雖然下面的例子描述一種過程，其中網紋織物是鑄造的，然後利用拉幅機在橫向方向上定向，但也可以採用許多其它典型薄膜處理技術中的任何一種。例如，聚合物可以擠壓鑄造或溶劑鑄造的。網紋織物可以鑄造在表面敞開的輪子上或者鑄造在輥隙(nip)中。可以用不同方法影響定向。例如，可以單軸地(機器或橫向方向)或者利用典型機器方向定向器和/或拉幅機(例如機械和線性電機)雙軸地拉伸薄膜。也可以利用吹制薄膜(例如單或雙氣泡)處理、通過在輥隙中進行砑光、在冷卻前通過將熔化聚合物拉伸成網紋織物對薄膜進行定向。
在一個特定實施例中，延遲器是利用改進橡膠、丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物(72-99.5％共聚物、18-0.5％彈性體相)製造的。丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物組分範圍為70-100％丙烯腈和30-0％甲基丙烯酸酯。彈性體相含有70-90％丁二烯與30-10％丙烯腈。具有10％和18％彈性體相的改進橡膠、丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物可由BP Chemicals公司(Barex210和218)提供。
雖然這裡提供的例子採用丙烯腈與甲基丙烯酸酯共聚，但也可以採用其它類型的丙烯腈基共聚物。例如，通過丙烯腈與各種各樣的(甲基)丙烯酸酯單聚物(它們具有小於約20℃的玻璃轉變溫度Tg)共聚，能夠獲得含有丙烯腈的合適共聚物。這些(甲基)丙烯酸酯單聚物包括例如丙烯酸甲酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯和2乙基己基丙烯酸酯或這些單聚物的混合物。
根據本發明的一個實施例，製造了改進橡膠丙烯腈基光學延遲器。延遲器是含有10％或是18％彈性體相的丙烯腈基組分。共聚物相組分為75％丙烯腈和25％丙烯酸甲酯。彈性體相含有70％丁二烯和30％丙烯腈。如上所述，含有彈性體相給組分提供韌性。選擇兩種相的組分(共聚物和丁二烯基彈性體相)以獲得緊密匹配的折射率。這種組分可以由BP Chemicals公司(Barex210和218)提供擠壓和注模等級。Barex族的丙烯腈樹脂通常用於形成高的氣體阻擋層填充材料等。
鑄造的上述組分的網紋織物的起始厚度在254-355μm的範圍。對鑄造的網紋織物進行處理，以獲得約100-140nm的目標延遲值。在拉幅機中對鑄造的網紋織物進行單軸拉制。這種薄膜的拉制溫度通常在約25℃至120℃的範圍。拉制溫度在約90℃至110℃之間則較好，在約90℃至105℃之間更好。這種處理的拉制比例在約1.5∶1至5.0∶1的範圍。拉制比例在約2.0∶1至5.0∶1之間則較好，在約2.5∶1至4.0∶1之間則更好。合適的拉制率在每秒約1％至3000％的範圍。拉制率在每秒約5％與1000％之間則較好，在每秒約10％至200％之間則更好。
當應用10％彈性體組分時，產生厚度範圍在63至115μm的光學延遲薄膜，它提供所需的延遲範圍。薄膜還顯示最小的離位顯色。這種薄膜的透射強度超過92％。
當應用18％的彈性體組分時，顯然，只有採用厚得多的初始網紋織物增大拉制厚度(例如254-635μm)才能獲得目標延遲值。因此，由18％彈性體相組成的延遲器的透射率降低，且離位性能變差。彈性體相的最佳濃度在5-10％之間。相信這樣的濃度可以找到需要相對較高延遲值和光透射率的最佳平衡。正如下文將更詳細描述的，可以採用一種相對比較廉價的方式製造由含有約10％彈性體相的組分製成的延遲器，在寬的入射角範圍內具有相對均勻的性能。
如上所述，在丙烯腈基組分中含有諸如彈性體相的韌化劑會降低通過拉伸在薄膜中引起所需雙折射的能力。在典型拉幅機處理中，因為在許多情況中必須將薄膜拉伸至接近其斷裂點以獲得所需的延遲，所以要求初始網紋織物在拉伸前在機器方向上基本上不定向。這是因為在拉伸方向上能夠獲得所需的定向前，在拉幅機操作期間必須克服在非拉伸方向上的初始定向。在拉幅機中拉制10％改進橡膠的丙烯腈基網紋織物以獲得高透射率的1/4波延遲器，例如通常需要預拉伸的網紋織物在機器方向上沒有任何定向。因此，必須以這樣的方式對鑄造網紋織物進行初始鑄造，該方法使在機器方向的無意或殘留分子取向減至最小，在特定情況中則消除。
在特定情況中，在初始取向的方向上可以對薄膜進行拉伸，該初始取向將放寬對鑄造過程的要求。例如，薄膜可以是鑄造的，然後利用長度定向器(LO)在機器方向上拉制。這種LO處理可以利用初始機器方向。事實上，在這種情況中，機器方向取向可以在鑄造期間有意地引導，有助於形成所需的雙折射。也可以使用其它的定向處理。例如，機器方向取向可以在它退出模具後以及固化前在熔化聚合物中引導。通常，要求在拉伸前薄膜在非拉伸方向上基本上沒有定向，不管對薄膜進行拉伸的方式和/或方向如何。
雖然以上描述了均勻厚度的鑄造網紋織物，但是也可改變鑄造網紋織物的厚度。如上所述，延遲是延遲器厚度的函數。因此，通過控制鑄造工藝過程，在網紋織物的不同點處產生厚度差，可以產生在薄膜上具有變化延遲分布的延遲器薄膜。
利用一般的拉幅機在正交於鑄造方向的方向上可以拉制出本發明的鑄造網紋織物。選擇拉制溫度、速率和比率，在拉制網紋織物的平面內折射率之間引起所需的折射率差。採用這種方式，根據關係式δ＝d(ny-nz)可獲得所需的延遲δ，對於在非拉伸和厚度方向偏振的光，拉制網紋織物的折射率基本上匹配。從方程式(1)可以確定離位延遲(ny和nz基本上相等)。
圖2A-2C示出根據本發明的丙烯腈基延遲器的各種光學性能。利用上述的一般工藝，獲得透明的丙烯腈基延遲器薄膜。採用10％橡膠改進的丙烯腈-丙烯酸甲酯312μm厚擠壓的網紋織物，其中在其形成時基本上保持初始各向同性。在十字方向上將網紋織物單軸拉伸至3倍於其初始寬度。拉制溫度約為90℃。最終的薄膜厚度約為88.5μm，對於在拉伸方向偏振的550nm光的折射率為1.5128(nx)，對於在非拉伸和厚度方向上偏振的550nm光的折射率(分別為ny和nz)為1.5142。
測量上述薄膜的延遲值並與利用方程式(1)確定的延遲值進行比較。圖2A示出對於薄膜在法向、10°、30°和40°入射角測得的延遲值201與利用方程式(1)由測得折射率導出的延遲值的比較。延遲的差值隨入射角從法向增大到40°約為法向入射延遲的10％(13nm)。相反，具有相似法向角度延遲的聚丙烯薄膜在40°入射角下將改變約50％(60nm)。聚苯乙烯薄膜的延遲對於在40°離位入射的光下降約80％(100nm)，而在法向角度入射下具有可以接受的延遲性能。
利用方程式(1)，確定上述薄膜當入射光從法向入射開始偏移時的延遲差。圖2B列出了薄膜在不同入射角度下的延遲值(nm)211、當入射光偏移到離位時的延遲變化213以及在各個入射角度下的延遲作為法向角度入射時延遲的百分比。圖2C示出薄膜的延遲值(nm)與入射角的函數關係曲線。
第二種丙烯腈基延遲器薄膜是通過在95℃的溫度下在十字方向上將317.5μm厚的光學各向同性擠壓薄膜單軸拉伸至4倍於其原始寬度而產生的。產生的薄膜約48μm。對於488nm、550nm和700nm的光，測量沿每個方向偏振的光的折射率，nx為在拉伸方向上偏振的光的折射率，結果如下
圖3A示出一張對於以不同角度301入射在薄膜上的550nm光的延遲值(nm)303的表。圖3A還列出了當入射光從法向入射偏移時延遲(nm)的差305。圖3A進一步列出了在離位入射角下延遲作為在法向角度入射下延遲值的百分比307。圖3B示出延遲值(nm)311與入射角的函數關係曲線。圖3C示出延遲差(nm)與角度的函數關係。正如這些圖所示，同其它單個薄膜延遲器相比，丙烯腈基延遲器的離位性能相對比較均勻，這使該延遲器尤為適合於要求寬入射角範圍內具有均勻延遲的許多應用。
如上所述，丙烯腈基延遲器的離位性能的提高是由ny與nz折射率的匹配導致的。圖4A-4B示出ny與nz之間的差值增大是如何影響延遲器的離位性能的。在圖4A中，示出的丙烯腈基延遲器的延遲值401(為入射角的函數)是針對結合圖3A-3C所描述的延遲器的。列403、405和407示出當折射率ny與nz的差分別從0.0003增大到0.0009時具有相同法向軸延遲值的延遲器的離位性能。在寬入射角度下的延遲明顯變化。
正如圖4A示出的，ny與nz之間較大的差值引起在較大入射角度下延遲下降的增大。在特定的應用中，可能要求法向入射與在60°下入射之間的總延遲差小於法向入射延遲的約20％(例如20-30nm)。這可以利用丙烯腈基延遲器來獲得，它具有基本上相等的ny和nz折射率。例如，正如以上數據表示的，等於至少第四個小數位的折射率提供相對均勻的寬角度性能。圖4B繪出上述薄膜離位延遲411與由折射率計算的這些延遲的比較。
正如圖4A和4B中數據所示的，ny和nz即使少許偏差也會明顯地影響延遲器的離位性能。這就增強了丙烯腈基光學延遲器的特定適用能力，尤其是在需要均勻的寬角度性能的應用中所使用的這些延遲器。此外，利用允許產生具有均勻厚度和光學特性的較大延遲器而且較簡單的工藝能夠製備這種延遲器。
雖然在以上的例子中，將丁二烯彈性體韌化材料加到丙烯腈基延遲器中，但是將會明白，其它的丙烯腈基延遲器將具有相似的所需光學特性。通常，可以將其它的合適材料加到延遲器中，只要該材料並不明顯地影響延遲器的光學性能。例如，可以採用2甲基丁二烯基橡膠、天然橡膠等。
如上所述，丙烯腈基延遲器尤其適合於在寬入射角度範圍內需要相對均勻延遲的應用。下面將描述在這些應用中的本發明較具體的實施例。
根據本發明的一個實施例，採用丙烯腈基延遲器作為延遲器或偏振旋轉反射鏡的基礎。通過一個例子，但並不希望局限於該示例，將描述特定的1/4波反射鏡。採用1/4波反射鏡使線偏振光從反射鏡反射後偏振方向旋轉90°。圖5A示出一種具體的1/4波反射鏡配置500。丙烯腈基延遲器501設置在平行於反射鏡503反射表面的平面內。光源將線偏振光505以入射角φ投射在反射鏡上。延遲器501相對於入射光取向，使垂直於其表面的角度(即φ＝0)入射在延遲器上的光被延遲其波長的四分之一。在這一結構中，線偏振光505當它通過延遲器501時被轉變為圓偏振光505A，具有第一旋轉方向。
圓偏振光505A反射離開反射鏡503的表面。被反射鏡503反射的光505B是具有相反旋轉方向的圓偏振光。反射光以角度φ返回投射在延遲器501上。當反射的圓偏振光505B第二次通過延遲器501時，引入另一個1/4波相位差，將圓偏振光505B轉變為線偏振光507。被反射的線偏振光507的偏振方向與入射光505的初始偏振方向基本上正交。
將會明白，以上描述假設對於每一次通過延遲器501是法向入射以及精確的1/4波延遲。當入射角φ偏離法向時，由於延遲器501的離位延遲偏差的結果，將影響相對相位漂移。因此，當線偏振光505以較大的入射角通過延遲器時，被延遲器501引入到偏振光中的橢圓率增大。當離位入射光被反射時，它也是以入射角φ反向通過延遲器，假設反射鏡是基本平坦的。由離位延遲差引入的橢圓率將加到由第一次通過所引入的橢圓率。
正如以上討論說明的，初始的線偏振光505二次通過延遲器。引入到被1/4波反射鏡500反射的性偏振光507中的橢圓率將隨入射角的變化而變化。這種橢圓率會退化依賴於反射光線偏振狀態的這些應用的性能。於是，在利用1/4波反射鏡和相對較寬入射角的應用中，需要使離位延遲差減至最小，以致於反射光將基本上是線偏振光，偏振方向被旋轉90°。
正如從以上描述所明白的，採用丙烯腈基延遲器構成的1/4波反射鏡500以能夠以相對較低的成本和複雜性構造的形式提供比較均勻的離位性能。這種結構允許線偏振光的偏振方向旋轉，而對於在相對較大入射角下旋轉的線偏振光基本上不引入橢圓率。通常，要求在離位入射角下引入的偏離0橢圓率的任何偏差小於約10％。偏差小於約5％則更好。在特定入射中，對於所有的入射角，橢圓率小於1％是必須的。正如從丙烯腈基延遲器的以上描述中將會明白的，鑑於延遲器特定的寬角度光學性能，能夠獲得上述結果。
在圖5A中，示出的延遲器501與反射鏡503是分開的。在圖5B中，示出延遲反射鏡510的另一個實施例，其中丙烯腈基延遲器511通過粘合劑514層疊或者以其它方式固定於反射鏡513上。這種反射鏡配置的光學性能通常與以上結合圖5A所描述的性能相同。然而，應當考慮到由本結構引入的任何附加元件。例如，必須考慮疊層缺陷、粘合劑的折射率等。
圖6示出一個光學系統，該系統裝有例如圖5A和5B中所示類型的延遲器反射鏡。圖6所示的光學系統是一種具有摺疊光路的投影顯示系統600。摺疊光路投影顯示系統的一般操作示於圖6中。正如下面將更詳細描述的，投影系統600裝有丙烯腈基1/4波延遲器/反射鏡配置605，作為必須在大入射角範圍內工作的關鍵元件。顯示系統600的操作還要求被1/4波延遲器/反射鏡配置605反射的光是高度線偏振的(例如，呈現最小的橢圓率)。對於這種系統的更詳細的描述，可參考題目為「背投圖象顯示裝置用的含有反射偏振器的光學系統」的第5,557,343號美國專利和題目為「投影圖象」的公開的歐洲申請EP0,783,133。
在圖6的光學系統中，代表待顯示圖象的光從圖象源601投影到顯示屏組件603上。來自光源601的光602以第一方向線偏振。顯示屏組件603的背面包括一個反射偏振器。反射偏振薄膜是由3M公司提供的，商品名為雙亮度增強薄膜(DBEF)。其它的反射偏振薄膜在1995年3月10日提交的題目為「光學薄膜」的美國專利申請08/402,041和1996年2月29日提交的題目為「光學薄膜」的美國專利申請08/610,092中有描述，這裡將其內容引作參考。
顯示屏組件的反射偏振器反射一種特定線偏振光而透射相反(正交)的線偏振光。反射偏振器的取向和開始入射在反射偏振器上的光的偏振方向是這樣的，即入射光最初被反射偏振器反射到丙烯腈基延遲反射鏡組件605上。延遲反射鏡組件605可以是圖5A和5B所示的類型，其作用是將線偏振光的偏振方向旋轉90°。
在操作中，線偏振光被反射偏振器反射併入射在延遲反射鏡605上。光被反射後，偏振方向旋轉90°，使得偏振方向現在與反射偏振器的通過方向相對準。因此，光通過顯示屏組件603供人們觀看。要求所有的光都通過顯示屏，以增大觀看亮度。然而，光中的任何橢圓率將降低通過顯示屏的光量，因為仍然與正交偏振方向對準的光的分量將被顯示屏所反射。
正如從圖6所示的光學幾何關係中將能明白的，光將在很大的入射角範圍(φ1、φ2、…φn)內入射在延遲器反射鏡605上。在這種應用中，入射的最大角度可以是相當大的。如上所述，引入到被延遲器反射鏡605反射的光中的任何橢圓率將會使顯示裝置的總體性能降低。在圖6所示的投影裝置中，延遲器反射鏡605是由丙烯腈基延遲器形成的，所以當入射角變化時，使引入到反射光中的橢圓率減至最小。通常要求在這種系統中偏離零橢圓率的偏差小於5％。在特定的情況中，橢圓率甚至小於1％則更好。以上的討論假設在法向入射角下橢圓率為零，如果在法向入射角下入射在延遲器反射鏡上的光還以一些橢圓率被延遲器反射鏡所反射，最大橢圓率的較佳百分比是合適的。
可以將以上描述的丙烯腈基延遲器裝到在上述容限內呈現橢圓率偏差的延遲反射鏡中。因此，裝有丙烯腈基延遲器反射鏡的投影裝置的性能將比許多典型延遲器有所提高，並能夠相對廉價地製造。此外，按照如上所述製造的丙烯腈延遲器非常適合於層疊在反射鏡表面和其它基板上。
圖7示出按照本發明又一個特定實施例的光學結構。在圖7的實施例中，將丙烯腈基延遲器701裝到防眩光學結構中。防眩光學結構包括一個吸收偏振器703，例如二向色性偏振器。偏振器703使入射在偏振器上的非偏振光705線偏振。使丙烯腈基延遲器701相對於吸收偏振器定向，將線偏振光706轉變為具有第一旋轉方向的圓偏振光。如果圓偏振光反射離開光學元件707(它被防眩結構所保護)的表面，則光作為以相反方向旋轉的圓偏振光而反射。圓偏振光708反向通過延遲器701。因此，正如在上述延遲反射鏡的情況一樣，光的偏振方向現在被旋轉90°。旋轉90°的光落在吸收偏振器上，這時在吸收方向上線偏振，由此禁止或防止從光學元件707表面反射的光從防眩結構出射。
光學元件707可以是任何類型的反射表面，這裡要求降低眩目。例如，它可以是計算機監視器的顯示屏。在這種應用中，可以用多種常見方法中的任何一種方法將偏振器703和丙烯腈基延遲器701固定或者定位在監視器前面。將會明白，當光學元件707是監視器時，從監視器出射的光721將通過丙烯腈基延遲器701並被吸收偏振器703偏振。
正如對延遲器反射鏡的以上描述一樣，丙烯腈基延遲器的離位性能對保證被光學元件707反射的光正確地偏振並在反射時被吸收偏振器703吸收是至關重要的。此外，將會明白，抗反射光學結構可以看到相對較大的入射角φ。例如，計算機監視器經常被用在以相對於監視器傾斜的角度下對引起反射和眩目的光源定位的環境中。因此，延遲器的寬角度性能的改善進一步降低或消除來自被保護光學元件707的眩目或反射。
在一個實施例中，面向入射光的吸收偏振器703的表面可以塗覆A/R塗層，以降低來自偏振器的任何反射。也可以將吸收偏振器703層疊或固定到諸如玻璃或其它薄膜的基板上。基板也可以塗覆A/R塗層。1/4波薄膜701也可以通過層疊或其它方式固定到基板上。在特定的場合中，它可以是固定了偏振器的同一塊基板。可以將各種元件層疊在玻璃之間。一個或多個玻璃表面也可以塗覆A/R塗層。
如上所述，本發明可以應用於許多光學延遲器。相信在寬角度範圍內將光入射在延遲器上的應用中是特別有用的。於是，不應當將本發明理解為局限於以上所述的特定例子，而是應當理解為覆蓋所附權利要求書中限定的本發明的所有方面。
權利要求
1.一種光學延遲器，它對在相對較寬入射角範圍內入射在該延遲器上的可見光產生均勻延遲，所述入射角範圍從垂直於延遲器平面的角度變化到至少約30°的最大角度φmax，其特徵在於所述光學延遲器包括基板；設置在該基板上的丙烯腈基聚合物和彈性體共聚物的薄膜，所述薄膜具有延遲幅度δ，它可以由以下關係式來表示=d[nxnz(nz2-(sin)2)1/2-(ny2-(sin)2)1/2]]]>式中nx和ny是薄膜對於沿薄膜平面內正交軸x和y偏振的有關波長的光的折射率，d是薄膜在相互正交於平面內x和y軸的z軸方向上的厚度，nz是薄膜對於沿z軸偏振的有關波長的光的折射率，φ是x-z平面內的入射角，其特徵在於當有關波長上的光的入射角φ從法向變為最大角φmax時，薄膜的延遲幅度δ的改變小於法向入射時延遲幅度的約25％。
2.如權利要求1所述的光學延遲器，其特徵在於所述基板包括反射鏡。
3.如權利要求2所述的光學延遲器，其特徵在於所述薄膜在法向入射角下的延遲幅度δ在約110nm至150nm的範圍。
4.如權利要求1所述的光學延遲器，其特徵在於所述基板包括玻璃。
5.如權利要求1所述的光學延遲器，其特徵在於所述基板包括聚合物薄膜。
6.如權利要求5所述的光學延遲器，其特徵在於所述聚合物薄膜是各向同性的。
7.如權利要求5所述的光學延遲器，其特徵在於所述聚合物薄膜是雙折射的。
8.如權利要求1所述的光學延遲器，其特徵在於所述最大角φmax至少為50度。
9.如權利要求8所述的光學延遲器，其特徵在於在入射角的範圍內，所述延遲幅度δ的改變小於法向入射延遲幅度的約15％。
10.如權利要求8所述的光學延遲器，其特徵在於所述最大角φmax至少為60度。
11.如權利要求1所述的光學延遲器，其特徵在於在入射角的範圍內，所述延遲幅度δ的改變小於法向入射延遲幅度的約6％。
12.如權利要求1所述的光學延遲器，其特徵在於所述丙烯腈基共聚物包括丙烯腈與一種(甲基)丙烯酸酯單聚物或多種單聚物相共聚。
13.如權利要求12所述的光學延遲器，其特徵在於所述的(甲基)丙烯酸酯單聚物包括選自丙烯腈甲酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯或2乙基己基丙烯酸酯的單聚物。
14.如權利要求12所述的光學延遲器，其特徵在於所述的(甲基)丙烯酸酯單聚物包括丙烯酸甲酯。
15.如權利要求14所述的光學延遲器，其特徵在於所述的彈性體共聚物包括丁二烯與丙烯腈共聚。
16.一種光學延遲器，用於對在很寬入射角範圍內入射在該延遲器上的可見光產生延遲，所述入射角範圍從垂直於延遲器平面的角度變化到至少約30°的最大角度φmax所述光學延遲器包括由丙烯腈基聚合物和彈性體共聚物的混合物組成的薄膜，所述薄膜具有平面內延遲幅度δin，它可以由以下關係式來表示δin＝d(nx-ny)式中nx和ny是薄膜對於沿薄膜平面內正交軸x和y偏振的有關波長的光的折射率，d是薄膜在相互正交於平面內x和y軸的z軸方向上的厚度，所述薄膜進一步具有平面外延遲幅度δout，它可以由以下關係式來表示out=d[nxnz(nz2-(sin)2)1/2-(ny2-(sin)2)1/2]]]>式中nz是薄膜對於沿z軸偏振的有關波長的光的折射率，φ是x-z平面內的平面外入射角，其特徵在於對於以最大角φmax入射在薄膜上的有關波長的光，平面內延遲δin與平面外延遲δout之間的延遲幅度差Δδ小於平面內延遲δin的約25％。
17.如權利要求16所述的光學延遲器，其特徵在於所述最大角φmax至少為50度。
18.如權利要求17所述的光學延遲器，其特徵在於所述的延遲幅度差Δδ小於平面內延遲δin的約15％。
19.如權利要求16所述的光學延遲器，其特徵在於所述最大角φmax至少為60度。
20.如權利要求16所述的光學延遲器，其特徵在於所述的延遲幅度差Δδ小於平面內延遲δin的約6％。
21.一種延遲反射鏡，用於以反射光基本上在垂直於初始偏振方向的方向上線偏振的方式反射在初始偏振方向上線偏振的可見光，入射在延遲器反射鏡上的光的角度範圍從垂直於延遲反射鏡平面的角度到至少約15°的最大角度φmax，所述延遲反射鏡包括基本上為平面的反射基板；和平行於所述反射基板設置的拉伸丙烯腈基聚合物延遲薄膜，所述延遲薄膜具有延遲幅度δ，它可以由以下關係式來表示=d[nxnz(nz2-(sin)2)1/2-(ny2-(sin)2)1/2]]]>式中nx和ny是延遲薄膜對於沿薄膜平面內正交軸x和y偏振的有關波長上的光的折射率，d是延遲薄膜在相互正交於平面內x和y軸的z軸方向上的厚度，nz是延遲薄膜對於沿z軸偏振的有關波長的光的折射率，φ代表x-z平面內的角度，光以該角度入射在延遲反射鏡上，其特徵在於由延遲反射鏡以最大角φmax入射在延遲反射鏡上的有關波長的反射光所引起的橢圓率在以垂直於延遲反射鏡表面的角度入射在延遲反射鏡上的有關波長的反射光的橢圓率的25％之內。
22.一種設置在部分反射表面上且在相對較寬入射角範圍內有效的防反射(AR)光學元件，用以大大地減少可見光從所述表面上反射，所述AR光學元件包括設置在入射光源與反射表面之間的吸收偏振器；和位於偏振器與反射表面之間的由丙烯腈基聚合物薄膜組成的延遲器，所述延遲器接收偏振器透射的偏振光並使所述偏振光延遲一個延遲幅度δ，所述延遲幅度可以由以下關係式來表示=d[nxnz(nz2-(sin)2)1/2-(ny2-(sin)2)1/2]]]>式中nx和ny是薄膜對於沿薄膜平面內正交軸x和y偏振的有關波長的光的折射率，d是薄膜在相互正交於平面內x和y軸的z軸方向上的厚度，nz是薄膜對於沿z軸偏振的有關波長的光的折射率，φ代表x-z平面內的角度，光以該角度從偏振器透射到所述薄膜，其特徵在於以垂直於混合薄膜表面的角度入射在混合薄膜上的有關波長的光的延遲幅度δφ＝0。在以至少約30°的最大入射角(從法向入射測量)入射在薄膜上的有關波長的光的延遲幅度δ□max的15％之內。
全文摘要
在丙烯腈基延遲器中,當入射角在較寬範圍上變化時可獲得相對均勻的性能。可以將韌化材料與丙烯腈基聚合物相混合,便於對延遲器的處理以及改善延遲器的機械性能,不會危及光學性能。利用一般的處理技術能夠製備提供相對均勻寬角度的橡膠改進的丙烯腈基延遲器。這種延遲器尤其適合於使用相對較寬入射角範圍的許多特定應用。
文檔編號G02B5/30GK1338644SQ0112574
公開日2002年3月6日 申請日期1998年2月20日 優先權日1997年10月17日
發明者H·薩霍阿尼, S·達摩達朗, G·T·博迪, R·庫馬 申請人:美國3M公司