專利名稱：增亮膜的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及含有適合控制光學(xué)特性(如反射和透射)的結(jié)構(gòu)的光學(xué)材料。另一方面，本發(fā)明涉及控制反射光或透射光的特定偏振態(tài)(specific polarizations)。
發(fā)明的背景由摻雜物分散在連續(xù)基質(zhì)中制成的光學(xué)膜是本領(lǐng)域已知的?？煽刂七@些摻雜物的特性為光學(xué)膜提供一定的反射性和透射性。這些特性包括摻雜物相對(duì)于膜中波長的尺寸、摻雜物的形狀和排列方式、摻雜物的體積填充因子(volumeric fillfactor)和沿膜三個(gè)正交軸上摻雜物與連續(xù)基質(zhì)的折射率不匹配程度。
常規(guī)的吸收(二向色性)偏振器有排列在聚合物基質(zhì)中的吸光無機(jī)桿狀碘鏈作為其摻雜相。這種膜會(huì)吸收電場(chǎng)矢量平行于桿狀碘鏈的偏振光，并且透射垂直該桿狀碘鏈的偏振光。由于該碘鏈在兩個(gè)或多個(gè)方向上的尺寸比可見光波長小，而且每立方光波長中的鏈數(shù)目很大，因此這種膜的光學(xué)性能主要是鏡面反射，只有很少透過膜的漫透射或在膜表面的漫反射。和其它許多商業(yè)上可獲得的偏振器一樣，這種偏振膜是以偏振-選擇性吸收為基礎(chǔ)的。
填充有不同特性的無機(jī)摻雜物的膜可形成其它光學(xué)透射和反射性能。例如，在聚合膜和涂料中混入兩個(gè)或多個(gè)方向上的尺寸比可見光波長大的涂覆云母薄片以賦予金屬光澤?？蓪⑦@些薄片置于膜平面內(nèi)，從而為反射外觀提供強(qiáng)的方向性。這種效果可用來生產(chǎn)在某些視角高度反射而對(duì)其它視角透射的安全屏(security screen)。可將具有依賴于它們相對(duì)入射光的排列方式的顯色作用(鏡面選擇性反射)的大薄片加入膜中，以提供侵?jǐn)_(tampering)的證明。在這個(gè)應(yīng)用中，膜中的所有薄片必須以相同方式排列。
然而，用填充有無機(jī)摻雜物的聚合物制得的光學(xué)膜存在各種問題。具體地說，無機(jī)顆粒和聚合物基質(zhì)間的粘合性差。因此，當(dāng)向基質(zhì)施加應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，由于基質(zhì)和摻雜物間的粘結(jié)受損，以及剛性無機(jī)摻雜物斷裂，膜的光學(xué)性能下降。另外，使無機(jī)摻雜物取向所需的加工步驟和考慮因素使生產(chǎn)變復(fù)雜。
其它膜(如美國專利4,688,900(Doane等)中公開的)包括一層透明的透光連續(xù)聚合物基質(zhì)，其中分散有調(diào)制光的液晶滴。據(jù)報(bào)道，對(duì)這種材料進(jìn)行拉伸，可使液晶滴從球形變形成橢球形，橢球體的長軸與拉伸方向平行。美國專利5,301,041(Konuma等)公開了相似的內(nèi)容，但是液晶滴的變形是通過加壓來實(shí)現(xiàn)的。A.Aphonin在《液晶》第19卷1995年第4期469-480頁的“分散有液晶的拉伸聚合物膜的光學(xué)性能角度依賴的偏振光散射”("Optical Properties ofStretched Polymer Dispersed Liquid Crystal Flims:Angle-Dependent Polarized LightScattering,Liquid Crystals,Vol.19,No.4,469-480(1995))中討論了由內(nèi)部置有液晶滴的聚合物基質(zhì)制得的拉伸膜的光學(xué)性能。他報(bào)道說，液晶滴伸長成長軸與拉伸方向平行的橢球形，使液晶滴具有取向的雙折射(沿液晶不同方向軸的折射率差)，導(dǎo)致沿膜某一軸上分散相和連續(xù)相間相對(duì)折射率不匹配，而沿膜其它軸的折射率匹配。這種液晶滴并不比膜內(nèi)的可見光波長小，因此這種膜的光學(xué)性能在于它們的反射和透射性能中有很大的漫射成分。Aphonin建議用這些材料作為背后照明的扭曲向列型LCD(backlit twisted nematic LCD)的偏振漫射器。然而，用液晶作為分散相的光學(xué)膜中基質(zhì)相和分散相間折射率的不匹配程度很有限。另外，這種膜的液晶成分的雙折射通常對(duì)溫度敏感。
美國專利5,268,225(Isayev)公開了由熱致變的液晶聚合物的混合物制得的復(fù)合層壓片。所述混合物包括兩種互不相溶的液晶聚合物。該混合物可流延成由分散的摻雜相和連續(xù)相組成的膜。在拉伸該膜時(shí)，分散相形成了一系列纖維，纖維的軸沿拉伸方向排列。盡管據(jù)說該膜具有改進(jìn)的機(jī)械性能，但是沒有提到膜的光學(xué)性能。然而，由于其液晶特性，這種類型的膜將遇到上述其它液晶材料所遇到的問題。
還有其它通過施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)而表現(xiàn)出所需光學(xué)性能的膜。例如，美國專利5,008,807(Waters等)描述了一種液晶器件，它包括一層滲透有液晶材料且位于兩個(gè)電極之間的纖維。施加在兩個(gè)電極上的電壓產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)改變液晶材料的雙折射性，從而導(dǎo)致纖維和液晶之間不同程度的折射率不匹配。然而，在許多應(yīng)用中，特別是那些存在的電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生干擾的場(chǎng)合，需要用電場(chǎng)或磁場(chǎng)是不方便的。
還有的其它光學(xué)膜是將第一聚合物作為摻雜分散相混入第二聚合物中，然后在一個(gè)或兩個(gè)方向上拉伸得到的復(fù)合物而制得。美國專利4,871,784(Otonari等)是這種技術(shù)的代表。選擇聚合物，使得分散相和周圍基質(zhì)聚合物間的粘合性較差，從而在拉伸膜時(shí)在每個(gè)摻雜物周圍形成橢球形空腔。這種空腔的尺寸與可見光波長大致相當(dāng)。在這些有“微空腔”的膜中，空腔和聚合物間的折射率不匹配通常相當(dāng)大(約為0.5)，從而引起大量漫反射。然而，由于界面的幾何結(jié)構(gòu)不同，所以微空腔材料的光學(xué)性能很難控制，而且不可能形成折射率能相對(duì)匹配的膜軸，而在有的軸上折射率相對(duì)匹配對(duì)于偏振敏感性光學(xué)性能是有用的。另外，這些材料中的空腔在暴露在熱和壓力下時(shí)很容易癟塌。
也制成了分散相主要以確定的有序方式排列在連續(xù)基質(zhì)中的光學(xué)膜。美國專利5,217,794(Schrenk)是這種技術(shù)的代表。該專利公開了一種用聚合摻雜物制成的層狀聚合膜，所述摻雜物在兩個(gè)軸上比波長大，并被置于另一聚合材料的連續(xù)基質(zhì)中。分散相沿層壓物一個(gè)或多個(gè)軸方向上的折射率與連續(xù)相折射率明顯不同，而在另一方向上相對(duì)匹配。由于分散相的有序化(ordering)，因此這種類型的膜在它們主要是反射的情況下表現(xiàn)出很強(qiáng)的虹彩(即基于干涉的與角度有關(guān)的顯色(interference-based angle dependent coloring))。結(jié)果，限制了這種膜在希望有光學(xué)漫射的場(chǎng)合的應(yīng)用。
因此，本領(lǐng)域中需要一種含有連續(xù)相和分散相的光學(xué)材料，可方便并永久地控制在該材料三維軸向上所述兩相間的折射率不匹配，以獲得要求的漫射以及鏡面反射和透射的程度，所述光學(xué)材料對(duì)于應(yīng)力、應(yīng)變、溫度差異以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)是穩(wěn)定的，并且所述光學(xué)材料有低水平的虹彩。如下所述，本發(fā)明滿足了這些以及其它要求。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明光學(xué)體的示意圖，其中分散相排列成一系列橫截面基本為圓形的伸長物；圖2是本發(fā)明光學(xué)體的示意圖，其中分散相排列成一系列橫截面基本呈橢圓形的伸長物；圖3a-e是本發(fā)明光學(xué)體中各種分散相形狀的示意圖；圖4a是本發(fā)明取向膜中垂直于取向方向偏振的光的雙向散射分布與散射角的關(guān)系；圖4b是本發(fā)明取向膜中平行于取向方向偏振的光的雙向散射分布與散射角的關(guān)系；圖5是本發(fā)明多層膜的示意圖；圖6a和6b是本發(fā)明光學(xué)膜的電子顯微照片；圖7是本發(fā)明膜的垂直透射光譜；圖8是將本發(fā)明膜用作光纖用高效光線引出器的示意圖；圖9A和9B分別是本發(fā)明膜和市售膜的相對(duì)增益與觀察角的關(guān)系；
圖10是一種較好的光引導(dǎo)材料的側(cè)視圖；圖11說明圖10所示較好光引導(dǎo)材料的性能；圖12A和圖12B分別是第一種較好的方向控制偏振器的反射和透射性能；圖13A和圖13B分別是第二種較好的方向控制偏振器的反射和透射性能；圖14是裝有漫反射鏡面透射偏振器的顯示器的側(cè)視示意圖；圖15是裝有第一種較好的方向控制偏振器的顯示器的側(cè)視示意圖；圖16是裝有第二種較好的方向控制偏振器的顯示器的側(cè)視圖；圖17是裝有第一種較好的方向控制偏振器和第二層光引導(dǎo)材料的顯示器的側(cè)視圖；圖18是試驗(yàn)結(jié)果，用于比較圖11-14所示顯示器結(jié)構(gòu)所獲得的顯示器增益。
發(fā)明概述本發(fā)明一方面涉及一種漫反射膜或其它光學(xué)體，它包含雙折射的連續(xù)聚合物相和置于所述連續(xù)相中的基本上非雙折射的分散相。連續(xù)相和分散相的折射率在三個(gè)相互正交軸的第一個(gè)軸向上是基本不匹配的(即，相互之差大于約0.05)，而在三個(gè)相互正交軸的第二個(gè)軸向上是基本匹配的(即，相互之差小于約0.05)。在一些實(shí)例中，連續(xù)相和分散相的折射率沿著(或平行于)三個(gè)相互正交軸的第三個(gè)軸向上可以是基本匹配或不匹配的，以制成反射器或偏振器。沿著(或平行于)不匹配軸偏振的入射光被散射，從而導(dǎo)致了顯著的漫反射。沿匹配軸偏振的入射光被散射的程度要低得多，它主要是分譜透射(spectrally transmitted)。這些性能可使光學(xué)膜適用于各種用途，包括低損耗(明顯不吸收)反射偏振器，在這種偏振器中明顯不被透射的偏振光被漫反射。
本發(fā)明的一個(gè)相關(guān)方面涉及了一種光學(xué)膜或其它光學(xué)體，它包含雙折射的連續(xù)相和分散相，在垂直于光學(xué)體表面的軸向上連續(xù)相和分散相的折射率基本相匹配(即，連續(xù)相和分散相折射率之差小于約0.05)。
本發(fā)明另一方面涉及一種復(fù)合的光學(xué)體，它包括聚合物雙折射連續(xù)相(第一相)，其中的分散相(第二相)可以是雙折射的，但是在至少兩個(gè)正交方向上的匹配和不匹配程度主要是由第一相的雙折射性引起的。
本發(fā)明另一個(gè)方面涉及一種制造漫反射偏振器的方法，它包括如下步驟提供第一種樹脂，該樹脂可通過施加一個(gè)外力場(chǎng)(如通過空間取向)或施加電場(chǎng)改變其雙折射程度，從而使獲得的樹脂材料至少在兩個(gè)正交方向上的折射率之差大于約0.05；提供第二種樹脂，將其分散在第一種樹脂中；向兩種樹脂的復(fù)合物施加所述外力場(chǎng)，使得兩種樹脂的折射率在兩個(gè)方向中的一個(gè)方向上大致匹配至相差小于約0.05，而在兩個(gè)方向中的另一個(gè)方向上，第一種和第二種樹脂的折射率之差大于約0.05。在一個(gè)相關(guān)的實(shí)例中，在施加外力場(chǎng)從而改變第一種樹脂的雙折射性后，將第二種樹脂分散在第一種樹脂中。
本發(fā)明再一個(gè)方面涉及一種用作具有高消光比的反射偏振器的光學(xué)體。在這個(gè)方面，匹配方向上的折射率差應(yīng)選得盡可能小，而不匹配方向上的折射率差應(yīng)盡可能大。體積分?jǐn)?shù)、厚度和分散相粒徑和形狀的選擇應(yīng)使消光比最大，盡管在不同的用途中，對(duì)于不同的偏振態(tài)，透射和反射的相對(duì)重要性會(huì)不同。
本發(fā)明另一個(gè)方面涉及一種光學(xué)體，它包括連續(xù)相，分散相和一種二向色性染料，所述分散相的折射率與所述連續(xù)相不同，它們間的差在第一軸向上大于約0.05，在正交于所述第一軸向的第二軸向上小于約0.05。所述光學(xué)體最好沿至少一個(gè)軸向取向。所述二向色性染料除了散射以外還通過吸收沿平行于取向軸方向偏振的光線來改進(jìn)光學(xué)體的消光系數(shù)。
本發(fā)明另一方面提供一種至少具有第一相和第二相的光學(xué)體，所述兩相在至少一個(gè)軸向共連續(xù)。沿第一軸向所述第一相的折射率與所述第二相的折射率之差大于約0.05，沿與所述第一軸向正交的第二軸向所述第一相的折射率與所述第二相的折射率之差小于約0.05。在其它實(shí)例中，可使用三個(gè)或多個(gè)共連續(xù)相以便沿相互正交的軸向獲得相同或相似的匹配和不匹配。
本發(fā)明的另一方面提供一種光學(xué)體，它包括具有連續(xù)相和分散相的膜，上面置有防反射層。這種膜顯示出平的透射-光波長曲線，能將裝有該種反射偏振器的顯示器件的顏色變化減至最小。
在本發(fā)明的各個(gè)方面中，可通過選擇或控制各種參數(shù)(包括連續(xù)相和分散相的光學(xué)折射率、分散相顆粒的大小和形狀、分散相的體積分?jǐn)?shù)、部分入射光穿過的光學(xué)體的厚度、和感興趣的電磁輻射波長或波段)決定在至少兩個(gè)正交偏振方向上入射光的反射和透射性能。
沿特定軸向的折射率匹配或不匹配的程度將直接影響沿該軸偏振的光線的散射程度。一般來說，散射能力與折射率不匹配的平方成正比。因此，沿特定軸向的折射率不匹配程度越大，沿該軸偏振的光線的散射就越強(qiáng)。相反，當(dāng)沿特定軸向的不匹配較小時(shí)，沿該軸偏振的光線的散射程度就較小，從而鏡面地透過該光學(xué)體。
分散相顆粒的大小對(duì)散射也有顯著影響。如果分散相顆粒太小(即，小于基質(zhì)中感興趣光波長的約1/30)，且每立方波長內(nèi)有許多顆粒的話，光學(xué)體就相當(dāng)于沿任何給定軸向的有效折射率在兩相折射率之間的媒質(zhì)。在這種情況下，很少有光散射。如果顆粒太大，則光從顆粒表面鏡面散射，很少有光漫射至其它方向。當(dāng)顆粒在至少兩個(gè)正交方向上太大時(shí)，也會(huì)發(fā)生不合需求的虹彩效應(yīng)。當(dāng)顆粒變大導(dǎo)致光學(xué)體的厚度增加并且喪失所需的機(jī)械性能時(shí)，也會(huì)達(dá)到實(shí)際的極限。
分散相顆粒的形狀也會(huì)影響光的散射。在折射率匹配和不匹配方向上顆粒對(duì)于電場(chǎng)的消偏振因子會(huì)減少或增加給定方向上的散射量。結(jié)果會(huì)增加或降低折射率不匹配產(chǎn)生的散射量，但是在本發(fā)明較好的性能范圍內(nèi)，其對(duì)散射的影響通常很小。
顆粒的形狀也會(huì)影響從顆粒上散射出來的光的漫射程度。這種形狀效應(yīng)一般較小，但是隨著垂直于光入射方向的平面中顆粒幾何截面的縱橫比增加，以及顆粒變得相對(duì)較大，這種效應(yīng)會(huì)增大。一般來說，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，如果希望是漫反射而不是鏡面反射，那么在一個(gè)或兩個(gè)互相正交方向上分散相顆粒的尺寸應(yīng)小于數(shù)個(gè)光波長。
還發(fā)現(xiàn)分散相的空間排列對(duì)散射性能也有影響。具體地說，在本發(fā)明光學(xué)體中觀察到，經(jīng)排列的散射體不會(huì)象隨機(jī)排列的散射體那樣繞鏡面透射或反射方向?qū)ΨQ地散射光線。更具體地說，通過取向被拉成桿狀的摻雜物基本上沿著(或接近)一圓錐體散射光線，所述圓錐體以取向方向?yàn)橹行那移溥吘壯冂R面透射方向。例如，對(duì)于從與取向方向垂直的方向入射到這種拉長桿上的光線，散射光呈現(xiàn)為在垂直于取向方向的平面上的光帶，其強(qiáng)度隨著離開鏡面方向的角度增加而減弱。通過調(diào)節(jié)摻雜物的幾何形狀，可在某種程度上控制散射光在透射半球和反射半球中的分布。
分散相的體積分?jǐn)?shù)也對(duì)本發(fā)明光學(xué)體中的光散射有影響。在一定的范圍內(nèi)，增加分散相的體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加在匹配和不匹配方向的偏振光進(jìn)入光學(xué)體后發(fā)生的散射的量。對(duì)于一定的用途，這一因素對(duì)于控制反射和透射性能是重要的。然而，如果分散相的體積分?jǐn)?shù)太大，則光散射會(huì)減小。不擬受理論束縛，這看來是由于分散相顆粒相對(duì)于光波長來說彼此靠得太近，使得顆粒的共同作用相當(dāng)于較少量的等效大顆粒。
光學(xué)體的厚度也是一個(gè)重要的控制參數(shù)，可利用它來影響本發(fā)明的反射和透射性能。隨著光學(xué)體厚度的增加，漫反射也會(huì)增加，而鏡面透射和漫透射會(huì)減弱。
盡管本文中通常參照光譜的可見區(qū)來描述本發(fā)明，但是通過適當(dāng)?shù)匕幢壤淖児鈱W(xué)體的組成，可在電磁輻射的不同波長(以及頻率)下實(shí)施本發(fā)明的各種實(shí)例。因此，隨著波長的增加，光學(xué)體組分的線度應(yīng)增加，使得以波長為單位的尺寸基本保持恒定。對(duì)于大多數(shù)感興趣的材料來說，改變波長的另一個(gè)主要影響是折射率和吸收系數(shù)的變化。然而，折射率匹配和不匹配的原理仍適用于每一種感興趣的波長。
發(fā)明的詳細(xì)描述導(dǎo)論在本文中，術(shù)語“鏡面反射”指將光線反射至以鏡面角為中心、頂角為16°的出射圓錐體內(nèi)。術(shù)語“漫反射”指光線反射至上述鏡面反射圓錐體外。術(shù)語“總反射”指表面上所有反射光線的總和。因此，總反射是鏡面反射和漫反射之和。
同樣，本文中術(shù)語“鏡面透射”指將光線透射入以鏡面方向?yàn)橹行?、頂角?6°的出射圓錐體內(nèi)。術(shù)語“漫透射”指超出了上述鏡面透射圓錐體的所有光線透射。術(shù)語“總透射”指透射通過光學(xué)體的所有光線的總和。因此，總透射是鏡面透射和漫透射之和。
本文中術(shù)語“消光比”定義為在一種偏振態(tài)下透過的全部光線與在正交偏振態(tài)下透過的光線之比。
圖1-2描述了本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)例。根據(jù)本發(fā)明制得漫反射光學(xué)膜10或其它光學(xué)體，它包括一個(gè)雙折射性基質(zhì)即連續(xù)相12和一個(gè)非連續(xù)或分散相14。連續(xù)相的雙折射通常至少約為0.05，較好至少約為0.1，更好至少為約0.15，最好至少約為0.2。
沿三個(gè)互相正交軸中第一個(gè)軸向，連續(xù)相和分散相的折射率是基本匹配的(即，相差小于約0.05)，沿三個(gè)互相正交軸中第二個(gè)軸向它們是基本上不匹配的(即，相差大于約0.05)。較好的是，在匹配方向上連續(xù)相和分散相的折射率差小于約0.03，更好小于約0.02，最好小于約0.01。在不匹配方向上連續(xù)相和分散相的折射率差宜至少約為0.07，較好至少約為0.1，最好至少約為0.2。
沿一特定軸向的折射率不匹配的后果是，沿該軸偏振的入射光基本上被散射，從而形成大量的反射。相反，沿折射率匹配的軸方向偏振的入射光會(huì)鏡面透射或鏡面反射，而只有很少程度的散射。這個(gè)效果可用來制備各種光學(xué)器件，包括反射偏振器和反射器。
本發(fā)明提供一種實(shí)用而簡單的光學(xué)體，以及制備反射偏振器的方法，還根據(jù)本文所述原理提供一種獲得連續(xù)的光學(xué)性能范圍的方法。同樣，也可獲得非常有效的低損耗高消光比偏振器。其它優(yōu)點(diǎn)是有廣泛的用于分散相和連續(xù)相的實(shí)用材料，以及在提供有穩(wěn)定而可預(yù)測(cè)的高質(zhì)量性能的光學(xué)體時(shí)的高度可控性。
折射率匹配/不匹配的效果在較好的實(shí)例中，連續(xù)相和分散相中至少有一種材料是一種經(jīng)取向其折射率會(huì)發(fā)生改變的材料。所以，當(dāng)膜在一個(gè)或多個(gè)方向上取向時(shí)，就沿一個(gè)或多個(gè)軸方向產(chǎn)生了折射率匹配或不匹配。通過仔細(xì)控制取向參數(shù)和其它加工條件，可利用基質(zhì)正的或負(fù)的雙折射性使一個(gè)給定軸向的一個(gè)或兩個(gè)光偏振態(tài)產(chǎn)生漫反射或透射。透射和漫反射間的相對(duì)比例取決于分散相摻雜物的濃度、膜厚度、連續(xù)相和分散相間的折射率差的平方、分散相摻雜物的大小和幾何形狀以及入射光的波長或波段。
沿一特定軸的折射率匹配或不匹配的量值直接影響沿該軸偏振的光線的散射程度。一般來說，散射能力與折射率不匹配的平方成正比。因此，沿一特定軸的折射率不匹配越大，沿該軸偏振的光線的散射就越強(qiáng)烈。相反，當(dāng)沿一特定軸的不匹配較小時(shí)，沿該軸偏振的光線散射的程度就較小，從而使光線鏡面透射通過光學(xué)體。
圖4a-b說明了本發(fā)明取向膜中的這個(gè)效果。圖中顯示了632.8nm的法向入射的光線的典型的雙向散射分布函數(shù)(BSDF)的測(cè)定結(jié)果。BSDF描述在J.Stover的“光散射的測(cè)量和分析”("Optical Scattering Measurement and Analysis")(1990)中。圖中顯示對(duì)于垂直和平行于取向軸的偏振光，BSDF與散射角的關(guān)系。0°散射角與未散射(分譜透射)光對(duì)應(yīng)。如圖4a所示對(duì)于沿折射率匹配方向(即，與取向方向垂直的方向)偏振的光線來說，有一個(gè)明顯的鏡面透射峰，并有相當(dāng)多的漫透射光(散射角在8至80°間)，和少量漫反射光(散射角大于100°)。如圖4b所示對(duì)于在折射率不匹配方向(即，與取向方向平行的方向)上偏振的光線來說，有可忽略的鏡面透射光和數(shù)量大大減少的漫透射光，以及相當(dāng)多的漫反射光。應(yīng)當(dāng)注意的是，這些曲線表示的散射平面是與這些伸長摻雜物的取向方向垂直的平面(大多數(shù)散射光在該平面內(nèi))。在該平面外散射光的貢獻(xiàn)則大大降低。
如果沿某一軸摻雜物(即分散相)的折射率與連續(xù)的主體介質(zhì)相匹配，那么電場(chǎng)平行于該軸的入射偏振光將穿過而不發(fā)生散射，不論摻雜物的大小、形狀和密度如何。如果沿某一軸的折射率不匹配，那么摻雜物將散射沿該軸偏振的光線。對(duì)于有給定橫截面積，其線度約大于λ/30(λ是介質(zhì)中光的波長)的散射體，散射強(qiáng)度在很大程度上由折射率不匹配值來決定。不匹配摻雜物的具體大小、形狀和排列方式將決定從該摻雜物散射到各方向上的光線的量。如果散射層具有足夠的密度和厚度，根據(jù)多重散射理論，入射光會(huì)被反射或吸收，但不會(huì)透射，不論散射體的具體大小和形狀如何。
如果要將該材料用作偏振器，最好對(duì)其進(jìn)行加工，例如拉伸并在與拉伸平面交叉的方向上允許一定程度的尺寸松弛，使得沿與材料表面平行的平面內(nèi)的第一軸連續(xù)相和分散相之間折射率相差較大，沿其它兩個(gè)垂直的軸向折射率相差較小。這就導(dǎo)致了對(duì)不同偏振方向的電磁輻射有較大的光學(xué)各向異性。
本發(fā)明范圍內(nèi)的一些偏振器是橢圓偏振器。一般來說，橢圓偏振器在拉伸方向和與拉伸方向交叉的方向上均存在分散相和連續(xù)相間的折射率差。前向散射和反向散射之比依賴于分散相和連續(xù)相間的折射率差、分散相的濃度、分散相的大小和形狀以及膜的總厚度。一般來說，橢圓漫射體中分散相顆粒和連續(xù)相間的折射率差相對(duì)較小。通過使用以雙折射性聚合物為基的漫射體，可獲得高度的橢圓偏振靈敏度(即，漫反射率依賴于光的偏振態(tài))。在極端情況下，當(dāng)聚合物的折射率在一個(gè)軸向匹配時(shí)，橢圓偏振器將是一種漫反射偏振器。
獲得折射率匹配/不匹配的方法最好挑選用于本發(fā)明的偏振器的材料，以及這些材料的取向程度，使得在最終偏振器中兩個(gè)相至少在一個(gè)軸向上其相關(guān)折射率是基本相等的。該軸(它通常是，但不必須是，取向方向的橫向)上的折射率匹配會(huì)導(dǎo)致在該偏振平面內(nèi)基本沒有光反射。
在拉伸后，分散相在取向方向上的折射率也會(huì)下降。如果主體基質(zhì)的雙折射性是正型(positive)的，則具有負(fù)型(negative)應(yīng)變誘導(dǎo)雙折射性的分散相能更好地增加取向軸上鄰接相之間折射率之差，同時(shí)偏振平面與取向方向垂直的光的反射仍可忽略。在取向后，取向方向的正交方向上鄰接相間的折射率差應(yīng)小于約0.05，最好小于約0.02。
分散相也可表現(xiàn)出正型應(yīng)變誘導(dǎo)雙折射性。然而，這可通過熱處理來改變，使垂直于連續(xù)相取向方向的軸上的折射率匹配。熱處理的溫度不應(yīng)過高而造成連續(xù)相中的雙折射性松弛(relax)。
分散相的大小分散相的大小對(duì)散射也有顯著影響。如果分散相顆粒太小(即，小于感興趣介質(zhì)中光波長的約1/30)，且如果每立方波長內(nèi)有許多顆粒的話，光學(xué)體就相當(dāng)于一個(gè)沿任何給定軸的有效折射率在兩個(gè)相的折射率之間的媒質(zhì)。在這種情況下，很少有光散射。如果顆粒太大，則光從顆粒表面鏡面反射，很少有光漫射至其它方向。當(dāng)顆粒在至少兩個(gè)正交方向上太大時(shí)，還會(huì)發(fā)生不合要求的虹彩效應(yīng)。當(dāng)顆粒變大導(dǎo)致光學(xué)體的厚度增加并且所需的機(jī)械性能喪失時(shí)，也會(huì)達(dá)到實(shí)際的極限。
分散相顆粒在排列后的尺寸可根據(jù)光學(xué)材料要求的用途而變。因此，例如，顆粒的尺寸可根據(jù)具體應(yīng)用中感興趣的電磁輻射波長而改變，對(duì)于反射或透射可見光、紫外線、紅外線和微波輻射需要有不同的尺寸。然而，一般來說顆粒應(yīng)具有這樣的長度即大致大于介質(zhì)中感興趣的電磁輻射波長的1/30。
較佳地是，在將光學(xué)體用作低損耗反射偏振器的應(yīng)用中，顆粒的長度約大于感興趣波長范圍內(nèi)電磁輻射波長的2倍，最好大于該波長的4倍。顆粒的平均直徑宜等于或小于感興趣波長范圍內(nèi)的電磁輻射波長，最好小于所需波長的0.5倍。盡管分散相的尺寸在許多應(yīng)用中是次要的考慮因素，但是在漫反射相對(duì)較少的薄膜應(yīng)用中，它變得較為重要。
分散相的幾何形狀盡管折射率不匹配是本發(fā)明膜中賴以促進(jìn)散射的主要因素(即，本發(fā)明漫射鏡或偏振器的連續(xù)相和分散相在至少一個(gè)軸向上的折射率有顯著的不匹配)，但是分散相顆粒的幾何形狀對(duì)于散射可以有次要的影響。因此，顆粒對(duì)于折射率匹配和不匹配方向上的電場(chǎng)的退極化因子可減少和增加給定方向上的散射量。例如，當(dāng)分散相在沿垂直于取向軸的平面上截取的截面是橢圓形時(shí)，分散相的橢圓形截面形狀在反向散射光和前向反射光中都產(chǎn)生不對(duì)稱漫射。結(jié)果可增加或減少(detract)由折射率不匹配產(chǎn)生的散射量，但是一般來說在本發(fā)明較佳的性能范圍內(nèi)，其對(duì)散射的影響較小。
分散相顆粒的形狀也會(huì)影響從顆粒上散射的光線的漫射的程度。這種形狀效應(yīng)通常是很小的，但是隨著垂直于入射光方向的平面中顆粒幾何截面的縱橫比增加和顆粒變得相對(duì)較大，這種影響會(huì)增加。一般來說，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，如果希望是漫反射而不是鏡面反射，那么分散相顆粒在一個(gè)或兩個(gè)互相正交方向上的大小應(yīng)小于數(shù)個(gè)光波長。
較佳地，對(duì)于低損耗反射偏振器來說，較佳的實(shí)例包括位于連續(xù)相中的一系列桿狀結(jié)構(gòu)物的分散相，取向后這些結(jié)構(gòu)物具有大的縱橫比，對(duì)于平行于取向方向的偏振光，可通過提高該偏振光相對(duì)于垂直于取向方向的偏振光的散射強(qiáng)度和色散，而增加反射。然而，如圖3a-e所示，分散相可以有許多不同的幾何形狀。因此，分散相可以是圓盤狀或伸長的圓盤狀的(如圖3a-c所示)、桿狀(如圖3d-e所示)或球狀的。其它可考慮的實(shí)例是，其中分散相截面大致呈橢圓形(包括圓形)、多邊形、不規(guī)則形狀或一種或多種這些形狀的組合。分散相顆粒的截面形狀和大小可以隨不同顆粒而不同、或隨不同薄膜區(qū)域(即，從表面到內(nèi)芯)而不同。
在一些實(shí)例中，分散相可以有一種芯和殼的結(jié)構(gòu)，其中芯和殼可用相同或不同的材料制成，或者芯是中空的。因此，例如，分散相可包含長度相等或無規(guī)的、截面均一或不均一的中空纖維。纖維的內(nèi)部空間可以是空的，或可被固體、液體或氣體、或者有機(jī)或無機(jī)的合適介質(zhì)所占據(jù)?？筛鶕?jù)分散相和連續(xù)相的折射率來選擇該介質(zhì)的折射率，以獲得所需的光學(xué)效應(yīng)(即，沿一給定軸的反射或偏振)。
通過適當(dāng)?shù)貙?duì)光學(xué)材料進(jìn)行取向或加工、通過采用特定幾何形狀的顆?；蛲ㄟ^組合使用這兩種方法，可獲得分散相所需的幾何形狀。因此，例如，可通過沿一個(gè)軸向?qū)τ纱笾鲁是驙畹姆稚⑾囝w粒組成的膜進(jìn)行取向，制備基本呈桿狀結(jié)構(gòu)的分散相。通過在垂直于第一方向的第二方向上對(duì)膜進(jìn)行取向，可使桿狀結(jié)構(gòu)物形成橢圓形截面。在另一個(gè)實(shí)例中，通過在一個(gè)方向使分散相由一系列基本上為矩形的薄片組成的膜取向，可制得桿的橫截面是矩形的基本桿狀的分散相。
拉伸是一種獲得所需幾何形狀的簡便方法，因?yàn)槔煲部捎脕硎共牧系恼凵渎十a(chǎn)生差異。如上所述，可以在多個(gè)方向上對(duì)本發(fā)明膜進(jìn)行取向，所述取向可以相繼或同時(shí)進(jìn)行。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可將連續(xù)相和分散相的成分進(jìn)行擠塑，使得在未取向膜中分散相在一個(gè)軸向上呈桿狀。通過在擠出膜中桿主軸方向上取向，可獲得有較大縱橫比的桿。通過在擠出膜中桿主軸的正交方向上取向，可獲得板狀結(jié)構(gòu)物。
可通過對(duì)連續(xù)基質(zhì)中基本呈球形的顆?；旌衔镞M(jìn)行不對(duì)稱雙軸取向來制得圖2中的結(jié)構(gòu)?；蛘?，可通過將許多纖維狀結(jié)構(gòu)物加入基質(zhì)材料中，使結(jié)構(gòu)物僅沿一個(gè)軸向排列并在該軸橫向上取向該混合物來制得所述結(jié)構(gòu)。獲得這種結(jié)構(gòu)的還有一種方法是，控制聚合物混合物中組分的相對(duì)粘度、剪力或表面張力，以在混合物擠出成膜時(shí)產(chǎn)生纖維狀分散相。一般來說，發(fā)現(xiàn)在擠出方向上施加剪切力時(shí)可獲得最好的效果。
分散相的空間排列還發(fā)現(xiàn)空間排列對(duì)分散相的散射性能產(chǎn)生影響。具體地說，在本發(fā)明光學(xué)體中觀察到經(jīng)排列的散射體不會(huì)象無規(guī)排列的散射體那樣繞鏡面透射或反射方向?qū)ΨQ地散射光線。更具有地說，通過取向被拉成桿狀的摻雜物主要沿以取向方向?yàn)橹行牡膱A錐表面(或附近)和沿鏡面透射方向散射光線。這會(huì)導(dǎo)致散射光繞鏡面反射和鏡面透射方向的各向異性分布。例如，對(duì)于垂直于取向方向入射到這種拉長桿上的光線，散射光表現(xiàn)為在垂直于取向方向的平面上的一條光帶，其強(qiáng)度隨著離開鏡面方向的角度增加而減弱。通過改變摻雜物的幾何形狀，可對(duì)散射光在透射半球和反射半球中的分布進(jìn)行一定的控制。
分散相的尺寸在將光學(xué)體用作低損耗反射偏振器的應(yīng)用中，分散相結(jié)構(gòu)最好有高的縱橫比，即結(jié)構(gòu)在一個(gè)方向上的尺寸比其它所有方向上的尺寸大得多?？v橫比宜至少為2，更佳地至少為5。最大線度(即長度)宜至少為感興趣波長范圍內(nèi)電磁輻射波長的2倍，更佳的至少為所需波長的4倍。另一方面，分散相結(jié)構(gòu)(structures)的較小線度(即截面線度)宜小于或等于感興趣的波長，更佳的應(yīng)小于感興趣波長的0.5倍。
分散相的體積分?jǐn)?shù)分散相的體積分?jǐn)?shù)也對(duì)本發(fā)明光學(xué)體中的光散射有影響。在一定的范圍內(nèi)，增加分散相的體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加進(jìn)入光學(xué)體后光線在偏振光的匹配和不匹配方向上發(fā)生的散射量。這一因素對(duì)于控制給定應(yīng)用場(chǎng)合下的反射和透射性能是重要的。
所需的分散相體積分?jǐn)?shù)依賴于多種因素，包括連續(xù)相和分散相材料的具體選擇。然而，通常分散相的體積分?jǐn)?shù)至少約為連續(xù)相的1％(體積)，更佳的在約5至15％范圍內(nèi)，最佳的在15至30％范圍內(nèi)。
共連續(xù)相如果粘度基本相等的高分子聚合物的二元混合物的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50％，將難以區(qū)分連續(xù)相和分散相，因?yàn)楦鱾€(gè)相在空間上變得連續(xù)了。根據(jù)所選擇的材料，也存在看來好象第一相分散在第二相中以及相反的區(qū)域。對(duì)于各種共連續(xù)形態(tài)的說明以及對(duì)于評(píng)價(jià)、分析和表征這些形態(tài)的方法，可參見Sperling和該文引用的參考文獻(xiàn)(L.H.Sperling,“Microphase Structure”Encyclopedia of PolymerScience and Engineering,2nd.,Vol.9,760-788和L.H.Sperling,Chapter 1“Interpenetrating Polymer Networks:An Overview”,Interpenetrating PolymerNetworks,edited by D.Klempner,L.H.Sperling,and L.A.Utracki,Advances inChemistry Series#239,3-38,1994)。
可根據(jù)許多方法制得具有共連續(xù)相的本發(fā)明材料。例如，將第一相聚合物材料與第二相聚合物材料機(jī)械摻混形成共連續(xù)體系。由摻混形成的共連續(xù)形態(tài)的例子描述在，例如D.Bourry和B.D.Favis“Co-Continuity and Phase Inversion inHDPE/PS Blends:The Role of Interfacial Modification”,1995 Annual TechnicalCoference ofthe Society ofPlastics Engineers ANTEC,Vol.53,No.2,2001-2009(聚苯乙烯/聚乙烯摻混物)，以及A.Leclair和B.D.Favis“The role of interfacialcontact in immiscible binary polymer blends and its influence on mechanicalproperties”,Polymer,Vol.37,No.21,4723-4728,1996(聚碳酸酯/聚乙烯摻混物)。
還可按下述方法制得本發(fā)明共連續(xù)相首先如美國專利4,281,084公開的用于聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯摻混物那樣使其在超臨界的提取液中溶出，隨后如N.Mekhilef,B.D.Favis和P.J.Carreau“Morphological Stability of PolystyrenePolyethylene Blaens”,1995 Annual Technical Conference of the Society of PlasticsEngineers ANTEC,Vol.53,No.2,1572-1579)所述在加熱和/或施加機(jī)械剪切后使之分相。
制備本發(fā)明共連續(xù)相的另一種方法是通過形成互相滲透的聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)，較重要的一些IPN包括同步IPN、依次IPN、梯度IPN、膠乳IPN、熱塑性IPN和半IPN。這些和其它類型的IPN，其物理性能(如相圖)及其制備和表征方法可參見，例如L.H.Sperling和V.Mishra,“Current Status ofInterpenetrating Polymer Network”,Polymerfor Advanced Technologies,Vol.7,No.4,197-208,April 1996，以及L.H.Sperling,“Interpenetrating Polymer Networks:An Overview”,Interpenetrating Polymer Networks,edited by D.Klempner,L.H.Sperling，和L.A.Utracki,Advances in Chemistry Series#239,3-38,1994)。制備這些體系的一些重要方法綜述如下。
制備同步IPN將兩種或多種聚合物網(wǎng)絡(luò)的各種單體或預(yù)聚物加上交聯(lián)劑和活化劑混合在一起，隨后使各種單體或預(yù)聚物以互不干擾的方式同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。例如，可利用鏈聚合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行一種反應(yīng)，利用逐步聚合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行另一種反應(yīng)。
制備依次IPN首先形成初始的聚合物網(wǎng)絡(luò)。隨后將一種或多種其它網(wǎng)絡(luò)的單體、交聯(lián)劑和活化劑溶脹在該初始聚合物網(wǎng)絡(luò)中，在該網(wǎng)絡(luò)中它們?cè)环磻?yīng)，形成其它聚合物網(wǎng)絡(luò)。
合成梯度IPN這種IPN材料中一處和另一處的總組成或交聯(lián)密度在宏觀上看來是不同的。這種體系可通過，例如形成主要在膜一個(gè)表面上的第一聚合物網(wǎng)絡(luò)以及主要在膜另一表面上的第二聚合物網(wǎng)絡(luò)，并在整個(gè)膜的內(nèi)部形成組成梯度而制得。
制得的膠乳IPN是膠乳狀的(如具有內(nèi)芯和外殼的結(jié)構(gòu))。在某些變化方式中，可混合兩種或多種膠乳并形成一種將聚合物交聯(lián)的膜。
熱塑性IPN是用物理交聯(lián)代替化學(xué)交聯(lián)的聚合物摻混物和IPN的混合物。結(jié)果，在提高的溫度下這些材料能像熱塑性彈性體那樣流動(dòng)，但是在正常使用溫度下它們交聯(lián)并具有IPN那樣的性能。
半IPNs是兩種或多種聚合物的組合物，其中一種或多種聚合物是交聯(lián)的，一種或多種聚合物是線型的或帶支鏈的。
如上所述，在多組分體系中和在雙組分體系中都可獲得共連續(xù)性。例如可將三種或多種材料組合在一起以得到要求的光學(xué)性能(如透射率和反射率)和/或改進(jìn)的物理性能。所有組分可以是互不混溶的，或者兩種或多種組分是可混溶的。具有共連續(xù)性的許多三元體系描述在例如L.H.Sperling,Chapter 1“Interpenerating Polymer Networks:An Overview”,Interpenetrating PolymerNetworks,edited by D.Klempner,L.H.Sperling,and L.A.Utracki,Advances inChemistry Series#239,3-38,1994)。
相結(jié)構(gòu)的特性尺寸、可觀察到共連續(xù)性的體積分?jǐn)?shù)范圍、以及形態(tài)穩(wěn)定性均會(huì)受到添加劑(如相容劑)、接枝或嵌段共聚物、或活性組分(如馬來酸酐或甲基丙烯酸縮水甘油酯)的影響。這種影響可參見例如H.Y.Tsai和K.Min“ReactiveBlends of Functionalized Polystyrene and Polyethylene Terephthalate”,1995 AnnualTechnical Conference of the Society of Plastics Engineers ANTEC,Vol.53,No.2,1858-1865中對(duì)聚苯乙烯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯摻混物的描述。但是，對(duì)于具體的體系，可通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)建立相圖并用以制造本發(fā)明的共連續(xù)體系。
根據(jù)制造方法、相的混溶性、存在的添加劑以及本領(lǐng)域中已知的其它因素，本發(fā)明共連續(xù)體系的顯微結(jié)構(gòu)可明顯不同。例如，共連續(xù)體系中的一個(gè)或多個(gè)相可以是纖絲狀的，所述纖維可無規(guī)取向或沿同一軸取向。其它共連續(xù)體系可包括第一相的開口泡孔基質(zhì)，第二相以共連續(xù)的方式被置于該基質(zhì)的泡孔中。這些體系中的各相可僅沿一個(gè)軸向、沿二個(gè)軸向或沿三個(gè)軸向共連續(xù)。
在許多情況下，具有共連續(xù)相(特別是IPN)的本發(fā)明光學(xué)體的性能優(yōu)于僅有一個(gè)連續(xù)相的相似光學(xué)體的性能，當(dāng)然，這取決于各種聚合物的單獨(dú)的性能和這些聚合物的結(jié)合方式。例如，本發(fā)明共連續(xù)體系允許結(jié)構(gòu)不相似的聚合物化學(xué)和物理地結(jié)合，從而提供了一種方便的改進(jìn)光學(xué)體的性能使之滿足特殊需要的途徑。另外，共連續(xù)體系通常較容易加工，并具有如耐天候性、低可燃性、高的耐沖擊性和拉伸強(qiáng)度、改進(jìn)的撓性和優(yōu)良的化學(xué)品耐受性等性能。IPN特別適用于某些用途，因?yàn)樗鼈兂Ｔ谌軇┲腥苊?但不溶解)，并且與類似的非IPN體系相比，顯示出受抑制的蠕變和流動(dòng)性(參見如D.Klempner和L.Berkowski“Interpenetrating Polymer Networks”,Encyclopedia of Polymer Science andEngineering,2nd Ed.,Vol.9,489-492)。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可結(jié)合本領(lǐng)域已知的共連續(xù)體系的原理和本文所述的內(nèi)容制造具有獨(dú)特光學(xué)性能的共連續(xù)形態(tài)。例如，可根據(jù)本文公開的內(nèi)容控制已知共連續(xù)形態(tài)的折射率，以制備新的本發(fā)明光學(xué)膜。同樣，可將本發(fā)明公開的原理用于已知的光學(xué)體系中制造共連續(xù)形態(tài)。
光學(xué)體的厚度光學(xué)體的厚度也是一個(gè)重要的參數(shù)，在本發(fā)明中可通過控制該參數(shù)來影響反射和透射性能。當(dāng)光學(xué)體厚度增加時(shí)，漫反射也會(huì)增加，而透射(鏡面透射和漫透射)會(huì)減弱。因此，盡管常選擇光學(xué)體的厚度使最終產(chǎn)物具有所需的機(jī)械強(qiáng)度，但是它也可用來直接控制反射和透射性能。
也可用厚度來最終調(diào)節(jié)光學(xué)體的反射和透射性能。例如，在膜涂布中，可用后續(xù)光學(xué)裝置來控制膜擠出裝置，所述后續(xù)光學(xué)裝置測(cè)定擠出膜中的透射和反射量，并改變膜的厚度(即通過調(diào)節(jié)擠出速率或改變流延滾筒速度)，從而使反射和透射量保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。
用作連續(xù)相/分散相的材料根據(jù)光學(xué)體涉及的具體應(yīng)用，可將許多不同的材料用作本發(fā)明光學(xué)體的連續(xù)相或分散相。這些材料包括無機(jī)材料如二氧化硅基聚合物，有機(jī)材料如液晶，以及聚合材料，如單體、共聚物、接枝聚合物及其混合物或摻混物。給定應(yīng)用中材料的具體選擇取決于所需的特定軸上連續(xù)相和分散相的折射率匹配和不匹配，以及獲得產(chǎn)品中所需的物理性能。然而，連續(xù)相材料的特征通常是在所需光譜區(qū)域中它是基本上透明的。
在選擇材料時(shí)另一個(gè)考慮因素是，得到的產(chǎn)品必須含有至少兩個(gè)不同的相。這可通過用兩種或多種互不混溶的材料鑄塑光學(xué)材料來實(shí)現(xiàn)。或者，如果需要用相互混溶的第一和第二種材料制備光學(xué)材料，且第一種材料的熔點(diǎn)比第二種材料高的話，在某些情況下可以在低于第一種材料熔點(diǎn)的溫度下將適當(dāng)尺寸的第一種材料顆粒包封在第二種材料的熔融基質(zhì)中。然后將得到的混合物流延成膜，隨后取向或不取向，制成光學(xué)器件。
適于用作本發(fā)明中的連續(xù)相或分散相的聚合材料可以是無定形的、半結(jié)晶的、或者是結(jié)晶的聚合材料，包括由基于羧酸(如間苯二酸、壬二酸、己二酸、癸二酸、二苯甲酸(dibenzoic acid)、對(duì)苯二甲酸、2,7-萘二甲酸、2,6-萘二甲酸、環(huán)己烷二羧酸和聯(lián)苯甲酸(包括4,4′-聯(lián)苯甲酸))的單體制得的材料，或由上述酸的相應(yīng)酯(即，對(duì)苯二甲酸二甲酯)制得的材料。其中，由于其應(yīng)變誘導(dǎo)雙折射性和在拉伸后持久保持雙折射性的能力，聚-2,6-萘二甲酸乙二醇酯(PEN)是特別佳的。當(dāng)偏振平面與拉伸軸平行時(shí)，拉伸后PEN對(duì)于波長為550nm的偏振的入射光的折射率由約1.64增加至高達(dá)約1.9，而對(duì)于垂直于拉伸軸偏振的光線折射率則下降。PEN在可見光譜內(nèi)表現(xiàn)出雙折射性(在這種情況下，是沿拉伸方向的折射率和垂直于拉伸方向折射率之差)為0.25至0.40。通過提高分子取向可增加該雙折射率。根據(jù)制備膜時(shí)所用的加工條件，PEN可以在約155℃至高達(dá)約230℃下基本上是熱穩(wěn)定的。
聚萘二甲酸丁二醇酯以及其它結(jié)晶萘二甲酸聚酯也是合適的材料。結(jié)晶萘二甲酸聚酯在平面內(nèi)不同軸上的折射率差至少為0.05，最好大于0.20。
當(dāng)用PEN作為本發(fā)明光學(xué)材料中的一個(gè)相時(shí)，另一個(gè)相宜為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或間同乙烯基芳族聚合物如聚苯乙烯(sPS)。其它與PEN一起使用的較佳聚合物是基于對(duì)苯二甲酸、間苯二酸、癸二酸、壬二酸或環(huán)己烷二羧酸或這些物質(zhì)相應(yīng)的烷基酯的聚合物。也可用少量的萘二甲酸來改善相間的粘性。二醇組分可以是乙二醇或相應(yīng)的二元醇。較佳的，所選聚合物的折射率小于約1.65，更佳的小于約1.55，盡管(如果有相同的折射率差的話)使用有更高折射率的聚合物也可獲得相同的結(jié)果。
適用于本發(fā)明的間規(guī)乙烯基芳族聚合物包括聚苯乙烯、聚(烷基苯乙烯)、聚(鹵代苯乙烯)、聚(烷基苯乙烯)、聚(苯甲酸乙烯酯)及其氫化的聚合物和混合物，或含有這些結(jié)構(gòu)單元的共聚物。聚(烷基苯乙烯)的例子包括聚(甲基苯乙烯)、聚(乙基苯乙烯)、聚(丙基苯乙烯)、聚(丁基苯乙烯)、聚(苯基苯乙烯)、聚(乙烯基萘)、聚(乙烯基苯乙烯)和聚(苊)。聚(鹵代苯乙烯)的例子包括聚(氯苯乙烯)、聚(溴苯乙烯)和聚(氟苯乙烯)。聚(烷氧基苯乙烯)的例子包括聚(甲氧基苯乙烯)和聚(乙氧基苯乙烯)。在這些例子中，特別佳的苯乙烯基團(tuán)聚合物是聚苯乙烯、聚(對(duì)甲苯乙烯)、聚(間甲苯乙烯)、聚(對(duì)叔丁基苯乙烯)、聚(對(duì)氯苯乙烯)、聚(間氯苯乙烯)、聚(對(duì)氟苯乙烯)，以及苯乙烯和對(duì)甲苯乙烯的共聚物。
另外，除了上述苯乙烯基團(tuán)聚合物的單體外，作為間規(guī)乙烯基芳族基團(tuán)共聚物的共聚單體還包括烯烴單體如乙烯、丙烯、丁烯、己烯或辛烯；二烯單體如丁二烯、異戊二烯；極性乙烯基單體如環(huán)二烯單體、甲基丙烯酸甲酯、馬來酸酐或丙烯腈。
本發(fā)明的間規(guī)乙烯基芳族聚合物可以是嵌段共聚物、無規(guī)共聚物或交替共聚物。
本發(fā)明中所指的有高水平間規(guī)結(jié)構(gòu)的乙烯基芳族聚合物通常包括間同規(guī)正度高于75％(用C-13核磁共振測(cè)得)的聚苯乙烯。較佳的是，間同規(guī)正度應(yīng)高于85％外消旋二元體(racemic diad)，或高于30％外消旋五元體(pentad)，更佳的應(yīng)高于50％外消旋五元體。
另外，盡管沒有具體限制這些間規(guī)乙烯基芳族基團(tuán)聚合物的分子量，但是其重均分子量宜大于10,000而小于1,000,000，更佳的應(yīng)大于50,000而小于800,000。
關(guān)于所述的其它樹脂，可提到各種類型，包括例如無規(guī)立構(gòu)的乙烯基芳族基團(tuán)聚合物、全同立構(gòu)的乙烯基芳族基團(tuán)聚合物，以及所有可混溶的聚合物。例如，聚亞苯基醚表現(xiàn)出良好的與前述乙烯基芳族基團(tuán)聚合物的混溶性。另外，這些可混溶的樹脂組分的組成宜占70至1重量％，或更佳的占50至2重量％。當(dāng)可混溶樹脂組分的組成超過70重量％時(shí)，耐熱性就會(huì)變差，而這通常是不希望的。
某一特定相所選擇的聚合物不必是共聚多酯或共聚碳酸酯。也可采用由單體(如乙烯基萘、苯乙烯、乙烯、馬來酐、丙烯酸酯類和甲基丙烯酸酯類)制得的乙烯基聚合物和共聚物。也可用聚酯和聚碳酸酯以外的縮聚物。合適的縮聚物包括聚砜、聚酰胺、聚氨酯、聚酰胺酸(polyamic acid)和聚酰亞胺。如果需要使折射率大致匹配，且PEN是主體的話，可用萘基團(tuán)和鹵素(如氯、溴和碘)來使所選聚合物的折射率升高到所需水平(1.59至1.69)。丙烯酸酯基團(tuán)和氟對(duì)降低折射率特別有用。
可用少量的共聚單體代入萘二甲酸聚酯，只要基本上不損害取向方向上的大折射率差即可。較小的折射率(因此較小的反射率)可由下列任何優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)連續(xù)相和分散相間的改善的粘性、低擠出溫度和熔融粘度較好的匹配。
光譜區(qū)域盡管通常是參照光譜的可見區(qū)來描述本發(fā)明的，但是通過適當(dāng)?shù)匕幢壤淖児鈱W(xué)體的組分可將本發(fā)明的各個(gè)實(shí)例用于電磁輻射的不同波長(以及頻率)。因此，當(dāng)波長增大時(shí)，可增加光學(xué)體組分的線性尺寸，使得這些組分以波長單位計(jì)的尺寸大致保持恒定。
當(dāng)然，對(duì)于大多數(shù)感興趣的材料來說，改變波長的一個(gè)主要影響是折射率和吸收系數(shù)的變化。然而，折射率匹配和不匹配的原理仍適用于每一種感興趣的波長，并可用來選擇用于特定光譜區(qū)的光學(xué)器件的材料。例如，適當(dāng)?shù)匕幢壤淖兂叽缂纯捎糜诠庾V的紅外、近紫外和紫外區(qū)。在這些情況下，折射率指的是在這些操作波長下的數(shù)值，光學(xué)體厚度和分散相散射組分的大小也應(yīng)大致根據(jù)波長來改變。可采用甚至更寬的電磁波譜，包括甚高頻、超高頻、微波和毫米波頻率。在根據(jù)波長適當(dāng)按比例改變后時(shí)，仍存在偏振和漫射效應(yīng)，折射率可從介電函數(shù)(dielectric function)(包括實(shí)部和虛部)的平方根獲得。在這些較長波段中使用的產(chǎn)品可以是漫反射偏振器和部分偏振器。
在本發(fā)明的一些實(shí)例中，光學(xué)體的光學(xué)性能在感興趣的波段內(nèi)是不同的。在這些實(shí)例中，可使用在一個(gè)或多個(gè)軸上的折射率在一個(gè)波段與另一波段不相同的材料作為連續(xù)相和/或分散相。連續(xù)相和分散相材料的選擇，選擇特定材料后得到的光學(xué)性能(即，漫射和分散體反射或鏡面透射)將依賴于感興趣的波段。
表層可將一層基本無分散相的材料共延伸地置于所述膜(即分散相和連續(xù)相的擠出混合物)的一個(gè)或兩個(gè)主表面上。可選擇該層(也稱作“表層”)的組分，例如，來保護(hù)分散相在擠出混合物中的完整性，以賦予最終膜以機(jī)械或物理性能，或賦予最終膜以光學(xué)功能。所選的合適材料包括用作連續(xù)相的材料或用作分散相的材料。也可使用熔融粘度與擠出的混合物相同的材料。
一層或多層表層將使擠出混合物在擠出過程中，尤其是在擠出模頭中可能會(huì)遇到的較寬的剪切應(yīng)力范圍變窄。高的剪切環(huán)境會(huì)引起不利的表面空隙并產(chǎn)生有紋理的表面。在膜厚度內(nèi)有較寬范圍的剪力也會(huì)阻礙分散相在混合物中形成所需的顆粒大小。
一層或多層表層也會(huì)增加最終復(fù)合體的物理強(qiáng)度，或減少加工中的問題，例如減少膜在取向過程中撕裂的趨勢(shì)。保持無定形的表層材料會(huì)使膜具有較高的韌性，而半晶形的表層材料會(huì)使膜具有較高的拉伸模量?？上虮韺又屑尤肫渌δ苄越M分，如抗靜電劑、紫外線吸收劑、染料、抗氧化劑和顏料，只要它們基本上不影響制得產(chǎn)品所需的光學(xué)性能即可。
還可施加表層或涂層以賦予最終的膜或器件以防滲性能。例如，可施加防滲膜或涂層作為表層或表層中的組分，以改變膜或器件對(duì)液體(如水或有機(jī)溶劑)或氣體(如氧或二氧化碳)的滲透性能。
還可施加表層或涂層以賦予或改進(jìn)最終制品的耐磨性。例如，可向本發(fā)明光學(xué)膜上施加含有嵌入聚合物基質(zhì)中的二氧化硅的表層，以使該膜具有耐磨性，當(dāng)然前提是這種層不能損害膜在特定應(yīng)用中所需的光學(xué)性能。
還可施加表層或涂層以賦予或改進(jìn)最終制品的耐刺穿性和/或抗撕裂性。例如，在光學(xué)膜外層含有coPEN作為主要相的實(shí)例中，可使單片coPEN的表層與光學(xué)層一起擠出，使形成的膜具有良好的抗撕裂性。選擇用作抗撕裂層的材料時(shí)要考慮的因素包括斷裂伸長率，楊氏模量，撕裂強(qiáng)度，與內(nèi)層的粘性，在感興趣的電磁波段的透射率和吸收率，光學(xué)透明度或霧度，與頻率有關(guān)的折射率，結(jié)構(gòu)和粗糙度，熔體熱穩(wěn)定性，分子量分布，熔體流變性和共擠出性，表層和光學(xué)層材料之間的互溶性和互擴(kuò)散速率，粘彈響應(yīng)，在拉伸狀態(tài)下的松弛和結(jié)晶性能，在使用溫度的熱穩(wěn)定性，耐天侯性，與涂層的粘合性能和對(duì)各種溶劑和氣體的滲透性能?？稍谥圃爝^程中將耐刺穿或抗撕裂表層施加至光學(xué)膜上，或者在制造過程以后將其涂覆在或?qū)訅涸谠摴鈱W(xué)膜上。在制造過程中將這些層粘合(如用共擠出方法)在光學(xué)膜上的優(yōu)點(diǎn)在于在制造過程中光學(xué)膜就受到保護(hù)。在某些實(shí)例中，可以單獨(dú)或與耐刺穿或抗撕裂表層相結(jié)合地在光學(xué)膜內(nèi)施加一層或多層耐刺穿或抗撕裂層。
可在擠出過程中的某一時(shí)刻，即擠出混合物和表層離開擠出模頭之前，將表層施加在擠出混合物的一個(gè)或兩個(gè)側(cè)面上。這可采用常規(guī)的共擠出方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括采用三層共擠出模頭。也可以將一層或多層表層層壓到預(yù)先形成的擠出混合物膜上。表層總厚度可為全部混合物/表層厚度的約2％至約50％。
在某些應(yīng)用中，可在光學(xué)膜的制造過程中將附加層共擠出或粘合在表層的外面。這種附加層也可在獨(dú)立的涂覆操作中擠出或涂覆在光學(xué)膜上，或作為獨(dú)立的膜，箔或剛性或半剛性基片(如聚酯(PET)、丙烯酸(PMMA)、聚碳酸酯、金屬或玻璃)層壓在光學(xué)膜上。
很多聚合物適于用作表層。主要是無定形的聚合物中，合適的例子包括基于對(duì)苯二甲酸、2,6-萘二甲酸、間苯二酸、苯二酸、或它們的烷基酯對(duì)應(yīng)物以及亞烷基二醇(如乙二醇)中的一種或多種的共聚多酯。適合于用作表層的半結(jié)晶聚合物的例子包括聚-2,6-萘二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和尼龍材料。可用于增加光學(xué)膜堅(jiān)韌性的表層包括高伸長率的聚酯，如EcdelTM和PCTG 5445(購自Eastman Chemical Co.,Rochester,N.Y.)和聚碳酸酯。聚烯烴(如聚丙烯和聚乙烯)也可用于該目的，特別是用相容劑將其粘合在光學(xué)膜上時(shí)。
功能層可向本發(fā)明光學(xué)膜或器件上施加各種功能層或涂層，以改變或改進(jìn)其物理性能或化學(xué)性能，特別是該光學(xué)膜或器件表面的物理或化學(xué)性能。這些層或涂層可包括，例如滑爽劑，低粘性背襯材料，導(dǎo)電層，抗靜電涂層或膜，防滲透層，阻燃劑，UV穩(wěn)定劑，耐磨材料，光學(xué)涂層和用于改進(jìn)膜或器件的機(jī)械完整性或強(qiáng)度的基片。
通過用低摩擦系數(shù)的涂層或滑爽劑(如涂覆在表面上的聚合物小珠)對(duì)本發(fā)明膜和光學(xué)器件進(jìn)行處理，可使之具有良好的滑爽性能?；蛘撸缤ㄟ^控制擠出條件可改進(jìn)這些材料表面的形態(tài)，使膜具有滑爽的表面。如此改變表面形態(tài)的方法公開在美國專利申請(qǐng)08/612,710中。
在某些應(yīng)用中(如將本發(fā)明光學(xué)膜用作粘合帶的組分時(shí))，需要用低粘性背膠(LAB)涂料或膜(如那些基于聚氨酯、硅氧烷或含氟烴化學(xué)物的膜)處理光學(xué)膜。經(jīng)這種方法處理后的膜對(duì)壓敏粘合劑(PSA)具有適當(dāng)?shù)膭冸x性能，從而使之能用粘合劑處理并纏繞成卷。用這種方式制得的粘合帶可用于裝飾，或用于要求粘合帶具有漫反射或漫透射表面的任何用途中。
本發(fā)明膜和光學(xué)器件還可帶有一層或多層導(dǎo)電層。這種導(dǎo)電層含有金屬如銀、金、銅、鋁、鉻、鎳、錫和鈦，金屬合金如銀合金、不銹鋼和鉻鎳鐵合金，以及半導(dǎo)體金屬氧化物如摻雜或未摻雜的氧化錫、氧化鋅和氧化錫銦(ITO)。
本發(fā)明膜和光學(xué)器件還可帶有抗靜電涂層或膜。這種涂層或膜包括，例如V2O5和磺酸鹽聚合物、碳或其它導(dǎo)電金屬層。
本發(fā)明膜和光學(xué)器件還可帶有一層或多層改善光學(xué)膜防止某些液體或氣體滲透的性能的膜或涂層。例如，本發(fā)明器件或膜可帶有抑制水汽、有機(jī)溶劑、氧氣或二氧化碳透過所述膜的膜或涂層。在水分滲透會(huì)損害所述膜或器件組分的高濕度環(huán)境下，尤其需要防滲透層。
還可用阻燃劑處理本發(fā)明光學(xué)膜和器件，尤其在將其用于如飛機(jī)這樣的嚴(yán)格執(zhí)行防火標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境的情況下。合適的阻燃劑包括鋁三水合物、三氧化銻、五氧化銻和阻燃的有機(jī)磷酸鹽。
本發(fā)明光學(xué)膜和器件還可帶有常施涂成表層的耐磨或硬質(zhì)涂層。這些涂層包括丙烯酸硬質(zhì)涂層，如購自Rohm & Haas,Philadelphia,PA的Acryloid A-11和Paraloid K-120N；聚氨酯丙烯酸酯(urethane acrylates)，如美國專利4,249,011公開的和購自Sartomer Corp.,Westchester,PA的物料；以及由脂族聚異氰酸酯(如Desmodur N-3300，購自Miles,Inc.,Pittsburgh,PA)和聚酯(如Tone polyol 0305,購自Union Carbide,Houston,TX)反應(yīng)制得的聚氨酯硬質(zhì)涂層。
還可將本發(fā)明光學(xué)膜或器件層壓在剛性或半剛性基片(例如玻璃、金屬、丙烯酸、聚酯和其它聚合物背襯)上以得到剛性的結(jié)構(gòu)，耐天候性或更容易操作。例如，可將本發(fā)明光學(xué)膜層壓在薄丙烯酸或金屬背襯上，使之能沖壓或用其它方式形成并保持要求的形狀。對(duì)于某些應(yīng)用(如將所述光學(xué)膜施加至其它可斷裂的背襯上)，可使用包括PET膜或耐刺穿膜的附加層。
本發(fā)明光學(xué)膜和器件還可裝有抗粉碎膜或涂層。適合于這種用途的膜和涂層公開在專利公告EP592284和EP591055中，并可購自美國3M公司。
可將各種光學(xué)層、材料和器件施加在本發(fā)明膜和器件上或與之一起用于特定的用途中。它們包括，但不限于磁性或磁-光涂層或膜；液晶板如用于顯示板和保密窗的液晶板；感光乳劑；織物；分光膜如線型Fresnel透鏡；增亮膜；全息照相膜或影像；可浮雕的膜；抗干擾(anti-tamper)膜或涂層；用于低發(fā)射率用途的IR透明膜；剝離膜或剝離層涂覆紙以及偏振器或反射器。
也可設(shè)想在光學(xué)膜的一個(gè)或兩個(gè)主表面上有多層附加層，它們可以是上述涂層或膜的任意組合。例如，當(dāng)將粘合劑施涂在光學(xué)膜上，該粘合劑可含有白色顏料(如二氧化鈦)以增加總反射率，或者它可以是光學(xué)透明的以便將基片的反射性合并入光學(xué)膜的反射性中。
為了改進(jìn)膜的成卷和轉(zhuǎn)制性能，本發(fā)明光學(xué)膜還可含有滑爽劑，所述滑爽劑可混入膜中或作為單獨(dú)的涂層。在許多情況下，僅向所述膜的一側(cè)，最好是朝剛性基片的那側(cè)施加滑爽劑以減少膜的渾濁。
微空隙在一些實(shí)例中，選擇連續(xù)相和分散相材料使兩相間的界面足夠弱以便在膜取向時(shí)形成空隙。通過仔細(xì)控制加工參數(shù)和拉伸比、或選擇性地使用相容劑，可以控制空隙的平均尺寸。最終產(chǎn)品中的空隙可用液體、氣體或固體回填。空隙可與縱橫比以及分散相和連續(xù)相的折射率結(jié)合起來產(chǎn)生作用，從而在制得的膜中獲得所需的光學(xué)性能。
兩個(gè)以上的相本發(fā)明光學(xué)體也可包括兩個(gè)以上的相。例如，本發(fā)明光學(xué)材料的連續(xù)相中可包括兩個(gè)不同的分散相。第二分散相可以無規(guī)地或非無規(guī)地分散在整個(gè)連續(xù)相中，并可無規(guī)地排列或是沿共同的軸排列。
本發(fā)明光學(xué)體也可包括不止一個(gè)連續(xù)相。因此，在一些實(shí)例中，除了第一連續(xù)相以及分散相外，光學(xué)體還可包括至少在一個(gè)方向上與第一連續(xù)相共同連續(xù)的第二相。在一個(gè)具體的實(shí)例中，第二連續(xù)相是一種與第一連續(xù)相共同延伸(即，第一連續(xù)相通過在第二連續(xù)相中延伸的管道或孔隙網(wǎng)絡(luò)延伸，就如水在濕海綿的管狀網(wǎng)絡(luò)中延伸那樣)的海綿狀的多孔材料。在一個(gè)相關(guān)的實(shí)例中，第二連續(xù)相具有枝狀結(jié)構(gòu)的形式，該結(jié)構(gòu)在至少一個(gè)方向上與第一連續(xù)相共延伸。
多層組合如果需要，可將一層或多層本發(fā)明連續(xù)相/分散相膜與一多層膜組合使用，或是作為該多層膜的組分(以增加反射率)。合適的多層膜包括WO95/17303(Ouderkirk等)中所述的那些膜。在這樣的結(jié)構(gòu)中，可將單獨(dú)的片材層壓或用其它方式粘合在一起，或者可以是隔開的。如果片材內(nèi)相的光學(xué)厚度基本相同(就是說，如果兩片材沿一給定的軸對(duì)入射光表現(xiàn)出基本相等的大量散射體的話)，復(fù)合體將會(huì)更有效地反射與單獨(dú)的片材基本相同的波段寬度和反射光譜范圍(即，“波段”)內(nèi)的光。如果片材內(nèi)相的光學(xué)厚度并不基本相等，那么復(fù)合體將會(huì)比單獨(dú)相在更寬的波段寬度反射。將鏡面片材與偏振器片材組合在一起的復(fù)合體可用來增加總反射率并仍能使透過的光線偏振?；蛘?，可對(duì)單層片材非對(duì)稱地雙軸取向，以制成選擇性反射和偏振的膜。
圖5描述了本發(fā)明這種實(shí)例的一個(gè)例子。其中，光學(xué)體包括多層膜20，多層膜20中PEN層22和co-PEN層24交替疊合。每一PEN層包括一個(gè)在PEN基質(zhì)中的間同聚苯乙烯(sPS)分散相。這類結(jié)構(gòu)是所需的，因?yàn)樗a(chǎn)生較低的偏離角色彩(off-angle color)。另外，由于層疊或摻入散射體使漏光達(dá)到平均水平，因此對(duì)于層厚度的控制就不那么關(guān)鍵，使得膜更能承受加工參數(shù)的變化。
前述的任何材料均可用作本實(shí)例中的任何一層，或用作特定層中的連續(xù)相或分散相。然而，特別希望PEN和co-PEN作為相鄰層的主要組分，因?yàn)檫@些材料提供了良好的層壓粘性。
同樣，各層的排列可有多種變化。例如，光學(xué)體的部分或整個(gè)結(jié)構(gòu)可按照重復(fù)順序制成。其中一個(gè)例子是有…ABCABC…層模式的結(jié)構(gòu)，其中A、B和C是不同的材料、或是相同或不同材料的不同摻混物或混合物，并且A、B或C中的一種或多種含有至少一個(gè)分散相和至少一個(gè)連續(xù)相。表層最好是相同的或化學(xué)上相近的材料。
抗反射層本發(fā)明的膜和其它光學(xué)器件還可含有一層或多層抗反射層或涂層，例如常規(guī)真空涂覆的介電金屬氧化物或金屬/金屬氧化物光學(xué)膜，二氧化硅溶膠-凝膠涂層以及涂覆或共擠出的抗反射層，如由低折射率含氟聚合物(如THV)制得的抗反射層，所述THV是購自美國3M公司的可擠塑的含氟聚合物。這些層或涂層可以是偏振敏感或不敏感的，它們的作用是增加透射和減少反射光澤?？赏ㄟ^對(duì)本發(fā)明膜和光學(xué)器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?例如涂覆或?yàn)R蝕(sputter-ething))而將抗反射層施加于其上?？狗瓷渫繉拥木唧w例子將在實(shí)施例132-133詳細(xì)說明。
在本發(fā)明一些實(shí)例中，希望使某些偏振態(tài)的透射最大和/或鏡面反射最小。在這些實(shí)例中，光學(xué)體可含有兩層或多層，其中至少一層包括抗反射體系，它與具有連續(xù)相和分散相的層緊密接觸。這種抗反射體系的作用是減少入射光的鏡面反射，增加進(jìn)入含有連續(xù)層和分散層的光學(xué)體部分的入射光量。這種作用可通過本領(lǐng)域熟知的各種方法來實(shí)現(xiàn)。例子是四分之一波長抗反射層、兩層或多層抗反射疊層(stack)、折射率漸變層和密度漸變層(graded density layer)。如有必要，還可將這種抗反射功能用于光學(xué)體的透射光線的那一側(cè)，以增強(qiáng)透射光。
抗霧翳層本發(fā)明膜和光學(xué)器件還可裝有賦予抗霧翳性能的膜或涂層。在某些情況下，上述抗反射層可同時(shí)起兩種作用使膜或器件具有抗反射性和抗霧翳性能。適用于本發(fā)明的各種抗霧翳劑是本領(lǐng)域中眾所周知的。但是，這些材料通常是，例如脂肪酸酯，它使膜表面具有疏水性，并促進(jìn)形成連續(xù)的不透明性較低的水膜。
有數(shù)位發(fā)明人報(bào)導(dǎo)了降低表面“起翳”傾向的涂層。例如，Leigh的美國專利3,212,909公開了將銨皂(如羧酸烷基銨)與表面活性劑(硫酸化或磺酸化的脂肪物質(zhì))混合在一起制造抗霧翳組合物。Elias的美國專利3,075,228公開了使用硫酸化的烷基芳氧基聚烷氧基醇鹽以及烷基苯磺酸鹽，制造適用于清洗和使各種表面具有抗霧翳性能的抗霧翳制品。Zmoda的美國專利3,819,522公開了含有癸炔二醇衍生物和包括乙氧基化的硫酸烷基酯的表面活性劑混合物的表面活性劑組合物在抗霧翳的窗清洗劑表面活性劑混合物中的應(yīng)用。日本專利公開1994-41,335公開了一種防止起霧和液滴的組合物，它包括膠體氧化鋁、膠體二氧化硅和陰離子表面活性劑。Taniguchi等的美國專利4,478,909公開了一種固化的抗霧翳涂層膜，它包括聚乙烯醇、細(xì)分的二氧化硅和有機(jī)硅化合物，顯然碳/硅重量比對(duì)于報(bào)導(dǎo)的膜的抗霧翳性能是重要的?？墒褂酶鞣N表面活性劑(包括含氟表面活性劑)來改進(jìn)涂層的表面光滑性。其它混有表面活性劑的抗霧翳涂層公開在美國專利2,803,552、3,022,178和3,897,256中。Scholtz等的世界專利PCT 96/18,691公開了使涂層同時(shí)具有抗霧翳性能和抗反射性能的方法。
UV保護(hù)層使用UV穩(wěn)定的膜或涂層可保護(hù)本發(fā)明膜和光學(xué)器件免遭UV光的影響。合適的UV穩(wěn)定的膜或涂層包括那些混有苯并三唑或位阻胺光穩(wěn)定劑(HALS)，如TinuvinTM292(均購自Ciba Geigy Corp,Hawthorne,NY)的膜或涂層。其它合適的UV穩(wěn)定的膜和涂層包括那些含有二苯酮或丙烯酸二苯基酯(diphenylacrylates)(購自BASF Corp.,Parsippany,NJ.)的膜或涂層。當(dāng)將本發(fā)明光學(xué)膜和器件用于戶外用途或用于其中光源放射大量UV區(qū)光線的照明設(shè)備時(shí)，這種膜或涂層特別重要。
表面處理可對(duì)本發(fā)明膜和其它光學(xué)器件進(jìn)行各種處理，這種處理對(duì)這些材料表面或其任何部分進(jìn)行改性以便有助于隨后的處理(如涂覆、著色、金屬化或?qū)訅?。這種處理可使用底涂料(如PVDC、PMMA、環(huán)氧樹脂和氮丙啶)或通過物理表面處理(如電暈、火焰、等離子體、閃光燈、濺蝕、電子束處理)來實(shí)現(xiàn)或使表面層無定形化(如使用熱罐)以除去結(jié)晶性。
潤滑劑在本發(fā)明膜的加工(如擠出)過程中可使用各種潤滑劑。適用于本發(fā)明的合適的潤滑劑包括硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、硬脂酸銅、硬脂酸鈷、新十二碳酸(neodocanoate)鉬和乙酰丙酮化釕(Ⅲ)。
抗氧劑適用于本發(fā)明的抗氧劑包括4,4′-硫代二-(6-叔丁基間甲酚)、2,2′-亞甲基二-(4-甲基-6-叔丁基丁基酚)、3,5-二叔丁基-4-羥基氫化肉桂酸十八烷酯、雙-(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亞磷酸酯(diphosphite)、IrganoxTM1093(1979)(膦酸((3,5-二(1,1-二甲基乙基)-4-羥基苯基)甲基)-(二十八烷基)酯)、IrganoxTM1098(N,N′-1,6-己二基雙(3,5-二(1,1-二甲基)-4-羥基-苯丙酰胺)、NaugaardTM445(芳胺)、IrganoxTML57(烷基化的二苯胺)、IrganoxTML 115(含硫雙酚)、IrganoxTMLO 6(烷基化的苯基-δ-萘胺)、Ethanox 398(氟代亞膦酸酯(flourophosphonite))、和2,2′-亞乙基二(4,6-二叔丁基苯基)氟代亞磷酸酯。
較好的抗氧劑是位阻酚類，包括丁基化的羥基甲苯(BHT)、維生素E(二-α-生育酚)、IrganoxTM1425WL(二(O-乙基(3,5-二叔丁基-4-羥基芐基))磷酸鈣)、IrganoxTM1010(四(亞甲基(3,5，二叔丁基-4-羥基氫化肉桂酸酯))甲烷)、IrganoxTM1076(3,5-二叔丁基-4-羥基氫化肉桂酸十八烷酯)、EthanoxTM702(位阻雙酚)、Etanox 330(高分子量位阻酚)、和EthanoxTM703(位阻酚胺)。
染料、顏料、油墨和影像層可使用油墨、染料或顏料處理本發(fā)明膜和光學(xué)器件以改變其外觀或?qū)⑵涠ㄖ瞥商囟ǖ挠猛?。例如，可用油墨或其它印刷?biāo)記(如用于顯示產(chǎn)品標(biāo)記、廣告、警示、裝飾或其它信息的印刷符號(hào))處理膜?？墒褂酶鞣N技術(shù)在膜上印刷，如網(wǎng)印、凸版印刷、膠印、橡皮版印刷、點(diǎn)刻印花(stipple printing)、激光印刷等，并可使用各種油墨，包括單組分和雙組分油墨、氧化干燥和UV-干燥的油墨、溶解的油墨、分散的油墨和100％油墨體系。
還可通過對(duì)膜著色來改變光學(xué)膜的外觀，如在該光學(xué)膜上層壓染色的膜、向光學(xué)膜的表面施涂有顏料的涂層、或者向一種或多種用于制造光學(xué)膜的材料(如連續(xù)相或分散相)中添加顏料。
在本發(fā)明中可采用可見和近紅外染料和顏料，包括，例如光學(xué)增亮劑如吸收UV光而在彩色光譜的可見區(qū)中發(fā)熒光的染料。加入以改變光學(xué)膜外觀的其它附加層包括，例如遮光(黑色)層、漫射層、全息影像或全息漫射體層以及金屬層。這些層中的每一層均可直接施加至光學(xué)膜的一個(gè)表面或兩個(gè)表面上，或可以作為層壓在光學(xué)膜上的第二膜或箔結(jié)構(gòu)的組分?；蛘撸蓪⒛承┙M分(如遮光劑或漫射劑，或者著色顏料)置于用來將光學(xué)膜層壓在其它表面上的粘合劑層中。
本發(fā)明膜和器件還可帶有金屬涂層。例如，可通過熱解、粉末涂覆、蒸氣沉積、陰極濺涂、離子鍍覆等直接將金屬層施涂在光學(xué)膜上。也可將金屬箔或剛性金屬板層壓在光學(xué)膜上，或用上述技術(shù)先將單獨(dú)的聚合物膜或者玻璃或塑料片金屬化，隨后將其層壓在本發(fā)明光學(xué)膜和器件上。
對(duì)于許多本發(fā)明膜和光學(xué)器件的用途，二向色性染料是特別有用的添加劑，因?yàn)楫?dāng)它們按分子排列在材料中時(shí)，它們可吸收具有特定偏振方向的光線。當(dāng)將其用于主要僅散射一個(gè)偏振方向的光線的膜或其它材料中時(shí)，二向色性染料可使該材料對(duì)一個(gè)偏振態(tài)光線的吸收大于對(duì)另一個(gè)偏振態(tài)的吸收。用于本發(fā)明的合適的二向色性染料包括剛果紅(二苯基-雙-α-萘胺磺酸鈉)、亞甲基藍(lán)、二苯乙烯染料(比色指數(shù)(CI)=620)、和氯化1,1′-二乙基-2,2′-花青(CI=374(橙色)或CI=518(藍(lán)色))。這些染料的性能及其制備方法公開在E.H.Land的Colloid Chemistry(1946)中。這些染料在聚乙烯醇中有顯著的二向色性，在纖維素中有較小的二向色性。發(fā)現(xiàn)剛果紅在PEN中稍有二向色性。
其它合適的染料包括下列材料
其中R是
這些染料的性能及其制備方法公開在Kirk Othmer Encyclopedia of ChemicalTechnology,Vol.8,pp.652-661(4th Ed.1993)，以及其引用的文獻(xiàn)中。
當(dāng)二向色性染料用于本發(fā)明的光學(xué)體中時(shí)，可將其混入連續(xù)相或分散相中。然而，二向色性染料最好加入分散相中。
與某種聚合物體系結(jié)合的二向色性染料能使光線產(chǎn)生不同程度的偏振?？墒褂镁垡蚁┐己湍承┒蛏匀玖现圃炀哂惺构饩€偏振能力的膜。其它聚合物(如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚酰胺，如尼龍-6)在與二向色性染料組合時(shí)并沒有表現(xiàn)出那么強(qiáng)的使光線偏振的能力。據(jù)說聚乙烯醇和二向色性染料的組合比相同染料在其它成膜聚合物系統(tǒng)中的二向色性比要高。較高的二向色性比表明有較高的使光線偏振的能力。
二向色性染料在本發(fā)明光學(xué)體中的分子排列最好在將染料加入光學(xué)體中后通過拉伸光學(xué)體來實(shí)現(xiàn)。然而，也可用其它方法來實(shí)現(xiàn)分子排列。因此，在一種方法中，在光學(xué)體取向前或取向后，使二向色性染料在一系列長形的刻痕中結(jié)晶(如升華或溶液結(jié)晶)，所述刻痕是通過切割、蝕刻或用其它方法形成于膜或其它光學(xué)體的表面上的。然后，經(jīng)處理的表面可涂覆一層或多層表面層、可混入聚合物基質(zhì)中或用于多層結(jié)構(gòu)中，或作為組分用于另一光學(xué)體中。所述刻痕可根據(jù)預(yù)先確定的圖形或圖案并使用預(yù)定的刻痕間距制得，以獲得所需的光學(xué)性能。
在一個(gè)相關(guān)的實(shí)例中，可在將中空纖維或?qū)Ч苤糜诠鈱W(xué)體中之前或之后，將二向色性染料置于一種或多種中空纖維或其它導(dǎo)管中。中空纖維或?qū)Ч芸捎门c周圍的光學(xué)體材料相同或不同的材料制成。
在另一個(gè)實(shí)例中，在某一層混入多層結(jié)構(gòu)中之前，通過將二向色性染料升華到該層表面上而使二向色性顏料沿多層結(jié)構(gòu)的層界面放置。在再一個(gè)實(shí)例中，使用二向色性染料至少部分回填本發(fā)明微空隙膜中的空隙。
粘合劑可使用粘合劑將本發(fā)明光學(xué)膜和器件層壓在其它膜、表面或基材上。這種粘合劑包括具有光學(xué)透明性和具有漫射性的粘合劑，以及壓敏粘合劑和非壓敏粘合劑。壓敏粘合劑通常在室溫具有粘性并通常最多使用輕微的指壓就可將其粘結(jié)在表面上。而非壓敏粘合劑包括溶劑、加熱或輻照活化的粘合劑體系。適用于本發(fā)明的粘合劑體系包括基于下列常見組分的粘合劑聚丙烯酸酯；聚乙烯基醚；含二烯的橡膠，如天然橡膠、聚異戊二烯和聚異丁烯；聚氯丁二烯；丁基橡膠；丁二烯-丙烯腈共聚物；熱塑性彈性體；嵌段共聚物，如苯乙烯-異戊二烯和苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-丙烯-二烯共聚物、和苯乙烯-丁二烯共聚物；聚α-烯烴；無定形聚烯烴；硅氧烷；含乙烯的共聚物，如乙烯-乙酸乙烯酯、丙烯酸乙酯、和甲基丙烯酸乙酯；聚氨酯；聚酰胺；聚酯；環(huán)氧樹脂；聚乙烯基吡咯烷酮和乙烯基吡咯烷酮共聚物；及其混合物。
另外，所述粘合劑可含有添加劑，如增粘劑、增塑劑、填料、抗氧劑、穩(wěn)定劑、顏料、漫射顆粒、固化劑和溶劑。當(dāng)使用層壓粘合劑將本發(fā)明光學(xué)膜粘合至另一個(gè)表面上時(shí)，最好選擇粘合劑組合物和厚度使其不影響光學(xué)膜的光學(xué)性能。例如，當(dāng)將附加層層壓至需要有高度透射率的光學(xué)偏振器或反射器上時(shí)，在設(shè)計(jì)的偏振器或反射器透明的波長區(qū)層壓粘合劑也應(yīng)是透明的。
其它添加劑除了上述膜、涂層和添加劑以外，本發(fā)明的光學(xué)材料中還可含有本領(lǐng)域已知的其它材料或添加劑。這些材料包括粘合劑、涂料、填料、相容劑、表面活性劑、滅微生物劑、發(fā)泡劑、增強(qiáng)劑、熱穩(wěn)定劑、抗沖擊改性劑、增塑劑、粘度調(diào)節(jié)劑和其它材料。
本發(fā)明的一般應(yīng)用本發(fā)明的光學(xué)體特別適合于用作漫射偏振器。然而，本發(fā)明光學(xué)體也可用作反射偏振器或漫射鏡。在這些應(yīng)用中，光學(xué)材料的結(jié)構(gòu)與上述漫射體應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)相同。然而，這些反射器通常在至少一個(gè)軸上有很大的折射率差。該折射率差通常至少約為0.1、更佳的約為0.15、最佳的約為0.2。
反射偏振器在一個(gè)軸上存在折射率差，并在另一個(gè)軸上具有基本匹配的折射率。另一方面，反射膜在至少兩個(gè)膜平面內(nèi)的正交軸上的折射率不同。然而，這些實(shí)例中的反射性能并不只靠折射率不匹配來獲得。例如，可調(diào)節(jié)膜的厚度來獲得所需的反射度。在某些情況下，調(diào)節(jié)膜厚度可使膜由透射漫射器變成漫反射器。
本發(fā)明光學(xué)體還可具有除了使可見光偏振以外的功能。具體地說，該光學(xué)體可由PEN或類似的材料制成，這些材料是良好的紫外過濾材料，它能有效地吸收直至可見光譜邊緣的紫外光線。所述光學(xué)體也可用作紅外薄片偏振器。
窗戶本發(fā)明光學(xué)膜和器件適用于需要漫透射光線并且不需要或不要求透明性或清澈度的窗戶，如天窗或保密窗。在這種應(yīng)用中，可將本發(fā)明光學(xué)膜與常規(guī)的砑光材料(glazing material)(如塑料或玻璃)一起使用或作為該砑光材料的一個(gè)組分。用這種方法獲得的砑光材料可制成對(duì)特定偏振態(tài)起作用，使得該窗戶對(duì)光線的第一種偏振態(tài)基本透明，但對(duì)光線的第二種偏振態(tài)基本反射，從而消除或減少了眩光。還可根據(jù)本文的描述改進(jìn)光學(xué)膜的物理性能，使得砑光材料能反射某些光譜區(qū)(如UV區(qū))中一個(gè)或兩個(gè)偏振態(tài)的光線，而透過另一個(gè)光譜區(qū)(如可見區(qū))中一個(gè)或兩個(gè)偏振態(tài)的光線。
本發(fā)明光學(xué)膜還可用于透射特定波長光線的裝飾窗。例如可使用這種窗戶使室內(nèi)具有一種或多種特定的色彩(如藍(lán)色或金色)，或可用于強(qiáng)調(diào)其裝飾格調(diào)，如使用特定波長照明板。
可使用本領(lǐng)域已知的各種方法(如涂覆或擠出)將本發(fā)明光學(xué)膜混入砑光材料中。因此，在一個(gè)實(shí)例中，通過層壓或使用光學(xué)粘合劑將該光學(xué)膜粘合在砑光材料的整個(gè)或部分外表面上。在另一個(gè)實(shí)例中，將本發(fā)明光學(xué)膜夾在兩片玻璃或塑料板之間，并將形成的復(fù)合物裝在窗戶中。當(dāng)然如本文所述的那樣該光學(xué)膜可以有附加層或涂層(如UV吸收層、抗霧翳層或抗反射層)，使之更適合其特定用途。
燈具可將本發(fā)明光學(xué)膜用于各種燈具，特別是那些希望用偏振的發(fā)射光的用途。典型的燈具含有光源和其它各種元件，包括反射元件(常置于光源后面)、偏振元件(常位于燈具的輸出端)以及擋住光源使它不能被直接看見的漫射元件?？筛鶕?jù)美學(xué)和/或功能的考慮將這些元件在外罩內(nèi)以各種結(jié)構(gòu)排列。
適合與本發(fā)明光學(xué)膜一起使用的光源是漫射光源，在偏振方式和方向兩方面它發(fā)射的光線都具有高度的分散性和無規(guī)性。這種漫射光源最好包括光發(fā)射區(qū)和光反射、散射和/或去偏振區(qū)。根據(jù)燈具涉及的特定用途，漫射光源可以是熒光燈、白熾燈、固體光源或場(chǎng)致發(fā)光(EL)光源或金屬鹵化物燈。該光源還可以是與點(diǎn)光源、遠(yuǎn)距離(distant)光源或甚至太陽光照一起使用的無規(guī)化的去偏振表面，前者通過自由空間傳播、透鏡體系、光導(dǎo)向裝置、保持偏振的光波導(dǎo)或通過本領(lǐng)域中已知的其它方法傳輸至漫射偏振器中。
在熒光燈(如用于典型背后照明的LCD中的那種熱陰極或冷陰極燈)中，光發(fā)射區(qū)和光反射、散射和去偏振區(qū)都結(jié)合在熒光體中，該熒光體具有所有這些功能。在需要高度準(zhǔn)直光線的情況下，反射偏振元件的光學(xué)結(jié)構(gòu)可使被阻拒的偏振光鏡象反射回至光發(fā)射區(qū)(通常是燈絲或電弧)。光發(fā)射區(qū)同時(shí)起光源和去偏振區(qū)的作用?；蛘?，光源可包括光發(fā)射區(qū)和單獨(dú)的無規(guī)化反射器。
如上所述，本發(fā)明光學(xué)膜可以是使具有某一個(gè)偏振平面的光線透射而使具有另一個(gè)偏振平面的光線漫反射的漫反射偏振膜(DRPF)，或者是兩個(gè)偏振平面上的光線均從膜上漫反射的漫反射膜(DRMF)。因此，本發(fā)明光學(xué)膜可用于燈具作為反射元件和/或偏振元件。由于該膜是漫反射的并是光學(xué)上半透明的，所以無需單獨(dú)的漫射元件，該光學(xué)元件可以同時(shí)起漫射元件和偏振元件的作用。
可將本發(fā)明光學(xué)膜用于使用防直射燈罩的常規(guī)照明設(shè)備上，所述防直射燈罩的作用是引導(dǎo)光線以及擋住光源使它不能被直接看到。如果將本發(fā)明膜層壓或用其它方法并置在常規(guī)帶反射鏡的防直射燈罩上，那么一種偏振光會(huì)漫反射，而第二種偏振光會(huì)被轉(zhuǎn)向(如接近垂直)以將整個(gè)照明區(qū)的眩光減至最小。
可以想象在燈具中使用至少兩片本發(fā)明光學(xué)膜，其中一片膜可相對(duì)另一片膜轉(zhuǎn)動(dòng)，以便控制或調(diào)節(jié)偏振光的強(qiáng)度和/或程度以滿足現(xiàn)場(chǎng)的特殊需要。
對(duì)于無需偏振光的用途(如典型的用于辦公室照明的照明設(shè)備)，燈具一般包括一個(gè)外罩，它含有光源(如熒光燈)、在光源后面的反射元件、和漫射元件。所述光源可以是任何上面所述的光源(如熒光燈)。反射元件可以是任何反射表面，包括，例如涂漆的白色反射器、金屬化的膜(如購自美國3M公司的SilverluxTM牌反射膜)、反射金屬表面(如拋光的鋁)或者反射性的多層雙折射反射膜(參見WO95/17303和WO96/19374，在此引為參考)。在一個(gè)實(shí)例中。將本文所述的本發(fā)明膜的DRMF用于非偏振燈具中作為反射元件。還可通過蒸氣涂覆或在DRMF背面層壓反射金屬對(duì)DRMF進(jìn)行金屬化，以改進(jìn)其總反射率。
許多用途需要偏振光以正常地發(fā)揮功能。這種用途的例子包括光學(xué)顯示器，如液晶顯示器(LCD)(它廣泛地用于便攜式計(jì)算機(jī)、手持計(jì)算器、數(shù)字式手表、汽車儀表板顯示器等)以及利用偏振光增加對(duì)比度并減少眩光的偏振照明設(shè)備和工作照明用具。在需要偏振光的用途中，燈具一般包括含有光源和偏振元件的外罩，外罩內(nèi)還可含有反射元件和/或漫射元件。所述光源可以是任何上述光源(如熒光燈)，但最好是漫射光源，它發(fā)射出在偏振方式和發(fā)射方向兩個(gè)方面都具有高度分散性或無規(guī)性的光線。反射元件(如有的話)可以是任何上述反射元件，或者也可以是本發(fā)明BRMF。所述偏振元件可是任何偏振器，包括吸收二向色性偏振器、薄膜介電偏振器、或膽甾型偏振器，但是最好是WO 95/17303和WO96/19347中描述的多層雙折射反射偏振器。
吸收偏振器常使用二向色性染料，它對(duì)某一偏振取向的光線的透射比與之正交的方向上偏振的光線要強(qiáng)得多。例如將吸收偏振器用于顯示器或偏振燈具時(shí)，所吸收的光線不會(huì)增加LCD或照明設(shè)備的光照度，因此不會(huì)增加其總亮度。這種偏振器的照明應(yīng)用公開在美國專利3,124,639(Kahn)、3,772,128(Kahn)、和4,796,160(Kahn)以及美國專利5,184,881(Karpen)和5,359,498(Karpen)中。真空沉積的薄膜介電偏振器不象二向色性偏振器那樣是吸收型的，但是也有其它缺點(diǎn)，如差的角響應(yīng)和對(duì)于非設(shè)計(jì)波長的分譜透射率差。另外，它們通常涂覆在穩(wěn)定的基材(如大塊光學(xué)玻璃或聚合物基材)上，這會(huì)使其體積太大并太笨重，難以用于需要輕重量和小體積的照明用途。對(duì)于某些照明用途，這些偏振器可與適當(dāng)?shù)墓庠春捅景l(fā)明的DRMF組合在一起，形成偏振的燈具。
較好的反射偏振器鏡面地透射所要求的偏振態(tài)的光線并反射另一個(gè)偏振態(tài)的光線。由漫射光源產(chǎn)生的光線是無規(guī)地偏振的，因此存在有偏振組分(a)和(b)。這種光線入射在反射偏振元件上。該反射偏振元件適合于透過具有第一偏振組分(在本例中為偏振組分(a))的光線，并反射具有正交的偏振組分(在本例中為偏振組分(b))的光線。結(jié)果，偏振組分(a)的光線透過反射偏振元件，而偏振組分(b)的光線反射回?zé)艟卟⒃谠撎師o規(guī)化。某些初始被阻拒的光線被如此轉(zhuǎn)換成所要求的偏振態(tài)并鏡面透射通過反射偏振元件。這個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行，不合要求的偏振光線重復(fù)地反射及隨后的無規(guī)化增加了從漫射偏振燈具發(fā)射的具有要求的偏振方向的光線的量。結(jié)果形成很有效的產(chǎn)生所要求的偏振光的體系。由漫射光源和反射偏振元件組合進(jìn)行的重復(fù)反射和無規(guī)化形成了一種將光線由狀態(tài)(b)轉(zhuǎn)化成狀態(tài)(a)的有效的機(jī)制。該體系是有效的，是因?yàn)樗鼘⒈緛肀晃諒亩荒芾玫墓饩€轉(zhuǎn)化成要求的偏振態(tài)。因此利用這種偏振元件的燈具能更有效地利用光源發(fā)射的光線，因?yàn)楸蛔杈艿钠窆獗环瓷浠毓庠床o規(guī)化。結(jié)果，增加了從燈具發(fā)出的具有所要求偏振方向的光線的總量。多層雙折射性反射偏振膜(RPF)在照明用途上的應(yīng)用可參見申請(qǐng)人共同受讓的美國專利申請(qǐng)08/418,009和08/479,319(在此引為參考)。這些申請(qǐng)描述了多層RPF在照明用途，特別是LCD顯示器和偏振的照明設(shè)備上的應(yīng)用。這些申請(qǐng)中的反射偏振元件讓所要求偏振方向的光線透射并將另一偏振方向的光線鏡面反射回漫射光源并在該處無規(guī)化。當(dāng)用這種方法使用多層RPF時(shí)，在照明設(shè)備或工作照明用途中通常使用單獨(dú)的漫射膜，以便不能直接看到光源。在這種偏振燈具中最好還包括反射元件，并且所述反射元件可包括本發(fā)明的BRMF或任何其它合適的反射表面，該反射表面能將由RPF反射的光線無規(guī)化或者將反射的光線反射回漫射光源，在該處所述光線能無規(guī)化并部分轉(zhuǎn)化成能透過偏振元件的正確的偏振態(tài)。
本發(fā)明DRPF的作用與多層RPF相似，是用于增加偏振燈具發(fā)射的具有要求偏振方向的光線的量，但是，初始被阻拒的偏振方向錯(cuò)誤的光線被漫射地反射回?zé)艟?，并在該處無規(guī)化，部分轉(zhuǎn)化成正確偏振方向的光線，并鏡面透射通過偏振元件。本發(fā)明漫反射偏振膜(DRPF)是半透明的，從而無需單獨(dú)的漫射器。當(dāng)與光源組合在一起形成漫反射偏振燈具時(shí)，組合時(shí)最好還包括反射元件，以將反射光線引回光源和/或幫助無規(guī)化及將反射的光線部分轉(zhuǎn)化成能被偏振元件透過的具有正確偏振方向的光線。如上所述，反射元件可以是任何合適的反射材料，特別是本發(fā)明的DRMF。因此可在一個(gè)實(shí)例中，將本發(fā)明DRMF用作反射元件并將本發(fā)明DRPF用作偏振元件和/或漫射元件。
在本文所述的燈具中，光源可以以各種結(jié)構(gòu)與偏振元件和反射元件連接在一起。下面將描述使用本發(fā)明漫反射偏振膜(DRPF)作為偏振元件以及使用本發(fā)明漫反射反射膜(DRMF)作為反射膜的某些結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)理解也可以設(shè)想DRPF與其它材料作為反射元件的各種組合，以及DRMF與其它材料作為偏振元件的各種組合。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，將DRPF卷成卷使之完全包圍漫射光源。除了光源和DRPF以外還可使用單獨(dú)的反射器。該反射器可以是漫反射膜(DRMF)，它使從DRPF反射的偏振態(tài)(b)的光線無規(guī)化；或者該反射器可以是鏡面反射器，它將光線再引導(dǎo)至無規(guī)的漫射光源的光發(fā)射區(qū)。可將DRMF沿光源的一側(cè)取向并將其層壓或用其它方法附著在光源上。在這種結(jié)構(gòu)中，也可通過層壓或其它方法附著DRPF，使之部分包圍光源的另一側(cè)。
使用DRPF的這些偏振光源實(shí)例具有一些優(yōu)點(diǎn)。由光源和DRPF形成的反射和無規(guī)化過程產(chǎn)生了非常有效的偏振燈具。DRPF提供的寬波段反射性意味著在寬的光譜范圍獲得了這樣的效率。另外，DRPF對(duì)被阻拒的偏振光提供高的偏離角(off-angle)反射性。與裝有大體積光學(xué)部件的實(shí)例相比，這些特征使得DRPF/漫射光源組合能適用于更寬的光譜范圍，并適用于更寬的角度范圍。此外，DRPF重量輕、薄且具有撓性，使之能很好地適用于要求體積小和重量輕的用途。DRPF還能很好地適配于燈表面并能引入燈的生產(chǎn)中。另外，由于DRPF是漫反射器，其不透明的外觀消除了對(duì)獨(dú)立的漫射膜的需求，而這種膜通常用于偏振照明設(shè)備和工作照明燈具中以擋住光源使它不能被直接看到。
在另一個(gè)實(shí)例中，可使用本發(fā)明光學(xué)膜產(chǎn)生用于煙霧探測(cè)體系的偏振光，或用于分析由煙霧粒子散射的光線的偏振方向，包括Nagashima等的美國專利5,576,697公開的試圖確定燃燒的性質(zhì)或起源的煙霧探測(cè)體系。
光引出器可在各種光學(xué)器件中將本發(fā)明光學(xué)膜用作光引出器，所述光學(xué)器件包括光波導(dǎo)如圖8所示的大內(nèi)芯光纖(Large Core Optical Fiber,LCOF)。LCOF50利用非常有效的全內(nèi)反射(TIR)將光從照明裝置或光源52引至顯著的距離外。但是，當(dāng)將本發(fā)明光學(xué)膜用作外包層時(shí)，它們會(huì)干擾在光纖-空氣界面上的光線引導(dǎo)作用，從而將光線射入周圍環(huán)境中。這種特性可有利地用于各種遠(yuǎn)距離光源照明用途中，如建筑物重點(diǎn)照明、裝飾照明、醫(yī)用照明、信號(hào)燈、視覺引導(dǎo)(如著陸引導(dǎo)條或者飛機(jī)上或劇院中的走道引導(dǎo))、顯示器(如儀器顯示器，特別是過度加熱會(huì)發(fā)生問題的儀器顯示器)以及展覽品照明、道路照明、汽車照明、下位照明(downlighting)、工作照明、重點(diǎn)照明和環(huán)境照明。在某些應(yīng)用中，可沿光纖長度的多個(gè)位置上將本發(fā)明膜用作包層，從而用單個(gè)光源照明多個(gè)場(chǎng)所。另外，由于這種體系通常裝備UV和IR濾光器，因此由這種體系產(chǎn)生的光照既不會(huì)降解對(duì)UV敏感的材料，也不會(huì)使光波導(dǎo)由于應(yīng)用而發(fā)熱。
還可制造本發(fā)明膜使之僅引出一種偏振的光，從而形成具有特定偏振方向的光源。適當(dāng)?shù)貥?gòu)造光纖體系，可使基本上所有射入光纖的光線最終以要求的偏振態(tài)穿過引出器?？梢岳缤ㄟ^使用本發(fā)明光學(xué)膜來制得特定偏振的光源，所述光學(xué)膜對(duì)第一偏振態(tài)的光線是強(qiáng)漫散射的，而對(duì)第二偏振態(tài)的光線是保持全內(nèi)反射(TIR)包層-表面界面的不散射的鏡面材料。這種體系可參見實(shí)施例134。
用于本發(fā)明的合適的光波導(dǎo)包括側(cè)面發(fā)射和末端發(fā)射的光纖。根據(jù)下列因素即要求的集光效率、要求的撓性以及光波導(dǎo)是單獨(dú)使用還是成束使用，光波導(dǎo)本身可以是玻璃或塑料的，并可以具有各種直徑。所述光波導(dǎo)還可以是光纖光波導(dǎo)或棱鏡光波導(dǎo)，后者更適合大規(guī)模應(yīng)用，前者更適合于每流明成本不太重要的較小規(guī)模的應(yīng)用。
適用于本發(fā)明的市售光波導(dǎo)包括那些由低Tg丙烯酸聚合物膜制得的光波導(dǎo)，如購自美國3M公司商品名為Scotch Optical Lighting Film(SOLF)的光學(xué)照明膜。這種膜對(duì)以某些角度入射于其上的光線的作用就如反射器，它是透明的塑料膜，其一側(cè)具有棱鏡的表面(通常是微型復(fù)制的)，另一側(cè)具有光滑的表面。這種膜通常與透明或不透明塑料或金屬導(dǎo)管或背襯一起使用。其它合適的光波導(dǎo)包括購自Lumenyte商品名為FiberescentTM的線型照明光纖，以及購自Fiberstars商品名為FiberSpotsTM的末端發(fā)射的光纖。
根據(jù)光波導(dǎo)的用途，可將各種光源與本發(fā)明光波導(dǎo)一起組合使用。這些光源描述在例如由Lighting Research Center,Rensselaer Polytechnic Institute,Troy,N.Y.出版的Lighting Futures,Vol.1,No.3(1995)中。一般來說，將20-75瓦M(jìn)R16低壓燈與光纖體系組合在一起可適用于博物館、顯示器和重點(diǎn)照明這類用途，而70-250瓦金屬鹵化物燈與光纖波導(dǎo)或棱鏡光波導(dǎo)體系組合適用于例如建筑照明或戶外照明。對(duì)于需要250瓦或更高功率的用途，可將金屬鹵化物燈或高壓鈉燈與棱鏡光波導(dǎo)體系一起組合使用。其它合適的光源包括60瓦氙金屬鹵化物燈(購自General Electric Company,Danbury,Connecticut)，它特別適用于汽車照明，以及硫燈(購自Fusion Lighting,Rockville,MD)，它已在實(shí)驗(yàn)中成功地用于棱鏡光波導(dǎo)體系。在需要大漫射光源的場(chǎng)合，也可使用小型管狀熒光燈。還可將太陽光與光纖波導(dǎo)或棱鏡光波導(dǎo)體系一起使用，并與反射器或透鏡一起組成太陽光收獲體系的一部分。
在某些背后照明的顯示器件(如用于航空電子設(shè)備中的顯示器件，所述器件的正表面照射有大量環(huán)境光)中，所述顯示器需要發(fā)出高強(qiáng)度光線以使顯示器件有足夠的對(duì)比度。結(jié)果，除非使用散熱裝置，在這種體系中的背射光裝置會(huì)產(chǎn)生過量的熱量。在本領(lǐng)域中采用了各種方法以消除熱量，如使用冷的反射器和濾光器及其它方法。
在大多數(shù)新型飛機(jī)中，環(huán)境太陽光會(huì)降低所使用的平板顯示器的對(duì)比度，并且顯示器集合所需要的空間是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，在本發(fā)明一種實(shí)施方式中，用光纖將位于遠(yuǎn)距離但高強(qiáng)度的光源發(fā)出的光線傳輸至顯示器，從而能有效地冷卻顯示器，并且不合要求的熱量不會(huì)影響顯示器件的運(yùn)行。由于這些顯示器通常是在以偏振光傳輸通過液晶顯示器的基礎(chǔ)上工作的，可將本發(fā)明光學(xué)膜用于這種體系中作為基本只引出一種偏振光的光引出器。第二種偏振光將在光纖內(nèi)連續(xù)反射，直至其偏振方向被轉(zhuǎn)化成第一偏振方向，并在需要光線的位置由光引出器射出。
光引導(dǎo)材料如上面參照附圖4A和4B所描述的那樣，在一個(gè)實(shí)例中本發(fā)明光學(xué)體鏡面透射在折射率匹配的方向(換句話說，垂直于取向方向的方向)上偏振的光線，漫反射在折射率不匹配方向(換句話說，平行于取向方向的方向)上偏振的光線。因此，可將本發(fā)明漫射偏振器或具有類似功能的任何其它偏振器稱為漫反射、鏡面透射(DRST)偏振器。DRST偏振器適用于偏振光燈具和液晶顯示器(LCD)。裝有DRST偏振器的這種顯示器的一個(gè)說明性例子參照?qǐng)D14詳細(xì)描述于下。
還可將DRST偏振器與光引導(dǎo)材料組合在一起以產(chǎn)生所需的效果。正如下面將要描述的那樣，這種組合的方向控制偏振器也能有利地用于LCD應(yīng)用中，以及用于燈具(用于辦公室照明和工作照明的照明設(shè)備)。
光引導(dǎo)材料的作用是使使用的以某些角度(在某些應(yīng)用中這些角度的光線是無用的)射出的光線或具有不合燈具或LCD模塊需求的偏振態(tài)的光線改變方向或再循環(huán)成有用的角度和偏振態(tài)。對(duì)于許多應(yīng)用(如LCD)，一般要求光線朝使用者的方向發(fā)射。因此，以很窄的角度離LCD平面射出的光線是無用的，因?yàn)槭褂谜咭话悴粫?huì)在這種位置觀察顯示器。所以需要設(shè)法使這種光線改變方向或?qū)⑵湓傺h(huán)至有用的觀察區(qū)。這是光引導(dǎo)材料的作用。
下面將參照?qǐng)D10和圖11描述較好的光引導(dǎo)材料113。圖10是一種較好的光引導(dǎo)材料的側(cè)視圖，而圖11說明圖10所示較好的光引導(dǎo)材料的性能。
圖10是帶有結(jié)構(gòu)的表面材料(它是本發(fā)明光引導(dǎo)材料較好實(shí)例)的放大的視圖。結(jié)構(gòu)表面材料218具有光滑側(cè)面220和結(jié)構(gòu)側(cè)面222。結(jié)構(gòu)側(cè)面222包括許多結(jié)構(gòu)(如結(jié)構(gòu)224)。它可以具有數(shù)種不同的結(jié)構(gòu)類型。例如，結(jié)構(gòu)可以是等邊棱柱(如圖10所示的結(jié)構(gòu))、鋸齒結(jié)構(gòu)、具有圓的峰和/或圓的凹槽的結(jié)構(gòu)(如美國專利5,394,255和5,552,907所述的結(jié)構(gòu))或者是使用光引導(dǎo)材料的具體最終用途所需要的其它結(jié)構(gòu)形狀。
較好的結(jié)構(gòu)的夾角223隨光引導(dǎo)材料的最終應(yīng)用中光線需要引導(dǎo)的方向的不同而不同。一般來說，較好的夾角為60-120°，對(duì)于不同的用途，較好的夾角為70-100°、80-90°、85-95°或90°左右。
結(jié)構(gòu)表面材料218可由折射率大于空氣折射率的任何透明材料制成，但是一般來說，較好是具有高折射率的材料。折射率為1.586的聚碳酸酯能很有效地用作這種材料。
適用予不同用途的結(jié)構(gòu)表面材料的例子包括增亮膜(BrightnessEnhancement Film)(BEFⅠ或BEFⅡ)、透明直角膜(Transparent Right AngleFilm)(TRAF)、光學(xué)照明膜(Optical Lighting Film)(OLF或SOLF)或者鉆石級(jí)片材(Diamond Grade Sheeting)，所有這些材料均購自受讓人美國3M公司。其它說明性的結(jié)構(gòu)表面材料包括上面提到的美國專利5,394,255和5,552,907所述的圓峰/圓凹槽膜，這種膜購自日本Sekisui Chemical Co.,Ltd.。
盡管對(duì)于不同的最終用途任何上述光引導(dǎo)材料均是適用的或者是較好的，但是出于說明的目的，假定結(jié)構(gòu)表面材料218由聚碳酸酯制成，并包括夾角為85-95°的等邊棱柱形結(jié)構(gòu)。
圖11顯示說明性的結(jié)構(gòu)表面材料218的運(yùn)作情況。圖11具有兩根軸226和228。這些軸表示光線與光滑表面220的法線所成的夾角。具體地說，軸226表示當(dāng)光線方向投影在與結(jié)構(gòu)表面222上結(jié)構(gòu)的長條形延伸方向(linear extent)平行的平面時(shí)，光線與法線所形成的夾角。同樣，軸228表示當(dāng)光線方向投影在與結(jié)構(gòu)表面222上結(jié)構(gòu)的長條形延伸方向垂直的平面時(shí)，光線與光滑表面220的法線所形成的夾角。因此將垂直于光滑表面220入射的光線表示為圖8的原點(diǎn)，標(biāo)為0°?？梢钥吹?，圖8被分成230、232和234三個(gè)區(qū)。以落入?yún)^(qū)域230的角度入射的光線將進(jìn)入結(jié)構(gòu)表面材料218，但被結(jié)構(gòu)表面222全反射，從而第二次通過光滑表面220并再次進(jìn)入光空腔。以落入?yún)^(qū)域232或234的角度入射至光滑表面220上的光線將透過該表面，但發(fā)生折射而與法線成不同的夾角。由圖8(表示具有90°棱柱夾角的聚碳酸酯的性能)可見，以與法線的夾角小于9.4°入射至光滑表面220的任何光線都將被反射。下面將光線以與法線的夾角小于該角入射至光滑表面220時(shí)都將被光結(jié)構(gòu)材料213反射的角度稱為截止角。
回頭來看圖10，該圖表示由光空腔(圖中未表示)發(fā)出的四路例舉性的光線。第一路(光線236)以掠射角(即與法線接近成90°的角度)接近光滑表面220。如果光線236與光滑表面220的法線成89.9°的夾角，當(dāng)其入射至結(jié)構(gòu)表面材料218時(shí)，它將被折射，當(dāng)它在結(jié)構(gòu)表面材料218中傳播時(shí)它將與法線成39.1°的夾角。到達(dá)結(jié)構(gòu)表面222時(shí)該光線將再次被折射。由于結(jié)構(gòu)表面222上的結(jié)構(gòu)，該光線將被折射，使之與結(jié)構(gòu)表面220的法線的夾角再次變小。在本實(shí)例中其夾角將為35.6°。
光線238以很接近截止角的角度接近光滑表面220。當(dāng)它透過光滑表面220時(shí)也被折射，但是折射程度較小。如果光線238以與光滑表面220的法線成10°的夾角接近光滑表面220，它將以與光滑表面220的法線成37.7°的夾角射出結(jié)構(gòu)表面222，但是其射出于法線的相反一側(cè)。
光線240以小于截止角的角度接近光滑表面220，它被結(jié)構(gòu)表面222全內(nèi)反射兩次并反向射出光滑表面220。
最后，光線242以與光線238相似的角度接近光滑表面220，但其入射的位置使之被結(jié)構(gòu)表面222上的棱柱的一側(cè)全內(nèi)反射，但不被另一側(cè)內(nèi)反射。結(jié)果，它以與光滑表面220的法線成很大的夾角射出。由于這種反射僅僅只有以大入射角入射至棱柱側(cè)面的光線才能發(fā)生，因此棱柱僅向這種光線提供很小的截面。
第五類光線未顯示在圖10中。這是一組被光滑表面220反射而不進(jìn)入結(jié)構(gòu)表面材料218的光線。這種光線簡單地與反射回光空腔的其它光線合并在一起。由本描述可見，如果沒有結(jié)構(gòu)表面材料218將以與顯示器軸(該顯示器軸取為光滑表面220的法線)成大的夾角射出的光線被改向成接近該軸的方向射出。僅少量的光線將以與該軸成大的夾角射出。因此，可以說以大于預(yù)定角度的入射角通過光滑表面220入射至結(jié)構(gòu)表面材料218的光線被引導(dǎo)成一個(gè)輸出楔形，它比輸入楔形窄，并且以小于該預(yù)定角度的入射角通過光滑表面220進(jìn)入結(jié)構(gòu)表面材料218的大部分光線將被反射而射出結(jié)構(gòu)表面材料218的光滑側(cè)面220。
盡管較好的結(jié)構(gòu)表面材料218按幾何光學(xué)發(fā)生作用，但是設(shè)計(jì)衍射或全息光學(xué)元件可設(shè)計(jì)成有效地模仿幾何光學(xué)顯示的光引導(dǎo)性能是眾所周知的。因此，術(shù)語結(jié)構(gòu)表面應(yīng)理解為包括幾何的和衍射的光學(xué)體系，這種體系用于將光線透射至要求的角度區(qū)域內(nèi)，并將不在要求的角度區(qū)域內(nèi)射出光引導(dǎo)膜的光線反射。
方向控制偏振器下面將參照?qǐng)D12A、12B、13A和13B描述DRST偏振器與說明性的光引導(dǎo)材料的組合。圖12A和12B分別說明方向控制偏振器110的第一個(gè)較好實(shí)例的反射和透射性能。在本實(shí)例中，DRST 116被置于光引導(dǎo)材料113之下，并且光從DRST那側(cè)入射至組合件上。由于結(jié)構(gòu)陣列的固有偏振特性，因此一般來說當(dāng)棱柱的取向軸與DRST偏振器的取向方向平行時(shí)可獲得最佳性能。
在圖12A中，光線133的偏振態(tài)使之能鏡面透過DRST 116，但其傳播方向使之被光引導(dǎo)材料113全內(nèi)反射而形成光線135。光線137的偏振態(tài)使之被DRST116漫反射，形成漫反射的反射光139、141和143。
在圖12B中，光線145的偏振態(tài)使之被DRST 116鏡面透射，其傳播方向使之被光引導(dǎo)材料113折射成光線147。圖12A和12B所示的反射和透射結(jié)果意味著一種偏振態(tài)的光線被方向控制偏振器透射，并且該透射的光線被引導(dǎo)至要求的角度區(qū)內(nèi)，而另一種偏振態(tài)的光線被漫反射，并且不能在要求的角度區(qū)域中射出光引導(dǎo)材料的光線也被反射。
圖13A和13B分別表示方向控制偏振器第二個(gè)較好實(shí)例的反射和透射性能。在本實(shí)例中，DRST 116被置于光引導(dǎo)材料113之上，并且光從光引導(dǎo)材料113的光滑側(cè)面入射至該組合件上。在圖13A中，光線149的傳播方向使之被光引導(dǎo)材料113折射。但是，光線149的偏振態(tài)使之被DRST 116漫反射成多束光線(如151、153和155)。光線151和153被散射回光引導(dǎo)材料113并從結(jié)構(gòu)表面那側(cè)入射，其入射角使之被折射通過結(jié)構(gòu)表面一側(cè)并射出光滑側(cè)面。光線155被散射回光引導(dǎo)材料113。但是，該光線在結(jié)構(gòu)表面一側(cè)的入射角使之完全被結(jié)構(gòu)表面一側(cè)反射回DRST 116。光線115的偏振態(tài)使之被DRST 116漫反射(但是圖中僅顯示一束反射光線)。如圖所示如此反射的光線被射出方向控制偏振器的側(cè)面，這是方向控制偏振器的這種實(shí)例中為何某些光線會(huì)“損耗”的一個(gè)例子。光線157和159以低于截止角的角度入射至光引導(dǎo)材料113上，并因此被反射。
在圖13B中，光線165的傳播方向使之被結(jié)構(gòu)表面材料113折射。光線165的偏振態(tài)使之被DRST 116鏡面透射成光線167。圖13A和13B所示的反射和透射結(jié)果意味著一種偏振態(tài)的光線被方向控制偏振器透射，并且透射光線被引導(dǎo)至要求的角度區(qū)域內(nèi)，而其它偏振態(tài)的光線被漫反射，并且不能在要求的角度區(qū)域中射出光引導(dǎo)材料的光線也被反射。
裝有DRST和方向控制偏振器的顯示器可以有數(shù)種顯示器結(jié)構(gòu)，它們單獨(dú)裝有DRST偏振器或裝有上述方向控制偏振器。一種這類裝有DRST偏振器的顯示器示意性地示于圖14。這種顯示器包括顯示模塊142、DRST偏振器116和光空腔140。較好的是，該光空腔是漫反射光空腔，如涂覆有漫反射點(diǎn)的光導(dǎo)、場(chǎng)致發(fā)光板或使用本領(lǐng)域已知的其它技術(shù)制得的光空腔。由光空腔發(fā)射的光用光束38表示。該光束入射至能鏡面透射具有第一偏振取向(稱為“(a)”)的光線并漫反射具有正交偏振取向“(b)”的光線的DRST偏振器116上。因此，適量的光線(用光束42表示)將透過DRST偏振器116，而剩余的光線將如光束40所示被反射。
被DRST偏振器116反射的具有偏振態(tài)(b)的光線再次進(jìn)入光空腔140并入射至光空腔內(nèi)的漫反射表面上。光空腔內(nèi)的這些漫反射表面用于改變被光空腔140反射光線中的至少一部分的偏振態(tài)和方向。因此，被DRST偏振器反射的具有偏振態(tài)(b)的光線中的至少一部分被光空腔中的漫反射表面轉(zhuǎn)變成偏振態(tài)(a)。這種再循環(huán)或循環(huán)被示為光路48。由光空腔140和DRST偏振器116的組合實(shí)施的這種多次再循環(huán)形成了將光線由偏振態(tài)(b)轉(zhuǎn)變成偏振態(tài)(a)的有效機(jī)理，以便使光線45透過DRST并最終使光線47傳播至觀察者146。
在另一個(gè)顯示器實(shí)例中，通過使用方向控制偏振器(如上面參照附圖12A、12B、13A和13B所描述的偏振器)來增加顯示器的表觀亮度。這種顯示器的示意圖列于圖15。圖15所示的顯示器146具有三個(gè)主要部件。它們是顯示模塊142、方向控制偏振器110和光空腔140。
圖15的左半部分是無方向控制偏振器材料110的顯示器164部分，用于比較顯示器在有和無方向控制偏振器110時(shí)的性能。一般來說，由單位面積光空腔140射出的光線(用光束148表示)將是無規(guī)地偏振的，同時(shí)包括偏振態(tài)(a)和(b)。這束光線中約一半(偏振態(tài)(b)的光線)被作為顯示模塊142一部分的二向色性吸收偏振器150所吸收。剩余的光線(偏振態(tài)(a))穿過該二向色性偏振器150并被用于在顯示器上產(chǎn)生影像。因此，射出顯示模塊142的光線(光束152)僅包括偏振態(tài)(a)的光線。但是，這種偏振態(tài)(a)的光線中僅有一部分被引入對(duì)觀察者有用的角度區(qū)域。因此，光空腔140提供的光線中僅有小于一半的光線(進(jìn)入對(duì)觀察者有用的角度區(qū)域的偏振態(tài)(a)的部分)實(shí)際對(duì)觀察者146觀察到的顯示器亮度作出貢獻(xiàn)。
方向控制偏振器用于更有效地利用來自光空腔140的光線。如果同樣單位數(shù)量的光(用光束154表示)被導(dǎo)入方向控制偏振器110，偏振態(tài)(a)的光線第一次就能穿過方向控制偏振器110。該光線具有與顯示模塊中二向色性吸收偏振器的透射軸相匹配的正確偏振態(tài)，并用光束161表示。剩余的偏振態(tài)(b)的光線被方向控制偏振器110反射回光空腔。
被方向控制偏振器反射的光線中至少有一部分會(huì)被光空腔40將偏振態(tài)改成(a)而且改變方向。因此，如光束157所示該光線將以偏振態(tài)(a)和(b)射出光空腔。此時(shí)如光束160所示再循環(huán)的偏振態(tài)(a)的光線將加入原來透過的光線中。因此，這種再循環(huán)或循環(huán)效應(yīng)增加了光線總量(用光束160和光束161表示)。由于僅有那些與二向色性吸收偏振器的透射軸匹配的正確偏振態(tài)(偏振態(tài)(a))的光線才能透過方向控制偏振器110，因此更多的射出顯示器的光線(光束163)被引導(dǎo)至觀察者146。另外，由于偏振態(tài)(b)的光線被方向控制偏振器110反射，因此很少被二向色性吸收偏振器150所吸收。結(jié)果顯示器射出的光線(光束163)的量比由光束152表示的光線的量高出70％。
圖16是方向控制偏振器110裝在液晶顯示器中的顯示器179。光引導(dǎo)材料113位于光空腔和DRST偏振器116之間，使得由光空腔發(fā)出的光入射至光引導(dǎo)材料113的光滑側(cè)面上。這兩個(gè)部件與間隙181一起組成方向控制偏振器。在使用時(shí)，光空腔140將為顯示器提供光線，并如上所述對(duì)由方向控制偏振器110反射回來的光線的偏振態(tài)和方向進(jìn)行重新取向。圖16和圖15所示的顯示器實(shí)例之間的一個(gè)不同是以小于截止角的角度接近光引導(dǎo)材料113的光線將通過全內(nèi)反射而被反射回光空腔，而與其偏振態(tài)無關(guān)(參見圖13A)。另一個(gè)不同是透過光引導(dǎo)材料的光線以接近法向角的角度穿過DRST偏振器(參見圖13B)。
使用圖17所示的另一種較好的顯示器結(jié)構(gòu)192可對(duì)射出方向控制偏振器的光線進(jìn)行兩維控制。該顯示器中，分別具有結(jié)構(gòu)表面112和184的兩片光引導(dǎo)材料113和182相互貼在一起并與DRST偏振器116貼在一起。這三個(gè)元件構(gòu)成了方向控制偏振器111。盡管圖17中兩片光引導(dǎo)材料位于DRST偏振器116之上，但應(yīng)理解DRST偏振器116也可以置于光引導(dǎo)材料112和182之間或置于它們之下而不偏離本發(fā)明的范圍。使結(jié)構(gòu)表面112和184的取向軸相交可進(jìn)行兩維控制。根據(jù)具體的顯示器用途或相關(guān)的偏振態(tài)要求，這些軸可在60-120°、80-100°、85-95°之間或約90°的任何角度進(jìn)行取向。
在操作中，使用上面參照?qǐng)D10和圖11描述的光引導(dǎo)材料，第一光引導(dǎo)材料182在Y-Z平面中約70°和在X-Z平面中約110°形成觀察區(qū)。射出第一光引導(dǎo)材料182的光線此時(shí)成為第二光引導(dǎo)材料113的光源，光引導(dǎo)材料113的結(jié)構(gòu)表面112的取向軸與光引導(dǎo)材料182的結(jié)構(gòu)表面184的取向軸不同。如果兩片光引導(dǎo)材料113和184例如成90°取向，那么光引導(dǎo)材料113將使X-Z平面中110°角以內(nèi)的光線通過，而將X-Z平面中的觀察角壓縮至小于70°的更窄的范圍內(nèi)，從而進(jìn)一步增加亮度。
圖18是對(duì)于DRST偏振器和光引導(dǎo)材料的不同組合，用標(biāo)準(zhǔn)光空腔照明的標(biāo)準(zhǔn)LCD板的屏幕相對(duì)亮度的試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)定在垂直于DRST偏振器拉伸方向的平面中不同觀察角相對(duì)于體系中不存在DRST偏振器或光引導(dǎo)材料時(shí)在0°觀察角(法向)的屏幕亮度。圖18中的曲線169是相對(duì)于0°觀察角測(cè)定的不同觀察角的相對(duì)亮度，試驗(yàn)時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)顯示器和光空腔中不存在任何光學(xué)體(如DRST偏振器或任何引導(dǎo)光線的光學(xué)結(jié)構(gòu)層)。曲線168是圖14所示的顯示器的相對(duì)亮度，該顯示器在光空腔140和液晶顯示模塊142之間僅存在DRST偏振器116作為反射偏振器。曲線166是圖15所示顯示器的相對(duì)亮度，該顯示器中的本發(fā)明DRST偏振器上疊合有光引導(dǎo)材料。曲線164是一個(gè)結(jié)構(gòu)的相對(duì)亮度，該結(jié)構(gòu)的顯示器中存在有DRST偏振器和光引導(dǎo)材料，但是在該顯示器中來自光空腔的光線在通過光引導(dǎo)材料前先通過DRST偏振器。曲線162是圖16所示顯示器的相對(duì)亮度，該顯示器中存在有DRST偏振器116和光引導(dǎo)材料113，并且來自光空腔140的光線在穿過光引導(dǎo)材料113前先通過DRST偏振器。應(yīng)注意加入光引導(dǎo)材料，無論其是無間隙地附著在DRST偏振器上(如曲線166)還是有間隙而離光學(xué)體單獨(dú)存在(如曲線164和162)，能增加低觀察角時(shí)的屏幕亮度，減小在大觀察角時(shí)的亮度。根據(jù)在投入使用的用途中預(yù)期的觀察角范圍這可能是所需的。另一方面，不使用光引導(dǎo)材料而僅存在DRST偏振器能使亮度增加的分布范圍更寬，在小觀察角的亮度較小而在大觀察角的亮度更大。
全屏幕亮度還取決于所使用的光空腔的類型，例如是使用場(chǎng)致發(fā)光的背光源還是使用標(biāo)準(zhǔn)的背光源。各種類型的光空腔的反射和損耗將影響能取得的全屏幕亮度的提高。一般來說，顯示器體系的增益同時(shí)取決于DRST偏振器和光空腔的效率。使用能滿足改變光線偏振態(tài)和方向要求的高反射光空腔以及很低損耗的DRST偏振器能最大地提高性能。
當(dāng)將單獨(dú)的方向控制膜與DRST偏振器偶聯(lián)在一起時(shí)，它們可以光學(xué)地偶聯(lián)或可以是非光學(xué)偶聯(lián)的相鄰片材。可使用將兩片膜附著在一起的各種已知技術(shù)(如熱層壓或用折射率匹配的粘合劑粘合)使DRST偏振器和光引導(dǎo)材料形成單一的光學(xué)偶聯(lián)的結(jié)構(gòu)。或者，直接將光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)壓紋在DRST偏振器的表面上(如表層(如果存在的話)上的壓紋結(jié)構(gòu))，或?qū)⒐庖龑?dǎo)結(jié)構(gòu)直接澆注(cast)并固化在反射偏振器的表面上(其中反射偏振器在例如美國專利5，175,030所述的方法中作為基片)來形成DRST偏振器和光引導(dǎo)材料的單一結(jié)構(gòu)。設(shè)想方向控制膜或壓紋的或澆注的結(jié)構(gòu)表面可具有各種組合。例如，層壓或用其它方法粘附在DRST偏振器表面上的方向控制膜，或DRST偏振器的直接形成結(jié)構(gòu)的光學(xué)控制表面可以是兩維的結(jié)構(gòu)，或者它可以是獨(dú)立的線性結(jié)構(gòu)方向控制膜的線性結(jié)構(gòu)表面，方向控制膜以某一角度(較好90°)與DRST偏振器線性結(jié)構(gòu)表面交叉，或者是復(fù)合的DRST偏振器/線性結(jié)構(gòu)膜表面。另外，線性結(jié)構(gòu)表面可層壓、壓紋或澆注的并固化在DRST偏振器的一個(gè)表面上，并且另一個(gè)線性結(jié)構(gòu)表面可以某一交叉的角度(較好90°)層壓、壓紋或澆注的并固化在DRST偏振器的相反表面上。無論是以單獨(dú)膜的形式存在還是以單一結(jié)構(gòu)的形式存在，兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)光控制表面均可以相互成任何角度并且與DRST偏振器的偏振方向成任何角度。同樣，當(dāng)用于顯示器中時(shí)，DRST偏振器和一個(gè)或多個(gè)光控制結(jié)構(gòu)的復(fù)合體可以與顯示偏振器成任何角度，使得第一光控制結(jié)構(gòu)、DRST偏振器、任選的第二光控制結(jié)構(gòu)以及顯示偏振器相互以任何角度或角度組合交叉。在上面所示和描述的顯示器中，方向控制偏振器可層壓或用顯示的方法粘附或附著在光空腔上和/或顯示模塊的背面上。將方向控制偏振器層壓在光空腔或顯示模塊上消除了它們之間的空氣間隙，降低了空氣/反射偏振器界面上會(huì)發(fā)生的表面反射。這些反射降低了所需偏振態(tài)的透射總量。將反射偏振器附著在光空腔或顯示模塊上，可降低表面反射并增加所需偏振態(tài)的透射總量。如果反射偏振器不這樣附著在光空腔或顯示模塊上，則可能需要使用抗反射(AR)涂層。
在圖16所示的情況下，不可能將反射偏振器層壓在結(jié)構(gòu)表面材料的有結(jié)構(gòu)一側(cè)。在這種權(quán)利下，需要使用涂覆AR的反射偏振器來降低空氣/反射偏振器界面上的表面反射。
實(shí)施例綜述下列實(shí)施例描述了各種本發(fā)明光學(xué)材料的制備，以及這些材料的光學(xué)性能。除非另有說明，組成百分比指重量組成百分比。這些試樣中使用的聚萘二甲酸乙二醇酯樹脂是用乙二醇和2,6-萘二甲酸二甲酯(購自Amoco Corp.,Chicago,Illinois)制成的。這些試劑用常規(guī)的聚酯樹脂聚合方法聚合成各種特性粘度(Ⅳ)。間同聚苯乙烯(sPS)可根據(jù)美國專利4,680,353(Ishihara等)公開的方法制得。實(shí)施例包括下面討論的各種聚合物對(duì)、各種連續(xù)相和分散相分?jǐn)?shù)以及其它添加劑或加工變化。
試樣的拉伸或取向可用常規(guī)的用來制備聚酯膜的取向設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室分批取向機(jī)來實(shí)現(xiàn)。所用的實(shí)驗(yàn)室分批取向機(jī)被設(shè)計(jì)成使用小片流延材料(7.5cm×7.5cm)并將其用列成方陣的24個(gè)夾持器(每側(cè)6個(gè))夾持，所述小片流延材料是從擠出的流延卷材上切下的。試樣的取向溫度用熱空氣鼓風(fēng)機(jī)來控制，膜試樣通過一個(gè)以受控的速度在一個(gè)或兩個(gè)方向上增加夾持器間距離的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行取向。在兩個(gè)方向上拉伸的試樣可以依次或同時(shí)取向。對(duì)于以受約束模式(C)取向的試樣，所有夾持器均夾持卷材，且夾持器只在一個(gè)方向上移動(dòng)。而在非約束模式(U)中，在與拉伸方向垂直的固定方向上夾持膜的夾持器并沒有夾住，從而使膜可在該方向上松弛或頸縮。
偏振漫透射和反射用裝有Perkin Elmer Labsphere S900-1000 150毫米積分球附件和Glan-Thompson立方體偏振器的Perkin Elmer Lambda 19紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)來測(cè)定。平行和交叉的透射和反射值分別用電場(chǎng)矢量平行或垂直于膜拉伸方向的偏振光來測(cè)定。所有掃描均是連續(xù)的，掃描速率為480納米/分鐘，狹縫寬度為2納米。反射以“V-反射”方式進(jìn)行。透射和反射值是對(duì)400至700納米范圍內(nèi)所有波長的平均值。
對(duì)最終膜的與縱向垂直的剖面拍攝透射電子顯微照片以測(cè)定分散相的性質(zhì)。從三層結(jié)構(gòu)的取向膜上除去外層，僅留下?lián)交鞂佑糜诎狻⒃嚇影庠谑覝刂泄袒?M ScotchcastTM5 Electrical Resin中。在室溫下在Reichert UltracutTMS切片機(jī)上用金剛石刀片將該包封的試樣切成約90nm厚的薄片，使用的切割速率為每秒0.2mm。將得到的薄片飄浮在經(jīng)蒸餾的去離子水中，用炭/聚乙酸甲基乙烯酯(formvor)基材增固的200目銅篩網(wǎng)收集之以進(jìn)行透射電子顯微照相評(píng)價(jià)。使用JEOL 200CX透射電子顯微鏡拍攝照片。
在膜取向前對(duì)流延卷材進(jìn)行掃描電子顯微評(píng)價(jià)以測(cè)定分散相的性質(zhì)。在浸入液氮中時(shí)折斷卷材片，露出與縱向垂直的截面。在濺涂金-鈀以前修整試樣并將其固定在鋁柱上。使用Hitachi S530掃描電子顯微鏡拍攝照片。
實(shí)施例1在實(shí)施例1中，用常規(guī)擠出和流延方法將一混合物流延成約380微米厚的流延(cast)膜或片來制備本發(fā)明光學(xué)膜，所述混合物包括75％聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)作為連續(xù)相或主要相，25％聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為分散相或次要相。PEN的特性粘度(Ⅳ)為0.52(在60％苯酚/40％二氯苯中測(cè)定)。PMMA購自ICI Americas,Inc.,Wilmington,Delaware，產(chǎn)品名為CP82中。所用的擠出機(jī)是有單管60μm Tegra過濾器的3.15cm(1.24″)Brabender擠出機(jī)。模頭是30.4cm(12″)EDI UltraflexTM40。
在膜擠出24小時(shí)后，在聚酯膜拉幅裝置上在寬度方向或橫向(TD)上使流延膜進(jìn)行取向。在約9.1米/分鐘(30英尺/分鐘)速率和約140cm(55英寸)出料寬度下，在約160℃(320°F)拉伸溫度下進(jìn)行拉伸。經(jīng)拉伸的試樣的總反射率用Lambda19分光光度計(jì)上的積分球來測(cè)定，試樣光束用Glan-Thompson立方體偏振器來使其偏振。試樣有75％的平行反射率(即，用電場(chǎng)矢量平行于膜拉伸方向的偏振光測(cè)得的反射率)和52％正交反射率(即，用電場(chǎng)矢量與拉伸方向垂直的偏振光測(cè)得的反射率)。
實(shí)施例2在實(shí)施例2中，按實(shí)施例1中的方法制備并評(píng)價(jià)光學(xué)膜，只是采用的混合物含有75％PEN、25％間同聚苯乙烯(sPS)、0.2％聚苯乙烯-甲基丙烯酸縮水甘油酯相容劑和分別為0.25％的IrganoxTM1010和UltranoxTM626。聚苯乙烯-甲基丙烯酸縮水甘油酯的合成可參見“塑料、樹脂、橡膠、粘合劑和纖維的化學(xué)技術(shù)(Chemical Technology of Plastics,Resins,Rubbers,Adhensives and Fibers)”(Vol.10,chap.3,pp.69-109(1956),Calvin E.Schildknecht編輯)中的《(聚合物加工》(Polymer Processes)。
PEN在60％苯酚/40％二氯苯中測(cè)得的特性粘度為0.52。sPS購自DowChemical Co.，其重均分子量約為200,000(下面稱之為sPS-200-0)。測(cè)得經(jīng)拉伸的膜試樣的平行反射率為73.3％，正交反射率為35％。
實(shí)施例3在實(shí)施例3中，按實(shí)施例2的方法制備和評(píng)價(jià)光學(xué)膜，只是將相容劑的含量增加到0.6％。測(cè)得平行反射率為81％，正交反射率為35.6％。
實(shí)施例4在實(shí)施例4中，用常規(guī)的三層共擠出方法制備本發(fā)明的三層光學(xué)膜。膜有一個(gè)芯層，芯層兩側(cè)各有一表層。芯層包括75％PEN和25％sPS 200-4(名稱sPS-200-4指含有4％(摩爾)對(duì)甲基苯乙烯的間同聚苯乙烯共聚物)，每一表層包括100％PEN(在60％苯酚/40％二氯苯中測(cè)得的特性粘度為0.56)。
得到的三層流延膜中芯層的厚度約為415微米，兩個(gè)表層各約為110微米厚，總的厚度約為635微米。在約129℃的溫度下，用實(shí)驗(yàn)室分批拉伸機(jī)在縱向(MD)上以約6比1拉伸得到的三層流延膜。由于實(shí)驗(yàn)室拉伸機(jī)沒有夾持平行于拉伸方向的膜試樣邊緣，因此試樣在橫向(TD)沒有受約束，試樣由于拉伸而在TD頸縮約50％。
用相似于實(shí)施例1的方法評(píng)價(jià)光學(xué)性能。測(cè)得平行反射率為80.1％，正交反射率為15％。這些結(jié)果表明，該膜是低吸收、節(jié)約能量的體系。
實(shí)施例5-29在實(shí)施例5-29中，用相同于實(shí)施例4的方法制備和評(píng)價(jià)一系列的光學(xué)膜，只是所用的芯層中sPS分?jǐn)?shù)和PEN樹脂的Ⅳ不同(如表1所示)。對(duì)于一給定的試樣，芯層中PEN樹脂的Ⅳ與表層中的Ⅳ相同。流延片的總厚度約為625微米，其中總厚度的約三分之二為芯層，其余為厚度大致相等的兩個(gè)表層。如表1所示制備芯層中的各種PEN和sPS混合物。如表1所示在不同溫度下，以約6∶1的拉伸比在縱向(MD)或橫向(TD)拉伸膜。一些試樣在垂直于拉伸方向的方向上受到約束(C)，以防止試樣在拉伸時(shí)頸縮。表1中用“U”標(biāo)記的試樣沒有受約束，它可在非約束方向上頸縮。沿平行和交叉(即垂直)于拉伸方向的方向測(cè)定經(jīng)拉伸的試樣的某些光學(xué)性能，包括透射、反射和吸收百分?jǐn)?shù)。結(jié)果列于表1。
如實(shí)施例24-27所示，通過人工約束拉伸后試樣的兩個(gè)垂直于拉伸方向的邊緣，即將其夾固在適當(dāng)尺寸的剛性框架上，并將夾固的試樣在指定溫度的烘箱內(nèi)放置1分鐘來進(jìn)行熱定形。平行于拉伸方向的試樣兩側(cè)沒有受約束(U)，或者沒有被夾固，可以頸縮。實(shí)施例29中的熱定形采用相同的方法，只是拉伸試樣的所有四個(gè)邊緣均是受約束(C)的，即夾固的。實(shí)施例28沒有進(jìn)行熱定形。
表1
<p>觀察到所有上述試樣具有各種的分散相形狀，這種形狀與分散相在膜試樣體內(nèi)的位置有關(guān)。觀察到接近試樣表面的分散相摻雜物是伸長的形狀，而不是更接近球形的。較靠近試樣兩個(gè)表面之間中心部分的摻雜物更接近球形。甚至是帶表層的試樣也是如此，只是這種效應(yīng)的程度被表層削弱。加入表層能減少拉伸操作中產(chǎn)生破裂的趨勢(shì)，從而而改善了膜的加工。
不擬受理論束縛，認(rèn)為流延膜芯層中摻雜物(分散相)的伸長是混合物通過模頭時(shí)受剪力的結(jié)果。這一伸長特征可通過改變模頭的物理尺寸、擠出溫度、擠出物的流速、以及連續(xù)相和分散相的化學(xué)性能(它們可改變其相對(duì)熔體粘度)來改變。在某些應(yīng)用或用途中在擠出時(shí)使分散相適當(dāng)伸長是有益的。對(duì)于那些隨后在縱向拉伸的用途，開始時(shí)就有一個(gè)擠出時(shí)伸長的分散相可使最后得到的分散相有較高的縱橫比。
另一值得注意的特點(diǎn)是，當(dāng)同一試樣不受約束地拉伸時(shí)，發(fā)現(xiàn)其性能有顯著改善。例如，在實(shí)施例9中，在平行和垂直方向上透射百分?jǐn)?shù)分別為79.5％和20.3％。相反，實(shí)施例16在平行和垂直方向上的透射百分?jǐn)?shù)分別只有75.8％和28.7％。試樣在非約束拉伸時(shí)，與受約束拉伸相比其厚度增加，但是由于透射率和消光比均有改善，因此折射率匹配可能得到了改善。
另一種控制折射率的方法是改變材料的化學(xué)性能。例如，30％重量衍生自對(duì)苯二酸的共聚單元與70％重量衍生自2,6-萘二甲酸的單元的共聚物的折射率比100％PEN聚合物低0.02個(gè)單位。其它單體或比例有稍稍不同的結(jié)果。這種變化可用來使一個(gè)軸上的折射率更匹配，而只使希望有較大差異的軸上的折射率差稍有下降。換句話說，一個(gè)軸上折射率值更匹配所獲得的好處足以補(bǔ)償在希望有較大差別的正交軸上折射率差下降所付出的代價(jià)而有余。其次，可用化學(xué)性能變化來改變進(jìn)行拉伸的溫度范圍。sPS和各種比例的對(duì)甲苯乙烯單體的共聚物可改變最適宜的拉伸溫度范圍。為了最有效地優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的加工以及形成折射率匹配和差異，可能需要將這些方法結(jié)合起來。因此，通過優(yōu)化與拉伸條件有關(guān)的加工和化學(xué)性能，以及進(jìn)一步調(diào)節(jié)材料的化學(xué)性能以便使至少一個(gè)軸上的折射率差盡量增大而至少一個(gè)軸上的折射率差盡量減小，就可改善對(duì)最終性能的控制。
如果這些試樣在MD上取向，而不是在TD上取向(比較實(shí)施例14-15)，那么它們可表現(xiàn)出更好的光學(xué)性能。不受理論的束縛，據(jù)信采用MD取向比TD取向更能產(chǎn)生不同幾何形狀的摻雜物，這些摻雜物有較高的縱橫比，從而使非理想的末端效應(yīng)變得不重要。非理想末端效應(yīng)是指在伸長顆粒的每端頂部的幾何結(jié)構(gòu)和折射率之間的復(fù)雜關(guān)系。顆粒的內(nèi)部或非頂端被認(rèn)為有相同的幾何形狀和折射率，這是所希望的。因此，相同伸長顆粒的百分?jǐn)?shù)越高，光學(xué)性能就越好。
這些材料的消光比是垂直于拉伸方向的偏振態(tài)透射率與平行于拉伸方向的偏振態(tài)透射率之比。對(duì)于表1中的實(shí)施例，消光比在約2至5的范圍內(nèi)，盡管未對(duì)消光比進(jìn)行優(yōu)化就曾觀察到本發(fā)明光學(xué)體有高達(dá)7的消光比。預(yù)計(jì)通過調(diào)節(jié)膜厚度、摻雜物體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑和折射率匹配和不匹配程度、或者通過使用碘或其它染料可獲得更高的消光比(如大于100)。
實(shí)施例30-100在實(shí)施例30-100中，用表2所列材料制備本發(fā)明試樣。PEN42、PEN47、PEN53、PEN56和PEN60分別指在60％苯酚/40％二氯苯中測(cè)得的特性粘度(Ⅳ)分別為0.42、0.47、0.53、0.56、和0.60的聚萘二甲酸乙二醇酯。所用的特定sPS-200-4是從Dow Chemical Co.購得。EcdelTM9967和EastarTM是共聚酯，它們是從Eastman chemical Co.,Rochester,New York購得的。SurlynTM1706是離子鍵樹脂，從E.I.du Pont de Nemours&amp;Co.,Wilmington,Delaware購得。所列的作為添加劑1或2的材料包括聚苯乙烯甲基丙烯酸縮水甘油酯。名稱GMAPS2、GMAPS5和GMAPS8分別指共聚物總量中有2重量％、5重量％和8％重量的甲基丙烯酸縮水甘油酯。ETPB指交聯(lián)劑乙基三苯基溴化鏻。PMMA VO44指購自Atohaas North America,Inc.的聚甲基丙烯酸甲酯。
除了表2所示的及下面所述的不同外，光學(xué)膜試樣按實(shí)施例4的方法制備。將連續(xù)相及其與總量之比稱為主要相。將分散相及其與總量之比稱為次要相?；旌衔锖穸戎当硎拘緦拥拇笾潞穸?微米)。表層厚度隨芯層厚度而改變，但是始終保持恒定的比例，即兩個(gè)表層厚度大致相等，兩個(gè)表層厚度之和約為總厚度的三分之一。用掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)來測(cè)定一些試樣中分散相的大小。隨后用實(shí)驗(yàn)室分批取向機(jī)進(jìn)行拉伸的那些實(shí)施例在分批拉伸欄內(nèi)用“X”表示。
表2
發(fā)現(xiàn)各種相容劑的存在可降低摻雜物或分散相的大小。
實(shí)施例101在實(shí)施例101中，用與實(shí)施例4相同的方法制備光學(xué)膜，只是芯層厚度約為420微米，各層表層厚度約為105微米。PEN的Ⅳ為0.56。流延膜如實(shí)施例1那樣取向，只是拉伸溫度為165℃，流延和拉伸間隔15天。對(duì)平行和垂直偏振光的透射率分別為87.1％和39.7％。
實(shí)施例102-121在實(shí)施例102-121中，光學(xué)膜如實(shí)施例101那樣制備，只是取向條件不同和/或如表3所示用含有4摩爾％或8摩爾％對(duì)甲基苯乙烯的sPS共聚物，或者無規(guī)立構(gòu)的苯乙烯(Styron 663，購自Dow Chemical Company,Midland,Michigan)代替sPS-200-0。表3中還列出了透射性能的評(píng)價(jià)結(jié)果。透射率值是450-700nm范圍內(nèi)所有波長的平均值。
表3
這些實(shí)施例表明，在縱向，在高Ⅳ的PEN中摻雜相顆粒比在低Ⅳ的PEN中伸得更長。這與在低Ⅳ的PEN中發(fā)現(xiàn)在靠近膜表面處的拉伸程度比在膜內(nèi)部拉伸程度更高是一致的，其結(jié)果是在靠近表面處形成纖絲狀結(jié)構(gòu)，在接近中央處形成球形結(jié)構(gòu)。
這些實(shí)施例中的一些表明，取向溫度和取向程度是實(shí)現(xiàn)所需效果的重要變量。實(shí)施例109至114表明，靜止結(jié)晶并不一定是所需的偏振光缺乏透射的唯一原因。
實(shí)施例122-124在實(shí)施例122中，用209層進(jìn)料頭制備本發(fā)明的多層光學(xué)膜。用兩種材料向進(jìn)料頭進(jìn)料(1)以38.6kg/小時(shí)的速率輸入的PEN(特性粘度為0.48)；和(2)95％coPEN和5％(重量)sPS均聚物(分子量為200000)的混合物。coPEN是基于70％(摩爾)萘二甲酸酯和30％(摩爾)間苯二酸二甲酯的用乙二醇聚合至特性粘度為0.59的共聚物。coPEN/sPS混合物以34.1千克/小時(shí)的速度加入進(jìn)料頭中。
coPEN混合材料是在擠出物的外側(cè)，得到的疊層的層組分在兩種材料間交替變化。設(shè)計(jì)層厚度使得1/4波長疊層中的各層厚度具有線性梯度，最薄層與最厚層間的比例為1.3。然后將較厚的不含sPS的coPEN表層(根據(jù)上述制備coPEN/sPS混合物的方法制備，只是萘二羧酸酯/對(duì)苯二甲酸二甲酯/間苯二酸二甲酯的摩爾比是70/15/15)施加到209層復(fù)合體的每一側(cè)。總的表層以29.5千克/小時(shí)的速度施加，疊層每一側(cè)或每一表面上約是此量的一半。
將得到的有表層覆蓋的多層復(fù)合體通過一個(gè)倍增器擠出，以得到421層的多層復(fù)合體。然后，得到的多層復(fù)合體用70/15/15 coPEN以29.5千克/小時(shí)的總速度在每一表面上包覆另一表層，每一側(cè)上約為此量的一半。由于這第二表層不能與存在的表層分別開來(因?yàn)椴牧鲜窍嗤?，為了本文描述起見，得到的加厚的表層將以一層來計(jì)算。
得到的421層復(fù)合體再一次通過比例為1.40的不對(duì)稱倍增器擠出，以獲得841層的膜，然后使膜通過模頭擠出成片并驟冷成約30mils厚的片材。然后，用常規(guī)的制膜拉幅裝置對(duì)最終鑄塑片在寬度方向上進(jìn)行取向。在約300°F(149℃)將片材拉伸至拉伸比約為6∶1，拉伸速度約為20％/秒。得到的拉伸膜約5mils厚。
在實(shí)施例123中，按實(shí)施例122的方法制備多層光學(xué)膜，只是coPEN/sPS混合物中sPS的量為20％，而不是5％。
在實(shí)施例124中，按實(shí)施例122的方法制備多層光學(xué)膜，只是膜中不加入sPS。
表4中的結(jié)果包括了膜的光增益測(cè)定結(jié)果。膜的光增益是背光源發(fā)出的光在LCD板和背光源之間插有光學(xué)膜時(shí)穿過LCD板的透射量與不插有光學(xué)膜時(shí)的透射量之比。關(guān)于光學(xué)膜的光增益的意義可參見WO 95/17692中參照附圖2的描述。通常希望有較高的增益值。表中的透射率包括當(dāng)光源在平行于拉伸方向(T‖)偏振和垂直于拉伸方向(T⊥)偏振時(shí)得到的數(shù)值。偏離角色彩(OAC)是用Oriel分光光度計(jì)測(cè)得的波長為400至700nm的50°入射光的p-偏振透射的均方根偏差(root mean square deviation)來量度。
表4
偏離角色彩(OAC)的數(shù)值證明了使用本發(fā)明多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。具體地說，這種結(jié)構(gòu)可用來大大降低OAC，而光增益只略有減少。這一折衷在某些應(yīng)用中是有利的。本發(fā)明實(shí)施例的T‖數(shù)值比預(yù)計(jì)的要低，因?yàn)閟PS分散相散射的光線可能未被檢測(cè)器接收。
實(shí)施例125用實(shí)施例4的方法制得三層膜。內(nèi)芯層包括70％在60％苯酚/40％二氯苯中測(cè)得的特性粘度為0.55的coPEN、70％sPS 200-7加上附加的2％Dylark332-80(購自NOVA Chemical)。每一表層包括100％在二氯甲烷中測(cè)得的特性粘度為0.65的coPET。
所述coPEN是62摩爾％萘二甲酸酯和38摩爾％對(duì)苯二甲酸二甲酯的共聚物。coPET是80摩爾％羧酸二甲酯和20摩爾％間苯二甲酸二甲酯的共聚物。
用實(shí)施例1的方法使流延膜取向。拉伸是以5.8m/分(19英尺/分鐘)的速率在147cm(58英寸)出料寬度下進(jìn)行的。拉伸溫度為124℃。熱定形溫度為163℃。正交透射率為85.3％，平行透射率為21.7％。
實(shí)施例126-130下列實(shí)施例說明本發(fā)明光學(xué)體系中共連續(xù)形態(tài)的產(chǎn)生。
在實(shí)施例126-130中，制得一系列光學(xué)膜并用實(shí)施例125的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是在內(nèi)芯層中sPS分?jǐn)?shù)和拉伸溫度如表5所示進(jìn)行變化。
表5
實(shí)施例125-130的平行和正交透射率表明其具有良好的光學(xué)性能。實(shí)施例130的高正交透射率值表明，兩個(gè)相對(duì)于沿垂直拉伸方向的偏振光的折射率有效地匹配。
對(duì)實(shí)施例126和127的流延卷材的斷面拍攝了掃描電子顯微照片。如實(shí)施例125那樣，有清楚的證據(jù)表明球形或橢球形顆粒分散在連續(xù)的基質(zhì)中。對(duì)實(shí)施例129和130拍攝了透射電子顯微照片，這些照片分別列于附圖6a和6b。圖6a說明共連續(xù)相的形態(tài)。從該顯微照片可看到，coPEN和sPS的摻雜相以及兩相均為連續(xù)相的區(qū)域。相反，圖6b顯示coPEN分散在sPS基質(zhì)中。
實(shí)施例131按實(shí)施例4的方法制得三層膜。內(nèi)芯層包括85％在60％苯酚和40％二氯苯溶液中測(cè)得的特性粘度為0.51的coPEN，以及15％250k-7加上附加的2％DylarkTM332-80。各層表層包括100％coPEN。
用作內(nèi)芯層一部分的coPEN是70摩爾％萘二甲酸酯和30摩爾％對(duì)苯二甲酸二甲酯的共聚物。用作表層的coPEN是70摩爾％萘二甲酸酯和30摩爾％間苯二甲酸二甲酯的共聚物。
用實(shí)施例1的方法使流延膜取向。拉伸是以5.3m/分(17.4英尺/分鐘)的速率在124.5cm(49英寸)出料寬度下進(jìn)行的。拉伸溫度為118℃。熱定形溫度為141℃。正交透射率為81.9％，平行透射率為32.7％。正交透射光譜示于附圖7。
實(shí)施例132按以下方法制得帶有抗反射層的膜先將10g RemetTMSP-30(RemetCoporation,Chadwicks,NY)和1g TritoxTMX-100(Rohm and Haas,Philadephia,PA)加入89g去離子水中。使用#3金屬線纏繞的棒將所述溶液涂覆在實(shí)施例131制得的薄膜上，形成的干涂層約200nm厚。其正交透射率為83.8％，平行透射率為33.3％。
實(shí)施例133重復(fù)實(shí)施例131的方法，但是在膜的兩側(cè)涂覆抗反射層。正交透射率為86.2％，平行透射率為33.8％。
實(shí)施例131-133的正交透射率光譜示于圖7。由圖7可見，與實(shí)施例131相比，尤其在所示波長范圍內(nèi)實(shí)施例132-133的正交透射率-波長函數(shù)的斜率較低。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)能理解，具有平的透射率-光波長函數(shù)曲線的膜將會(huì)使裝有該反射偏振器的顯示器件的色彩變化降至最小實(shí)施例134-135這些實(shí)施例說明將本發(fā)明膜用作導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的高效光引出器。
在實(shí)施例134中，通過擠出在70/30/0 coPEN基質(zhì)中含有30％sPS的組合物制得本發(fā)明光學(xué)膜。將該擠出的膜在縱向取向至2.5∶1的拉伸比。
在實(shí)施例135中，使用與實(shí)施例134相同的組合物和相似的方法制得第二種膜。但是，在與縱向垂直的橫向使用擴(kuò)幅器將該膜單軸取向至4.8∶1的拉伸比，以代替膜的縱向取向。
將實(shí)施例134和135的膜作為包層用機(jī)械方法固定在單獨(dú)的光纖上，使用硅油(silica grease)消除光纖-空氣界面。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。隨后將光纖連接在購自General Electric Company,Danbury,CT的60瓦氙金屬鹵化物短弧燈上。光纖的粗細(xì)為1.2cm，由低Tg丙烯酸聚合物制成。
當(dāng)開啟該燈時(shí)，該兩個(gè)試樣被照亮并產(chǎn)生漫散射光線。如果透過按垂直于偏振平面的方向取向的偏振膜觀看這兩個(gè)膜試樣時(shí)，這兩個(gè)試樣基本是暗的。但是，如果將所述偏振膜在同一平面上旋轉(zhuǎn)90°，兩個(gè)試樣顯示出漫射的亮度，表明透過膜的光線具有特定的偏振方式。
還對(duì)覆蓋光纖端部的效果進(jìn)行了試驗(yàn)。當(dāng)以反射方式覆蓋端部以將一部分從光纖頂端逸出的光線反射回光纖時(shí)，膜產(chǎn)生的光強(qiáng)度增加了。這相當(dāng)于產(chǎn)生光空腔，在該空腔中未引出的偏振光在光纖中被進(jìn)一步反射，直至其逐步地轉(zhuǎn)化成被引出的偏振態(tài)。除非透過引出器，否則光纖內(nèi)的光線不能逸出光纖，從而增加了引出效率。另外，光線與光纖/空氣界面相互作用產(chǎn)生的偏振方向轉(zhuǎn)化，會(huì)使更多的具有要求的偏振方向的光被從光纖中引出。
實(shí)施例136下列實(shí)施例說明在非法向入射角本發(fā)明光纖膜可增加增益。
按照實(shí)施例4的方法制得三層膜。內(nèi)芯層含有70％特性粘度(在60％苯酚和40％二氯苯中測(cè)得)為0.48的PEN和30％sPS 200-8。每一表層含有100％coPEN并占流延膜總厚度的約17％。
所述coPEN是70摩爾％萘二甲酸酯和30摩爾％間苯二甲酸二甲酯的共聚物。未測(cè)定coPEN的粘度。
用實(shí)施例1的方法使該流延膜取向。拉伸是以5.5m/分(18英尺/分鐘)的速率在141cm(55.5英寸)出料寬度下進(jìn)行的。拉伸溫度為154℃。熱定形溫度為164℃。形成的膜厚為128微米。
將Sharp C12P背光源緊貼于標(biāo)準(zhǔn)二向色性偏振器的一面上。使用PhotoResearch PR650光譜色度計(jì)測(cè)定背光源/偏振器組件發(fā)出的光強(qiáng)度。在開始測(cè)量前將背光源/偏振器組件相對(duì)于PR650的探測(cè)器進(jìn)行定向，使含有探測(cè)器臂掃描弧的平面也包括偏振器高透射率的軸。探測(cè)器臂以垂直背光源/偏振器組件的方向?yàn)檩S進(jìn)行±60°掃描。將23cm2的膜置于背光源和偏振器之間使膜的正交透射軸與偏振器高透射率方向相一致，隨后進(jìn)行第二次光強(qiáng)度測(cè)定。將如上所述測(cè)定的加有光學(xué)膜和無光學(xué)膜時(shí)各角度的兩種光強(qiáng)度之比定義為相對(duì)增益。
實(shí)施例136的數(shù)據(jù)列于圖9A。在與法線成±60°的角度的平均相對(duì)增益為1.45。該數(shù)據(jù)表明，在非法向入射時(shí)，特別是與法線成30-60°夾角入射時(shí)，實(shí)施例136的相對(duì)增益增大。
比較例1下列實(shí)施例說明對(duì)于市售的常規(guī)光學(xué)膜，在非法向入射角其增益下降。
如實(shí)施例136所述使用Eldim120D測(cè)定購自Sekisui W518(日本大阪)的一片微結(jié)構(gòu)復(fù)制(micro-replicated)的增亮膜。置有或不置有Sekisui W518膜時(shí)各個(gè)角度的光強(qiáng)度之比列于圖9B。在與法向成±60°的角度的平均相對(duì)增益為0.65，表明在法向入射時(shí)膜的增益最高，與法向呈夾角的所有入射角增益均下降。
如實(shí)施例136和比較例1所證實(shí)的那樣，可按本發(fā)明制得在非法向入射，尤其在與法向成30-60°夾角入射時(shí)相對(duì)增益增加的膜。相反，市售光學(xué)膜一般在法向入射時(shí)的增益最大，與法向成夾角的所有入射方向增益均下降。本發(fā)明膜的這種特性使之能特別有利地用作如大顯示器(人們會(huì)從寬的角度范圍觀看該大顯示器)的增亮膜這種用途。
實(shí)施例137-150下列實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明膜在非法向入射時(shí)增益增加。
用與實(shí)施例136相同的方法進(jìn)行一系列試驗(yàn)，但是如下面所述對(duì)材料和方法進(jìn)行改變。在某些實(shí)施例中，加入IrganoxTM1425抗氧劑(購自Ciba Geigy)和/或DylarkTM332-80(購自NOVA Chemicals)。與法向成±60°夾角入射時(shí)的平均相對(duì)增益和法向(0°)入射時(shí)的相對(duì)增益列于表6。
表6
本發(fā)明的以上描述只是說明性的，而非限制性的。因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的范圍只參照所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1．一種對(duì)入射于其上的光線進(jìn)行方向和偏振態(tài)控制的方向控制偏振器，它包括偏振器，該偏振器用于鏡面透射具有第一偏振取向的光線并漫反射具有不同偏振取向的光線；以及第一光引導(dǎo)材料，所述第一光引導(dǎo)材料用于將光線透射至要求的角度區(qū)域內(nèi)，并將不能由所述第一光引導(dǎo)材料射出至該要求的角度區(qū)域中的光線反射；其中所述偏振器和第一光引導(dǎo)材料一起運(yùn)作以控制透過所述方向控制偏振器的光線的方向和偏振態(tài)。
2．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，其特征在于所述偏振器包括光學(xué)器件，它包括聚合物第一相和置于所述第一相中的第二相，沿任何三根相互正交的軸中的至少兩根軸所述第二相是不連續(xù)的；其中所述第一相和第二相沿第一軸的折射率差大于約0.05，沿與所述第一軸正交的第二軸的折射率差小于約0.05。
3．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，其特征在于光引導(dǎo)材料放置在接受透過所述偏振器的第一偏振取向的光線的位置。
4．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，其特征在于所述偏振器放置在接受透過所述光引導(dǎo)材料以楔形輸出的光線的位置。
5．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料包括結(jié)構(gòu)表面材料。
6．如權(quán)利要求5所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料具有光滑側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面。
7．如權(quán)利要求6所述的方向控制偏振器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)側(cè)面包括許多三棱柱。
8．如權(quán)利要求7所述的方向控制偏振器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)側(cè)面包括一個(gè)三棱柱陣列。
9．如權(quán)利要求8所述的方向控制偏振器，其特征在于所述一排三棱柱限定了取向軸。
10．如權(quán)利要求9所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的取向軸與偏振器的取向方向一致。
11．如權(quán)利要求7所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱是等邊三棱柱。
12．如權(quán)利要求7所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為60-120°。
13．如權(quán)利要求12所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為70-110°。
14．如權(quán)利要求13所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為85-95°。
15．如權(quán)利要求14所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為90°左右。
16．如權(quán)利要求6所述的方向控制偏振器，其特征在于所述有結(jié)構(gòu)的側(cè)面包括許多具有圓峰形的結(jié)構(gòu)。
17．如權(quán)利要求16所述的方向控制偏振器，其特征在于所述有結(jié)構(gòu)的側(cè)面包括許多具有圓凹槽的結(jié)構(gòu)。
18．如權(quán)利要求12所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的光滑側(cè)面朝偏振器放置。
19．如權(quán)利要求18所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)側(cè)面朝偏振器放置。
20．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，其特征在于在所述偏振器和所述第一光引導(dǎo)材料之間具有空氣間隙。
21．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，其特征在于所述偏振器和所述第一光引導(dǎo)材料形成單一的結(jié)構(gòu)。
22．如權(quán)利要求1所述的方向控制偏振器，它還包括第二光引導(dǎo)材料。
23．如權(quán)利要求22所述的方向控制偏振器，其特征在于使用第二光引導(dǎo)材料，使得以預(yù)選的第三組與軸的夾角進(jìn)入所述第二光引導(dǎo)材料的光線被反射，而以預(yù)定的第四組與軸的夾角進(jìn)入所述第二光引導(dǎo)材料的光線被折射，從而在第四組角度中的大部分光線形成一個(gè)輸出楔形，該楔形比其相應(yīng)的輸入楔形窄，在第四角度組中的角度大于在第三角度組中的角度。
24．如權(quán)利要求22所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第二光引導(dǎo)材料包括結(jié)構(gòu)表面材料。
25．如權(quán)利要求24所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第二光引導(dǎo)材料包括光滑側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面。
26．如權(quán)利要求25所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第二光引導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)側(cè)面包括許多三棱柱。
27．如權(quán)利要求26所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第二光引導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)側(cè)面包括一排三棱柱，該排三棱柱限定相應(yīng)的取向軸。
28．如權(quán)利要求27所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的取向軸相對(duì)于所述第二光引導(dǎo)材料的取向軸放置，對(duì)透過第一和第二光引導(dǎo)材料的光線進(jìn)行兩維角度控制。
29．如權(quán)利要求28所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的取向軸以大于0°的夾角相對(duì)于所述第二光引導(dǎo)材料的取向軸放置。
30．如權(quán)利要求29所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為60-120°。
31．如權(quán)利要求30所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為70-110°。
32．如權(quán)利要求31所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為85-95°。
33．如權(quán)利要求32所述的方向控制偏振器，其特征在于所述三棱柱的夾角為90°左右。
34．如權(quán)利要求28所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)側(cè)面朝所述第二光引導(dǎo)材料的光滑側(cè)面放置。
35．如權(quán)利要求34所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的光滑側(cè)面朝所述偏振器的第一側(cè)面放置。
36．如權(quán)利要求35所述的方向控制偏振器，其特征在于光線入射在偏振器的第二側(cè)面上。
37．如權(quán)利要求36所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第二光引導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)側(cè)面朝偏振器放置。
38．如權(quán)利要求37所述的方向控制偏振器，其特征在于光線入射在所述第一光引導(dǎo)材料的光滑側(cè)面上。
39．如權(quán)利要求28所述的方向控制偏振器，其特征在于所述偏振器放置在所述第一和第二光引導(dǎo)材料之間。
40．如權(quán)利要求39所述的方向控制偏振器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料放置在所述偏振器的第一側(cè)面上，使其光滑側(cè)面朝偏振器，并且所述第二光引導(dǎo)材料放置在所述偏振器的第二側(cè)面上，使其結(jié)構(gòu)側(cè)面朝偏振器。
41．如權(quán)利要求40所述的方向控制偏振器，其特征在于光線入射在第二表面材料的光滑側(cè)面上。
42．一種方向控制偏振器，它包括偏振器，該偏振器用于鏡面透射具有第一偏振取向的光線并漫反射具有不同偏振取向的光線；其中所述偏振器包括光學(xué)器件，它包括聚合物第一相和置于所述第一相中的第二相，沿任何三根相互正交的軸中的至少兩根軸所述第二相是不連續(xù)的；其中所述第一相和第二相沿第一軸的折射率差大于約0.05，沿與所述第一軸正交的第二軸的折射率差小于約0.05；和光引導(dǎo)材料，其放置使得透過所述偏振器的第一偏振態(tài)的光線入射在其光滑側(cè)面上，所述光引導(dǎo)材料用于反射以第一輸入楔形入射的光線，并將以第二輸入楔形入射的光線變向成比第二輸入楔形窄的輸出楔形，其中第一輸入楔形窄于第二輸入楔形，并且其中第一輸入楔形、第二輸入楔形和輸出楔形都相對(duì)于與第一光引導(dǎo)材料垂直的軸限定；其中光引導(dǎo)材料包括光滑側(cè)面和由一排三棱柱組成的結(jié)構(gòu)側(cè)面，該排三棱柱限定光引導(dǎo)材料的取向軸，結(jié)構(gòu)表面材料的取向軸與偏振器的取向方向一致，并且所述偏振器和所述光引導(dǎo)材料一起運(yùn)作以控制所述方向控制偏振器透射的光線的方向和偏振態(tài)。
43．對(duì)光線提供偏振態(tài)和兩維方向控制的光線控制膜，它包括第一光引導(dǎo)材料，該材料用于反射以第一輸入楔形入射的光線，并將在第二輸入楔形中入射的光線改向成比第二輸入楔形窄的第一輸出楔形，其中第一輸入楔形窄于第二輸入楔形，并且其中第一輸入楔形、第二輸入楔形和輸出楔形都相對(duì)于與第一光引導(dǎo)材料垂直的軸限定，所述第一光引導(dǎo)材料包括光滑側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面，所述結(jié)構(gòu)側(cè)面包括一排限定取向軸的三棱柱；第二光引導(dǎo)材料，其位置適合于接受第一輸出楔形中的光線，并用于反射以第三輸入楔形入射的光線，以及用于將以第四輸入楔形入射的光線改向成比第四輸入楔形窄的第二輸出楔形，其中第三輸入楔形窄于第四輸入楔形，并且第三輸入楔形、第四輸入楔形和第二輸出楔形都相對(duì)于與第二光引導(dǎo)材料垂直的軸限定，所述第二光引導(dǎo)材料包括光滑側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面，所述結(jié)構(gòu)側(cè)面包括一排限定取向軸的三棱柱；其中第二光引導(dǎo)材料的取向軸相對(duì)于第一光引導(dǎo)材料的取向軸以大于0°的角度取向；和偏振器，它用于鏡面透射具有第一偏振取向的光線并漫反射具有不同偏振取向的光線，其中所述偏振器包括光學(xué)器件，它包括聚合物第一相和置于所述第一相中的第二相，沿任何三根相互正交的軸中的至少兩根軸所述第二相是不連續(xù)的；其中所述第一相和第二相沿第一軸的折射率差大于約0.05，沿與所述第一軸正交的第二軸的折射率差小于約0.05；其中，所述偏振器、第一光引導(dǎo)材料和第二光引導(dǎo)材料對(duì)透過方向控制偏振器的光線提供偏振態(tài)和兩維方向控制。
44．一種顯示器，它包括顯示模塊；照明裝置，它用于照明所述顯示模塊并用于改變?nèi)肷湓谠撜彰餮b置表面上的光線的偏振取向；以及置于所述顯示模塊和照明裝置之間的偏振器，該偏振器用于將來自所述照明裝置的具有第一偏振取向的光線傳輸至所述顯示模塊，并將具有不同偏振取向的光線反射至照明裝置；其中所述偏振器包括聚合物第一相和置于所述第一相中的第二相，沿任何三根相互正交的軸中的至少兩根軸所述第二相是不連續(xù)的；其中所述第一相和第二相沿第一軸的折射率差大于約0.05，沿與所述第一軸正交的第二軸的折射率差小于約0.05。
45．如權(quán)利要求44所述的顯示器，其特征在于朝所述照明裝置反射的所述不同偏振態(tài)的光線中至少一部分被照明裝置轉(zhuǎn)變成第一偏振取向。
46．如權(quán)利要求45所述的顯示器，其特征在于至少一部分被轉(zhuǎn)化的光線被偏振器輸送至顯示模塊。
47．如權(quán)利要求44所述的顯示器，其特征在于所述顯示器還包括第一光引導(dǎo)裝置，用于反射以第一輸入楔形入射的光線，并用于將以第二輸入楔形入射的光線改向成比第二輸入楔形窄的輸出楔形，其中第一輸入楔形窄于第二輸入楔形，并且所述第一輸入楔形、第二輸入楔形和輸出楔形都相對(duì)于垂直于光引導(dǎo)材料的軸限定。
48．如權(quán)利要求47所述的顯示器，其特征在于具有所述不同偏振取向的反射光線中至少有一部分被照明裝置轉(zhuǎn)化成第一偏振取向，并且至少部分被轉(zhuǎn)化成第一偏振取向的光線被偏振器傳輸至顯示模塊。
49．如權(quán)利要求48所述的顯示器，其特征在于所述照明裝置還用于轉(zhuǎn)變?nèi)肷湓谠撜彰餮b置表面上的光線的方向，此時(shí)至少部分在第一楔形中的反射光線被照明裝置轉(zhuǎn)變成第二入射楔形的光線，并且被轉(zhuǎn)變成第二輸入楔形的光線中的至少一部分被第一光引導(dǎo)材料引導(dǎo)至顯示模塊上。
50．如權(quán)利要求47所述的顯示器，其特征在于所述光引導(dǎo)裝置包括結(jié)構(gòu)表面的材料。
51．如權(quán)利要求50所述的顯示器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料具有光滑側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面。
52．如權(quán)利要求51所述的顯示器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)側(cè)面朝向液晶單元。
53．如權(quán)利要求51所述的顯示器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)側(cè)面包括許多三棱柱。
54．如權(quán)利要求53所述的顯示器，其特征在于所述許多三棱柱限定了取向軸。
55．如權(quán)利要求53所述的顯示器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的取向軸與偏振器的第一面內(nèi)方向一致。
56．如權(quán)利要求53所述的顯示器，其特征在于所述三棱柱是等邊三棱柱。
57．如權(quán)利要求53所述的顯示器，其特征在于所述三棱柱的夾角為70-110°。
58．如權(quán)利要求57所述的顯示器，其特征在于所述三棱柱的夾角為80-100°。
59．如權(quán)利要求58所述的顯示器，其特征在于所述三棱柱的夾角為85-95°。
60．如權(quán)利要求59所述的顯示器，其特征在于所述三棱柱的夾角為90°左右。
61．如權(quán)利要求47所述的顯示器，其特征在于光引導(dǎo)裝置置于偏振器和顯示模塊之間。
62．如權(quán)利要求47所述的顯示器，其特征在于第一光引導(dǎo)材料置于偏振器和照明裝置之間。
63．如權(quán)利要求62所述的顯示器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)側(cè)面朝向液晶單元。
64．如權(quán)利要求47所述的顯示器，它還包括第二光引導(dǎo)裝置，用于反射在第三輸入楔形內(nèi)入射的光線，以及用于將在第四入射楔形內(nèi)入射的光線改向成比第四輸入楔形窄的第二輸出楔形，其中第三輸入楔形窄于第四輸入楔形，并且第三輸入楔形、第四輸入楔形和第二輸出楔形都相對(duì)于垂直于第二光引導(dǎo)裝置的軸限定。
65．如權(quán)利要求64所述的顯示器，其特征在于第二光引導(dǎo)裝置還包括光滑側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面，其中第二光引導(dǎo)裝置的結(jié)構(gòu)側(cè)面限定相應(yīng)的取向軸。
66．如權(quán)利要求65所述的顯示器，其特征在于第一光引導(dǎo)裝置的取向軸相對(duì)于第二光引導(dǎo)裝置的取向軸放置，以便兩維地控制透過第一和第二光引導(dǎo)裝置的光線。
67．如權(quán)利要求66所述的顯示器，其特征在于第一光引導(dǎo)裝置的取向軸相對(duì)于第二光引導(dǎo)裝置的取向軸成大于0°的角度。
68．如權(quán)利要求67所述的顯示器，其特征在于所述角度為70-110°。
69．如權(quán)利要求68所述的顯示器，其特征在于所述角度為85-95°。
70．如權(quán)利要求67所述的顯示器，其特征在于所述角度為90°左右。
71．如權(quán)利要求66所述的顯示器，其特征在于放置第一光引導(dǎo)裝置的結(jié)構(gòu)表面，使之朝向第二光引導(dǎo)裝置的光滑側(cè)面。
72．如權(quán)利要求71所述的顯示器，其特征在于第一和第二光引導(dǎo)裝置的結(jié)構(gòu)側(cè)面均朝向液晶單元。
73．如權(quán)利要求66所述的顯示器，其特征在于第一和第二光引導(dǎo)裝置被置于偏振器和照明裝置之間。
74．如權(quán)利要求73所述的顯示器，其特征在于第一和第二光引導(dǎo)裝置被置于偏振器和顯示模塊之間。
75．如權(quán)利要求74所述的顯示器，其特征在于所述第一光引導(dǎo)裝置位于偏振器和照明裝置之間，所述第二光引導(dǎo)裝置位于偏振器和顯示模塊之間。
76．一種顯示器，它包括顯示模塊；照明裝置，它用于照明所述顯示模塊并用于改變?nèi)肷湓谠撜彰餮b置表面上的光線的方向和偏振取向；以及方向控制偏振器，該方向控制偏振器包括由光學(xué)器件組成的偏振器，該偏振器包括聚合物第一相和置于所述第一相中的第二相，沿任何三根相互正交的軸中的至少兩根軸所述第二相是不連續(xù)的，所述第一相和第二相沿第一軸的折射率差大于約0.05，沿與所述第一軸正交的第二軸的折射率差小于約0.05；和光引導(dǎo)材料，用于將在第一輸入楔形內(nèi)入射的光線反射至照明裝置，并用于將在第二輸入楔形內(nèi)入射的光線改向成比第二輸入楔形窄的向顯示模塊傳播的輸出楔形，其中第一輸入楔形窄于第二輸入楔形，并且所述第一輸入楔形、第二輸入楔形和輸出楔形都相對(duì)于垂直于第一光引導(dǎo)材料的軸限定；其中，被偏振器反射的光線中至少部分光線的偏振態(tài)被照明裝置轉(zhuǎn)變成能透過偏振器的偏振態(tài)，并且轉(zhuǎn)變成能透過偏振器的光線中的至少一部分透過偏振器向顯示模塊傳播；并且其中在第一輸入楔形中的反射光線中的至少一部分被照明裝置轉(zhuǎn)變成在第二輸入楔形內(nèi)，已轉(zhuǎn)變成第二輸入楔形內(nèi)的光線中的至少一部分被光引導(dǎo)材料引向顯示模塊。
77．一種顯示器，它包括顯示模塊；用于照明所述顯示模塊的照明裝置；用于轉(zhuǎn)變光線偏振態(tài)的轉(zhuǎn)變裝置；位于照明裝置和顯示模塊之間的偏振器，該偏振器由光學(xué)器件組成，它包括聚合物第一相和置于所述第一相中的第二相，沿任何三根相互正交的軸中的至少兩根軸所述第二相是不連續(xù)的，所述第一相和第二相沿第一軸的折射率差大于約0.05，沿與所述第一軸正交的第二軸的折射率差小于約0.05，從而使偏振器鏡面透射具有第一偏振態(tài)的光線并將具有不同偏振態(tài)的光線漫反射至轉(zhuǎn)變裝置；其中轉(zhuǎn)變裝置和偏振器一起運(yùn)作以循環(huán)所述不同偏振態(tài)的光線。
全文摘要
提供了一種包括位于雙折射性連續(xù)基質(zhì)中的聚合物顆粒分散相的光學(xué)膜。該膜與光引導(dǎo)材料組合在一起能控制射出燈具或顯示器的光線。該膜通常通過拉伸在一個(gè)或多個(gè)方向上取向。選擇分散相顆粒的大小和形狀、分散相的體積分?jǐn)?shù)、膜厚度和取向的量,以便使制得的膜具有所需的對(duì)所要求波長的電磁輻射的漫反射和全透射程度,選擇光引導(dǎo)材料以控制光學(xué)膜反射或透射的偏振光的方向。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK1216114SQ97193770
公開日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1997年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月29日
發(fā)明者R·C·艾倫, L·W·卡爾森, A·J·烏德克瑞克, M·F·韋伯, A·L·克茨, T·J·內(nèi)維特, C·A·斯托弗, B·馬宗達(dá) 申請(qǐng)人:美國3M公司