DE69636454T2 - Hocheffiziente optische geräte - Google Patents
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Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet optischer Geräte. Noch spezifischer betrifft die vorliegende Erfindung optische Geräte, bei denen optische Mehrschichtfilme als Reflektoren und/oder Polarisatoren verwendet werden.
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- Optische Geräte, bei denen Reflektoren verwendet werden, werden zum Beispiel für in Bildschirmen bzw. Anzeigeflächen, für Laptopcomputer, Handrechengeräte, Digitalarmbanduhren und ähnliche Geräte sowie für Leuchtschilder, Leuchtröhren, Hinterlichtbeleuchtungssysteme und viele andere Geräte verwendet.
- Herkömmliche Reflektoren, einschließlich pigmentierte Flächen, versilberte Spiegel, polierte Metall- oder metallisierte Flächen usw. leiden bei vielen Anwendungen an einer Reihe von Nachteilen. Die herkömmlichen Reflektoren leiden an einer relativ hohen Absorption von auf ihre Oberflächen einfallendem Licht, wobei sie typischerweise etwa 4–10 % des darauf einfallenden Lichts absorbieren. Dadurch ist die Menge an Licht, die nach jeder Reflektion verbleibt, geringer als die ursprünglich gelieferte. Bei Geräten, bei denen man mehrfache Reflektionen antrifft, kann die Leistung des optischen Geräts insgesamt wesentlich eingeschränkt werden. Außerdem sind viele der herkömmlichen Reflektoren für viele Anwendungen, insbesondere bei Bildschirmen für Laptopcomputer und andere tragbare Geräte, zu groß und/oder schwer.
- Bei vielen optischen Geräten werden Polarisatoren entweder als solche oder in Kombination mit Reflektoren zum Bereitstellen von Licht verwendet, das im Wesentlichen eine Polarisationsebene aufweist. Polarisiertes Licht ist in Verbindung mit Flüssigkristall- (FK-) Bildschirmen bzw. Anzeigeflächen, die in vielen tragbaren Geräten wie Laptopcomputern und Armbanduhren verwendet werden, besonders nützlich, weil man sich bei FK-Anzeigen darauf verlassen, dass polarisiertes Licht durch das FK für die Anzeige von Information für einen Betrachter hindurchgeht.
- Im Allgemeinen können Polarisatoren als entweder absorptionsfähig oder reflektiv eingestuft werden. Typische absorptionsfähige Polarisatoren sind orientierte gefärbte Polymerfilme, während typische reflektive Polarisatoren geneigte Dünnfilmpolarisatoren sind, die auch als MacNeille-Polarisatoren bekannt sind. Absorptionsfähige Polarisatoren tragen natürlich zu den Absorptionsverlusten optischer Geräte, in denen sie verwendet werden, bei, wodurch sie die Leistung dieser Geräte einschränken.
- Die Absorptionsverluste bekannter Reflektoren und Polarisatoren werden viel stärker, wenn die optischen Geräte mit einem Helligkeitsverbesserungsfilm wie beispielsweise einem Mikroreplikations-Helligkeitsverbesserungsfilm oder irgendeinem Typ von reflektivem Polarisator verwendet werden, der verursacht, dass Licht typischerweise durch mehrere Reflektionen hindurchgeht, wodurch die Absorptionsverluste bei jeder Reflektion verstärkt werden. Bei den Konfigurationen zur höchsten Verstärkung, beispielsweise bei einer einzigen Bahn von Helligkeitsverbesserungsfilm in Kombination mit einem reflektiven Polarisator und Gegenreflektor oder zwei Bahnen orthogonal gekreuzter Bahnen von Helligkeitsverbesserungsfilm können die effektiven Absorptionsverluste den potentiellen Gesamtlichtausstoß einer optischen Anzeige um 10–30 % reduzieren.
- Dieses Prinzip der Absorptionsverluste wird auch auf optische Geräte angewendet, bei denen interne nicht total intern reflektierende Flächen verwendet werden. Ein Beispiel ist ein optischer Keil, bei dem Licht in eine Konstruktion mit konvergierenden reflektierenden Oberflächen hineingeleitet wird. Optische Keile reflektieren Licht typischerweise viele Male, bevor es aus dem Gerät austritt. Bei jeder Reflektion wird jedoch etwas Licht, das in den Keil hineingeht, durch herkömmliche Reflektoren absorbiert. Dadurch beträgt die Menge an Licht, die das Gerät verlässt, wesentlich weniger als das Licht, das in das Gerät hineingeht.
- Ein anderes optisches Gerät, bei dem typischerweise reflektive Flächen verwendet werden, ist ein Leuchtschild, bei dem man sich auf eine endliche Anzahl von Lichtquellen und mehrere Reflektoren innerhalb einer optischen Kavität zum Dispergieren des Lichts verlässt, um die Oberfläche eines Schilds auf allgemein gleichförmige Weise zu beleuchten. Um das Problem zu bewältigen, das mit Absorptionsverlusten verbunden ist, werden bei vielen Schildern typischerweise zahlreiche Lichtquellen verwendet, wodurch die Kosten des Herstellens und Bedienens des Schilds erhöht werden.
- Noch ein anderes optisches Gerät, das durch Absorptionsverluste beschränkt ist, ist ein Lichtleiter, bei dem Licht in den Leiter eintritt und zahlreiche Male seiner Länge entlang reflektiert wird, bevor es an einer erwünschten Stelle austritt. Jede Reflektion führt zu einiger Absorption, wenn herkömmliche Reflektoren verwendet werden, wodurch der Durchsatz des Lichtleiters reduziert wird.
- Um einige der Probleme bezüglich des Gewichts, der Größe und Absorption herkömmlicher Reflektoren zu bewältigen, sind mehrschichtige Polymerfilme zum Reflektieren und/oder Polarisieren von Licht verwendet worden. Derartige polymere Filme unterliegen jedoch einer Reihe anderer Nachteile, einschließlich des Irisierens sowie eines schlechten Reflektionsvermögens, wenn außerhalb der Achse liegendes Licht sich der Oberfläche des Films nähert. Typischerweise wird das außerhalb der Achse liegende Licht durch die Filme hindurchgeschickt, anstatt reflektiert zu werden, was zu Transmissionsverlusten anstatt Absorptionsverlusten führt. Gleichgültig, ob das Licht durch Absorption oder Transmission verloren geht, ist die Leistung des optischen Geräts jedoch beschränkt. Beispiele von mehrschichtigen Polymerfilmen sind in US-A-3,610,729 zu finden.
- WO 94/11776 offenbart ein Hinterlichtanzeigesystem, das eine LCD-Tafel und einen reflektiven Drahtgitterpolarisator umfasst, der zumindest einen Teil des Lichts eines Polarisationszustands reflektiert, bevor es die LCD-Tafel aus der Hinterlichtquelle erreicht.
- Andere Probleme bei bekannten mehrschichtigen Polymer folien, die zur Bereitstellung von Reflektoren und/oder Polarisatoren verwendet werden, bestehen darin, dass die Materialien und Verfahren, die zum Herstellen der Folien verwendet werden, aufgrund ihrer schlechten optischen Transmission, Extrudierbarkeit und hohen Kosten schwerwiegende Probleme verursachen.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung wird durch die charakteristischen Merkmale der Ansprüche definiert.
- Der vorliegenden Erfindung entsprechende optische Geräte weisen einen optischen Mehrschichtfilm auf. Optische Geräte, die einen optischen Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung entsprechend enthalten, besitzen aufgrund des geringen Absorptionsvermögens des Films und seiner Fähigkeit, Licht zu reflektieren, das sich in flachen Winkeln sowie normal zum Film annähert, viele Vorteile auf.
- In denjenigen Situationen, in denen ein vollständiges Reflektionsvermögen erwünscht ist, können optische Geräte, bei denen ein optischer Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung entsprechend verwendet wird, über 99 % des auf die Oberfläche des Films einfallenden Lichts reflektieren.
- Wenn ein reflektiver Polarisator erwünscht ist, so können die optischen Geräte mit einem optischen Mehrschichtfilm konstruiert werden, der eine signifikante Menge Licht mit einer Einebenenpolarisation hindurchlässt, während er eine signifikante Menge Licht mit einer orthogonal orientierten Polarisation reflektiert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die relativen Prozentsätze an hindurchgelassenem/reflektiertem Licht weitgehend durch den bei der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Mehrschichtfilm gesteuert werden können.
- Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften des optischen Mehrschichtfilms sind der vorliegenden Erfindung entsprechende optische Geräte zum Reflektieren und Transportieren von Licht und/oder Hindurchlassen von Licht einer Polarisation, gleichgültig, ob das Licht normal zu der Filmoberfläche oder von der Achse abweichend einfällt, äußerst effizient.
- Ein anderer Vorteil optischer Geräte, bei denen optische Mehrschichtfilme der vorliegenden Erfindung gemäß verwendet werden, bei denen man sich auf die Reflektion zum Transportieren von Licht verlässt, besteht darin, dass die Geräte keine Symmetrie zum Reduzieren der Anzahl von Reflektionen aufzuweisen brauchen, die aufgrund der geringen Absorptionsfähigkeit des optischen Mehrschichtfilms zum Durchlassen von Licht erforderlich sind.
- Noch ein anderer Vorteil optischer Geräte, bei denen optische Mehrschichtfilme der vorliegenden Erfindung gemäß verwendet werden, besteht aus ihrem relativ geringen Gewicht im Vergleich mit vielen herkömmlichen Reflektoren und/oder Polarisatoren.
- Noch ein anderer Vorteil optischer Geräte, bei denen optische Mehrschichtfilme der vorliegenden Erfindung gemäß verwendet werden, besteht darin, dass die optischen Geräte, weil der Film im Vergleich mit vielen herkömmlichen Reflektoren und/oder Polarisatoren rela tiv dünn ist, so hergestellt werden können, dass sie einen beschränkten Raum in einem System, in dem das Gerät verwendet wird, einnehmen.
- Zusätzliche Merkmale und Vorteile optischer Geräte der vorliegenden Erfindung gemäß werden beim Lesen der genauen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen unten offensichtlich.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die
1a und1b sind grafische Ansichten des optischen Mehrschichtfilms der vorliegenden Erfindung. -
2 zeigt einen zweischichtigen Stapel von Filmen, die eine einzige Grenzfläche bilden. - Die
3 –6 ,7A und7B zeigen die optische Leistung von in den Beispielen 1–5 beschriebenen optischen Mehrschichtfilmen. -
8 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Reflektionen, die ein Lichtstrahl erfährt (x-Achse) im Vergleich mit der relativen Intensität des Lichtstrahls (y-Achse) bei reflektiven Flächen, die aus optischem Mehrschichtfilm und einem Standardreflektor hergestellt sind, veranschaulicht. -
9 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden alternativen optischen Geräts. -
10 ist eine perspektivische Ansicht des optischen Geräts aus9 , bei dem mindestens eine Fläche des Geräts eine Nachricht anzeigen soll. -
11 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden optischen konvergierenden Keilgeräts. -
12 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden optischen divergierenden Keilgeräts. -
13 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Lichtleiters, bei dem der vorliegenden Erfindung entsprechende optische Mehrschichtfilme verwendet werden. -
14 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm des Geräts aus13 , das einer in Querrichtung zur Längsachse des Lichtleiters gelegenen. Ebene entlang genommen ist. -
15 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden optischen Geräts, das unter Anwendung optischer Mehrschichtfilme der vorliegenden Erfindung entsprechend konstruiert ist. - GENAUE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
- I. Optischer Mehrschichtfilm
- Bei den hier beschriebenen optischen Geräten verlässt man sich auf die einzigartigen und vorteilhaften Eigenschaften optischer Mehrschichtfilme. Die Vorteile, charakteristischen Eigenschaften und die Herstellung derartiger Filme sind in WO 96/19347 am vollständigsten beschrieben. Der optische Mehrschichtfilm ist beispielsweise als hocheffizienter Spiegel und/oder Polarisator nützlich. Eine relativ kurze Beschreibung der Eigenschaften und Charakteristiken des optischen Mehrschichtfilms ist unten aufgeführt, gefolgt von einer Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen von Hinterlichtsystemen unter Anwendung des optischen Mehrschichtfilms der vorliegenden Erfindung gemäß.
- Optische Mehrschichtfilme, wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, weisen eine relativ geringe Absorption von einfallendem Licht sowie ein hohes Reflektionsvermögen für von der Achse abweichende sowie normale Lichtstrahlen auf. Im Allgemeinen treffen diese Eigenschaften zu, gleichgültig, ob die Filme zur reinen Reflektion oder reflektiven Polarisation von Licht verwendet werden. Die einzigartigen Eigenschaften und Vorteile des optischen Mehrschichtfilms bieten Gelegenheit, hocheffiziente Hinterlichtsysteme zu konstruieren, die im Vergleich mit bekannten Hinterlichtsystemen geringe Absorptionsverluste aufweisen.
- Ein beispielhafter optischer Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung, wie er in den
1A und1B veranschaulicht ist, umfasst einen Mehrschichtstapel10 mit sich abwechselnden Schichten von mindestens zwei Materialien12 und14 . Mindestens eines der Materialien besitzt die Eigenschaft der spannungsinduzierten Doppelbrechung, derart, dass der Brechungsindex (n) des Materials durch den Streckvorgang beeinflusst wird.1A zeigt einen beispielhaften Mehrschichtstapel vor dem Streckvorgang, bei dem beide Materialien den gleichen Brechungsindex aufweisen. Der Lichtstrahl13 macht keine Brechungsindexänderung durch und geht durch den Stapel hindurch. In1B ist der gleiche Stapel gestreckt worden, wodurch der Brechungsindex des Materials12 erhöht worden ist. Der Unterschied zwischen dem Brechungsindex an jeder Grenzfläche zwischen den Schichten führt dazu, dass ein Teil des Strahls15 reflektiert wird. Durch Strecken des Mehrschichtstapels über einen Bereich monoaxialer bis biaxialer Orientierung wird ein Film mit einem Reflektionsvermögensbereich für verschieden orientiertes planpolarisiertes einfallendes Licht gebildet. Der Mehrschichtstapel kann so als reflektive Polarisatoren oder Spiegel nützlich gemacht werden. - Optische Mehrschichtfilme, die der vorliegenden Erfindung gemäß konstruiert sind, weisen einen Brewster-Winkel (der Winkel, in dem der Reflektionsgrad für Licht, das an irgendeiner der Schichtgrenzflächen einfällt, auf Null abfällt) auf, der sehr groß ist oder überhaupt nicht vorliegt. Im Gegensatz dazu weisen bekannte Mehrschichtpolymerfilme relativ kleine Brewster-Winkel an Schichtgrenzflächen auf, was zum Hindurchlassen von Licht und/oder unerwünschter Irisierung führt. Die optischen Mehrschichtfilme der vorliegenden Erfindung gemäß erlauben jedoch die Konstruktion von Spiegeln und Polarisatoren, deren Reflektionsvermögen für p-polarisiertes Licht mit dem Einfallwinkel langsam abnimmt, die unabhängig vom Einfallswinkel sind, oder mit dem Einfallswinkel von der Normalen hinweg zunimmt. Dadurch können Mehrschichtstapel mit einem hohen Reflektionsvermögen sowohl für s- als auch p-polarisiertes Licht über eine breite Bandbreite und über einen breiten Winkelbereich erzielt werden.
-
2 zeigt zwei Schichten eines Mehrschichtstapels und zeigt die dreidimensionalen Brechungsindizes für jede Schicht an. Die Brechungsindizes für jede Schicht sind n1x, n1y und n1z für die Schicht102 und n2x, n2y und n2z für die Schicht104 . Die Beziehungen zwischen den Brechungsindizes jeder Filmschicht zu jeder anderen und zu denjenigen der anderen Schichten in dem Filmstapel bestimmt das Reflektionsverhalten des Mehrschichtstapels an irgendeinem Einfallswinkel aus irgendeiner Azimutalrichtung. Die in WO 96/19347 beschriebenen Grundsätze und Konstruktionsgesichtspunkte können zum Bilden von Mehrschichtstapeln angewendet werden, die die erwünschten optischen Wirkungen bei einer umfangreichen Reihe verschiedener Umstände und Anwendungen aufweisen. Die Brechungsindizes der Schichten im Mehrschichtstapel können zur Erzielung der erwünschten optischen Eigenschaften manipuliert und zugeschnitten werden. - Mit Bezug wiederum auf
1B kann der Mehrschichtstapel10 mehrere zehn, hundert oder tausend Schichten umfassen und jede Schicht kann aus irgendeiner Anzahl verschiedener Materialien hergestellt sein. Die charakteristischen Eigenschaften, die die Auswahl von Materialien für einen bestimmten Stapel bestimmen, hängen von der erwünschten optischen Leistung des Stapels ab. Jeder Stapel kann so viele Materialien enthalten, wie Schichten in dem Stapel vorhanden sind. Zur leichten Herstellung enthalten bevorzugte optische Dünnschichtstapel nur einige wenige verschiedene Materialien. - Die Grenzen zwischen den Materialien oder chemisch identischen Materialien mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften können schroff oder allmählich sein. Mit Ausnahme einiger einfacher Fälle mit analytischen Lösungen wird die Analyse des letzteren Typs in Schichten gebildeter Medien mit kontinuierlich variierendem Index gewöhnlich als viel größere Anzahl dünnerer, gleichförmiger Schichten mit plötzlichen Grenzen, aber nur einer geringen Änderung der Eigenschaften zwischen nebeneinander liegenden Grenzen behandelt.
- Der bevorzugte Mehrschichtstapel besteht aus Paaren von Filmschichten von niedrigem/hohem Index, wobei jedes niedrige/hohe Indexpaar von Schichten eine kombinierte optische Dicke von 1/2 der Mittelwelle der Bande aufweist, die sie reflektieren soll. Stapel derartiger Filme werden im Allgemeinen als Viertelwellenstapel bezeichnet. Bei optischen Mehrschichtfilmen, die für sichtbare Wellenlängen und solche im nahen Infrarotbereich bestimmt sind, führt eine Viertelwellenstapelkonstruktion in jeder der Schichten dazu, dass der Mehrschichtstapel eine durchschnittliche Dicke von nicht mehr als 0,5 Mikron aufweist.
- Bei denjenigen Anwendungen, wo reflektive Filme (z.B. Spiegel) erwünscht sind, hängt die erwünschte durchschnittliche Transmission von Licht für jede Polarisation und jede Einfallsebene im Allgemeinen von der beabsichtigten Verwendung des reflektiven Films ab. Eine Art und Weise, einen Mehrschichtspiegelfilm herzustellen, besteht darin, einen Mehrschichtstapel, der ein doppelt brechendes Material als Hochindexschicht des niedrig/hoch Indexpaars enthält, biaxial zu strecken. Bei einem hocheffizienten reflektiven Film beträgt eine durchschnittliche Transmission jeder Streck richtung bei normalem Einfall über das sichtbare Spektrum (400–700 nm) entlang wünschenswerterweise weniger als 10 % (Reflektionsvermögen größer als 90 %), bevorzugt weniger als 5 % (Reflektionsvermögen größer als 95 %), noch bevorzugter weniger als 2 % (Reflektionsvermögen größer als 98 %) und selbst noch bevorzugter weniger als 1 % (Reflektionsvermögen größer als 99 %). Die durchschnittliche Transmission bei 60 Grad von der Normalen von 400–700 nm beträgt wünschenswerterweise weniger als 20 % (Reflektionsvermögen größer als 80 %), bevorzugt weniger als 10 % (Reflektionsvermögen größer als 90 %), noch bevorzugter weniger als 5 % (Reflektionsvermögen größer als 95 %) und selbst noch bevorzugter weniger als 2 % (Reflektionsvermögen größer als 98 %) und selbst noch bevorzugter weniger als 1 % (Reflektionsvermögen größer als 99 %).
- Außerdem können asymmetrische reflektive Filme für gewisse Anwendungen wünschenswert sein. In diesem Fall kann die durchschnittliche Transmission einer Streckrichtung entlang wünschenswerterweise weniger als beispielsweise 50 % betragen, während die durchschnittliche Transmission der anderen Streckrichtung entlang wünschenswerterweise weniger als beispielsweise 20 % über eine Bandbreite von beispielsweise dem sichtbaren Spektrum (400–700 nm) oder über das sichtbare Spektrum und in den nahe infraroten Bereich hinein (z.B. 400– 850 nm) betragen kann.
- Optische Mehrschichtfilme können auch so konstruiert sein, dass sie als reflektive Polarisatoren arbeiten. Eine Art der Herstellung eines reflektiven Mehrschichtpolarisators besteht darin, einen Mehrschichtstapel, der ein doppelt brechendes Material als Hochindex schicht des hohen/niedrigen Indexpaars enthält, monoaxial zu strecken. Die dabei gebildeten reflektiven Polarisatoren weisen ein hohes Reflektionsvermögen für Licht, bei dem die Polarisationsebene parallel zu einer Achse (in Streckrichtung) liegt bei einer umfangreichen Reihe von Einfallswinkeln und gleichzeitig ein geringes Reflektionsvermögen und ein hohes Transmissionsvermögen für Licht, bei dem die Polarisationsebene parallel zur anderen Achse (in Nichtstreckrichtung) liegt, bei einem umfangreichen Bereich von Einfallswinkeln auf. Durch Steuern der drei Brechungsindizes bei jedem Film, nx, ny und nz, kann das erwünschte Polarisatorverhalten erreicht werden.
- Bei vielen Anwendungen weist der ideale reflektierende Polarisator einen hohen Reflektionsgrad einer Achse (der sogenannten Extinktionsachse) entlang und ein Reflektionsgrad von Null der anderen (der sogenannten Transmissionsachse) entlang bei allen Einfallswinkeln auf. Für die Transmissionsachse eines Polarisators ist es im Allgemeinen wünschenswert, die Transmission von Licht, das in der Richtung der Transmissionsachse polarisiert ist, über die Bandbreite, die von Interesse ist, und auch über den Bereich von Winkeln, der von Interesse ist, zu maximieren.
- Die durchschnittliche Transmission bei normalem Einfall bei einem Polarisator in der Transmissionsachse über das sichtbare Spektrum (400–700 nm bei einer Bandbreite von 300 nm) hinweg beträgt wünschenswerterweise mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 70 %, noch bevorzugter mindestens 85 % und selbst noch bevorzugter mindestens 90 %. Die durchschnittliche Transmission bei 60 Grad von der Normalen (der Transmissionsachse für p- polarisiertes Licht entlang gemessen) bei einer Polarisation von 400–700 nm beträgt wünschenswerterweise mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 70 %, noch bevorzugter mindestens 80 % und selbst noch bevorzugter mindestens 90 %.
- Die durchschnittliche Transmission bei einem reflektiven Mehrschichtpolarisator bei normalem Einfall von Licht, das in der Richtung der Extinktionsachse über das sichtbare Spektrum (400–700 nm bei einer Bandbreite von 300 nm) polarisiert ist, beträgt wünschenswerterweise weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 30 %, noch bevorzugter weniger als 15 % und selbst noch bevorzugter weniger als 5 %. Die durchschnittliche Transmission bei 60° von der Normalen (der Transmissionsachse für p-polarisiertes Licht entlang gemessen) bei einem Polarisator für Licht, das in der Richtung der Extinktionsachse von 400–700 nm polarisiert wird, beträgt wünschenswerterweise weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 30 %, noch bevorzugter weniger als 15 % und selbst noch bevorzugter weniger als 5 %.
- Bei gewissen Anwendungen wird ein hohes Reflektionsvermögen für p-polarisiertes Licht, wobei die Polarisationsebene parallel zur Transmissionsachse bei von der Normalen abweichenden Winkeln vorgezogen. Das durchschnittliche Reflektionsvermögen für Licht, das der Transmissionsachse entlang polarisiert wird, sollte mehr als 20 % bei einem Winkel von mindestens 30 Grad von der Normalen betragen.
- Außerdem sollte man sich im Klaren darüber sein, dass reflektive polarisierende Filme und asymmetrische reflektive Filme hier zwar getrennt besprochen werden, dass jedoch zwei oder mehr derartiger Filme bereitgestellt werden könnten, um im Wesentlichen alles Licht, das darauf einfällt, zu reflektieren (vorausgesetzt, sie sind mit Bezug aufeinander richtig orientiert, um das zu tun). Diese Konstruktion ist typischerweise dann erwünscht, wenn der optische Mehrschichtfilm als Reflektor in einem Hinterlichtsystem der vorliegenden Erfindung gemäß verwendet wird.
- Falls ein gewisses Reflektionsvermögen der Transmissionsachse entlang erfolgt, so kann die Effizienz des Polarisators bei von der Normalen abweichenden Winkeln reduziert sein. Falls das Reflektionsvermögen der Transmissionsachse entlang bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich ist, kann Farbe in das hindurchgelassene Licht eingeführt werden. Eine Art und Weise zum Messen der Farbe besteht darin, den quadratischen Mittelwert (QMW) des Transmissionsvermögens in einem ausgewählten Winkel oder in ausgewählten Winkeln über den Wellenlängenbereich, der von Interesse ist, zu bestimmen. Die % QMW-Farbe, CQMW, kann folgender Gleichung entsprechend bestimmt werden: wobei der Bereich λ1 bis λ2 der Wellenlängenbereich oder die Bandbreite, der bzw. die von Interesse sind, T das Transmissionsvermögen der Transmissionsachse entlang und
T das durchschnittliche Transmissionsvermögen der Transmissionsachse entlang im Wellenbereich, der von Interesse ist, bedeutet. Für Anwendungen, bei denen ein Polarisator geringer Farbe wünschenswert ist, sollte die % QMW-Farbe weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 8 %, noch bevorzugter weniger als 3,5 % und selbst noch bevorzugter weniger als 2 % in einem Winkel von mindestens 30 Grad von der Normalen, bevorzugt mindestens 45 Grad von der Normalen, und selbst noch bevorzugter mindestens 60 Grad von der Normalen betragen. - Bevorzugt kombiniert ein reflektiver Polarisator die erwünschte % QMW-Farbe der Transmissionsachse entlang für die spezifische Anwendung mit der erwünschten Menge an Reflektionsvermögen der Extinktionsachse über die Bandbreite, die von Interesse ist, entlang. Für Polarisatoren mit einer Bandbreite im sichtbaren Bereich (400– 700 nm, oder einer Bandbreite von 300 nm) beträgt die durchschnittliche Transmission der Extinktionsachse bei normalem Einfall entlang wünschenswerterweise weniger als 40 %, noch wünschenswerterweise weniger als 25 %, bevorzugt weniger als 15 %, noch bevorzugter weniger als 5 % und selbst noch bevorzugter weniger als 3 %.
- Materialauswahl und Verarbeitung
- Unter Anwendung der Konstruktionsgesichtspunkte, die in der oben erwähnten US-Patentanmeldung der Seriennummer 08/402,041 beschrieben sind, wird ein mit dem Stand der Technik vertrauter Fachmann sich ohne Weiteres im Klaren darüber sein, dass eine umfangreiche Anzahl verschiedener Materialien zum Bilden reflektiver Mehrschichtfilme oder Polarisatoren der Erfindung gemäß verwendet werden können, wenn sie unter Bedingungen verarbeitet werden, die zu erwünschten Brechungsindexverhältnissen führen. Die erwünschten Brechungsindexverhältnisse können auf eine Reihe verschiedener Arten und Weisen, einschließlich Strecken während oder nach der Filmbildung (z.B. im Falle organischer Polymere), Extrudieren (z.B. im Falle von flüssigkristallinischen Materialien) oder Beschichten erreicht werden. Außerdem wird vorgezogen, dass die beiden Materialien ähnliche rheologische Eigenschaften (z.B. Schmelzviskositäten) aufweisen, derart, dass sie koextrudiert werden können.
- Im Allgemeinen können geeignete Kombinationen durch Auswählen eines kristallinischen oder halbkristallinischen Materials, bevorzugt eines Polymers als erstem Material, erreicht werden. Das zweite Material kann wiederum kristallinisch, halbkristallinisch oder amorph sein. Das zweite Material kann eine Doppelbrechung aufweisen, die dem ersten Material entgegengesetzt ist. Oder das zweite Material kann keine Doppelbrechung oder weniger Doppelbrechung als das erste Material aufweisen.
- Spezifische Beispiele geeigneter Materialien umfassen Polyethylennaphthalat (PEN) und Isomere desselben (z.B. 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und 2,3-PEN), Polyalkylenterephthalate (z.B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und Poly-1,4-cyclohexandimethylenterephthalat), Polyimide (z.B. Polyacrylimide), Polyetherimide, ataktisches Polystyrol, Polycarbonate, Polymethacrylate (z.B. Polyisobutylmethacrylat, Polypropylmethacrylat, Polyethylmethacrylat und Polymethylmethacrylat), Polyacrylate (z.B. Polybutylacrylat und Polymethylacrylat), syndiotaktisches Polystyrol (sPS), syndiotaktisches Poly-alpha-methylstyrol, syndiotaktisches Polydichlorstyrol, Copolymere und Mischungen irgendwelcher dieser Polystyrole, Cellulosederivate (z.B. Ethylcellulose, Celluloseacetat, Cellulosepropio nat, Celluloseacetatbutyrat und Cellulosenitrat), Polyalkylenpolymere (z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polyisobutylen und Poly(4-methyl)penten), fluorierte Polymere (z.B. Perfluoralkoxyharze, Polytetrafluorethylen, fluorierte Ethylen-Propylencopolymere, Polyvinylidenfluorid und Polychlortrifluorethylen), chlorierte Polymere (z.B. Polyvinylidenchlorid und Polyvinylchlorid), Polysulfone, Polyethersulfone, Polyacrylnitril, Polyamide, Siliconharze, Epoxidharze, Polyvinylacetat, Polyether-Amide, ionomere Harze, Elastomere (z.B. Polybutadien, Polyisopren und Neopren) und Polyurethane. Ebenfalls geeignet sind Copolymere, z.B. Copolymere von PEN (z.B. Copolymere von 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und/oder 2,3-Naphthalindicarbonsäure oder Ester derselben mit (a) Terephthalsäure oder Estern derselben, (b) Isophthalsäure oder Ester derselben; (c) Phthalsäure oder Ester derselben; (d) Alkanglykole; (e) Cycloalkanglykole (z.B. Cyclohexandimethandiol); (f) Alkandicarbonsäuren; und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren (z.B. Cyclohexandicarbonsäure), Copolymere von Polyalkylenterephthalaten (z.B. Copolymere von Terephthalsäure oder Estern derselben mit (a) Naphthalindicarbonsäure oder Ester derselben; (b) Isophthalsäure oder Ester derselben; (c) Phthalsäure oder Ester derselben; (d) Alkanglykole; (e) Cycloalkanglykole (z.B. Cyclohexandimethandiol); (f) Alkandicarbonsäuren; und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren (z.B. Cyclohexandicarbonsäure) und Styrolcopolymere (z.B. Styrol-Butadien-Copolymere und Styrol-Acrylnitril-Copolymere), 4,4'-Bibenzoesäure und Ethylenglykol. Außerdem kann jede einzelne Schicht Mischungen von zwei oder mehr der oben beschriebenen Polymere oder Copolymere (z.B. Mischungen von sPS und ataktischem Polystyrol) umfassen. Das beschriebene coPEN kann auch eine Mischung von Granulat sein, wobei mindestens eine Komponente ein Polymer auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure ist und andere Komponenten andere Polyester oder Polycarbonate wie beispielsweise ein PET, ein PEN oder ein coPEN sind.
- Besonders bevorzugte Kombinationen von Schichten im Falle von Polarisatoren umfassen PEN/co-PEN, Polyethylenterephthalat (PET)/co-PEN, PEN/sPS, PET/sPS, PEN/Eastar und PET/EASTAR, wobei „co-PEN" sich auf ein Copolymer oder eine Mischung auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure bezieht (wie oben beschrieben) und Eastar Polycyclohexandimethylenterephthalat ist, das im Handel von Eastman Chemical Co. erhältlich ist.
- Besonders bevorzugte Kombinationen von Schichten umfassen im Falle reflektiver Filme PET/Ecdel, PEN/EcDEL, PEN/sPS, PEN/THV, PEN/co-PET und PET/sPS, wobei „co-PET" sich auf ein Copolymer oder eine Mischung auf der Basis von Terephthalsäure (wie oben beschrieben) bezieht, Ecdel ein thermoplastischer Polyester, der im Handel von Eastman Chemical Co. erhältlich ist, und THV ein Fluorpolymer ist, das im Handel von Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota, erhältlich ist.
- Die Anzahl von Schichten in dem Film wird so ausgewählt, um die erwünschten optischen Eigenschaften aus Gründen der Filmdicke, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit unter Anwendung der geringstmöglichen Anzahl von Schichten zu erreichen. Im Falle sowohl von Polarisatoren als auch reflektiven Filmen beträgt die Anzahl von Schichten bevorzugt weniger als 10.000, noch bevorzugter weniger als 5.000 und selbst noch bevorzugter weniger als 2.000.
- Wie oben besprochen, wird die Fähigkeit, das erwünschte Verhältnis unter den verschiedenen Brechungsindices (und so die optischen Eigenschaften des Mehrschichtfilms) zu erhalten, durch die Verarbeitungsbedingungen beeinflusst, die zum Herstellen des Mehrschichtfilms verwendet werden. Im Falle organischer Polymere, die durch Strecken orientiert werden können, werden die Filme im Allgemeinen durch Coextrudieren der einzelnen Polymere unter Bildung eines Mehrschichtfilms und darauffolgendes Orientieren des Films durch Strecken bei einer ausgewählten Temperatur, wahlweise gefolgt vom Thermofixieren bei einer ausgewählten Temperatur hergestellt. Als Alternative können die Extrusions- und Orientierungsschritte gleichzeitig ausgeführt werden. Im Falle von Polarisatoren wird der Film im Wesentlichen in einer Richtung (monoaxiale Orientierung) gestreckt, während im Falle reflektiver Filme der Film im Wesentlichen in zwei Richtungen (biaxiale Orientierung) gestreckt wird.
- Man kann den Film sich aus der natürlichen Reduktion der Kreuzstreckung (gleich der Quadratwurzel des Streckverhältnisses) in Kreuzstreckrichtung dimensional entspannen lassen; er kann einfach eingedämmt werden, um irgendwelche wesentliche Änderung der Kreuzstreckdimension zu begrenzen; oder er kann aktiv in Kreuzstreckrichtung gestreckt werden. Der Film kann in Maschinenrichtung, wie bei einem Längenorientierer, oder in der Breite unter Zuhilfenahme eines Spannrahmens gestreckt werden.
- Die Vorstrecktemperatur, die Strecktemperatur, die Streckrate, das Streckverhältnis, die Thermofixierungstemperatur, die Thermofixierungsentspannung und die Kreuzstreckentspannung werden so gewählt, dass sich ein Mehrschichtfilm ergibt, der das erwünschte Brechungsindexverhältnis aufweist. Diese Variablen sind voneinander abhängig; so könnte beispielsweise eine relativ niedrige Streckrate angewendet werden, wenn sie mit beispielsweise einer relativ niedrigen Strecktemperatur gekoppelt wird.
- Es wird einem mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann offensichtlich sein, wie die entsprechende Kombination dieser Variablen zur Erzielung des erwünschten Mehrschichtfilms ausgewählt werden soll. Im Allgemeinen wird jedoch ein Streckverhältnis im Bereich von 1:2 bis 1:10 (noch bevorzugter 1:3 bis 1:7) in Streckrichtung und von 1:0,2 bis 1:10 (noch bevorzugte von 1:0,3 bis 1:7) orthogonal zur Streckrichtung vorgezogen.
- Geeignete Mehrschichtfilme können auch unter Anwendung von Techniken wie Schleuderbeschichten (wie beispielsweise bei Boese et al., J. Polym. Sci.: Teil B, 30:1321 (1992) für doppeltbrechende Polyimide beschrieben und Vakuumaufdampfung (z.B. wie durch Zang et al., Appl. Phys. Letters, 59:823 (1991) beschrieben, für kristallinische organische Verbindungen hergestellt; die letztere Technik ist bei gewissen Kombinationen kristallinischer organischer Verbindungen und anorganischer Materialien besonders nützlich.
- Beispielhafte reflektive Mehrschichtspiegelfilme und reflektive Mehrschichtpolarisatoren werden nun in den folgenden Beispielen beschrieben.
- BEISPIEL 1 (PEN:THV 500, 449, Spiegel)
- Ein coextrudierter Film, der 449 Schichten enthält, wurde durch Extrudieren der Gießbahn in einem Arbeitsvorgang und späteres Orientieren des Films in einem Laborfilmstreckapparat hergestellt. Ein Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,53 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 56 Pfund pro Stunde ausgestoßen und THV 500 (ein Fluorpolymer, das von Minnesota Mining and Manufacturing Company erhältlich ist) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 11 Pfund pro Stunde ausgestoßen. Das PEN befand sich auf den Hautlagen und 50 % des PEN befand sich in den beiden Hautlagen. Die Speiseblockmethode wurde zum Bilden von 57 Schichten angewendet, die durch drei Multiplizierer hindurchgeführt wurden unter Bildung eines Extrudats von 449 Schichten. Die Gießbahn war 20 mil dick und 12 Zoll breit. Die Bahn wurde später mit Hilfe eines Laborstreckgeräts biaxial orientiert, bei dem ein Pantograph zum Ergreifen eines quadratischer Abschnitts des Films angewendet und dieser gleichzeitig mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit in beide Richtungen gestreckt wurde. Eine quadratische Bahn von 7,46 cm wurde bei etwa 100°C in die Streckmaschine eingeladen und im Laufe von 60 Sekunden auf 140°C erhitzt. Das Strecken begann dann mit 10 m/sec (auf die ursprünglichen Dimensionen bezogen), bis die Probe auf etwa 3,5 × 3,5 gestreckt war. Direkt auf das Strecken hin wurde die Probe durch Aufblasen von Luft bei Raumtemperatur gekühlt.
-
3 zeigt die Transmission dieses Mehrschichtfilms. Die Kurve (a) zeigt die Reaktion bei normalem Einfall, während die Kurve (b) die Reaktion bei 60 Grad bei p-polarisiertem Licht zeigt. - BEISPIEL 2 (PEN:PMMA 601, Spiegel)
- Ein coextrudierter Film, der 601 Schichten enthielt, wurde durch ein Coextrusionsverfahren in einer sequentiellen Flachfilmherstellungsstraße gebildet. Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,57 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder A mit einer Geschwindigkeit von 114 Pfund pro Stunde ausgestoßen, wobei 64 Pfund pro Stunden an den Speiseblock und der Rest zu den unten beschriebenen Hautlagen gingen. PMMA (CP-82 von ICI of Americas) wurde durch den Extruder B mit einer Geschwindigkeit von 61 Pfund pro Stunde ausgestoßen, wobei alles davon an den Speiseblock ging. PEN befand sich auf den Hautschichten des Speiseblocks. Die Speiseblockmethode wurde zum Bilden von 151 Schichten unter Anwendung des Speiseblocks, wie beispielsweise denjenigen, die in der US-Patentschrift 3,801,429 beschrieben sind, angewendet; auf den Speiseblock hin, wurden zwei symmetrische Hautschichten mit Hilfe des Extruders C coextrudiert, wobei etwa 30 Pfund pro Stunde des gleichen Typs von PEN durch den Extruder A ausgestoßen wurden. Dieses Extrudat ging durch zwei Multiplizierer hindurch, die ein Extrudat von etwa 601 Schichten bildeten. Die US-Patentschrift 3,565,985 beschreibt ähnliche Coextrusionsmultiplizierer. Das Extrudat ging durch ein anderes Gerät hindurch, das Hautschichten mit einer Gesamtgeschwindigkeit von 50 Pfund PEN pro Stunde aus Extruder A coextrudierte. Die Bahn wurde mit einem Streckverhältnis von etwa 3,2 bei einer Bahntemperatur von etwa 280°F längenorientiert. Der Film wurde daraufhin in etwa 38 Sekunden lang auf etwa 310°F vorerhitzt und in Querrichtung auf ein Streckverhältnis von etwa 4,5 mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 % pro Sekunde gestreckt. Der Film wurde dann bei 440°F thermofixiert, wobei keine Entspannung gestattet war. Die Dicke des Fertigfilms betrug etwa 3 mil.
- Wie in
4 , Kurve (a) zu sehen ist, beträgt die Bandbreite bei normalem Einfall etwa 350 nm bei einer durchschnittlichen Inbandenextinktion von mehr als 99 %. Die Menge an optischer Absorption ist schwierig zu messen wegen ihres niedrigen Werts, beträgt jedoch weniger als 1 %. Bei einem Einfallswinkel von 50° von der Normalen wies sowohl das s- (Kurve (b)) als auch das p-polarisierte (Kurve (c)) Licht ähnliche Extinktionen auf und die Banden wurden, wie erwartet, auf kürzere Wellenlängen verschoben. Die rote Bandkante für s-polarisiertes Licht ist nicht so stark nach blau hin verschoben, wie bei p-polarisiertem Licht, aufgrund der zu erwartenden größeren Bandbreiten für s-polarisiertes Licht und aufgrund des niedrigeren Index, der bei p-polarisiertem Licht in den PEN-Schichten zu sehen ist. - BEISPIEL 3 (PEN:PCTG, 449, Polarisator)
- Ein coextrudierter Film der 481 Schichten enthielt, wurde durch Extrudieren der Gießbahn in einem Arbeitsgang und späterem Orientieren des Films in einem Laborfilmstreckapparat hergestellt. Die Speiseblockmethode wurde mit einem Speiseblock von 61 Schichten und drei (2x) Multiplizierern angewendet. Dicke Hautlagen wurden zwischen dem endgültigen Multiplizierer und der Düse zugegeben. Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,47 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde mit einer Geschwindigkeit von 25,0 Pfund pro Stunde durch einen Extruder an den Speiseblock geliefert. Mit Glykol modifiziertes Polyethylendimethylcyclohexanterephthalat (PCTG 5445 von Eastman) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 25,0 Pfund pro Stunde ausgestoßen. Ein anderer Strom von PEN aus dem obigen Extruder wurde als Hautschichten nach den Multiplizierern mit einer Geschwindigkeit von 25,0 Pfund pro Stunde zugegeben. Die Gießbahn war 0,007 Zoll dick und 12 Zoll breit. Die Bahn wurde mit Hilfe eines Laborstreckgeräts monoaxial schichtorientiert, bei dem ein Pantograph zum Ergreifen eines Abschnitts des Films und Strecken in einer Richtung mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit angewendet wurde, während er in der anderen Richtung sich frei entspannen konnte. Die Probe der geladenen Bahn war etwa 5,40 cm breit (in unbeschränkter Richtung) und 7,45 cm lang zwischen den Greifvorrichtungen des Pantographen. Die Bahn wurde bei etwa 100°C in die Streckvorrichtung eingeladen und 45 Sekunden lang auf 135°C erhitzt. Das Strecken begann dann mit 20/Sekunde (auf die ursprünglichen Dimensionen bezogen), bis die Probe auf etwa 6:1 (auf die Maße von Greifvorrichtung zu Greifvorrichtung bezogen) gestreckt war. Sofort nach dem Strecken wurde die Probe durch Aufblasen von Luft bei Raumtemperatur gekühlt. Es wurde festgestellt, dass sich die Probe im Mittelpunkt um einen Faktor von 2,0 entspannte.
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5 zeigt die Transmission dieses Mehrschichtfilms dort, wo die Kurve a die Transmission von Licht an zeigt, das in der Nichtstreckrichtung bei normalem Einfall polarisiert wird, die Kurve b zeigt die Transmission von p-polarisiertem Licht, das bei einem Einfall von 60° in der Nichtstreckrichtung polarisiert wird und die Kurve c zeigt die Transmission von Licht, das in Streckrichtung bei normalem Einfall polarisiert wird. Die durchschnittliche Transmission bei Kurve a von 400–700 nm beträgt 89,7 %, die durchschnittliche Transmission bei Kurve b von 400–700 nm beträgt 96,9 % und die durchschnittliche Transmission bei der Kurve c von 400–700 nm beträgt 4,0 %. Die % QMW-Farbe bei Kurve a beträgt 1,05 % und die % QMW-Farbe bei Kurve b beträgt 1,44 %. - BEISPIEL 4 (PEN:coPEN 601, Polarisator)
- Ein coextrudierter Film, der 601 Schichten enthielt, wurde durch ein Coextrusionsverfahren in einer sequentiellen Flachfilmherstellungsstraße hergestellt. Ein Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,54 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einem Extruder mit einer Geschwindigkeit von 75 Pfund pro Stunde ausgestoßen und das coPEN wurde durch einen anderen Extruder mit 65 Pfund pro Stunde ausgestoßen. Das coPEN war ein Copolymer von 70 Mol-% 2,6-Naphthalindicarboxylatmethylester, 15 % Dimethylisophthalat und 15 % Dimethylterephthalat mit Ethylenglykol. Die Speiseblockmethode wurde zum Bilden von 151 Schichten angewendet. Der Speiseblock war konstruiert, um einen Stapel von Filmen mit einem Dickegradienten von oben nach unten mit einem Dickenverhältnis von 1,22 von der dünnsten Schicht bis zur dicksten Schicht herzustellen. Die PEN-Hautschichten wurden auf der Außenseite des optischen Stapels mit ei ner Gesamtdicke der coextrudierten Schichten von 8 % coextrudiert. Der optische Stapel wurde durch zwei sequentielle Multiplizierer multipliziert. Das nominelle Multiplikationsverhältnis der Multiplizierer betrug 1,2 bzw. 1,27. Der Film wurde daraufhin in etwa 40 Sekunden auf 310°F vorerhitzt und in Querrichtung auf ein Streckverhältnis von etwa 5,0 mit einer Geschwindigkeit von 6 % pro Sekunde gestreckt. Die Dicke des Fertigfilms betrug etwa 2 mil.
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6 zeigt die Transmission dieses Mehrschichtfilms. Die Kurve a zeigt die Transmission von Licht, das in der Nichtstreckrichtung bei normalem Einfall polarisiert wird, die Kurve b zeigt die Transmission von p-polarisiertem Licht bei einem Einfall von 60° und die Kurve c zeigt die Transmission von Licht, das in Streckrichtung bei normalem Einfall polarisiert wird. Man beachte die sehr hohe Transmission von p-polarisiertem Licht in Nichtstreckrichtung sowohl bei normalem als auch 60°-Einfall (80–100 %). Man beachte auch den sehr hohen Reflektionsgrad von Licht, das in Streckrichtung im sichtbaren Bereich (400–700 nm), wie durch Kurve c gezeigt, polarisiert wird. Der Reflektionsgrad zwischen 500 und 650 nm beträgt fast 99 %. - BEISPIEL 5 (PEN:sPS, 481, Polarisator)
- Ein Mehrschichtfilm von 481 Schichten wurde aus einem Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,56 dl/g in 60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol, das von Eastman Chemicals gekauft worden war, und einem syndiotaktischen Polystyrol- (sPS-) Homopolymer (gewichtsdurchschnittliche Molmasse = 200.000 Dalton, als Probe von Dow Corporation erhalten) hergestellt. Das PEN befand sich auf den Außenschichten und wurde mit 26 Pfund pro Stunde und das sPS mit 23 Pfund pro Stunde extrudiert. Der verwendete Speiseblock produzierte 61 Schichten, wobei jede der 61 ungefähr die gleiche Dicke aufwies. Nach dem Speiseblock wurden drei (2x) Multiplizierer verwendet. Hautschichten gleicher Dicke, die das gleiche, dem Speiseblock zugeführte PEN enthielten, wurden nach dem endgültigen Multiplizierer mit einer Gesamtgeschwindigkeit von 22 Pfund pro Stunde zugesetzt. Die Bahn wurde durch eine 12" breite Düse auf eine Dicke von etwa 0,011 Zoll (0,276 mm) extrudiert. Die Extrusionstemperatur betrug 290°C.
- Diese Bahn wurde unter Raumbedingungen neun Tage lang aufbewahrt und dann auf einem Spannrahmen monoaxial orientiert. Der Film wurde in etwa 25 Sekunden auf etwa 320°F (160°C) vorerhitzt und in Querrichtung auf ein Streckverhältnis von etwa 6:1 mit einer Geschwindigkeit von etwa 28 % pro Sekunde gestreckt. In Streckrichtung war keine Entspannung erlaubt. Die Dicke des Fertigfilms betrug etwa 0,0018 Zoll (0,046 mm).
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7 zeigt die optische Leistung dieses 481 Schichten enthaltenden reflektiven PEN:sPS-Polarisators. Die Kurve a zeigt die Transmission von Licht, das in der Nichtstreckrichtung bei normalem Einfall polarisiert wird, die Kurve b zeigt die Transmission von p-polarisiertem Licht bei einem Einfall von 60° und die Kurve c zeigt die Transmission von Licht, das in Streckrichtung bei normalem Einfall polarisiert wird. Man beachte die sehr hohe Transmission von p-polarisiertem Licht sowohl bei normalem als auch 60°-Einfall. Die durchschnittli che Transmission bei Kurve a über 400–700 nm beträgt 86,2 %, die durchschnittliche Transmission bei Kurve b über 400–700 nm beträgt 79,7 %. Man beachte auch den sehr hohen Reflektionsgrad von Licht, das in der Streckrichtung im sichtbaren Bereich (400–700 nm), wie durch Kurve c gezeigt, polarisiert wird. Der Film hatte eine durchschnittliche Transmission von 1,6 % bei Kurve c zwischen 400 und 700 nm. Die %-QMW-Farbe bei Kurve a beträgt 3,2 %, während die %-QMW-Farbe bei Kurve b 18,2 % beträgt. - BEISPIEL 6 (PEN:coPEN, 603, Polarisator)
- Ein 603 Schichten umfassender reflektierender Polarisator wurde durch ein Coextrusionsverfahren in einer sequentiellen Flachfilmherstellungsstraße hergestellt. Ein Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,47 dl/g (in 60 Gew.-% Phenol plus 40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 83 Pfund (38 kg) pro Stunde ausgestoßen und das coPEN wurde durch einen anderen Extruder mit 75 Pfund (34 kg) pro Stunde ausgestoßen. Das coPEN war ein Copolymer von 70 Mol-%, -2,6-Napthalindicarboxylmethylester, 15 Mol-% Dimethylterephthalat und 15 Mol-% Dimethylisophthalat mit Ethylenglykol. Die Speiseblockmethode wurde zur Bildung von 151 Schichten angewendet. Der Speiseblock war so konstruiert, dass er einen Stapel von Filmen mit einem Dickengradienten von oben nach unten mit einem Dickenverhältnis von 1,22 von den dünnsten Schichten bis zu den dicksten Schichten bildete. Dieser optische Stapel wurde durch zwei sequentielle Multiplizierer multipliziert. Das nominelle Multiplikationsverhältnis der Multiplizierer 1,2 bzw. 1,4. Zwischen dem endgültigen Multiplizierer und der Düse wurden Hautschichten zugegeben, die aus dem gleichen CoPEN wie oben beschrieben bestanden, die durch einen dritten Extruder mit einer Gesamtrate von 106 Pfund (48 kg) pro Stunde ausgestoßen wurden. Der Film wurde daraufhin in etwa 30 Sekunden auf 300°F (150°C) vorerhitzt und in Querrichtung auf ein Streckverhältnis von etwa 6 mit einer anfänglichen Geschwindigkeit von etwa 20 % pro Sekunde gestreckt. Die Dicke des Fertigfilms betrug etwa 0,0035 Zoll (0,089 mm).
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7B zeigt die optische Leistung des Polarisators aus Beispiel 6. Kurve a zeigt die Transmission von Licht, das in Nichtstreckrichtung bei Normaleinfall polarisiert ist, Kurve b zeigt die Transmission von p-polarisiertem Licht in Nichtstreckrichtung im Einfallswinkel von 50 Grad und Kurve c zeigt die Transmission von Licht, das in Streckrichtung bei Normaleinfall polarisiert ist. Man beachte die sehr hohe Transmission von Licht, das in der Nichtstreckrichtung polarisiert ist. Die durchschnittliche Transmission bei Kurve a über 400–700 nm beträgt 87 %. Man beachte auch den sehr hohen Reflektionsgrad von Licht, das in Streckrichtung im sichtbaren Bereich (400–700 nm), wie durch Kurve c gezeigt, polarisiert ist. Der Film weist eine durchschnittliche Transmission von 2,5 % bei Kurve c zwischen 400 und 700 nm auf. Die %-QMW-Farbe bei Kurve b beträgt 5 %. - II. Optische Geräte unter Anwendung optischer Mehrschichtfilme
- Bei der vorliegenden Erfindung entsprechenden optischen Geräten werden optische Mehrschichtfilme zum Polarisieren und/oder Reflektieren von Licht verwendet. Die Vorteile der Verwendung optischer Mehrschichtfilme in optischen Geräten, bei denen die Lichtreflektion eine Rolle spielt, sind in
8 grafisch veranschaulicht. Kurve a zeigt das Gesamtreflektionsvermögen in Abhängigkeit von der Anzahl von Reflektionen bei einem herkömmlichen Reflektor, der ein Reflektionsvermögen von 96 % aufweist (d.h. etwa 4 % des Lichts wird bei jeder Reflektion absorbiert). Wie durch die Kurve a gezeigt, nimmt die Intensität von Licht, das reflektiert worden ist, nach einer relativ geringen Anzahl von Reflektionen signifikant ab, wenn die das Licht absorbierende Fläche nur etwa 4 % des Lichts absorbiert. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve b das Gesamtreflektionsvermögen bei einem Mehrschichtspiegelfilm mit einem Reflektionsvermögen von etwa 99,4 %. Die Kurve b zeigt eindeutig eine viel geringere Abnahme des Gesamtreflektionsvermögens. Der Unterschied wird nach nur 2–4 Reflektionen besonders deutlich. - Beispielsweise beträgt die Lichtintensität bei fünf Reflektionen etwa 97 % bei Licht, das von optischen Mehrschichtfilmen der vorliegenden Erfindung gemäß reflektiert wird, während die Intensität auf etwa 81,5 % bei Licht abnimmt, das von einem herkömmlichen Reflektor reflektiert wird, der nur etwa 3,5 % weniger effizient ist. Obwohl es schwierig ist, die durchschnittliche Anzahl von Reflektionen zu bestimmen, die das Licht in einem Hinterlichtsystem durchmacht, ist zu erwarten, dass die Anzahl von Reflektionen mit einem steigenden Aspektverhältnis (das unten noch vollständiger definiert wird) in irgendeinem vorgegebenen Hinterlichtsystem zunimmt. Diese erhöhten Reflektionen würden einen signifikanten Leistungsverlust bei Hinterlichtsystemen verursachen, bei denen herkömmliche Reflekto ren verwendet werden, was bei Hinterlichtsystemen, bei denen optische Mehrschichtfilmreflektoren der vorliegenden Erfindung gemäß verwendet werden, nicht zu erwarten wäre.
- Der praktische Wert dieser Charakteristik besteht darin, dass die Effizienz des vorliegenden optischen Geräts im Vergleich mit Systemen, bei denen herkömmliche Reflektoren verwendet werden, wesentlich verbessert ist. Anders ausgedrückt kann die Anzahl akzeptabler Reflektionen bei einem vorgegebenen Lichtstrahl in optischen Geräten, bei denen ein optischer Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung gemäß verwendet wird, signifikant erhöht werden, ohne den Gesamtausstoß des Geräts im Vergleich mit optischen Geräten, bei denen bekannte Reflektoren/Polarisatoren verwendet werden, wesentlich zu beeinträchtigen. Das bedeutet, dass die vorliegenden optischen Geräte zum Hindurchlassen und Transportieren von Licht über größere Entfernungen mit besserer Effizienz verwendet werden können, als zur Zeit bekannte herkömmliche Reflektoren.
- Optische Geräte, in die der optische Mehrschichtfilm eingearbeitet ist, können im Allgemeinen als Geräte beschrieben werden, bei denen mindestens ein Teil des Lichts, das in das Gerät hineingeht und/oder daraus austritt, von einer optischen Fläche reflektiert wird, die den optischen Mehrschichtfilm umfasst. Zum Zwecke dieser Erfindung wird eine „optische Fläche" als eine planare oder andersartige Fläche definiert, die mindestens einen Teil von willkürlich polarisiertem, darauf einfallendem Licht reflektiert. Noch bevorzugter wird mindestens ein Teil des durch die optischen Geräte hindurchgehenden Lichts von einer optischen Fläche mehr als einmal reflektiert, wobei die Vorteile des optischen Mehrschichtfilms ausgenutzt werden.
- Eine Untergruppe optischer Geräte, in die ein optischer Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung gemäß eingearbeitet ist, wird zwei oder mehr optische Flächen umfassen und kann im Allgemeinen als Geräte kategorisiert werden, in denen die optischen Flächen in einer parallelen oder einer nichtparallel entgegengesetzten Anordnung angeordnet sind.
- Optische Geräte mit im Wesentlichen parallelen optischen Oberflächen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Lichtleiter, Lichtkästen, rechteckige Lichtleiter usw. Für diejenigen Geräte, die zum Übertragen von Licht von einem Ort an einen anderen konstruiert sind, wie beispielsweise Lichtleiter, ist es wünschenswert, dass die optischen Flächen eine Mindestmenge an Licht, das darauf einfällt, absorbiert und überträgt, während im Wesentlichen das gesamte Licht reflektiert wird. Bei anderen Geräten, wie beispielsweise Lichtkästen und Lichtleitern, kann es erwünscht sein, das Licht mit Hilfe allgemein reflektiver optischer Flächen an einen ausgewählten Bereich abzuliefern und daraufhin die Transmission von Licht aus dem Gerät heraus auf bekannte vorbestimmte Weise zu gestatten. Bei derartigen Geräten kann es wünschenswert sein, einen Teil der optischen Fläche als teilweise reflektiv bereitzustellen, um es Licht zu erlauben, auf vorbestimmte Weise aus dem Gerät auszutreten. Beispiele derartiger Geräte werden weiter unten noch vollständiger beschrieben.
- Eine andere Klasse optischer Geräte, die zwei oder mehr reflektive optische Flächen enthalten, sind Geräte, in denen die reflektiven optischen Flächen mit steigendem Abstand von einer Lichtquelle (oder einer Eingangsstelle in das Gerät) auf einander zu konvergieren. Diese Konstruktion ist bei optischen Geräten besonders nützlich, wo es erwünscht ist, Licht, das aus einer optischen Quelle austritt, in die Richtung, aus der das Licht in das Gerät eintritt, zurückzuschicken. Optische Geräte mit konvergierenden reflektiven optischen Flächen reflektieren typischerweise einen Hauptteil von Licht in einer Richtung, die im Allgemeinen auf die Lichtquelle zu gerichtet ist.
- Noch eine andere Klasse optischer Geräte, die zwei oder mehr optische Oberflächen enthalten, sind Geräte, bei denen die reflektiven optischen Oberflächen mit steigendem Abstand von einer Lichtquelle (oder einer Eintrittsstelle in das Gerät) divergieren. Optische Geräte mit divergierenden reflektiven optischen Flächen neigen typischerweise dazu, Licht zu bündeln. Die Menge und der Grad der Bündelung hängen von der Position der Lichtquelle mit Bezug auf das enge Ende des Geräts und der Divergenzrate der reflektiven optischen Mehrschichtfilmoberflächen ab.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die optischen Geräte hohl, da dies die Menge an Absorption bei jeder Reflektion, während das Licht durch die optischen Geräte transportiert wird, im Allgemeinen reduziert.
- Bei dem Versuch, Licht auf ein spezifisches Ziel, wie beispielsweise bei Beleuchtung für eine bestimmte Aufgabe, Sonnenlichtkollektoren oder sonst irgendwohin zu leiten, wird es eventuell vorgezogen, dass die divergierenden optischen Flächen eine Parabel oder einen Kegel bilden. Wird eine Parabelgestalt verwendet, so wird die Bündelung am besten bei Licht erreicht, das durch eine Fokusstelle der Parabel hindurch oder aus ihr hervorgeht. Die spezifischen Merkmale des Konstruierens der Gestalt derartiger Geräte ist den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten gut bekannt und wird hier nicht besprochen.
- Wenden wir uns nun den Figuren zu, in denen veranschaulichende Beispiele optischer Geräte der vorliegenden Erfindung entsprechend dargestellt sind, so stellen die
9 und10 ein veranschaulichendes optisches Gerät110 in einer schematischen Querschnittsansicht in9 und einer perspektivischen Ansicht in10 dar. Das optische Gerät110 wird im Allgemeinen als Lichtkasten bezeichnet und kann im Wesentlichen rechteckig, wie gezeigt, sein oder es kann irgendeine erwünschte Gestalt aufweisen, die auf ästhetischen oder funktionellen Gesichtspunkten basiert. Lichtkästen sind typischerweise im Wesentlichen eingeschlossene Volumen, in denen sich eine oder mehrere Lichtquellen befinden. Bevorzugt ist das Volumen mit einer reflektiven Fläche ausgekleidet und umfasst entweder teilweise reflektive Bereiche oder Hohlstellen, die es dem Licht erlauben, aus dem Lichtkasten in einem vorbestimmten Muster oder auf vorbestimmte Weise zu entweichen. - Der in
9 und10 gezeigte veranschaulichende Lichtkasten110 enthält mindestens zwei seich gegenüberliegende reflektive und/oder teilweise reflektive optische Flächen112 und114 , die aus dem optischen Mehrschichtfilm bestehen. Am bevorzugtesten sind alle reflektiven Innenflächen des Lichtkastens110 mit einem optischen Mehrschichtfilm bedeckt. Durch Anwendung des optischen Mehrschichtfilms der vorliegenden Erfindung gemäß für alle reflektiven Flächen innerhalb des Lichtkastens110 können Absorptionsverluste im Vergleich mit Geräten, bei denen herkömmliche Reflektoren und/oder Polarisatoren verwendet werden, stark reduziert werden. In einigen Fällen können jedoch alle oder ein Teil einer oder beide optischen Oberflächen112 und114 aus anderen Materialien hergestellt sein. - Wo ein optischer Mehrschichtfilm in irgendeinem optischen Gerät verwendet wird, sollte man sich im Klaren darüber sein, dass es auf einen Träger (der wiederum selbst durchsichtig, opak, reflektiv oder irgendeine Kombination davon sein kann) auflaminiert werden kann, oder er kann auf andere Weise mit Hilfe irgendeines geeigneten Trägers oder einer anderen Stützstruktur gestützt werden, weil der optische Mehrschichtfilm in einigen Fällen eventuell nicht steif genug ist, um in irgendeinem optischen Gerät, wie dem veranschaulichenden Gerät
110 , selbsttragend zu sein. - Das in
9 veranschaulichte optische Gerät110 enthält zwei Lichtquellen118a und118b , die im Allgemeinen als118 bezeichnet werden, die Licht in das Innere des Geräts110 schicken. Aus den Quellen118 ausgestrahltes Licht wird typischerweise zahlreiche Male zwischen den Flächen112 und114 reflektiert, bevor es durch einen teilweise reflektiven Bereich oder eine transmittierende Hohlstelle, die sich in der Fläche112 befindet und durch die Bezugsnummer130 in10 angegeben ist, das Gerät110 verlässt. - Für Veranschaulichungszwecke werden Lichtstrahlen
120 und122 als aus einer Quelle118a austretend und innerhalb des optischen Geräts110 reflektierend gezeigt, bis sie aus Bereichen wie130 in der Schicht112 austreten. Bei einem Leuchtschild, das als das veranschaulichende optische Gerät110 dargestellt ist, werden Bereiche130 typischerweise Werbung oder andere Informationsangaben enthalten oder sie können als Alternative ein dekoratives Bild irgendeines Typs umfassen. Obwohl nur die Bereiche130 so dargestellt sind, dass sie Licht durch die optische Oberfläche112 übertragen, sollte man sich im Klaren darüber sein, dass die gesamten oder irgendein Teil beider Oberflächen112 und114 Licht aus dem Gerät110 übertragen kann bzw. können. - Die Bereiche
130 , die Licht übertragen, können aus vielen verschiedenen Materialien oder Konstruktionen bereitgestellt werden. Die Bereiche130 können aus optischem Mehrschichtfilm oder irgendwelchen transmissiven oder teilweise transmissiven Materialien hergestellt sein. Eine Art und Weise, die Lichttransmission durch die Bereiche130 zu gestatten, besteht darin, Bereiche in der optischen Oberfläche112 bereitzustellen, die teilweise reflektiv und teilweise transmissiv sind. Ein teilweises Reflektionsvermögen kann den optischen Mehrschichtfilmen in Bereichen130 der vorliegenden Erfindung gemäß durch eine Reihe verschiedener Mittel vermittelt werden. - Bei einer Ausgestaltung umfassen die Bereiche
130 einen optischen Mehrschichtfilm, der monoaxial gestreckt wird, um die Transmission von Licht mit einer Polarisationsebene zu gestatten, während Licht mit einer Polarisationsebene, die orthogonal zum transmittierten Licht ist, reflektiert wird. Die Strahlen120a und120b von Licht, wie in9 gezeigt, veranschaulichen eine derartige Situation, in der Licht mit einer Polarisationsrichtung durch den optischen Mehrschichtfilm130 hindurch transmittiert wird, während Licht mit der orthogonalen Polarisationsrichtung in das optische Gerät110 zurückreflektiert wird. - Wenn die Bereiche
130 aus einem reflektiven polarisierenden Mehrschichtfilm bereitgestellt werden, ist es vorzuziehen, dass das optische Gerät110 einige Mechanismen für die willkürliche Polarisationsorientation des Lichts umfasst, das in das Innere des Geräts110 zurückreflektiert wird. Ein Mechanismus für die willkürliche Polarisationsorientierung bestände darin, eine dünne pigmentierte Beschichtung auf der optischen Oberfläche114 bereitzustellen, um die Polarisation zu randomisieren und das aus den Bereichen130 reflektierte Licht zu streuen. Ein anderer Mechanismus besteht darin, einen doppelt brechenden Polymerfilm hinzuzugeben oder eine doppelt brechende Hautschicht auf dem MOF-Spiegel zur Hand zu haben. Irgendein Mechanismus, durch den die Polarisationsorientierung von zurückgeschicktem Licht120b nach der Reflektion von den reflektiven Polarisationsbereichen130 modifiziert werden kann, ist jedoch wünschenswert, da es dann zu den Bereichen130 zurückgeführt werden kann und theoretisch ein Teil des Lichts dann die richtige Polarisationsorientierung aufweisen wird, um die Transmission durch die Bereiche130 und aus dem optischen Gerät110 heraus zu gestatten. - Der Lichtstrahl
122 veranschaulicht die Wirkung einer alternativen Vorrichtung des Bereitstellens der Transmission von Licht durch die Bereiche130 in einem optischen Gerät110 der vorliegenden Erfindung entsprechend. Der Lichtstrahl122 wird durch die Bereiche130 ohne Reflektion durch eine in der optischen Fläche112 gebildete Hohlstelle transmittiert. Dadurch findet keine partielle Reflektion des Lichtstrahls122 im Gegensatz zum Lichtstrahl120 , wie oben beschrieben, statt. In dieser Situation ist die optische Fläche112 selbst im Wesentlichen vollständig reflektiv, mit Ausnahme derjenigen Hohlstellen in den Bereichen130 , die Licht ohne wesentliche Reflektion transmittieren. - Man wird sich im Klaren darüber sein, dass der Ausdruck „Hohlstelle" zum Beschreiben einer tatsächlichen physikalischen Öffnung durch die optische Fläche
112 hindurch, sowie klare oder transparente Bereiche verwendet werden, die in der optischen Fläche112 gebildet wird, die Licht nicht wesentlich reflektieren. Die Anzahl und Größe mehrfacher Öffnungen in dem Bereich130 der optischen Fläche112 können variiert werden, um die Menge an Licht, die durch die Bereiche130 transmittiert wird, unter Kontrolle zu halten. In einem Extremfall können die Bereiche130 sogar vollständige Hohlstellen in der optischen Oberfläche112 bilden, obwohl große Hohlstellen typischerweise zum Schutz des Inneren des Geräts110 gegen Trümmer, Staub usw. unerwünscht sind. - Eine alternative Ausführungsform eines optischen Geräts
110 kann dort bereitgestellt werden, wo mindestens die Bereiche130 in der optischen Oberfläche112 keinen optischen Mehrschichtfilm überhaupt umfassen, jedoch eine andere Klasse teilweise reflektiver Filme, wie beispielsweise einen strukturierten, teilweise reflektiven Film umfassen. Beispielhafte mikroreplizierte strukturierte, teilweise reflektive Filme werden als optischer Beleuchtungsfilm und Helligkeitsverbesserungsfilm vertrieben und sind von Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota, erhältlich. - In denjenigen Fällen, wo ein weniger effizienter optischer Mehrschichtfilm verwendet wird (z.B. geht ein Teil des auf den optischen Mehrschichtfilm einfallenden Lichts durch Transmission verloren) kann es vorteilhaft sein, die hinteren Flächen des optischen Mehrschichtfilms, d.h. die nach außen weisende Fläche des Geräts
110 , mit einer dünnen Metall- oder anderen reflektiven Beschichtung zu versehen, um Licht zu reflektieren, das sonst für die Transmission verloren ginge, wodurch das Reflektionsvermögen des optischen Mehrschichtfilms verbessert wird. Man wird sich natürlich im Klaren darüber sein, dass die Metall- oder andere reflektive Beschichtung einige Absorptionsverluste erleiden kann, die Fraktion von durch den Film hindurch gelassenem Licht jedoch typischerweise weniger als 5 % (noch bevorzugter weniger als 1 %) des gesamten, auf den Film einfallenden Lichts betragen wird. Die Metall- oder andere reflektive Beschichtung kann auch zum Reduzieren der sichtbaren Irisierung nützlich sein, wenn eine Ableitung enger Wellenlängenbanden in dem optischen Mehrschichtfilm stattfindet. Im Allgemeinen werden jedoch hocheffiziente reflektive Mehrschichtfilme bevorzugt. - Aufgrund der hohen Effizienz des optischen Mehrschichtfilms beim Reflektieren von Licht in optischen Geräten
110 kann die Anzahl und die Intensität von Lichtquellen118 , die zum Bereitstellen einer gleichförmigen Beleuchtung über die Bereiche130 erforderlich sind, reduziert werden. Bei jeglicher optischen Gerätekonstruktion ist die Anzahl von Reflektionen, die ein Lichtstrahl innerhalb des Geräts110 durchmacht, bevor er wie in10 veranschaulicht und oben beschrieben, dieses verlässt, weniger wichtig. - Das Aspektverhältnis in einem Gerät
110 wird typischerweise durch Vergleichen der Tiefe des Lichtkastens, als D in10 angezeigt, zur Länge und Höhe des Geräts110 , als L bzw. H angezeigt, bestimmt. In einigen Fällen kann das Aspektverhältnis das Verhältnis der Tiefe D im Vergleich mit dem Bereich sein, der durch die Länge mal der Höhe des optischen Geräts110 definiert wird. -
11 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines konvergierenden optischen Keilgeräts210 der vorliegenden Erfindung entsprechend, das einen optischen Mehrschichtfilm enthält. In irgendeinem optischen Gerät, bei dem eine konvergierende Keilkonstruktion verwendet wird, sind die optischen Oberflächen212 und214 in einem konvergierenden Verhältnis angeordnet, bei dem die optischen Oberflächen mit steigender Entfernung von der Öffnung211 in das Gerät210 aufeinander zu konvergieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfassen die Flächen212 und214 einen optischen Mehrschichtfilm. Auch ist das optische Gerät210 bevorzugt hohl, um Absorptionsverluste zu minimieren. - Man wird sich im Klaren darüber sein, dass das optische Gerät
210 zwei im Allgemeinen planare optische Flächen212 und214 umfassen könnte. Ein spezifisches Beispiel einer konvergierenden Keilkonstruktion wäre ein Lichtleiter, der in einem Gegenlichtsystem für ein Flüssig kristallanzeigegerät verwendet wird. Ein anderes spezifisches Beispiel eines optischen Geräts, das in11 dargestellt ist, könnte ein im Allgemeinen kegelförmiges Gerät umfassen, das einen der Längsachse des Geräts210 entlang genommenen Querschnitt aufweist. Bei einem kegelförmigen Gerät könnten die optischen Oberflächen212 und214 in der Tat Teile einer kontinuierlichen Fläche sein, die aufgrund der Querschnittsnatur der Ansicht in11 diskontinuierlich erscheint. - Ein Lichtstrahl
220 ist so dargestellt, dass er in das optische Gerät210 durch die Öffnung211 , wie gezeigt, eintritt und zahlreiche Male reflektiert wird, bevor er allgemein in der gleichen Richtung, aus der er in das Gerät210 eingetreten ist, dieses verlässt. Die optischen Flächen212 und214 könnten aus vielen verschiedenen Materialien bestehen. Beispielsweise könnten beide Flächen212 und214 aus optischen Mehrschichtfilmen der vorliegenden Erfindung entsprechend bestehen und ein Teil oder die ganze eine oder beide Flächen212 und214 könnten vollständig reflektiv oder teilweise reflektiv sein. - Wenn ein weniger effizienter optischer Mehrschichtfilm für die reflektiven optischen Flächen
212 und214 verwendet wird und es erwünscht ist, dass beide Flächen die Transmission von Licht verhindern, so können sie auf ihren „Außen"-Flächen mit einer reflektiven Beschichtung wie beispielsweise einer dünnen Metallschicht oder anderen reflektiven Beschichtung beschichtet werden. Diese zusätzliche Schicht wird dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Schichten212 und214 Licht nicht transmittieren. In einigen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, eine oder beide der opti schen Mehrschichtfilme212 und214 als teilweise reflektiv bereitzustellen, um eine gewisse Ableitung von Licht, gleichgültig, ob es polarisiert ist oder nicht, durch die Flächen212 und/oder214 auf gleichmäßige oder andere gesteuerte Weise zu erlauben. Ein spezifisches Beispiel eines Geräts210 , bei dem eine gleichmäßige Verteilung von Licht erwünscht ist, ist ein Lichtleitergegenlichtsystem für eine Flüssigkristallanzeige. -
12 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines optischen divergierenden Keilgeräts310 der vorliegenden Erfindung entsprechend. Bei einem optischen Gerät, bei dem eine divergierende Keilkonstruktion verwendet wird, sind die optischen Flächen312 und314 in einem divergierenden Verhältnis angeordnet, wobei die Flächen mit steigender Entfernung von der Lichtquelle318 von einander divergieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Flächen312 und314 aus einem optischen Mehrschichtfilm. Auch ist das optische Gerät310 bevorzugt hohl, um Absorptionsverluste zu minimieren. Man wird sich im Klaren darüber sein, dass das divergierende, in12 dargestellte Keilgerät, wie das konvergierende Keilgerät210 , zwei im Allgemeinen planare optische Flächen312 und314 umfassen könnte oder dass das Gerät310 eine allgemein kegelförmige, parabolische oder andere Gestalt umfassen könnte, bei der der gezeigte Querschnitt der Längsachse des Geräts310 entlang genommen wird. Bei einem derartigen optischen Gerät können die optischen Flächen312 und314 in der Tat Teile einer kontinuierlichen Fläche sein, die aufgrund der Querschnittsnatur der Ansicht in11 diskontinuierlich erscheint. - Ein optisches Gerät, das divergierende optische Flächen enthält, neigt dazu, Licht zu bündeln, so dass es als Lichtstrahlen
320 und322 ausströmt. Das Gerät310 , das in12 dargestellt ist, enthält eine Lichtquelle318 , die am Einlass in das Gerät310 positioniert ist. Man wird sich jedoch im Klaren darüber sein, dass ein divergierendes optisches Gerät mehrere Quellen318 enthalten kann. Wenn das Gerät310 in einer ungefähr parabolischen Gestalt gebildet würde, wäre die Bündelung stärker, wenn die Lichtquelle318 in der Nähe des Fokuspunkts der Parabel gelegen wäre. Als Alternative könnte ein divergierendes optisches Gerät310 sich auch auf ein Licht verlassen, das aus einer Quelle oder Quellen gebildet wird, die sich von der tatsächlichen Öffnung in das divergierende optische Gerät310 entfernt befinden. - Im Allgemeinen hängt der Grad und die Menge der Bündelung des Lichts, das ein derartiges Gerät
310 verlässt, von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich dem Winkel der Lichtstrahlen, die in das Gerät eintreten, der Position der Lichtquelle und der Gestalt und/oder des Winkelverhältnisses zwischen den optischen Flächen312 und314 . -
13 ist eine schematische Querschnittsansicht eines anderen veranschaulichenden optischen Geräts410 , das unter Anwendung des optischen Mehrschichtfilms der vorliegenden Erfindung entsprechend gebildet ist. Der Querschnitt des Geräts410 , wie er in13 gezeigt ist, wird einer Langsachse entlang genommen, was zwei im Allgemeinen parallele optische Flächen412 und414 zeigt. Eine zusätzliche Ansicht ist in14 gezeigt, die einen Querschnitt des Geräts410 quer zur Längsachse genommen zeigt. Wie gezeigt, weist das Gerät410 eine im Allgemeinen kreisförmige Gestalt auf. - Optische Geräte, wie das Gerät
410 , werden typischerweise zum Transmittieren von Licht zwischen zwei Stellen verwendet und werden im Allgemeinen als „Lichtleiter" bezeichnet. Derartige Geräte weisen eine Längsachse und einen zu dieser Achse quer gelegenen Querschnitt auf, der eine geschlossene ebene Figur bildet. Beispiele einiger typischer Querschnittsfiguren umfassen Kreise (wie denjenigen, der in14 gezeigt ist), Ellipsen, Polygone, geschlossene unregelmäßige Kurven, Dreiecke, Quadrate, Vierecke oder andere polygonale Gestalten. Irgendein Gerät410 , das einen geschlossen planaren transversen Querschnitt aufweist, erscheint als zwei Flächen in einem Längsquerschnitt, wie in13 gezeigt, obwohl das Gerät410 eigentlich Tat aus einer einzigen kontinuierlichen optischen Fläche gebildet sein kann. - Da der verwendete optische Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung entsprechend im Wesentlichen keines des darauf einfallen Lichts absorbiert, können Lichtleiter, die aus einem optischen Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung entsprechend konstruiert sind, sich über eine relativ große Entfernung ohne signifikanten Durchsatzverlust erstrecken.
- Es ist besonders vorteilhaft, den optischen Mehrschichtfilm bei Geräten wie Lichtleitern zu verwenden, bei denen ein großer Anteil des durch das Gerät hindurchgehenden Lichts sich den Flächen des Geräts in flachen Winkeln nähert. Bekannte mehrschichtige reflektive Polymerfilme sind nicht effizient, Licht zu reflektieren, das sich ihnen in flachen Winkeln nähert und würden aus diesem Grund große Transmissionsverluste erleiden. Der vorliegende optische Mehrschichtfilm ist jedoch in der Lage, derartiges Licht mit ziemlich der gleichen Effizienz zu reflektieren wie Licht, das sich dem Film normal zu den Flächen nähert.
- Als Alternative wird man sich im Klaren darüber sein, dass ein Gerät, wie beispielsweise ein Lichtleiter
410 , Abschnitte umfassen kann, die teilweise transmissiv sind, so dass sie Licht aus dem Gerät entweichen lassen. Die Transmissionsmechanismen können reflektive polarisierende Mehrschichtabschnitte, Hohlstellen oder irgendwelche anderen Mechanismen umfassen, wie sie oben mit Bezug auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben sind. Derartige Konstruktionen beginnen jedoch Lichtkästen oder -leitern, wie sie in Verbindung mit den9 und10 oben dargestellt und beschrieben sind, zu gleichen. -
15 veranschaulicht ein anderes optisches Gerät der vorliegenden Erfindung entsprechend. Das optische Gerät505 , das in15 dargestellt ist, könnte beispielsweise bei einer dekorativen Anwendung wie einer Blume oder einer Schleife verwendet werden. Das Gerät505 ist aus mehreren optischen Mehrschichtfilmschichten (wie beispielsweise den Schichten510 und520 ) konstruiert, die im Allgemeinen in ihren Mittelpunkten durch einen Stift oder irgendeinen anderen Mechanismus verbunden sind. Obwohl die Schichten als im Allgemeinen kreisförmig dargestellt sind, sollte man sich im Klaren darüber sein, dass viele verschiedene Gestalten bereitgestellt werden könnten. - Die Schichten können runzelig sein oder auf irgendeine andere Weise manipuliert werden, um dem Gerät
505 Volumen zu geben. Das Runzeln optischer Mehrschichtfilmschichten stattet das Gerät510 auch mit mehreren konvergierenden Keilen aus, die im Allgemeinen senkrecht angeordnet sind, um auf das Gerät505 einfallendes Licht zu einem Beobachter zurückzuschicken. - Obwohl dies nicht erforderlich ist, ist die Ableitung oder Transmission von Licht durch die Schichten des optischen Mehrschichtfilms in Gerät
505 nicht von großer Wichtigkeit, da transmittiertes Licht aus dem Gerät505 durch den daneben liegenden divergierenden Keil reflektiert wird, der durch die nächste Filmschicht gebildet wird. wegen der nebeneinander liegenden divergierenden Keile in Gerät505 nutzt es die Ableitung zwischen den senkrecht angeordneten konvergierenden Keilen auf effiziente Weise aus, weil Licht, das aus einem Keil austritt, aus dem daneben liegenden Keil, in den das Licht transmittiert wird, wieder zurückreflektiert werden könnte. Deshalb weist das Gerät505 ein außergewöhnlich helles Aussehen auf. - Der optische Mehrschichtfilm kann auch in Form von längsgezogenen Streifen bereitgestellt werden. Derartige Filmstreifen können auf vorteilhafte Weise zum Bilden anderer Konfigurationen optischer Geräte verwendet werden, die beispielsweise als dekorative Schleifen, wie beispielsweise irgendeine der in den US-Patentschriften Nummer 3,637,466 (Pearson et al.); 4,329,382 (Truskolaski et al.); 4,476,168 (Aoyama) und 4,515,837 (Chong) und in der US-Patentanmeldung der Seriennummern 08/031,560 (Huss) und 08/153,373 (Huss) beschriebenen verwendet werden kann.
- Das optische Gerät
505 veranschaulicht einen anderen signifikanten Vorteil der optischen Geräte, die einen optischen Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung entsprechend enthalten, d.h. dass das Gerät keine Symmetrie aufzuweisen braucht, um wirksam zu sein. In der Tat brauchen optische Geräte der vorliegenden Erfindung entsprechend keine Symmetrie in irgendeiner Ebene oder um irgendeine Linie aufzuweisen, sie können jedoch immer noch wirksam und effizient funktionieren, aufgrund der geringen Extinktion und des hohen Reflektionsgrads sowohl bei normalen Winkeln als auch großen Winkeln von der Normalen der optischen Mehrschichtfilme hinweg. - Eine Symmetrie wird in optischen Geräten in vielen Fällen zum Reduzieren oder Minimieren der Anzahl von Reflektionen, die das durch die Geräte hindurchgehende Licht durchmacht, bereitgestellt. Das Minimieren der Reflektionen ist dann besonders wichtig, wenn herkömmliche Reflektoren verwendet werden, wegen ihrer relativ hohen Absorptionsfähigkeiten (vergleiche
8 und die begleitende Beschreibung oben). Da optische Geräte, bei denen optische Mehrschichtfilme der vorliegenden Erfindung entsprechend verwendet werden, eine signifikant reduzierte Absorption erfahren, ist es viel weniger wichtig, die Anzahl von Reflektionen zu minimieren, und deshalb ist die Symmetrie nicht so wichtig, um die Effizienz der optischen Geräte aufrechtzuerhalten. - Deshalb sollte, obwohl die oben beschriebenen veranschaulichenden optischen Geräte im Allgemeinen keine Symmetrie um mindestens eine Achse aufweisen, die vorliegende Erfindung nicht auf optische Geräte mit einer Symmetrieachse begrenzt werden. Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung oben mit Bezug auf die veranschaulichenden Beispiele beschrieben worden, bei denen Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
Claims (13)
- Optisches Gerät aufweisend erste (
112 ,212 ,312 ,412 ) und zweite (114 ,214 ,314 ,414 ) sich gegenüberliegende Flächen, wobei jede geeignet ist, mindestens einen Teil von darauf einfallendem, willkürlich polarisiertem Licht zur gegenüberliegenden Fläche des optischen Geräts zu reflektieren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der ersten Fläche (112 ,212 ,312 ,412 ) und mindestens ein Teil der zweiten Fläche (114 ,214 ,314 ,414 ) einen Mehrschichtfilm (10 ) aufweist, der Licht einer ersten Polarisation reflektiert und der Licht einer zweiten Polarisation durchläßt, wobei der Brechungsindexunterschied zwischen mindestens zwei aneinanderliegenden Schichten (12 ,14 ) in dem Mehrschichtfilm (10 ) in einer ersten plangerechten Richtung größer ist als der Brechungsindexunterschied zwischen zwei Schichten (12 ,14 ) in einer zweiten plangerechten Richtung und wobei. die Lichttransmission der ersten Polarisation bei normalem Einfall weniger als 30 % beträgt und bei 60° vom normalen Einfall weniger als 30 % beträgt. - Optisches Gerät nach Anspruch 1, wobei der Mehrschichtfilm (
10 ) im Durchschnitt mindestens 85 % des Lichts mit der zweiten Polarisierungsorientierung, das normal zu dem Mehrschichtfilm einfällt, durchläßt. - Optisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mehrschichtfilm (
10 ) im Durchschnitt mindestens 50 % des Lichts mit der zweiten Polarisationsorientierung, das 60° von der Normalen zu dem Mehrschichtfilm einfällt, durchläßt. - Optisches Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Mehrschichtfilm (
10 ) im Durchschnitt mindestens 90 % des Lichts mit der zweiten Polarisationsorientierung, das 60° von der Normalen zu dem Mehrschichtfilm einfällt, durchläßt. - Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Mehrschichtfilm (
10 ) im Durchschnitt mindestens 90 % des Lichts der ersten Polarisationsorientierung, das normal zu dem Mehrschichtfilm einfällt, reflektiert. - Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine der Schichten (
12 ,14 ) in dem Mehrschichtfilm (10 ) ein erstes Material ist, das einen Naphthalindicarbonsäurepolyester aufweist. - Optisches Gerät nach Anspruch 6, wobei das erste Material ein Poly(ethylennaphthalat) aufweist.
- Optisches Gerät nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der Schichten (
12 ,14 ), die an der Schicht (12 ,14 ) des ersten Materials anliegt, ein Naphthalat- und Terephthalateinheiten aufweisender Copolyester ist. - Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ersten (
112 ,412 ) und zweiten (114 ,414 ) sich gegenüberliegenden Flächen im Wesentlichen in Ebenen liegen, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. - Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ersten (
312 ) und zweiten (314 ) sich gegenüberliegenden Flächen ein optisches Gerät mit divergierendem Keil (310 ) bilden. - Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ersten (
212 ) und zweiten (214 ) sich gegenüberliegenden Flächen ein optisches Gerät mit konvergierendem Keil (210 ) bilden. - Optisches Gerät nach Anspruch 9, wobei das optische Gerät eine Lichtröhre (
410 ) aufweist. - Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die sich gegenüberliegenden Flächen ein im wesentlichen umschlossenes Volumen definieren.
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