具有光引出器的光导纤维的制作方法

专利名称：具有光引出器的光导纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有适合控制光学性质如反射和透射的结构的光学材料。另一方面，本发明涉及将这些材料用作光导纤维的光引出器的用途。
背景由掺杂物分散在连续基质中而制成的光学薄膜是本领域已知的。可通过控制这些掺杂物的特征来为薄膜提供一定范围的反射性和透射性。这些特征包括薄膜中掺杂物相对于波长的大小、掺杂物的形状和排列方式、掺杂物的体积填充因子(volumeric fill factor)和沿薄膜三个正交轴上掺杂物与连续基质的折射率不匹配程度。
传统的吸收(二向色性)偏振器有吸收光的无机杆状碘链排列在聚合物基质中作为偏振器的掺杂相。这种薄膜易于吸收电场矢量平行于杆状碘链的偏振光，并且易于透射电场矢量垂直于杆的偏振光。因为碘链有两个或更多个线度相对于可见光波长很小，而且每立方光波长中的链数目很大，所以这种薄膜的光学性质主要是镜面反射，而只有很少通过薄膜的漫透射或在薄膜表面的漫反射。和其它大多数商业上可获得的偏振器一样，这种偏振薄膜是以偏振选择性吸收为基础的。
填充有不同特性的无机掺杂物的薄膜可提供其它光学透射和反射性质。例如，在聚合薄膜和涂料中加入有两个或多个线度比可见光波长大的有涂层的云母薄片，以提供一种金属光泽。可设法将这些薄片放在薄膜平面内，从而为反射外观提供强的方向依赖性。这种效果可用来生产在某些视角高度反射而对其它视角透射的安全屏(security screen)。在薄膜中可加入有显色作用(镜面选择性反射)的大薄片(显色与薄片相对入射光的排列方式有关)，以提供填充的证明(evidence oftampering)。在这种应用中，薄膜中的所有薄片必须以相同方式排列。
然而，用填充有无机掺杂物的聚合物制得的光学薄膜存在各种问题。一般来说，无机颗粒和聚合物基质间的粘合性差。因此，当应力或应变施加在基质上时，薄膜光学性质变差，这是由于基质和掺杂物间的结合被损害，而且刚性无机掺杂物可能破碎。而且，使无机掺杂物取向所需的加工步骤和考虑因素使生产变复杂。
其它薄膜，如美国专利4,688,900(Doane等)中公开的，包括一个透明的透射光的连续聚合物基质，其中分散有调制光的液晶滴。据报道，对这种材料进行拉伸，可使液晶滴从球形变形成椭球形，椭球体的长轴与拉伸方向平行。美国专利5,301,041(Konuma等)公开了相近的内容，但是液晶滴的变形是通过加压来实现的。A.Aphonin在《(液晶》第19卷第4期469-480页的“分散有液晶的拉伸聚合物膜的光学性质角度依赖的偏振光散射”(＂Optical Properties of StretchedPolymer Dispersed Liquid Crystal Flims:Angle-Dependent Polarized Light Scattering,Liquid Crystals,Vol.19,No.4,469-480(1995))中讨论了聚合物基质内有液晶滴的拉伸过的薄膜的光学性质。他报道说，液滴拉长成长轴与拉伸方向平行的椭球形，使液滴具有取向双折射性(液滴各轴上折射率不同)，从而导致沿薄膜某一轴上分散相和连续相间折射率相对地不匹配，而沿薄膜其它轴上折射率相对地匹配。这种液晶滴并不比薄膜内的可见光波长小，因此这种薄膜的光学性质是它们的反射和透射性质中有很大的漫射成分。Aphoni建议用这些材料作为背后照明扭曲向列型LCD(backlit twisted nematic LCD)的偏振漫射器。然而，用液晶作为分散相的光学薄膜严重地受到基质相和分散相间折射率不匹配的程度的限制。而且，这种薄膜的液晶成分的双折射性通常对温度敏感。
美国专利5,268,225(Isayev)公开了从热致的液晶聚合物的混合物制得的复合层压片。混合物包括两种互不相溶的液晶聚合物。混合物可流延成含有一分散的掺杂相和一连续相的薄膜。在拉伸薄膜时，分散相形成了其轴排列在拉伸方向上的一系列纤维。尽管据说薄膜有改善的机械性能，但是没有提到薄膜的光学性质。然而，由于它们的液晶特点，这种类型的薄膜将遇到上述其它液晶材料所遇到的问题。
还有其它在施加电场或磁场时呈现所需光学性质的薄膜。例如，美国专利5,008,807(Waters等)描述了一种液晶装置，它含有一层用液晶材料渗透的且位于两个电极之间的纤维。电极之间的电压产生一个电场，改变了液晶材料的双折射性，从而导致纤维和液晶的折射率间不同程度的折射率不匹配。然而，需要用电场或磁场是不方便的，并且在许多应用场合是不希望的，特别是那些存在的场会产生干扰的场合。
还有的其它光学薄膜是将第一聚合物作为掺杂分散物加入第二聚合物中，然后在一个或两个方向上拉伸得到的复合体来制得。美国专利4,871,784(Otonari等)是这种技术的代表。聚合物选择得使分散相和周围基质聚合物间的粘合性较差，使得在拉伸薄膜时在每个掺杂物周围形成椭球形空隙。这种空隙的尺寸与可见光波长大致相当。在这些有“微空隙”的薄膜中，空隙和聚合物间的折射率不匹配通常相当大(约为0.5)，从而引起大量漫反射。然而，由于界面的几何结构不同，所以微空隙材料的光学性质很难控制，而且不能形成折射率相当匹配的薄膜轴，而折射率相当匹配的轴对于偏振敏感的光学的质是有用的。另外，这些材料中的空隙在暴露在热和压力下时很容易瘪塌。
也制成了分散相以有序的方式确定地排列在连续基质中的光学薄膜。美国专利5,217,794(Schrenk)是这种技术的代表。其中公开了一种用聚合掺杂物制成的层状聚合薄膜，掺杂物在两个轴上的尺寸比波长大，它排列在另一聚合材料的连续基质中。分散相沿层压片一个或更多个轴向的折射率与连续相折射率明显不同，而在另一方向上相当匹配。由于分散相的有序化(ordering)，因此这种类型的薄膜在它们主要是反射的情况下表现出很强的虹彩(即以干涉为基的与角度有关的显色(interference-based angle dependent coloring))。因此，在希望有光学漫射的场合下，这种薄膜的用途有限。
因此，本领域中需要一种光学材料，它包括一连续相和一分散相，其中可对材料在三维轴向上两相间的折射率不匹配进行方便而持久的控制，以获得所需程度的漫射、镜面反射和透射，其中光学材料对于应力、应变、温度差异以及电场和磁场是稳定的，其中光学材料有低水平的虹彩。本发明，如下面所公开的，满足了这些以及其它要求。
附图简述

图1是根据本发明制得的光学体的示意图，其中分散相排列成一系列截面基本为圆形的伸长物；图2是根据本发明制得的光学体的示意图，其中分散相排列成一系列截面基本呈椭圆形的伸长物；图3a-e表示根据本发明制得的光学体中分散相的各种形状；图4a是本发明的取向薄膜中垂直于取向方向的偏振光的双向散射分布与散射角度的关系；图4b是本发明的取向薄膜中平行于取向方向的偏振光的双向散射分布与散射角度关系；图5表示根据本发明制得的多层薄膜；图6a和6b是本发明光学膜的电子显微照片；图7是本发明膜的垂直透射光谱；
图8是将本发明膜用作光纤用高效光线引出器的示意图；图9A和9B分别是本发明膜和市售膜的相对增益与观察角的关系图。
发明概要本发明一方面涉及一种漫反射薄膜或其它光学体，它包含双折射连续聚合物相和排列在连续相中的基本上非双折射的分散相。连续相和分散相的折射率在三个相互正交轴的第一个轴向上是基本不匹配的(即，相互之间的差大于约0.05)。而在三个相互正交轴的第二个轴向上是基本匹配的(即，差异小于约0.05)。在一些例子中，连续相和分散相的折射率沿或平行于三个相互正交轴的第三个轴向上是基本匹配或不匹配的，以制成反射镜或偏振器。沿或平行于不匹配轴偏振的入射光被散射，从而导致了显著的漫反射。沿匹配轴偏振的入射光被散射的程度要低得多，它主要是分谱透射(spectrally transmitted)。这些性质可用来制备各种用途的光学薄膜，应用包括低损失(没有显著的吸收)反射偏振器，它可用来漫反射没有被显著地透射的偏振光。
本发明的一个相关方面涉及一种光学薄膜或其它光学体，它包含一双折射连续相和一分散相，其中连续相和分散相的折射率在垂直于光学体表面的轴向上是基本匹配的(即，其中连续相和分散相的折射率差小于约0.05)。
本发明另一方面涉及一种组合的光学体，它包含一聚合物双折射连续相(第一相)，其中的分散相(第二相)可以是双折射的，但是至少两个正交方向上的匹配和不匹配程度主要是由第一相的双折射引起的。
本发明还有一个方面涉及一种获得漫反射偏振器的方法，包括以下步骤提供第一种树脂，它的双折射程度可通过施加一个力场(如通过空间取向而产生的)或施加一个电场来改变，从而使获得的树脂材料在至少两个正交方向上的折射率之差大于约0.05；提供第二种树脂，使其分散在第一种树脂中；和向两个树脂的复合体施加所述力场，使得两种树脂的折射率在两个方向中的一个方向上大致匹配，相差小于约0.05，而在两个方向中的另一个方向上，第一种和第二种树脂间折射率差大于约0.05。在一个相关的例子中，是在施加力场从而改变第一种树脂的双折射性后，将第二种树脂分散在第一种树脂中。
本发明还有一个方面涉及一种作为高消光比反射偏振器的光学体。在这个方面，匹配方向上的折射率差应选得尽可能小，而不匹配方向上的折射率差应尽可能大。体积分数、厚度和分散相颗粒大小和形状的选择应使消光比最大，尽管对于不同的应用，不同偏振态的光学透射和反射的相对重要性有所不同。
本发明另一个方面涉及一种光学体，它包含一个连续相，一个分散相和一种二向色性染料，分散相的折射率与所述连续相不同，它们间的差在第一轴向上大于约0.05，在正交于所述第一轴向的第二轴向上小于约0.05。光学体最好沿至少一个轴向取向。二向色性染料通过吸收(除散射外)平行于取向轴偏振的光提高了光学体的消光系数。
在本发明另一方面，提供了一种至少具有第一相和第二相的光学体，所述两相在至少一个轴向上是共连续的。在第一轴向上，第一相的折射率比第二相的折射率大约0.05；而在与所述第一轴向正交的第二轴向上，第一相的折射率比第二相的折射率小约0.05。在其它实例中，可使用三个或多个共连续相，以便沿相互正交的轴向获得相同或相似的匹配和不匹配。
本发明的另一方面提供了一种光学体，它包括具有连续相和分散相的膜，上面置有抗反射层。这种膜显示出平坦的透射-光波长曲线，能将装有反射偏振器的最终显示器件的颜色变化减至最小。
在本发明的各个方面，通过选择或控制各种参数，包括连续相和分散相的光学折射率、分散相颗粒的大小和形状、分散相的体积分数、部分入射光通过的光学体的厚度和感兴趣的电磁辐射波长或波段(wavelength band)，可确定入射光的至少两个正交偏振的反射和透射性质。
沿一特定轴向的折射率匹配或不匹配的大小将直接影响沿该轴偏振的光的散射程度。通常，散射本领与折射率不匹配的平方成正比。因此，沿一特定轴的折射率不匹配越大，沿该轴偏振的光的散射就越强。相反，当沿一特定轴的不匹配很小时，沿该轴偏振的光的散射程度就很小，从而镜面透射通过整个物体。
分散相的大小对散射也有显著影响。如果分散相颗粒太小(即，小于媒质内感兴趣光波长的约1/30)，且每立方波长内有许多颗粒的话，光学体就相当于一个沿任何给定轴的有效折射率在两个相的折射率之间的媒质。在这种情况下，很少有光散射。如果颗粒太大，则光从颗粒表面镜面散射，很少有光漫射至其它方向。当颗粒在至少两个正交方向上太大时，也会发生不希望有的虹彩效应。当颗粒变大时也会到达实际生产的极限，因为光学体的厚度会变大，而所需的机械性质会受到损害。
分散相颗粒的形状也会影响光散射。颗粒对折射率匹配和不匹配方向上的电场消偏振系数会减少或增加给定方向上的散射量。其效果会增强或减弱(detract)折射率不匹配产生的散射量，但是在本发明中的性质较佳范围内，其对散射的影响通常很少。
颗粒的形状也影响从颗粒散射出的光的漫射程度。这种形状影响通常是很小的，但是随着垂直于入射光方向的平面中颗粒几何截面的纵横比增加和颗粒变得相对较大，这种影响会增加。通常，在实施本发明时，如果希望是漫反射而不是镜面反射，那么分散相颗粒在一个或两个互相正交方向上的大小应小于数个光波长。
分散相的空间排列对散射能力也有影响。特别发现，在本发明制得的光学体中，经排列的散射体不会象随机排列的散射体那样绕镜面透射或反射方向的对称地散射光。特别地，通过取向被拉成杆状的掺杂物基本上沿着以取向方向为中心且边缘沿镜面透射方向的圆锥(或附近)散射光。例如，对于从垂直于取向的方向入射到这种拉长杆上的光，散射光呈现为在垂直于取向方向的平面内的一条光带，其强度随着离开镜面方向的角度增加而减弱。通过调节掺杂物的几何结构，可对散射光在透射半球和反射半球中的分布进行一定的控制。
分散相的体积分数也对本发明光学体中的光散射有影响。在一定的范围内，增加分散相的体积分数会增加光线进入物体后在匹配和不匹配方向上偏振光发生的散射量。这一因素对于控制给定应用场合下的反射和透射性质是重要的。然而，如果分散相的体积分数太大，则光散射会减小。不拟与理论结合，这看来是由于分散相颗粒相对于光波长来说靠得太近，从而各颗粒的共同作用，相当于数量较少的等效大颗粒。
光学体的厚度也是一个重要的控制参数，可通过控制它来影响本发明中的反射和透射性质。随着光学体厚度的增加，漫反射也会增加，而镜面透射和漫透射都会减弱。
尽管本发明是参照光谱的可见区域来进行描述的，但是通过适当地按比例改变光学体的组分，本发明的各种例子可用于电磁辐射的不同波长(以及频率)。因此，随着波长的增加，光学体组分的线度应增加，使得尺度(以波长单位测定)大约保持恒定。改变波长的另一个主要影响是，对于大多数感兴趣的材料来说，折射率和吸收系数的变化。然而，折射率匹配和不匹配的原理仍适用于每一种感兴趣的波长。
发明详述导论本文中，术语“镜面反射”指光线反射至以镜面角为中心、顶角为16°的出射圆锥体内。术语“漫反射”指光线反射至上述镜面反射圆锥体外。术语“总反射”指表面上所有光线的总的反射。因此，总反射是镜面反射和漫反射之和。
同样，本文所用的术语“镜面透射”指光线透射至以镜面方向为中心、顶角为16°的出射圆锥体内。本文所用的术语“漫透射”指光线透射至上述镜面透射圆锥体外。术语“总透射”指透射通过光学体的所有光线的总和。因此，全透射是镜面透射和漫透射之和。
本文所用的术语“消光比”定义为在一个偏振方向下透过的光的总量与正交偏振方向下透过的光之比。
图1-2描述了本发明的第一个例子。根据本发明制得漫反射性光学薄膜10或其它光学体，它包括一个双折射性基质即连续相12和一个不连续或分散相14。连续相的双折射性通常至少约为0.05，更佳的至少约为0.1，还要佳的至少为约0.15，最佳的至少约为0.2。
连续相和分散相的折射率沿三个互相正交轴中第一个轴是基本匹配的(即，折射率差小于约0.05)，且沿三个互相正交轴中第二个轴是基本上不匹配的(即，其差大于约0.05)。较佳的，在匹配方向上连续相和分散相的折射率差小于约0.03，小于约0.02更佳，小于约0.01最佳。在不匹配方向上连续相和分散相的折射率差宜至少约为0.07，更佳的应至少约为0.1，最佳的应至少约为0.2。
沿一特定轴的折射率不匹配的效果是，沿该轴偏振的入射光基本上被散射，从而形成显著数量的反射。相反，沿折射率匹配的轴方向偏振的入射光会镜面透射或镜面反射，而只有很少程度的散射。这个效果可用来制备各种光学器件，包括反射偏振器和反射镜。
本发明提供了一种实用而简单的光学体和制备一种反射偏振器的方法，也提供了一种根据本文所述原理获得连续范围的光学性质的的方法。同样，也可获得非常有效的低损失高消光比偏振器。其它优点是有广泛的实用材料用于分散相和连续相，以及在提供有稳定而可预测的高质量性能的光学体时有高度的控制性。
折射率匹配/不匹配的效果在较佳的例子中，连续相和分散相中的至少一种材料是一种在取向时折射率发生改变的材料。所以，当薄膜在一个或多个方向上取向时，沿一个或多个轴产生了折射率匹配或不匹配。通过仔细控制取向参数和其它加工条件，基质的正或负双折射性可用来产生沿一个或两个给定轴偏振的光的漫反射或漫透射。透射和漫反射间的相对比例取决于分散相掺杂物的浓度、薄膜厚度、连续相和分散相间的折射率差的平方、分散相掺杂物的大小和几何形状以及入射辐射的波长或波段。
沿一特定轴的折射率匹配或不匹配的量值直接影响沿该轴偏振的光的散射程度。通常，散射本领随折射率不匹配的平方变化。因此，沿一特定轴的折射率不匹配越大，沿该轴的偏振光散射就越强。相反，当沿一特定轴的不匹配很小时，沿该轴偏振的光散射的程度就很小，从而镜面透射通过物体。
图4a-b说明了根据本发明制得的取向薄膜中的这个效果。其中显示了632.8nm的法向入射光的典型的双向散射分布函数(Bidirectional ScatterDistribution Function)(BSDF)测定结果。BSDF在J.Stover的“光学散射测量和分析”(＂Optical Scattering Measurement and Analysis＂)(1990)中有所描述。这两个图显示了垂直和平行于取向轴的偏振光的BSDF与散射角的关系。0°散射角与未散射(镜面透射)光对应。对于在折射率匹配方向(即，与取向方向垂直的方向)上的偏振光来说，如图4a中所示，有一个明显的镜面透射峰，并有相当多的漫透射光(散射角在8至80°间)，以及少量漫反射光(散射角大于100°)。而对于在折射率不匹配方向(即，与取向方向平行的方向)上的偏振光来说，如图4b所示，有可忽略的镜面透射光和数量大大减少的漫透射光，和相当多的漫反射光。应当注意的是，这些曲线表示的散射平面是与这些伸长掺杂物的取向方向垂直的平面(大多数散射光在这个平面内)。在该平面外的散射光则大大减弱。
如果掺杂物(即分散相)沿某一轴的折射率与连续的主体媒介匹配，那么电场与该轴平行的入射偏振光将通过而不散射，不论掺杂物的大小、形状和密度如何。如果沿某一轴的折射率不匹配，那么掺杂物将散射沿该轴偏振的光。对于有给定截面积、线度大于约λ/30(λ是媒介中光的波长)的散射体，散射强度在很大程度上由折射率不匹配值来决定。不匹配掺杂物的确切大小、形状和排列方式在决定有多少光从该掺杂物散射到各方向上起一定作用。如果散射层的密度和厚度足够大，根据多重散射理论，入射光会被反射或吸收，而不会透射，无论散射体的具体大小和形状如何。
当材料被用作偏振器时，它最好通过拉伸处理，并允许平面内拉伸方向的横向上有一定的尺寸松弛，使沿平行于材料表面的平面内第一轴的连续相和分散相间折射率差较大，而沿其他两个正交轴较小。这就导致了对不同偏振态的电磁辐射有较大的光学各向异性。
本发明范围内的一些偏振器是椭圆偏振器。通常，椭圆偏振器在拉伸方向和拉伸方向的横向上均存在分散相和连续相间的折射率差。前向和反向散射之比依赖于分散相和连续相间的折射率差、分散相的浓度、分散相的大小和形状以及薄膜的总厚度。通常，椭圆漫射体中分散相颗粒和连续相间的折射率差比较小。通过使用以双折射性聚合物为基的漫射体，可获得高度的椭圆偏振灵敏度(即，漫反射率依赖于光的偏振方式)。在极端情况下，当聚合物的折射率在一个轴上匹配时，椭圆偏振器将是一种漫反射偏振器。
获得折射率匹配/不匹配的方法用于本发明的偏振器的材料，以及这些材料的取向程度最好选择成使得，在制成的偏振器中，两个相至少在一个轴上的相关折射率是基本相等的。该轴(它通常是，但不是必须是，取向方向的横向)上的折射率匹配会导致在该偏振平面上基本没有光反射。
在拉伸后，分散相在取向方向上的折射率也会有所降低。如果主体的双折射性是正型(positive)的，则分散相具有负型(negative)应变诱导的双折射性时，有提高取向轴上相邻相之间折射率差的优点，尽管偏振平面与取向方向垂直的光的反射仍是可忽略的。在取向后，取向方向的正交方向上相邻相间的折射率差应小于约0.05，最好小于约0.02。
分散相也可表现出正型应变诱导的双折射性。然而，这可通过热处理来改变，以使垂直于连续相取向方向的轴上的折射率匹配。热处理温度不应过高而使连续相中的双折射性松弛(relax)。
分散相的大小分散相的大小对散射也有显著影响。如果分散相颗粒太小(即，小于感兴趣的光在媒质内波长的约1/30)，且每立方波长内有许多颗粒的话，光学体就相当于一个沿任何给定轴的有效折射率在两个相的折射率之间的媒质。在这种情况下，很少有光散射。如果颗粒太大，则光从颗粒表面镜面散射，很少有光漫射至其它方向。当颗粒在至少两个正交方向上太大时，也会发生不希望有的虹彩效应。当颗粒变大时也会到达实际生产的极限，因为光学体的厚度会变大，而所需的机械性质会受到损害。
在排列后，分散相颗粒的尺寸可根据光学材料所要求的用途而不同。因此，例如，颗粒的尺寸可根据具体应用中的感兴趣的电磁辐射波长而不同，对于反射或透射可见光、紫外线、红外线和微波辐射，需要有不同的尺寸。然而，通常颗粒的长度应约大于媒质中感兴趣的电磁辐射波长的1/30。
较佳地是，在光学体用作低损失反射偏振器时，颗粒的长度约大于感兴趣波长范围内电磁辐射波长的2倍，最好大于波长的4倍。颗粒的平均直径宜等于或小于感兴趣波长范围内的电磁辐射波长，最好小于所需波长的0.5倍。尽管分散相的尺寸在许多应用中是次要的考虑因素，但是在漫反射相对较少的薄膜应用中，它变得较为重要。
分散相的几何形状尽管折射率不匹配是本发明薄膜中赖以促进散射的主要因素(即，根据本发明制得的漫射镜或偏振器在至少一个轴上连续相和分散相的折射率有明显不匹配)，但是分散相颗粒的几何形状对于散射有次要的影响作用。因此，颗粒对折射率匹配和不匹配方向上的电场的退极化因子可减少和增加给定方向上的散射量。例如，当分散相在沿垂直于取向轴的平面上截取的截面是椭圆形时，分散相的椭圆形截面形状会在反向散射光和前向反射光中产生不对称漫射。该影响可增强或减强(detract)由折射率不匹配产生的散射量，但是在本发明较佳的性质范围内，其对散射的影响较小。
分散相颗粒的形状也影响从颗粒散射出的光的漫射程度。这种形状的影响通常是很小的，但是随着垂直于入射光方向的平面中颗粒几何截面的纵横比增加和颗粒变得相对较大，这种影响会增加。通常，在实施本发明时，如果希望是漫反射而不是镜面反射，那么分散相颗粒在一个或两个互相正交方向上的大小应小于数个光波长。
对于低损失反射偏振器来说，较佳的例子中包括位于连续相中的一系列杆状结构的分散相，该结构经取向而有较高的纵横比，该纵横比可通过提高平行于取向方向的偏振光相对于垂直于取向方向的偏振光的散射强度色散来提高其反射。然而，如图3a-e所示，分散相可以有许多不同的几何结构。因此，分散相可以是碟状或伸长的碟状(如图3a-c所示)、杆状(如图3d-e所示)或球状的。其它可考虑的例子是，其中分散相截面积大致呈椭圆形(包括圆形)、多边形、不规则形状或这些形状的一个或多个的组合。分散相颗粒的截面形状和大小可以随不同颗粒而不同、或随不同薄膜区域(即，从表面到芯部)而不同。
在一些例子中，分散相可以有一芯壳结构，其中芯和壳可用相同或不同的材料制成，或者芯是中空的。因此，例如，分散相可包含长度相等或随机的、截面均一或不均一的中空纤维。纤维的内部空间可以是空的，或可被固体、液体或气体、有机或无机的合适媒质占据。该媒质的折射率可根据分散相和连续相的折射率来选择，以获得所需的光学效应(即，沿一给定轴的反射或偏振)。
通过对光学材料适当地取向或加工、采用有特定几何结构的颗粒或两者的组合，可获得分散相所需的几何结构。因此，例如，基本呈杆状结构的分散相可通过使含有大致呈球形的分散相颗粒的薄膜沿一个轴取向来制备。通过对薄膜在垂直于第一个轴的第二方向上取向，杆状结构可获得椭圆形截面。作为另一个实施例，基本上是杆状结构，且杆的截面积是矩形的分散相可通过将一个其中的分散相含有一系列基本上为矩形的薄片的薄膜在一个方向取向来制得。
拉伸是一种获得所需几何结构的简便方法，因为拉伸也可用来使材料内的折射率产生差异。如上所述，根据本发明制得的薄膜可以在多个方向上取向，并且可以相继地或同时进行。
在另一个实施例中，连续相和分散相的组分可被挤塑，使得分散相在未取向薄膜中的一个轴上呈杆状。通过在挤塑薄膜中杆的主轴方向上取向，可获得有较高纵横比的杆。通过在挤塑薄膜中杆主轴的正交方向上取向，可获得片状结构。
图2中的结构可通过对连续基质中基本呈球形的颗粒混合物进行不对称双轴取向来制得。或者，结构可通过将多个纤维状结构加入基质材料中，使结构沿一个轴排列并使昆合物在该轴横向上取向来制得。获得这种结构的还有一种方法是，控制聚合物混合物中各组分的相对粘度、剪切力或表面张力，以在混合物挤塑成薄膜时产生纤维状分散相。通常，在挤塑方向上施加剪切力时可获得最好的效果。
分散相的空间排列空间排列也对分散相的散射能力有影响。特别发现，在本发明制得的光学体中，经排列的散射体不会象随机排列的散射体那样绕镜面透射或反射方向对称地散射光。特别地，通过取向被拉成杆状的掺杂物基本上沿以取向方向为中心并沿镜面透射方向的圆锥表面(或附近)散射光。这会导致散射光在镜面反射和镜面透射方向周围的各向异性分布。例如，对于垂直取向的方向入射到这种拉长杆上的光来说，散射光呈现为垂直于取向方向的平面上的光带，其强度随着离开镜面方向的角度增加而减弱。通过调节掺杂物的几何结构，可对散射光在透射半球和反射半球中的分布进行一定的控制。
分散相的尺寸在光学体用作低损耗反射偏振器的应用中，分散相的结构最好有高的纵横比，即结构的一个线度比其它所有线度大得多。纵横比宜至少为2，更佳地至少为5。最大线度(即长度)宜至少为感兴趣波长范围内电磁辐射波长的2倍，更佳的至少为所需波长的4倍。另一方面，分散相结构的较小(即截面线度)宜小于或等于感兴趣的波长，更佳的应小于感兴趣波长的0.5倍。
分散相的体积分数分散相的体积分数也对本发明光学体中的光散射有影响。在一定的范围内，增加分散相的体积分数会增加光线进入物体后在偏振光的匹配和不匹配方向上发生的散射量。这一因素对于控制给定应用场合下的反射和透射性质是重要的。
所需的分散相体积分数依赖于多种因素，其包括连续相和分散相材料的具体选择。然而，通常分散相的体积分数至少约为连续相的1％(体积)，更佳的在约5至15％范围内，最佳的在15至30％范围内。
共连续相如果粘度基本相等的高分子聚合物的二元混合物的体积分数达到50％，将难以区分连续相和分散相，因为各个相在空间上变得连续了。根据材料的选择，还存在第一相似乎分散在第二相中的区域，反之亦然。对于各种共连续形态以及对于评价、分析和表征这种形态的方法的描述内容，可参见Sperling和该文所引用的参考文献(L.H.Sperling,“Microphase Structure”Encyclopedia of PolymerScience and Engineering，第二版，Vol.9,760-788和L.H.Sperling,Chapter 1“Interpenetrating Polymer Networks:An Overview”,Interpenetrating PolymerNetworks，由D.Klempner,L.H.Sperling，和L.A.Utracki编辑，Advances inChemistry Series#239,3-38,1994)。
可根据许多方法制得具有共连续相的本发明材料。例如，将第一相聚合物材料与第二相聚合物材料机械掺混形成共连续体系。由掺混形成的共连续形态的例子，被描述于例如D.Bourry和B.D.Favis的“Co-Continuity and Phase Inversion inHDPE/PS Blends:The Role of Interfacial Modification”,1995 Annual TechnicalCoferenee of the Society of Plastics Engineers ANTEC,Vol.53,No.2,2001-2009(聚苯乙烯/聚乙烯掺混物)，以及A.Leclair和B.D.Favis的“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/聚乙烯掺混物)。
还可如下制得本发明共连续相首先用超临界液体提取法使其溶解(例如，象美国专利4,281,084公开的用于聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯掺混物那样)，随后用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)所述的那样，在暴露于加热和/或施加机械应力后，使之分相。
制备本发明共连续相的另一种方法是通过形成互相渗透的聚合物网络(IPN)，较重要的一些IPN包括同步IPN、依次IPN、梯度IPN、胶乳IPN、热塑性IPN和半IPN。这些和其它类型的IPN，其物理性能(如相图)及其制备和表征方法可参见，例如L.H.Soerling和V.Mishra,“Current Status ofInterpenetrating Polymer Network”,Polymer for 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)。制备这些体系的一些重要方法综述如下。
制备同步IPN将两种或多种聚合物网络的各种单体或预聚物加上交联剂和活化剂混合在一起，随后使各种单体或预聚物以互不干扰的方式同时进行反应。例如，可利用链聚合动力学进行一种反应，利用逐步聚合动力学进行另一种反应。
制备依次IPN首先形成初步的聚合物网络。随后将一种或多种其它网络的单体、交联剂和活化剂溶胀在该初始聚合物网络中，在该网络中它们原位反应，形成其它聚合物网络。
合成梯度IPN这种IPN材料中一处和另一处的总组成或交联密度在宏观上看来是不同的。这种体系可通过，例如形成主要在膜一个表面上的第一聚合物网络以及主要在膜另一表面上的第二聚合物网络，并在整个膜的内部具有组成梯度而制得。
制得的胶乳IPN是胶乳状的(如具有内芯和外壳的结构)。在某些变化方式中，可混合两种或多种胶乳并形成一种将聚合物交联的膜。
热塑性IPN是用物理交联代替化学交联的聚合物掺混物和IPN的混合物。结果，在提高的温度下这些材料能像热塑性弹性体那样流动，但是在正常使用温度下它们交联并具有IPN那样的性能。
半IPNs是两种或多种聚合物的组合物，其中一种或多种聚合物是交联的，一种或多种聚合物是线型的或带支链的。
如上所述，在多组分体系中和在双组分体系中都可获得共连续性。例如可将三种或多种材料组合在一起以得到要求的光学性能(如透射率和反射率)和/或改进的物理性能。所有组分可以是互不混溶的，或者两种或多种组分是可混溶的。具有共连续性的许多三元体系描述在例如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)。
相结构的特性尺寸、可观察到共连续性的体积分数范围、以及形态稳定性均会受到添加剂(如相容剂)、接枝或嵌段共聚物、或活性组分(如马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯)的影响。这种影响可参见例如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中对聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯掺混物的描述。但是，对于具体的体系，可通过常规实验建立相图并用以制造本发明的共连续体系。
根据制造方法、相的混溶性、存在的添加剂以及本领域中已知的其它因素，本发明共连续体系的显微结构可明显不同。例如，共连续体系中的一个或多个相可以是纤丝状的，所述纤维可无规取向或沿同一轴取向。其它共连续体系可包括第一相的开口泡孔基质，第二相以共连续的方式被置于该基质的泡孔中。这些体系中的各相可仅沿一个轴向、沿二个轴向或沿三个轴向共连续。
在许多情况下，具有共连续相(特别是IPN)的本发明光学体的性能优于仅有一个连续相的同样光学体的性能，当然，这取决于多种聚合物的单独的性能和这些聚合物的结合方式。例如，本发明共连续体系允许结构不相似的聚合物化学和物理地结合，从而提供了一种方便的改进光学体的性能使之满足特殊需要的途径。另外，共连续体系通常容易加工，并具有如耐候性、低可燃性、高的耐冲击性和拉伸强度、改进的挠性和优良的化学品耐受性等性能。IPN特别适用于某些用途，因为它们常在溶剂中溶胀(但不溶解)，并且与类似的非IPN体系相比，显示出受抑制的蠕变和流动性(参见如D.Klempner和L.Berkowski“InterpenetratingPolymer Networks”,Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,2nd Ed.,Vol.9,489-492)。
本领域的熟练技术人员可结合本领域已知的共连续体系的原理和本文所述的内容制造具有独特光学性能的共连续形态。例如，可根据本文公开的内容控制已知共连续形态的折射率，以制备新的本发明光学膜。同样，可将本发明公开的原理用于已知的光学体系中制造共连续形态。
光学体的厚度光学体的厚度也是一个重要的参数，可通过控制它来影响本发明的反射和透射性质。随着光学体厚度的增加，漫反射也会增加，而镜面透射和漫透射会减弱。因此，尽管光学体的厚度通常选择成使最终产物具有所需的机械强度，但是它也可用来直接控制反射和透射性质。
也可用厚度来最终调节光学体的反射和透射性质。因此，例如在薄膜涂布中，用来挤塑薄膜的装置可由测定挤塑薄膜中的透射和反射值、改变薄膜厚度(即通过调节挤塑速率或改变流延轮速度(casting wheel speed)来改变)的下游光学装置来控制，以使反射和透射值保持在预定的范围内。
连续相/分散相的材料根据光学体涉及的具体应用，许多不同的材料可用作本发明光学体的连续相或分散相。这些材料包括无机材料如二氧化硅为基的聚合物、有机材料如液晶，以及聚合材料，包括单体、共聚物、接枝聚合物、及它们的混合物。给定应用中材料的准确选择是由特定轴上连续相和分散相间所希望得到的折射率匹配和不匹配、以及获得产品中所需的物理性质决定的。然而，连续相材料的特征通常是其在所需光谱区域下是基本上透明的。
在选择材料时另一个考虑因素是，得到的产品必须含有至少两个不同的相。这可通过浇铸从两种或多种互不混溶的材料获得的光学材料来实现。或者，如果需要用相互混溶的第一和第二种材料制备光学材料，且第一种材料的熔点比第二种材料高的话，在一些情况下可以在低于第一种材料熔点的温度下将尺寸合适的第一种材料颗粒包埋在第二种材料的熔融基质中。然后得到的混合物可以流延成薄膜，随后取向或不取向，制成光学器件。
适于用作本发明中的连续相或分散相的聚合材料可以是非晶形、半晶形、或结晶聚合材料，包括从基于羧酸(如间苯二酸、壬二酸、己二酸、癸二酸、二苯甲酸(dibenzoic acid)、对苯二甲酸、2,7-萘二甲酸、2,6-萘二甲酸、环己烷二羧酸和联苯甲酸(包括4,4′-联苯甲酸))的单体制得的材料，或从上述酸的相应酯(即，对苯二甲酸二甲酯(dimethylterephthalate))制得的材料。其中，聚-2,6-萘二甲酸乙二醇酯(PEN)(2,6-polyethylene naphthalate)是特别佳的，因为它有应变诱导双折射性和在拉伸后持久保持双折射性的能力。PEN对于波长为550nm的入射偏振光，当偏振平面与拉伸轴平行时，其折射率在拉伸后从约1.64升高至高达约1.9，而对于垂直于拉伸轴偏振的光，其折射率是降低的。PEN在可见光谱内双折射为0.25至0.40(在这种情况下，是沿拉伸方向的折射率和垂直于拉伸方向折射率之差)。双折射可通过提高分子取向来增加。根据制备薄膜时所用的加工条件，PEN在约155℃至高达约230℃下基本上是热稳定的。
聚萘二甲酸丁二醇酯以及其它结晶萘二甲酸聚酯也是合适的材料。结晶萘二甲酸聚酯在平面内不同轴上的折射率差至少为0.05，最好大于0.20。
当用PEN作为本发明光学材料中的一个相时，另一个相宜为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或间同立构乙烯基芳族聚合物如聚苯乙烯(sPS)。其它与PEN一起使用的较佳聚合物是基于对苯二甲酸、间苯二酸、癸二酸、壬二酸或环己烷二羧酸或这些物质相应的烷基酯的聚合物。也可用少量的萘二甲酸来改善相间的粘合性。二醇组分可以是乙二醇或相关的二醇。较佳的，所选聚合物的折射率小于约1.65，更佳的小于约1.55，虽然使用有更高折射率的聚合物可获得相同的结果，如果有相同的折射率差的话。
用于本发明的间同立构乙烯基芳族聚合物包括聚(苯乙烯)、聚(烷基苯乙烯)、聚(苯乙烯卤化物)、聚(烷基苯乙烯)、聚(苯甲酸乙烯酯)及其氢化的聚合物和混合物，或含有这些结构单元的共聚物。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(苯乙烯卤化物)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)。在这些例子中，特别佳的苯乙烯基团聚合物是聚苯乙烯、聚(对甲基苯乙烯)、聚(间甲基苯乙烯)、聚(对叔丁基苯乙烯)、聚(对氯苯乙烯)、聚(间氯苯乙烯)、聚(对氟苯乙烯)，以及苯乙烯和对甲基苯乙烯的共聚物。
另外，除了上述苯乙烯基团聚合物的单体外，作为间同立构乙烯基-芳族基团共聚物的共聚单体还有烯烃单体如乙烯、丙烯、丁烯、己烯或辛烯；二烯烃单体如丁二烯、异戊二烯；极性乙烯基单体如环二烯单体、甲基丙烯酸甲酯、马来酸酐或丙烯腈。
本发明的间同立构乙烯基芳族聚合物可以是嵌段共聚物、无规共聚物或交替共聚物。
本发明中所指的有高水平间同立构结构的乙烯基芳族聚合物通常包括间同立构规正度高于75％(用C-13核磁共振测得)的聚苯乙烯。较佳的，间同立构规正度应高于85％外消旋二单元体(diad)，或高于30％外消旋五单元体(pentad)，较佳的应高于50％。
另外，尽管没有具体限制这些间同立构-乙烯基芳族基团聚合物的分子量，但是其重均分子量宜大于10000而小于1000000，更佳的应大于50000而小于800000。
关于其它树脂，可提到的各种类型，包括无规立构的乙烯基芳族基团聚合物、全同立构的乙烯基芳族基团聚合物，以及所有可混溶的聚合物。例如，聚亚苯基醚表现出良好的与前述乙烯基芳族基团聚合物的混溶性。而且，这些可混溶的树脂组分的成发宜在70至1％重量间，或更佳的在50至2％重量间。当可混溶树脂组分的成分超过70％，耐热性就会变差，而这通常是不希望的。
某一特定相的所选聚合物不必是共聚多酯或共聚碳酸酯。也可采用由乙烯基萘、苯乙烯、乙烯、马来酐、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯之类单体制得的乙烯基聚合物和共聚物。也可用非聚酯和聚碳酸酯之外的缩聚物。合适的缩聚物包括聚砜、聚酰胺、聚氨基甲酸乙酯、聚酰胺酸和聚酰亚胺。如果需要使折射率大致匹配，且PEN是主体的话，可用萘基团和卤素如氯、溴和碘来使所选聚合物的折射率增大到所需水平(1.59至1.69)。丙烯酸酯基团和氟对降低折射率特别有用。
可用少量的共聚单体代替萘二甲酸聚酯，只要取向方向上的大的折射率差基本不受损失。较小的折射率差(因此降低了反射性)可由下列任何优点弥补连续相和分散相间的改善的粘合性、挤塑温度的降低和熔融粘度较好的匹配。
光谱区域尽管本发明通常是参照光谱的可见区域来进行描述的，但是通过适当地按比例改变光学体的组分，本发明的各个例子可用于不同的电磁辐射波长(以及频率)。因此，随着波长的增大，可增加光学体组分的线性大小，使得这些组分的尺寸(以波长单位测定)大致保持恒定。
当然，改变波长的一个主要影响是，对于大多数感兴趣的材料来说，折射率和吸收系数的变化。然而，折射率匹配和不匹配的原理仍适用于每一种感兴趣的波长，并可用来选择在特定光谱区域中操作的光学器件所用的材料。因此，例如，适当地按比例改变尺寸就可在光谱中红外区、近紫外区和紫外区中操作。在这种情况下，折射率指在这些操作波长下的数值，物体厚度和分散相散射成分的大小也应大致根据波长来按比例改变。可采用甚至更广的电磁波谱，其包括甚高频、超高频、微波和毫米波频率。这时仍存在根据波长适当按比例改变的偏振和漫射效应，折射率可从介电函数(dielectric function)(包括实部和虚部)的平方根获得。在这些波长较长的频带中，有用的产品可以是漫反射偏振器和部分偏振器。
在本发明的一些例子中，光学体的光学性质在感兴趣的波长频带范围内是不同的。在这些例子中，可用于连续相和/或分散相的材料，在一个或多个轴上的折射率在一个波长区域内与另一个区域是不同的。连续相和分散相材料的选择、材料具体选这后获得的光学性质(即，漫射和分散体反射或镜面透射)将依赖于感兴趣的波段。
表层可将一层基本无分散相的材料共延伸地置于所述膜(即分散相和连续相的挤出混合物)的一个或两个主表面上。可选择该层(也称作“表层”)的组分，例如，来保护分散相在挤出混合物中的完整性，以赋予最终膜以机械或物理性能，或赋予最终膜以光学功能。所选的合适材料包括用作连续相的材料或用作分散相的材料。也可使用熔融粘度与挤出的混合物相同的材料。
一层或多层表层将使挤出混合物在挤出过程中，尤其是在挤出模头中可能会遇到的较宽的剪切应力范围变窄。高的剪切环境会引起不利的表面空隙并产生有纹理的表面。在膜厚度内有较宽范围的剪力也会阻碍分散相在混合物中形成所需的颗粒大小。
一层或多层表层也会增加最终复合体的物理强度，或减少加工中的问题，例如减少膜在取向过程中撕裂的趋势。保持无定形的表层材料会使膜具有较高的韧性，而半晶形的表层材料会使膜具有较高的拉伸模量。可向表层中加入其它功能性组分，如抗静电剂、紫外线吸收剂、染料、抗氧化剂和颜料，只要它们基本上不影响制得产品所需的光学性能即可。
还可施加表层或涂层以赋予最终的膜或器件以防渗性能。例如，可施加防渗膜或涂层作为表层或表层中的组分，以改变膜或器件对液体(如水或有机溶剂)或气体(如氧或二氧化碳)的渗透性能。
还可施加表层或涂层以赋予或改进最终制品的耐磨性。例如，可向本发明光学膜上施加含有嵌入聚合物基质中的二氧化硅的表层，以使该膜具有耐磨性，当然前提是这种层不能损害膜在特定应用中所需的光学性能。
还可施加表层或涂层以赋予或改进最终制品的耐刺穿性和/或抗撕裂性。例如，在光学膜外层含有coPEN作为主要相的实例中，可使单片coPEN的表层与光学层一起挤出，使形成的膜具有良好的抗撕裂性。选择用作抗撕裂层的材料时要考虑的因素包括断裂伸长率，杨氏模量，撕裂强度，与内层的粘性，在感兴趣的电磁波段的透射率和吸收率，光学透明度或雾度，与频率有关的折射率，结构和粗糙度，熔体热稳定性，分子量分布，熔体流变性和共挤出性，互溶性和表层和光学层材料之间的互扩散速率，粘弹响应，在拉伸状态下的松弛和结晶性能，在使用温度的热稳定性，耐天侯性，与涂层的粘合性能和对各种溶剂和气体的渗透性能。可在制造过程中将耐刺穿或抗撕裂表层施加至光学膜上，或者在制造过程以后将其涂覆在或层压在该光学膜上。在制造过程中将这些层粘合(如用共挤出方法)在光学膜上的优点在于在制造过程中光学膜就受到保护。在某些实例中，可以单独或与耐刺穿或抗撕裂表层相结合的形式在光学膜内施加一层或多层耐刺穿或抗撕裂层。
可在挤出过程中的某一时刻，即挤出混合物和表层离开挤出模头之前，将表层施加在挤出混合物的一个或两个侧面上。这可采用常规的共挤出方法来实现，该方法包括采用三层共挤出模头。也可以将一层或多层表层层压到预先形成的挤出混合物膜上。表层总厚度为全部混合物/表层厚度的约2％至约50％。
在某些应用中，可在光学膜的制造过程中将附加层共挤出或粘合在表层的外面。这种附加层也可在独立的涂覆操作中挤出或涂覆在光学膜上，或作为独立的膜，箔或刚性或半刚性基片(如聚酯(PET)、丙烯酸(PMMA)、聚碳酸酯、金属或玻璃)层压在光学膜上。
很多聚合物适于用作表层。对于主要是无定形的聚合物，其合适的例子包括基于一种或多种下列物质的聚酯对苯二甲酸、2,6-萘二甲酸、间苯二酸、邻苯二酸、或它们的烷基酯对应物、以及亚烷基二醇如乙二醇。适合于用作表层的半结晶聚合物的例子包括聚-2,6-萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和尼龙材料。可用于增加光学膜韧性的表层包括高伸长率的聚酯，如EcdelTM和PCTG5445(购自Eastman Chemical Co.,Rochester,N.Y.)和聚碳酸酯。聚烯烃(如聚丙烯和聚乙烯)也可用于该目的，特别是用相容剂将其粘合在光学膜上时。
功能层可向本发明光学膜或器件上施加各种功能层或涂层，以改变或改进其物理性能或化学性能，特别是该光学膜或器件的表面的物理或化学性能。这些层或涂层可包括，例如滑爽剂、低粘性背衬材料、导电层、抗静电涂层或膜、防渗透层、阻燃剂、UV吸收剂、耐磨材料、光学涂层、或用于改进膜或器件的机械完整性或强度的基片。
通过用低摩擦系数的涂层或滑爽剂(如涂覆在表面上的聚合物小珠)对本发明膜和光学器件进行处理，可使之具有良好的滑爽性能。或者，例如通过控制挤出条件可改进这些材料表面的形态，使膜具有滑爽的表面。如此改变表面形态的方法公开在美国专利08/612,710中。
在某些应用(如欲将本发明光学膜用作粘合带的组分)中，需要用低粘性背胶(LAB)涂料或膜(如那些基于聚氨酯、硅氧烷或碳氟化学物)处理光学膜。经这种方法处理后的膜具有适当的压敏粘合剂(PSAs)剥离性能，从而使之能用粘合剂处理并缠绕成卷。用这种方式制得的粘合带可用于装饰，或用于要求粘合带具有漫反射或透射表面的任何用途中。
本发明膜和光学器件还可带有一层或多层导电层。这种导电层可含有金属如银、金、铜、铝、铬、镍、锡和钛，金属合金如银合金、不锈钢和铬镍铁合金，以及半导体金属氧化物如掺杂或未掺杂的氧化锡、氧化锌和氧化锡铟(ITO)。
本发明膜和光学器件还可带有抗静电涂层或膜。这种涂层或膜包括，例如V2O5和磺酸聚合物盐、碳或其它导电金属层。
本发明膜和光学器件还可带有一层或多层改善光学膜对某些液体或气体的透过性的防渗透膜或涂层。例如，本发明器件或膜可带有抑制水汽、有机溶剂、氧气或二氧化碳透过所述膜的膜或涂层。在水分渗透会损害所述膜或器件组分的高湿度环境下，尤其需要防渗透层。
还可用阻燃剂处理本发明光学膜和器件，尤其在将其用于如飞机这样的严格执行防火标准的环境的情况下。合适的阻燃剂包括铝三水合物、三氧化锑、五氧化锑和阻燃的有机磷酸盐。
本发明光学膜和器件还可带有常施涂成表层的耐磨或硬质涂层。这些涂层包括丙烯酸硬质涂层，如购自Rohm & Haas,Philadelphia,PA的Acryloid A-11和Paraloid K-120N；聚氨酯丙烯酸酯(urethane acrylates)，如美国专利4,249,011公开的和购自Sartomer Corp.,Westchester,PA的物料；以及由脂族多异氰酸酯(如Desmodur N-3300，购自Miles,Inc.,Pittsburgh,PA)和聚酯(如Tone polyol 0305，购自Union Carbide,Houston,TX)反应制得的聚氨酯硬质涂层。
还可将本发明光学膜或器件层压在刚性或半刚性基片(例如玻璃、金属、丙烯酸、聚酯和其它聚合物背衬)上以形成刚性的结构，耐候性或更容易操作。例如，可将本发明光学膜层压在薄丙烯酸或金属背衬上，使之能压印或用其它方式形成并保持要求的形状。对于某些应用(如将所述光学膜施加至其它可断裂的背衬上)，可使用包括PET膜或耐刺穿膜。
本发明光学膜和器件还可装有抗粉碎膜或涂层。适合于这种用途的膜和涂层公开在专利公告EP592284和EP591055，并可购自3M Company,St.Paul,MN。
可将各种光学层、材料和器件施加在本发明膜和器件上或与之一起用于特定的用途中。它们包括，但不限于磁性或磁-光涂层或膜；液晶板如用于显示板和保密窗的液晶板；感光乳剂；织物；分光膜如线型Fresnel透镜；增亮膜；全息照相膜或影像；可浮雕的膜；抗干扰(anti-tamper)膜或涂层；对于低发射率用途的IR透明膜；剥离膜或剥离层涂覆纸以及偏振器或反射器。
在光学膜的一个或两个主表面上的多层附加层是需要考虑的，它可以是上述涂层或膜的任意组合。例如，当将粘合剂施涂在光学膜上时，该粘合剂可含有白色颜料(如二氧化钛)以增加总体反射性，或者它可以是光学透明的以便将基片的反射性合并入光学膜的反射性中。
为了改进膜的成卷和开卷性能，本发明光学膜还可含有滑爽剂，所述滑爽剂可混入膜中或作为单独的涂层。在多数情况下，仅在所述膜的一侧，最好是在朝向刚性基片的那侧施加滑爽剂以减少膜的浑浊。
微空隙在一些例子中，连续相和分散相的材料应选择得使两相间的界面足够薄弱，以便在薄膜取向时形成空隙。通过仔细控制加工参数和拉伸比、或选择性地使用相容剂，可以控制空隙的平均尺寸。最终产品中的空隙可用液体、气体或固体回填。空隙可与纵横比以及分散相和连续相的折射率结合起来产生作用，在制得的薄膜中获得所需的光学性质。
两个以上的相根据本发明制得的光学体也可包括两个以上的相。因此，例如，根据本发明制得的光学材料，其连续相中可包括两个不同的分散相。第二分散相可以随机或非随机地分散在整个连续相中，并可随机排列或是沿共同的轴排列。
根据本发明制得的光学体也可包括一个以上的连续相。因此，在一些例子中，除了第一连续相以及分散相外，光学体还可包括至少在一个方向上与第一连续相共同连续的第二相。在一个具体的例子中，第二连续相是一种与第一连续相共同伸展(即，第一连续相延伸通过伸展在第二连续相中的管道或空间网络中，就如水在湿海绵中通过管道网络结构一样)的海绵状的多孔材料。在一个相关的例子中，第二连续相具有枝状结构的形式，它在至少一个方向上与第一连续相共同伸展。
多层组合如果需要，可将一层或多层根据本发明制得的连续相/分散相薄膜组合使用，或是作为一多层薄膜的组分(即，用来增加反射)。合适的多层薄膜包括WO95/17303(Ouderkirk等)中所述的那些。在这样一个结构中，各个单独的层可以层压或是粘合在一起，或是分开的。如果薄层内相的光学厚度基本相同的话(就是说，如果两薄层沿一给定的轴对入射光表现出基本相等的大量散射体的话)，复合体将会更有效地，大量反射与单独的薄层那相同的光谱范围和频带宽度(即，“频带”)内的光。如果层内相的光学厚度并不基本相等，那么复合体将会比单独层在更宽的频带中反射。镜面薄层与偏振器薄层组合而成的复合体可用来增加总反射率并仍能使透射光偏振。或者，单层可非对称地双轴取向，以制成有反射和偏振选择性的薄膜。
图5描述了本发明上述方式的一个实施例。其中，光学体是一个多层薄膜20，其中各层是PEN层22和co-PEN层24交替变化。每一PEN层包括一个在PEN基质中的间同立构聚苯乙烯(sPS)分散相。这类结构是所需的，因为它产生较低的偏离角色彩色(off-angle color)。另外，由于散射体层或其掺入使漏光量达到平衡，因此对于层厚度的控制就不那么关键，这使得薄膜更能容忍加工参数的变化。
前述的任何材料可用作本例子中的薄层、或作为特定层中的连续相或分散相。然而，PEN和co-PEN是特别合用的相邻层的主要组分，因为这些材料提供了良好的层间粘合性。
同样，在排列层时可有多种变化。因此，例如，各薄层可在结构的一部分或全部中按照重复顺序排列。其中一个例子是有…ABCABC…模式的结构，其中A、B和C是不同的材料、或相同或不同材料的不同混合物，并且A、B或C中的一个或多个含有至少一个分散相和至少一个连续相。表层最好是相同或化学上相近的材料。
抗反射层本发明的膜和其它光学器件还可含有一层或多层抗反射层或涂层，例如常规真空涂覆的介电金属氧化物光学膜或金属/金属氧化物光学膜、二氧化硅溶胶-凝胶涂层以及涂覆或共挤出的抗反射层，如由低折射率含氟聚合物(如THV)制得的抗反射层(THV是一种购自美国3M公司(St.Paul,MN)的可挤出的含氟聚合物)。这些层或涂层可以是偏振敏感或不敏感的，它们的作用是增加透射和减少反射光。通过适当的表面处理(例如涂覆或溅蚀(sputter-etching))，可在本发明的膜和光学器件上添加抗反射层。在实施例132-133中更详细地描述了抗反射层的一个具体例子。
在本发明一些例子中，希望使透射最大和/或某些偏振光的镜面反射最小。在这些例子中，光学体可含有两层或多层，其中至少一层包含与提供连续相和分散相的层紧密接触的抗反射系统。这种抗反射系统的作用是减少入射光的镜面反射，增加进入包含连续和分散层的物体部分的入射光量。这种作用可通过本领域熟知的各种方法来实现。例子是四分之一波长抗反射层、两层或多层抗反射叠层(stack)、渐变折射率层和渐变密度层(graded density layer)。如果需要的话，这种抗反射作用也可用于物体的透射光的一侧，以增强透射光。
抗雾层本发明膜和光学器件还可具有赋予抗雾性能的膜或涂层。在某些情况下，上述抗反射层可同时起两种作用使膜或器件具有抗反射性和抗雾性能。适用于本发明的各种抗雾剂是本领域中众所周知的。但是，这些材料通常是，例如脂肪酸酯，它使膜表面具有疏水性，并促进形成连续的较透明的水膜。
有数位发明人报道了降低表面“起雾”的涂层。例如，Leigh的美国专利No.3,212,909公开了将铵肥皂(如羧酸烷基铵)与表面活性剂(硫酸化或磺酸化的脂肪物质)混合在一起制造抗雾组合物。Elias的美国专利No.3,075,228公开了使用硫酸化的烷基芳氧基多烷氧基醇的盐以及烷基苯磺酸盐，制造适用于清洗和使各种表面具有抗雾性能的抗雾制品。Zmoda的美国专利No.3,819,522公开了表面活性剂组合物，该组合物含有癸炔二醇衍生物和表面活性剂混合物(包括乙氧基化的硫酸烷酯)在抗雾的窗清洗表面活性剂中的应用。日本专利公开1994-41,335公开了一种预防起雾和液滴的组合物，它包括胶体氧化铝、胶体氧化硅和阴离子表面活性剂。Taniguchi等的美国专利No.4,478,909公开了一种固化的抗雾涂层膜，它包括聚乙烯醇、细分的二氧化硅和有机硅化合物，显然碳/硅重量比对于报道的膜的抗雾性能是重要的。可使用各种表面活性剂(包括含氟表面活性剂)来改进涂层的表面光滑性。其它混有表面活性剂的抗雾涂层公开在美国专利2,803,552、3,022,178和3,897,356中。Scholtz等的世界专利PCT 96/18,691公开了使涂层同时具有抗雾性能和抗反射性能的手段。
UV保护层使用UV稳定的膜或涂层可保护本发明膜和光学器件免遭UV光的影响。合适的UV稳定膜或涂层包括那些混有苯并三唑或位阻胺光稳定剂(HALS)，如TinuvinTM292(两者均可购自Ciba Geigy Corp,Hawthorne,NY)的膜或涂层。其它合适的UV稳定膜和涂层包括那些含有二苯酮或丙烯酸联苯酯(diphenylacrylates)(购自BASF Corp.,Parsippany,NJ.)的膜或涂层。当将本发明光学膜和器件用于户外用途，或用于光源发出大量UV区域光线的照明设备时，这种膜或涂层特别重要。
表面处理可对本发明膜和其它光线器件进行各种处理，这种处理对这些材料表面或材料的任何部分进行改性以便有助于随后的处理(如涂覆、着色、金属化或层压)。这种处理可使用底涂料(如PVDC、PMMA、环氧树脂和氮丙啶)或通过物理表面处理(如电晕、火焰、等离子体、脉冲电子管、溅蚀、电子束处理)来实现或使表面层无定形化(如使用热罐)以除去结晶性。
润滑剂在本发明膜的加工(如挤出)过程中可使用各种润滑剂。适用于本发明的合适的润滑剂包括硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸铜、硬脂酸钴、新十二碳酸(neodocanoate)钼和乙酰丙酮钌(Ⅲ)。
抗氧化剂适用于本发明的抗氧化剂包括4,4′-硫代二-(6-叔丁基间甲苯酚)、2,2′-亚甲基二-(4-甲基-6-叔丁基丁基苯酚)、3,5-二-叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸十八烷酯、双-(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯(diphosphite)、IrganoxTM1093(1979)(膦酸((3,5-二(1,1-二甲基乙基)-4-羟基苯基)甲基)-二(十八烷基)酯)、IrganoxTM1098(N,N′-1,6-己二基双(3,5-二(1,1-二甲基)-4-羟基-苯丙酰胺)、NaugaardTM445(芳胺)、IrganoxTML57(烷基化的二苯胺)、IrganoxTML115(含硫双酚)、IrganoxTMLO6(烷基化的苯基-δ-萘胺)、Ethanox 398(氟代亚膦酸酯(flourophosphonite))、和2,2′-亚乙基双(4,6-二叔丁基苯基)氟代亚膦酸酯(2,2′-ethylidenebis(4,6-di-t-butylphenyl)fluorophosnite)。
较好的抗氧化剂是位阻酚类，包括丁基化的羟基甲苯(BHT)、维生素E(二-α-生育酚)、IrganoxTM1425WL(二(O-乙基(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基))磷酸钙)、IrganoxTM1010(四(亚甲基(3,5，二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯))甲烷)、IrganoxTM1076(3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸十八烷酯)、EthanoxTM702(位阻双酚)、Etanox 330(高分子量位阻酚)、和EthanoxTM703(位阻酚胺)。
染料、颜料、油墨和影像层可使用油墨、染料或颜料处理本发明膜和光学器件以改变其外观，或者使其适合客户的特定用途。例如，可用油墨或其它印刷标记(如用于显示产品识别、广告、警示、装饰或其它信息)来处理膜。可使用各种技术在膜上印刷，如网印、凸版印刷、胶印、橡皮版印刷、点刻印花、激光印刷等，并可使用各种油墨，包括单组分和双组分油墨、氧化干燥和UV-干燥的油墨、溶解的油墨、分散的油墨和100％油墨体系。
还可通过对膜着色来改变光学膜的外观，如在该光学膜上层压染色的膜、向光学膜的表面施涂颜料涂层、或者向一种或多种用于制造光学膜的材料(如连续相或分散相)中添加颜料。
在本发明中可采用可见和近红外染料，它包括，例如光学增亮剂如吸收UV光并在彩色光谱的可见区中发射荧光的染料。加入以改变光学膜外观的其它附加层包括，例如遮光(黑色)层、漫射层、全息影像或全息漫射体层以及金属层。这些层中的每一层均可直接施加至光学膜的一个表面或两个表面上，或可以作为第二膜或箔结构的组分层压在光学膜上。或者，可将某些组分(如遮光剂或漫射剂，或者着色颜料)置于用于将光学膜层压在其它表面上的粘合剂层中。
本发明膜和器件还可带有金属涂层。例如，可通过热解、粉末涂覆、蒸气沉积、阴极溅涂、离子镀等直接将金属层施涂在光学膜上。也可将金属箔或刚性金属板层压在光学膜上，或用上述技术先将单独的聚合物膜或者玻璃或塑料片金属化，随后将其层压在本发明光学膜和器件上。
对于本发明膜和光学器件涉及的许多用途，二向色性染料是一种特别有用的添加剂，因为当它们在材料中按分子排列时，它们可吸收具有特定偏振态的光线。当将其用于仅散射一种偏振态的光线的膜或其它材料中时，二向色性染料可使该材料对一个偏振方向光线的吸收大于对另一个方向的吸收。用于本发明的合适的二向色性染料包括刚果红(二苯基-双-α-萘胺磺酸钠)、亚甲基蓝、二苯乙烯染料(比色指数(CI)=620)、和氯化1,1′-二乙基-2,2′-花青(CI=374(橙色)或CI=518(蓝色))。这些染料的性能及其制备方法公开在E.H.Land的Colloid Chemistry(1946)中。这些染料在聚乙烯醇中有显著的二向色性，在纤维素中有较小的二向色性。发现刚果红在PEN中稍有二向色性。
其它合适的染料包括下列物质
这些染料的性质及其制备方法公开在Kirk Othmer Encyclopedia of ChemicalTechnology,Vol.8,pp.652-661(4th Ed.1993)，以及其引用的文献中。
当二向色性染料用于本发明的光学体中时，它可以加入连续相或分散相中。然而，二向色性染料最好能加入分散相中。
二向色性染料与某种聚合物系统结合表现出使光发生不同程度偏振的能力。聚乙烯醇和某些二向色性染料可用来使薄膜有使光偏振的能力。其它聚合物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰胺，如尼龙-6，在与二向色性染料组合时并没有表现出如此强的使光偏振的能力。因此可以说，聚乙烯醇和二向色性染料的组合比相同染料在其它成膜聚合物系统中的二向色性比要高。较高的二向色性比表明有较高的使光偏振的能力。
二向色性染料在根据本发明制得的光学体中的分子排列最好在将染料加入光学体中后通过拉伸光学体来实现。然而，其它方法也可用来实现分子排列。因此，在一个方法中，二向色性染料(如通过升华或从溶液中结晶出来)，在光学体取向前或取向后，结晶入一系列在薄膜或其它光学体表面上用切削、蚀刻或其它方法形成的伸长凹槽中。然后，处理过的表面可用一种或多种表面层涂布、可加入聚合物基质中或用于多层结构中，或可用作另一光学体的组分。凹槽可根据预先确定的方式或图案、以及预定的凹槽间距来制成，以获得所需的光学性质。
在一个相关的例子中，二向色性染料可在将中空纤维或导管放入光学体中之前或之后放入一种或多种中空纤维或其它导管中。中空纤维或导管可用与光学体中的周围材料相同或不同的材料制成。
在还有一个例子中，在将某种层结合入多层结构中之前，将二向色性染料升华到层表面上，从而使其沿多层结构的层界面布置。在还有一个例子中，二向色性染料被用来至少部分回填根据本发明制得的微空隙薄膜中的空隙。
粘合剂可使用粘合剂将本发明光学膜和器件层压在其它膜、表面或基材上。这种粘合剂包括同时具有光学透明性和漫射性的粘合剂，以及压敏粘合剂和非压敏粘合剂。压敏粘合剂通常在室温具有粘性并通常使用轻微的指压就可将其粘结在表面上。而非压敏粘合剂包括溶剂、加热或辐照活化粘合剂体系。适用于本发明的粘合剂体系包括基于下列常见组分的粘合剂聚丙烯酸酯；聚乙烯基醚；含二烯的橡胶，如天然橡胶、聚异戊二烯和聚异丁烯；氯丁橡胶；丁基橡胶；丁二烯-丙烯腈共聚物；热塑性弹性体；嵌段共聚物，如苯乙烯-异戊二烯和苯乙烯-异戊二烯-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-烯烃；无定形聚烯烃；聚硅氧烷；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；环氧树脂；聚乙烯基吡咯烷酮和乙烯基吡咯烷酮共聚物，及它们的混合物。
另外，所述粘合剂可含有添加剂，如增粘剂、增塑剂、填料、抗氧化剂、稳定剂、颜料、漫射颗粒、固化剂和溶剂。当使用层压粘合剂将本发明光学膜粘合至另一个表面上时，最好选择粘合剂组成和厚度以便不影响光学膜的光学性能。例如，当附加层被层压于需要高透射度的光学偏振器或反射器上时，那么在设计的偏振器或反射器的透明波长区里，层压粘合剂也应是光学透明的。
其它添加剂除了上述膜、涂层和添加剂以外，本发明的光学材料中还可含有本领域已知的其它材料或添加剂。这些材料包括粘合剂、涂料、填料、相容剂、表面活性剂、灭微生物剂、发泡剂、增强剂、热稳定剂、抗冲改性剂、增塑剂、粘度调节剂和其它材料。
本发明的一般应用本发明的光学体特别可用作漫射偏振器。然而，光学体也可根据本发明制成反射偏振器或漫射镜。在这些应用中，光学材料的结构与上述漫射应用中的相同。然而，这些反射器在至少一个轴上的折射率差通常很大。此折射率差通常至少约为0.1、更佳的约为0.15、最佳的约为0.2。
反射偏振器在一个轴上存在折射率差，而在另一个轴上则基本匹配。另一方面，反射薄膜在至少两个薄膜平面内的正交轴上的折射率不同。然而，这些例子中的反射性质并不须只靠折射率不匹配来获得。因此，例如，可通过调节薄膜的厚度，来获得所需的反射程度。在一些例子中，调节薄膜厚度可使薄膜由透射漫射器变成漫反射器。
本发明的反射偏振器可以有许多不同的用途，特别可用于液晶显示板。另外，偏振器可用PEN或类似材料(它应是良好的紫外线滤光器，可有效吸收直至可见光谱边界的紫外光)制成。反射偏振器也可用作红外线薄层偏振器。
窗户本发明光学膜和器件适用于需要漫透射光线并不需要或不要求透明性或清澈度的窗户，如天窗或保密窗。在这种应用中，可将本发明光学膜与常规的窗玻璃装配材料(glazing material)(如塑料或玻璃)一起使用或作为该玻璃装配材料的一部分。以这种方法获得的玻璃装配材料可以是偏振特异性的，使得该窗户对光线的第一偏振态基本透明，但对光线的第二偏振态基本反射，从而消除会减少了眩光。还可如本文的所述的那样改变光学膜的物理性能，使得玻璃装配材料能反射某些光谱区(如UV区)中一个或两个偏振态的光线，而透过另一个光谱区(如可见区)中一个或两个偏振态的光线。
本发明光学膜还可用于提供透过特定波长光线的装饰窗。例如可使用这种窗户使室内具有一种或多种特定的色彩(如蓝色或金色)，或可用于强调其装饰格调，如使用特定波长照明板。
可使用本领域已知的各种方法(如涂覆或挤出)将本发明光学膜混入玻璃装配材料中。因此，在一个实例中，通过层压或使用光学粘合剂将该光学膜粘合在玻璃装配材料的整个或部分外表面上。在另一个实例中，将本发明光学膜夹在两片玻璃或塑料板之间，并将形成的复合物引入窗户中。当然如本文所述的那样该光学膜可以有附加层或涂层(如UV吸收层、抗雾层或抗反射层)，使之更适合需要的特定用途。
灯具可将本发明光学膜用于各种灯具(1ight fixture)，特别是那些希望用偏振的发射光的用途。典型的灯具含有光源和其它各种元件，包括反射元件(常置于光源后面)、偏振元件(常位于灯具的输出端)以及挡住光源使它不能被直接看见的漫射元件。可根据美学和/或功能的考虑将这些元件在外罩内以各种结构排列。
适合与本发明光学膜一起使用的光源是漫射光源，在偏振方式和方向两方面它发射的光线都具有高度的分射性和无规性。这种漫射光源最好包括光发射区和光反射、散射和/或去偏振区。根据灯具涉及的特定用途，漫射光源可以是荧光灯、白炽灯、固体光源或场致发光(EL)光源或金属卤化物灯。该光源还可以是与点光源、远距离(distant)光源或甚至太阳光照一起使用的元规化的去偏振表面，后者通过自由空间传播、透镜体系、光导向装置、保持偏振的光波导或通过本领域中已知的其它方法传输至漫射偏振器中。
在荧光灯(如用于典型背后照明(backlit)的LCD中的那种热阴极或冷阴极灯)中，光发射区和光反射、散射和去偏振区都结合在荧光体中，该荧光体具有所有这些功能。在需要高度准直光线的情况下，反射偏振元件的光学结构可使被阻拒的偏振光镜象反射回至光发射区(通常是灯丝或电弧)。光发射区同时起光源和去偏振区的作用。或者，光源可包括光发射区和单独的无规化反射器。
如上所述，本发明光学膜可以是使具有某一个偏振平面的光线透射而使具有另一个偏振平面的光线漫反射的漫反射偏振膜(DRPF)，或者是两个偏振平面上的光线均从膜上漫反射的漫反射反射膜(DRMF)。因此，本发明光学膜可用于灯具作为反射元件和/或偏振元件。由于该膜是漫反射的并是光学上半透明的，所以无需单独的漫射元件，该光学元件可以同时起漫射元件和偏振元件的作用。
可将本发明光学膜用于使用防直射灯罩的常规照明设备上，所述防直射灯罩的作用是引导光线以及挡住光源使它不能被直接看到。如果将本发明膜层压或用其它方法并置在常规带反射镜的防直射灯罩上，那么一种偏振光会漫反射，而第二种偏振光会被转向(如接近垂直)以将整个照明区的眩光减至最小。
可以想象在灯具中使用至少两片本发明光学膜，其中一片膜可相对另一片膜转动，以便控制或调节偏振光的强度和/或程度以满足现场的特殊需要。
对于无需偏振光的用途(如典型的用于办公室照明的照明设备)，灯具一般包括一个外罩，它含有光源(如荧光灯)、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(如荧光灯)。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、金属化的膜(如购自美国3M公司的SilverluxTM牌反射膜)、反射金属表面(如抛光的铝)或者反射性的多层双折射反射膜(参见WO 95/17303和WO 96/19374，在此引为参考)。在一个实例中。将本文所述的本发明膜的DRMF用于非偏振灯具中作为反射元件。还可通过蒸气涂覆或在DRMF背面层压反射金属对DRMF进行额外的金属化，以改进其总反射率。
许多用途需要偏振光以正常地发挥功能。这种用途的例子包括光学显示器，如液晶显示器(LCD)(它广泛地用于便携式计算机、手持计算器、数字式手表、汽车仪表板显示器等)以及利用偏振光增加对比度并减少眩光的偏振照明设备和工作照明用具。在需要偏振光的用途中，灯具一般包括含有光源和偏振元件的外罩，外罩内还可含有反射元件和/或漫射元件。所述光源可以是任何上述光源(如荧光灯)，但最好是漫射光源，它发射出在偏振方式和发射方向两个方面都具有高度分散性或无规性的光线。反射元件(如有的话)可以是任何上述反射元件，或者也可以是本发明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、薄膜介电偏振器、或胆甾型偏振器，但是最好是WO 95/17303和WO 96/19347中描述的多层双折射反射偏振器。
吸收偏振器常使用二向色性染料，它对某一偏振取向的光线的透射比与之正交的方向上偏振的光线要强得多。例如将吸收偏振器用于显示器或偏振灯具时，所吸收的光线不会增加LCD或照明设备的光照度，因此不会增加其总亮度。这种偏振器的照明应用公开在美国专利3,124,639(Kahn)、3,772,128(Kahn)、和4,796,160(kahn)以及美国专利5,184,881(Karpen)和5,359,498(Karpen)。真空沉积的薄膜介电偏振器不象二向色性偏振器那样是吸收型的，但是也有其它缺点，如差的角响应和对于非设计波长的分谱透射率差。另外，它们通常涂覆在稳定的基材(如大块光学玻璃或聚合物基材)上，这会使其体积太大并太笨重，难以用于需要轻重量和小体积的照明用途。对于某些照明用途，这些偏振器可与适当的光源和本发明的DRMF组合在一起，形成偏振的灯具。
较好的反射偏振器镜面地透射要求偏振态的光线并反射另一个偏振态的光线。由漫射光源产生的光线是无规地偏振的，因此存在有偏振组分(a)和(b)。这种光线入射在反射偏振元件上。该反射偏振元件适合于透过具有第一偏振组分(在本例中为偏振组分(a))的光线，并反射具有正交的偏振组分(在本例中为偏振组分(b))的光线。结果，偏振组分(a)的光线透过反射偏振元件，而偏振组分(b)的光线反射回灯具并在该处无规化。某些初始被阻拒的光线被如此转换成所要求的偏振态并镜面透射通过反射偏振元件。这个过程连续进行，不合要求的偏振光线重复地反射及随后的无规化增加了从漫射偏振灯具发射的具有要求的偏振方向的光线的量。结果形成很有效的产生所要求的偏振光的体系。由漫射光源和反射偏振元件组合进行的重复反射和无规化形成了一种将光线由状态(b)转化成状态(a)的有效的机制。该体系是有效的，是因为它将本来被吸收从而不能利用的光线转化成要求的偏振态。因此利用这种偏振元件的灯具能更有效地利用光源发射的光线，因为被阻拒的偏振光被反射回光源并无规化。结果，增加了从灯具发出的具有所要求偏振方向的光线的总量。多层双折射性反射偏振膜(RPF)在照明用途上的应用可参见申请人共同受让的美国专利申请08/418,009和08/479,319(在此引为参考)。这些申请描述了多层RPF在照明用途，特别是LCD显示器和偏振的照明设备上的应用。这些申请中的反射偏振元件让所要求偏振方向的光线透射并将另一偏振方向的光线镜面反射回漫射光源并在该处无规化。当用这种方法使用多层RPF时，在照明设备或工作照明用途中通常使用单独的漫射膜，以便不能直接看到光源。在这种偏振灯具中最好还包括反射元件，并且所述反射元件可包括本发明的BRMF或任何其它合适的反射表面，该反射表面能将由RPF反射的光线无规化或者将反射的光线反射回漫射光源，在该处所述光线能无规化并部分转化成能透过偏振元件的正确的偏振态。
本发明DRPF的作用与多层RPF相似，是用于增加偏振灯具发射的具有要求偏振方向的光线的量，但是，初始被阻拒的偏振方向错误的光线被漫射地反射回灯具，并在该处无规化，部分转化成正确偏振方向的光线，并镜面透射通过偏振元件。本发明漫反射偏振膜(DRPF)是半透明的，从而无需单独的漫射器。当与光源组合在一起形成漫反射偏振灯具时，组合时最好还包括反射元件，以将反射光线引回光源和/或帮助无规化及将反射的光线部分转化成能被偏振元件透过的具有正确偏振方向的光线。如上所述，反射元件可以是任何合适的反射材料，特别是本发明的DRMF。因此在一个实例中，将本发明DRMF用作反射元件并将本发明DRPF用作偏振元件和/或漫射元件。
在本文所述的灯具中，光源可以以各种结构与偏振元件和反射元件连接在一起。下面将描述使用本发明漫反射偏振膜(DRPF)作为偏振元件以及使用本发明漫反射反射膜(DRMF)作为反射膜的某些结构，但是应理解也可以设想DRPF与其它材料作为反射元件的各种组合，以及DRMF与其它材料作为偏振元件的各种组合。在一个结构中，将DRPF卷成卷使之完全包围漫射光源。除了光源和DRPF以外还可使用单独的反射器。该反射器可以是漫反射膜(DRMF)，它使从DRPF反射的偏振态(b)的光线无规化；或者该反射器可以是镜面反射器，它将光线再引导至无规的漫射光源的光发射区。可将DRMF沿光源的一侧取向并将其层压或用其它方法附着在光源上。在这种结构中，也可通过层压或其它方法附着DRPF，使之部分包围光源的另一侧。
使用DRPF的这个偏振光源实例具有一些优点。由光源和DRPF形成的反射和无规化过程得到了非常有效的偏振灯具。DRPF提供的宽波段反射性意味着在宽的光谱范围获得了这样的效率。另外，DRPF对被阻拒的偏振光提供高的偏离角(off-angle)反射性。与装有大体积光学部件的实例相比，这些特征使得DRPF/漫射光源组合能适用于更宽的光谱范围，并适用于更宽的角度范围。此外，DRPF重量轻、薄且具有挠性，使之能很好地适用于要求体积小和重量轻的用途。DRPF还能很好地适配于灯表面并能引入灯的生产中。另外，由于DRPF是漫反射器，其不透明的外观消除了对独立的漫射膜的需求，而这种膜通常用于偏振照明设备和工作照明灯具中以挡住光源使它不能被直接看到。
在另一个实例中，可使用本发明光学膜产生偏振光，用于烟雾探测体系或用于分析由烟雾粒子散射的光线的偏振方向，包括Nagashima等的美国专利5,576,697公开的试图确定燃烧的性质或起源的烟雾探测体系。
光引出器可在各种光学器件中将本发明光学膜用作光引出器，所述光学器件包括光波导如图8所示的大内芯光纤(Large Core Optical Fiber,LCOF)。LCOF50利用非常有效的全内反射(TIR)将光从照明装置或光源52引至显著的距离外。但是，当将本发明光学膜用作外包层时，它们会干扰在光纤-空气界面上的光线引导作用，从而将光线射入周围环境中。这种特性可有利地用于各种远距离照明用途中，如建筑物重点照明、装饰照明、医用照明、信号灯、视觉引导(如着陆引导条或者飞机上或剧院中的廊引导)、显示器(如仪器，特别是过度加热会发生问题的仪器的显示器)以及展览品照明、道路照明、汽车照明、下位照明(downlighting)、工作照明、重点照明和环境照明。在某些应用中，可沿光纤长度的多个位置上将本发明膜用作包层，从而用单个光源照明多个场所。另外，由于这种体系通常装备UV和IR滤光器，因此由这种体系产生的光照既不会降解对UV敏感的材料，也不会使光波导由于应用而发热。
还可制造本发明膜使之仅引出一种偏振的光，从而形成具有特定偏振方向的光源。适当地构造光纤体系，可使基本上所有射入光纤的光线最终以要求的偏振态穿过引出器。可以例如通过使用本发明光学膜来制得特定偏振的光源，所述光学膜对第一偏振态的光线是强漫散射的，而对第二偏振态的光线是保持全内反射(TIR)包层-表面界面的不散射的镜面材料。这种体系可参见实施例134。
用于本发明的合适的光波导包括侧面发射和末端发射的光纤。根据下列因素即要求的集光效率、要求的挠性以及光波导是单独使用还是成束使用，光波导本身可以是玻璃或塑料的，并可以具有各种直径。所述光波导还可以是光纤光波导或棱镜光波导，后者更适合大规模应用，前者更适合于每流明成本不太重要的较小规模的应用。
适用于本发明的市售光波导包括那些由低Tg丙烯酸聚合物膜制得的光波导，如购自美国3M公司商品名为Scotch Optical Lighting Film(SOLF)的光学照明膜。这种膜对以某些角度入射于其上的光线的作用就如反射器，它是透明的塑料膜，其一侧具有棱镜的表面(通常是微型复制的)，另一侧具有光滑的表面。这种膜通常与透明或不透明塑料或金属导管或背衬一起使用。其它合适的光波导包括购自Lumenyte商品名为FiberescentTM的线型照明光纤，以及购自Fiberstars商品名为FiberSpotsTM的末端发射的光纤。
根据光波导的用途，可将各种光源与本发明光波导一起组合使用。这种光源描述在例如由Lighting Research Center,Rensselaer PolytechnicInstitute,Troy,N.Y.出版的LightingFutures,Vol.1,No.3(1995)中。一般来说，将20-75瓦MR16低压灯与光纤透镜体系组合在一起可适用于博物馆、显示器和重点照明这种用途，而70-250瓦金属卤化物灯与光纤波导或棱镜光波导体系组合适用于例如建筑照明或户外照明。对于需要250瓦或更高功率的用途，可将金属卤化物灯或高压钠灯与棱镜光波导体系一起组合使用。其它合适的光源包括60瓦氙金属卤化物灯(购自General Electric Company,Danbury,Connecticut)，它特别适用于汽车照明，以及硫灯(购自Fusion Lighting,Rockville,MD)，它已在实验中成功地用于棱镜光波导体系。在需要大漫射光源的场合，也可使用小型管状荧光灯。还可将太阳光与光纤波导或棱镜光波导体系一起使用，并与反射器或透镜一起组成太阳光收获体系的一部分。
在某些背后照明的显示器件(如用于航空电子设备中的显示器件，所述器件的正表面照射有大量环境光)中，所述显示器需要发出高强度光线以使显示器具有足够的对比度。结果，除非使用散热装置，在这种体系中的背射光装置会产生过量的热量。在本领域中采用了各种方法以消除热量，如使用冷的反射器和滤光器及其它方法。
在大多数新型飞机中，环境太阳光会降低所使用的平板显示器的对比度，并且显示器集合所需要的空间是关键的设计参数。因此，在本发明一种实施方式中，用光纤将位于远距离但高强度的光源发出的光线传输至显示器，从而能有效地冷却显示器，并且不合要求的热量不会影响显示器件的运行。由于这些显示器通常是在液晶显示器中传播的偏振光的基础上工作的，可将本发明光学膜用于这种体系中作为只引出基本一种偏振光的光引出器。第二种偏振光将在光纤内连续反射，直至其偏振方向被转化成第一偏振方向，并在需要光线的位置射出光引出器。
实施例综述下列实施例描述了本发明的各种光学材料的制备，以及这些材料的光谱性质。除非另有说明，组成百分比指重量组成百分比。用于这些样品的聚萘二甲酸乙二醇酯树脂是用乙二醇和2,6-萘二甲酸二甲酯(从Amoco Corp.,Chicago,Illinois购得)制成的。这些试剂用传统的聚酯树脂聚合方法来聚合成有不同的特性粘度(Ⅳ)的材料。间同立构聚苯乙烯(sPS)可根据美国专利4,680,353(Ishihara等)公开的方法制得。实施例包括下面讨论的各种聚合物配对、连续相和分散相的各种分数以及其它添加剂或方法变化。
样品的拉伸或取向可用常规的用来制备聚酯薄膜的取向设备或实验室分批取向机(laboratory batch orienter)来实现。所用的实验室分批取向机被设计成使用从挤塑流延卷材上切下并被列成方阵的24个夹持器(每侧6个)夹持的小片流延材料(7.5cm×7.5cm)。样品的取向温度用热空气鼓风机来控制，薄膜样品通过一个以控制的速度在一个或两个方向上增加夹持器间距离的机械系统取向。在两个方向上拉伸的样品可以相继地或同时取向。对于以受约束模式(C)取向的样品，所有的夹持器夹住网，且夹持器只在一个方向上移动。而在非约束模式(U)中，在垂直拉伸方向的固定方向上夹住薄膜的夹持器并没有夹住，从而使薄膜可在该方向上松弛或颈缩。
偏振漫透射和反射用装有Perkin Elmer Labsphere S900-1000 150毫米积分球附件和Glan-Thompson立方体偏振器的Perkin Elmer Lambda 19紫外/可见/近红外分光光度计来测定。平行和正交的透射和反射值分别用电场矢量平行或垂直于薄膜拉伸方向的偏振光来测定。所有扫描是连续的，用480纳米/分钟的扫描速率和2纳米的狭缝宽度进行扫描。反射以“V-反射”方式进行。透射和反射值是对400至700纳米范围内所有波长的平均值。
成品膜沿与纵向垂直的平面切成剖面，拍摄透射电子显微照片以测定分散相的性能。从三层结构的取向膜上除去外层，仅留下掺混层用于包封。将试样包封在室温中固化的3M ScotchcastTM 5 Electrical Resin中。在室温在ReichertUltracutTM S切片机上用金刚石刀片将该包封的试样切成约90nm厚的薄片，使用的切割速率为每秒0.2mm。将得到的薄片飘浮在去离子蒸馏水中，用炭/聚乙酸甲基乙烯酯(formvor)增固的200目铜筛网收集，以便进行透射电子显微照相评价。使用JEOL 200CX透射电子显微镜拍摄显微照片。
在膜取向前，对流延的卷材进行扫描电子显微评价以测定分散相的性质。在浸入液氮中的同时折断卷材片，露出与纵向垂直的截面。修整试样并将其固定在铝柱上，然后溅涂金-钯。使用Hitachi S530扫描电子显微镜拍摄显微照片。
实施例1在实施例1中，用传统挤塑和流延方法将一混合物流延成约380微米厚的薄膜或薄层来制得本发明的光学薄膜，其中混合物有75％聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)作为连续相或主要相，25％聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为分散相或次要相。PEN的特性粘度(Ⅳ)为0.52(在60％苯酚/40％二氯苯中测定)。PMMA从ICIAmericas,Inc.,Wilmington,DE获得，产品名为CP82。所用的挤塑机是有单管60μm Tegra过滤器的3.15cm(1.24＂)Brabender。模头是30.4cm(12＂)EDI UltraflexTM40。
在薄膜挤塑后约24小时后，流延薄膜在聚酯薄膜拉幅装置上在宽度方向即横向(TD)上取向。拉伸在约9.1米/分钟(30英尺/分钟)下进行，伸长的宽度约为140cm(55英寸)，拉伸温度约为160℃(320°F)。经拉伸的样品的总反射率用Lambda19分光光度仪上的积分球辅件来测定，样品光束用Glan-Thompson立方体偏振器起偏。样品有75％的平行反射率(即，用电场矢量平行于薄膜拉伸方向的偏振光测得的反射率)和52％正交反射率(即，用电场矢量与拉伸方向垂直的偏振光测得的反射率)。
实施例2在实施例2中，按实施例1中的方法制备和评价光学薄膜，只是采用的混合物含有75％PEN、25％间同立构聚苯乙烯(sPS)、0.2％聚苯乙烯甲基丙烯酸缩水甘油酯相容剂和各0.25％的IrganoxTM1010和UltranoxTM626。聚苯乙烯甲基丙烯酸缩水甘油酯的合成在《塑料、树脂、橡胶、粘合剂和纤维的化学技术(ChemicalTechnology of Plastics,Resins,Rubbers,Adhensives and Fibers》(Vol.10,chap.3,pp.69-109(1956),Calvin E.Schildknecht编辑)的“聚合物加工”(Polymer Processes)中有所描述。
PEN在60％苯酚/40％二氯苯中测得的特性粘度为0.52。sPS是从DowChemical Co.购得，重均分子量约为200,000(因此以下称为sPS-200-0)。测得经拉伸的膜样品的平行反射率为73.3％，正交反射率为35％。
实施例3在实施例3中，按实施例2的方法制备和评价光学薄膜，只是将相容剂的含量增加到0.6％。测得平行反射率为81％，正交反射率为35.6％。
实施例4在实施例4中，用传统的三层共挤塑方法制备本发明的三层光学薄膜。薄膜有一个芯层，芯层两侧各有一表层。芯层是75％PEN和25％sPS 200-4(名称sPS-200-4指含有4％(摩尔)对甲基苯乙烯的间同立构聚苯乙烯共聚物)的混合物，每一表层为100％的PEN(在60％苯酚/40％二氯苯中测得的特性粘度为0.56)。
得到的三层流延薄膜中芯层的厚度约为415微米，每一表层各约为110微米厚，总的厚度约为635微米。在约129℃的温度下，用实验室分批拉伸机(laboratorybatch strecher)在纵向(MD)上以约6比1的拉伸比拉伸所得到的三层流延薄膜。由于实验室拉伸机没有夹住薄膜样品平行于拉伸方向的边缘，因此样品在横向(TD)上没有限制，样品由于拉伸而在TD上的颈缩约为50％。
光学性能用实施例1中的方法进行评价。测得平行反射率为80.1％，正交反射率为15％。这些结果表明，薄膜是低吸收、节约能量的体系。
实施例5-29在实施例5-29中，用实施例4中的方法制备和评价一系列的光学薄膜，只是所用的芯层中的sPS分数和PEN树脂的Ⅳ不同(如表1所示)。对于一确定的样品，芯层中PEN树脂的Ⅳ与表层中的相同。流延薄层的总厚度约为625微米，其中总厚度的约三分之二为芯层，其余为厚度大致相等的两个表层。制备了芯层中的PEN和sPS的不同混合物(如表1所示)。在表1所示的不同温度下，以约6∶1的拉伸比在纵向(MD)或横向(TD)上拉伸薄膜。一些样品在垂直于拉伸方向的方向上受到约束(C)，以防止样品在拉伸时颈缩。表1中用“U”标记的样品是未受约束的，它可在非约束方向上颈缩。沿平行和正交(即垂直)于拉伸的方向测定经拉伸的样品的某些光学性质，包括透射、反射和吸收百分比。结果总结在表1中。
实施例24-27中指出的热定形是通过人工约束拉伸样品的两个垂直于拉伸方向的边缘，将其固紧在大小合适的刚性框架上，然后将固紧的样品放入指定温度下的烘箱内1分钟来实现的。样品平行于拉伸方向的两侧没有受到约束(U)，即没有固紧，可以颈缩。实施例29中的热定形采用相同的方法，只是拉伸样品的所有四个边缘都是约束(C)的，即固紧的。实施例28没有进行热定形。
表Ⅰ
对上述所有样品进行观察，发现分散相有各种形状，与分散相在薄膜样品物体中的位置有关。发现较接近样品表面的分散相掺杂物是伸长的形状，而不是更接近球形。较靠近样品两个表面之间中心部分的掺杂物更接近球形。甚至是有表层的样品也是如此，只是效应被表层削弱。表层的加入可减少拉伸操作中破裂的趋势从而改善了薄膜的加工。
不拟与理论结合，认为流延薄膜芯层中掺杂物(分散相)的伸长是混合物通过模头时受剪切的结果。这一伸长特征可通过改变模头的物理尺寸、挤塑温度、挤出物的流动速度、以及连续相和分散相的可改变其相对熔体粘度的化学因素来改变。某些应用受益于分散相在挤塑时的一定伸长。对于那些随后在纵向拉伸的应用，以挤塑时伸长的分散相作为起始，可使得到的分散相有较高的纵横比。
另一值得注意的特点是，当相同样品不受约束地拉伸时，发现性能有显著改善。因此，在实施例9中，透射率在平行和垂直方向上分别为79.5％和20.3％。相反，实施例16中的透射率在平行和垂直方向上分别只有75.8％和28.7％。样品在不受约束地拉伸时，与约束拉伸相比，厚度增加，但是由于透射性和消光性改善，因此折射率匹配可能得到了改善。
另一种控制折射率的方法是改变材料的化学性质。例如，30％重量的从对苯二酸获得的共聚单元与70％重量的从2,6-萘二甲酸获得的单元的共聚物的折射率比100％PEN聚合物低0.02个单位。其它单体或比例有稍稍不同的结果。这种变化可用来使一个轴上的折射率匹配得更接近，而只使希望有较大差异的轴上的匹配稍稍降低。换句话说，一个轴上折射率值更接近地匹配所得到的好处足以补偿在希望有较大差别的正交轴上折射率差的降低而有余。第二，可用化学上的变化来改变拉伸发生的温度范围。sPS和各种比例的对甲基苯乙烯单体的共聚物可改变最佳拉伸温度范围。为了最有效地优化整个加工系统以及获得的折射率匹配和差异，可能需要将这些技术结合起来。因此，通过优化与拉伸条件有关的加工和化学因素，并进一步调节材料的化学性质以使至少一个轴上的折射率差尽量增大而至少一个正交轴上的折射率差尽量减小，就可改善对最终性能的控制。
如果这些样品在MD上取向，而不是在TD上取向(对比实施例14-15)，那么它们可表现出更好的光学性能。不拟与理论结合，据信采用MD取向而不是TD取向可产生不同几何结构的掺杂物，且这些掺杂物有较高的纵横比，从而使非理想的末端效应变得不重要。非理想的末端效应指在伸长颗粒的每端顶部的几何结构和折射率之间的复杂关系。颗粒的内部或非末端被认为有均一的几何结构和折射率，这是所希望的。因此，均一的伸长颗粒的百分比越高，光学性能就越好。
这些材料的消光比是垂直于拉伸方向的偏振光的透射率与平行于拉伸方向的偏振光的透射率之比。对于表1中的实施例，消光比在约2至5的范围内，尽管未对消光比进行优化的情况下，就曾观察到本发明光学体有高达7的消光比。预计通过调节膜厚度、掺杂物体积分数、颗粒粒径和折射率匹配和不匹配程度、或者通过使用碘或其它染料，可以获得更高的消光比(如大于100)。
实施例30-100在实施例30-100中，用表2中列举的材料来制备本发明的样品。PEN42、PEN47、PEN53、PEN56和PEN60指在60％苯酚/40％二氯苯中测得的特性粘度(Ⅳ)分别为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是从Dow Chemical Co．购得。EcdelTM9967和EastarTM是共聚酯，它们是从Eastman chemical Co.,Rochester,NY购得。SurlynTM1706是离子键树脂，从E.I.du Pont de Nemours & Co.,Wilmington,DE购得。列举的作为添加剂1或2的材料包括聚苯乙烯甲基丙烯酸缩水甘油酯。名称GMAPS2、GMAPS5和GMAPS8分别指共聚物总量中有2、5和8％重量的甲基丙烯酸缩水甘油酯。ETPB指交联剂乙基三苯基溴化锛。PMMA VO44指聚甲基丙烯酸甲酯，从Atohaas North America,Inc．购得。
光学薄膜样品按实施例4的方法制备，除了下表2中所示的不同外。其中列出的主要相是连续相及其与总量的比。次要相是分散相及其与总量之比。报道的混合物厚度的值表示芯层的近似厚度(微米)。表层厚度随芯层厚度而改变，但是始终保持恒定的比值，即，两个表层厚度大致相等，两个表层厚度之和约为总厚度的三分之一，用扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)来测定一些样品中分散相的大小。那些随后用实验室分批取向机来拉伸的实施例在分批拉伸栏内用“X”表示。
表2
发现各种相容剂的存在可降低掺杂物或分散相的大小。
实施例101在实施例101中，用与实施例4相同的方法制备光学薄膜，只是芯层厚度约为420微米，每层表层厚度约为105微米。PEN的Ⅳ为0.56。流延薄膜如实施例1那样取向，只是拉伸温度为165℃，流延和拉伸间隔15天。平行和垂直与偏振光的透射率分别为87.1％和39.7％。
实施例102-121在实施例102-121中，光学薄膜如实施例101那样制备，只是取向条件不同和/或如表3所示用含有4或8％(摩尔)对甲基苯乙烯的sPS共聚物，或无规立构的苯乙烯Styron 663(从Dow Chemical Company,Midland,Michigan购得)代替sPS-200-4。表3中也报道了透射性质的评价结果。透射率值是在450-700nm范围内所有波长的平均值。
表3
这些实施例表明，在Ⅳ高的PEN中，掺杂相颗粒在纵向上的伸长比在低Ⅳ的PEN中要多。这与在低Ⅳ的PEN中发现发生在靠近薄膜表面处的伸长比发生在薄膜内部的要多是一致的，其结果是在靠近表面处形成纤维状结构，在接近中央处形成球形结构。
这些实施例中的一些表明，取向温度和取向程度是实现所需效果时的重要变量。实施例109至114表明，静止结晶并不一定是优选的偏振光缺乏透射的唯一原因。
实施例122-124在实施例122中，用209层供料头(feedblock)制备本发明的多层光学薄膜。供料头用两种材料进料(1)以38.6kg/小时的速率输入的PEN(特性粘度为0.48)；和(2)95％coPEN和5％(重量)sPS均聚物(分子量为200000)的混合物。coPEN是基于70％(摩尔)萘二甲酸酯和30％(摩尔)间苯二酸二甲酯的共聚物，与乙二醇聚合至特性粘度为0.59。coPEN/sPS混合物以34.1千克/小时的速率加入至供料头中。
coPEN混合材料是在挤出物的外侧，得到的叠层的薄层组分在两种材料间交替变化。薄层厚度设计成制得四分之一波长叠层中的各层厚度具有线性梯度，最薄层与最厚层的比例为1.3。然后将较厚的不含sPS的coPEN表层(根据上述制备coPEN/sPS混合物的方法制备，只是摩尔比是70/15/15萘二甲酸酯/对苯二酸二甲酯/间苯二酸二甲酯)施加到209层复合体的每一侧。总的表层以29.5千克/小时的速度施加，叠层每一侧或表面上约有此量的一半。
将得到的有表层覆盖的多层复合体挤塑通过一个倍增器(multiplier)，以得到421层的多层复合体。然后，得到的多层复合体用另一70/15/15 coPEN表层以29.5千克/小时的总速度在每一表面上包覆，每一侧上约为此量的一半。由于这第二表层并不能从存在的表层上分别测得(因为材料是相同的)，为了这里的讨论，得到的非常厚的表层将按一层来计算。
得到的421层复合体再一次挤塑通过比例为1.40的不对称扩增器，以获得841层的薄膜，然后薄膜挤塑通过一模头并骤冷流延成约30密耳厚的片。然后，得到的浇铸薄片用传统的制膜拉幅装置来在宽度方向上取向。薄片在约300°F(149℃)下拉伸，拉伸比约为6∶1，拉伸速度约为20％/秒。得到的经拉伸的薄膜约5密耳厚。
在实施例123中，按实施例122的方法制备多层光学薄膜，只是coPEN/sPS混合物中sPS的量为20％，而不是5％。
在实施例124中，按实施例122的方法制备多层光学薄膜，只是薄膜中不加入sPS。
表4中的结果包括了薄膜的光增益测定结果。薄膜的光增益是薄膜放在背光源与LCD面板之间时，由背光源发出而透射通过面板的光与没有薄膜时透射的光之比。关于光学薄膜意义光增益的意义在WO 95/17692中参照该文献附图2有所描述。通常希望有较高的增益值。透射值包括当光源在平行于拉伸方向(T‖)偏振和垂直于拉伸方向(T⊥)时得到的数值。偏离角色彩(OAC)是用Oriel分光光度仪测定波长在400至700nm的50°入射光的p-偏振透射的均方根偏差(root meansquare deviation)来获得。
表4
>偏离角色彩(OAC)的数值证明了使用本发明多层结构的优点。特别是，这种结构可用来大大降低OAC，而光增益只适量减少。这一折衰在某些应用中是有利的。本发明实施例的T‖数值比预计的要低，因为sPS分散相散射的光不会被检测器接收。
实施例125用实施例4的方法制得三层膜。内芯层包括70％coPEN(在60％苯酚/40％二氯苯中测得的特性粘度为0.55)、30％sPS 200-7加上附加的2％Dylark 332-80(购自NOVA Chemical)。各表层由100％在二氯甲烷中测得的特性粘度为0.65的coPET构成。
coPEN是62摩尔％萘二甲酸酯和38摩尔％对苯二甲酸二甲酯的共聚物。coPET是80摩尔％羧酸二甲酯和20摩尔％间苯二甲酸二甲酯的共聚物。
用实施例1的方法对流延膜进行取向。拉伸是在5.8米/分钟(19英尺/分钟)在147cm(58英寸)出料宽度下进行的。拉伸温度为124℃。热定形温度为163℃。正交透射率为85.3％，平行透射率为21.7％。实施例126-130下列实施例说明本发明光学体系中共连续形态的产生。
在实施例126-130中，用实施例125的方法制得一系列光学膜并对它们进行评价，不同点在于在内芯层中sPS分数和拉伸温度如表5所示有所变化。
表5
实施例125-130的平行和正交透射率表明其具有良好的光学性能。实施例130的高正交透射率值表明，对沿垂直于拉伸方向排列的偏振光在两相中折射率均有效匹配。
对实施例126和127的流延卷材的断面拍摄扫描电子显微照片。如实施例125那样，有清楚的证据表明，有球形或椭圆形颗粒分散在连续的基质中。对实施例129和130拍摄透射电子显微照片，这些照片分别列于附图6a和6b。图6a说明共连续相的形态。从该显微照片可看到，coPEN和sPS的掺杂相以及两相均为连续相的区域。相反，图6b显示coPEN分散在sPS基质中。
实施例131按实施例4的方法制得三层膜。内芯层包括85％coPEN(在60％苯酚和40％二氯苯溶液中测得特性粘度为0.51)，以及15％250k-7加上附加的2％DylarkTM332-80，各表层包括100％coPEN。
用作内芯层一部分的coPEN是70摩尔％萘二甲酸酯和30摩尔％对苯二甲酸二甲酯的共聚物。用作表层的coPEN是70摩尔％萘二甲酸酯和30摩尔％间苯二甲酸二甲酯的共聚物。
用实施例1的方法对流延膜进行取向。拉伸是以5.3米/分钟(17.4英尺/分钟)，在124.5cm(49英寸)出料宽度下进行的。拉伸温度为118℃。热定形温度为141℃。正交透射率为81.9％，平行透射率为32.7％。正交透射光谱列于附图7。
实施例132如下制得带有抗反射层的膜先将10克RemetTMSp-30(Remet Coporation,Chadwicks,NY)和1克TritoxTMX-100(Rohm and Haas,Philadephia,PA)加入89克去离子水中。使用#3金属线缠绕棒(wound rod)，将所述溶液涂覆在实施例131制得的膜片上，形成的约200nm厚的干涂层。其正交透射率为83.8％，平行透射率为33.3％。
实施例133重复实施例131的方法，不同点在于，在膜的两侧涂覆抗反射层。正交透射率为86.2％，平行透射率为33.8％。
实施例131-133的正交透射光谱示于图7。由图7可见，与实施例131相比，尤其在450-700纳米波长范围内，实施例132-133的正交透射率-波长函数的斜率较低。本领域的熟练技术人员应能理解，具有平坦的透射率-光波长函数曲线的膜，会使装有该反射偏振器的显示器件的色彩变化降至最小。
实施例134-135这些实施例说明将本发明膜用作光导结构的高效光引出器。
在实施例134中，通过挤出一组合物(由30％sPS和70/30/0 coPEN基质构成)制得本发明光学膜。将该挤出的膜在纵向被取向，直至有2.5∶1的拉伸比。
在实施例135中，使用与实施例134相同的组合物及相似的方法制得第二种膜。但是，在与纵向垂直的横向上使用扩幅器将该膜单轴取向至4.8∶1的拉伸比，以代替膜的纵向取向。
将实施例134和135的膜作为包层机械地固定在单独的光纤上，使用硅油(silica grease)消除光纤-空气界面。实验装置如图8所示。随后将光纤连接在购自General Electric Company,Danbury,CT的60瓦氙金属卤化物短弧灯上。光纤的厚度为1.2cm，由低Tg的丙烯酸聚合物制成。
当开启该灯时，该两个试样被照亮并产生漫散射光线。如果透过偏振膜在垂直于偏振平面的方向观看这两个膜试样时，这两个试样基本是暗的。但是，如果将所述偏振膜在同一平面上旋转90°，两个试样显示出漫射的亮度，表明透过膜的光线具有特定的偏振方式。
还对覆盖光纤端部的效果进行了试验。当以反射方式覆盖端部以将从光纤顶端逸出的光线反射回光纤时，膜产生的光强度增加了。这相当于产生光空腔，在该空腔中未引出的偏振光被进一步反射回光纤中，直至其逐步地转化成被引出偏振态。除非透过引出器，否则光纤内的光线不能逸出光纤，从而增加了引出效率。另外，光线与光纤/空气界面相互作用产生的偏振方向转化，会使更多的具有要求的偏振方向的光被从光纤中引出。
实施例136下列实施例说明了，用本发明光学膜在非法向入射角可实现增益的增加。
按照实施例4的方法制得三层膜。内芯层含有70％特性粘度为0.48(在60％苯酚和40％二氯苯中测得)的PEN和30％sPS 200-8。各表层含有100％coPEN并占流延膜总厚度的约17％。
coPEN是70摩尔％萘二甲酸酯和30摩尔％间苯二甲酸二甲酯的共聚物。未测定coPEN的粘度。
用实施例1的方法对该流延膜进行取向。拉伸是以5.5米/分钟(18英尺/分钟)，在141cm(55.5英寸)出料宽度下进行的。拉伸温度为154℃。热定形温度为164℃。形成的膜厚为128微米。
将Sharp C12P背光源紧贴于标准二向色性偏振器的一面上。使用PhotoResearch PR650光谱色度计测定背光源/偏振器组件发出的光强度。在开始测量前将背光源/偏振器组件相对于PR650的探测器进行定向，使含有探测器臂扫描弧的平面也包括偏振器高透射率的轴。探测器臂以垂直背光源/偏振器组件的方向为轴进行±60°扫描。将23cm2的膜置于背光源和偏振器之间使膜的正交透射轴与偏振器高透射率方向相一致，随后进行第二次光强度测定。将如上所述测定的加有光学膜和无光学膜时各角度的两种光强度之比定义为相对增益。
实施例136的数据列于图9A。在与法线成±60°的角度的平均相对增益为1.45。该数据表明，在非法向入射时，特别是与法线成30-60°夹角入射时，实施例136的相对增益增大。
比较例1下列实施例说明，市售的常规光学膜在非法向入射角上其增益下降。
如实施例136所述，使用Eldim120D测定购自Sekisui W518(日本大阪)的一片微折回的增亮膜。在装有或不装有Sekisui W518膜时各个角度的光强度之比列于图9B。在与法向呈±60°入射角的平均相对增益为0.65，表明在法向入射时膜的增益最高，而偏离法向的所有入射角的增益均下降。
如实施例136和比较例1所证实的那样，根据本发明，可制得以非法向入射角尤其与法向呈30-60°入射角入射时相对增益增加的膜。相反，市售光学膜在法向入射时的增益最大，而偏离法向的所有入射角的增益均下降。本发明膜的这种特性使之能特别有利地用于多种用途，如用作大屏幕显示器的增亮膜，因为在这些场合人们需要在大的角度范围进行观看。
实施例137-150下列实施例进一步说明本发明膜在非法向入射时的增益增加。
用与实施例136相同的方法进行一系列试验，不同点在于如下面所述对材料和工艺进行改变。在某些实施例中，加入IrganoxTM1425抗氧化剂(购自CibaGeigy)和/或DylarkTM332-80(购自NOVA Chemicals)。与法向成±60°夹角的入射角的平均相对增益和法向(0°)入射角的相对增益列于表6。
表6
本发明的以上描述只是描述性的，而非限制性的。因此，本发明的范围只可参照所附权利要求进行限定。
权利要求
1．与光导组合的光引出器，其特征在于，它包括聚合物第一相；和置于所述第一相中的第二相，沿相互正交的三根轴中的至少两根轴上所述第二相是不连续的；其中该第一相和第二相的折射率，沿第一轴相差大于约0.05，而沿正交于该第一轴的第二轴相差小于约0.05。
2．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第一相的双折射率至少约0.1。
3．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第一相的双折射率至少约0.15。
4．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第一相的双折射率至少约0.2。
5．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相的双折射率小于约0.02。
6．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相的双折射率小于约0.01。
7．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相与该第一相沿该第一轴上的折射率相差大于约0.1。
8．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相与该第一相沿该第一轴上的折射率相差大于约0.15。
9．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相与该第一相沿该第一轴上的折射率相差大于约0.2。
10．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相与该第一相沿该第二轴上的折射率相差小于约0.03。
11．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相与该第一相沿该第二轴上的折射率相差小于约0.01。
12．如权利要求1所述的组合，其特征在于，至少约5％正交于第一偏振态光线的偏振光被该引出器漫射地引出。
13．如权利要求1所述的组合，其特征在于，至少约50％正交于第一偏振态光线的偏振光被该引出器漫射地引出。
14．如权利要求1所述的组合，其特征在于，至少约70％正交于第一偏振态光线的偏振光被该引出器漫射地引出。
15．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第一相包括热塑性树脂。
16．如权利要求15所述的组合，其特征在于，该第一相包括衍生自萘二甲酸的聚合物。
17．如权利要求16所述的组合，其特征在于，该聚合物是至少一种二元醇和选自下组的单体形成的共聚物萘二甲酸、间苯二酸、二甲基间苯二酸、对苯二酸和二甲基对苯二酸。
18．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相是衍生自乙烯基芳族单体的间同立构乙烯基芳族聚合物。
19．如权利要求16所述的组合，其特征在于，该第二相包括间同立构聚苯乙烯的共聚单元。
20．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第一相包括衍生自萘二甲酸的聚合物，而第二相包括间同立构的聚苯乙烯。
21．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该引出器在足够温度下被拉伸成具有足够的拉伸比，因而主要只引出一种偏振态的偏振光。
22．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相包括许多长形物质，该物质的主轴基本上沿共同的轴排列。
23．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相的存在量相对于该第一相小于约5％体积。
24．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相沿3根正交轴的至少2根轴上是不连续的。
25．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该分散相沿所有3根正交轴都是不连续的。
26．如权利要求1所述的组合，其特征在于，被引出的电磁辐射各向异性地分布在镜面透射轴周围。
27．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该引出器在至少一个方向上被拉伸，而且至少约40％正交于第一偏振光方向的偏振光被漫透射过该光学体，该漫透射光线主要沿一圆锥体表面或其附近分布，该圆锥体的表面包含光谱透射方向，而且其中心轴为拉伸方向。
28．如权利要求1所述的组合，其特征在于，该第二相包括伸长的掺杂物，掺杂物的伸长轴沿共同方向排列，该引出器在至少一个方向上被拉伸，且至少一种电磁辐射偏振态的漫透射部分主要沿一圆锥体表面或其附近分布，该圆锥体的中心轴为拉伸方向且圆锥体表面包含漫透射方向。
29．与光导组合的光引出器，其特征在于，它包括多层膜，其中该膜的至少一层具有连续相；置于该连续相中的分散相，该分散相和连续相的折射率，沿第一轴相差大于约0.05；和二向色性染料。
30．如权利要求29所述的组合，其特征在于，该分散相和连续相的折射率，在沿与该第一轴正交的第二轴上相差小于约0.05。
31．如权利要求29所述的组合，其特征在于，该二向色性染料在该分散相中。
32．与光导组合的光引出器，其特征在于，它包括双折射性至少约为0.05的第一相；和位于第一相中的第二相；其中该第一相和第二相的折射率差的绝对值沿第一轴为△n1，沿正交于该第一轴的第二轴为△n2,△n1和△n2之差的绝对值至少约为0.05，而且沿至少一个轴的连续相和分散相合并起来的，对至少一种电磁辐射偏振态的漫反射率大于约30％。
33．如权利要求32所述的组合，其特征在于，△n1和△n2之差的绝对值至少约为0.1。
34．如权利要求32所述的组合，其特征在于，第一相的双折射率大于第二相。
35．如权利要求34所述的组合，其特征在于，第一相的双折射率比第二相的双折射率大至少0.02。
36．如权利要求34所述的组合，其特征在于，第一相的双折射率比第二相的双折射率大至少0.05。
37．与光导组合的光引出器，其特征在于，它包括具有多层结构的光学体，其中多层中的至少一层包括双折射性至少约为0.05的第一相；和沿3根正交轴中至少2根轴呈不连续的第二相；其中该第一相和第二相的折射率差的绝对值沿第一轴为△n1，沿正交于该第一轴的第二轴为△n2,△n1和△n2之差的绝对值至少约为0.05，而且沿至少一个轴的连续相和分散相合并起来的，对至少一种电磁辐射偏振态的漫反射率大于约30％。
38．一种光学装置，其特征在于，它包括光源；光导；和置于该光导上的光引出器；其中该光引出器包括聚合物第一相和置于第一相中的第二相，该第二相沿相互正交的三根轴中的至少两根轴是不连续的；其中该第一相和第二相的折射率，沿第一轴相差大于约0.05，而沿正交于第一轴的第二轴相差小于约0.05。
39．如权利要求38所述的光学装置，其特征在于，该光学引出器包括单轴取向膜。
40．如权利要求38所述的光学装置，其特征在于，第一相包括聚酯，而第二相包括间同立构聚苯乙烯。
全文摘要
提供了一种光引出器,它包括双折射的连续基质和位于基质中的聚合物颗粒分散相。该光引出器通常通过拉伸而在一个或多个方向上被取向。通过选择分散相颗粒的大小和尺寸、分散相的体积分数、膜厚度和取向程度,可以在伸长的引出器中对所需波长的电磁辐射获得所需程度的漫反射和总透射。
文档编号F21V8/00GK1212764SQ97192655
公开日1999年3月31日 申请日期1997年2月28日 优先权日1996年2月29日
发明者T·J·内维特, A·L·克茨, D·G·弗利尔, R·C·艾伦 申请人:美国3M公司