具有优化增益的较少层数反射型偏振器的制作方法

专利名称：具有优化增益的较少层数反射型偏振器的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及多层光学膜，这类膜的具体应用被构造为适合在视觉显示系统 的背光源中使用的偏振器。
背景技术：
多层光学膜(即至少部分地采用不同折射率的微层构造以提供期望的透射和/或 反射特性的膜)已为人知。众所周知，这类多层光学膜通过在真空室中将无机材料有序 地在基底上沉积成光学薄层(“微层”)而制成。无机多层光学膜在(例如)下列教科 书中有所描述H.A.Macleod, Thin-Film Optical Filters, 2nd Ed., Macmillan Publishing Co. (1986)(膜式滤光器，H.A.Macleod, Macmillan Publishing 公司，1986 第 2 版)；以及 A.Thelan, Design of Optical Interference Filters, McGraw-Hill, Inc. (1989)(光学干涉滤波 器的设计，A.Thelan，McGraw-Hill 公司，1989 年)。也已通过共挤出交替的聚合物层展示了多层光学膜。参见例如美国专利 No.3,610,729 (Rogers)、4,446,305 (Rogers 等人)、4,540,623 (Im 等人)、5,448,404 (Schrenk 等人)以及5,882,774 (Jonza等人)。在这些种聚合物多层光学膜中，主要使用或者仅仅 使用聚合物材料来构成各层。此类膜可以采用大量生产的方法进行制造，并且可制成大 型薄板和卷材。多层光学膜包括具有不同折射率特性的各个微层，从而在相邻微层间的界面上 反射一些光。微层很薄，足以使在多个界面处反射的光经受相长干涉或相消干涉作用， 从而赋予多层光学膜以期望的反射或透射特性。对于设计用于反射紫外光、可见光或近 红外波长光的多层光学膜而言，各微层的光学厚度(物理厚度乘以折射率)一般小于约 1mm。通常也可以包括更厚的层，例如位于多层光学膜的外表面处的表层或者设置在多 层光学膜内用以分隔微层的固有组(本文称为“层组”)的保护性边界层(PBL)。对于偏振应用(如反射型偏振器)，至少一些光学层利用双折射聚合物形成，其 中聚合物的折射率沿聚合物的正交笛卡尔轴具有不同值。一般来讲，双折射聚合物微层 的正交笛卡尔轴由层平面的法线(z轴)定义，并且x轴和y轴位于层平面之内。双折射 聚合物也可用于非偏振应用。在一些情况下，微层的厚度和折射率值相当于1/4波长叠加，即微层被布置成 光学重复单元或单位单元的形式，每个光学重复单元或单位单元均具有光学厚度(f_比率 =50%)相同的两个邻近微层，这类光学重复单元可通过相长干涉有效地反射光，被反 射光的波长1是光学重复单元总光学厚度的两倍。还知道其他层结构，诸如具有2微层光 学重复单元的多层光学膜(其f_比率不同于50%)，或光学重复单元包括两个以上微层的膜。可对这些光学重复单元设计进行配置以减少或增加某些高阶反射。请参阅(例如) 美国专利No.5,360,659 (Arends等人)和No.5,103,337 (Schrenk等人)。利用沿膜厚度轴 (如z轴)的厚度梯度可以提供加宽的反射谱带，例如在人的整个可视区域内延伸并进入 近红外区的反射谱带，从而当谱带在倾斜的入射角处转移到较短波长时，微层叠堆继续 在整个可见光谱内反射。通过调整厚度梯度来锐化谱带边缘(即高反射与高透射之间的 波长转变处)在美国专利6,157,490 (Wheatley等人)中有所讨论。有关多层光学膜和相关设计与构造的更多细节在下列文献中有所讨论美国专 利 5,882,774 (Jonza 等人)和 6,531,230 (Weber 等人)、PCT 公开 WO 95/17303 (Ouderkirk 等人)禾P WO 99/39224 (Ouderkirk 等人)、以及公开标题为 “Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors，，，Science, Vol.287, March 2000 (Weber et al.)(多层聚合物反 射镜内的大型双折射光学器件，Weber等人，《科学》2000年3月第287卷)。多层光 学膜和相关制品可包括附加层和涂层，这些层是根据其光学、机械和/或化学特性进行 选择的。例如，UV吸收层可添加在膜的入射侧，以保护元件不发生UV光引起的劣化。 利用UV固化丙烯酸酯粘合剂或其他合适材料可以将多层光学膜附接到机械加固层。这 些加固层可包含诸如PET或聚碳酸酯之类的聚合物，并且也可包括(例如)利用小珠或棱 镜提供诸如光漫射或准直之类光学功能的结构化表面。附加的层和涂层也可包括抗刮涂 层、抗撕层和硬化剂。参见例如美国专利6,368,699 (Gilbert等人)。用于制备多层光学 膜的方法和装置在美国专利6,783,349 (Neavin等人)中有所讨论。图1示出了多层光学膜10的一对层。膜10包括大量交替的微层12、14，为简 明起见，仅示出其中两个。这些微层具有不同的折射率特征，以使得一些光在相邻微层 间的界面处被反射。微层很薄，足以使多个界面处反射的光产生相长干涉或相消干涉， 以使膜具有所期望的反射或透射特性。对于设计用来反射紫外、可见或近红外波长处的 光的光学膜来说，各微层一般具有小于约1 P m的光学厚度(即物理厚度乘以折射率)。 通常其中也可以包括更厚的层，例如膜外表面的表层或设置在膜内部、将多个微层的层 组隔开的保护性边界层。多层光学膜10的反射和透射性质取决于各个微层的折射率与微层的厚度和厚度 分布。每个微层(至少在膜的局部位置处)可以通过面内折射率nx、 和与膜的厚度轴 相关的折射率nz加以表征。这些折射率分别表示该被测材料对于沿相互垂直的x轴、y 轴和z轴偏振的光的折射率。在图1中，层12的这些折射率标为nix、nly、nlz,层14 的折射率标为n2x、n2y、n2z,其各自的层与层差值为Anx、Any、Anz。为便于在本专 利申请中说明，除非另外指明，否则假设x、y和z轴为适用于多层光学膜上所关注的任 何点的局部笛卡尔坐标，其中微层平行于x_y平面延伸，并且其中x轴在膜平面内取向， 以使八 的量值最大化。因此，Any的量值可以等于或小于(但不大于)△ nx的量值。 此外，在计算差值Anx、Any、Anz时，对开始料层的选择由Anx为非负值这样的要求 来确定。换句话讲，形成界面的两层之间的折射率差值为Aq =%- ，其中j = x、y 或z并且其中选择层标号1，2，以使得nlx^n2x，即An》0。在实施过程中，通过审慎选择材料和加工条件来控制折射率。膜10的制作方 法是将大量(如数十或数百)层交替层叠的两种聚合物A和B共挤出，通常接着将该 多层挤出物通过一个或多个倍增用模具，然后对挤出物进行拉伸或者说是对挤出物进行取向，以形成最终的膜。所得膜通常由数百个单独的微层组成，调整微层的厚度和折射 率，从而在所期望的光谱区域(如可见光区或近红外光区)形成一个或多个反射谱带。为 了以适当的层数实现高的反射率，相邻的微层通常表现出对沿x轴偏振的光而言至少0.05 的折射率差值(Anx)。如果两个正交偏振状态的光需要高反射率，则相邻的微层也可以 被制备为表现出对沿y轴偏振的光而言至少0.05的折射率差值(Any)。除了别的内容以外，上文引用的专利‘774(J0nza等人)描述了对沿z轴偏振的 光而言如何通过调整相邻微层之间的折射率差值(Anz)来实现对斜入射光的p偏振分量 的期望反射特性。为了保持对以倾斜角度入射的p偏振光的高反射率，各微层之间的z 轴折射率失配Anz可以控制为显著小于面内折射率最大差值Anx，使得八 动力申八 或 AngO.25* Anx。量级为零或几乎为零的z轴折射率失配产生了微层之间的这样的界面 取决于入射角，该界面对p偏振光的反射率为常数或几乎为常数。此外，z轴折射率失配 Anz可以控制为相比面内折射率差值Anx具有相反的极性，即Anz<0。该条件产生了 这样的界面该界面对p偏振光的反射率随着入射角度增加而增加，就像s偏振光一样。专利‘774(J0nza等人)也讨论了与被构造为偏振器的多层光学膜(称为多层反 射型偏振器)相关的某些设计问题。在许多应用中，理想的反射型偏振器沿一个轴(“消 光”或“阻光”轴，与x方向相对应)具有高反射率，沿另一个轴(“透射”或“透 光”轴，与y方向相对应)具有零反射率。如果沿透射轴存在一定的反射率，偏振器在 非垂直角度的效率可能会降低；如果对于多个波长来说反射率不同，则透射光会产生颜 色。此外，在一些多层系统中，可能无法准确匹配两个y轴折射率和两个z轴折射率， 并且当z轴折射率失配时，对面内折射率nly和n2y而言，可能期望产生轻微的失配。具 体地讲，通过安排y轴折射率失配，使其具有与z轴折射率失配相同的符号，可以在微层 界面处产生Brewster效应，以最小化沿多层反射偏振器的透射轴的偏轴反射率，进而最 小化偏轴颜色。在‘774(J0nza等人)中讨论的另一个设计考虑涉及多层反射偏振器的空气界面 处的表面反射。除非偏振器两侧均层合到现有玻璃元件或具有透明光学粘合剂的另一个 现有膜，否则这种表面反射会减少光学系统中所需偏振态的光的透射。因此，在一些情 况下，可能有用的是在反射偏振器上增加防反射(AR)涂层。诸如液晶显示器之类的视觉显示系统中常使用反射型偏振器。目前可见于诸如 手机、计算机和一些平板电视之类的多种电子装置中的这些系统使用由伸展区域背光源 从背后提供照明的液晶(LC)面板。将反射型偏振器设置在背光源上方或者说是复合在 背光源内，以将背光源发出的可被LC面板使用的一种偏振态的光透射至LC面板。不可 被LC面板使用的垂直偏振态的光被反射回背光源，并在背光源内最终反射回LC面板， 并且至少部分地转化为可用的偏振态，从而“循环”通常会损失的光，并提高显示器的 所得亮度和总效率。图2的示意性侧视图示出了代表性的视觉显示系统20。系统20包括LC面板22 和设置为向LC面板22提供光的照明组件或背光源24。LC面板22包括设置在玻璃面板 之间的液晶层。LC面板22布置于上吸收型偏振器26和下吸收型偏振器28之间。吸收 型偏振器26、28和LC面板22的组合控制从背光源24发出的光透过显示系统20到达观 察者。使用电子显示控制器有选择地激活液晶层的不同像素会导致光在所选像素处穿出显示系统20，从而形成观察者可见的图像。背光源24包括光源，光源设置为侧光式构型(光源30a)或直接照明式构型(光 源30b)，并且将来自光源的光分布在与LC面板22的可视区域匹配的整个输出区域上。 光源可以为(例如)冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)，并且其可以单独或组合 地产生白光。背光源24也包括总体地表示为32的膜叠堆，该叠堆可以包括各种光学元 件，例如扩散板、棱镜增亮膜(BEF)和以上讨论的多层反射型偏振器。背光源包括封装 件，其内底面34a和内侧面34b可以为反射性的，以促进光循环并提高系统效率。在一 些情况下，背光源也可以采用固体光导由侧装光源(光源30a)向整个输出区域均勻地传 输光。在任何情况下，背光源提供可被LC面板22用来产生观察者可见的图像的扩展 光源，观察者可以从同轴(垂直或几乎垂直)观察方向(观察者36a，其位置沿着垂直于 多层反射型偏振器和系统20的其他扩展光学元件的z轴布置)或偏轴或倾斜观察方向(观 察者36b)观察。反射型偏振器在诸如系统20之类的显示系统的环境下的一个性能度量称为“增 益”。反射型偏振器或其他光学膜的增益可以用来衡量与没有光学膜的显示器相比具有 光学膜的显示器呈现给观察者的亮度要亮多少。更具体地讲，光学膜的增益是具有光学 膜的显示系统(或其一部分，如背光源)的亮度与不具有光学膜的显示系统的亮度的比 率。由于亮度通常取决于观察取向(参见例如图2的观察者36a、36b)，因此增益也取决 于观察取向。如果认为增益与取向无关，则通常假设为同轴性能。高增益通常与下列反 射型偏振器相关对于垂直入射光和斜入射光而言，该偏振器的阻光轴具有非常高的反 射率，而透光轴具有非常高的透射率(非常低的反射率)。这是因为非常高的阻光轴反 射率使具有不可用偏振态的光线将反射回背光源从而可以转化为可用偏振态的机会最大 化；非常低的透光轴反射率使具有可用偏振态的光线将以最小损耗从背光源射向LC面板 的机会最大化。反射型偏振器在全RGB彩色显示系统的环境下的另一个性能度量是由于反射或 透射过程中光谱的不均勻性而使元件在同轴和偏轴方向引入系统的色彩量。理想的是， 偏振器在从约400至700nm的整个可见光谱范围内均勻地反射和透射，使其在同轴或偏 轴方向引入显示器的光没有显著可见的色彩。在下列条件下最容易实现上述目的如果 阻光轴反射率尽可能高，并且透光轴反射率尽可能小，或者更精确地，如果因微层的干 涉作用而使透光轴反射率的一部分尽可能小。(由于暴露于空气中的聚合物反射型偏振器 的前主表面和后主表面处的菲涅耳表面反射，所导致的透光轴反射的剩余部分实际上对 色彩没有影响，因为这种“空气_聚合物表面”的反射基本上在光谱上均勻。)具有既 不非常小也不非常大的反射率的微层叠堆更难在可见光谱范围内控制色彩。这是因为在 中间反射率下，即使叠堆的层厚度分布相对于理想或目标厚度分布的变化非常小，也会 容易产生人眼在透射或反射光中会很容易察觉的相对于目标平面反射光谱的光谱偏差。考虑到上述情况，下文将更详细描述的两种市售多层反射型偏振器产品能够利 用膜设计实现良好的增益和较低的色彩特性，这些膜设计在某些方面不同，但都通过将 Any保持得非常小而具有很小的同轴透光轴反射率。

发明内容
然而我们发现，这些市售反射型偏振器都对p偏振光具有偏轴增益峰值。这些 偏轴增益峰值相对较小，但在一些应用中可以显著降低同轴增益或亮度。我们发现，增 益峰值与下列因素有关与微层相关的非常小的透光轴反射率分量、与偏振器外表面相 关的菲涅耳表面反射率、以及菲涅耳反射率与入射角的相关性。因此除了别的以外，本文描述了多层反射型偏振器，该偏振器利用设计特征的 新组合提供示例性增益和色彩性能，同时基本上避免了偏轴增益峰值。我们描述了(例 如)用于反射型偏振器的聚合物材料的新选择标准，该反射型偏振器增加了面内折射率 差值Anx、Any(同时提供合适的面外折射率差值Anz)，使得与微层相关但仍远小于阻 光轴反射率的透光轴反射率分量足够大，以克服外表面的菲涅耳表面反射率的角度相关 性，从而避免偏轴增益峰值。意外的是，选择标准也与层数较少的膜相容。在示例性实施例中，反射型偏振器具有阻光轴(x)和透光轴(y)，以及暴露于空 气中、因而显示具有最小的布鲁斯特角反射率的相对的第一和第二主表面，并且所述主 表面设置为与z轴垂直。N个微层的叠堆设置在主表面之间并且布置为成对的相邻微层， 这些微层具有分别沿x、y和z轴的折射率差值Anx、八 和Anz，其中Anx> Any>0 > Anz。在示例性实施例中，数量N和折射率差值A 的组合足够大，使得偏振器对沿 x轴偏振的垂直入射光具有较高的反射率Rblocknormal，Rblocknormal为至少80 %。数 量N和折射率差值Any的组合足够小，使得偏振器对沿y轴偏振的垂直入射光具有较低 的反射率Rpassnormal，Rpassnormal为25 %或更小。数量N和折射率差值A ny的组合 足够大，使得反射型偏振器对于以第一主表面的布鲁斯特角入射到y_z平面的p偏振光具 有大于Rpassnormal的反射率。优选地，A ny是Rpassnormal产生增量部分Rpassinc的原 因，A nx的等于A ny的对应部分是Rblocknormal产生增量部分Rblockinc的原因，并且数 量N足够小，以使得Rblockinc与Rpassinc相当。例如，Rblockinc为Rpassinc的至少一 半，或至少等于Rpassinc。在示例性实施例中，微层被布置成每个都具有光学厚度的光学重复单元，光学 重复单元被布置用于提供基本单调或平滑增加的光学厚度分布。N个微层中的至少一些 包含聚萘二甲酸乙二醇酯或其共聚物，N为350或更小，或300或更小，或者在从250至 350的范围内，或者在从275至375的范围内。作为另外一种选择，N个微层中的至少 一些包含聚对苯二甲酸乙二醇酯或其共聚物，N为800或更小，或650或更小，或者在 从300至650的范围内，或者在从500至650的范围内。反射型偏振器对于沿x轴偏振 的垂直入射光具有高反射率Rblocknormal，对于沿y轴偏振的垂直入射光具有低反射率 Rpassnormal，Rblocknormal 为至少 80 %。Rpassnormal 优选地小于 30 % 或 25 %，但优选 地比主表面的组合垂直入射反射率大至少2%。反射型偏振器对于以第一主表面的布鲁斯 特角入射到y_z平面的p偏振光优选地具有大于Rpassnormal的反射率。本文还讨论了相关方法、系统和制品。本专利申请的这些方面和其他方面通过下文的具体描述将显而易见。然而，在 任何情况下，以上概述都不应理解为是对权利要求书中所要求保护主题的限制，该主题 仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。


图1为多层光学膜的一对层的透视图；图2为显示系统的示意性侧视图；图3为光学膜与笛卡尔坐标系的关系的透视图；图4为背光源与各种反射型偏振器的组合的观察极性角与测量亮度的关系图， 从图中可以看出增益的角度相关性；图5为多层光学膜交替层的不同折射率组合的示意图；图6为建模的p偏振反射率取决于各种多层膜设计的入射角的关系图；图7为建模的同轴反射率取决于各种多层膜设计的归一化面内折射率差值的关 系图；图8为图7结果的汇总图；图9a为建模的同轴增益取决于各种多层膜设计的y轴折射率失配的关系图；和图9b为建模的半球增益取决于各种多层膜设计的y轴折射率失配的关系图。在这些附图中，相同的附图标号指示类似的元件。
具体实施例方式为了更清楚地描述在市售反射型偏振器中观察到的偏轴增益行为，我们在图3 中提供了光学膜40与全局x-y-z笛卡尔坐标系的关系的透视图。膜40可以为多层反射 型偏振器，此时x、y和z轴可以与上文讨论的局部x、y和z轴相同。作为另外一种选 择，膜40可以为另一个光学膜或表面，例如显示系统的前表面。如图所示，膜40平行 于x-y平面平放。对于传统的偏振膜，可以认为光是在两个正交平面内偏振，其中光的电矢量 (其横向于光的传播方向)位于特定偏振平面内。给定光线的偏振态又可以分解为两个 正交的偏振态P偏振光和S偏振光。p偏振光为入射平面内偏振的光，入射平面为包 含局部表面法向矢量和光线传播方向或矢量的平面。图3示出了光线42，该光线以相对 于表面法线(z轴)的倾角e入射到或离开光学膜40，从而形成“入射平面” 44。(由 于缺乏替代术语，本文将用“入射平面”表示包含表面法向和光传播方向的平面，这既 包括光线入射到膜上的情形，也包括光没有入射到膜上而是从膜中离开的情形。同样，
“入射角”可用来表示表面法向和光传播方向之间的角度，这既包括光线入射到膜上的 情形，也包括光从膜中离开的情形。)如果膜40为偏振器，则其包括平行于y轴的透光 轴46和平行于x轴的阻光轴48。光线42的入射平面44平行于阻光轴48。光线42具 有位于入射平面44内的p偏振分量和与入射平面44正交的s偏振分量。光线42的p偏 振分量垂直于透光轴46，并与阻光轴48局部对齐，而光线42的s偏振分量则平行于透 光轴46。图3还示出了另一个光线50，该光线以相同倾角0入射到或离开光学膜40， 但其入射平面52平行于透光轴46。在这种情况下，光线50的p偏振分量垂直于阻光轴 48，并与透光轴46局部对齐，而光线50的s偏振分量则平行于阻光轴48。由此可知，根据入射的方向，p偏振光可以在一些情况下垂直于透光轴，另一些 情况下垂直于阻光轴S偏振光可以在一些情况下平行于透光轴，另一些情况下平行于阻光轴。(任意入射平面都可以分解为入射平面分量44和52。)因此，对于各向异性系统的 s偏振光和p偏振光的行为的完整讨论不但应包括光的入射角(或者(例如)出射角或观 察角)，而且应包括光的入射平面(或者(例如)出射平面或观察平面)。测量了两种已知的多层反射型偏振器产品对p偏振光的增益，并观察了其他特 性。本文称为RP1的第一产品采用聚萘二甲酸乙二醇酯(“PEN”)作为其中一种 聚合物，采用基于萘二羧酸的共聚物或共混物(“coPEN”)，特别是包含己二醇以避免 结晶的55/45共聚物共混物，作为另一种聚合物。这些聚合物被共挤出为具有共275层 的交替的层结构，挤出物被穿过1x3层倍增器，在这里被分割和堆叠彼此层叠于顶部的 三个挤出物组件，所得物被进一步加工和拉伸成最终的反射偏振膜，该偏振膜具有分隔 成三个截然不同的微层层组(每个有275层)的共825个微层，微层层组之间具有光学上 厚的保护性边界层(PBL)，外主表面处具有光学上厚的表层。在最终的膜中，由PEN构 成的微层具有双折射性，而由coPEN构成的微层则基本上为各向同性的。本文称为RP2的第二产品采用基于萘二羧酸的90/10共聚物共混物(“coPEN” ) 作为其中一种聚合物，共聚酯(SA115，得自Eastman Chemical Co.)作为另一种聚合物。 这些聚合物被共挤出为具有共275层的交替层结构，挤出物被抛物线拉幅机进一步加工 和拉伸成最终的反射偏振膜，该偏振膜具有布置成单个微层层组的共275个微层，并且 外主表面处具有光学上厚的表层。在最终的膜中，由coPEN构成的微层具有双折射性， 而由共聚酯构成的微层则基本上为各向同性的。这些产品的光学性质大致如下
RP1RP2nix1.801.82nly1.6211.57nlz1.561.555n2x, n2y, n2z1.6121.57Anx0.1880.256Any0.009(大于0但小于0.01)Anz-0.052-0.015N825275Rpassnormal12%10%RpassnormalFresnel11%10%Rblocknormal94%98%在该表中，nix、 nly、 nlz、 n2x、 n2y、 n2z、 Anx、 Any 禾口 A nz 如上所述。
“N”值为偏振器中的微层总数。RpasOTormal为膜在可见光波长范围内(如从400至 700nm)对垂直入射到偏振器并沿透光轴(y)偏振的光的平均反射率，其中包括空气/聚 合物的前后界面的反射率和微层的反射率。RpasMormalFreOTel为归因于暴露在空气中的 前后主表面的菲涅耳反射率的Rpassnormal部分。Rblocknormal为在可见光波长范围内 (如从400至700nm)对垂直入射到偏振器并沿阻光轴(x)偏振的光的平均反射率。值得注意的是，通过高双折射率nix和低各向同性折射率的组合，RP2获得 高于RP1的阻光轴折射率差值(Anx)。由于垂直入射反射能力随各个面内折射率差值而成平方地增加，较高的Anx允许在其他因素不变的情况下以较少的层数获得相同的阻光 轴反射率。还应注意，RP1和RP2都具有非常低的透光轴折射率差值(Any)和较低的垂 直入射透光轴反射率。然而，由微层产生的垂直入射透光轴反射率分量更低，该分量等 于 Rpassnorma卜RpassnormalFresnel，或者对于 RP 1 为约 1 %，对于 RP2 为 0%。我们研究了这些反射型偏振器产品的增益特性。具体来讲，我们研究了取决于 y-z平面(即包含透光轴和表面法线的平面，参见图3的平面52)内的p偏振光的角度的 增益。将膜置于漫透射中空光箱(背光源)顶部。光箱的漫透射和漫反射可描绘为朗 伯模式。中空光箱具有约83%的漫反射率。光箱利用稳定宽带光源从内部照明。将标 准线性吸收型偏振器(即分析仪)设置在样品箱和照相检测器之间。照相检测器系统为 Autronic-Melchers GmbH (Karlsruhe, Germany)制造的锥光镜。最初，让背光源输出稳 定之后，在水平面的一系列观察角内测量背光源本身的亮度。水平面为包含表面法线和 输出偏振器的p偏振光透光轴的平面，如图3的平面52。测量结果绘制成图4的亮度曲 线60，其中曲线图的横轴为与表面法线成的偏振角(图3中的0)，单位为度，纵轴为亮 度测量值，单位为尼特(nt)。由图可知，亮度关于表面法线相对对称，并且在e达到约 士50度之前随角度相对不变，超出该角度时，观察到亮度降低。然后在背光源和分析仪之间设置平片RP1，使RP1的透光轴与分析仪的透光轴 对齐，并重复测量。测量结果绘制成亮度曲线62。显然，RP1偏振器在宽泛的观察角 范围内增加了系统的亮度，从而提供了大量的增益。需要注意的第二个特征是，在角度 增加至约士50度之前亮度随角度增加而逐渐增加，然后对于更大的倾斜角，亮度降低。 请回忆，增益是指具有膜的系统的亮度(曲线62)与不具有膜的系统的亮度(曲线60)的 比率，读者将会很容易理解，该特征对应于约士50度的偏振角处的增益峰值。然后移除平片RP1，用取向方式和RP1相同的平片RP2来代替，然后重复测 量。测量结果绘制成亮度曲线64。还应当注意，总亮度相对于背光源单独地增加。还 应当注意，在角度增加至约士50至60度之前亮度随角度增加而逐渐增加，然后对于更大 的倾斜角，亮度降低。类似于RP1，通过比较曲线64和曲线60也可以看到，偏振器RP2 在约士 50至60度的偏振角处具有增益峰值。RP1和RP2偏振器的偏轴增益峰值是由于偏振器前后主表面处的外部空气/聚 合物界面处的布鲁斯特角效应所产生的。在外表面没有防反射涂层的情况下，两个空气 /聚合物界面中每一个都有助于约为下式的垂直入射(9=0)反射率Rn =xl00% ,其中np为最外层聚合物层(通常为微层所用材料中的一种)的折射率，空气的 折射率为1。对于非垂直入射，p偏振光的反射率在小角度e处接近但小于，并随着 角度9的增加逐渐降低，直到在布鲁斯特角偏振反射率为零。当入射角e继 续增加至大于eB时，p偏振反射率随角度e的增加而迅速增加。由此可见，RP1和RP2的偏轴增益峰值是由下列情况所导致的由于外部空气 /聚合物界面的布鲁斯特角效应，当入射角从9 =0增加至eB时，这些偏振器的透光轴 对于p偏振光的透射性更强，反射性更弱。出现这种情况是由于两个外部空气/聚合物 界面是对于这些入射角产生透光轴反射率的主要原因。对于这些角度产生透光轴反射率的其他原因为多层膜内的多个微层，由于非常小，其对反射率的贡献是次要的。当 然，八％较小有个很好的理由，即最小化透光轴反射率，从而最大化透光轴的通过量。不论是什么原因引起偏轴增益峰值，在需要最大同轴增益的应用中，偏轴增益 峰值都是不可取的，因为它会使亮度和增益偏离正常值。我们发现，通过合理的材料选择、加工和膜设计，在简单的单层组膜构造中， 在保持较少色彩的同时明显消除偏轴增益峰值并增加同轴增益。在示例性实施例中，我 们通过下列步骤实现这个目的(1)通过(例如)选择低折射率各向同性材料，在保持负 八112的同时，增加透光轴折射率差值Δηγ和阻光轴折射率差值Δηχ;和(2)优选地将单 层组构造内的膜的微层限制到相对较少的数量。这些设计特征将在下文中详细讨论。图 4的曲线66为实现这些特征的反射型偏振膜的亮度测量值，下文将更详细讨论。我们选择将归因于微层的透光轴反射率增加至足够大，以使得微层随入射角增 加的反射率增加(对于P偏振光)能够补偿空气/聚合物界面随入射角增加的反射率减少 (对于P偏振光)，从而使偏振器的总反射率(对于P偏振光)随入射角增加而单调递增， 或者使微层的反射率(对于P偏振光)对于以其中一个或两个空气/聚合物界面的布鲁斯 特角ΘΒΛ射的光为至少Rpassnormal，或者使微层的反射率(对于ρ偏振光)的增加速 度比主表面的组合菲涅耳反射率减少速度更快。在一些情况下，这些条件可以被经验法 则代替，该法则规定Rpa^normal比主表面的组合垂直入射反射率大至少2%，或者归因 于微层的Rpa^normal部分为至少2%。为了让微层的ρ偏振透光轴反射率随入射角增加 而增加，面外折射率差值Δηζ应为负数，并且面内折射率差值Any应为正数，但小于阻 光轴折射率差值△ 。这些关系可以概括为Δηχ > Δ ny > 0 > Δηζ虽然我们增加了透光轴反射率，但我们优选地不随便增加该反射率。我们希望 让该值保持足够低，以合理保持高透光轴通过量。在一些情况下，我们可以只将该值增 加到必要的程度，以便如上所述使微层的P偏振反射率增加补偿空气/聚合物表面的P偏 振反射率减少。在一些情况下，我们可以建立经验法则，即Rpassnormal不超过30%、或 25%,或20%、或15%。因此，可以在将反射率增加至足以补偿外表面的布鲁斯特角效 应与将反射率保持得低到足以合理保持高透光轴通过量和较高同轴增益之间建立平衡。图5示出了用于增加面内折射率差值八 和Any的一种方法。图中示出了用 于表示折射率ηχ、 和112的轴。为了清楚起见，这些轴被纵向分开，但又具有相同的刻 度，同时为了大致参考，还提供了从1.0 (空气)开始的折射率刻度。点70、72和74分 别表示由第一聚合物材料构成的微层的折射率，即nix、nly和nlz。第一聚合物材料明 显是双折射性的。标有n2的竖直虚线表示由第二聚合物材料构成的微层的折射率。该 线与nx、 和 轴相交产生分别表示n2x、n2y和n2z的交点(未标出)，这三者彼此相 等。第二聚合物材料为各向同性的。点70、72和74与线n2的组合表示具有交替的双 折射微层和各向同性微层的多层反射膜。通过选择第一、第二聚合物材料并加工膜，使 得各向同性材料的折射率与双折射材料的y轴折射率匹配，从而使Δηχ > Δ ny = 0 > Δηζ。该组合表示反射型偏振器，当沿透光轴偏振的光垂直入射时，这种反射型偏振 器的反射率与微层无关。由于微层提供的透光轴反射率可能不会抵消暴露于空气中的偏振器的前后主表面的布鲁斯特角效应，因此这种膜可能会具有偏轴增益峰值。通过用另一种各向同性材料代替原来的各向同性材料，可以增加透光轴反射 率。为此，我们确信新的各向同性材料具有比原来的材料更小的折射率，优选地新的各 向同性材料的折射率n2'大于nlz(点74)，以保持八~为负数，从而使新的折射率差值 Δηχ' = nlx-n2'、Δηy' = nly_n2'和 Δηz' = nlz_n2'符合下列关系Δηχ' > Δηy' > 0 > Δηz'，其中参数的上标表示新的各向同性材料。新的各向同性材料优选地自然具有特 定的材料性质，这些性质使其能够与取向后将变得具有双折射性的聚合物材料共挤出。应当注意，用于增加y方向的折射率差值的这种技术还会以相同的数量增加其 他方向的折射率差值。因此，不但初始y轴折射率差值Δny(该值等于零，因而在图5中 未示出)增加Δη/后产生此时等于Δη/的新y轴折射率差值；而且初始的χ轴折射率 差值Δηχ也增加了相同的量Δη/并产生Δηχ'，并且初始ζ轴折射率差值Δηζ增加了 相同的量Δη/，从而产生更小的负值Δηζ'。这样，在新的构造中，最终的y轴折射 率差值Δη/会与沿全部三个坐标轴的相等折射率调整相关。以与y轴折射率差值相同 的数量增加χ轴折射率差值的另一个有益效果是提高对于阻光轴的微层的反射能力，对 于给定的阻光轴目标反射率，利用这一点可以减少微层叠堆内所需的层数。因此，我们 通过增加透光轴反射率来消除偏轴增益峰值的方法也可以有助于获得总层数更少、设计 更简单的膜。虽然图5描述了选用替代各向同性材料的双折射/各向同性材料的组合，但这并 不旨在进行限制。例如，通过保持各向同性材料不变而替换成不同的双折射材料，或者 通过保持双折射材料不变而改变加工条件(拉伸量、拉伸分布、温度、保压时间等)，可 以增加面内折射率。此外，也可以采用使用两种不同的双折射材料作为第一和第二聚合 物材料的构造。现在参见图6，由图可见建模的反射曲线，该曲线展示了通过增加微层沿y轴的 反射率来增加透光轴反射率的技术。每个曲线均为特定多层反射型偏振器构造对入射到 y-z平面(参见图3的平面52)的ρ偏振光的计算出的反射率，该反射率取决于空气中入 射角(参见图3的Θ)。每个建模的偏振器构造均假设单个叠堆内布置着总共N个微层， 这些微层在第一微层和最末微层的外表面处暴露于空气中。N个微层布置成第一聚合物 和第二聚合物交替的构造，相邻的一对第一和第二聚合物形成f比率50%的光学重复单 元。光学重复单元具有线性光学厚度分布，其范围从第一对层的200nm(与400nm处的 垂直入射反射峰值相对应)至最末一对层的462nm(与925nm处的垂直入射反射峰值相对 应)。本文称为RP6.1、RP6.2、RP6.3和RP6.4的建模的反射型偏振器构造具有下列附
加性质
权利要求
1.一种具有阻光轴(X)和透光轴(y)的反射型偏振器，包括第一主表面和相背对的第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面暴露于空气 中，因而具有布鲁斯特角反射最小值，所述第一主表面和所述第二主表面被设置为垂直 于ζ轴，所述ζ轴本身垂直于所述χ轴和所述y轴；和N个微层的叠堆，所述叠堆设置在所述第一主表面和所述第二主表面之间并且布置 为成对的相邻微层，所述微层具有分别沿所述χ轴、所述y轴和所述ζ轴的折射率差值 Δηχ、Δηγ ΠΔηζ, Δ ηχ > Δ ny > O > Δ ηζ ；其中数量N和所述折射率差值Δηχ的组合足够大，以使所述反射型偏振器对于沿所 述χ轴偏振的垂直入射光具有高反射率Rblocknormal，Rblocknormal为至少80% ；所述数量N和所述折射率差值Any的组合足够小，以使所述反射型偏振器对于沿所 述y轴偏振的垂直入射光具有低反射率Rpassnormal，Rpassnormal为25%或更小；所述数量N和所述折射率差值Any的组合足够大，以使所述反射型偏振器对于以所 述第一主表面的所述布鲁斯特角入射到所述y_z平面内的ρ偏振光具有大于Rpassnormal 的反射率；和Any是Rpassnormal产生增量部分Rpassinc的原因，Δηχ的等于Any的对应部分是 Rblocknormal产生增量部分Rblockinc的原因，并且所述数量N足够小，以使得Rblockinc 与Rpassinc相当。
2.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rblockinc为Rpassinc的至少一半。
3.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rblockinc为至少Rpassinc。
4.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rblocknormal为至少90%。
5.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rblocknormal为至少95%。
6.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rpassnormal为20%或更小。
7.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rpassnormal为15%或更小。
8.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rpa^normal比所述第一主表面和所述第二主 表面的组合垂直入射反射率大至少2%。
9.根据权利要求1所述的偏振器，其中所述反射型偏振器在插入背光源腔内时产生增 益，并且所述增益相对于参数Δ Δη基本上最大化，所述参数Δ Δη可用于同等地增加或 减小所述折射率差值Δηχ、Any、Δηζ。
10.根据权利要求9所述的偏振器，其中特定值ΔΔη获得最大增益，并且所述折射 率差值Δηχ、Any和Δηζ产生的增益是最大增益的至少90%。
11.根据权利要求9所述的偏振器，其中所述增益为同轴增益或半球增益。
12.根据权利要求1所述的偏振器，其中所述N个微层的叠堆包括设置在所述第一主 表面和所述第二主表面之间的所有微层。
13.根据权利要求1所述的偏振器，其中所述微层中的至少一些包含聚萘二甲酸乙二 醇酯或其共聚物，并且N在从275至325的范围内。
14.根据权利要求1所述的偏振器，其中所述数量N和所述折射率差值Any的组合足 够大，以使得所述反射型偏振器对于入射到所述y_z平面内的ρ偏振光具有如下反射率 所述反射率随相对于所述ζ轴的入射角增加而单调增加。
15.根据权利要求1所述的偏振器，还包括用粘合剂附接到所述反射型偏振器的机械加固基底，所述机械加固基底具有产生光漫射和/或准直的结构化表面。
16.一种具有阻光轴(χ)和透光轴(y)的反射型偏振器，包括第一主表面和相背对的第二主表面，所述第一主表面和第二主表面暴露于空气中， 因而具有布鲁斯特角反射最小值，所述第一主表面和所述第二主表面被设置为垂直于ζ 轴，所述ζ轴本身垂直于所述χ轴和所述y轴；和N个微层的叠堆，所述叠堆设置在所述第一主表面和所述第二主表面之间，并且布 置为成对的相邻微层，所述微层具有分别沿所述χ轴、所述y轴和所述ζ轴的折射率差值 Δηχ、Any ^P Δηζ, Δηχ > Δny > O > Δηζ，并且所述微层被布置成每个都具有光学 厚度的光学重复单元，所述光学重复单元被布置用于提供基本单调的光学厚度分布；其中所述反射型偏振器对于沿所述χ轴偏振的垂直入射光具有高反射率 Rblocknormal，并对沿所述y轴偏振的垂直入射光具有低反射率Rpassnormal， Rblocknormal为至少80%，Rpassnormal小于25%，但比所述第一主表面和所述第二主表 面的组合垂直入射反射率大至少2% ；和所述反射型偏振器对于以所述第一主表面的所述布鲁斯特角入射到所述y_z平面的ρ 偏振光具有大于Rpassnormal的反射率。
17.根据权利要求16所述的偏振器，其中所述N个微层中的至少一些包含聚萘二甲酸 乙二醇酯或其共聚物，并且N为350或更小。
18.根据权利要求17所述的偏振器，其中N为300或更小。
19.根据权利要求17所述的偏振器，其中N在从250至350的范围内。
20.根据权利要求17所述的偏振器，其中N在从275至325的范围内。
21.根据权利要求16所述的偏振器，其中所述N个微层中的至少一些包含聚对苯二甲 酸乙二醇酯或其共聚物，并且N为800或更小。
22.根据权利要求21所述的偏振器，其中N为650或更小。
23.根据权利要求21所述的偏振器，其中N在从300至650的范围内。
24.根据权利要求21所述的偏振器，其中N在从500至650的范围内。
25.根据权利要求16所述的偏振器，其中所述N个微层的叠堆包括设置在所述第一主 表面和所述第二主表面之间的所有微层。
26.根据权利要求16所述的偏振器，其中Δηχ为至少0.2，Any小于0.05。
27.根据权利要求16所述的偏振器，其中所述第一主表面和所述第二主表面对于入射 到所述y-z平面内的ρ偏振光具有随入射角增加而减小的组合反射率；并且所述N个微 层的叠堆对于此类光具有随入射角增加而增加的反射率，所述反射率的增加速度比所述 第一主表面和所述第二主表面的所述组合反射率的减小速度更快，以使所述反射型偏振 器对于入射到所述y-z平面内的ρ偏振光的反射率单调增加。
28.根据权利要求16所述的偏振器，还包括用粘合剂附接到所述反射型偏振器的机械 加固基底，所述机械加固基底具有产生光漫射和/或准直的结构化表面。
29.一种制备具有阻光轴(χ)和透光轴(y)的反射型偏振器的方法，所述方法包括选择第一聚合物材料和第二聚合物材料；将所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料共挤出，以提供具有暴露于空气中的 相对主表面的聚合物膜，所述主表面垂直于ζ轴设置，所述ζ轴本身垂直于所述χ轴和所述y轴，所述聚合物膜包括设置在所述主表面之间的N个层的叠堆，所述N个层包括与 所述第二聚合物材料的层交替的所述第一聚合物材料的层；和将所述聚合物膜进行取向，以将所述N个层转化为布置成成对的相邻微层的N个微 层，所述微层具有分别沿所述χ轴、所述y轴和所述ζ轴的折射率差值Δηχ、Any和 Δηz,使得 Δηχ > Δny > O > Δηz ；选择数量N和所述折射率差值Δηχ的组合使所述组合足够大，以使得所述反射型偏 振器对于沿所述χ轴偏振的垂直入射光具有高反射率Rblocknormal，Rblocknormal为至少 80% ；选择所述数量N和所述折射率差值Any的组合使所述组合足够小，以使得所述反射 型偏振器对于沿所述y轴偏振的垂直入射光具有低反射率Rpassnormal，Rpassnormal为 25%或更小；选择所述数量N和所述折射率差值△ ny的组合使所述组合足够大，以使得所述反射 型偏振器对于以所述第一主表面的所述布鲁斯特角入射到所述y_z平面内的ρ偏振光具有 大于RpasOTormal的反射率；和选择所述数量N使其足够小，使得Rblocknormal的增量部分Rblockinc与Rpassnormal 的增量部分Rpassinc相当，其中Any是产生增量部分Rpassinc的原因，并且Δηχ的等于 Any的对应部分是产生Rblocknormal的所述增量部分Rblockinc的原因。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述反射型偏振器在插入背光源腔时产生增 益，并且至少进行选择所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的步骤、共挤出所述 第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的步骤、以及取向所述聚合物膜的步骤，以使所 述增益相对于参数Δ Δη基本上最大化，所述折射率差值Δηχ、Any和Δηζ都可相等地 增加或减少Δ Δη。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述参数ΔΔη的特定值实现最大增益，并且 至少进行选择所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的步骤、共挤出所述第一聚合 物材料和所述第二聚合物材料的步骤、以及取向所述聚合物膜的步骤，以使得提供的增 益为所述最大增益的至少90%。
32.根据权利要求29所述的方法，其中至少所述第一聚合物材料包含聚萘二甲酸乙二 醇酯或其共聚物，并且N在从275至325的范围内。
33.根据权利要求29所述的方法，其中在取向所述聚合物膜的步骤之后，所述N个微 层的叠堆包括设置在所述主表面之间的所有微层。
34.根据权利要求29所述的方法，其中在取向所述聚合物膜的步骤之后，包含所述 第一聚合物材料的微层具有双折射性，并且包含所述第二聚合物材料的微层为各向同性 的。
35.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rblocknormal、Rpassnormal、Rblockinc和 Rpassinc均为在从400nm至700nm的波长范围内的平均值。
36.根据权利要求1所述的偏振器，其中Rblocknormal、Rpassnormal、Rblockinc禾口 Rpassinc均为在从400nm至925nm的波长范围内的平均值。
37.根据权利要求16所述的偏振器，其中Rblocknormal和Rpassnormal均为在从 400nm至700nm的波长范围内的平均值。
38.根据权利要求16所述的偏振器，其中Rblocknormal和Rpassnormal均为在从 400nm至925nm的波长范围内的平均值。
39.根据权利要求29所述的方法，其中Rblocknormal、RpassnormaLRblockinc禾口 Rpassinc均为在从400nm至700nm的波长范围内的平均值。
40.根据权利要求29所述的方法，其中Rblocknormal、RpassnormaLRblockinc禾口 Rpassinc均为在从400nm至925nm的波长范围内的平均值。
全文摘要
本发明公开了多层反射偏振膜，所述偏振膜具有在相邻微层之间沿所述透光轴和阻光轴增加的面内折射率差值，并且具有在相邻微层之间沿所述厚度或z轴的负折射率差值。所述膜暴露于空气中的前后主表面为所述透光轴反射率提供了菲涅耳反射率分量，所述微层为所述透光轴反射率提供了微层分量，这种微层分量优选地具有对p偏振光的反射率，所述对p偏振光的反射率随入射角增加而增加，并且增加速度快于所述菲涅耳反射率分量的减小速度，从而基本上避免p偏振光的偏轴增益峰值。所述膜优选地采用布置成具有单调光学重复单元厚度分布的单一相干叠堆的总数相对较少的微层，并且至少一些微层优选地包含聚萘二甲酸乙二醇酯或其共聚物。
文档编号G02B5/30GK102016659SQ200980114666
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月27日 优先权日2008年3月31日
发明者克里斯托弗·J·德克斯, 卡尔·A·斯托弗, 尚德恩·D·哈特, 迈克尔·F·韦伯 申请人:3M创新有限公司