在极角和方位角方向均具有输出限制的多层光学膜及相关构造的制作方法

专利名称：在极角和方位角方向均具有输出限制的多层光学膜及相关构造的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及光学膜，尤其适用于其反射特性很大程度上取决于从该膜内的微层之间的界面反射的光的相长干涉和相消干涉的那些膜。本发明还涉及相关系统和方法。
背景技术：
已知这样的多层光学膜其反射和透射特性唯一地或主要地基于从该光学膜内的多个或一叠光学薄层(“微层”)之间的界面反射的光的相长干涉和相消干涉。例如，已知将诸如二氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)之类的无机光学材料层交替地真空沉积到基底上来制备高反射率镜膜。此外还知道，通过共挤出多个交替的聚合物层并在适于使浇铸层变薄的条件下拉伸浇铸料片而使多层光学膜具有较大的面内双折射率，并且使所得微层中的一些具有应力诱导双折射率。例如，参见美国专利3，610，729 (Rogers)、4，446，305 (Rogers等人)和 5，486，949 (Schrenk等人)。对材料性质和工艺条件进行选择，以使得应力诱导双折射在相邻微层之间沿一面内轴线提供折射率失配，沿正交的面内轴线提供显著的折射率匹配。折射率失配为沿第一轴线(阻光轴)偏振的光提供高折射率，折射率匹配为沿正交轴线(透光轴)偏振的光提供低反射率和高透射率，从而形成便利的反射型偏振片制品。近来，3M公司的研究人员已经指出此类膜沿垂直于膜的方向(即Z轴)的层对层折射率特性的重要性，并且显示出这些特性如何对膜在斜入射角下的反射率和透射率起重要作用。参见例如美国专利5，882，774(J0nza等人)。Jonza等人提出，除了其他之外，相邻微层之间的Z轴折射率失配(简称为Z折射率失配或Δηζ)可被设计成能够构造布鲁斯特角(P偏振光在界面处的反射率变为零的角度)非常大或不存在的多层叠堆。这又便于构造这样的多层反射镜和偏振片其P偏振光的界面反射率随着入射角增加而缓慢减小， 或者与入射角无关，或者随着入射角偏离垂直方向而增大。因此，可以得到在宽的频带上对 s偏振光和ρ偏振光均具有高反射率的多层膜(对于反射镜以任何入射方向，对于偏振片以选定的方向)。

发明内容
我们已经发现以前从未证实的材料性质的新组合，该组合能够用于提供表现出随方向和偏振态变化的反射和透射特性的多层光学膜。例如，本文所述多层膜对垂直入射光表现出似镜面特性，对任何偏振态和在可见光范围内或其他扩展波长范围内的光保持高反射率(例如，至少75 %、80 %、85 %或90 % )。然而，在某些倾斜角度下，这些同样的膜对于在扩展波长范围内的P偏振光变得高度透射，但这种选择性透射在方向上不对称，因为其发生在一个入射平面内，而不是在正交入射平面内。结果导致方位角不对称的“蝠翼”透射，其特征在于单个平坦且最好为可共挤出的多层光学膜的垂直入射似镜面特性，这不需要任何棱镜或全息的层或膜或任何类似表面结构，并且不需要任何额外的光管理膜或元件。换句话说，本文描述了单个平坦的可共挤出多层光学膜，由于其透射率和反射率的方向相关性， 该光学膜基本上将透射光限制为两个方向瓣，每个方向瓣在极角和方位角上均具有有限的
角宽度。这种特征组合是违反直觉的，因为人们通常会期待，在垂直入射下为良好镜面 (强烈反射所有偏振态的光)的多层光学膜具有基本上围绕Z轴旋转不变的离轴反射和透射特性。例如，如果此类膜对于在由第一方位角或方向表征的一个平面内的入射光在斜极角保持强反射率，则可以预料当入射平面旋转至任何其他方位角时，在这些相同的斜极角处会出现基本相同的强反射率。相似地，如果膜对于在由第一方位角表征的一个平面内的入射光在斜极角的反射率下降，则可以预料当入射平面旋转至任何其他方位角时，在这些相同的斜极角处会出现基本相同的反射率下降。除了别的以外，本文描述了包括布置成光学重复单元的微层的多层光学膜，该微层用于在扩展波长段(例如从400nm至700nm的人眼可见的光谱)内反射光。相邻微层表现出显著的沿χ轴的面内折射率失配Δηχ和沿y轴的面内折射率失配Any。这些失配的量值大到足以使该膜(对于在扩展波长段内的垂直入射光而言)对沿χ轴偏振的光具有反射率Rnormalx，对沿y轴偏振的光具有反射率Rnormaly，Rnormalx和Rnormaly均为至少 75%、80%、85%或90%。然而，相邻微层也表现出沿面外ζ轴的显著的折射率失配Δηζ。 该失配的量值足够大并具有适当的极性，使得该膜(对于在第一入射平面内入射到膜上的扩展波长段内的光而言)对P偏振光且以角度θ入射的光的反射率Rl不超过Rnormalx和 Rnormaly中较低者(称为“Rnormalmin”)的一半。然而，面内折射率失配Δηχ和Any的差值足够大，使得该膜(对于在正交于第一入射平面的第二入射平面内入射到膜上的扩展波长段内的光而言)对所有入射角度的P偏振的光的反射率R2为至少75%。因此，在第二入射平面内观察不到在第一入射平面内以斜极角观察到的P偏振光的反射率大幅下降(以及伴随的透射率大幅增加)。这种膜通常在两个不同的方向表现出低反射率R1，这两个方向均位于第一入射平面内并且均相对于ζ轴形成极角θ oblique，并且这两个方向在角度上相隔该极角的二倍， 即2X θ oblique。与这些独特的方向中每一个相关的低反射率和高透射率被保持在有限的方向锥内，在该方向锥以外则由与垂直入射光或与在第二入射平面内入射的光相关的高反射率和低透射率取代，该类锥被称为透射瓣。因此，这种膜可通过将光选择性地透射到形成蝠翼分布的两个离轴透射瓣内并且反射未透射的光来“限制”光。各个蝠翼瓣可以通过极角θ的有限角宽度Δ θ和方位角φ的有限角宽度Δ φ来表征。离轴漏光使该膜适合在直接照明式背光源和类似照明系统中使用，在这些照明系统中，可以将膜置于灯前(设有或不设其他中间光学膜或光学体)来帮助分散由灯发出的光，从而改善空间均勻度并有助于隐藏灯或遮住灯。该膜也可以用于一般照明系统(例如灯具)和工作照明，以实现同轴和离轴照明的平衡，从而有助于拓宽光输出的角分布，达到减少炫光或其他所要求的设计目的。还可以加入棱镜膜和类似光控膜来重定向离开多层光学膜射向系统的观察轴或所需其他方向的高度倾斜的光。由于漏光的不对称性质以及与透射瓣相关的受限的方位角范围，该膜也很适合与线光源(即沿光源轴线物理延伸且沿垂直于光源轴线的其他轴线短得多或受限制的光源) 一起使用。这种光源的一个实例是直管荧光灯，另一个实例是布置成一条直线的多个单独的LED。该膜可以有利地取向为使得第一入射平面(透射瓣沿该平面对齐)基本垂直于光源轴线。或者作为替代，第一入射平面可以平行于光源轴线对齐。在该替代构型中，许多光经过多次反射以被重定向为沿弱轴射出，导致光在离开光学膜之前更均勻地混合。在这种情况下，为了保持高效率的系统，低吸收系统是重要的。本 发明所公开的反射膜可以制备成在可见光区域或其他所关注的波长区域内具有低吸收损耗，以使得几乎所有这种未被膜透射的光都被膜反射，反之亦然，或者 Rhemi+Themi 100%，其中Rhemi是指膜的总半球平均反射率，Themi是指膜的总半球平均透射率。同样，本发明所公开的膜可以有利地用于采用光循环腔的照明系统中。例如，可以将本发明所公开的膜置于具有后反射器或在后反射器和膜之间设置有一个或多个灯的直接照明式系统中。最初未被膜透射的光可以被后反射器反射回膜，以获得另一次透射的机会。除非另外指明，本文所述与多层光学膜相关的反射率和透射率值可以被理解为包括两个或一个或零个膜/空气界面的影响。至于包括多少个此类膜/空气界面的问题，其答案可能取决于本发明所公开的反射膜的预期应用。例如，如果要将该膜置于现有背光源、灯具或其他照明系统中，并且如果膜的外主表面将始终暴露于空气中而不是与另一个光学元件紧密光学接触(如通过层合)，则系统设计者可能希望包括两个膜/空气界面对反射和透射的影响以评价该反射膜对系统的作用。另一方面，如果首先将棱镜膜层合到反射膜的一个主表面，然后将该组合膜层置于现有照明系统中，则系统设计者可能希望仅包括一个膜/ 空气界面的影响，即反射膜的未层合主表面的膜/空气界面的影响。最后，如果反射膜要被层合到照明系统的现有元件(现有元件的折射率与膜外表面的折射率相似)上，则由于将反射膜加入系统会使系统内的聚合物/空气界面总数基本不变，系统设计者可能不希望在反射率和透射率值中包括膜/空气界面。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，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，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为包括多层光学膜的照明系统的示意性透视图，其中多层光学膜具有本文所述的蝠翼透射特性；图2a和2b为图1的照明系统沿正交的观察方向的示意性侧视图；图2c为图1的照明系统的示意性俯视图；图3为多层光学膜的一部分的透视图；图3a_b示出可用来帮助实现多层光学膜的所需反射和透射特性的示例性折射率关系；图4为理想偏振膜的透视图，示出了一方面固定的x、y、ζ笛卡尔坐标系与另一方面S偏振方向和P偏振方向之间的差别，后者与光的入射平面有关，因而未相对于X、y和Z 轴指定，除非指定了光的入射平面；图4a为笛卡尔坐标轴x、y、z的透视图，结合该坐标轴示出了任意点或向量的极角θ和方位角φ ；图5为具有两个内布鲁斯特角的多层光学膜的反射率相对于入射角的曲线图，图 5a和5b示出对于不同极角(或入射角)θ，随方位角φ变化的膜的透射性质；图6为同样具有两个内布鲁斯特角的另一个多层光学膜的反射率相对于入射角的曲线图，图6a类似于图6，不同的是图6a包括因反射率计算中所包括的膜/空气界面表面反射数量而不同的曲线族；图6b为多层光学膜的反射率相对于入射角的曲线图，该多层光学膜类似于与图6 相关的多层光学膜，但具有550个而不是275个微层；图6c为与图6的实施例类似但具有双折射表层的实施例的不同极角的透射率与方位角的曲线图；图6d类似于图6c，但其多层光学膜的表层为各向同性的； 图7为又一个多层光学膜的反射率相对于入射角的曲线图，但该多层光学膜仅具有一个内布鲁斯特角，并且使用正双折射材料和负双折射材料的组合；图7a和7b示出对于不同极角，随方位角Φ变化的该膜的透射性质；图8为本文所公开的多层光学膜与线性棱镜膜的组合的示意性侧视图，该棱镜膜取向为将离开多层膜的高度倾斜光重定向至其他方向；图9a和IOa为包括扩展光源、多层光学膜和不同棱镜膜的不同照明系统的示意性侧视图，图9b和IOb示出它们各自产生的光输出的角分布；图11和12示出可以利用本发明所公开的多层光学膜的不同薄型照明系统的示意性侧视图；图13为一个背光源实施例的局部示意性剖视图，该背光源包括漫反射前反射器和漫反射后反射器；图14为一个背光源实施例的局部示意性剖视图，该背光源包括镜面反射前反射器和半镜面后反射器；以及图15为在正交平面内具有不同输出发散度或准直度的灯具的透视图。在这些附图中，相同的附图标号指示类似的元件。
具体实施例方式图1示出照明系统110的简化透视图，该照明系统采用具有蝠翼透射特性的反射性多层光学膜112。系统110还包括高反射率后反射器114，该反射器与多层光学膜112基本上共延且相对，从而在两者间形成光循环腔116。因此，由膜112反射的光可以被后反射器114朝膜112再次反射，以获得再次透射的机会来改善系统效率和降低损耗。多层光学膜112被示出为仅透射较大斜角的光，参见光线118a、118b。光线118a、 118b是对下文进一步描述的实际多层光学膜的实际透射的过度简化，但可用来表现该膜的重要特性。所示光线具有用来表示其各自偏振态的小双向箭头。还示出了笛卡尔坐标系 x-y-z,以作为参考基准。膜112被示为大致平坦和平面的，其平行于x-y平面延伸，表面法线平行于ζ轴。还可以想到这样的照明系统，其中膜112可以为曲面的或被弯曲成适形于所需形状，但即使在这些情况下，膜112也可以被视为在小范围内局部平坦和平面的。在此类情况下，图1可视为代表较大照明系统的小的局域部分。
多层光学膜112具有两条特征面内轴线120、122，已将这些轴线分别与坐标系的y 轴和χ轴对齐，当然也可以采用其他惯常做法。轴线120可被称为“弱”轴，轴线122可被称为“强”轴。弱轴和强轴分别类似于偏振片的“透光”轴和“阻光”轴，但只是针对高度倾斜的光如此，而未必适用于同轴光。不论偏振态如何，入射到膜112上的平行于ζ轴的同轴光均在扩展波长段内被强反射，使得膜112基本上表现为高反射率宽频带镜面。沿χ轴偏振的此类光的反射率(或Rnormalx)为至少75%，或至少80%、85%或90%，沿y轴偏振的此类光的反射率(或Rnormaly)也为至少75%、80%、85%或90%。在许多实施例中，弱轴120的同轴反射率略小于强轴122的同轴反射率，但并不是所有实施例都会这样，并且在任何情况下 ，弱轴反射率均如上所述为至少75%。换句话说，如果Rnormalmin为Rnormalx 和Rnormaly中的较小者，则在许多但非所有实施例中，Rnormalmin将对应于弱轴，并且 Rnormalmin为至少75 %、80 %、85 %或90 %。由于膜112在垂直入射角度的似镜面特性，图 1未示出沿ζ轴透射穿过该膜的光线。在较大的斜角下，膜112变得具有强烈的透射性，但基本上仅针对ρ偏振光，然后对于入射到“弱平面”(包含弱轴120的入射平面)内的此类ρ偏振光具有选择性，而不针对入射到“强平面”(包含强轴122的入射平面)内的ρ偏振光。因此，斜光线118a、118b 在图1中示为位于弱(y_z)平面内，并且被示为P偏振光。透射率的增大伴随着相对于垂直入射角度的反射率的减小。入射到弱平面内的P偏振光的反射率在至少一些入射角 θ oblique下减小至面内反射率Rnormalmin的最小值的一半，优选地减小至更低。这可以表达为Rl彡Rnormalmin/2，其中Rl是指以角度θ oblique入射到弱平面内的ρ偏振光的反射率。在空气中，θ oblique通常在50至80度的范围内。入射到强平面内的ρ偏振光的反射率对于所有入射角均保持较高水平。这可以表达为R2 >75% (或80%、85%或90%)， 其中R2是指以任意角度(所有可能的入射角)入射到强平面内的ρ偏振光的反射率。作为另外一种选择，对于所有入射角θ，R2可以大于或等于Rnormalmin。膜112在介于弱平面和阻光面之间的入射平面(对应于大于O但小于90度的方位角)内的反射和透射性能表征了透射光的准直度或角度限制性，下文将对其进行进一步讨论。弱平面或y-ζ平面内的入射光的透射率增大，以及强平面或x-z平面内的入射光的透射率不发生相应增大的事实，可以有利地用于不同照明系统(例如，背光源、灯具等) 中，以实现隐藏灯泡的目的或以其他方式将光分布为理想的定向和空间图案。利用这类光学特性，多层光学膜可以仅沿一个方向(弱轴120)提供通量或亮度均勻化，该膜可以有利地用于采用线光源(例如荧光灯或几排紧密间隔的LED或涂荧光体的LED)的照明系统中。 在这种情况下，膜的通量均勻化方向优选地取向为大致垂直于线光源的轴线或长度方向。 该膜的与角度有关的反射率和透射率可以有助于向例如背光源或灯具的前漫射板更均勻地递送光强度。如下文更详细描述的那样，通过适当选择和设计大量微层可以实现多层光学膜 112的上述性质。优选地，膜的微层和其他组成部分采用低吸收材料(例如低损耗透光性聚合物或其他低损耗材料)制成，以使膜的单程吸收损耗保持在非常低的水平，例如在可见光波长范围内平均小于1%。因此，除非另外指明，对于给定波长、偏振态和入射方向，多层光学膜的百分比反射率和百分比透射率之和可以假设为接近100%或至少99%。换句话讲，反射率(％) +透射率(％) ^ 100%。因此，膜的反射率降低也可以理解为透射率增大， 反之亦然熟悉多层光学膜基本特性的读者将会知道，多层光学膜内一对给定的微层会随着光的入射角的变化而反射不同波长的光，对于本文所述多层光学膜同样如此。在一些情况下，利用该性质构造旨在随入射角变化而透射或反射不同波长的“色移”膜。然而，本文所述多层光学膜设计成可在扩展波长段(例如从400nm至700nm的人眼可见的光谱)内大致均勻地反射和透射光，并且设计成可在广泛的入射角范围内实现此目的。如下文进一步讨论， 通过为膜112提供足够多的微层和适当的层厚梯度来提供宽广而基本平坦的反射谱带，可以实现此目的。反射谱带最好足够宽且足够平坦，以使得当其随入射角和偏振态变化时，在扩展波长段上保持相对平坦或均勻的光谱透射率和反射率。平坦的光谱特性确保白光被均勻反射或透射，以使得所看到的被反射或透射的光的颜色不会过度偏离光源的颜色。当所关注的扩展波长段为可见光谱时，假设多层光学膜具有暴露于空气中的平坦主表面，则为多层光学膜提供在400nm至900nm的垂直入射角度下的平坦反射谱带常常足以确保在所有可用角度下400-700nm的均勻反射率。系统110还包括后反射器114，但读者会理解，多层光学膜112也可以用于不含后反射器114和循环腔116的照明系统中。然而，如果包含后反射器114，可以根据预期应用而采取多种形式。就相对低成本的灯具设计而言，后反射器可以为或包括施加到结构构件 (例如一块金属片)上的简单白漆涂层。在更苛刻的应用(例如LCD电视或类似显示器的背光源)中，对于任何偏振态的可见光，后反射器114可具有至少90 %、95 %、98 %、99 %或以上的同轴平均反射率。这样的反射率值涵盖了反射到半球中的所有可见光，即这样的值同时包括镜面反射和漫反射。就此而言，后反射器114可以主要是镜面反射器、漫反射器或镜面反射器与漫反射器的组合，无论其在空间上均勻分布或呈一定的图案。后反射器114也可以为或包括如下列专利中所述的半镜面反射器提交于2008年5月19日的PCT专利申请公开 WO 2008/144644 "Recycling Backlights With Semi-Specular Components” (具有半镜面元件的循环背光源)(代理人案卷号63032W0003)，该专利以引用方式并入本文中。在一些情况下，后反射器114可以由具有高反射率涂层的刚性金属基底制成， 或者由层压到支承基底上的高反射率膜制成。合适的高反射率材料包括得自3M公司的 Vikuiti 增强型镜面反射片(Enhanced Specular Reflector, ESR)多层聚合物膜；使用 0. 4密耳厚的丙烯酸异辛酯-丙烯酸压敏粘合剂将掺有硫酸钡的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜 (2密耳厚)层压到Vikuiti ESR膜上所形成的膜，本文将这种膜称为“EDR II”膜；得自 Toray Industries, Inc.的E-60系列Lumirror 聚酯膜；多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜(如得自 W. L Gore&Associates,Inc.的那些)；得自 Labsphere，Inc.的 Spectralon 反射材料; 得自 Alanod Aluminum-Veredlung GmbH&Co.的 Miro 阳极氧化铝膜(包括 Miro 2 膜)； 得自 Furukawa Electric Co. ,Ltd.的 MCPET 高反射率泡沫片材；得自 Mitsui Chemicals, Inc.的White Refstar 膜和MT膜；以及如美国专利5，976，686 (Kaytor等人)中所述采用热致相分离(“TIPS”)制备的一种或多种多孔聚丙烯膜。后反射器114可大体上为平坦和平滑的，或可以具有与之相关的结构化表面，以增强光的散射或混合。这种结构化表面可被赋予(a)后反射器114的表面或(b)涂敷到该表面的透明涂层。在前一种情况下，可以将高反射率膜层合到预先形成结构化表面的基底上，或者将高反射率膜层合到平坦基底(如金属薄片，这与得自3M公司的Vikuiti 耐用增强型镜面反射片-金属(Durable Enhanced Specular Reflector-Metal, DESR-M)反射器类似)上，然后再例如用压印操作来形成结构化表面。在后一种情况下，可以将具有结构化表面的透明膜层合到平坦反射面上，或可将透明膜施加到反射器上，然后可以在透明膜顶部形成结构化表面。对于包括直接照明式构型(即其中一个或多个光源直接设置在照明系统110的输出或发光区域后面的构型)的那些实施例，后反射器可以为上面装有一个或多个光源的连续的一体式不间断层，或者可以在一些分离的层段中不连续地构成，或者在本来连续的层内包括光源可以从中伸出的隔离的小孔而在该范围内不连续地构成例如，将反射材料带施加到其上装有几行光源的基底上，每条反射材料带都具有足以从一行光源延伸到另一行光源的宽度，并具有足以跨越背光源输出区域相对边界的长度尺寸。照明系统110还包括被设置成将光发射进循环腔内的一个或多个光源(图1的视图中未示出)。这些光源可以发射所关注的扩展波长段(通常为可见光谱)内的光，或者可以例如从LED或激光器发出窄带紫外光、可见彩色光或红外光。例如，冷阴极荧光灯(CCFL) 在其窄长发射区域上提供白光发射，那些发射区域也可用来将入射到CCFL上的一些光散射(例如循环腔中会发生的那样)。CCFL的典型光发射具有大体为朗伯型的角分布，这在一些超低损耗背光源设计中可能是低效或者说是不可取的。另外，尽管CCFL的发射表面一定程度上是漫反射的，但是其通常还具有在一些应用中可能过量的吸收损耗。另一方面，荧光光源在诸如吊顶灯具或工作照明之类更高损耗系统中已经足够。发光二极管(LED)也适合用作光源。LED晶粒以近朗伯方式发射光，但由于其尺寸相对于CCFL而言小得多，所以LED光分布可易于改进，例如用整体密封剂透镜、反射器、或提取器将所得的封装LED制成向前发光体、侧面发光体、或其他非朗伯外形，这在一些应用中可能是有利的。然而，LED光源相对于CCFL的较小尺寸和较高强度也会使得更难以使用 LED来产生空间均勻的背光源输出。在使用单个的彩色LED(例如红/绿/蓝(RGB)LED布置)来产生白光的情况下尤其如此，因为无法提供足够的这种光的侧向传播或混合会导致不可取的颜色带或区域。白光发射LED (其中通过蓝光或紫外光发射LED晶粒来激发荧光粉，从而从近似于LED晶粒的小面积或小空间中发出强烈的白光)可以用于减少此类颜色不均勻。但白光LED目前无法提供与使用单个的彩色LED布置所能达到的相同的LCD色域宽度，因此白光LED不能满足所有最终用途应用的需要。作为另外一种选择，通过在利用本发明的膜进行定向控光或光混合的光循环腔内部或上面远离LED的位置加入荧光体，可以由蓝光LED或UVLED产生白光，或者一般地由较短波长的光源产生任何波长较长波长的光。该构造有时称为“远程荧光体”。无论使用何种光源，都可以将其直接设置在系统110的扩展输出表面之后(即直接位于多层光学膜112之后)，或者可以沿输出表面的边缘设置。前一种情况称为“直接照明式”系统，后一种情况为“侧光式”系统。在一些情况下，直接照明式系统也可以包括在装置周边处的一个或一些光源，或侧光式系统也可以包括直接在输出区域后面的一个或一些光源。在这类情况下，如果大部分光来自输出区域的正后方，则该系统可被认为是“直接照明式”，如果大部分光来自输出区域的周边，则该系统被认为是“侧光式”。直接照明式系统易受“穿通现象”的影响，在该现象中每个光源上方的输出区域内会出现亮点。侧光式系统通常包括固体光导，该光导将侧装光源发出的光传输或引导至输出区域的所有部分，并且该光导还具有将光导发出的光导向观察者130的光提取特征。如果系统110为液晶显示器(LCD)装置的背光源，则通常在膜112和观察者130之间会包括其他元件，例如，一个或多个偏振片(包括吸收型偏振片和反射型偏振片)、漫射器、棱镜膜(包括得自3M公司的任何增亮膜(Brightness Enhancement Film, BEF)，并且包括可用的转向膜)、以及液晶面板。如果系统较简单，例如为吊顶灯具或工作照明，则该其他元件可包括漫射膜或面板，和 /或其他刚性透光性面板，在该透光性面板上可以层合本发明所公开的多层光学膜，或者紧贴该面板设置本发明所公开的多层光学膜。
再来看图1，图中还示出了观察者132和134作为参考，以进一步证明多层光学膜 112的基本光学特性。观察者132沿强轴122观察，看到的照明系统110如图2a的局部示意性侧视图所示。观察者134沿弱轴120观察，看到的照明系统110如图2b的局部示意性侧视图所示。在图2a中，示出以直接照明构型设置在膜112和后反射器114之间的普通光源 210，其位于照明系统的输出表面的正后方。所示光源210发射两条非偏振光线垂直入射光212和斜入射光214，该斜入射光位于y-z (弱)平面内，并且相对于表面法线或ζ轴形成极角Θ。这些光线入射到多层光学膜112的后主表面，此处所示多层光学膜具有一些组成元件，其中包括一叠微层112a和(可选的)光学上厚的外表层112b、112c，这些元件未按比例绘制。为了方便起见，这些组成元件仅在膜112的一部分上示出，但应理解为在膜 112的整个长度和宽度上延伸。通过适当设计膜112，该膜强烈反射两种正交偏振光，将其朝后反射器114向后反射为光线212a，从而作为同轴反射镜工作。膜112还被设计成可为在y-z或弱平面内偏振的光提供选择性的离轴泄漏，从而使垂直入射到该膜上的光被强烈反射(参见光线212、212a)，但以高度倾斜的极角θ入射的光(参见在图纸平面内偏振的光线214部分)被强烈透射为光线118b，如上文中图1所示。沿χ轴或强轴122偏振的倾斜光线214的部分被膜112强反射，产生光线214a。图2a提供了极角通量包络线220 (用其单独的半块或瓣220a、220b标记)，用来定性示出膜112对于入射到y-z平面或弱平面的ρ偏振光的透射的角度相关性。该包络线可被视为表示膜112透射的光的通量或亮度，或者替代地表示膜112的百分比透射率，对于指定入射平面内指定偏振态的光，该值为极角θ的函数。对于入射到弱平面内的正交偏振光(s偏振光)，未示出其类似的通量包络线，因为这种光在所有角度上非常少量的透射使得此类包络线不为关注且是多余的。然而，P偏振包络线220显示ρ偏振光在垂直入射角度具有少量或可忽略不计的透射，该透射在较大的倾斜角θ oblique处达到最大。该最大透射角也对应于上述反射率(Rl)的最小值。如果透射率和反射率值包括一个或两个膜/空气表面反射的影响，则P偏振光的透射通常会在角度θ oblique和掠入射角(Θ =90度) 之间快速减少，如通量包络线220所示。结果导致入射到弱平面内的ρ偏振光具有蝠翼透射特性，并且对所有偏振态具有同轴似镜面特性(高同轴反射率)。瓣220a、220b通常表现出相对于ζ轴的轴对称性，并且表现出相对于y-z平面的镜面对称性。图2b类似于图2a，不同的是观察者134沿y轴或弱轴120观察。该观察者还看到光源210发射垂直入射光线212，该光线的两种正交偏振光同样被强反射，产生如上所述的反射光线212a。光源210还发出另一条斜光线230，其相对于表面法线或ζ轴形成角度θ，类似图2a的光线214，不同的是该光线设置在正交的x-z平面(“强”平面)内。在该入射平面内，光线230的两种偏振态均以斜角被强反射，产生反射光线230a。图中未示出极角通量包络线，因为两种正交偏振光和所有角度的透射非常少，使得此类包络线不为关注且是多余的。图2c为从观察者130的角度来看照明系统110的俯视图或前视图。在该视图中添加了对于P偏振光的方位角通量包络线240，该通量包络线用其单独的半块或瓣240a、240b 表示。通量包络线240代表对于所有可能的入射平面的ρ偏振入射光的亮度或通量(甚至百分比透射率)，但不包括特定的入射角Θ，例如θ =60度或其他所选值。由于此类多层光学膜对于s偏振光的典型光通量或透射量非常小，使得s偏振光的对应的通量包络线不为关注且是多余的，因而没有示出。应当注意，由于膜112对于ρ偏振光的透射率是入射角的强函数，选择不同的入射角θ (例如θ =50度或θ =70度)通常会产生一定程度上不同形状的通量包络线，如以下一些实例所示。瓣240a、240b通常表现出相对于ζ轴的轴对称性，并且表现出相对于x-z平面的镜面对称性。量化给定方位角通量包络线或此类包络线的给定瓣的准直度是有用的。我们采用一种方法，其中已知最大通量的主方向(或方位角)，然后确定主方向的相对两侧的次方向 (或方位角)，该方向上的通量为最大通量的Ι/e，其中e为欧拉常数(e ^ 2. 718)。那么，准直度(本文称为Δ φ = Δ φθ，其中Δ φθ中的“e”称为1/e条件)就是两个次方向之间对着的方位角Φ。在图2c中，瓣240a的最大通量的主方向对应于点242，次方向对应于点 244、246。因此，利用上述Ι/e通量条件，可以将点244、246之间的角度Δ Φθ视为瓣240b 的准直度，并且由于对称性，也可视为瓣240a的准直度。应当注意，可以按照与方位角参数Δ Φ e完全类似的方式计算极角参数Δ θ e，该参数量化极角通量包络线(参见例如图2a的极角通量包络线220)的准直度。根据反射率相对于入射角θ的曲线图(例如图5和6所示曲线图)或对应的透射率相对于入射角 θ的曲线图，很容易计算极角准直或角度扩展Δ θθο通过找到在该角度处透射率降至斜角θ oblique处的最大值的Ι/e的两个θ值，并计算这两个值θ之间的差值，可以得到 Δ θ e。当然，应当理解，光源210可以在所有方向发光(例如采用CCFL光源)，或者在立体角度的半球上发光(例如，对于安装在后反射器114上的LED)，或者在半球内的受限的一组角度内发光(例如，对于某些“侧发光”封装LED)。还应当理解，只要对膜112照明而使其在整个表面区域上透射光，通量包络线220、240就可视为代表在膜的整个表面区域或其任意部分上发出的光。现在我们对反射性多层光学膜112进行更详细的描述，并解释如何将其设计成表现出上述反 射和透射特性。如上所述，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。所述微层很薄，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1 μ m。然而，也可以包括较厚的层，例如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相干分组(称为“叠堆”或“层组”)的保护性边界层(PBL)。如果需要，可以用一个或多个厚的粘合剂层将两个或更多个单独的多层光学膜层合在一起， 形成层合物。在一个简单的实施例中，所述微层的厚度和折射率值可相当于％波长叠堆，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% )相同的两个相邻微层，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λ是光学重复单元总光学厚度的两倍，其中物体的“光学厚度”是指其物理厚度与其 折射率的乘积。利用沿膜的厚度轴线(ζ轴)的厚度梯度提供加宽的反射谱带，从而得到光在所关注的扩展波长段以及所关注的所有角度上大致光谱上平坦的透射和反射。也可使用设计成可在高反射和高透射之间的波长过渡区锐化谱带边缘的厚度梯度， 如美国专利6，157，490(Wheatley等人)中所述。就聚合物多层光学膜而言，反射带可以设计成具有锐化的带边缘和“平顶”反射带，其中反射特性在应用的整个波长范围内基本恒定。光谱上平坦的宽反射谱带对于本文所述多层光学膜尤为重要。还可以想到其他层结构， 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。这些可供选择的光学重复单元设计可被配置成减少或激发某些更高阶的反射，当所需扩展波长段延伸到近红外波长时，这样做可能是有用的。参见例如美国专利 No. 5，360，659 (Arends 等人)和 5，103，337 (Schrenk 等人)。适用的多层光学膜及其相关设计和构造的详细信息可见于美国专利 5, 882, 774 (Jonza 等人)、6，531, 230 (Weber 等人)、PCT 公布 No. W095/17303 (Ouderkirk 等人)、W0 99/39224 (Ouderkirk 等人)、以及 “Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors”，Science, Vol.287，March 2000 ( “多层聚合物反射镜中的巨双折射光学现象”，Weber等人，2000年3月《科学》，第287卷)。多层光学膜和膜体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吸收层可被添加在光学元件的入射侧，以保护元件不发生UV 光引起的劣化。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)。图3示出多层光学膜300的(构成一个光学重复单元的)两个相邻的微层302、 304。膜300通常包括几十、几百或几千个这样的微层以及上述可选的表层和保护性边界层，除了一对微层之外，这些层在图中均未示出。微层足够薄而使多个界面处反射的光产生相长干涉或相消干涉，从而使膜具有所述反射和透射特性。每个微层(至少在膜的局部位置处)可以通过面内折射率 、 和与膜的厚度或ζ轴相关的折射率~加以表征。这些折射率分别表示受试材料对沿相互正交的χ轴、y轴和ζ轴偏振的光的折射率。多层光学膜 300的反射特性和透射特性随各个微层的这些折射率的变化而变化。尤其重要的是相邻微层之间的对沿χ轴、y轴和ζ轴偏振的光的折射率差值(Anx、Any、Anz)。另一个重要的设计参数是所用微层的总数，以及微层沿膜的ζ轴的层厚度分布。我们发现，利用下列设计准则有助于实现上述多层光学膜的所需反射和透射特性。一般来讲，面内折射率差值Δηχ、Any均应基本失配，也就是说，它们应各自具有相对较大的值，但也应如下所述彼此不同。如果这些面内折射率失配，就可以将微层的总数选择得足够大，从而为沿χ轴偏振的垂直入射光以及沿y轴偏振的此类光提供高反射率，例如至少 75%、80%、85%或 90%。
对于面外折射率差值，我们为本发明的多层光学膜选择较大的Δηζ(优选地接近面内折射率差值Δ 或比其至少高一个数量级)，这与涉及Δ ηζ的多层光学膜的先前工作中强调的许多重点相反。我们还选择了与Δ 具有相同的正负号或极性的Δηζ。就此而言，如果在ζ方向具有较高折射率ηζ的微层沿1方向也具有较高折射率ny，两个折射率差值八 、八1!2具有相同的极性或正负号，反之亦然在ζ方向具有较低折射率^的微层在y 方向也具有较低折射率ny。通过选择在量级上相当或大于并具有相同的正负号的面外折射率差值Δηζ，我们确保膜具有至少一个内布鲁斯特角(即在称为弱平面的y-ζ平面内的一个内布鲁斯特角)，并且在一些情况下，该布鲁斯特角甚至可以从空气与平坦膜的界面获得。我们允许该平面布鲁斯特角的影响足够大，以大大减小从空气介质入射到膜上且在y-ζ平面内的P偏振光的离轴反射率，从而使y轴成为以上描述的弱轴。布鲁斯特角为这样的入射角在该入射角下，对于电场矢量在由传播方向和表面法线限定的平面内的光而言，其在具有不同折射率的两个区域之间的平面边界上入射时的反射率为零。换句话讲，对于在具有不同折射率的两个区域之间的平面边界上入射的光，布鲁斯特角为这样的入射角对于P偏振光而言，在该入射角处的反射率为零。对于从折射率为H1的第一各向同性介质传播至折射率为n2的第二各向同性介质的情况，布鲁斯特角被定义为arc tan(n2/ni)。所谓“内布鲁斯特角”是指在膜内部的界面处而不是与空气或系统内其他元 件之间的界面处的布鲁斯特角，而不论是否能从外部空气介质向膜内注入光使得光以内布鲁斯特角传播。当具有两个不同折射率的相邻部分之间的结构内存在界面时， 在光学结构中可存在内布鲁斯特角。通常，给定多层光学膜可以具有或不具有内布鲁斯特角。例如，如果多层光学镜膜中的交替的层中的一个或两个均为双折射的，并且这些层的ζ 折射率具有相对于面内折射率的特定差值Δηζ，则将不存在内布鲁斯特角。然而，折射率或者也可选择成可得到与面内折射率差值一起产生内布鲁斯特角的不同的Δηζ。应当注意， 给定的界面通常可以具有两个、一个或零个内布鲁斯特角对于x-z平面内的入射光的第一内布鲁斯特角，以及对于y_z平面内的入射光的第二内布鲁斯特角；对应于仅在y-ζ平面内的光的内布鲁斯特角；或χ-ζ平面或y_z平面内均没有内布鲁斯特角。现在回到关于可用于实现所需反射和透射特性的设计准则的讨论中，除了将Δηχ 和Any均选择为基本失配，并且除了将Δηζ选择为相对于Any较大且具有相同的正负号之外，我们还确保剩下的面内折射率值差八~与八 足够不同，使得Δηζ的组合对于所选总数的微层来说不会导致P偏振光在较高斜角下的任何强透射。通过这种方式，χ 轴成为以上描述的强轴。实现这一点的一种方式是将八^选择为与八 具有相同的正负号或极性，但具有更大的量值。在这种情况下，Anx、Any* Δnz都具有相同的极性或正负号。Δηχ相对于Any的量值越大(对于给定大小的Δηζ和给定数量的微层)，在χ-ζ平面内产生的内布鲁斯特角就比y_z平面内的内布鲁斯特角越倾斜。这使得x-z平面内的P偏振光在空气中所有入射角下保持高反射率(例如至少75% )，即使该反射率由于χ-ζ平面的布鲁斯特角而在相对于法线的某些斜角下略微减小。确保Δ ηχ与Δ ny足够不同以使得Δ nx和Δ ηζ的组合不会导致ρ偏振光在较高斜角下的任何强透射的另一种方式是，将Δηχ选择为具有与Any(和Δηζ)不同的正负号或极性。这可以利用多层叠堆内正双折射材料和负双折射材料的组合实现，但并不是正双折射材料和负双折射材料的每种组合都将满足考虑到所需反射和透射特性的上述其他准则。该方法导致X-Z平面内没有内布鲁斯特角。因此，这种多层膜仅具有y-z平面内的一个内布鲁斯特角。利用该方法，可以让“强轴”折射率差值Δ^的量值比“弱轴”折射率差值Any 的量值更小，并且仍然能保持上述所需的反射和透射特性。应当注意，在上述讨论中，给各面内轴线任意地分配标记，并且可以采用任何惯常做法。例如，可以选择将强轴与y轴相关联，将弱轴与χ轴相关联。图3a_ 3b示出了示例性折射率关系，该关系可以满足上述准则，并且可用现有的共挤出聚合物材料和已知加工设备通过审慎的材料选择和加工条件实现。在这些图中，与多层光学膜内的两相邻微层相对应的两种材料的相对折射率在与每种材料在X、y和Z方向的折射率相对应的三列中示出，其中一种材料使用实线，另一种材料使用虚线。各图中竖轴未加以标示，各竖轴均表示折射率，较高的线对应于较高的折射率。当然，通过比较适当的列的实线高度与虚线高度，容易确定给定轴线的折射率差值。图3a表示这样的层对的示例性折射率，该层对中折射率较高的材料为正双折射的，折射率较低的材料为各向同性的。在该图中，双折射材料的ζ折射率显示为一系列实线，以表示八~可以接近Any或更大，并且具有相同的正负号。应当注意，Δηζ可以在一定程度上小于Any，并且仍然“在量级上相当于” Any，具体取决于Δηχ的值和所用微层的数量。在适当条件下，拉伸正双折射材料使得其在χ方向的折射率ηχ增大，而在y方向的折射率ny和ζ方向的折射率nz减小。图3b表示这样的层对的示例性折射率，该层对中一种材料为正双折射的(实线)， 另一种材料为负双折射的(虚线)。所示折射率在下述实施例中具有代表性，其中使用间规立构聚苯乙烯(sPS)作为负双折射材料，使用30/70coPEN作为正双折射材料。通过在适当条件下在χ方向拉伸(初始各向同性的)共挤出层可以实现所示折射率。相比大多数多层叠堆，图3b的实施例中的任一种材料都不可被确定为“高折射率”层或“低折射率”层，因为在χ方向具有较高折射率的材料在y方向具有较低折射率，反之亦然。目前存在各种聚合物材料，可以从这些材料中选择成对的材料，这些材料对可以用共挤出和拉幅设备被共挤出和以其他方式加工，以制备所述多层光学膜，并且可以实现以上讨论的所需折射率关系。将来也可能出现另外的合适材料。一种目前可用的示例性负双折射材料为间规立构聚苯乙烯(sPS)。就像聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以及其他聚酯和共聚酯一样，基于萘二甲酸的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和用于制备聚脂的各种其他单体的某些共聚物或共混物(称为“coPEN”)可用作正双折射聚合物。一种特别合适的coPEN 为90% PEN和10% PET的共聚物，其被称为“90/10coPEN”。这种coPEN可以由用于制备单独的聚合物的组分单体的混合物直接聚合而成，或者该共聚物可以通过在挤出机和熔融装置组件内以足够的温度共混足够长的时间来制备。合适的低折射率各向同性材料包括得自 Eastman Chemical 公司(Kingsport, Tennessee)的共聚酉旨 Neostar Elastomer FNO07 ； 得自Kraton Polymers的苯乙烯-乙烯/ 丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物Kraton G1657 ；聚乙烯；聚丙烯和聚乙烯的共聚物；聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)；PMMA的共聚物(“coPMMA”)； 聚乙烯醇缩丁醛(“PVB”)；聚乙烯醇(“PVA”)；乙烯/辛烯共聚物；聚乳酸(“PLA”)；得自3M公司(St. Paul，Minnesota)的THV 含氟聚合物；以及有机硅聚乙二酰胺(SPOx)，或更准确地，如共同转让的美国专利申请公开US 2007/0177272 (Bensona等人/‘Multilayer Films Including Thermoplastic Silicone Block Copolymers，，(包含热塑性有机硅嵌段共聚物的多层膜)(代理人案卷号61494US007)中所述的“聚二有机硅氧烷-聚乙二酰胺嵌段共聚物”。其他有机硅和含氟聚合物也可用作低折射率材料。一种示例性正双折射材料包含70% PET和30% PE的共聚物，该共聚物被称为“30/70coPEN”。当如在背光型显示器中那样直接观察透射光，或者当如在普通照明中那样利用透射光观察其他物体时，控制反射性多层光学膜的颜色可能比较重要。该应用与通过反射观察(即只能观察到反射光)的典型反射镜形成对比。对于具有低透射率的部分反射器，不同波长下透射率的较小变化(例如，在一些波长下具有5%的透射率而在其他波长下具有 10%透射率的反射镜)可以产生颜色相当丰富的膜。通过反射光谱的形状来控制颜色。已知的方法(例如真空沉积)可以精确控制层叠堆中每个单独层的层厚值，从而控制具有中间反射率的反射镜的颜色。然而，对于几百个单独的聚合物层，更难用聚合物共挤出技术实现单个层的控制。美国专利 No. 5，126，880 (Wheatley 等人)和 5，568，316 (Schrenk 等人)提出使用薄层和很厚的层的组合来减少多层干涉反射器的彩虹色。如果希望在某些角度(如垂直入射角度)有高反射率，则使用该方法需要大量的层，这会导致膜非常厚，从而增加膜内的光损耗。—种优选方法是使用全波(或更多情况下四分之一波)薄膜叠堆。在这种情况下， 控制光谱需要控制薄膜叠堆内的层厚度分布。如果这些层为聚合物层，则由于和无机膜相比聚合物膜可达到的折射率差值相对较小，因此宽带光谱(例如，在空气中较大的角度范围内反射可见光所需要的光谱)仍需要大量的层。通过结合用显微镜技术获得的层轮廓信息使用美国专利6，783，349 (Neavin等人)中教导的轴杆设备可以调节此类膜的层厚度分布，为达到改善的光谱特性创造了条件。层数多(多于约250层)的聚合物型多层光学膜常规地已经使用层倍增器来制备，即，聚合物型多层光学膜已经由送料区块中的单组狭槽产生的层产生的多组层构造而成。美国专利6，783，349 (Neavin等人)中概述了该方法。此类层倍增装置大大简化了大量光学层的创建，但它们使每一组所得的层的变形对于每一组来说是不同的。因此，对送料区块中产生的层的层厚度分布方面的任何调整对于每一层组来说是不同的，这意味着不可同时优化所有层组来产生没有光谱断裂(disruptions)的均勻平滑的光谱。因此，难以使用倍增器通过多组膜制备最佳分布且低透射率彩色反射器。如果在送料区块中直接产生的单个层组的层数不能提供足够的反射率，则可以通过层合两个或更多个此类膜来增大反射率，但这样通常会增加反射镜内的损耗。因此，用于提供具有浅色或受控彩色光谱的多层光学膜的理想技术如下1)如美国专利6，783，349 (Neavin等人)中所教导的，使用轴杆加热器控制共挤出聚合物层的层厚度值。2)送料区块的设计使得叠堆中所有层在层形成过程中直接受轴杆加热器区的控制，即不用层倍增器。3)在制造过程中来自层厚度测量工具(例如，原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜、或扫描电子显微镜)的及时层厚度分布反馈。4)光学建模以生成所需层厚度分布。5)根据所测层特征图与所需层特征图之间的差异进行重复轴杆调节。
尽管通常不如AFM准确，但也可以通过对光谱求积分(对-Log(I-R)与波长光谱求积分)来快速估算层分布。这是根据这样的普遍原理得出，即反射器的光谱形状可以由层厚度分布的导数获得，前提条件是层厚度分布相对于层数目单调递增或单调递减层厚度分布控制的基本方法涉及根据目标层厚度分布和所测量层厚度分布的差异来调整轴棒区功率设置。调节给定反馈区域中的层厚度值所需的轴杆功率的增加首先会以该加热器区域中生成的每一层所得厚度变化(纳米)的热输入(瓦特)来校准。使用针对275个层的24个轴棒区可以实现光谱的精密控制。一旦经过校准，就可以在给定目标分布和所测量分布的情况下计算所需的功率调整。重复该步骤直到两种分布一致。现在返回图4和4a，以提出在结合膜或物体讨论入射与反射光的各个角度和方向时的某些几何结构上的考虑和惯常做法。图4研究了 “理想”偏振膜上的入射光的行为并提出这样的观点必须在指定s偏振光和P偏振光的入射方向之后，才能得出关于该膜的透射或反射的结论。光线410以入射角θ入射到理想偏振膜402上，从而形成入射平面412。 膜402包括平行于χ轴的透光轴406和平行于y轴的阻光轴404。光线420的入射平面422 平行于阻光轴404。光线420具有位于入射平面422内的ρ偏振分量和与入射平面422正交的s偏振分量。光线420的ρ偏振光至少部分地平行于偏振片402的阻光轴404，因此可以根据入射角被偏振片反射，而光线420的s偏振光平行于偏振片402的透光轴406并且至少部分地被透射。此外，图4示出了在平行于偏振片402的透光轴406的入射平面412内入射到偏振片402上的光线410。因此，光线410的ρ偏振光平行于偏振片402的透光轴406，而光线410的s偏振光平行于偏振片402的阻光轴404。因此，如果偏振片402为“理想”偏振片，其对于在阻光轴上偏振的光在所有入射光角度处反射率为100%，并且对于在透光轴上偏振的光在所有入射光角度处反射率为0%，则该偏振片透射光线420的s偏振光和光线 410的ρ偏振光，而反射光线420的ρ偏振光和光线410的s偏振光。换句话讲，偏振片402 将透射P偏振光和S偏振光的组合。图4a示出通过x-y-z坐标系原点且通过点ρ的任意方向向量。点ρ在χ-y平面内的投影为P’。该方向向量可以对应于入射、反射或透射方向，相对于Z轴形成极角Θ。该向量在χ-y平面内的投影形成相对于χ轴或相对于χ-y平面内的某些其他指定轴线的方位角Φ。因此，该方向向量可以唯一地用角度对θ，Φ表征，其中(例如)θ在从0度至90 度的范围内，Φ在从0度至360度或从-180度至+180度的范围内。还应当注意，入射到设置在x-y平面内的膜上的光的入射平面可以由方位角Φ指定，其中x-z平面由Φ =0度或180度指定，y-z平面由φ = 90度或-90度或270度指定。现在介绍适合用作具有上述所需反射和透射特性的高透射率通量均勻化膜的一些具体多层光学膜的实施例。在第一种情况下，选择90/10coPEN作为交替叠堆中的一种聚合物，选择有机硅聚乙二酰胺(SPOx)作为另一种聚合物。这些聚合物适于共挤出，并且在被拉伸时表现出合格的层间粘附力。这些材料的交替层的挤出物可以在合适的条件下被取向为提供具有以下折射率的多层光学膜
权利要求
1.一种具有基本上平坦的外表面的反射膜，包括多个微层，其被布置成光学重复单元以在扩展波长段上反射光，相邻的所述微层表现出显著的沿X轴的面内折射率失配Δηχ和沿y轴的面内折射率失配Any，使得对于在所述扩展波长段内的垂直入射光，所述反射膜具有对沿所述χ轴偏振的光的反射率Rnormalx和对沿所述1轴偏振的光的反射率Rnormaly，所述Rnormalx和所述Rnormaly均为至少75% ；其中，相邻的所述微层还表现出显著的沿面外ζ轴的折射率失配Δηζ，使得对于在第一入射平面内入射到所述反射膜上的所述扩展波长段内的光，所述反射膜具有反射率R1， 所述反射率Rl不超过对以角度θ oblique入射的ρ偏振的光的Rnormalmin的一半，其中所述Rnormalmin为所述Rnormalx禾口所述Rnormaly中的较小者；并且其中，所述Δηχ和所述Any的差值足够大而使得对于在正交于所述第一入射平面的第二入射平面内入射到所述反射膜上的所述扩展波长段内的光，所述反射膜对所有入射角度的P偏振的光的反射率R2为至少75%。
2.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述Rnormalx、Rnormaly、Rnormalmin、Rl和R2 均包括两个膜/空气界面的影响。
3.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述Rnormalx、Rnormaly、Rnormalmin、Rl和R2 均不包括任何膜/空气界面的影响。
4.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述扩展波长段包括从400nm至700nm的可见光谱，并且其中所述Rnormalx、Rnormaly、Rnormalmin、Rl和R2均为在所述可见光谱上的平均值。
5.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述反射膜对在所述扩展波长段内的光表现出通过两个透射瓣来表征的随角度变化的透射率，每个所述透射瓣具有以极角θ表示的角宽度Δ θ e和以方位角φ表示的角宽度Δ φθ。
6.根据权利要求5所述的反射膜，其中所述ΔΦ e为在最大透射率的一半下的全角宽度(FWHM)，并且不超过140度。
7.根据权利要求6所述的反射膜，其中所述ΔΦ e不超过130度。
8.根据权利要求6所述的反射膜，其中所述ΔΦ e不超过80度。
9.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述Δηχ和所述Any的正负号相反。
10.根据权利要求1所述的反射膜，其中每个所述光学重复单元包括由负双折射材料构成的第一微层和由正双折射材料构成的第二微层。
11.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述反射膜在所述第一入射平面内具有内布鲁斯特角，但在所述第二入射平面内不具有内布鲁斯特角。
12.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述Δηχ和所述Any的正负号相同。
13.根据权利要求1所述的反射膜，其中所述反射膜在所述第一入射平面和所述第二入射平面内均具有内布鲁斯特角。
14.一种包括权利要求1所述的反射膜的照明系统。
15.根据权利要求14所述的照明系统，还包括后反射器，其被设置为与所述反射膜一起形成循环腔。
16.根据权利要求14所述的照明系统，还包括光源，其沿长度轴延伸并且设置在所述反射膜后面；其中所述反射膜被取向为使所述长度轴基本垂直于所述第一入射平面。
17.根据权利要求1所述的反射膜与漫射器的组合。
18.根据权利要求17所述的组合，其中所述反射膜附接于所述漫射器，在反射膜附和所述漫射器之间没有居间空气间隙。
19.根据权利要求17所述的组合，其中所述漫射器显著扰乱偏振态。
20.根据权利要求17所述的组合，其中所述漫射器包括体漫散器。
21.根据权利要求1所述的反射膜与连接到所述反射膜的线性棱镜膜的组合，其中所述线性棱镜膜平行于所述线性棱镜膜的棱镜轴延伸，并且所述棱镜轴大致垂直于所述反射膜的所述第一入射平面。
全文摘要
本发明提供了包括布置成光学重复单元的微层的膜。相邻微层具有面内折射率失配Δnx、Δny，所述面内折射率失配被设计成可提供类似反射镜的同轴特性，使得所述膜对扩展波长段内任何偏振态的垂直入射光的反射率为至少75％。相邻微层也具有折射率失配Δnz，所述折射率失配使得所述膜对在所述扩展波长段内在第一入射平面内以角度θoblique入射到所述膜上的p偏振光具有减小的反射率R1和增大的透射率，其中R1不超过同轴反射率的最小值的一半。此外，Δnx和Δny的差值足够大而使得对于在正交于所述第一平面的第二入射平面内入射到所述膜上的光，所述膜对于以任何角度入射的p偏振的所述光的反射率R2为至少75％。
文档编号G02F1/1335GK102265195SQ200980152079
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月16日 优先权日2008年11月19日
发明者吉勒·J·伯努瓦, 蒂莫西·J·内维特, 迈克尔·F·韦伯 申请人:3M创新有限公司