專利名稱：具有控制分層的熔融區(qū)的多層光學(xué)薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含多層光學(xué)薄膜的光學(xué)體，所述光學(xué)薄膜對給定波長、偏振和/或方向的光具有所需的透射和/或反射性質(zhì)。尤其是本發(fā)明涉及控制這種膜分層的技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)明背景多層光學(xué)薄膜是眾所周知的，通過至少部分地排列折射率不同的微層，這種膜獲得所需透射和/或反射性質(zhì)。在真空室中，在基底上按順序依次沉積多個無機材料光學(xué)薄層(“微層”)，由此制備上述多層光學(xué)薄膜，這個方法早就為人所知。一般地，基底是較厚的玻璃片，可能是沉積過程對真空室體積和/或均勻程度有限制，基底尺寸也受到限制。
最近，多層光學(xué)薄膜已通過共擠出交替聚合物層得到說明。例如，可參見美國專利3610724(Rogers)、4446305(Rogers等)、4540623(Im等)、5448404(Schrenk等)和5882774(Jonza等)。在這些聚合物多層光學(xué)薄膜中，形成各層的時候主要或全部使用聚合物材料。這些膜適應(yīng)大量的生產(chǎn)過程，可制成大塊片材和成卷的商品。
但是，許多產(chǎn)品在應(yīng)用中需要大量小片膜，例如單個光電二極管探測器。其他應(yīng)用包括光纖器件和其他小型光子器件中的窗口、反射器和/或過濾器。對于這些應(yīng)用，通過機械方法細(xì)分片材，例如用剪切裝置(例如剪刀)切割片材，或者用刀片割開片材，可從這種大片薄膜得到小片多層光學(xué)薄膜。但是，切割工具施加在膜上的力可能會使層沿著膜上切割線或薄膜邊緣剝離。對于眾多的聚合物多層光學(xué)薄膜尤其如此。由于相對于完好無損的區(qū)域而言顏色發(fā)生變化，膜上的脫層區(qū)常?？吹靡姟Ｒ驗槎鄬庸鈱W(xué)薄膜依靠與各層的密切接觸而產(chǎn)生所需的反射/透射特性，所以脫層區(qū)無法提供這些特性。
在某些產(chǎn)品的應(yīng)用中，脫層可能不成問題，甚至可忽略不計。而在其他應(yīng)用中，特別是當(dāng)包括邊緣在內(nèi)的幾乎整片膜對于形成所需反射或透射特性非常重要時，或者當(dāng)膜要受到機械應(yīng)力作用且/或要經(jīng)歷較大的溫度變化而可能使脫層現(xiàn)象隨時間在膜中擴散時，脫層將是致命的缺陷。在一些情況下，由于需要進(jìn)行機械切割，或者切斷一片多層光學(xué)薄膜至少部分周邊，因此一些分層現(xiàn)象是難以避免的。
因此，要求控制多層光學(xué)薄膜中的分層現(xiàn)象。較好是所述方法適應(yīng)于自動和/或連續(xù)生產(chǎn)過程。
發(fā)明簡述本發(fā)明公開了具有熔融區(qū)的聚合物多層光學(xué)薄膜體，上述熔融區(qū)在多層光學(xué)薄膜的第一和第二部分之間延伸。若剪切操作或其它外部影響作用于薄膜的第一部分中，導(dǎo)致多層光學(xué)薄膜的各層出現(xiàn)分層，所述熔融區(qū)能有效地防止分層現(xiàn)象從第一部分轉(zhuǎn)遞到第二部分。所述熔融區(qū)的特征至少部分在于多層光學(xué)薄膜各層的變形。所述熔融區(qū)可以沿著以及接近多層光學(xué)薄膜的周邊延伸布置。
所述熔融區(qū)可以在如下所述工藝中形成將第一和第二襯墊可移動地貼到多層光學(xué)薄膜體的相對主表面上；然后，激光輻射透過其中一個襯墊(任意指定為第一襯墊)指向薄膜體，，所述激光輻射用于形成一個或多個分隔薄膜體不同部分的熔融區(qū)。所述激光輻射也形成切割線，給第一襯墊和薄膜體劃定出許多小塊的界限。通常，所述激光輻射形成一縷煙和許多碎片，它們沉積在工件上---在這種情況下為第一襯墊上。之后，將第一襯墊(伴隨著碎片)或者襯墊上的許多小塊從多層光學(xué)薄膜體(或許多小塊)上移走，此時，多層光學(xué)薄膜體由第二襯墊支撐。所述移走的步驟可以通過使第一襯墊和膠帶接觸，并將膠帶從多層光學(xué)薄膜體上拉掉來完成。若激光輻射產(chǎn)生的碎片對具體應(yīng)用無害，則可以省去襯墊。
附圖簡述以下整個說明過程都是在參照附圖的情況下進(jìn)行的，其中相同的指示數(shù)字代表相同的部件。


圖1是多層光學(xué)薄膜體的高倍放大透視圖；圖2是多層光學(xué)薄膜體片的平面圖，虛線表示細(xì)分的路徑；圖3是位于上下襯墊之間的多層光學(xué)薄膜體的剖面圖，該圖還顯示了電磁輻射在切割線上形成的間隙，是這些間隙將多層光學(xué)薄膜體和上襯墊分成了一個個分立的小塊；圖4是類似于圖3的剖面圖，但上襯墊上粘有黏性膜，該黏性膜能將各小塊上襯墊從各多層光學(xué)薄膜體小塊上拉下來；圖5是從一大片多層光學(xué)薄膜體上切下來的一小塊光學(xué)薄膜的平面圖；圖6是圖5所示多層光學(xué)薄膜體小塊的透視圖，它上面裝有許多過濾器框架；圖7是分割多層光學(xué)薄膜體的連續(xù)過程；圖8是切割完成后的多層光學(xué)薄膜體的平面圖。
實施方式示例詳述這里所用“薄膜”是指延展性光學(xué)體，其厚度一般不超過約0.25mm(1/10000英寸，或“密耳”“mil”)。某些情況下，薄膜可以附著或粘貼到具有合適的反射或透射性質(zhì)的另一個光學(xué)體如硬質(zhì)基底上或者另一塊膜上。薄膜的形式也可以是物理彈性膜，可以是獨立式的，也可以附著在其他彈性層上。這里所用術(shù)語“薄膜體”是指完全由薄膜本身或者與其他組分聯(lián)合構(gòu)成的實體，如在層合結(jié)構(gòu)中那樣。
圖1描述了多層光學(xué)薄膜體20。薄膜體包含獨立的微層22、24。微層具有不同的折射率，因而某些光將在毗鄰微層間的界面上發(fā)生反射。微層足夠薄，因而在許多界面上發(fā)生的反射光將發(fā)生相長干涉或相消干涉，以便賦予薄膜體所需反射或透射性質(zhì)。對于意在反射紫外線、可見光或近紅外光的光學(xué)薄膜，每個微層的光學(xué)厚度(即物理厚度乘以折射率)一般小于約1μm。但是，較厚的層也可以包括在內(nèi)，如位于薄膜外表面上的表層，或者在薄膜內(nèi)分開各組微層的保護(hù)性邊界層。多層光學(xué)薄膜體20也可以包含一個或多個厚黏性層，在層合物內(nèi)將兩片或多片多層光學(xué)薄膜黏結(jié)在一起。
多層光學(xué)薄膜體20的反射和透射性是各微層折射率的函數(shù)。每個微層的特征是，薄膜中至少局部位置的面內(nèi)折射率為nx、ny，膜的厚度方向的折射率為nz。這些折射率分別表示光分別沿互相正交的x-、y-和z-軸偏振時，組分材料的折射率。在實踐中，折射率可通過嚴(yán)格挑選材料和加工條件來控制。薄膜體20的制備方法是，共擠出交替的兩種聚合物A、B，通常達(dá)數(shù)十或數(shù)百層，然后任選使多層擠出物通過一個或多個倍增模具，接著拉伸擠出物或使擠出物定向，形成最終的薄膜。所得薄膜通常由數(shù)十個或數(shù)百個獨立微層組成，它們的厚度和折射率經(jīng)過調(diào)整，可在所需光譜區(qū)內(nèi)提供一個或多個反射段，如可見光或近紅外光。為了用數(shù)量合理的層得到高反射性，對于在x-軸發(fā)生偏振的光，相鄰微層的折射率差(Δnx)宜至少為0.05。如果對兩個正交的偏振光都要求有高反射性，則對于在y-軸發(fā)生偏振的光，相鄰微層的折射率差(Δny)也宜至少為0.05。另外，折射率差Δny也可以小于0.05，宜約為0，以得到多層堆積結(jié)構(gòu)，它通常能反射一種偏振態(tài)的正入射光，而透過正交偏振態(tài)的正入射光。
如果需要，對于沿z-軸偏振的光，也可以調(diào)整相鄰微層之間的折射率差(Δnz)，以獲得所需的反射斜入射光p-偏振組分的性質(zhì)。下面為了便于解釋，談?wù)摰礁缮婺ど系娜魏吸c的時候，都把x-軸看成在膜平面之內(nèi)，以使Δnx的值達(dá)到最大。這樣，Δny的值可以等于或小于(但不能大于)Δnx的值。此外，在考慮選擇何種材料層開始計算Δnx、Δny和Δnz時，主要受到Δnx為非負(fù)的要求的限制。換句話說，形成界面的兩層的折射率差是Δnj＝Δn1j-Δn2j，其中j＝x、y或z，在選擇層標(biāo)記時要使得Δn1x≥Δn2x，即Δnx≥0。
為了使斜角入射的p-偏振光保持高反射性，可控制微層之間的z-折射主失配度Δnz，使之基本上小于最大面內(nèi)折射率差Δnx，從而Δnz≤0.5*Δnx。Δnz≤0.25*Δnx更好。z-折射率失配度為0或接近0時，所得微層間的界面對p-偏振光的反射率相對于入射角為常數(shù)或近似為常數(shù)。此外，可控制z-折射率失配度Δnz，使它與平面內(nèi)折射率差Δnx相比具有相反的偏光性，即Δnz＜0。此條件下得到的界面對p-偏振光的反射率隨著入射角的增加而增加，就像s-偏振光那樣。
可用來制備聚合物多層光學(xué)薄膜的材料的例子見PCT專利公開WO99/36248(Neavin等)。其中至少一種材料宜為應(yīng)力光學(xué)系數(shù)絕對值較大的聚合物。換句話說，聚合物拉伸后宜形成較大的雙折射(至少約為0.05，更宜至少約為0.1，或者0.2)。根據(jù)多層薄膜的應(yīng)用，雙折射可發(fā)生在膜平面內(nèi)的兩個正交方向之間，在一個或多個面內(nèi)方向與垂直于膜面的方向之間，或者這兩種情況都有。在特殊情況下，即未拉伸聚合物層之間的各向同性折射率相差較大的時候，可以放松對至少一種聚合物形成大雙折射的要求，但一般仍然希望具有雙折射性。這種特殊情況可能存在于為平面鏡膜和偏振器膜選擇聚合物的時候，這些膜用雙軸向方法形成，即在平面內(nèi)的兩個正交方向上拉膜。此外，聚合物在被拉伸后宜保持雙折射性，從而賦予最終的薄膜以所需的光學(xué)性質(zhì)?？蔀槎鄬颖∧ぶ械钠渌麑舆x擇第二種聚合物，使這第二種聚合物在最終薄膜里至少一個方向上的折射率明顯不同于第一種聚合物在同一方向上的折射率。為方便起見，一般只用兩種不同的聚合物材料制備薄膜，在擠出過程中交替放置這些材料，得到交疊層A、B、A、B、……，如圖1所示。但并不要求只交疊兩種不同的聚合物材料。相反，多層光學(xué)薄膜中的每一層都可以由不同于膜中其他地方的獨特材料或混合材料組成。共擠出的聚合物宜具有相同或相似的熔化溫度。
既能提供足夠大的折射率，又能提供足夠強的層間黏著力的雙聚合物組合的例子包括(1)對于主要用單軸向拉伸法制備的偏光多層光學(xué)薄膜，PEN/coPEN、PET/coPET、PEN/sPS、PET/sPS、PEN/EasterTM和PET/EasterTM，其中“PEN”指聚萘二甲酸乙二醇酯，“coPEN”指基于萘二酸的共聚物或摻合物，“PET”指對苯二甲酸乙二醇酯，“coPET”指基于對苯二甲酸的共聚物或摻合物，“sPS”指間同立構(gòu)聚苯乙烯及其衍生物，EasterTM是可購于EastmanChemical Co.的聚酯或共聚酯(相信包含環(huán)己烷二亞甲基二醇單元和對苯二甲酸單元)；(2)對于通過控制雙軸拉伸法工藝條件制備的偏光多層光學(xué)薄膜，PEN/coPEN、PEN/PET、PEN/PBT、PEN/PETG和PEN/PETcoPBT，其中“PBT”指聚對苯二甲酸丁二醇，“PETG”指PET與第二種二元醇(通常為環(huán)己醇二甲醇)的共聚物，“PETcoPBT”指對苯二甲酸或其酯與乙二醇和1，4-丁二醇混合物的共聚酯；(3)對于鏡面薄膜(包括有色鏡面薄膜)，PEN/PMMA、coPEN/PMMA、PET/PMMA、PEN/EcdelTM、PET/EcdelTM、PEN/sPS、PET/sPS、PEN/coPET、PEN/PETG和PEN/THVTM，其中“PMMA”指聚甲基丙烯酸甲酯，EcdelTM是可購于Eastman Chemical Co.熱塑性聚酯或共聚酯(相信包含環(huán)己烷二羧酸酯單元、聚四亞甲基醚乙二醇單元和環(huán)己烷二甲醇單元)，THVTM是可購于3M公司的含氟聚合物。
合適的多層光學(xué)薄膜和相關(guān)結(jié)構(gòu)的其他詳細(xì)信息見美國專利5882774(Jonza等)和PCT專利公開WO95/17303(Ouderkirk等)和WO99/39224(Ouderkirk等)。聚合物多層光學(xué)薄膜和薄膜體可包含其他層和為其光學(xué)、機械和/或化學(xué)性質(zhì)而選擇的涂層。見美國專利6368699(Gilbert等)。聚合物薄膜和薄膜體還可包含無機層，如金屬層、金屬氧化物涂層或金屬氧化物層。
在一種簡單實施方式中，微層可以是厚度為1/4波長的堆積結(jié)構(gòu)，即形成光學(xué)重復(fù)單元或單胞，每個重復(fù)單元或單胞基本上由兩個相鄰的等光學(xué)厚度微層構(gòu)成(f比＝50％)，這種光學(xué)重復(fù)單元能有效反射波長λ兩倍于光學(xué)重復(fù)單元總光學(xué)厚度的相長干涉光。這種結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中聚合物A的微層22毗鄰聚合物B的微層24，形成單胞或光學(xué)重復(fù)單元26，該單胞或重復(fù)單元在整個堆積結(jié)構(gòu)中重復(fù)出現(xiàn)。可利用膜在厚度軸方向(即z-軸方向)的厚度梯度增大反射范圍。也可以通過調(diào)整厚度梯度使此范圍變窄，如美國專利6157490(Wheatley等)所述。
其他層結(jié)構(gòu)，如含有f比不是50％的雙微層光學(xué)重復(fù)單元的多層光學(xué)薄膜，或光學(xué)重復(fù)單元主要由兩個以上的微層組成的薄膜，也在考慮范圍之內(nèi)。這些光學(xué)重復(fù)單元結(jié)構(gòu)可減少或消除某些高次反射。例如，可參見美國專利5360659(Arends等)和5103337(Schrenk等)。
圖2所示為一片多層光學(xué)薄膜體30的局部平面圖。薄膜體30在生產(chǎn)和銷售時，其橫向尺寸比在最終的特定應(yīng)用中所要求的尺寸大。因此，為使薄膜適應(yīng)具體用途，需要將薄膜體30分割為較小的一塊或多塊。所需小塊的大小和形狀可在很大范圍內(nèi)變化。為方便起見圖2所示小塊用兩組交叉的平行切割線表示，標(biāo)記為32和34。如果兩組切割線都使用，則薄膜體30將變成一個個獨立的矩形(包括方形)或平行四邊形小塊，它們均向兩個方向延伸，即薄膜30的長度和寬度方向。如果只用一組切割線，則小塊將是矩形長條。當(dāng)然，切割線不必筆直，當(dāng)中可以雜以弧線、折線。但通常需要的都是簡單形狀，如圓形、矩形、平行四邊形或其他多邊形。
本發(fā)明申請者發(fā)現(xiàn)激光輻射可用于切割和細(xì)分聚合物多層光學(xué)薄膜體，并且在切割線上基本上不會引起脫層。所選激光輻射的波長至少為光學(xué)薄膜中的某些材料大量吸收，吸收的電磁輻射沿切割線使薄膜體蒸發(fā)。否則，激光輻射將如同其他波長在薄膜的目標(biāo)作用范圍內(nèi)的入射光一樣，透過薄膜或在薄膜上發(fā)生反射。激光輻射同樣用合適的聚焦光學(xué)儀器整形，以控制在合適的功率水平，從而沿較窄的切割線完成蒸發(fā)作用。激光輻射也宜根據(jù)預(yù)編程指令，快速掃描工件，并快速開關(guān)，從而能夠沿任意形狀的切割線進(jìn)行切割?？捎糜诖四康牡纳虡I(yè)激光系統(tǒng)在市場上有LaserSharp牌激光處理模塊，由LasX IndustriesInc.，St.Paul，MN生產(chǎn)。這些模塊采用CO2激光源，切割工件的工作波長約為10.6μm(約9.2-11-2μm)。
申請者還發(fā)現(xiàn)在激光輻射切割過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)物質(zhì)會在工件上積聚成碎屑。這些碎屑積聚的程度可使薄膜小塊不適合目標(biāo)應(yīng)用。為避免這個問題，可在激光切割前，在多層光學(xué)薄膜體上裝上第一襯墊。如果第一襯墊和多層光學(xué)薄膜體保持緊密接觸，則在切割步驟產(chǎn)生的任何碎屑都將積聚在第一襯墊上，而不是在多層光學(xué)薄膜體上。但在粘第一襯墊時，也宜使它容易得到清除，這樣才能得到一塊塊干凈的多層光學(xué)薄膜體。一種方法是在激光切割前，通過靜電將第一襯墊貼到多層光學(xué)薄膜體上。隨后，可中和至少部分靜電荷，以減小襯墊與薄膜體之間的吸引力，從而方便其分離。或者，也可以用一薄層低黏性黏合劑粘貼，如即時貼上所用的那種。
在切割期間，激光輻射宜通過第一襯墊照射在多層光學(xué)薄膜體上。因此，除非第一襯墊不吸收所用波長的激光，第一襯墊也將被切成小塊，而且其形狀基本上與多層光學(xué)薄膜體小塊一樣，因為這兩層緊密接觸。也就是說，在受控激光將多層光學(xué)薄膜體切割成小塊的同時，它也將第一襯墊切割成基本上相同的小塊。第一襯墊宜用紙。紙受到激光輻射時揮發(fā)而不熔化，因此紙片不會黏結(jié)到相鄰的各片多層光學(xué)薄膜體上?？捎靡粚訕O薄(小于1密耳)的硅酮處理紙，但紙仍保留所需的這些性質(zhì)。在此情況下，紙宜以用硅酮處理過的那一面接觸多層光學(xué)薄膜體。也可以采用其他材料，只要它們在受到激光輻射時極少熔化或不熔化。
為方便搬運，可在多層光學(xué)薄膜體上貼有第一襯墊的反面貼第二襯墊。另外，可適當(dāng)選擇襯墊并適當(dāng)控制激光輻射，以便在至少部分切割線上獲得所謂的“吻-切”效果，即第一襯墊和多層光學(xué)薄膜體在切割線上完全蒸發(fā)，而第二襯墊沒有完全蒸發(fā)，即至少有一部分保持不變，最好完全保持不變。這樣，各小塊獨立的多層光學(xué)薄膜體形成后，仍能以有序結(jié)構(gòu)搬運，并以網(wǎng)絡(luò)或片材的形式送去快速加工。第二襯墊就是在多層光學(xué)薄膜體切割成小塊后，起支撐和運送作用的。注意，不管第二襯墊位于各薄膜體小塊上面還是下面，都能支撐和運送這些小塊。
圖3就是這種情況的示意圖。在此剖面圖中，為方便期間，只示出了一層聚合物多層光學(xué)薄膜體40。第一襯墊42和第二襯墊44緊密貼合在薄膜體40相對的兩個主表面上。所示襯墊44包含兩個層44a和44b，其原因如下。激光輻射46a、46b、46c分別通過襯墊42照射到薄膜體40的切割線48a、48b、48c上。提供了合適的光束整形光學(xué)儀器，并控制功率(未示出)，以便襯墊42和薄膜體40蒸發(fā)時形成狹小的縫隙，同時襯墊44基本保持不變。切割線和縫隙將多層薄膜體40分成小塊40a、40b、40c，將襯墊42分成對應(yīng)的小塊42a、42b、42c。在圖3中，各小塊襯墊42與各片多層薄膜體40保持緊密接觸，例如通過靜電引力或其他可逆附著方法。
切割線48a-c可同時形成，也可依次形成。上面提到的LaserSharp激光處理模塊以單束激光掃描，輻射46a-c表示依次掃描的激光束。
圖4所示為可從多層光學(xué)薄膜體片40a-c上方便地清除覆蓋了碎屑的襯墊小塊42a-c的技術(shù)。壓敏膠帶52與圖3所示結(jié)構(gòu)接觸，從而使壓敏黏合劑與第一襯墊42接觸。如果襯墊42在激光切割過程中與薄膜體40通過靜電作用貼合在一起，最好基本上中和掉靜電作用或至少減少靜電作用，使襯墊42與薄膜體40之間的吸引力明顯小于襯墊42與膠帶52之間的吸引力。接著，簡單地將膠帶52從薄膜體40上拉開，或反過來把薄膜體從膠帶上拉開即可將襯墊片42a-c迅速從薄膜體小塊40a-c上分離開。通過這種方法，可迅速、方便地清除數(shù)十、成百、上千的襯墊小塊。膠帶52宜覆蓋多層光學(xué)薄膜體40的整個寬度，以便同時接觸一排要切割的小塊。清除襯墊小塊42a-c后，多層光學(xué)薄膜體小塊40a-c也宜從第二襯墊44上揭下來。這可通過在膜體40和第二襯墊44之間形成較小的黏合力來完成。這種黏合力可通過靜電或用少量低黏性壓敏黏合劑來形成。黏合力要足夠小，以便使襯墊44通過一個尖角落或?qū)⑺鼜澱蹠r，就能容易地剝開小塊40a-c，并輕輕地揭掉。
襯墊44宜包含至少兩個層44a、44b，以利于吻-切?？拷鄬庸鈱W(xué)薄膜體40的層44a宜由對激光輻射的吸收性明顯小于薄膜體40的材料組成。由于吸收性低，層44a在用經(jīng)過適當(dāng)控制的激光進(jìn)行切割的過程中很少發(fā)生或不發(fā)生蒸發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，厚度約為0.001英寸(25μm)或更小的聚乙烯材料足以適用于工作波長約為10.6μm的CO2激光切割系統(tǒng)。但這種材料在切割線處容易因激光產(chǎn)生的熱而變長或變形。如果襯墊44存在張力，并用來剝離激光切割區(qū)的多層光學(xué)薄膜體40，則襯墊層44a的拉伸或變形會導(dǎo)致小塊40a-c彼此錯開，從而得到錯位激光切割體。為此，層44b宜由模量較高的材料組成，如高模量黏合劑涂層紙，以保持薄膜體40和薄膜小塊40a-c在尺寸上的穩(wěn)定性。
利用激光切割方法，可使多層光學(xué)薄膜體小塊40a-c的邊緣基本上不發(fā)生脫層；通過利用第一和第二襯墊42、44，它們還具有沒有碎屑的清潔主表面。激光輻射產(chǎn)生的熱使微層邊緣發(fā)生變形，正好使多層光學(xué)薄膜形成密封。
圖5所示為一片聚合物多層光學(xué)薄膜體60的平面圖，它是從較大的聚合物多層光學(xué)薄膜體上劃分下來的。小塊60的激光切割周邊62a-d圍成了一個拉長的條，它宜用圖3所示吻-切法形成。可用其他激光切割方式進(jìn)一步將多層光學(xué)薄膜體細(xì)分成濾光片組。邊緣64a、64b是對位孔，用來將膜條安裝在注模裝置中。這些邊緣也宜吻-切而成。點66確定了孔的線性排列，形成打孔線，以便沿這些線撕裂或剪切。在激光切割過程中，宜控制激光輻射，以便沿點66對多層光學(xué)薄膜體和第一、第二襯墊進(jìn)行完整的通切(而不是簡單的吻-切)。一個孔橫斷邊62a，另一個孔橫斷邊62c，從而在每條邊上形成部分孔或凹口，以方便撕裂。
熔化區(qū)68的形成是通過降低激光輻射強度，使蒸發(fā)程度不致穿透多層薄膜體60。這可通過使激光束散焦、降低激光功率并/或使激光更快地掃描工件來實現(xiàn)。盡管某些多層光學(xué)薄膜體可在熔化區(qū)68蒸發(fā)，至少部分多層光學(xué)薄膜體在熔化區(qū)68的厚度不變，但會因局部受熱而變形。這種變形情況的例子有微層局部起皺或發(fā)生起伏，以及各微層的共混和，結(jié)果造成各微層的缺失。當(dāng)隨后用剪切或拉伸機械工具沿打孔線將片60切割成更小的小塊時，可利用熔化區(qū)68防止脫層的蔓延?？蓞⒖济绹鴮＠暾?0/268354，題目為《以熔化區(qū)控制脫層的多層光學(xué)薄膜》，登記于2002年10月10日。
如圖5所示，熔化區(qū)68跨越窄條的寬度方向伸展，并成對存在，交替形成活動窗區(qū)67和機械分離區(qū)69。在機械分離區(qū)69，可在點66所確定的位置打孔，當(dāng)然也可以不打孔。不管是否打孔，與分離區(qū)69相接的熔化區(qū)68宜離開足夠遠(yuǎn)的距離，這樣，多層光學(xué)薄膜的連續(xù)段與每個熔化區(qū)相接，此連續(xù)段在激光切割過程中不發(fā)生變形，并跨越膜條的寬度方向伸展。這些未變形多層光學(xué)薄膜段起緩沖區(qū)的作用，在用機械方法(例如，如果打了孔，則利用張力；或者用剪切方法)將窗口區(qū)67沿分離區(qū)69彼此分離時不發(fā)生脫層。
熔融區(qū)優(yōu)選和形成最終光學(xué)部件周邊的邊緣間隔一小段距離，通常約為1mm或更少。這種部件可以是任意形狀，但是通常為多邊形，如矩形。這種熔融區(qū)可置于多層光學(xué)薄膜制件中，所述制件之后進(jìn)行機械切割或者沿著熔融區(qū)附近的一個或多個邊緣切斷；或者熔融區(qū)可以形成在進(jìn)行機械切割之后的制件中。所述熔融區(qū)可以成對存在，為一個或多個相距較近的對；并且在所述對子之間進(jìn)行機械切割或切斷。總之，熔融區(qū)較好是延伸部件，將多層光學(xué)薄膜體的第一和第二部分分離，此時，在熔融區(qū)的一側(cè)可存在多層光學(xué)薄膜的分層現(xiàn)象，所述熔融區(qū)能有效地抑制這種分層現(xiàn)象轉(zhuǎn)遞到另一層。
可借助邊64a、64b確定的對位孔將一個或多個多層光學(xué)薄膜體小塊60置于注模機中。如圖6中剖面圖所示，可在小塊60周圍的一系列盒子或框架114中形成熔融聚合物材料。冷卻后，沿點66所確定的打孔線用機械方法切割多層薄膜體60，制成一個個濾光器裝置。這些濾光器裝置及其應(yīng)用的詳細(xì)情況見美國專利申請10/152546，題目是《光探測器系統(tǒng)及其濾光器》，登記于2002年5月21日。濾光框可含有一個孔隙，以安裝光探測器。光探測器/濾光器組合裝置構(gòu)成了光譜性質(zhì)得到改進(jìn)的探測系統(tǒng)，這部分得自光探測器的光譜性質(zhì)，部分得自多層光學(xué)薄膜的光譜透射性。可參照美國專利申請No.10/268,118，題目是《干凈迅速地分割多層光學(xué)薄膜的方法》，登記于2002年10月10日。
用所述方法將多層光學(xué)薄膜體片材分割成小塊時，該方法不限于形成這種材料的條形產(chǎn)品，以用于箱式濾光器。在由較大的片材或卷材形成一個或多個多層光學(xué)薄膜體塊(特別是很多塊，例如至少10塊，至少50塊，或至少100塊)時，特別是當(dāng)多層光學(xué)薄膜體邊緣的脫層會可能帶來麻煩，需要整塊多層光學(xué)薄膜體的表面清潔時，都可以采用這種方法。
圖7所示為干凈、快速地將多層光學(xué)薄膜體片材轉(zhuǎn)化為多層光學(xué)薄膜體小塊的卷-卷工藝200。展開卷202，提供層合薄膜204，該薄膜基本上由聚合物多層光學(xué)薄膜體(例如圖3中的元件40)和黏著在多層光學(xué)薄膜體的一個主表面(姑且稱作第二主表面)上的第二襯墊(例如圖3中的襯墊44)組成。在未示出的前一步驟中，將第二襯墊裝在多層光學(xué)薄膜體的第二主表面上，例如通過靜電引力或利用少量低黏性黏合劑。層合膜204繞過托輥206，這樣多層光學(xué)薄膜體就與輥206接觸。層合膜204接著穿過扭力驅(qū)動壓料輥208、210。第一襯墊212(例如圖3中的元件42)從輥214上展開，由托輥216帶動，與層合膜204靠近，使膜通過常規(guī)的靜電棒218，這樣襯墊就貼合在層合膜204的多層光學(xué)薄膜體組分上。靜電棒218提供的靜電引力使第一襯墊與多層光學(xué)薄膜的第一主表面緊密接觸。膜組合204/212(“網(wǎng)”)接著通過激光輻射站220，來自激光控制模塊222的激光輻射到網(wǎng)上，將多層光學(xué)薄膜體和第一襯墊切成分立小塊224，如圖3所示。平臺226上有一些呈蜂窩狀排列的孔，這些孔與真空源228連接，使網(wǎng)在激光切割期間沿其寬度(橫穿網(wǎng)的方向)和大部分長度(縱穿網(wǎng)的方向)區(qū)域的平整度均勻。激光模塊222包含光束整形和光學(xué)導(dǎo)向控制器件，可按具有預(yù)定圖案的切割線進(jìn)行切割，每條切割線都以預(yù)定功率設(shè)置切割，而網(wǎng)以恒定速率移動?；蛘?，在激光模塊222按具有第一種圖案的切割線切割時，可使網(wǎng)停止移動，然后前進(jìn)一段距離再停下來，使激光模塊按具有第二種圖案的切割線切割，如此以分步-重復(fù)的方式進(jìn)行下去。激光輻射站220宜包含排氣罩230，其結(jié)構(gòu)適合于沿指定方向為網(wǎng)提供強空氣流?？諝饬饔兄跍p少激光切割時產(chǎn)生的煙和碎屑引起的光學(xué)變形。在切割期間，激光模塊222中的光束控制器件宜使激光切割點在網(wǎng)上沿這種方向移動，即基本上沒有光線平行于空氣流的方向，從而進(jìn)一步避免煙引起變形。
網(wǎng)從激光輻射站220出來，部分切割成小塊224后，立即從常規(guī)的中和棒232附近通過。中和棒可消除或至少減少層合膜204的多層光學(xué)薄膜體小塊和第一襯墊小塊212之間的靜電引力。對應(yīng)小塊之間的結(jié)合力受到削弱后，膠帶234從卷236上展開，通過一對壓料輥233、235，膠帶234上涂有黏合劑的一面壓向第一襯墊的不連續(xù)小塊224a。卷取輥238沿一個方向拉膠帶234，另一個卷輥240沿另一個方向拉網(wǎng)，膠帶234將粘有碎屑的第一襯墊小塊224a從原始多層光學(xué)薄膜體小塊224b上分開并帶走。然后用涂有硅酮的PET襯墊242將網(wǎng)松散地卷起，在存儲和搬運過程中起臨時保護(hù)的作用。在后面的步驟中，可大幅度彎折第二襯墊，使松散地卷起的多層光學(xué)薄膜體小塊224b完全從第二襯墊上分開。
可以恒定速度驅(qū)動壓料輥233、235，作為卷-卷系統(tǒng)200的速度環(huán)。根據(jù)激光模塊222制備的切割線的數(shù)量、密度、方向和類型，網(wǎng)(即膜組合204/212)的強度在激光輻射站220受到很大削弱。為防止網(wǎng)破裂，宜在網(wǎng)上至少留下一條，更宜在網(wǎng)的每邊留一條保持連續(xù)，不進(jìn)行切割，以增加其強度。這種連續(xù)網(wǎng)條在這里稱作“雜邊”，可在通過壓料輥233、235之后立即扔掉，在圖中用數(shù)字244表示。
圖8為網(wǎng)250——包含夾在第一和第二襯墊之間的聚合物多層光學(xué)薄膜體——在激光輻射站220(見圖7)上的頂視圖。網(wǎng)250沿方向252移動。排氣罩230形成空氣流，空氣流動方向254垂直于網(wǎng)。將網(wǎng)250隔離成中央工作部分250a和雜邊部分250b，這些部分是通過切割線256從工作部分250a上分離出來的。如果切割線256是通切線，則可對網(wǎng)起到一定的增強作用。如果它們是吻切線，則可進(jìn)一步增加其強度，因為在這種情況下，下面的襯墊44在工作部分250a和雜邊部分250b之間是完整的。其他切割線——宜為吻切線——確定了要切成小塊的代表性形狀258、260。為減少煙和蒸發(fā)材料引起的變形，可安排激光模塊222沿所示優(yōu)選方向258a、260a-b掃描激光切割點，其中有些方向反平行于空氣流動方向254。
任選地，網(wǎng)250在其每條邊上有兩個分開的雜邊部分，即圖8左邊的左外側(cè)雜邊部分和圖8右邊的右外側(cè)雜邊部分。通過激光模塊222形成的另一個貫通切口將這種外側(cè)雜邊部分從雜邊部分250b上分開，后者可描述為內(nèi)雜邊部分，并利用吻切線256。如果存在，外側(cè)雜邊部分可從內(nèi)側(cè)雜邊部分分開，通過激光切割站220后立即收集起來。這些外側(cè)雜邊部分有助于最終的成卷產(chǎn)品形成干凈、均勻的邊緣。同時，內(nèi)側(cè)雜邊部分與剩余部分的網(wǎng)一起通過上述壓料輥233、235。
實施例聚合物多層干涉薄膜通過如下方法制備在約277℃共擠出低熔點coPEN和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)交替層，形成的擠出物包含224個單層，這些單層夾在兩個由低熔點coPEN組成的外表層之間，其中coPEN由90/10的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)共聚物制成。這些層確定了基本上由112個單胞組成的光學(xué)組件，其沿垂直于堆積結(jié)構(gòu)的軸存在大致呈線性變化的厚度梯度。位于組件一側(cè)的最厚單胞比位于組件另一側(cè)的最薄單胞約厚1.3倍。對光學(xué)組件進(jìn)行不對稱加倍，得到含有448個單層的多層光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)，2外表層和內(nèi)部的聚合物界層(PBL)位于組件之間。層加倍后，一個光學(xué)組件的總厚度約為另一個組件的1.3倍。擠出物在冷卻輥上淬火，形成流延多層薄膜。隨后沿縱向(MD)和橫向(TD)拉伸流延膜，拉伸比均為3.4∶1，最終得到的薄膜在coPEN層的平面內(nèi)折射率(n1x、n1y)和平面外折射率(n1z)分別約為1.744、1.720和1.508，PMMA層的平面內(nèi)折射率(n2x、n2y)和平面外折射率(n2z)分別約為1.495、1.495和1.495。所有折射率都用Metricon表面波表征儀器在550nm下測定。最終的膜包含兩個光學(xué)組件，每個厚度為1/4波長，每個組件沿垂直于膜平面的軸向存在大致呈線性變化的厚度梯度，因而各自能夠反射一定波長范圍內(nèi)的光。最終薄膜中最厚的單胞的厚度約為最薄單胞的1.8倍，對應(yīng)的反射波長范圍約在665-1220nm之間。光學(xué)結(jié)構(gòu)外側(cè)的表層是低熔點coPEN，厚度約為11μm(0.43密耳)?？偙∧ず窦s為90μm(3.7密耳)。
根據(jù)光學(xué)性質(zhì)選擇用上述方法制備的兩卷基本相同的多層薄膜，用電暈處理，以提高黏著力。在其中一卷用電暈處理過的膜上涂敷可用UV引發(fā)的黏合劑，厚度約122μm(5密耳)，然后用UV光照射，激發(fā)黏合劑的固化過程。用熱熔擠出法制備的黏合劑是熱塑性組分(乙烯乙酸乙烯酯)、可固化樹脂組分(環(huán)氧化物和多元醇的混合物)和光引發(fā)組分(三芳基锍六氟銻酸鹽)的均相混合物。然后將兩個多層薄膜層壓在一起，在25℃(80°F)熱浸泡10分鐘，以加速層合黏合劑的固化。所得薄膜體由兩個多層光學(xué)薄膜組成，中間夾有透明黏合劑層。該元件以成卷的形式存在，厚度約為12.4密耳(300μm)，寬度約為4英寸(100mm)，長度至少約為50英尺(遠(yuǎn)超過10米)。
對于正入射光，這樣得到的薄膜體或干涉元件在近紅外區(qū)有一個反射段，而在可見光區(qū)則表現(xiàn)為透射段。在約450-640nm范圍內(nèi)的透光率約為70％，在約700-1140nm范圍內(nèi)的透光率小于1％，在680-700nm和1140-1160nm范圍內(nèi)的透光率小于5％。
第二個襯墊是高模量紙，用強力壓敏黏合劑在它上面黏著了一薄層聚乙烯。紙的厚度約為2密耳(50μm)，聚乙烯層的厚度約為1密耳(25μm)，第二個襯墊的總厚度約為3密耳(75μm)。涂有黏合劑的紙購自TLC Industrial Tape，Hardwood Heights，Illinois，零件號為CT1007。用壓料輥通過連續(xù)工藝將聚乙烯層層壓到多層光學(xué)薄膜體的一個主表面上。在另一個步驟中，涂有黏合劑的紙層壓到聚乙烯層上。(或者，聚乙烯層在與多層光學(xué)薄膜體接觸的面上可包含一個低黏性黏合劑，然后再進(jìn)行同樣的步驟。)將它卷起來，存放數(shù)天。
第一個襯墊是厚度約為2密耳(50μm)的高模量紙，一面用硅酮處理。該紙購自Litin Paper Company，Minneapolis，Minnesota。
基本上按照圖7所述方法加工這些元件，產(chǎn)生大致如圖5所示的許多窄條，不同之處是采用了更多的切割線和熔化區(qū)，劃分了8個活動窗口67，而不是4個，其他不同點如下所述。這些窄條寬約4.5mm，長約69mm，長度方向?qū)?zhǔn)網(wǎng)的縱向，熔化區(qū)對準(zhǔn)橫穿過網(wǎng)。(或者窄條對準(zhǔn)橫穿過網(wǎng)。)圍位穿孔線的熔化區(qū)彼此間隔約1.5mm，圍住窗口區(qū)域的熔化區(qū)彼此間隔約5.5mm。紙襯墊上用硅酮處理過的一面與層合膜204接觸。采用恒定的網(wǎng)速，約2-3ft/min(0.01-0.015m/s)。在離靜電棒218約1/2英寸(10mm)穿過，將靜電棒控制在剛好低于電弧點的條件下。網(wǎng)同樣以類似距離通過中和棒232。在激光輻射站220，采用LaserSharp牌激光加工模塊，型號為LPM300。CO2激光的光斑直徑約為8密耳(0.2mm)，這樣制得的吻切和通切線寬約13-14密耳(0.35mm)。以下類型的切割線采用如下條件
在此表中，“CW”指橫過網(wǎng)的方向延伸的切割線，“DW”指朝網(wǎng)縱向延伸的切割線。此外，功率設(shè)為100％，工作比設(shè)定為50％，每種特征下的跳躍速度設(shè)定為5000mm/s。CW吻切條件用于切割窄條的次邊緣62b、62d(見圖5)，DW吻切條件用于切割窄條的主邊緣62a、62c，以及圓形邊緣64a、64b，CW穿孔條件用于打孔66，DW通切條件用于將工作部分從雜邊部分分開的切割線(圖8中的線256)，CW熔化區(qū)條件用于熔化區(qū)68。在熔化區(qū)條件產(chǎn)生的熔化區(qū)中，上多層光學(xué)薄膜(即靠近第一襯墊的多層光學(xué)薄膜)沿第一襯墊完全蒸發(fā)，而下多層光學(xué)薄膜(靠近第二襯墊的多層光學(xué)薄膜)不發(fā)生變化，但其成分層發(fā)生明顯的變形/起伏。
如圖8所示，對于雜邊部分，網(wǎng)的兩邊之一采用連續(xù)段，不同之處是在工作部分的每條邊上形成內(nèi)外雜邊部分，如前所述。每個內(nèi)雜邊部分的寬度約為1/8英寸(約3mm)?？蓪⒋伺c網(wǎng)的中央工作部分做比較，該部分的寬度約為3-3.5英寸(約75-90mm)。外側(cè)雜邊部分大約寬1/2英寸(約10mm)。將外側(cè)雜邊部分同網(wǎng)的剩余部分分開，在激光輻射站220和中和棒232之間收集起來。在激光輻射站220網(wǎng)的下游，膠帶234采用連續(xù)單邊黏性膠帶，其寬度約等于網(wǎng)的中央工作部分的寬度。膠帶是常見的3MTM油漆遮蔽帶。內(nèi)側(cè)雜邊部分通過壓料輥233、235之后迅速與第二襯墊分離，然后連同膠帶和第二襯墊一起卷在卷輥238上。各小塊(條)多層光學(xué)薄膜體很容易用手從第二襯墊上取下來。經(jīng)檢查，各小塊在激光切割邊上幾乎沒有發(fā)生脫層現(xiàn)象。用手施加中等大小的張力使沿打孔線發(fā)生斷裂，從而得到更小的小塊。這樣切割的邊緣經(jīng)檢查后，發(fā)現(xiàn)有脫層現(xiàn)象，但沒有蔓延到熔化區(qū)68。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的范圍和實質(zhì)的情況下，很容易對本發(fā)明做出各種改進(jìn)和變通。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受限于這里所述示例性實施方式。
權(quán)利要求
1.一種包括多層光學(xué)薄膜的多層光學(xué)薄膜體，所述薄膜體具有周邊，且包括至少一個熔融區(qū)，它位于所述至少部分周邊附近，或沿至少部分周邊延伸。
2.權(quán)利要求1所述的薄膜體，其特征在于，所述周邊基本上呈多邊形，所述至少一個熔融區(qū)位于所述多邊形至少一條邊附近，或沿所述多邊形至少一條邊延伸。
3.權(quán)利要求2所述的薄膜體，其特征在于，所述多邊形為矩形。
4.權(quán)利要求2所述的薄膜體，其特征在于，所述多邊形至少具有兩個相對的邊，至少一個熔融區(qū)包含位于相對邊中的一條邊附近的第一熔融區(qū)和位于相對邊中另一條邊的第二熔融區(qū)。
5.權(quán)利要求1所述的薄膜體，其特征在于，所述熔融區(qū)位于基本上整個周邊附近或者沿基本上整個周邊延伸。
6.一種包括多層光學(xué)薄膜的多層光學(xué)薄膜體，所述薄膜體包括至少一個在多層光學(xué)薄膜體的第一和第二部分之間延伸的熔融區(qū)，所述熔融區(qū)的特征至少部分在于多層光學(xué)薄膜各層的變形，所述熔融區(qū)可有效地防止多層光學(xué)薄膜的分層現(xiàn)象從第一部分轉(zhuǎn)遞到第二部分。
7.權(quán)利要求6所述的薄膜體，其特征在于，所述薄膜體呈窄帶狀，至少一個熔融區(qū)包括至少一對沿所述窄帶延伸的熔融區(qū)。
8.權(quán)利要求7所述的薄膜體，其特征在于，所述薄膜體還包括許多位于至少一對熔融區(qū)之間的孔。
9.權(quán)利要求6所述的薄膜體，其特征在于，所述薄膜體呈窄帶狀，至少一個熔融區(qū)包括多對沿所述窄帶延伸的熔融區(qū)。
10.權(quán)利要求9所述的薄膜體，其特征在于，所述薄膜體還包括許多位于至少一對熔融區(qū)之間的孔。
11.權(quán)利要求6所述的薄膜體，其特征在于，所述薄膜體還包括許多形成多層光學(xué)薄膜體的第一部分中穿孔線的孔。
12.制造多層光學(xué)薄膜體片的方法，所述方法包括提供多層光學(xué)薄膜體；將激光輻射定向在多層光學(xué)薄膜體上，形成在多層光學(xué)薄膜體的第一和第二部分之間延伸的熔融區(qū)；將第一區(qū)中的多層光學(xué)薄膜體切斷，形成接近熔融區(qū)的邊緣。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行定向步驟前，至少第一襯墊可清除地貼到多層光學(xué)薄膜體上。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，將激光輻射定向到多層光學(xué)薄膜上，透過所述第一襯墊，在定向步驟之后將所述第一襯墊從多層光學(xué)薄膜上除去。
15.權(quán)利要求12所述的方法，所述方法還包括形成限定第一部分穿孔線的孔。
16.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述切斷步驟在第一區(qū)的多層光學(xué)薄膜中形成分層。
17.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述切斷步驟在定向步驟之后進(jìn)行。
18.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述定向步驟形成許多不同的熔融區(qū)，所述切斷步驟在一對熔融區(qū)之間切斷多層光學(xué)薄膜體。
全文摘要
提供具有熔融區(qū)的聚合物多層光學(xué)薄膜和包含這種膜的層合體，上述熔融區(qū)在多層光學(xué)薄膜的第一和第二部分之間延伸。若剪切操作或其它外部影響作用于薄膜的第一部分中，導(dǎo)致多層光學(xué)薄膜的各層出現(xiàn)分層，所述熔融區(qū)能有效地防止分層現(xiàn)象從第一部分轉(zhuǎn)遞到第二部分。所述熔融區(qū)的特征至少部分在于多層光學(xué)薄膜各層的變形。所述熔融區(qū)可以沿著以及接近多層光學(xué)薄膜的部分或全部周邊延伸布置。
文檔編號B32B3/02GK1656394SQ03811532
公開日2005年8月17日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月21日
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