專利名稱：廣角反射鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及反射鏡系統(tǒng)以及利用薄膜干涉疊堆的反射鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多光學產(chǎn)品和裝置因需要高反射率的反射鏡而使用薄膜干涉疊堆。 能夠經(jīng)濟地制成這些疊堆，并且能夠?qū)⑦@些疊堆設計為在所需波段內(nèi)(例 如在人類可見的波長譜或指定光源的輸出光譜或指定檢測器的敏感光譜范 圍內(nèi))提供高反射率。所述疊堆也能夠?qū)σ欢ń嵌确秶鷥?nèi)的入射光提供反 射。在具體的波長或者甚至在所關(guān)注的整個波長范圍內(nèi)，對于垂直入射的 光和對于中等入射角的光，通常能夠獲得極好的反射率。這一性能通常非 常適合預期的最終用途的應用場合。
然而，如果應用或系統(tǒng)在極端的入射角處也要求高的反射率，那么這 種疊堆可能無法提供那樣的性能。在這樣的極端角度下，干涉疊堆對具體 波長的反射率可能由于如下兩個因素而降低(l)光的p偏振分量在疊堆的 相鄰微層之間的每個介質(zhì)/介質(zhì)界面上的反射率隨入射角的增大而減小，當 角度增加至布魯斯特角時反射率減小至最小值零；(2)從幾何的觀點來看， 由疊堆內(nèi)的相鄰界面所產(chǎn)生的光的子波之間的光程差而產(chǎn)生的相移變得非 常接近n/2弧度，從而使得即使在存在眾多微層的累積效應和擴展厚度梯 度的情況下，相長干涉也不足以產(chǎn)生可接受的反射。因素(2)可以以不同的 方式表達隨著入射角的增大，疊堆的反射帶朝著更短的光波長移動，并 且在極端的入射角處該反射帶移動得如此之遠，以至于該反射帶不再覆蓋 所關(guān)注的整個波長范圍，或者甚至于如此之遠，以至于該反射帶不再覆蓋
所關(guān)注的整個波長范圍的任何部分。關(guān)于因素(l)，美國專利5,882,774 (Jonza等人)和期刊論文"Giant Birefringent Optics (高雙折射光 學)"Weber等人、Science 287， 2365 (2000年3月31日)提出如何能 夠通過利用疊堆內(nèi)的至少一些雙折射微層和通過選擇相鄰微層的折射率來解決該問題，以減少、消除、或者甚至逆轉(zhuǎn)該P偏振光的反射率隨入射角 增大而降低的普遍現(xiàn)象(表現(xiàn)在各向同性的微層中)。例如，這些參考文 獻提出如何能夠通過適當選擇折射率來消除布魯斯特角。然而，這種方法 并不能解決因素(2)。在許多情況下，僅僅通過增加更多的層來擴展反射帶 不能夠解決因素(2)。
發(fā)明內(nèi)容
申請人已經(jīng)確定，為了避免因素(1)和(2)不當?shù)亟档头瓷渎剩枰?種能夠反射更寬的入射角范圍內(nèi)的光的反射鏡系統(tǒng)。例如在多層千涉疊堆 與前表面漫射結(jié)構(gòu)(諸如包含漫射微粒或其它漫射元件的前表面涂層)結(jié) 合的情況下，這種反射鏡系統(tǒng)可能是可取的。該漫射元件可以在多層疊堆
中將光散射到所有方向，包括由于因素(1)和/或因素(2)而會傳播至多層疊
堆的后主表面或背面的極端入射角的光線。如果背面為平的、光滑的、潔
凈的并且暴露于空氣，這些光通過全內(nèi)反射(TIR)朝向多層疊堆的前表面反 射，從而保持了該反射鏡系統(tǒng)的高反射率。另一方面，如果該背面被劃傷 或與吸收材料(例如支撐構(gòu)件、緊固件、油脂、油墨或污垢)接觸，則這 些光被吸收，從而降低了系統(tǒng)的反射率。例如，在對多層千涉疊堆的前表 面涂布光漫射層的反射鏡系統(tǒng)中，將一片雙面粘合劑帶施加于多層干涉疊 堆的背面，能夠?qū)е略谠摲瓷溏R系統(tǒng)前看到灰色的或(換句話講)黑暗的 區(qū)域，該區(qū)域在尺寸與形狀方面對應于粘合劑帶與疊堆的接觸區(qū)域。如果 該粘合劑帶與吸收性更強的吸收材料(諸如不透明的塑料支撐體或吸收性 的油墨)接觸或被替換為吸收性更強的吸收材料，那么從前方觀察者的視 角來看，該區(qū)域甚至變得更暗。
由于因素(2)和反射鏡背面全內(nèi)反射的局部損耗的綜合因素，當基于多 層千涉疊堆的復合反射鏡表現(xiàn)出局部降低的背面反射率時，形成了在前方 可見的黑暗區(qū)域。漫射元件使被散射的一些光以足夠大的入射角進入反射 鏡，從而使得所關(guān)注的波長的光不被充分反射(例如，由于在入射角較大 時鏡面反射帶的移動)。相反地，這種光到達反射鏡的背面并且穿過局部 的反射率較小的區(qū)域射出反射鏡。同時，到達反射鏡背面的相鄰區(qū)域(保持平坦、光滑、潔凈并且暴露于空氣)的光經(jīng)歷全內(nèi)反射。這些相鄰區(qū)域 的不同反射率產(chǎn)生在從反射鏡前方觀察時可以看見的黑暗區(qū)域。
因此，對反射鏡系統(tǒng)存在這樣的需求能夠反射入射角范圍更廣的 光。對反射鏡系統(tǒng)還存在這樣的需求盡管在反射鏡背面區(qū)域存在反射率 局部減小的情況，反射鏡系統(tǒng)也能夠均勻地反射從前方入射的光。這些需 求并不僅限于可見光波長的反射鏡；對其它所關(guān)注的波長范圍而言，這些 需求也存在。
因此，除其它內(nèi)容以外，本發(fā)明公開了一種復合反射鏡系統(tǒng)，該復合 反射鏡系統(tǒng)包括形成薄膜干涉疊堆或形成多個疊堆的多個微層。這些微層 具有選定的折射率和厚度，以反射在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)并在所關(guān)注的角 度范圍內(nèi)的光，所述角度在與所述微層之一相對應的參考介質(zhì)中測得。所 關(guān)注的角度范圍在本文中被稱為所關(guān)注的微層角度范圍。該系統(tǒng)還包括與 所述微層耦合的光學厚層。該光學厚層具有中間折射率，該中間折射率大 于空氣的折射率，但小于所述微層的折射率。該反射鏡系統(tǒng)還包括這樣的 元件使"超臨界傳播角"的光射入該反射鏡系統(tǒng)，例如進入光學厚層并 且由此進入所述微層，或者在光學厚層之內(nèi)而由此進入所述微層。超臨界 傳播角的概念將在下面進一步討論，但是一般來講指在任何非空氣介質(zhì)層 (諸如光學厚層或微層)中的如下傳播角該角度比通過使光從空氣中穿 過與所述層平行的平坦表面射入所述層而可能獲得的傳播角更加傾斜。所 述光學厚層用于將所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的射入光限制在所關(guān)注的微層角度 范圍以內(nèi)，或使在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)并且在所關(guān)注的微層角度范圍之外 的射入光在該光學厚層的內(nèi)置界面發(fā)生全內(nèi)反射。通過薄膜干涉疊堆、具 有中間折射率的光學厚層和用于射入超臨界傳播角的光的元件的組合，本 發(fā)明所公開的這些反射鏡系統(tǒng)通常不但能夠為垂直入射的光而且能為以極 端入射角傳播的光(包括超臨界入射角)提供高反射率。
本發(fā)明還公開了一種反射鏡系統(tǒng)，該反射鏡系統(tǒng)包括多個微層、與所 述微層稱合的光學厚層、以及將光(包括在所述光學厚層中以大致90°的 角度傳播的光)射入所述光學厚層和所述微層中的結(jié)構(gòu)。所述微層大致垂 直于基準軸線，并且具有選定的折射率和厚度以充分地反射在所關(guān)注的波 長范圍和所關(guān)注的微層角度范圍之內(nèi)的光。所述光學厚層的折射率大于空氣的折射率，但小于所述微層的折射率。所關(guān)注的角度范圍延伸到在與所
述微層之一對應的參考介質(zhì)中測得的角e ，，并且參考介質(zhì)中的e 與該
光學厚層中的大致90度傳播角對應。
本發(fā)明還公開了一種反射鏡系統(tǒng)，該反射鏡系統(tǒng)包括多個微層，其 折射率和厚度使所關(guān)注的波長范圍和所關(guān)注的微層角度范圍之內(nèi)的光發(fā)生 反射；與所述微層耦合的光學厚層，所述光學厚層的折射率大于空氣的折 射率，但小于微層的折射率；以及在所述光學厚層之內(nèi)或與所述光學厚層
耦合的一個或多個漫射元件，其中微層的反射帶充分延伸到近紅外區(qū)，因 而盡管在反射鏡背面區(qū)域反射率局部地減小，在觀察者看來，該反射鏡系 統(tǒng)也均勻地反射可見光。
本發(fā)明的這些方面以及其它方面在下面的詳細描述中將顯而易見。然 而，在任何情況下以上內(nèi)容都不應理解為是對受權(quán)利要求書保護的主題的 限制，該主題僅受所附權(quán)利要求書的限定，在專利申請過程中可以對其進 行修正。
整個說明書以附圖為參照，其中類似的附圖標記表示類似的元件，并 且其中-
圖1為光從空氣傾斜入射到薄膜干涉疊堆上的示意性剖視圖，其中疊
堆具有材料"a"和材料"b"的交替層疊的微層；
圖2a-2c為角度圖，示出了在圖1所示的不同介質(zhì)中傳播的光的可能 的傳播角范圍圖2a為光在空氣介質(zhì)中的情況，圖2b為光在疊堆的"a" 微層中的情況，圖2c為光在疊堆的"b"微層中的情況；
圖3為反射率與波長對應關(guān)系的曲線圖，繪出的幾條理想化曲線代表 了各向同性的薄膜疊堆在垂直入射和幾個傾斜輸入角處的反射帶；
圖4示出了平均反射率與不同反射鏡系統(tǒng)構(gòu)造中疊堆的"a"微層中的 傳播角(ea)的對應關(guān)系的理想化曲線圖，其中反射率為所關(guān)注的波長 (或在波長范圍內(nèi)取平均值)的光的反射率，并且為所有偏振態(tài)的平均 值；
8圖5為具有薄膜疊堆的反射鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，所述薄膜疊堆耦 合到能夠使光以超臨界角射入疊堆的結(jié)構(gòu)；
圖6-8示出了反射鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能夠?qū)⒐庖猿R界角射入疊堆 的可供選擇的結(jié)構(gòu)；
圖9為廣角反射鏡系統(tǒng)的示意性剖視圖，該系統(tǒng)包括薄膜疊堆和具有
中間折射率的光學厚層，該光學厚層限制光在疊堆之內(nèi)的傳播角，并且也 導致以超出疊堆處理能力的極端入射角傳播的光在光學厚層的結(jié)合界面上
被全內(nèi)反射；
圖9a-9c為角度圖，示出在圖9所示的各種介質(zhì)中傳播的光的傳播角 的范圍圖9a為光在射入層("c")中，圖9b為光在中間折射率的光學 厚層("i")中，圖9c為光在疊堆的折射率最低的"a"微層中；
圖10為另一種廣角反射鏡系統(tǒng)的示意性剖視圖，圖10a-10c為角度 圖，示出在圖IO所示的不同介質(zhì)中傳播的光的傳播角的范圍；
圖11為另一種廣角反射鏡系統(tǒng)的示意性剖視圖，圖lla-llb為角度 圖，示出在圖ll所示的各種介質(zhì)中傳播的光的傳播角的范圍；以及
圖12-16是示出實例中討論的各種反射鏡系統(tǒng)的光譜透射率或反射率 的曲線圖。
具體實施例方式
在本具體實施方式
部分中，術(shù)語"空氣"可以指在標準溫度和壓力 下、或在其它溫度或壓力下的地球大氣，甚至可以指真空。本文忽略了這 些介質(zhì)之間的折射率的微小差別，并且假定空氣的折射率基本為1.0。在
本具體實施方式
部分中，還使用了如下的術(shù)語
nmin - 在所關(guān)注的波長或波長范圍內(nèi)疊堆中的任意微層沿任意軸線 的最小折射率。
a、 b-在薄膜疊堆中使用的光學材料或由這種光學材料構(gòu)成的微 層，其中a沿至少一條軸線具有折射率n訓，b沿至少一條軸 線具有大于nmin的折射率；b材料通常也具有疊堆中的最大 折射率(沿任意軸線)。這并不意味著薄膜疊堆僅僅限于兩種不同類型的微層；該疊堆也可以包括除"a"和"b"之外 的其它光學材料。
i - 另一種光學材料，或由這種材料構(gòu)成的層或其它主體，具有
在空氣折射率(n = l)和疊堆的最小折射率(n = nmin )之間的 中間折射率ni。
c - 另一種光學材料，或由這種材料構(gòu)成的層或其它主體，其沿 任意軸線的折射率大于rii，并且通常顯著大于ni和n in。在一 些情況下，"c"材料可以為"a"材料或"b"材料。
nx - 給定材料或?qū)觴 (x = a， b， c或i)在所關(guān)注的波長或波長 范圍內(nèi)的折射率。如果該材料為雙折射的，則n,可以為沿特 定軸線(例如，沿x軸、y軸或z軸)的折射率，或者可以 為沿著給定方向傳播的特定偏振態(tài)光(例如，s偏振光或p 偏振光，或者左旋圓偏振光或右旋圓偏振光)的有效折射 率。
所關(guān)注的波長范圍-通常為可見光或近可見光(例如，400 nm-700nm 波長)、近紅外光(例如，700nm-lOOOnm、 700nm -1400mn 或700nm-5000nm，選擇這些范圍中的一種有時取決于所采用 的檢測器或傳輸介質(zhì))，或同時包括可見光和近紅外光。也 可以使用其它范圍作為所關(guān)注的波長范圍。例如，如果反射 鏡系統(tǒng)要在具有窄帶發(fā)射器(諸如LED或激光器)的系統(tǒng)中 使用，則所關(guān)注的波長范圍可以相對較窄(例如，lOOmn、 50nm、 lOnm或更小)。如果該反射鏡系統(tǒng)要在照明系統(tǒng)(諸 如用于液晶顯示裝置或其它顯示器中的背光源)中使用，則 所關(guān)注的波長范圍可以較寬(例如，400nm-800nm、 400nm-900nm 、 400nm-1000nm 、 400nm-1200nm 、 400nm-1400nm 、 400nm-1600nm或400nm-1700nm);出于以下更詳細地說明的 原因，這些范圍延伸到可見光以外。
l - 在介質(zhì)x中傳播的光線的角度，在介質(zhì)x中相對于與介質(zhì)x 垂直或與介質(zhì)x的表面垂直的軸測得。ex。- 介質(zhì)X的臨界角，即當光線以掠射角(90。)折射進入相鄰的 空氣介質(zhì)時在介質(zhì)X中測得的入射角。注意，第二個下標 "C"表示"臨界"，并且不應該與可能作為第一個下標出現(xiàn) 的光學材料"C"相混淆。
exlim-介質(zhì)X的與臨界角類似的極限角，但其中相鄰介質(zhì)不為空
氣。因而，e^為當光以掠射角(90。)折射進入相鄰的非空
氣介質(zhì)時在介質(zhì)X中測得的入射角。
e,x-當薄膜疊堆在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)提供足夠的反射率時，在
介質(zhì)"a"中測得的最大的光傳播角。該角度是如下多個因數(shù)
的函數(shù)例如，預期應用中的所需反射率或目標反射率，以
及諸如微層的總數(shù)、微層疊堆的厚度梯度、微層之間的折射 率差等疊堆設計的詳細情況。
現(xiàn)在參照圖1，我們在示意性剖視圖中看到，薄膜干涉疊堆io浸入折
射率^= l的空氣介質(zhì)中。出于參考的目的，還示出了笛卡爾坐標系x-y-z。具體波長的光12以角度9 入射到疊堆上，與該疊堆相互作用，從而 產(chǎn)生反射光束12a和透射光束12b。
該疊堆通常包括數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千個微層14a、 14b，這些微層分別由 布置在諸如四分之一波疊堆等干涉疊堆中的光學材料a、 b構(gòu)成。光學材料 a、 b可以為已知可用于干涉疊堆中的任何合適的材料，該材料既可以是無 機的(諸如Ti02、 Si02、 CaF或其它常規(guī)材料)，也可以是有機的，例如聚 合物(聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲 酸乙二醇酯(PET)、丙烯酸樹脂和其它常規(guī)材料)。該疊堆可以為全無機 的、全有機的或有機/無機混合的構(gòu)造。為了便于說明， 一開始我們討論微 層為各向同性的情況，但是可以容易地將結(jié)果引伸至雙折射微層?？梢栽?如下的對稱反射系統(tǒng)中利用雙折射微層該系統(tǒng)大致同等地反射垂直入射 的任何偏振態(tài)的光；或者可以在如下的不對稱系統(tǒng)中使用雙折射微層該 系統(tǒng)對垂直入射的一個偏振態(tài)的光具有高反射率，而對垂直入射的正交偏 振態(tài)的光具有較低的反射率。
微層的光學厚度(物理厚度乘以折射率)為光的波長的一小部分。微 層布置為重復的圖案，該重復的圖案被稱為光學重復單元(ORU)，例如在0RU中0RU的光學厚度為所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的光的波長的一半。這些薄
層使光的相長干涉或相消干涉成為可能，以便使疊堆獲得與波長相關(guān)的反
射和透射特性。疊堆10的0RU為一對ab層，但是也可能有其它已知的布 置方式，例如在美國專利No. 5,103,337 (Schrenk等人)、3,247,392 (Thelen)、 5,360,659 (Arends等人)和7， 019， 905 (Weber)中討論的布置 方式。如果需要，可以將厚度梯度結(jié)合到疊堆中以擴寬反射帶，在所述厚 度梯度中，0RU的光學厚度沿疊堆的厚度尺寸改變。疊堆10不需要在其整 個區(qū)域上為平坦的或平面的，而是可以成形、模制或凸印為所需的非平面 形狀。然而，如同圖1所示的疊堆的一部分，可以認為微層至少局部地以 大致平行于局部x-y坐標平面的方式設置或延伸。因而，該局部的z軸垂 直于微層，并且垂直于相鄰微層之間的每個界面。
為了簡化說明，在圖1中僅僅示出了入射光12的折射部分，但是讀者 應該理解到，在微層的界面上也產(chǎn)生了反射光的子波，并且這些子波的相 干疊加形成了反射光束12a。當入射光12遇到疊堆10時，光束發(fā)生折射 并且光束的角度從空氣中的入射角e 。變?yōu)槲?4a中的折射角e a。從這里 開始，當光進入微層14b時，光束進一步朝向表面法線(平行于z軸)偏 轉(zhuǎn)，并獲得傳播角6h。在交替的a、 b層內(nèi)經(jīng)歷更多次折射后，光作為透 射光束12b射出，也可以將該光束理解為透射通過疊堆10的所有子波的相 干疊加。
現(xiàn)在我們來考慮改變?nèi)肷涔夥较虻男Ч?。如果對入射光的方向沒有限
制，例如，如果我們在空氣中從所有方向照明該疊堆，則入射角e。的范圍 為0至9(T，或0至k/2弧度。微層中的光傳播角也會改變，但是由于折 射率不同，光傳播角的范圍不會形成"/2的半角。相反地，光傳播角的范 圍形成S a。(對于層14a)和e b。(對于層14b)的半角。這在圖2a-2c的角 度圖中以圖示方式示出。在圖2a中，弧20的半角為^/2，該弧表示空氣 介質(zhì)中的所有傳播方向。這些傳播方向?qū)嶋H上在三維中形成了半球，而圖 2a示出了該半球在y-z平面上的部分。如圖2b所示，經(jīng)過折射，該空氣 中的入射角范圍轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W材料a中的較窄的入射角范圍。在圖2b中，以 臨界角9 ^為半角的實線弧22a表示射入光在層14a中的所有傳播方向。臨 界角63。可以通過sin、l/rO來計算。虛線弧22b表示大于6 。的傳播角e.，本文稱為超臨界傳播角。因此，超臨界傳播方向或超臨界傳播角通常是 指在任何非空氣介質(zhì)層(諸如光學厚層或微層)中的如下傳播角這些角 比通過使光穿過與上述層平行的平坦平面從空氣射入這種層中而可能獲得 的傳播角更加傾斜。由于這正好是圖1所示的情況-光從空氣中以所有角 度穿過平行于微層14a的平坦表面射入所討論的疊堆10中-沒有光以這些
超臨界角在微層14a中傳播，因此以虛線而非實線表示弧22b。
除了光在折射率較大的微層14b中傳播以外，圖2c所示的角度圖與圖 2b所示的角度圖是相似的。以臨界角6b。為半角(等于sirf'(l/nj)的實 線弧24a表示層14b中的射入光的所有傳播方向。虛線弧24b表示大于6 te 的傳播角，即微層14b中的超臨界角。在使用圖1所示的空氣射入布置方 式的情況下，沒有光以這些超臨界角傳播。
圖3示出了薄膜疊堆(諸如圖1所示的疊堆10)的理想化反射率特性
曲線圖。曲線30示出了垂直入射(即e。 = ea 二 eh = o)時疊堆的反射
率。薄膜設計領域的普通技術(shù)人員能夠容易地選擇折射率合適的交替層疊 的材料、整個疊堆中的微層厚度分布以及微層的總數(shù)，以提供具有如下所
示特性的疊堆反射帶在整個可見光區(qū)域31延伸，并且延伸至近紅外區(qū)
域，具有陡峭的左帶邊緣和右?guī)н吘墸⑶抑辽僭谡麄€可見光區(qū)域(并且
在一些應用中，為在整個近紅外區(qū)域)具有至少為70%、 80%或90%或更 高的高平均反射率。例如參考由3M公司出售的VikuitiT"增強的鏡面反射 器(ESR)薄膜，該薄膜利用了雙折射多層疊堆。還參考了可通過以下方法制 成的改性薄膜如以下實例中所述，將諸如VikuitiTM ESR薄膜等雙折射多 層疊堆層合至反射帶進一步延伸到紅外區(qū)域的薄膜疊堆上。
隨著入射角從0。開始增大，開始產(chǎn)生與上述因素(1)和(2)相關(guān)的兩種 效應。首先，p偏振光(在入射面內(nèi)偏振)與s偏振光(垂直于入射面偏 振)在微層之間界面的反射率不相同，導致垂直入射反射帶分離為p偏振 光的第一反射帶32a和s偏振光的獨立的第二反射帶32b。當在薄膜疊堆 中僅僅使用各向同性材料時，P偏振光的反射帶的峰值反射率隨著入射角 的增大而單調(diào)減小，直到達到布魯斯特角為止，此時p偏振光的反射率變 為零。其次，由于與因素(2)相關(guān)的上述相移效應，反射帶32a、 32b均向 更短的波長移動。如P偏振光的第一反射帶34a和s偏振光的第二反射帶34b所示，隨著入射角的進一步增大，反射帶繼續(xù)向更短的波長移動。應 該注意，雖然P偏振光的峰值反射率隨著入射角接近布魯斯特角而減小， 但是S偏振光的峰值反射率隨著入射角的增大而增大。
關(guān)于因素(l)，美國專利5,882,774 (Jonza等人)示出了如何能夠減 少、消除或逆轉(zhuǎn)P偏振光的反射率隨入射角增大而減小的現(xiàn)象。簡而言 之，在薄膜疊堆中使用雙折射材料，從而將相鄰微層之間沿z軸的折射率 失配控制為較小值(例如，二分之一或四分之一或更小)或零，或者控制 為與沿面內(nèi)(x或y)軸線的折射率失配符號相反。量級為零或幾乎為零的 z軸折射率失配產(chǎn)生了位于微層之間的這樣的界面作為入射角的函數(shù)， 該界面對p偏振光的反射率為常數(shù)或幾乎為常數(shù)。極性與面內(nèi)折射率差相
反的Z軸折射率失配產(chǎn)生了這樣的界面該界面對P偏振光的反射率隨著 入射角的增大而增大，這與s偏振光的情況相同。使用這樣的原理，可以 容易地制成對s偏振光和p偏振光均保持高峰值反射率的薄膜疊堆。
然而，如上所述，對所有偏振光保持高反射率界面幾乎不能或完全不
能阻止反射帶隨著入射角的增大而越來越向更短波長移動，即因素(2)的現(xiàn) 象。實際上，使用雙折射材料來增大或消除布魯斯特角可能會加速波長隨 角度的移動。最終，在某些角度，反射帶不再覆蓋所關(guān)注的波長范圍，并 且在該光譜范圍中的反射率下降到可接受的水平或目標以下。這個角度稱 為e _。它是在疊堆介質(zhì)a中評價或測得的。
從設計的觀點來看，通過以下方法能將9a,增加為更大的角度在薄
膜疊堆設計中增加更多的微層，并且將層厚度分布延伸為包括光學厚度更 大的層。但是為了合理的高目標反射率值，任何有限數(shù)量的微層都不能使
e,達到90。。
在一些情況下，將多層疊堆的相鄰微層之間的z軸折射率失配調(diào)整為 僅將對應界面的布魯斯特角增大為更接近90度(相對于僅具有各向同性微 層的多層疊堆)就已足夠，而不需將z軸折射率失配調(diào)整為完全消除布魯 斯特角。例如，在介質(zhì)"a"中測得的布魯斯特角大于e^就可以是足夠 的。
還應該指出的是，即使對于利用z軸折射率匹配技術(shù)來獲得界面間p 偏振反射率高的薄膜疊堆，大入射角時的s反射帶和p反射帶也具有不同
14的形狀并具有不同的帶寬，這是由于它們的左帶邊緣和右?guī)н吘壊⒉浑S入
射角的變化而移動相同的量。對于接近90。的超臨界角ea， S和p反射帶
之間的差異最為明顯。通常，P偏振反射帶比S偏振反射帶窄，并且隨著 l增大，p反射帶的右?guī)н吘墝⑾扔赟反射帶移過整個所關(guān)注的給定波 長。換句話講，即使將該疊堆設計為對P偏振光有高的界面間反射率，隨
著e.增大，通常也會由于p偏振光的反射帶移動到更短的波長而使反射率
在所關(guān)注的波長或波長范圍處發(fā)生第一主要下降，但是處在這種角度的s
偏振光可以在所關(guān)注的波長或波長范圍處保持高反射率值。
在一個建模實例中，評價了具有550個微層的雙折射四分之一波薄膜 疊堆。"a"層沿x軸、y軸、z軸的折射率分別為1. 49、 1. 49和1. 49一 代表聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光學材料在633nm處的折射率。這些折射率 產(chǎn)生約42'的臨界角ea。。 "b"層沿x軸、y軸、z軸的折射率分別為 1.75、 1.75和1.49一代表取向的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)光學材料在 633nm處的折射率。該模型也考慮了 P薩A和PEN材料的實際散射。在疊堆 具有合適的層厚度梯度的情況下，可以使該疊堆的垂直入射反射帶從約 400nm延伸至約1600nm。對于0至約65。的傳播角9 a，反射帶在可見光區(qū) 域保持約99%的平均反射率。當傳播角超過約65°時，p反射帶的移動造 成平均反射率急劇下降。因而，對于99%的目標平均反射率，6_為約65
圖4示出平均反射率隨著介質(zhì)"a"中的傳播角6 而變化的情況的理 想視圖，并且包括了據(jù)信對于具體類型的疊堆來說精確的定性特征。假定 反射率是對所有偏振態(tài)和在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的平均值。曲線40描繪了 相鄰微層之間的z軸折射率充分匹配的雙折射疊堆的反射率(與上述550 層的疊堆相似)。曲線42描繪了完全各向同性的疊堆的反射率，該疊堆類 似地具有大量微層和相似的垂直入射反射帶。曲線40、 42在垂直入射和中 等值L處具有高反射率。此外，在超臨界角6a,(2)附近，兩條曲線均急劇 下降。在該角度e自w附近，反射帶移動到較短的波長，導致反射帶從所 關(guān)注的波長范圍中移出。曲線40因具有良好的傾斜角p偏振反射率而在0
《ea《eamM(2)的范圍內(nèi)保持相對高的反射率。相反，曲線42的反射率在
該范圍內(nèi)下降，并由于布魯斯特角效應而在角度1_(1)處降至目標平均反射率41之下。曲線40與目標反射率41在角度e _(2)處相交。應該注意， 如果在不改變該薄膜疊堆的設計的情況下將目標平均反射率41選擇為較 高，則9_(1)和9_(2)將移動到較小的角度，而如果將目標平均反射率41
選擇為較低，則e,w和e自②將移動到較大的角度。對該目標平均反射率
的選擇強烈依賴于反射鏡的預期應用，但是目標平均反射率的典型值包括
90%、 95%、 96%、 97%、 98%和99%。
現(xiàn)在我們參照圖5-8，討論能夠用于使超臨界傳播的光射入疊堆的各 種結(jié)構(gòu)，以及在設計者僅僅使用常規(guī)的薄膜疊堆來實現(xiàn)反射功能的情況下 可能出現(xiàn)的問題。諸如棱鏡、光導裝置、漫射顆粒(例如散射體)或者粗 糙化或微結(jié)構(gòu)化的表面之類的結(jié)構(gòu)通常不是為了使超臨界光射入到疊堆的 單一目的而提供。相反地，所述超臨界光的射入是該結(jié)構(gòu)在預期的最終用 途的應用中執(zhí)行功能的結(jié)果。
在圖5中，由折射率為n。的光學材料"c"制成的棱鏡50光耦合到薄 膜疊堆52 (優(yōu)選地與薄膜疊堆52緊密地光學接觸)，而該疊堆52包括由 光學材料"a"和"b"構(gòu)成的微層。光學材料c可以與材料a或b相同， 但是n。不小于疊堆中微層的最小折射率n,。棱鏡50在物理上可大可小， 可以沿與附圖垂直的軸線線性地延伸，或者可為錐形，并且可以為相似或 相異棱鏡陣列中的一個棱鏡。棱鏡表面不必須為平坦的或規(guī)則的，并且可 以使用任意合適的棱鏡角。例如，可以使用均由3M公司出售的Vikuiti 增亮薄膜(BEF)系列產(chǎn)品或3M ScotchliteTM反射材料系列產(chǎn)品中的任何棱 鏡幾何形狀。
薄膜疊堆52可以與前述薄膜疊堆10相似。薄膜疊堆52優(yōu)選地包括數(shù) 十、數(shù)百或數(shù)千個微層，這些微層可以布置在單個的疊堆或薄膜包中，或 者布置在由光學厚保護性分界層(PBL)間隔開的多個薄膜疊堆或薄膜包中。
選定微層的數(shù)量、以及它們的厚度和折射率以在所關(guān)注的波長范圍和在傳
播角e,、范圍(該傳播角范圍包括超臨界角并延伸至最大角度e.,，其中0 《ea?！秂_《90°)內(nèi)提供比目標平均反射率更高的平均反射率。疊堆
52在其外主表面上還可以包括光學厚表層。在這點上，如果層的光學厚度
接近或大于所關(guān)注的波長范圍的平均波長，則可以稱該層為為光學厚層。
優(yōu)選的是，該光學厚度至少為該平均波長的10倍、50倍、或100倍。還應注意，如果任何表層或PBL的所有折射率都不小于疊堆中微層的最小折
射率n幽，那么可以認為該表層或PBL是薄膜疊堆的一部分。通常，任何表 層或PBL是由用于微層的材料a、 b中的一種構(gòu)成的。薄膜疊堆52可以完 全為聚合物，并且可以通過共擠出工藝和同樣優(yōu)選的拉伸工藝來制成，以 在微層中引入適量的雙折射，來提高上述的界面間p偏振反射率。作為另 外一種選擇，薄膜疊堆52可以包括或限于無機材料，并且可以通過真空蒸 鍍技術(shù)來制成。參考美國專利6， 590， 707 (Weber)所提出的雙折射薄膜疊 堆，該疊堆可以利用無機材料并且形成雙折射。如果分別制造薄膜疊堆52 與棱鏡50，則可以使用光學粘合劑或其它合適材料的光學薄層或厚層將薄 膜疊堆52層合至棱鏡50。
來自光源54 (發(fā)射所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的光)的光在棱鏡50的相對 于薄膜疊堆52充分傾斜的棱鏡表面56上射入棱鏡。該光折射到棱鏡50 中，然后到達疊堆52。棱鏡表面56的傾斜和棱鏡的折射率n。使得光能夠 以大于臨界角0a。的角度，即以超臨界角在疊堆52內(nèi)傳播。如上所述，疊 堆52良好地反射所關(guān)注的光這些光以在e。 = 0和8a 二 e,之間的角
度(包括一些9a?！秂a《e,的超臨界角)傳播。然而，疊堆52并不良 好地反射以ea〉 ea^的其它超臨界角傳播的光，本文稱這些角為極端傳
播角或極端入射角。如圖5所示，這些光傳播通過整個疊堆52，直到達到 該疊堆的外主表面52a為止。如果表面52a為平坦的、光滑的、潔凈的并 且暴露于空氣中，則這些光將在表面52a處經(jīng)歷全內(nèi)反射(TIR)，并且如同 以小于極端入射角(O《ea《6_)傳播的其它光的反射一樣，將向回傳 播穿過疊堆52并進入棱鏡50。然而，表面52a (或其一部分)可能為有油 脂的、臟的、有劃痕的，或與例如安裝托架、支撐構(gòu)件、基底、涂層等其 它材料接觸。在圖5中以干擾物58示意性地繪出了表面52a上的這些干擾 物，這些干擾物表示表面52a上的反射率局部降低的區(qū)域。因此，無論干 擾物58位于哪個位置，處于極端傳播角的光將通過表面52a離開疊堆 52，并且降低該位置處的反射率。從疊堆中透射或泄漏的光在附圖中標為 59。
在圖6中，用光導裝置60代替棱鏡50，并且光源54包括幫助光穿過 光導裝置60的側(cè)表面60a更有效地射入光導裝置60的反射器54a。該光導裝置如上所述地由光學材料"C"制成，并且也如上所述地光耦合到薄膜 疊堆52。該光導裝置可以具有任何所需的尺寸或形狀，并且可以具有均勻 的或逐漸減小的厚度。該光導裝置可以(例如)適用于移動電話、膝上型
計算機、電視機或其它應用中的液晶顯示器(LCD)的背光源。提取特征 62設置在光導裝置的前表面之上或在光導裝置之上或之內(nèi)的其它位置上， 已知這樣將光從該光導裝置導向液晶面板或其它待照明的部件。
因為光穿過側(cè)表面60a射入到光導裝置60中，因此光能夠以大入射角 在光導裝置和疊堆52中傳播。如上所述，疊堆良好地反射在所關(guān)注的波長 范圍內(nèi)的以角度0《e,x傳播的任何光，但是不能良好地反射處于 極端傳播角的光。在疊堆的外主表面52a上的局部干擾物58導致這種光 59穿過表面52a離幵疊堆52，從而也減小該位置的反射率。
在圖7中，用光學部件70替換光導裝置60，該光學部件包括分散在 折射率為n。的基質(zhì)材料中的漫射顆粒72。只要顆粒72基本上散射光，就 可以具有任何所需的類型或構(gòu)造，無論是在構(gòu)成、尺寸、分布還是其它方 面。光學部件70可以為相對薄或厚的層，或為更復雜的結(jié)構(gòu)。例如，光學 部件70可以為表層。光學部件70也可以為粘合劑層，諸如壓敏粘合劑或 其它粘合劑。來自光源54的光可以從空氣介質(zhì)進入光學部件70，但是由 于顆粒72，光在光學部件70中基本上沿著所有方向散射和傳播。然后， 該光以所有角度入射到疊堆52上。該疊堆良好地反射在所關(guān)注的波長范圍 內(nèi)的以角度0《ert《9_傳播的任何光，但是并不良好地處于反射極端 傳播角的光。在該疊堆的外主表面52a上的局部干擾物58使得光穿過表面 52a離開疊堆52，從而減小該位置的反射率。
在圖8中，用光學部件80替換光學部件70,光學部件80具有紋理化 的、粗糙化的、微結(jié)構(gòu)化的、或以其它方式不光滑的表面80a。表面80a 可以如同無光面一樣僅僅是粗糙化的，或者可以使用精密幾何圖案來進行 微復制，或者可以包括形成衍射元件(諸如全息)的微面。光學部件80由 折射率為n。的光學材料"c"構(gòu)成。不光滑表面80a折射、衍射或以其它方 式散射來自光源54的光(該光源可以位于空氣介質(zhì)中)，從而使得光在光 學部件80中以大入射角傳播。疊堆52光耦合到光學部件80，并且光從光 學部件80以所有角度或者至少一部分超臨界角達到該疊堆。該疊堆良好地反射在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的以o《e a《e 的角度傳播的任何光，但
是并不良好地反射極端傳播角的光。在該疊堆的外主表面52a上的局部干 擾物58使得光59穿過表面52a離開疊堆52，從而減小該位置的反射率。
讀者應該理解到，圖5-8所示的使超臨界傳播的光射入疊堆的結(jié)構(gòu)僅 僅是示例性的，而并不應該認為是限制性的。此外，這些結(jié)構(gòu)可以以任何 方式組合，諸如在棱鏡中結(jié)合漫射顆?；蛟诠鈱аb置上結(jié)合不光滑表面。
為了提供這樣的反射鏡系統(tǒng)，即在疊堆的外表面或反射鏡系統(tǒng)的其它 外表面上的局部干擾物處不損失光的情況下，能夠反射極端傳播角的光的 反射鏡系統(tǒng)，圖9-11引入了由光學材料"i"構(gòu)成的光學厚層94，光學材 料"i"具有處于空氣折射率和疊堆的微層的最小折射率n^之間的中間折 射率ni。根據(jù)薄膜堆疊的材料選擇，示例的低折射率材料包括無機材料， 諸如氟化鎂、氟化鈣、二氧化硅、溶膠凝膠，以及有機薄膜形成材料，諸 如含氟聚合物和硅樹脂。氣凝膠材料尤其適用，這是因為它們能夠達到極 低的約為1.2或更低，或甚至為約1.1或更低的有效折射率。氣凝膠是通 過對由溶劑填充的膠態(tài)二氧化硅結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的凝膠進行高溫高壓臨界點 干燥而制成的。所得材料為欠密的多微孔介質(zhì)。根據(jù)多層疊堆中的微層的 折射率，在一些情況下可以在光學厚層中使用較高折射率的材料，例如， 折射率約為1.5或更小、1.4或更小，或者1.3或更小的材料。該光學厚 層的厚度優(yōu)選地為至少約1微米，或者至少約2微米，以避免產(chǎn)生受抑全 內(nèi)反射現(xiàn)象。
在圖9中，反射鏡系統(tǒng)90包括上述薄膜疊堆52，以及光學材料"c" 的第一層92和光學材料"i"的光學厚層94。第一層92可以為光學部件 50、 60、 70或80的任何一種或它們的組合。第一層92可以是光學厚的、 光學薄的、微觀的、宏觀的、有機的(例如聚合物的)或無機的。在使用 上述的任意機構(gòu)的情況下，光在層92中以超臨界傳播角傳播，并且在示例 性實施例中覆蓋所有傳播角。圖9a示出了在層92中傳播的光的角度圖， 其中完整的半圓弧100表示在材料c中以所有的入射角e 。傳播的光。圖9a
還示出了材料c的臨界角e 。。和極限角e 。lim。在材料c中以極限角e 。^傳播
的光以掠射的方式折射到層94的折射率較低的材料"i"中。因此，在層 92中以大于9 ^的角度傳播的光在層92與層94接觸的內(nèi)置表面94a處發(fā)
19生全內(nèi)反射。該光在圖9中以光線96示出。在層92中傳播的其它光折射 進入層94，并且在層94中在整個角度范圍內(nèi)傳播，如圖9b的半圓弧102 所示。應該注意，在層94中傳播的光包括以大于介質(zhì)"i"的臨界角e^的 角度傳播的光。
優(yōu)選地，與疊堆52的設計相關(guān)地選擇層94的折射率m，使得在介質(zhì)
"i"中以掠射角e, 二 90。傳播的光以角度e a " e _折射進入疊堆的介質(zhì)
"a"。該條件保證了在介質(zhì)"i"中以超臨界角以及甚至以極端角度傳播 的光以能夠被疊堆良好地反射(平均反射率為目標平均反射率或更高，并 在所關(guān)注的波長范圍內(nèi))的適當角度折射進入材料"a"層。同樣地，任何 在材料"a"中以6a 〉 6a,的角度傳播并且遇到與材料"i"的界面的光 將在該界面發(fā)生全內(nèi)反射。
在選擇材料"i"后，在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的從層94入射到疊堆52 上的所有光被該疊堆反射，基本上沒有光達到外主表面52a。圖9c以弧線 104a (0《ea《e^)示出在該疊堆的材料"a"的微層中傳播的光，弧
線104b表示沒有光以更大的角度傳播。圖9示出了入射角逐漸增大的被疊 堆52反射的光98a、 98b、 98c。 一些來自層92的光在層94的內(nèi)置表面發(fā) 生全內(nèi)反射，并且來自層92的剩余光由疊堆52反射，而不允許任何光達 到表面52a。因而，與圖5-8所示的反射鏡系統(tǒng)不同，圖9所示的反射鏡 系統(tǒng)90對其外表面(即表面52a)上的任何干擾物都不敏感。然而，反射 鏡系統(tǒng)90能夠通過疊堆52與光學厚層94的組合，至少以目標平均反射率 反射所有角度的光。因此，反射鏡系統(tǒng)90在所關(guān)注的波長范圍提供"無漏 光反射鏡"。
圖10示出了與系統(tǒng)90相似的反射鏡系統(tǒng)110，但是疊堆52的位置改 變?yōu)橹糜趯?2和94之間。此處，同樣，光在層92中以超臨界傳播角傳 播，并且在示例性實施例中覆蓋所有的傳播角。圖10a示出了在層92中傳 播的光的角度圖，其中完整的半圓弧114表示在材料c中以所有的入射角
e。(包括大于U勺超臨界角)傳播的光。然后該光遇到疊堆52，該疊堆 52包括材料"a"和"b"的微層。垂直入射的光112a和一些傾斜入射的 光112b照常由疊堆52反射，這是因為兩種光以在0至e,范圍內(nèi)的角度
ej斤射到光學材料"a"中。然而，剩余光以極端傳播角折射進入材料"a"，并且沒有被該疊堆良好地反射。參見圖10b，其中弧線116描繪在 材料"a"中以所有入射角e a (包括大于9 _的角)傳播的光。
幸運地，層94具有合適的折射率ni，使其可以在內(nèi)置表面94a上將極 端傳播的光，諸如光U2c全內(nèi)反射。這種光向回傳播，穿過疊堆52并進 入層92。從上方入射到層94上的所有光在表面94a上反射，并且圖10c 中的弧線118表示沒有光在層94中傳播。布置在層94的下主表面上的任 何干擾物58都將不會影響反射鏡系統(tǒng)110的反射率，這是因為層94具有 足夠的厚度來避免在該層中產(chǎn)生任何倏逝波隧道效應。因此，反射鏡系統(tǒng) 110也在所關(guān)注的波長范圍上提供"無漏光反射鏡"。
圖11示出了與圖9所示的系統(tǒng)90相似的反射鏡系統(tǒng)120，但是其中 移除了層92，并且將使光以超臨界角射入的任何結(jié)構(gòu)結(jié)合到具有中間折射 率材料"i"的光學厚層94中。因此，通過使用本發(fā)明所公開的任何技術(shù) 將光射入到層94中，從而使得光在材料"i"中以所有角度9i傳播。這在 圖lla中以弧線124來表示。由于上述對材料"i"及其折射率n,的選擇， 所有這些光以0《ea《e,的角度范圍全部折射進入材料"a"的微層， 從而確保疊堆52良好地反射所有這些光，不論是垂直入射的(122a)或是斜 入射的(122b， 122c)。圖lib中的弧線126a示出以從垂直入射到超臨界范 圍內(nèi)的角度傳播的光，而弧線126b示出沒有光以超過9;1 = e,的角度傳 播。
如同反射鏡系統(tǒng)90 —樣，沒有光到達反射鏡系統(tǒng)120的背側(cè)外表面 52a，因此在該外表面上存在或布置的任何干擾物將不會影響反射鏡系統(tǒng) 120的反射率。同時，反射鏡系統(tǒng)120反射寬入射角范圍的光。反射鏡系 統(tǒng)120在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)提供"無漏光反射鏡"。
在上述討論中我們描述了多種結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠執(zhí)行使光以超臨界 傳播角射入材料"i"的光學厚層中以及射入薄膜干涉疊堆的微層中的特定 功能。這些結(jié)構(gòu)的其中一種為微小的光散射顆粒。當為了向給定的應用提 供漫射(即光散射)而采用這些散射體時，可以按需要調(diào)整多種因素，以 控制復合反射鏡特性。例如，可以改變顆粒的尺寸、折射率、濃度和分 布，也可以改變這些顆粒所在的層(例如，表層、粘合劑層或其它層)的 厚度。本發(fā)明所公開的另一種結(jié)構(gòu)是成形的表面，使該表面成形以便限定通過在表面上的折射來散射或偏轉(zhuǎn)光的凸起和/或凹陷。(這種表面可以是 這樣的層的一部分可以層合到薄膜疊堆，或可以直接凸印到例如位于薄 膜疊堆的前表面上的表層或涂層中。)在這種情況下，也可以使用多種因 素來控制復合反射鏡的特征，例如折射率、形狀、尺寸、以及所述凸起/凹 陷元件的表面覆蓋率和其它表面形貌特性。無論是結(jié)構(gòu)化的表面、散射顆 粒、或此二者，這些構(gòu)造的結(jié)構(gòu)細節(jié)均可進行特別處理以產(chǎn)生所需的光散 射或偏轉(zhuǎn)的量。例如，散射可以足夠強，以提供大致的朗伯分布，或者散 射可以較弱。同樣，根據(jù)預期應用，可以調(diào)整構(gòu)造的細節(jié)以產(chǎn)生在優(yōu)選的 角度或角度范圍內(nèi)的散射。
以上描述使得多種具有廣角度反射率的反射鏡系統(tǒng)的制造成為可能。 一種這樣的反射鏡系統(tǒng)涉及這樣的漫反射鏡當浸入到任意折射率的介質(zhì) 中時，在所有的入射角下進行極強的反射。雖然反射鏡背側(cè)區(qū)域的反射率 局部降低，但是這種反射鏡系統(tǒng)能夠均勻地反射光。
在下面示出的實例中將描述示例性實施例，除非另外指明，其中的份 數(shù)和百分比均按重量計。
實例1
通過使用光學粘合劑將由取向的PEN和PMMA制成的兩個多層反射鏡層 合在一起，來制成反射帶擴展的反射鏡薄膜疊堆。第一個反射鏡根據(jù)美國
專利6， 783， 349 (Neavin等人)所描述的方法由530層PEN/PMMA (使用倍 增器和兩包各265層的材料形成)制成，以提供可見及近紅外反射鏡，所 述反射鏡對于垂直入射的非偏振光具有從約400nm延伸至約1000nm的反射 帶。第二個反射鏡以相似的方式制成，但是第二個反射鏡僅包括一包265 層PEN/P廳A，形成反射帶在從約1000nm至1700nm的范圍內(nèi)的紅外反射 鏡。每個反射鏡在合適條件下進行雙軸拉伸，以使PEN材料成為(在 633nm處測得的)具有大小為約1.75的大致等同的面內(nèi)折射率和大小為約 1. 49的z軸折射率的雙折射材料，而PMMA材料保持為折射率為約1. 49的 大致各向同性的材料。所述光學粘合劑為3M 0ptically Clear Laminating Adhesive 8141 (光學透明的層合粘合劑8141)，這是一種可 得自明尼蘇達州圣保羅3M公司的1.0密耳(25微米)厚的丙烯酸壓敏粘 合劑(633nm處的折射率大約為1.4742)。所得的寬帶層合反射鏡薄膜疊堆對于垂直入射光具有約400，至1700nm的反射帶。對于傾斜入射，該層 合疊堆對于在PMMA材料(這里稱為材料"a")中所測得的傳播角、在(T 至約65°的范圍內(nèi)的光保持高反射率。隨著l超過約65。， p偏振光的帶邊 緣開始從近紅外波長移動到可見光波長，導致反射鏡系統(tǒng)的反射率急劇下 降。隨著L的增大，反射率從可見光光譜的長波長端(約700nm)開始急 劇下降，并繼而越過整個可見光光譜直至更短的波長處。圖12所示的曲線 A為對于該層合反射鏡當光在空氣中垂直入射時(這時l = 0)所測得的 光譜透射率曲線，而曲線B為p偏振光在空氣中以60°入射(這時l " 35.5°)時的透射率曲線。可以根據(jù)該坐標圖利用關(guān)系式R + T " 100% 來確定反射率的值，其中R為給定波長的透射率百分比，而T為給定波長 的反射率百分比。
該層合反射鏡裝置的所關(guān)注的波長范圍為可見波長區(qū)域，為大約400-700nm。所關(guān)注的微層角度的范圍(在該范圍上提供足夠的平均反射率)是
9a為約0至65。，上限約65。對應于e,'x。
以如下方式制成含氟聚合物漫射層。含氟聚合物樹脂THV-500 (明尼 蘇達州圣保羅的Dyneon LLC)為使用標準薄膜制備裝置所擠出和澆注而成 的2密耳(約0.05mm)厚的薄膜。該薄膜包括以重量計約2 %的二氧化鈦 粉末，該粉末為通常用于白色涂料中的那種類型的粉末。將該粉末混合到 單獨的THV母料中，粉末的重量百分比為約35%。然后將母料樹脂小球混 合到透光的THV樹脂中，以使得粉末的最終重量百分比為約2%。該THV 含氟聚合物的折射率為約1. 35，該折射率低于反射鏡層合物中PEN和PMMA 微層的折射率，而高于空氣的折射率。使用關(guān)系式naXsineamax = niXsin
eimM，根據(jù)e，的精確值、THV含氟聚合物的精確折射率值m、 PMMA材料 的精確折射率值na，由上述折射率可得到與P畫A材料中的6 _對應的、大 約為90°的THV含氟聚合物材料中的傳播角e 。參數(shù)6皿x為在介質(zhì)"i" 中測得的最大的光傳播角，薄膜疊堆在所關(guān)注的波長范圍為介質(zhì)"i"提供 足夠的反射率。根據(jù)斯涅爾定律(Snell's law)該參數(shù)與e^相關(guān)聯(lián)。e ， "90。的意義在于這對應于在THV材料中沿著幾乎平行于THV層平面的方 向傳播的光，而這意味著在THV材料中以任何角度或以所有可能的傾斜角 傳播的光將被反射鏡層合物充分地反射。使用與層合兩個多層反射鏡所用的光學粘合劑相同的光學粘合劑將所 得的散射薄膜層合到反射鏡層合物的前表面。結(jié)果是得到具有漫反射特性 和寬帶(復合)干涉疊堆的反射鏡系統(tǒng)。通過在后一多層反射鏡的露出的
背面的有限區(qū)域或區(qū)段上施加得自Sanf ord 永久性標記(permanent marker)的黑色油墨，來在反射鏡系統(tǒng)的背面產(chǎn)生反射率降低的局部區(qū)域。
然后測量反射率。除非另有說明，測量反射率使用的是Lambda 19分 光光度計、積分球和用于做參照的NIST校準的朗伯白光漫反射器。使被測 的每個波長的光垂直地入射到給定樣本的有限部分上，并且使用積分球收 集被該樣本反射的所有這些光(在半球立體角的范圍內(nèi)，因而同時包括鏡 面反射光和漫反射光)，以計算反射率百分比。
在圖13中，曲線A繪出了以這種方法測得的該寬帶反射鏡薄膜疊堆自 身的反射率，即僅有所述兩個層合的多層反射鏡，而無前漫射層，并且不 在反射鏡薄膜的背面施加黑色油墨。曲線B為包括寬帶反射鏡和含氟聚合 物散射層的整個反射鏡系統(tǒng)的反射率曲線。曲線B是在對應背面未施加黑 色油墨的反射鏡系統(tǒng)的前表面的位置上測得的。曲線C與曲線B相似，但 前者是在用上述黑色油墨完全涂覆對應背面之后的整個反射鏡系統(tǒng)的前表 面測得的。如圖13所示，曲線A、 B、 C均在整個可見光光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出 高反射率。向曲線B的反射鏡系統(tǒng)添加的黑色背襯層并沒有顯著降低可見 光光譜反射率。
當觀察者從前方觀察該單獨的寬帶反射鏡薄膜疊堆時(圖13中的曲線 A)，該反射鏡是發(fā)亮的并且提供鏡面反射。當觀察者從前方觀察僅涂覆有 含氟聚合物散射層的反射鏡區(qū)域(圖13中的曲線B)以及涂覆有含氟聚合 物散射層和黑色背襯的反射鏡區(qū)域(圖13中的曲線C)時，所述的兩類反 射鏡區(qū)域均提供漫反射。從前方看，不能辨別曲線B和曲線C所表示的反 射鏡區(qū)域，而需要翻轉(zhuǎn)反射鏡系統(tǒng)來查看黑色背襯的位置。
比較例1
構(gòu)造與實例1相似的反射鏡系統(tǒng)，但是省略了第二多層反射鏡(其垂 直入射反射帶從約lOOOnm延伸至1700nm)。也就是說，僅使用第一反射 鏡，該反射鏡由530層PEN/PMMA制成并且具有從約400nm延伸至約 lOOOnm的垂直入射反射帶。將實例1的漫射薄膜施加到該第一多層反射鏡
24的前表面上，并且將實例1的黑色油墨施加到第一多層反射鏡的背面的一 部分上。使用相同的方法測量反射率。
與實例1的反射鏡層合物相比，由于單獨的第一反射鏡的反射帶的光 譜寬度變窄，該比較例1的1_的值明顯小于實例1的值65°，并且漫射
薄膜對應的e,明顯小于90°。這意味著在漫射薄膜中傾斜傳播的光的相
當大一部分將不會被比較例1的多層反射鏡充分反射。
圖14所示的曲線A繪出了第一多層反射鏡自身的反射率。曲線B繪出
了如下的反射鏡系統(tǒng)的反射率該反射鏡系統(tǒng)由第一多層反射鏡疊堆和施
加在反射鏡系統(tǒng)的前表面上的含氟聚合物漫射層構(gòu)成，并且不在反射鏡系
統(tǒng)的背面施加黑色油墨。曲線C與曲線B相似，但是在曲線C中的反射鏡 系統(tǒng)的背面包括黑色油墨層。如圖14所示，將黑色背襯層添加到漫反射鏡 系統(tǒng)上會導致可見光光譜反射率顯著下降。
當觀察者觀察時，曲線A對應的反射鏡是發(fā)亮的，會形成鏡面反射， 并且看起來像實例1的未涂覆的寬帶反射鏡薄膜疊堆(圖13中的曲線 A)。曲線B和曲線C對應的反射鏡區(qū)域提供漫反射。當從前方觀察時，曲 線C對應的區(qū)域顯然比.曲線B對應的區(qū)域暗，而不需要將反射鏡翻轉(zhuǎn)以辨 別這兩個區(qū)域。
比較例2
構(gòu)造與實例1相似的反射鏡系統(tǒng)，但是其中THV基漫射薄膜由不同的 漫射薄膜所取代。在該比較例2中，通過在實例1的寬帶反射鏡薄膜疊堆 的前表面施加可從明尼蘇達州圣保羅3M公司商購獲得的白色3M Scotchcal 3635-70漫射薄膜(3Mtm Scotchcal 3635-70 Diffuser Film) 層而制成另一種替代的反射鏡系統(tǒng)。該漫射薄膜包括分散在聚氯乙烯(各 向同性的折射率為1.54)基質(zhì)中的二氧化鈦顆粒，并且具有約60%的透光 率。該ScotchcarM產(chǎn)品也包括與聚氯乙烯漫射層接觸的透光的壓敏粘合劑 層。該粘合劑層用于將聚氯乙烯漫射薄膜粘合至所述寬帶反射鏡薄膜疊堆 的前表面。包括粘合劑層和擴散層的Scotchca:T產(chǎn)品的厚度為約3密耳 (約75微米)。
通過將該漫射層的折射率從約1.35增加至1.54，嚴格地說，比較例2 的漫射介質(zhì)不再是"中間的"，這是因為該漫射介質(zhì)的反射率超過了多層反射器中PMMA微層的反射率。此外，該折射率的增加將極限值e _從實例 1的大約9(T值減小至約61°。這又意味著在漫射薄膜中傾斜傳播的光的相 當大一部分將不會被比較例2中的多層反射鏡充分地反射。
圖15中的曲線A繪出了反射鏡薄膜疊堆自身的反射率，該曲線與圖 12所示的曲線A相同。曲線B繪出所述替代反射鏡系統(tǒng)的反射率，該系統(tǒng) 包括施加在寬帶反射鏡薄膜疊堆的前表面上的ScothcalTM漫射層，而未將 黑色油墨施加到對應的背面。曲線C與曲線B相似，但是其中黑色油墨已 經(jīng)被施加到與該反射鏡系統(tǒng)的前測試區(qū)域?qū)耐饴侗趁嫔?。如圖15所 示，將黑色背襯層添加至曲線B所對應的反射鏡上導致可見光光譜反射率 顯著下降。
當觀察者觀察時，曲線C對應的區(qū)域顯然比曲線B對應的區(qū)域暗(程 度超過比較例1的反射鏡系統(tǒng)的對應區(qū)域(曲線C)的情況)，而不需要 翻轉(zhuǎn)反射鏡以辨別這兩個區(qū)域。
比較例3
構(gòu)造與比較例2相似的反射鏡系統(tǒng)，但是其中省略了第二多層反射鏡 (其垂直入射反射帶從1000nm延伸至1700nm)。也就是說，僅使用了第 一反射鏡，該反射鏡由530層PEN/P薩A制成并且具有從約400nm延伸至約 1000nm的垂直入射反射帶。使用提供的透光壓敏粘合劑層將比較例2的 ScotchcalTM漫射層施加到第一多層反射鏡的前表面上，并且將實例1的黑 色油墨施加到該反射鏡背面的選定區(qū)域。
如同我們在比較例1中所討論的那樣，與實例1的(層合的)干涉疊 堆相比，通過移除第二多層反射鏡，我們縮窄了薄膜干涉疊堆反射帶的光 譜寬度。因此，此比較例3的e自的值明顯小于實例1的值65°,從而使 值Si,減小至明顯小于90°。與比較例1相關(guān)的另一個問題是我們也將漫 射層的折射率從約1.35增加至1.54，這進一步減小了 e ^的值，使得在 漫射薄膜中傾斜傳播的光的更多部分不能被該多層反射鏡充分地反射。
圖16所示的曲線A繪出了第一反射鏡薄膜疊堆自身的反射率，該曲線 與圖14中的曲線A相同。曲線B繪出了在第一反射鏡薄膜的前表面上施加 了 Scotchcar"漫射層的反射鏡系統(tǒng)的反射率。曲線C與曲線B相似，但是 在曲線C中將黑色油墨施加至該反射鏡系統(tǒng)的對應背面。如圖16所示，將黑色油墨層添加至曲線B所對應的反射鏡上導致可見光光譜反射率顯著下 降。
當觀察者觀察時，曲線C的區(qū)域顯然比曲線B的區(qū)域暗(程度超過比 較例1和比較例2的反射鏡的對應區(qū)域的情況)，而不需要翻轉(zhuǎn)反射鏡來 辨別這兩個區(qū)域。
本發(fā)明所公開的反射鏡系統(tǒng)的至少一些實施例能夠提供以下的特征組 合(l)高的前表面反射率，包括與干涉反射器的微層中的超臨界傳播角對 應的高度傾斜的光的反射率，甚至在如下情況下也是如此(2)反射鏡系統(tǒng) 的背面的一部分或全部與背面上的吸收材料或降低反射率的其它介質(zhì)相接 觸。這些特征在如下應用中是有利的要求在反射鏡系統(tǒng)的背面附連其它 部件，并且要求非常高和均勻的前表面反射率。例如，上述任何一種漫反 射的反射鏡系統(tǒng)都能夠通過附連到反射鏡系統(tǒng)的背面而整體固定到壁或者 其它支撐結(jié)構(gòu)上，而不需要使用會將該反射鏡系統(tǒng)的前反射表面遮住的任 何附連機構(gòu)。此外，這能夠在不降低該反射鏡系統(tǒng)的前表面反射率(甚至 在與背面的附連區(qū)域或點直接相對的區(qū)域)的前提下成功實現(xiàn)。
一種可以受益于這種設計能力的應用或最終用途是標牌或顯示器的背 光源腔，包括但不限于液晶顯示(LCD)器。背光源的結(jié)構(gòu)壁，包括(例 如)大的后表面和較小的側(cè)面，能夠由結(jié)構(gòu)特性良好但是光學特性差的材 料制成，諸如注模塑料或彎曲金屬片。然后，本文所述的至少前表面具有 極佳的光學特性但結(jié)構(gòu)特性可能不好(例如，剛度差)的漫反射鏡系統(tǒng)， 能夠僅僅通過將結(jié)構(gòu)部件附連到該反射鏡系統(tǒng)的背面而固定到結(jié)構(gòu)部件 上，并且?guī)缀醪换蛲耆徽诒吻氨砻妫遗c附連點相關(guān)的前表面反射率 幾乎沒有或完全沒有下降，從而使背光源腔的反射率實現(xiàn)最大化。
除非另外指明，在說明書和權(quán)利要求書中使用的表示部件的尺寸、數(shù) 量和物理特性的所有數(shù)字應當理解為由詞語"約"來修飾。因此，除非有 相反的指示，在上述說明書和所附權(quán)利要求書中所提出的數(shù)值參數(shù)為近似 值，可根據(jù)本領域內(nèi)的技術(shù)人員利用本文所公開的說明內(nèi)容尋求獲得的所 需特性而變化。
不脫離本發(fā)明的各種修改和更改對于本領域內(nèi)的技術(shù)人員都是顯而易 見的，并且應當理解到，本發(fā)明不局限于本文所闡述的示例性實施例。
權(quán)利要求
1. 一種反射鏡系統(tǒng)，包括多個微層，其具有選定的折射率和厚度，以充分反射在所關(guān)注的波長范圍和所關(guān)注的微層角度范圍內(nèi)的光；與所述微層耦合的光學厚層，所述光學厚層的折射率大于空氣的折射率但是小于所述微層的折射率；以及使超臨界傳播角的光射入所述光學厚層和所述微層中的射入裝置；其中，所述光學厚層將在所述所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的射入光限制在所述所關(guān)注的微層角度范圍內(nèi)，或者使在所述所關(guān)注的波長范圍內(nèi)并且在所述所關(guān)注的微層角度范圍外的射入光在所述光學厚層的內(nèi)置界面上發(fā)生全內(nèi)反射。
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.一種反射鏡系統(tǒng)，包括多個微層，其具有選定的折射率和厚度，以充分反射在所關(guān)注的波長范圍和所關(guān)注的微層角度范圍內(nèi)的光；與所述微層耦合的光學厚層，所述光學厚層的折射率大于空氣的折 射率但是小于所述微層的折射率；以及使超臨界傳播角的光射入所述光學厚層和所述微層中的射入裝置； 其中，所述光學厚層將在所述所關(guān)注的波長范圍內(nèi)的射入光限制在所述所 關(guān)注的微層角度范圍內(nèi)，或者使在所述所關(guān)注的波長范圍內(nèi)并且在 所述所關(guān)注的微層角度范圍外的射入光在所述光學厚層的內(nèi)置界面 上發(fā)生全內(nèi)反射。根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射鏡系統(tǒng)，其中，選擇所述微層的折射率 以消除在相鄰微層之間的界面上的布魯斯特角。根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述微層的折射率包括最 小折射率n,，并且其中n,與微層的第一群組相關(guān)。 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述射入裝置包括折射率 n。 〉 m的光學體。根據(jù)權(quán)利要求4所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述光學體為在顯示器中 使用的光導裝置。根據(jù)權(quán)利要求4所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述光學體包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述射入裝置包括分散在 所述光學厚層中的散射體。根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述射入裝置包括所述光學厚層的不光滑表面。一種反射鏡系統(tǒng)，包括多個微層，所述微層大致垂直于基準軸線，并且具有選定的折射率 和厚度以充分反射在所關(guān)注的波長范圍和所關(guān)注的微層角度范圍內(nèi) 的光；與所述微層耦合的光學厚層，所述光學厚層的折射率大于空氣的折 射率但小于所述微層的折射率；以及將光射入到所述光學厚層和所述微層中的結(jié)構(gòu)，所述光包括在所述 光學厚層中以大致9(T的角度傳播的光；其中，所述所關(guān)注的角度范圍延伸至在與所述多個微層之一相對應的參考介質(zhì)中測得的角度e Max，并且所述參考介質(zhì)中的e ■對應于在所述光學厚層中大致為90度的傳播角。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述結(jié)構(gòu)包括分散在所述光學厚層中的散射體。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述結(jié)構(gòu)包括所述光學厚層的不光滑表面。
12. —種反射鏡系統(tǒng)，包括多個微層，其折射率和厚度使在所關(guān)注的波長范圍和所關(guān)注的微層角度范圍內(nèi)的光反射；與所述微層耦合的光學厚層，所述光學厚層的折射率大于空氣的折射率但小于所述微層的折射率；以及一個或多個漫射元件，其在所述光學厚層之內(nèi)或與所述光學厚層耦 合，所述微層的反射帶充分遠地延伸到近紅外區(qū)域，因而雖然在反 射鏡的背面區(qū)域反射率局部降低，但是所述反射鏡系統(tǒng)在觀察者看 來均勻地反射可見光。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中即使所述反射鏡的背面區(qū) 域接觸吸收材料，所述反射鏡系統(tǒng)也均勻地反射可見光。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述微層均為聚合物。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中選擇所述微層的折射率以 消除在相鄰微層之間的界面上的布魯斯特角。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述微層的折射率包括最 小折射率nmin，并且n,與微層的第一群組相關(guān)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述漫射元件包括分散在 所述光學厚層中的散射體。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述漫射元件包括二氧化鈦顆粒。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述漫射元件包括所述光 學厚層的不光滑表面。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述漫射元件包括至少一 個棱鏡。
21. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的反射鏡系統(tǒng)，其中所述微層的垂直入射反射 帶從約400nm延伸到至少約1600nm。
全文摘要
一種包括寬帶薄膜干涉疊堆的復合反射鏡系統(tǒng)，薄膜干涉疊堆具有多個微層以及光學厚層，光學厚層的折射率大于空氣的折射率但小于疊堆的最小折射率。反射鏡系統(tǒng)能夠為在疊堆和光學厚層中以超臨界角傳播的光提供高反射率，同時避免例如由于與支承結(jié)構(gòu)相接觸而在反射鏡背面存在污垢或諸如吸收材料等其它干擾物而導致的反射率降低。
文檔編號G02B5/28GK101432641SQ200780010809
公開日2009年5月13日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者邁克爾·F·韋伯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司