專利名稱：在選定入射平面內(nèi)具有角度限制的浸入型反射偏振片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明整體涉及光學膜，其反射和透射特性在很大程度上由通過該膜內(nèi)的微層之間的界面所反射的光的相長干涉和相消干涉所確定，并且特定應用于此類膜與其他部件的組合，如適用于顯示系統(tǒng)的部件。本發(fā)明還涉及相關的制品、系統(tǒng)和方法。
背景技術：
由多個微層構成的反射偏振片為人們所知已經(jīng)有一段時間了，其面內(nèi)折射率被選擇為提供沿著面內(nèi)阻光軸的相鄰微層之間的顯著折射率失配和沿著面內(nèi)透光軸的相鄰微層之間的顯著折射率匹配，并且具有足夠多的層以確保對于沿著阻光軸偏振的垂直入射光有高反射率，同時對于沿透光軸偏振的垂直入射光保持低反射率和高透射率。參見例如美國專利 No. 3，610, 729 (Rogers)、No. 4，446，305 (Rogers 等人)和 No. 5，486，949 (Schrenk 等人)。近來，3M公司的研究人員已經(jīng)指出此類膜沿垂直于膜的方向(即ζ軸)的層對層折射率特性的重要性，并且已表明這些特性如何對膜在斜入射角下的反射率和透射率起重要作用。參見例如美國專利5，882，774(Jonza等人)。除了別的以外，Jonza等人教導了如何調(diào)整相鄰微層之間的ζ軸折射率失配(簡稱為ζ折射率失配或Δηζ)以便于構造布魯斯特角(P偏振光在界面處的反射率變?yōu)榱愕慕嵌?非常大或不存在的多層疊堆。這又便于構造這樣的多層反射鏡和偏振片其對P偏振光的界面反射率隨著入射角增加而緩慢減小，或者與入射角無關，或者隨著入射角偏離法向而增大。因此，可以獲得在寬帶寬對s偏振光和P偏振光均具有高反射率的多層膜(對于反射鏡以任何入射方向，對于偏振片以選定的方向)。

發(fā)明內(nèi)容
我們開發(fā)出這樣的光學膜其能夠?qū)Υ怪比肷涔獬尸F(xiàn)類反射偏振片特性，對斜入射光呈現(xiàn)類高反射率鏡特性。可針對寬帶光提供這些特性，如延伸到可見光譜上的可見光。此外，即使膜在層合構造中使用時也會有利地呈現(xiàn)這些特性，其中膜無空氣間隙地接合至另一個或另外多個光學部件，使得該膜“浸入”折射率大于1的材料內(nèi)并且光可在超臨界角(即比空氣臨界角傾斜度更高的角)下透過膜傳播。此類構造的一個部件優(yōu)選為光厚“超低折射率”(ULI)層。ULI層可在可見波長內(nèi)可具有例如從1. 1至1. 3或從1. 15至1. 25范圍內(nèi)的折射率。該構造可以包括其他光學部件，例如擴散片、光導裝置和/或顯示面板，或它們的元件。此類光學膜和層合構造可根據(jù)需要用于顯示器中，以選擇性地透射沿軸向或近軸方向傳播且具有透光狀態(tài)偏振的寬帶光，同時大面積地大量反射在高傾斜角下傳播的透光狀態(tài)寬帶光，并反射以任何角度傳播的具有阻光狀態(tài)偏振的寬帶光。使透光狀態(tài)的透射光局限于與軸向或近軸方向相對應的傳播角度的相對較窄或壓縮錐形可有利地用于增強顯示器的軸向亮度和對比率，在以下情況下尤為如此在回收腔或系統(tǒng)中使用膜或?qū)雍衔铮沟梅瓷涔?無論是透光狀態(tài)還是阻光狀態(tài))的至少一些可由另一個部件反射并轉(zhuǎn)換為透光狀態(tài)的軸向或近軸向光時。對于顯示器制造商和供應商來說，將一種或多種光學膜與其他顯示器部件合并在層合構造內(nèi)在許多方面可能是有利的，如加速和簡化制備過程、降低庫存以及降低成本。然而，消除通常與光學膜主表面接觸的空氣層并將該空氣層更換為光學膜“浸入”其中的其他光學介質(zhì)可能會在設計方面提出挑戰(zhàn)。斯涅爾定律對于抑制光在超臨界角下透過膜的傳播不再起作用。超低折射率(ULI)涂層或其他光厚層可接近空氣間隙，但此類層仍有效地允許光在超臨界角范圍內(nèi)傳播。本專利申請因此特別公開了包括多個微層和光厚低折射率層的膜構造。多個微層可配置成隨包括可見波長的延伸波長區(qū)域范圍內(nèi)的角度和偏振的變化而選擇性地透射和反射光，所述微層限定第一偏振的垂直入射可見光的透光軸以及第二偏振的垂直入射可見光的阻光軸。另外，微層優(yōu)選通過傾斜角下的增加反射率來表征，從而在壓縮視錐中透射第一偏振的可見光。光厚低折射率層優(yōu)選具有超低折射率，如從1. 1至1. 3或從1. 15至1. 25，并以某種方式連接到微層從而限制高度傾斜光在微層中的傳播(如這樣的情況，其中低折射率層設置在微層和高度傾斜光的源極之間)，或?qū)⒋祟惛叨葍A斜傳播光重新導向回微層(如這樣的情況，其中微層設置在低折射率層和高度傾斜光的源極之間)。另外，本專利申請公開了膜構造，該膜構造包括多層光學膜和附接到該多層光學膜的光厚低折射率層。光學膜優(yōu)選地被配置為基本上作為可見光在垂直入射角度的反射偏振片以及基本上作為可見光在傾斜角度的反射鏡工作。光厚低折射率層對于可見波長優(yōu)選通過超低折射率來表征，如，從1. 1至1. 3或從1. 15至1. 25范圍內(nèi)的折射率。本專利申請還公開了一種膜構造，其包括可浸入超低折射率介質(zhì)中的寬譜帶反射偏振膜。反射偏振膜通過透光軸和阻光軸來表征，并且其對于透光狀態(tài)偏振的白光的反射率隨入射角的增大而增加，從而選擇性地在一個入射平面中得到壓縮或狹窄視錐。在一些實施例中，壓縮視錐的相關入射平面與透光軸平行。在其他實施例中，它與阻光軸平行。本文還討論了相關方法、系統(tǒng)和制品。本專利申請的這些方面和其他方面通過下文的具體描述將顯而易見。然而，在任何情況下都不應將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對受權利要求書保護的主題的限制，該主題僅受所附權利要求書的限定，并且在審查期間可以進行修改。


圖1為顯示系統(tǒng)的示意性側視圖；圖2為圖1的系統(tǒng)的示意性側視圖，該系統(tǒng)已通過添加本文所公開的層合物和/或膜進行了修改。圖3a_c為在其中涂敷了其他層的簡化分層膜的一系列示意性側視圖，演示了在給定光學介質(zhì)中浸入膜的概念；圖4為給定層中光傳播的角范圍或錐形的透視圖，示出了將該層浸入除空氣之外的介質(zhì)時錐形的拓寬；圖5為多層光學膜的一部分的示意性透視圖；圖6為反射偏振膜的示意透視圖7a為方向半球的透視圖，其中半球上的任何點均表示膜內(nèi)光傳播的方向，通過極角θ和方位角Φ來表征；圖7b為圖7a的方向半球的透視圖，對于具有透光狀態(tài)偏振的光，以簡化方式示出了本文所公開的雙軸準直多層反射偏振膜的透射特性；圖7c為與圖7b類似的透視圖，但對于具有透光狀態(tài)偏振的光，以簡化方式示出了單軸準直多層反射偏振膜的透射特性；圖8a為浸入超低折射率介質(zhì)中的多層反射偏振膜的所計算內(nèi)部反射率的曲線圖，該反射率隨超低折射率介質(zhì)的入射角變化而變化；圖8b為圖8a的膜右側譜帶邊緣的計算波長的曲線圖，該計算波長隨阻光狀態(tài)偏振光和透光狀態(tài)偏振光，以及每種情況下的s偏振分量和P偏振分量在超低折射率介質(zhì)中的入射角的變化而變化；圖9為某些多層光學膜沿兩個正交方向的層對層折射率差值的曲線圖；圖10和圖11為浸入超低折射率介質(zhì)中的附加多層反射偏振膜的所計算內(nèi)部反射率的曲線圖，該內(nèi)部反射率隨此類介質(zhì)中入射角的變化而變化；圖12和13為整合了本文所公開的至少一個光厚超低折射率層和多層反射偏振膜的層合構造的示意性側視圖；圖14為圖13的層合構造的示意性正視圖或俯視圖；圖15為包括顯示面板和多層反射偏振膜的層合構造的示意性側視圖；圖16-18為包括顯示面板、多層反射偏振膜以及光厚超低折射率層的層合構造的示意性側視圖；圖19為包括光導裝置、多層反射偏振膜以及光厚超低折射率層的層合構造的示意性側視圖；圖20為膜實例的透射率對波長的曲線圖；圖21為組合的顯示面板/背光源層合物的示意性側視圖；圖為各種層合物實施例的對比度和亮度的圖；圖23-25為各種膜實例的透射率或反射率對波長的曲線圖；圖^a為帶有空氣間隙的背光源構造的示意性側視圖；圖26b為隨圖26a背光源的角度而變化的亮度曲線圖；圖27a為層合背光源構造的示意性側視圖；以及圖27b為隨圖27a背光源的角度而變化的亮度曲線圖。在這些附圖中，相同的附圖標號指示類似的元件。
具體實施例方式適用于顯示器、背光源、發(fā)光體等的大多數(shù)光學膜具有光學透射和反射特性，其隨著光的入射角的變化而變化。例如特別為特定介質(zhì)(通常為空氣)中特定范圍的入射角和/或出射角設計了多層光學膜，其包括多個足夠薄的微層，以使得從多個微層界面反射一些光以發(fā)生相長干涉或相消干涉，從而得到所需的反射或透射特性。相似地，也特別為空氣中特定范圍的入射角和/或出射角設計了表面結構化膜，例如棱鏡增亮膜。對于空氣中的給定入射角而言，此類光學膜的傳播角和出射角通過熟知的方程式(例如用于折射的斯涅耳定律)或其他方程式(例如用于衍射光柵的那些方程式)確定。用于液晶顯示器(IXD)應用中的許多光學膜被設計用于空氣中，即光在一系列入射角下從空氣照射膜的第一主表面，并且光在一系列出射角下脫離膜的第二主表面進入空氣中，并且入射角或出射角中的一者或兩者均在空氣中涵蓋0°至90°的范圍。此類膜可說成“光學浸入”空氣中。即使肉眼難以觀察到任何空氣層，事實也可能如此。例如，如果將一種光學膜放在另一種光學膜上，在肉眼看起來兩種膜可能在其整個主表面上基本接觸。然而，此類膜通常只在有限數(shù)量的點處相互接觸，并且基本上在膜的主表面之間維持光厚空氣間隙，即，厚度顯著大于所關注光波長的空氣間隙。降低LCD顯示器和其他產(chǎn)品成本和/或設計改進(例如減小的產(chǎn)品厚度)的市場力量可形成這樣一種期望，即辨識和消除不必要的部件以及將各個部件組合為一個或多個封裝組。就光學膜而言，這種期望可導致這樣一種嘗試將光學膜固定或附連到一種或多種其他膜或系統(tǒng)部件上以形成層合構造，其中層合物的元件之間基本上不存在空氣間隙。圖1示出了包括顯示組件112和背光源114的典型顯示系統(tǒng)110的示意性側視圖，該顯示系統(tǒng)位于笛卡爾x-y-z坐標系背景內(nèi)以便于參考。如果系統(tǒng)110為IXD，則顯示組件112可包括夾在正面和背面吸收型偏振片之間的液晶(LC)顯示面板，所述LC顯示面板還包括玻璃面板平板，在該玻璃面板平板之間設置有液晶材料，該液晶材料具有電極結構陣列和色彩過濾器格柵以形成各個可尋址圖形元件(像素)。控制器116通過連接116a連接到顯示組件112以適當驅(qū)動電極結構，從而生成觀察者118可察覺到的合適圖像。背光源114的類型可為“側光式”，這種情況下在其觀察區(qū)域外沿背光源的一個或多個邊緣或邊界布置一個或多個LED、冷陰極熒光燈管(CCFL)或其他合適的光源120a、120b?；蛘?，背光源的類型可為“直接照明式”，這種情況下可在擴散板或其他合適元件后的觀察區(qū)域中布置一個或多個此類光源120c、120d、120e。在任何情況下，背光源114都會對應于顯示組件112的觀察區(qū)域在大型輸出區(qū)域IHa提供光。背光源提供的光通常為白光，即它包括紅色、綠色和藍色光譜分量(或光譜分量的其他合適混合)的適當平衡，以使得光在觀察者看來至少為標稱白色。顯示系統(tǒng)110通常也在顯示組件112和背光源114之間或系統(tǒng)內(nèi)的其他位置包括一種或多種光學膜或其他部件。根據(jù)顯示系統(tǒng)的類型，此類部件可以包括例如一個或多個偏振片(包括如吸收型偏振片和/或反射偏振片)、擴散片(包括如擴散板、增益擴散片、體積擴散片和/或表面擴散片)和/或棱鏡增亮膜(包括如3M公司(St. Paul, Minnesota,USA)所提供的多種Vikuiti BEF產(chǎn)品中的任何一種)。此類膜通常用于通過以下方法來增強顯示系統(tǒng)的效率和/或亮度反射遠離顯示組件的“不可用光”(即不會有助于所需系統(tǒng)輸出的光，不管是因為它屬于將被顯示組件112中的后部吸收型偏振片所吸收的偏振還是因為它在不合適的角度下傳播)，然后通過例如漫射、鏡面或半鏡面反射器將該反射光的一部分作為“可用光”(即可有助于系統(tǒng)輸出的光)重新導向回顯示組件。光的此類反射和重新導向在顯示系統(tǒng)中提供至少一定程度的光循環(huán)利用，該光循環(huán)利用一般通過箭頭122a、122b指示。通常布置在顯示組件112和背光源114之間或設置在其他位置的膜和部件可在沒有空氣間隙的上述層合構造中備用。此類層合構造在圖2的顯示系統(tǒng)210中總體示出。除了層合構造之外，系統(tǒng)210可與圖1的系統(tǒng)110大體上相同，包括其上述多種置換，并且類似的附圖標號用于指示類似的元件，為了簡便起見，未提供進一步的說明。然而，圖2的顯示系統(tǒng)將一種或多種光學膜無空氣間隙地接合至其他膜或部件，從而得到所示的一種或多種層合物212a、212b、212c。在該圖中，層合物21 無空氣間隙地附接到顯示組件112(或其部件)，層合物212c無空氣間隙地附接到背光源114(或其部件)。在一些情況下，可提供這樣的層合物212b，其將一種或多種光學膜附接到其他膜或部件，并且兩者間不帶空氣間隙，但可通過空氣間隙將其與顯示組件和背光源間隔開。根據(jù)要包括在層合物中的光學膜類型，消除空氣界面或空氣間隙可能會帶來光學膜操作問題，也可能不會帶來這樣的問題。在以下情況下膜可繼續(xù)按其在層合之前(即消除空氣間隙之前)的方式工作在光進入過程中或者光進入一個主表面之后并退出膜的另一個主表面之前，要接合的每個膜或部件不大量散射或以其他方式重新導向光。然而，當光透過不平坦表面或透過與膜不平行的表面進入膜時，膜可能不會正常工作。此情況的一個實例為涂敷到Vikuiti DBEF多層反射偏振膜上的BEF棱鏡。BEF棱鏡膜和DBEF膜均設計用于空氣中，但當通過利用如光學粘合劑光學連接兩種膜的平坦表面來消除空氣間隙時，不會發(fā)生功能缺失。另一個實例為層合至吸收型偏振膜的Vikuti DBEF膜。在上述兩個實例中，消除空氣間隙不會對透過受影響的膜傳播的光的角分布產(chǎn)生顯著影響。換句話說，可以說層合構造中的各種光學膜均光學浸入空氣中，即使其主表面可能與空氣不接觸亦如此。下面結合圖3a-c對此進行了進一步說明。在其他情況下，層合物中提供至少一種生成高度傾斜光的膜或部件，并且與此類高度傾斜光結合消除空氣間隙會產(chǎn)生以下影響導致“超臨界”光透過所關注的光學膜傳播，并以某種方式退出層合物，從而降低系統(tǒng)性能。所謂“超臨界”光是指以某一角度透過膜傳播的光，與使用平坦、平滑空氣/膜界面從空氣照明所達到的角度相比，該角度傾斜度更高。這樣，當膜光學浸入空氣中時，從空氣照射膜主表面的光的最大入射角為90度。此類掠入射光以臨界角θ。折射到膜內(nèi)，該臨界角取決于膜的折射率。臨界角通常為最傾斜的角，光將以該角度在膜內(nèi)傳播。對于允許超臨界光透過光學膜傳播并最終從層合構造射出的層合構造，可以說光學膜光學浸入折射率比空氣高的介質(zhì)中。下面結合圖3c對此進行了進一步說明。在本專利申請的上下文中，除非另外指明，否則描述為“光學浸入”的膜或部件被假定為光學浸入折射率大于空氣的介質(zhì)中。例如使用折射率接近1. 5的常規(guī)光學粘合劑將BEF棱鏡膜層合至背光源的擴散板或LCD面板時，可出現(xiàn)此種情況。在上述兩種情況下，BEF膜的入射角和出射角均會受到層合粘合劑折射率的很大影響，該折射率與空氣折射率顯著不同。當使用常規(guī)光學粘合劑將擴散片層合至反射偏振片的一側，然后將其另一側層合至LCD面板時，也可能會出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，光學粘合劑將擴散片內(nèi)生成的高度傾斜光作為超臨界光透射到反射偏振片內(nèi)，其可進一步透射到LCD面板內(nèi)。由于反射偏振片和LCD面板通常均未設計成可適應此類高度傾斜光，因此這可導致偏振片和LCD面板內(nèi)的大量內(nèi)部散射光引起的性能降低，繼而又可導致更低的顯示器對比度和亮度。即使重新設計反射偏振膜來處理較大范圍內(nèi)的入射角，例如通過顯著拓寬已經(jīng)較寬的多層疊堆反射偏振片的反射譜帶(如，通過增加微層數(shù)量并延伸表征微層的厚度梯度的上限)，此類經(jīng)重新設計的膜仍將繼續(xù)通過較大范圍的角透射光的透光軸偏振，并且舉出的問題仍不會得到解決。為了使與層合構造中超臨界光傳播的相關問題減至最少，期望利用某材料層，從光學設計觀點來看，該材料層盡可能密切類似于空氣間隙，如，對于光厚光路的光具有高度透射性并且其折射率接近1.0的材料層。換句話說，需要這樣一種裝置，該裝置可采用表面對表面模式物理附連透射光學部件，同時仍將入射角和出射角限制為相當于空氣的那些角度。最近已經(jīng)開發(fā)出了具有良好機械完整性和低霧度的超低折射率膜。此類膜可涂敷到幾乎任何光學膜上，以便接近空氣間隙，然后可應用任何常規(guī)光學粘合劑將被涂敷膜與系統(tǒng)內(nèi)的另一個部件接合在一起。合適的超低折射率材料在例如以下美國專利申請中有所描述提交于2009年4月15日并具有序列號61/169466的“Optical Film”(光學膜)(代理人案卷號NO.65062US002)；提交于2009年4月15日并具有序列號61/169521的“Optical Construction and Display System Incorporating Same，，(光學構造禾口米用該光學構造的顯示系統(tǒng))(代理人案卷號No. 65354US002)；提交于2009年4月15日并具有序列號 61/169532 的 ‘‘Retroref lecting Optical Construction” (回射光學構造)(代理人案卷號No. 65355US002)；提交于2009年4月15日并具有序列號61/169549的"OpticalFilm for Preventing Optical Coupling”(用于抑制光學耦合的光學膜)(代理人案卷號 No. 65356US002)；提交于 2009 年 4 月 15 日并具有序列號 61/169555 的‘‘Backlight andDisplay System Incorporating Same”(背光源和采用該背光源的顯示系統(tǒng))(代理人案卷號No. 65357US002)；提交于2009年4月15日并具有序列號61/169427的"Processand Apparatus for Coating with Reduced Defects”(具有減少缺陷的涂層的處理和設備)(代理人案卷號No. 65185US002)；提交于2009年4月15日并具有序列號61/1694 的"Process and Apparatus for A Nanovoided Article，，(用于中空納米制品的處理和設備)(代理人案卷號No. 65046US002)；以及提交于2009年10月22日并具有序列號61/254，243 的"Optical Construction and Method of Making the Same”(光學構造及其制備方法)(代理人案卷號No. 65619US002)，上述專利申請全文以引用的方式并入本文。超低折射率材料也可使用凝膠型熱解法二氧化硅制備。超低折射率材料在可見波長內(nèi)可具有例如從1. 1至1. 3或從1. 15至1. 25范圍內(nèi)的折射率。如下面進一步所述，超低折射率材料還可呈現(xiàn)出折射率中的梯度。例如，該材料的形式可以是包含粘結劑和多個粒子的梯度膜或?qū)?，其中粘結劑與多個粒子的重量比不小于約1 2。梯度光學膜還可包括具有局部體積分率的多個互連空隙，其中多個互連空隙的局部體積分率沿著膜的厚度方向變化，從而得到沿著此類厚度方向變化的膜內(nèi)的局部折射率。參考了美國專利申請No. XX/XXX，XXX，"GRADIENT LOW INDEX ARTICLE AND METHOD”(梯度低折射率制品和方法)(代理人案卷號No. 65716US002)，以及美國專利申請 No. XX/XXX，XXX，“PR0CESS FOR GRADIENT NAN0V0IDEDARTICLE”(梯度中空納米制品的處理)(代理人案卷號No. 65766US002)，兩者皆隨同本專利申請于同一天提交并以引用的方式并入本文。此類超低折射率材料可用于層合物中，該層合物包括角敏光學膜，從而可將此類膜以機械和光學方式耦合到其他膜或部件，同時將超臨界光傳播的有害效應降到最小。然而，即使當在層合構造中使用一種或多種此類超低折射率材料層時，超臨界光傳播的效應仍可在系統(tǒng)性能中起重要作用，并且實際上可顯著降低系統(tǒng)性能，除非適當處理多層光學膜和/或其他角敏光學膜的設計方面。對用于支持超臨界光傳播的層合物中的多層反射偏振膜具體設計考慮事項進行討論之前，我們參見圖3a_c以示出將膜光學浸入除空氣之外的介質(zhì)中的概念。
圖3a_c為在其中涂敷了其他層的簡化分層膜的一系列示意性側視圖，演示了在光學介質(zhì)中浸入膜的概念。在圖3a中，基礎膜構造310基本由分層膜312組成，該分層膜兩側均暴露于折射率為no的介質(zhì)，該介質(zhì)被假定為空氣( = 1.0)。為方便討論，Iitl以及這些圖3a-c中示出的其他折射率被假定為具有各向同性。此外，膜312示出為僅具有兩層常規(guī)低折射率光學材料的第一層，例如折射率Ii1為約1. 5或更高的聚合物；以及常規(guī)較高折射率光學材料的第二層，折射率n2也為約1. 5或更高的其他聚合物，但n2基本上大于ηι。膜312具有第一主表面312a、將第一層和第二層分開的表面或界面312b、以及第二主表面312c。表面31 暴露于厚空氣層314，而表面312c暴露于另一個厚空氣層316。仍然參見圖3a，光從下方，即從空氣層314，入射在膜312上。入射光大體上沿著示出的ζ軸行進，其可與膜312的厚度維度垂直，但入射光包括可能的最寬范圍內(nèi)的光線傳播方向，包括被導向為與ζ軸平行的光線、被導向為與ζ軸成適度傾斜角的光線、以及被導向為與ζ軸成極端傾斜角的光線，后者事實上與ζ軸垂直，使得它們以掠入射照射表面312a。這一可能的入射角最寬范圍以5向箭頭符號305表示。在一些情況下，與符號305相關的光分布可為準朗伯曲線，而在其他情況下它可具有差異非常大的分布。在任何情況下，符號305的光分布均包括在半球上沿可能路徑的所有方向(或2立體角度)行進的一定量的光。現(xiàn)在跟隨該入射光的傳輸路線從空氣層314穿過膜312到達相對空氣層316。在此過程中，我們集中于多個界面處的折射，并且為簡單起見而忽略反射。表面31h、312b、312c均被假定為是平坦而光滑的，并且與ζ軸垂直。這樣，當來自空氣層314的入射光照射在主表面31 上時，根據(jù)斯涅耳定律，即IitlSin θ Q = nlSin θ該入射光會折射到膜312的第一層內(nèi)。由于入射光包含入射角在= 0至度范圍內(nèi)變化的光線，因此折射的光將包含折射角(或傳播角)在θ工=0至θ工=θ。i范圍內(nèi)變化的折射光線，其中θ。i為第一層材料的臨界角，g卩euzarcsind/nl)，因為Sin(90)=1并且 =1。第一層中所有折射光線的集合由半角為θ cl的錐形表示。折射光通常沿著ζ軸前進并遇到表面或界面312b，此時光進入第二層時會發(fā)生第二折射，所述第二層的折射率為n2。第二折射再次遵從斯涅耳定律，并在一系列傳播方向或角度θ 2范圍內(nèi)在第二層內(nèi)生成折射光，其中θ2在從02 = 0至θ2= θ。2范圍內(nèi)變化。角度θ。2為第二層材料的臨界角，即θ。2 = arcsin(l/n2)。第二層中所有折射光線的集合由半角為θ。2。的錐形表示。由于折射率η2被假定為大于折射率H1，因此角度θ。2顯示為小于I。第二層中的折射光進一步前進，直至遇到主表面312c為止。這時，當光從第二層進入空氣層316時，會發(fā)生另一折射。再次根據(jù)斯涅耳定律，第二層中光的傳播角θ2范圍由進入空氣層316的傳播角范圍內(nèi)的折射改變，所述傳播角在0至基本90度的范圍內(nèi)，再次由符號305指示。因此，在穿過膜312的過程中，來自空氣的半球狀入射光在膜的不同材料層中被轉(zhuǎn)換為光的錐形分布，然后在另一空氣層中恢復為半球狀傳播光。材料層中錐形分布的半角與各自材料的臨界角相等?，F(xiàn)在參見圖北，我們看到的是另一個膜構造320的示意性側視圖。膜構造320包括圖3a的雙層膜312，但在膜312的每一側添加了一層超低折射率材料，其具有折射率η?！?，以生成構造320。折射率η?！笥诳諝庹凵渎?，但顯著小于低折射率ηι。折射率為η。’的材料的第一層322涂敷到膜312的表面312a，折射率為η?！牟牧系牡诙?Μ涂敷到膜312的表面312c。與層322、3M結合的初始膜312現(xiàn)在形成新的膜，該膜具有暴露于空氣的平坦、平滑主表面322a、3Ma，表面322a、324a與表面312a_c平行。仍然參見圖北，光從下方，即從空氣層314，入射在構造320上。如圖3a中，入射光大體上沿著ζ軸行進，但隨著光線跨越入射角的可能最廣范圍，再次由5向箭頭符號305 表示。我們跟隨該入射光的傳輸路線從空氣層314穿過構造320的不同層進入相對的空氣層 316。當來自空氣層314的入射光照射在主表面32 時，根據(jù)斯涅耳定律，其會折射到超低折射率材料層322中，即IitlSin θ ^ = n(1 ’ sin θ ^。由于入射光包含入射角在θ ^ = 0 至θ ^ 90度范圍內(nèi)變化的光線，因此折射光包含折射角(或傳播角)在QcZ=O至Qtl ’ =θ μ范圍內(nèi)變化的折射光線，其中θ Μ為超低折射率材料的臨界角，8卩e^zarcsind/ ’)。層322中所有折射光線的集合由半角為θ μ的錐形表示。此折射光隨后前進穿過構造320的其余部分。在此過程中，每個不同層中表示傳播方向范圍的角度錐形由斯涅耳定律確定。可采用直截了當?shù)姆绞胶苋菀椎赝茢喑龉鈴膶?322前進到層324時，傳播方向錐形的半角在Θ。。至0。1至0。2至Θ。。之間變化，如圖北所示。從層3Μ折射入空氣層316的光再次被折射入傳播角305的可能最廣范圍。將圖3a和北進行比較，發(fā)現(xiàn)向膜312中添加層322、3M對改變膜312內(nèi)部的傳播方向范圍沒有任何影響。對于膜312的兩個層中的每一個而言，傳播錐形的半角均保持相同。值得注意的是，不管用于層322、324的折射率為何，此結果都將相同。因此，盡管膜 312和空氣之間存在層322、324，我們還是將膜312表征為仍光學浸入空氣中?，F(xiàn)在參見圖3c，此處我們具有與構造330基本相同的膜構造330，不同的是層322、 3M被層332、334替代。層332、334具有與層322、3M相同的超低折射率。然而，圖北的平坦、平滑主表面32h、3Ma被粗糙主表面33加、33如替代，這會形成顯著擴散效應。因此， 從空氣層314照射在主表面33 的半球狀分布入射光線在層332中以所有傳播角(參見符號30 折射和擴散，而不會如同圖北中的情形一樣局限于半角θ c0的錐形。層332中傳播角的此擴展范圍通過斯涅耳定律在界面31 處形成膜312第一層中的傳播方向錐形， 其半角θ。/顯著大于圖北中的對應半角θ clo具體地講，θ。/ = arcsin(n0' Ai1)。當此光進入膜312的第二層時，其會在表面312b處折射以在第二層中生成傳播方向錐形，該錐形還相對于圖北中的對應錐形進行擴展。半角θ。2’按照θ。2’ = arcsin(n0' /n2)進行計算。根據(jù)斯涅耳定律，此光在表面312c處以所有角折射到超低折射率層334，并且此光又借助粗糙主表面33 以所有角折射和擴散到空氣層316內(nèi)。將圖3c與圖3a和圖北進行比較，發(fā)現(xiàn)與構造320、310相比，在構造330中光能夠以更傾斜的角度在膜312的層中傳播。由于光能夠從超低折射率層332以所有角度照射在膜312上，并且由于以任何此類角度進入膜312的光能夠通過層334、316離開膜，因此圖 3c中的膜312可以說成是光學浸入折射率為η:的超低折射率材料中。圖4為給定層中光傳播的角范圍或錐形的透視圖，示出了將該層光學浸入除空氣之外的介質(zhì)中時錐形的拓寬。因此，錐形410的半角為層材料的臨界角Θ。。這是當層光學浸入空氣中時可能的光傳播方向范圍。如果層光學浸入折射率大于空氣的介質(zhì)中，則光傳播方向的范圍擴展至較寬錐形412，半角為Θ?！＿@兩個錐形(或立體角度)之間的差值在圖4中由微分角表示。傳播方向位于該間隙中的光表示這樣的光，可能不會針對它設計層或?qū)铀鶎俚哪ひ赃M行處理?，F(xiàn)在將我們的注意力轉(zhuǎn)向多層光學膜，其可用于本發(fā)明所公開的具有一個或多個光厚超低折射率層的層合構造中，以使得該多層光學膜可認為是光學浸入超低折射率材料中。一般來講，我們首先概括描述多層光學膜的功能，并在稍后描述特定設計特性，其允許多層光學膜用作具有傾斜角反射或準直特性的光學浸入型反射偏振片。圖5僅示出多層光學膜500的兩層，該光學膜通常將包括幾十或幾百個以一個或多個鄰接組排列的此類層。膜500包括單獨的微層502、504。這些微層具有不同的折射率特性，以使得一些光在相鄰微層間的界面處被反射。微層很薄，足以使多個界面處反射的光產(chǎn)生相長干涉或相消干涉，以使膜具有所期望的反射或透射特性。對于設計成在紫外線波長、可見波長或近紅外波長反射光的光學膜，每個微層的光學厚度(即，物理厚度乘以折射率)通常小于約lym。然而，也可以包括更厚的層，例如膜外部表面的表層，或設置在膜內(nèi)用以將微層組分開的保護邊界層。多層光學膜500的反射和透射特性取決于各個微層的折射率、微層總數(shù)以及微層的厚度。每個微層(至少在膜的局部位置)可以通過面內(nèi)折射率nx、ny和與膜的厚度軸相關的折射率nz加以表征。這些折射率分別表示所討論的材料對于沿相互正交的χ軸、y軸和ζ軸偏振的光的折射率(參見圖5)。在實踐中，通過審慎的材料選擇和加工條件來控制折射率。膜500的制作方法是 將通常有幾十或幾百層的交替層疊的兩種聚合物A和B共擠出，然后可任選地將該多層擠出物通過一個或多個倍增用模具，接著對擠出物進行拉伸或者以其他方式對擠出物進行取向，以形成最終的膜。所得膜通常由幾十或幾百個單獨的微層組成，調(diào)整微層的厚度和折射率，從而在所期望的光譜區(qū)域(如可見光區(qū)或近紅外光區(qū))形成一個或多個反射帶。為了通過適當數(shù)量的層來獲得高的反射率，相鄰微層針對沿χ軸偏振的光的折射率差值(Δηχ) 可為例如至少0. 05。如果希望對兩個正交偏振狀態(tài)的光具有高的反射率，那么相鄰微層對于沿y軸偏振的光也具有例如至少0. 05的折射率差值(Δ ny)。如果需要，還可以調(diào)整針對沿ζ軸偏振的光的相鄰微層間的折射率差值(Δηζ)，以便得到斜入射光的P偏振分量的期望反射特性。為了方便解釋，在多層光學膜的任何關注的點處，X軸都可認為是在膜的平面內(nèi)取向，使得面內(nèi)Δη的量級為最大。因此，Any的量級可以等于或小于(但不大于)八~的量級。此外，在計算差值Δηχ、Any、Anz時，對開始材料層的選擇由非負值這樣的要求來確定。換句話講，形成界面的兩層之間的折射率差值為Δ η」=nij-ri2j，其中j = χ、y或ζ并且其中選擇層標號1，2，以使得nlx彡n2x,即 Δηχ > 0。為了保持對以傾斜角度入射的ρ偏振光的近軸向反射率，各微層之間的ζ軸折射率失配Δηζ可以控制為顯著小于面內(nèi)折射率最大差值Δηχ，使得Δηζ<0.5*Δηχ?；蛘撸?Δηζ^0. 25*Δηχ。量級為零或幾乎為零的ζ軸折射率失配產(chǎn)生了微層之間的這樣的界面 取決于入射角，該界面對P偏振光的反射率為常數(shù)或幾乎為常數(shù)。此外，ζ軸折射率失配八112可以控制為與面內(nèi)折射率差值Anj^g比具有相反的極性，g卩，Δηζ<0。此條件會產(chǎn)生這樣的界面，該界面對P偏振光的反射率隨入射角的增加而增大，如同對s偏振光的情形一樣。如果給定多層膜中所有微層的厚度被設計為相同厚度，則膜將會在狹窄的波長帶內(nèi)提供高反射率。如果該波長帶位于可見光譜中的某個位置，那么此類膜看起來將高度著色，并且色彩將隨角度的變化而變化。在顯示器應用背景中，通常會避免呈現(xiàn)顯著色彩的膜，但在一些情況下，給定光學膜引入少量色彩以校正系統(tǒng)中其他位置的色彩不平衡也許會有助益。多層膜可通過以下方式在例如整個可見光譜內(nèi)提供寬譜帶反射率和透射率對微層(或更精確地，光學重復單元，其通常對應相鄰微層對)進行調(diào)整以具有光學厚度范圍。通常，微層沿著ζ軸或膜的厚度方向排列，在膜或組的一側排列一個最薄的光學重復單元，在另一側排列一個最厚的光學重復單元，其中最薄光學重復單元反射反射譜帶中的最短波長，最長光學重復單元反射最長波長。在美國專利6，157，490 (Wheatley等人)中對多層光學膜中的厚度梯度進行了進一步討論，包括調(diào)整厚度梯度從而得到銳化譜帶邊緣。本發(fā)明所公開的多層膜有利地具有有足夠帶寬的反射譜帶，使得它們在超低折射率(ULI)介質(zhì)內(nèi)以大多數(shù)角度反射可見光譜大部分區(qū)域內(nèi)的波長的光。適用于多個顯示器和發(fā)光體的可見光譜對一些系統(tǒng)延伸至約630nm，對其他系統(tǒng)延伸至650nm，并對一些最高色域系統(tǒng)延伸至高達670nm。由于任何ULI/聚合物界面處接近90度的高菲涅耳反射率， 在這些最高角度下將不會透射很多光。因此，在ULI中，θ = 75度時膜對ρ偏振光的透光軸右側譜帶邊緣(RBE)有利地高于約650nm。因此對于折射率為1. 2的ULI，膜透光軸的最小RBE在垂直入射角度時有利地為至少950nm。對于IXD顯示器中的改進對比度和色彩平衡，這些膜對P偏振光的透光軸RBE在垂直入射角度時有利地高于IOOOnm或高于1050nm 或高達llOOnm。如果ULI的折射率為1. 15，則對ρ偏振光的透光軸RBE在垂直入射角度時有利地大于至少約900nm，并且更有利地大于950nm或甚至lOOOnm。對于高于1. 15或1. 2 的ULI折射率，膜的右側譜帶邊緣有利地成比例升高。多層光學膜可使用任何合適的技術制備。通常，制備涉及以下過程將聚合物材料加熱至其熔化或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，將熔融聚合物供給到多層供料頭內(nèi)，使用一個或多個膜倍增器可任選地倍增層，通過膜擠出模頭傳送熔化材料，將離開模頭的擠出物澆鑄到澆鑄輪上，并沿著一個或兩個膜方向拉伸或以其他方式對澆鑄膜進行取向。參見例如美國專利No. 5，882，774 (Jonza等人)和No. 6，783，349 (Neavin等人)。在一些實施例中，可以不使用層倍增器制備膜。盡管層倍增器極大地簡化了生成大量光學層的過程，但倍增器可能會使各個所得的層組產(chǎn)生對于各層組而言不相同的畸變。因此，對于各層組而言，任何對供料頭中所產(chǎn)生層的層厚度分布的調(diào)整均不相同，即，不能同時對所有層組進行優(yōu)化以產(chǎn)生無光譜畸變的均勻平滑的光譜。從而，對于低透射和反射色彩，使用通過倍增器制備的多層組膜可能難以形成最佳分布。如果在供料頭中直接生成的單一層組中的層數(shù)目不能提供足夠的反射率，則可以將兩個或更多個此類膜附接到一起來增加反射率。在PCT專利公開 WO 2008/144656 (Weber等人)中對層厚度控制進行了進一步討論，以對低色彩膜提供光滑光譜反射率和透射率。用于多層光學膜制備的材料通常為聚合物材料，該材料至少在可見和幾乎可見波長以及對膜內(nèi)的典型光路距離吸收率非常低。因此，多層膜對給定光線的反射百分比R和透射百分比T通?；净パa，即，R+T ^ 100%,通常精確性在約1 %內(nèi)。因此，除非另外指明，否則本文所公開的具有高反射率的多層光學膜可被假定為具有低透射率，并且反之亦然，同時本文所公開的具有低反射率的多層光學膜可被假定為具有高透射率，并且反之亦然，并且所報告的反射率或透射率值可被假定為也通過關系R+T 100%各自對反射率或透射率做出報告?？紤]光學膜透射和反射特性時要牢記的另一個問題為，是否要將膜最外側正面和背面主表面處的表面反射貢獻考慮在內(nèi)。此類表面反射在垂直入射角度下可能相對較少， 如，總反射率為約10%，但在高度傾斜角下可大很多，并且可在S和P偏振分量之間有很大差異。就本專利申請而言，本發(fā)明所公開的光學膜優(yōu)選但未必旨在結合到層合構造內(nèi)，在這種情況下，膜外部主表面的至少一者并且可能兩者將與除空氣之外的光學材料接觸。因此， 除非另外指明，否則本文所報告的反射和透射特性不包括在膜最外側正面和背面主表面處的表面反射貢獻。此類值有時稱為“內(nèi)部反射”和“內(nèi)部透射”以將其與“外部反射”和“外部透射”區(qū)分開，后者確實包括前表面和背表面反射率的貢獻。然而，除非另外指明，否則即使本文不使用術語“內(nèi)部”，本文所討論的反射和透射特性也應該被假定為內(nèi)部反射和內(nèi)部透射值。不管處理的是計算機建模光學膜還是特性在實驗室中測量的實際膜，內(nèi)部反射和透射特征均可容易地確定。就建模膜的反射率和透射率的計算值而言，通過省略計算來自所計算值的那些表面反射率易于實現(xiàn)這一點。反射光譜及其所有特征，例如任何角度下的反射率以及用于雙折射多層膜的譜帶邊緣，均可使用Berremen和kheffer的Wiys. Rev. Lett. 25,577(1970)中的4X4疊堆碼進行計算。在由Azzam和Bashara編寫、Elsevier kience，Holland 出版的著作“Ellipsometry and Polarized Light”(橢圓光度法和偏振光)中對該方法進行了說明。就反射率或透射率的測量值而言，可通過以下方法實現(xiàn)內(nèi)部反射和透射特性在空氣中對膜進行測量，并減去僅表示表面反射率的計算值或測量值。例如，給定具有比微層厚得多的平滑透光表面層的多層膜，該表面層的折射率可以測量。一旦表面層的折射率已知，就可通過使用本領域所熟知的數(shù)學公式從測量的總反射率中減去表面反射率。在空氣中，在垂直入射角度(0度)以及較高角度(例如60度)下該方法效果很好。在空氣或在實例的較高折射率(例如折射率1. 2)介質(zhì)中90度下的相同膜的反射率可通過以下方法直接測量將折射率已知的玻璃棱鏡光學耦合至膜的兩側，并在適當?shù)慕嵌认聹y量反射率，其可使用斯涅耳定律輕松確定。折射率為約1. 5至1. 7的玻璃棱鏡適用于這些測量。此類玻璃棱鏡和這些聚合物膜之間的界面反射率在接近45度的角處很小，但如果有必要更準確地測量多層光學膜的內(nèi)部反射率，則可很容易地對其進行計算。準確測量膜的透射而不是反射通常更加容易，特別是在非零度角處。由于在所關注的膜中光的吸收率相對很小(對于垂直入射光通常小于)，因此可以只測量透射率值 T并假定R= 1-T。如果吸收率大于約若干百分比，則可在垂直入射角度下通過單獨測量R 和T進行測量。然后可以容易地估算更高角度下的吸光度，此時反射率可計算為R=I-A-T, 其中R、A和T通常以百分比表示并且1 = 100%。本文所公開的多層光學膜對垂直入射光呈現(xiàn)偏振特性，對高度傾斜光呈現(xiàn)多種反射和透射特性。這些特性的討論需要參考引用以下各種術語來表示的參數(shù)“透光”偏振 (以及“透光”軸、“透光”平面等)、“阻光”偏振(以及“阻光”軸、“阻光”平面等)、s偏振以及P偏振。為清楚起見以及為幫助讀者避免混淆這些術語，現(xiàn)在將提供這些術語的詳細討論。對于傳統(tǒng)的偏振膜，可以認為光是在兩個正交平面內(nèi)偏振，其中光的電矢量(其橫向于光的傳播方向)位于特定偏振平面內(nèi)。此外，可以將給定偏振態(tài)的光線分解為兩個不同的偏振分量Φ偏振光和s偏振光。P偏振光為在光線入射平面和給定表面內(nèi)偏振的光，其中入射平面為包含局部表面法向矢量和光線傳播方向或矢量的平面。例如，圖6示出了光線610，該光線以入射角θ入射到標準偏振片602上，從而形成入射平面612。偏振片602包括平行于y軸的透光軸604和平行于χ軸的阻光軸606。光線610的入射平面612平行于阻光軸606。光線610具有位于入射平面612內(nèi)的ρ偏振分量和與入射平面612正交的s偏振分量。ρ偏振光線610具有平行于偏振片602的阻光軸 606的矢量分量，因此將基本上被偏振片反射，而s偏振光線610平行于偏振片602的透光軸604并且將由偏振片至少部分地透射。此外，圖6示出了在入射平面622內(nèi)入射到偏振片602上的光線620，其具有平行于偏振片602的透光軸604的矢量分量。因此，光線620的ρ偏振光平行于偏振片602的透光軸604，而光線620的s偏振光平行于偏振片602的阻光軸606。因此，假設偏振片602 為理想偏振片，其對于在阻光軸上偏振的光在所有入射光角度下反射率為100%，并且對于在透光軸上偏振的光在所有入射光角度下反射率為0 %，則偏振片透射s偏振光線610和ρ 偏振光線620，而反射ρ偏振光線610和s偏振光線620。換句話講，偏振片602將透射ρ 和s偏振光的組合。如本文進一步所述的那樣，ρ偏振光和s偏振光的透射和反射量將取決于偏振片的特性。我們在下面對以下內(nèi)容進行了更全面地說明如何調(diào)整多層光學膜中的相鄰微層之間的折射率關系以生成適于用作光學浸入型反射偏振片的光學膜，所述膜對于“透光”偏振態(tài)的斜入射光還有利地呈現(xiàn)出反射率的顯著增加。對于斜入射光的顯著反射率增加可以設計成僅在一個入射平面或兩個正交入射平面內(nèi)進行，并且在其中任一種情況下均可在循環(huán)利用系統(tǒng)中使用以幫助將光局限或“準直”在較窄視錐(由于在至少一個入射平面內(nèi)，或在兩個正交入射平面內(nèi)的一些實施例中，具有離軸高反射率和低透射率)內(nèi)，從而在顯示系統(tǒng)中得到增加的亮度和/或?qū)Ρ榷?，或以便使來自發(fā)光體的光準直。讀者應該理解，結合本發(fā)明所公開的反射偏振膜使用時，術語“準直”會廣義地使用，同時應該理解，膜在示例性實施例中與至少部分地循環(huán)利用偏振膜所反射的一些光的其他反射膜或漫射膜或元件結合。因此，當偏振膜對于垂直入射光具有高透射率而對于高度傾斜光具有低很多的透射率 (更高反射率)時，反射的傾斜光的至少一些可沿傾斜度更低的方向被系統(tǒng)中的另一個光學元件再次反射回偏振膜，使得現(xiàn)在更可能被偏振膜透射。從這個意義上講，初始高度傾斜光被偏振膜透射時會“轉(zhuǎn)變”為低傾斜度的光，并且偏振膜可以說成使照射到其上的光“準直”。本文提供了圖7a_c，以示出本發(fā)明所公開層合物中使用的浸入型多層反射偏振片的一些期望的透射和反射特性。在圖7a中，示出了方向半球的透視圖。半球上的任何點均表示光傳播的一個方向，通過極角θ和方位角Φ來表征。ζ軸垂直于膜的平面。為了圖7a_c的目的，角度Θ、Φ 被假定為在光厚超低折射率(ULI)材料中進行測量(因此有時稱為θ low Φ1μ index)， 而無論將該ULI材料層相對于其反射和透射特性為我們所關注的多層光學膜放置在何處。 例如，ULI層可以與多層光學膜相鄰并設置在多層光學膜和光源之間?；蛘?，ULI層可以與多層光學膜相鄰但設置在其相對側?；蛘撸趯雍蠘嬙熘锌梢酝ㄟ^一個或多個其他膜或部件將ULI層與多層光學膜分開，但兩者間沒有顯著空氣間隙。本發(fā)明所公開的多層光學膜至少對于低入射角(即，垂直或接近垂直入射角， θ 0)的光優(yōu)選呈現(xiàn)顯著偏振特性。因此，對于垂直入射光，膜優(yōu)選地限定在可見波長范圍內(nèi)具有低反射率和高透射率的透光軸(如，沿著面內(nèi)y軸)，以及在可見波長內(nèi)具有非常高反射率和非常低透射率的阻光軸(如，沿著面內(nèi)χ軸)。優(yōu)選地，基本上在θ和Φ的所有組合內(nèi)，即半球所表示的所有方向，“阻光，，偏振的光均會被“阻擋”，即，通過非常高反射率和非常低透射率來表征。因此，參照圖6的幾何形狀，其中606為阻光軸，本發(fā)明所公開的反射偏振膜對于入射到平面622內(nèi)的s偏振光以及入射到平面612內(nèi)的ρ偏振光、對于在 ULI材料中測量的高達約90度的角θ以及對于基本所有可見波長優(yōu)選地保持高反射率。本發(fā)明所公開的偏振膜對于“透光”偏振的光優(yōu)選呈現(xiàn)出更復雜有趣的特性，如圖 7b和7c中以理想化定性方式所示的那樣，這會針對“透光”偏振重新生成圖7a的方向半球，并在其上疊加本發(fā)明所公開的不同膜的透射和反射特性。在每種情況下，對于垂直和接近垂直入射角度，膜均會提供相對高的光透射率。與垂直/接近垂直入射角度的阻光狀態(tài)光透射率相比，此透射率被認為“較高”，并且通常為至少50 %并在一些情況下遠大于該值， 甚至接近100%，但在一些情況下其也可顯著小于50%并仍遠高于阻光狀態(tài)的透射率。具有后一特性的膜在例如損耗最小的非常高效的循環(huán)利用系統(tǒng)中可能有用。除了對于透光狀態(tài)的垂直入射光具有“高”透射率，膜還有利地對于以高度傾斜角 θ入射的透光狀態(tài)的光具有低得多的透射率(和較高反射率)，至少對于一些范圍內(nèi)的方位角Φ如此。隨角度增加而增加的反射率有效地壓縮視錐或穿過膜的光傳播錐形。從“高” 到“低”的透射率的過渡通常是漸進的，因此示出中間反射率的區(qū)域以將高透射率區(qū)域和低透射率區(qū)域分開。與垂直入射角度的透光狀態(tài)光透射率相比，傾斜角的“低”透射率被認為 “較低”。通過對以極端入射角(如，超臨界入射角)行進的透光狀態(tài)光提供減小的透射率和增加的反射率，可以避免以大于設計角度的角度透過膜傳播的光相關問題，如，與圖4中示出的間隙相關的角度。特別是在顯示和照明應用中，會在基本整個可見光譜內(nèi)相對均勻地優(yōu)選保持增加的反射率，從而不將顯著色彩引入系統(tǒng)中。由于多層膜反射譜帶的特性波長隨入射角偏移，這又會對膜的反射譜帶的右側譜帶邊緣的定位提出某些要求。如下面將進一步討論的那樣，可調(diào)整多層偏振膜，使得透光偏振態(tài)光的高透射率區(qū)域和低透射率區(qū)域?qū)Ψ轿唤铅迪鄬Σ幻舾?，如圖7b所示，或它們可強烈地依賴于Φ，如圖7c所示。出于顯而易見的原因，圖7b的方位角不敏感特性可以說是對“雙軸準直”多層反射偏振膜的表征，而圖7c的極大不同方位角特性可以說是對“單軸準直”多層反射偏振膜的表征。這些類別之間的區(qū)別可取決于膜所針對的應用，并且在給定應用中不同方位角方向之間的差值大小被認為很重要。為了方便接下來的討論，可以簡單地將雙軸準直偏振膜表征為隨兩個正交入射平面(例如x-z平面和y-ζ平面)的極角θ的變化呈現(xiàn)透射率的類似下降，同時將單軸準直偏振膜表征為在一個入射平面中呈現(xiàn)透射率的顯著下降，而在正交入射平面中呈現(xiàn)透射率極小下降或無下降。值得注意的是，就單軸準直偏振膜而言， 呈現(xiàn)透射率顯著下降的入射平面可以與膜的透光軸或阻光軸平行。當透射率降低的表面與透光軸平行時，膜可稱為P偏振準直膜，因為透光狀態(tài)光的P偏振分量會隨入射角的增加而越來越多地被反射，并且當平面與阻光軸平行時，膜可稱為s偏振準直膜，因為透光狀態(tài)光的s偏振分量會隨入射角的增加而越來越多地被反射。
根據(jù)系統(tǒng)特征和要求以及設計約束，對于某些系統(tǒng)而言，利用雙軸準直偏振膜比單軸準直膜可能更有益處，而對于其他系統(tǒng)事實可能相反。在本文的別處提供了此類設計考慮事項的進一步討論。盡管本專利申請?zhí)峁┡c單軸以及雙軸準直偏振膜相關的教導內(nèi)容，但涉及雙軸準直膜的進一步信息和實例可見于美國專利申請No. XX/XXX，XXX， "Immersed Reflective Polarizer With High Off-Axis Reflectivity”(具有高離軸反射率的浸入型反射偏振片)(代理人檔案號No. 65809US002)，該專利申請隨同本專利申請于同一天提交并以引用的方式并入本文。除了提供足夠的離軸反射率以確保以相對于圖4的“間隙”的超臨界角傳播的光不會過度降低系統(tǒng)性能以外，第二項設計挑戰(zhàn)是需要在空氣中以甚至更低的角度，如從約 45至90度，反射并循環(huán)利用光線的很大一部分。在一些IXD電視中，通過微透鏡陣列膜朝著法向重定向該角度范圍。在至少一個入射平面內(nèi)，本文所公開的反射偏振片中的至少一些可提供這種適度至高角度傾斜光的基本反射率，并且可接近一個或兩個微透鏡膜的性能。我們發(fā)現(xiàn)，上述透射和反射特性可在適當設計的實際多層膜中實現(xiàn)，如具有適當?shù)奈訑?shù)并具有可使用現(xiàn)有聚合物材料和處理技術實現(xiàn)的折射率關系。一些本發(fā)明所公開的實施例，例如確認可構造具有約500層的微層反射偏振片，該偏振片可反射圖4所示間隙中的光的最多約90%，同時仍在垂直入射角度提供高透射率值。多層光學膜的光學特性涉及有限數(shù)量的參數(shù)，其可被視為是“主要”的，例如膜中的微層數(shù)及其在膜內(nèi)的一個或多個相干層組內(nèi)的分布、各種微層的厚度和層厚度分布、以及層的折射率。在本專利申請中，我們不僅提供可如何選擇這些主要參數(shù)以制備適于在層合構造中用作浸入型膜的多層反射偏振膜的實例，還辨識某些次要膜參數(shù)，以及涉及此類參數(shù)的關系，這在評估此類構造中多層膜的適用性時可能很重要。這些次要膜參數(shù)可以包括以下一者或多者針對給定入射角θ下的四種偏振情況中的任何一種限定膜的內(nèi)部反射率，S卩，入射到透光平面的P偏振光的反射率(“RPpaSS( θ ) ”)；入射到透光平面的S偏振光的反射率(“RSblock( θ ) ”)；入射到阻光平面的ρ偏振光的折射率(“RPblock( θ ) ”)；以及入射到阻光平面的s偏振光的反射率(“RSpaSS(e)”)，其中透光平面為包含膜的透光軸和垂直軸的平面，阻光平面為包含膜的阻光軸和垂直軸的平面，并且角度θ可為在空氣中測量的角度(θ air)或在超低折射率材料中測量的角度(θ low index)。對于給定入射角θ的四種偏振情況的任何一種限定膜的內(nèi)部透射率，S卩，入射到透光平面的ρ偏振光的透射率(“TPpass(e)”)；入射到透光平面的S偏振光的透射率 ("TSblock( θ ) ”)；入射到阻光平面的P偏振光的透射率("TPblock( θ ) ”)；以及入射到阻光平面的S偏振光的透射率("TSpass ( θ )，，)。我們對上述參數(shù)中的某些參數(shù)的平均值進行定義。例如Rpass ( θ )為 RPpass ( θ )和 RSpass ( θ )的平均值；以及Tpass ( θ )為 TPpass ( θ )禾P TSpass ( θ )的平均值。在特定條件下我們對上述參數(shù)中的任何一個進行定義。例如% TOO為膜對于透光偏振光在垂直入射角度下的內(nèi)部透射率，其也與Tpass(O)、 TSpass (0)和 TPpass (0)相等；% T block為膜對于阻光偏振光在垂直入射角度下的內(nèi)部透射率，其也與Tblock(O)、TSblock(O)和 TPblock(O)相等；%TA60S為膜對于入射到阻光平面內(nèi)的S偏振光，在空氣中測量的60度入射角下的內(nèi)部透射率，其也與TSpass ( θ air = 60)相等；% TA60P為膜對于入射到透光平面內(nèi)的ρ偏振光，在空氣中測量的60度入射角下的內(nèi)部透射率，其也與TPpass ( θ air = 60)相等；% TA60 為 ％ TA60S 和 ％ TA60P 的平均值；%TA90S為膜對于入射到阻光平面內(nèi)的s偏振光，在空氣中測量的90度入射角下的內(nèi)部透射率，其也與TSpass ( θ air = 90)相等；% TA90P為膜對于入射到透光平面內(nèi)的ρ偏振光，在空氣中測量的90度入射角下的內(nèi)部透射率，其也與TPpass ( θ air = 90)相等；% TA90 為 ％ TA90S 和 ％ TA90P 的平均值；% TU90S為膜對于入射到阻光平面內(nèi)的s偏振光，在超低折射率材料中測量的90 度入射角下的內(nèi)部透射率，其也與TSpaSS( θ low index = 90)相等；% TU90P為膜對于入射到透光平面內(nèi)的ρ偏振光，在超低折射率材料中測量的90 度入射角下的內(nèi)部透射率，其也與TPpaSS( θ low index = 90)相等；并且% TU90 為 ％ TU90S 和 ％ TU90P 的平均值。反射譜帶的長波長譜帶邊緣的位置有時也稱為紅色譜帶邊緣(RBE)或右側譜帶邊緣，屬于指定入射角下的反射譜帶。就垂直入射角度下具有顯著透光偏振反射率的偏振片而言，透光偏振光的垂直入射角度下的反射譜帶不同于阻光狀態(tài)光的垂直入射角度下的反射譜帶。在這種情況下，除非另外指明，否則RBE是指對于阻光偏振光的反射譜帶的長波長邊界，如，內(nèi)部反射率下降至其譜帶內(nèi)平均值的90%的波長。如上所述，可制備反射型偏振片，使其也可對于透光軸以傾斜角度大量反射?？烧{(diào)整高角下的透光軸反射率，使得其對于S偏振光、P偏振光或?qū)τ趦烧呔^大。這兩個分量從正交方向入射，但兩者均具有與包含膜透光軸的平面平行的電場矢量。如果期望P偏振透光軸的光、而不是S偏振透光軸的光具有高反射率，那么可使用具有大ζ折射率差值和小 y折射率差值的膜。如果期望s偏振透光軸的光、而不是ρ偏振透光軸的光具有高反射率， 那么可使用具有大y折射率差值和小ζ折射率差值的膜。值得注意的是，為了對阻光偏振態(tài)的光提供高反射率，χ折射率差值應該顯著大于y折射率差值。重新參考圖5，考慮這樣一種情況，其中膜已拉伸或取向，使得第一材料(微層 502)具有雙折射性，第二材料(微層504)具有各向同性，其折射率為n2，并且另外Δηχ> Any>0> Δηζ，Β卩負值。在這種情況下，第一材料呈現(xiàn)疊堆中的最高(η1χ)和最低 (nlz)折射率，但為方便起見，我們?nèi)詫⑴紶枀⒖嫉谝徊牧献鳛楦哒凵渎什牧弦约暗诙牧献鳛榈驼凵渎什牧?不要與超低折射率材料混淆)。為了針對透光軸s偏振光呈現(xiàn)高離軸反射率，低折射率層的折射率η2應顯著低于高折射率材料的nly。為了針對P偏振光提供高折射率，相同低折射率材料的折射率n2應顯著高于高折射率材料的nlz。通過改變n2使這些值的其中一個值最大化將使另一個值最小化，因此很顯然為了使s偏振光和P偏振光均以傾斜角最大化和幾乎相等地反射，雙折射層的y-ζ折射率差值(nly_nlz)應最大化。另外還有一項約束，即nlx要顯著大于nly以便阻光軸反射的光比透光軸多得多。對于透光軸的ρ偏振光和s偏振光均具有很強反射性的膜需要大的Ay和ΔΖ折射率差值。大部分多層雙折射反射偏振片僅通過拉幅機取向，即僅沿X方向取向。然而，這會針對y折射率生成有限范圍的值。也可通過沿y方向?qū)δと∠騺碓黾觵折射率?？刹捎猛瑫r雙軸拉伸法或通過順序拉伸法來完成。下面給出了兩種情況的實例。在結合圖9提供關于非對稱膜處理考慮事項及其如何影響微層折射率的進一步說明之前，我們對能夠提供雙軸準直的具體多層偏振膜實例進行了描述。光學臘1.1雙軸準首臘，550個微層(律It)可通過使用高雙折射率、大量微層或兩者來增大傾斜角反射率。這是兩種方法均使用的實例。使用下表中列出的折射率，其表示適當單軸取向的90/10coPEN(材料1)和 coPET (材料2、，并進一步假定550個微層的單個疊堆兩側的coPET材料(各向同性折射率為1.55 表層，所述微層具有為了平坦光譜而優(yōu)化的連續(xù)層厚度分布并提供垂直入射角度下400nm處的左側譜帶邊緣(LBE)和垂直入射角度下1150nm處的右側譜帶邊緣(RBE)， 可大大增加單軸取向膜的角反射率。
ηχnynz材料11. 8301. 6201. 505材料21. 5551. 5551. 555差值0. 2750. 065-0. 05在圖8a中繪出了計算的(內(nèi)部)反射率與入射角的曲線，其中假定入射角位于折射率為1.2的ULI介質(zhì)中。在該附圖中，曲線810表示RSblock(Q)和RPblock(Q)這兩者，曲線812表示RSpass ( θ )，曲線814表示RPpass ( θ )。值得注意的是，s偏振和ρ偏振光的透光狀態(tài)反射率在最高角度下均增加至幾乎0. 9。對于大多數(shù)角度而言，即使對于s偏振光，這些反射率值也將控制系統(tǒng)構造中的表面和界面反射。圖8b繪出了隨折射率為1. 2 的ULI材料的入射角而變化的透光偏振和阻光偏振的右側譜帶邊緣(RBE)的位置，其中曲線820示出了阻光狀態(tài)和s偏振光的RBE位置，曲線822示出了阻光狀態(tài)和ρ偏振光的RBE 位置，曲線擬4示出了透光狀態(tài)和ρ偏振光的RBE位置，并且曲線擬6示出了透光狀態(tài)和ρ 偏振光的RBE位置。聚合物和處理的選擇還會影響膜產(chǎn)品的成本和制備產(chǎn)率。因此，使用不同的低折射率材料或以不同方式處理偏振片可能是有利的。例如，制備光學膜1. 1的550層偏振片所需的擠出設備可能費用較高并難以設計?？赡軆?yōu)選的是層合或共擠壓使用下述可供選擇的方法制備的兩種275層膜。存在若干針對多層光學膜微層的折射率參數(shù)，它們會影響任何給定入射角的反射率，我們在圖9中對此信息進行了匯總。s偏振光的反射率隨值Any = nly-n2y的增加而增加，所述值Any沿著橫坐標向右側增加。ρ偏振光的反射率取決于Any，但在很大程度上也取決于Δηζ = r^z-nlz，所述值Δηζ沿著圖9的縱軸增加。對于受約束的單軸取向膜而言，高折射率層的最大y_z雙折射率會確定可在交替的層之間實現(xiàn)的最大值Any和Δηζ。 對于coPEN高折射率層而言，由于受約束單軸取向PEN的最高y折射率為約η = 1. 62，最低 ζ折射率為約η = 1. 50，因此此限制為約Δη = 0. 12?？赏ㄟ^在相對低溫或高拉伸比下或兩者同時具備的情況下最大化PEN元素并取向澆鑄料片來實現(xiàn)此雙折射，這在聚合物膜制備領域中是眾所周知的?？傻米?M公司的一些多層光學膜反射偏振片產(chǎn)品，即VikuitiniDBEF-Ci膜和 Vikuiti APF膜，其折射率差值Any禾Π Δηζ的值在圖9的圖線上分別以附圖標號910、912 標記。對于單軸取向多層而言，在該圖中沿著對角虛線920具有折射率差值的膜會出現(xiàn)傾斜入射s偏振和ρ偏振光的反射率最大值。膜1. 1，其對于s偏振光和ρ偏振光具有相等反射率，會在點(Any = 0.065，Δηζ = 0. 05)處落在這條線上。在曲線圖的右下角，由于 Any很大，因此s偏振光的準直可能性極大，但由于Δηζ為零，因此ρ偏振光的準直可能性為零，并且P偏振光的反射率不會隨入射角而變化。在曲線圖的左上角，P偏振光的反射率很大，而s偏振光的反射率為零。在接近點(Any，Δηζ) = (0. 04,0. 8)的位置，ρ偏振光的反射率最大。在偏振片構造中使用具有最大雙折射率的coPEN膜時，低折射率層的折射率值中的變化會使光線沿著虛線920的設計空間移動。虛線920左側和下方的所有折射率集對于給定入射角下的光具有較低反射率。虛線上方和右側的所有折射率集將在相同的入射角下提供較大反射率。點916表示光學膜3. 4。增加折射率差值Any和Δηζ，并因此增加傾斜光的反射率，可使用上述相同材料集，通過沿縱向(MD)或y方向?qū)δち硗馊∠騺韺崿F(xiàn)。該處理將自然降低沿χ方向的折射率，因此會限制該方法。然而，這允許在圖9中虛線920的上方和右側空間內(nèi)操作。例如， 點918表示反射偏振膜，其制備方法是沿MD方向?qū)δみM行取向并進行后續(xù)熱定型。此類膜在本文稱為光學膜1. 2并在下面有進一步說明。點914表示按照光學膜1. 2的說明制備的膜，但未沿MD或y方向?qū)δみM行取向。通常，上述處理稱為非對稱雙軸取向。利用該處理，可增加coPEN的y折射率。在 ζ折射率為1. 5時ny增加至約1. 75的限度內(nèi)，nx降低至約1. 75，此時膜成為對稱反射鏡。 在折射率nly的某個中間值處，即使對于較低層數(shù)，例如275層，膜仍將為有效偏振片并且對于透光軸光的反射率將很大。然后可根據(jù)需要層合兩種或更多種此類膜，如下面的實例所示。光學膜1.2 雙軸準盲膜，275個微層(津樽)高溫熱定型后，可以共擠壓90/10coPEN和PETg交替的層的多層材料疊堆，并沿y 方向以大約3 1以及沿χ方向以5 1對其進行取向，以獲得下表所示用于交替微層的折射率特性。
權利要求
1.一種膜構造，其包括被配置為隨包括可見波長的延伸波長區(qū)域的角度和偏振的變化而選擇性地透射和反射光的多個微層，所述微層限定第一偏振的垂直入射可見光的透光軸以及第二偏振的垂直入射可見光的阻光軸，所述微層還具有以下特性(a)以傾斜角度入射到第一入射平面內(nèi)的所述第一偏振的第一光的反射率增加，從而在壓縮的視錐內(nèi)透射所述第一光，以及(b)入射到第二入射平面內(nèi)的所述第一偏振的第二光在傾斜角度下的反射率不顯著增加，從而在寬視錐內(nèi)透射所述第二光；以及具有超低折射率的光厚低折射率層，所述光厚低折射率層連接至所述微層，以限制所述微層中高度傾斜光的傳播，或?qū)⒋祟惛叨葍A斜傳播光重新導向回所述微層。
2.根據(jù)權利要求1所述的構造，其中所述第一光為P偏振可見光，并且所述第二光為s偏振可見光。
3.根據(jù)權利要求1所述的構造，其中所述第一光為s偏振可見光，并且所述第二光為P偏振可見光。
4.根據(jù)權利要求1所述的構造，還包括線性棱鏡膜。
5.根據(jù)權利要求4所述的構造，其中所述棱鏡膜的每個棱鏡均沿著棱鏡軸線延伸，并且其中所述棱鏡軸線與所述第一入射平面平行。
6.根據(jù)權利要求4所述的構造，其中所述棱鏡膜的每個棱鏡均沿著棱鏡軸線延伸，并且其中所述棱鏡軸線與所述第二入射平面平行。
7.一種膜構造，其包括被配置為隨包括可見波長的延伸波長區(qū)域的角度和偏振的變化而選擇性地透射和反射光的多個微層，所述微層限定第一偏振的垂直入射可見光的透光軸以及第二偏振的垂直入射可見光的阻光軸，所述微層還具有以下特性(a)所述第一偏振的s偏振光在傾斜角度下的反射率增加，從而在壓縮的視錐內(nèi)透射入射到包含所述阻光軸的第一平面內(nèi)的所述第一偏振的可見光，以及(b)所述第一偏振的ρ偏振光在傾斜角度下的反射率不顯著增加，從而在寬視錐內(nèi)透射入射到包含所述透光軸的第二平面內(nèi)的所述第一偏振的可見光；以及具有超低折射率的光厚低折射率層，所述光厚低折射率層連接至所述微層，以限制所述微層中高度傾斜光的傳播，或?qū)⒋祟惛叨葍A斜傳播光重新導向回所述微層。
8.一種膜構造，其包括多層光學膜，所述多層光學膜被配置為作為以下器件工作針對以傾斜角度入射到第一入射平面內(nèi)的可見光的反射鏡；以及針對垂直入射的可見光和以傾斜角度入射到第二入射平面內(nèi)的可見光的反射偏振片；以及附接到所述多層光學膜的具有超低折射率的光厚低折射率層。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的膜構造，其還包括棱鏡增亮膜，所述棱鏡增亮膜被設置為接收來自所述光厚低折射率層的光，和/或?qū)⒐馔干渲了龉夂竦驼凵渎蕦樱瞿みm于為入射到所述第二平面內(nèi)的光提供壓縮視錐。
10.根據(jù)權利要求7或8所述的膜構造，其還包括增亮膜，所述增亮膜被設置為接收來自所述光厚低折射率層的光，和/或?qū)⒐馔干渲了龉夂竦驼凵渎蕦?，所述膜具有限定細長棱鏡的結構化表面，每個棱鏡沿著與所述第一平面平行的棱鏡軸線延伸。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種膜構造(330)，所述膜構造包括可浸入超低折射率介質(zhì)(332、334)中的寬譜帶反射偏振膜(312)。所述反射偏振膜通過透光軸和阻光軸來表征，并且其對于所述透光狀態(tài)偏振的白光的反射率隨入射角的增大而增加，從而選擇性地在一個入射平面中得到壓縮或狹窄視錐。在一些實施例中，所述壓縮視錐相關的所述入射平面與所述透光軸平行。在其他實施例中，它與所述阻光軸平行。
文檔編號G02F1/1335GK102576114SQ201080048094
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2009年10月24日
發(fā)明者劉濤, 蒂莫西·J·內(nèi)維特, 邁克爾·F·韋伯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司