專利名稱：具有改進(jìn)的表面或幾何形狀的聚合材料反射器/折射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以所希望的方式反射和/或折射光的多層全聚合材料體以及用其制成并可用于鏡、反射器、透鏡、偏振器及折射器的物品。
制作反射表面的傳統(tǒng)方法包括由高度拋光的金屬形成的這類表面。由于采用金屬所涉及的高成本及制作問題，近來制造者已采用其上包含薄金屬覆層的塑料表面。這樣，在若干工業(yè)中目前常見鍍有金屬的塑料物品被用作裝飾性及功能性產(chǎn)品。這類物品可在商業(yè)、工業(yè)、及居住照明方面被用作反射器，并可在汽車工業(yè)中被用于諸如前燈反射器。這種反射器通常被設(shè)計(jì)成利用其基本上不透光的反射表面來產(chǎn)生所需的光分布。
一般，通過在物品表面上電鍍或真空、汽相或化學(xué)淀積出一層金屬薄層，來制作這種鍍金屬塑料物品。但這種覆層隨時(shí)間的推移易發(fā)生金屬覆層的磨損及發(fā)裂及對金屬的腐蝕。若要在金屬覆層上加上另外的保護(hù)層以保護(hù)之，則需要額外的人力和材料消耗。另外，對一些金屬淀積工藝也會(huì)存在員工安全及環(huán)境清處的問題。
聚合物的多層制品及其制作方法和裝置是已知的。例如，這類多層制品可用諸如一同轉(zhuǎn)讓給Schrenk的美國專利第3，733，882和3，884，606號(hào)中所述的多層復(fù)合擠壓裝置來制備。'882號(hào)專利公布了一種用于制備叉指式多樣合成樹脂材料的混合流的方法。該方法的步驟包括提供至少第一和第二熱塑化可擠出熱塑材料流;將每股流分別分成多個(gè)第一子流和多個(gè)第二子流;把子流組合成具有叉指式的第一子流和第二子流的混合流，且子流混合的位置大致位于一段圓弧上;使混合流的子流大致沿徑向向內(nèi)流動(dòng)到大致位于圓心處的排放位置，從而使混合流變形;排放位置與相鄰的第一和第二子流混合的位置大體等距;從排放位置除去混合流;使混合流形變成大致為片形的結(jié)構(gòu)，其中流之間的界面大致平行于片形結(jié)構(gòu)的主表面。Shrenk的第'606號(hào)專利公布了制備多層膜或板的裝置，該裝置包括一本體，它確定了至少第一聚合物進(jìn)入通道;與第一聚合物進(jìn)入通道相連通的第一增壓器;分流裝置，用于把來自第一通道的材料流分成多個(gè)第一子流;與一第二增壓器相連通的第二聚合物接收裝置，第二增壓器向分流裝置排放，后者把第二流分成多個(gè)第二子流并把多個(gè)第二子流與第一子流相交叉，分流裝置與第三或混合流接收增壓器相連通，該混合流包括結(jié)合的第一和第二子流;第三增壓器排放通道;它與第三增壓器相連通并適于從第三增壓器接收混合流，該排放通道與一具有大致為縫狀的擠出口相連通，排放通道有第一或接收端和第二或排放端;其改進(jìn)包括以弧形的方式設(shè)置分流裝置的排放部分以形成一段圓弧，其中排放部分大致與第三增壓器排放通道的排放端等距。這種裝置能以大體均勻的層厚度同時(shí)擠出多種熱塑聚合材料。層的數(shù)目可借助一同轉(zhuǎn)讓的給Shrenk等人的美國專利第3，759，647號(hào)中所述的裝置予以倍增;該專利描述了一種用于制備復(fù)合合成樹脂片狀物品的裝置，它包括用于提供至少兩股熱塑化的熱塑樹脂材料流的裝置;用于把兩股流機(jī)械設(shè)置成具有多個(gè)大致平行的層的復(fù)合流的裝置，其中一股流的一部分包圍著復(fù)合流;用于機(jī)械地處理該復(fù)合流以在處理過的流中提供數(shù)目更多的流;用于使處理的流成形為所需結(jié)構(gòu)的裝置，該結(jié)構(gòu)有與其它表面大體平行的多個(gè)表面。
最近，多層復(fù)合擠出技術(shù)已被用于制作反射多層膜和用光學(xué)厚層(大于約0.45μm的光學(xué)厚度)構(gòu)成的片、光學(xué)厚和光學(xué)極薄層(光學(xué)厚度小于約0.09μm)的結(jié)合、或光學(xué)厚、光學(xué)薄、及光學(xué)極薄層的組合。見一同轉(zhuǎn)讓的Weatley等人的美國專利5，122，905號(hào)，Weatley的美國專利5，122，906號(hào)、及Weatley等人的美國專利5，126，880號(hào)。Weatley的'905號(hào)專利描述了一種多層反射體，它可熱成型并能被制成較厚的部分，同時(shí)保持均勻的反射裝置。反射聚合體包括至少第一和第二多種聚合材料層并有足夠數(shù)目的第一和第二復(fù)合材料的交替層，從而反射入射到材料體上的光的至少30%。材料體各層中的大多數(shù)有至少0.45微米的光學(xué)厚度，且相鄰的第一和第二聚合材料層的折射率之差不小于約0.03。反射體可被制成片、鏡、抗蝕金屬裝飾物和部件、反射器、折射透鏡等。'906號(hào)專利描述了一種多層反射體，它是可熱成形的并能被制成膜、片、及各種部件并同時(shí)保持均勻的反射外形。該反射聚合物體包括至少第一和第二多種聚合材料并有足夠數(shù)目的第一和第二聚合材料的交替層，以使入射到反射體上的光的至少30%能被反射。反射體的大多數(shù)層的光學(xué)厚度不大于0.09微米或不小于0.05微米，而至少一個(gè)層的光學(xué)厚度不大于0.09微米，且第一和第二聚合材料的相鄰層的折射率相差至少約0.03。'880號(hào)專利描述了一種多層高反射聚合體，包括至少兩種光學(xué)層，并可熱成型并被制成膜、片和各種部件，同時(shí)保持均勻的反射外形。該反射聚合體有至少第一和第二多種聚合材料并有足夠數(shù)目的第一和第二聚合材料層以反射投射到反射體上的光的至少30%。層的一部分有0.09和0.45微米之間的光學(xué)厚度，且其余的層有不大于0.09微米或不小于0.45微米的光學(xué)厚度。第一和第二聚合材料的折射率相差到至少約0.03。
現(xiàn)有技術(shù)也涉及利用傳統(tǒng)反射和/或折射材料控制光的空間分布的問題。例如，Howe等人的美國專利第3，912，921號(hào)公布了一種徑向地偏振光的光源。一包括徑向偏振器/折射器和線性偏振器的光調(diào)節(jié)器，使光源發(fā)出的光線性偏振并沿徑向引導(dǎo)光。線性偏振器包括用蒸汽淀積法制成的高和低折射率的金屬氧化物、硫化物、或/或鹵化物交替疊層。
Barnes等人的美國專利第4，839，781號(hào)顯示了具有用于減少直接和間接照明系統(tǒng)中的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)的反射器/折射器的一發(fā)光裝置。該拋物形發(fā)光裝置有若干區(qū)，且光源在發(fā)光裝置中的垂直移動(dòng)造成從其反射的光的不同空間取向。發(fā)光裝置包含多個(gè)沿其外表面緊密排列并垂直取向的三棱鏡，它們借助內(nèi)部全反射來反射光。
Ngai的美國專利第5，051，878號(hào)也公開了一種發(fā)光裝置，它帶有用于間接照明系統(tǒng)的透鏡。該裝置利用三棱透鏡和漫反射襯底把漫反射和鏡面反射結(jié)合起來。發(fā)光裝置的發(fā)射特性取決于對裝置的觀察角。
MacNeille的美國專利第2，403，731號(hào)公布了一種分束器，它由諸如硫化鋅和氟化鎂的高和低折射率材料交替而成的多層疊層構(gòu)成。該疊層與一復(fù)合三棱鏡相結(jié)合，以分開并偏振光束。
Marks的美國專利第2，492，809號(hào)公布了一種片狀偏振器，其中以“之”字形方式疊置了多個(gè)由交替的高和低折射率材料制成的薄塑料片。Marks指出，塑料的折射率差不得小于0.2且包括15至30層。
McGrath的美國專利第4，025，159公布了一種背反射片，它采用了在粘合劑中并部分地嵌在鏡面反射層中的透明微球的單層。
但是，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)有一定的缺點(diǎn)。諸如金屬、聚合物、或玻璃的單層反射器的反射表面的不均勻性，使照在不均勻區(qū)上的光重新取向，并將這些光匯集到設(shè)計(jì)者預(yù)想?yún)^(qū)域之外的部位。這種隨機(jī)匯集在照明區(qū)中產(chǎn)生了有害的的亮點(diǎn)。即使已有的多層電介質(zhì)薄膜也面臨同樣的問題，即反射僅發(fā)生在層數(shù)較少(一般為10至20或更少)的、厚度各為約0.1μm量級的層中。即使在這種多層電介質(zhì)薄膜中，小缺陷會(huì)造成所有或近乎所有層的失真。
拋物反射器的復(fù)雜幾何形狀中三棱鏡的形成和間隔，是需要精確的制造和設(shè)計(jì)的另一問題。金屬氧化物、硫化物、和鹵化物的多重電介質(zhì)層的汽相定積，即昂貴又費(fèi)時(shí)。另外，基于內(nèi)部全反射原則的設(shè)計(jì)依賴于明確的空氣-反射器界面。落在此界面上灰塵顆粒會(huì)破壞此界面并有效地阻止所需反射的產(chǎn)生。
因此，在技術(shù)上需要這樣的反射器和折射器，它們易于制作并可提供所需的特性，如提供鏡面反射和/或透射的受控分布、使光線偏振、和使光沿徑向分布。還需要沒有表面缺陷和/或非均勻性的光反射器和折射器。
本發(fā)明通過提供易于制成各種有用形狀的反射多層聚合物體，滿足了這些需要。這種成形反射體可用作光反射器、折射器、偏振器、透鏡、和鏡。由于體的獨(dú)物多層反射表面，該聚合物體沒有會(huì)造成單層反射裝置中的有害光效應(yīng)的表面缺陷和非均勻性。另外，該獨(dú)特多層反射表面可提供鏡面反射和/或透射的受控分布。而且，多層反射表面能夠提供線性偏振光。通過把多層反射體與其他光學(xué)元件相結(jié)合，該反射體可提供預(yù)定取向的沿向分布光、在與透明微球連用時(shí)提供背反射、并在與疊層或模壓三棱鏡部件連用進(jìn)提供三棱鏡或反射和折射。
術(shù)語“反射的”、“反射率”、“反射”及“反射性”，在此指的是充分鏡面性質(zhì)的全反射率(即反射波能量與入射波能量之比)，故聚合物體有金屬的外表。這些術(shù)語也包含半鏡面或漫反射。一般，反射率測量指的是進(jìn)入以鏡面角為中心的、頂角為15度的出射錐形中的光線的反射率。
反射率的特定強(qiáng)度，在此是在吸收可忽略的波長處發(fā)生的反射的強(qiáng)度。例如，銀色外觀(無色)的物品幾乎反射所有可見光波長，而為達(dá)到其他金屬色澤而加入染料就會(huì)降低物品在吸收波長處的反射率。未被影響的波長將以與未染色樣品大體相同的強(qiáng)度進(jìn)行反射，而反射強(qiáng)度指的正是這些未受影響的波長。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于定向和分布來自光源的光的聚合物光反射器/折射器。光線由一多層反射聚合物體定向和分布，后者由設(shè)置成大體平行的平面交替層的第一和第二多種聚合材料制成。該多層體包括第一和第二主表面，并包括足夠數(shù)目的層，從而使多層體反射入射第一和第二主表面中的至少一個(gè)上的光的至少30%。如上所述，“入射到本體上的可見光的至少30%”在此指的是在吸收可忽略的波長處發(fā)生的反射光。這種反射包括本體內(nèi)多層界面的貢獻(xiàn)。
為提供本體的反射特性，第一和第二聚合材料的折射率相差至少0.03。在本發(fā)明的一最佳實(shí)施例中，有至少50個(gè)交替的層。一般，可制作出包括幾百至幾千個(gè)交替層的多層體。
最好，本體的各層的絕大多數(shù)(即約75%以上)有這樣的光學(xué)厚度，即聚合材料的重復(fù)單元的光學(xué)厚度大于約190nm。在一典型的兩組分體中，聚合材料的重復(fù)單元是AB，其中A和B是不同的聚合物。對于三或更多組分體，可能會(huì)有其他的重復(fù)單元，如ABCB或ABCABC。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，希望在聚合本體的一或多個(gè)層中加入著色劑，如染料或顏料?？蓪Ρ倔w的外或表層這樣做，或把著色劑加入本體的內(nèi)層。所用的著色劑可以是給聚合物體與其原有銀色外觀不同的金屬外觀，如青銅、銅、或金的。
也可采用不同的顏色，如黑、灰、蘭、紅、黃、或白色。可在內(nèi)層中采用顏料著色劑以提供不透明性和雙面鏡式的質(zhì)感，并在外表層上使用染料。著色劑可結(jié)合作用，以提供所需的光學(xué)和著色特性。例如，可在一內(nèi)表面使用白色顏料著色劑，而在一或多個(gè)表面層中加入著色染料，如蘭、黃、紅、或綠色，以提供獨(dú)特的反射著色效果。可采用熱色顏料或染料，以在本體的溫度變化時(shí)產(chǎn)生顏色改變。
由于層有大體平行平面關(guān)系，本體對光的反射基本是鏡面的。然而，本發(fā)明的一個(gè)特征，是至少某些交替層的大體平行平面關(guān)系被改變，從而使來自本體的至少一部分反射光有角分布。這提供了一種反射器，它由于內(nèi)層界面的斜率變化，而以受控的扇形分布反射和/或透射光。這樣，當(dāng)被用于象工業(yè)、商業(yè)、及居住照明設(shè)計(jì)中的光源設(shè)備時(shí)，當(dāng)用于汽車裝置和照明、鐵路照明、信號(hào)、及衣服上的安全標(biāo)志時(shí)，當(dāng)用于車輛及鐵路時(shí)，這種本體提供了一種柔光效果，從而基本消除了有害的亮斑。
至少某些層的平面關(guān)系的改變，可通過把至少某些層模壓在本體的一或多個(gè)表面上來實(shí)現(xiàn)?；蛘?，也可改變幾乎所有層的幾何形狀?？刹捎萌魏我阎哪悍椒?，包括配合模壓形成法，其中本體被置入一個(gè)模中并被成型?；蛘?，可通過使本體在被制成后立即通過模壓輥而對其進(jìn)行模壓?？衫媚旱纳疃葋砜刂票倔w內(nèi)被影響的層數(shù)。
很多有用的形狀可被模壓在本體上，以提供獨(dú)特的光學(xué)效果。另外，根據(jù)所需的效果，模壓的深度及多層體是否有表層，將僅造成表層的幾何形狀改變或本體內(nèi)微層的幾何形狀改變。例如，模壓圖案可是錐形的，使微層幾何形狀改變以沿徑向向所有方向反射投射到本體表面上的光。模壓的層可以是彎曲的，以產(chǎn)生反射光的角散布。模壓的層可以是三棱形的，以利用三棱鏡產(chǎn)生的光學(xué)效果。在另一種變形中，可在反射體的一或兩個(gè)表面中嵌入直徑為10μm至10mm的玻璃珠，以產(chǎn)生回射的物體。
本發(fā)明的反射體的獨(dú)特之處，在于本體的反射光的角分布取決于所改變的層的斜度。這樣，通過控制層的變曲，即可控制來自這些層的散射光的強(qiáng)度和角度。本體中幾何形狀被改變的層可鄰近第一和第二主表面之一或兩者，也可遍及本體中的幾乎所有層。
通常，在使用中，本發(fā)明的聚合物體將被制成預(yù)定的形狀，包括第二主表面所限定的腔，且光源就位于該腔中。例如，本體可被作成部分透射和部分反射的，并被制成帶有壓紋內(nèi)表面的汽車尾燈透鏡，以定向和分布尾燈組件所發(fā)的光。或者。本體可被做成高度反射的，并制成汽車前燈或尾光反射器，以經(jīng)一透鏡組件向外反射燈光。類似地，該本體可被制成光源設(shè)備或拋物反射器，用于工業(yè)、商業(yè)、或居住照明。本體可被做成高度反射的，以反射照到其上的大部分可見光。或者，本體可被做成能透射光源發(fā)出的一部分光并同時(shí)反射另一部分光。借助本體的適當(dāng)構(gòu)造，可控制本體的透光和反射量。這種控制對某些需要控制“上行”和“下行”光(即向上傳送或向下反射的光量)的應(yīng)用是非常重要的。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供了具有增強(qiáng)反射性的反射器，它包括一多層反射聚合物體，后者由設(shè)置成大體平行的平面交替層并有第一和第二主表面的至少第一和第二多種聚合材料構(gòu)成。本體包括足夠數(shù)目的層，以反射照到第一和第二主表面的至少一個(gè)上的光的至少30%，且第一和第二聚合材料的折射率相差至少0.03。本體最好包括至少50個(gè)交替層，并可包括幾百至幾千層。本體還包括其第一主表面之上或附近的裝置，用于把入射到第二主表面上并透過多層本體的光經(jīng)多層本體反射回去。這種裝置可包括諸如三棱狀部件或槽。
在本發(fā)明這一實(shí)施例的一最佳形式中，三棱形部件或槽沿體的第一主表面大體垂直地取向?；蛘?，三棱形部件或槽可適當(dāng)取向，以環(huán)繞本體。聚合物體有預(yù)定的形狀，包括由第二主表面限定的腔，并包括位于腔內(nèi)的光源。光源發(fā)出的一部分光被本體中的多個(gè)層的表面反射。透射過本體的光被三棱形部件或槽反射過本體，以增加其全反射性。
聚合物體可被制成多種形狀，包括碗形或拋物反射器，三棱形部件或槽，可通過模壓至少某些鄰近第一主表面的層或把預(yù)制的部件固定于第一主表面來制成。固定三棱形部件或槽的一種方法，是把包含形成在其上的部件的片疊置在多層聚合物體上。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供了偏振器以偏振來自未偏振光源的反射和透射光，并包括多層反射聚合物體，后者由設(shè)置成大體平行的平面交替層的至少第一和第二多樣聚合材料構(gòu)成。該體包括第一和第二主表面并包括足夠數(shù)目的層以使本體鏡面反射入射到第一和第二主表面的至少一個(gè)上的光的至少30%。本體最好包括至少50層，并可包括幾百至幾千層。第一和第二聚合材料的折射率至少相差0.03。
另外，本體的主表面的大部分的取向，使光以或接近布魯斯特(Brewster)角照到表面上，造成反射和透射光的偏振?？赏ㄟ^把偏振器制成V形或一系列折成摺的V形-這些V形的取向使照到其上的光對本體中所用的給定聚合物處于或接近偏振角(Brewster角)，來控制本體的主表面的取向。偏振角也可根據(jù)本體中的層數(shù)而改變。這種偏振角可用已知技術(shù)計(jì)算。例如，一種這樣的技術(shù)被描述在J.L.Weinberg的文章“OntheUseofaPoleofPlatesPolarizer”，AppliedOptics，3(9)，pp.1057-61(1964)中。也可通過在本體中形成多個(gè)錐形、金字塔形、或半球形模壓圖案，把高入射角(即距法線超過55°)引入本體中。根據(jù)所用的具體形狀，反射和/或透射偏振光的分布也不同，例如徑向或雙軸向的。
因此，本發(fā)明的目的，是提供一種易于制成各種有用形狀的反射多層聚合材料體，這些形狀可被用作光學(xué)反射器、折射器、偏振器、透鏡和鏡。本發(fā)明的另一目的，是提供獨(dú)特的多層反射表面，它可提供反射和/或透射光的受控分布并能提供以多種方式分布的線性偏振光。本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點(diǎn)和目的將通過以下結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求書所作的詳細(xì)說明而變得明了。


圖1是本發(fā)明的典型兩部分多層聚合物反射體的示意剖視圖，其中第一聚合物A有折射率n1，第二聚合物B有折射率n2，且在本體的兩個(gè)主表面上有第三聚合物C形成的表層;
圖2是一兩部分多層體的示意剖視圖，其中層的一部分被向內(nèi)模壓出大體球形的凹坑，以顯示本體的平行鏡面以及角分布反射;
圖3是本發(fā)明的包括在本體的一個(gè)表面上的玻璃珠的兩部分多層聚合物回射體的示意剖視圖;
圖4是反射汽車尾燈透鏡的正視圖;
圖5是沿圖4的5-5線的剖視圖，顯示了燈透鏡內(nèi)表面上的模壓;
圖6是對入射到其上的光線偏振的折摺形多層體的側(cè)視圖;
圖7是本發(fā)明的兩部件多層體的示意剖視圖，其中一部分層被模壓出多個(gè)錐形模壓圖案;
圖8是本發(fā)明的作為拋物形反射器并在其外表面上有多個(gè)垂直取向三棱形部件的多層反射體的視圖;
圖9是沿圖8中9-9線的剖視圖;
圖10是光強(qiáng)對模壓單層樣品的位置的曲線圖;
圖11是光強(qiáng)對模壓多層樣品的位置的曲線圖;
圖12是干凈玻璃反射器的光強(qiáng)對角位置的偏振光度曲線圖;
圖13是本發(fā)明的多層反射器的光尾對角位置的極化光度曲線圖。
本發(fā)明提供了可以多種方式定向并分布光的多層反射體。本發(fā)明可用于制作成形物體，如光學(xué)反射器、折射器、偏振器、鏡、光散射器及透鏡。本發(fā)明中所用的多層反射體最好按Weatley等人的美國專利5，122，905號(hào)、Weatley的美國專利5，122，906號(hào)、Weatley等人的美國專利5，126，880號(hào)中的一或多個(gè)中的教導(dǎo)來制作。
參見圖1，其中顯示了一典型的兩組分多層反射體。本體10包括折射率為n1的第一聚合物(A)12和折射率為n2的第二聚合物(B)14的交替層。另外，所示的本體帶有在本體的兩個(gè)主表面上的第三聚合物C構(gòu)成的表層。聚合物C可與聚合物A或B之一相同或不同，并可有與聚合物A或B相同或不同的折射率。如上述的Weatley、Weatley等人、及Sshrenk等人的參考文件所述，很多種大致透明的熱塑性聚合物均可用來制作反射體和/或表層。例如，如Weatley的美國專利5，122，905所教導(dǎo)的，所列出的可用于本發(fā)明的適合的熱塑樹脂，連同其折射率，包括但不限于全氟烷氧基樹脂(折射率＝1.35)、聚四氟乙烯(1.35)、氟化的乙烯/丙烯共聚物(1.34)、有機(jī)硅樹脂(1.41)、聚偏二氟乙烯(1.42)、聚氯三氟乙烯(1.42)、環(huán)氧樹脂(1.45)、聚丙烯酸丁酯(1.46)、聚(4-甲基戊烯-1)(1.46)、聚醋酸乙烯酯(1.47)、乙基纖維素(1.47)、聚甲醛(1.48)、聚甲基丙烯酸異丁酯(1.48)、聚甲基丙烯酸丙酯(1.48)、聚丙烯酸甲酯(1.48)、聚甲基丙烯酸乙酯(1.48)、聚醚嵌段酰胺(1.49)、聚甲基丙烯酸甲酯(1.49)、醋酸纖維素(1.49)、丙酸纖維素(1.49)、乙酸丁酸纖維素(1.49)、硝酸纖維素(1.49)、聚乙烯縮丁醛(1.49)、聚丙烯(1，49)、聚丁烯(1.50)、離子鍵樹脂諸如Surlyn(商標(biāo))(1.51)、低密度聚乙烯(1.51)、聚丙烯腈(1.51)、聚異丁烯(1.51)、熱塑性聚酯諸如Ecdel(商標(biāo))(1.52)、天然橡膠(1.52)、丁苯橡膠(1.52)、聚丁二烯(1.52)、尼龍(1.53)、聚丙烯酸亞胺(1.53)、聚氯乙酸乙烯酯(1.54)、聚氯乙烯(1.54)、高密度聚乙烯(1.54)、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯共聚物諸如Zerlon(商標(biāo))(1.54)、透明丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元聚合物(1.54)、烯丙基二甘醇樹脂(1.55)、聚偏二氯乙烯和聚氯乙烯混合物諸如Saran樹脂(商標(biāo))(1.55)、聚(α-甲基苯乙烯(1.56)、苯乙烯/丁二烯乳膠諸如Dow512-K(商標(biāo))(1.56)、聚氨酯(1.56)、氯丁橡膠(1.56)、苯乙烯和丙烯腈共聚物諸如Tyril樹脂(商標(biāo))(1.57)、苯乙烯和丁二烯共聚物(1.57)、聚碳酸酯(1.59)、其它熱塑性聚酯諸如聚對苯二甲酸乙二酯和聚對苯二甲酸乙二酯二醇(1.60)、聚苯乙烯(1.60)、聚酰亞胺(1.61)、聚偏二氯乙烯(1.61)、聚二氯苯乙烯(1.62)、聚砜(1.63)、聚醚砜(1.65)和聚醚酰亞胺(1.66)。上所報(bào)告的折射率在不同的波長時(shí)多少會(huì)有變化，例如，聚碳酯的折射率對光譜的蘭色區(qū)域光要大一些、對紅色區(qū)域的光要小一些。上述樹脂的共聚物也是有用的，諸如乙烯和乙烯醇、苯乙烯和羥基丙烯酸乙酯、苯乙烯和馬來酐、苯乙烯/丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和丙烯酸。其它有用的聚合材料包括聚醚醚酮、聚丁烯、馬來酐接枝的聚烯烴諸如Admer(得自MitsuiChemicals)和Plexar(得自O(shè)uantumChemicals)以及乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物諸如CXA(得自duPont公司)。后三種聚合物可用于在多層結(jié)構(gòu)中接合其他聚合物層的粘接層。選擇聚合物以構(gòu)成本體的交替層的條件，是所選的聚合物的折射率彼此相差至少0.03。另外，如這些文獻(xiàn)所教導(dǎo)的，可用三或多種聚合物部分來形成多層體。這樣，雖然用簡單的兩部分系統(tǒng)來說明本發(fā)明的具體實(shí)施例，采用三或更多聚合物部分的系統(tǒng)也屬于本發(fā)明的范圍。
參見圖2，由如圖1所示的大體平行平面交替A和B聚合物層，已受到模壓，以改變至少某些層的大致平行平面關(guān)系。圖中還顯示了在本體的一個(gè)主表面上的第三聚合物構(gòu)成的表層。圖2顯示了本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的反射光空間分布控制。如所示，壓紋18有大體半球形的結(jié)構(gòu)，并可用任何已知的熱塑聚合物模壓方法制作。例如，壓紋18可在配合模中用熱成型或冷成型片16制成?；蛘邏杭y18可通過使片16通過模壓輥而制成。另外，雖然為說明起見在此僅出示了一個(gè)半球形壓紋，了解現(xiàn)有技術(shù)的人應(yīng)不難理解的是，可采用不同大小、模壓深度和形狀的多個(gè)壓紋。例如，模壓可取三角形三棱形、錐形、金字塔形等形式。
如圖2所示，照在片16的表面上并穿過其的光線R，由于A和B聚合物間的折射率差，將在各層界面上被部分地反射。根據(jù)層的界面數(shù)目及兩種聚合物各自的折射率，本體可反射入射在其上的光的至少30%至90%以上。部分反射被表示為反射光線R1至Rn，它們被以平行鏡面光線的形式被反射回片16的表面。這些光線在觀測者的眼睛看來，呈現(xiàn)為基本無色的鏡面反射。
光線R的一部分光將到達(dá)片中的其他層并從這些層被反射，這些層表面的幾何形狀已被壓紋18改變。這些反射光被標(biāo)為R1′至Rn′并沿角度分布或呈扇形射出，因?yàn)楦鞴饩€入射到不同層的界面上的角度不同。另外，雖然在附圖中為清楚起見沒有顯示，將有光線透射過體并在體中有角分布。對眼睛來說，反射光線R1′至Rn′將呈現(xiàn)為漫射或散射光(象透射的角度分布光線一樣，圖中未顯示)。
在單一平面內(nèi)沿角度分布的或沿扇形射出的光，對本發(fā)明的多層構(gòu)造是獨(dú)特的，因?yàn)楣饩€將入射到層的界面的幾何形狀已被改變的區(qū)域的不同位置并從那里散射。這導(dǎo)致了光學(xué)“平滑”效應(yīng)。即透過或反射自多層體的光可得到控制，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明或反射區(qū)內(nèi)光強(qiáng)的基本均勻分布。
這樣，借助本發(fā)明，消除了現(xiàn)有技術(shù)的單層反射器中的表面非均勻性造成的有害亮點(diǎn)(即光強(qiáng)較大的區(qū)域)。即使現(xiàn)有技術(shù)多層電介質(zhì)光學(xué)薄膜覆層也會(huì)出現(xiàn)有害的亮點(diǎn)，因?yàn)檩^少的發(fā)生反射的層數(shù)(20或更少)且其厚度(每個(gè)在0.1μm的量級)。對這種現(xiàn)有技術(shù)電介質(zhì)膜，即使小的缺陷也會(huì)使幾乎所有的層或足夠數(shù)量的層變形，以致無法出現(xiàn)光學(xué)平滑效果。本發(fā)明的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，是有幾百至幾千層界面，因而表層可被模壓以分布反射光，同時(shí)保持本體中其余層的大體平面的幾何形狀和鏡面反射特性。
這樣，可以為所需的最終使用“定做”的方式有選擇地對本發(fā)明的多層體進(jìn)行模壓或成型，而這種定做化可由最終用戶本人用一般可得到的成型設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。本體中的某些層可保持在其大體平行的平面狀態(tài)，以鏡面地反射光，同時(shí)利用對其他層的模壓來改變這些層的幾何形狀，以按所希望的方式分布光。另外，可在本體的一或多個(gè)主表面上加上較厚的表層，以使模壓在僅影響表層而使下面的微層保持在其大體平行的平面關(guān)系。根據(jù)模壓的層的幾何形狀，會(huì)發(fā)生入射光的完全內(nèi)反射或極化，如下面所要詳述的。而對于現(xiàn)有技術(shù)中的單層裝置或一旦覆上便無法成形或改變的薄層電介質(zhì)覆層，這種多層幾何形狀控制都是不可能的。
通過把小直徑玻璃珠嵌入多層片形式的本體的一或多個(gè)表面，本發(fā)明多層反射體可制成回反射體或片。如圖3(為說明起見它未按比例畫)所示，玻璃珠20被嵌到由第一和第二聚合物A和B制成的多重交替層組成的片22的一個(gè)表面21上。一般，這種珠將被嵌入到其直徑的55-60%的深度。照到表面21上的光線R被直接反射回到光源。這樣，這種片可被用于反射信號(hào)牌，衣服上的安全標(biāo)志或道路表面上等等。因而，雖未顯示，片22上可有一較厚表層，以便使得在表層的表面上嵌入珠20不致改變A和B聚合物微層的大體平行的平面幾何形狀。
在圖4和5所示的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，多層體可被制成部分透射和部分反射的，并隨后被制成諸如透鏡的器件，如汽車尾燈透鏡24。透鏡24的內(nèi)表面26被模壓(改變了表面附近的某些交替聚合物層的幾何形狀)，以從透鏡定向并分布尾燈的光。例如，如所示，壓紋可分別取一系列較大的淺模壓枕形28和較小且更深的模壓區(qū)30，這造成尾燈的光在離開透鏡24時(shí)被漫反射和分布。一部分交替聚合物層被保持在其在體平行的平面關(guān)系，以使透鏡在反射中呈現(xiàn)大體無色的鏡式透鏡。
參見圖6，本發(fā)明的多層反射體可被做成通過使本體成型從而為照在本體的較大部分上的交替的聚合物層上的光保持較大的入射角。提供這種高入射角的一種方法，是把本體成型為尖角的V形或一系列折摺的V形。
如所示，偏振器32包括一多層體，它有由成型為或折成為一系列銳角V形的聚合物A和B的交替層。這樣，偏振器32的主表面的大部分的取向，使來自光源的光線R，以等于或接近偏振器32中所用具體聚合物的偏振角的角率
，照射到偏振器32及構(gòu)成偏振器32的多重層上。對典型的聚合物對，偏振角約為距層的法線58°。
自偏振器32的反射光將是完全線偏振的，其E場垂直于入射面。這種偏振器可被用來為房間或工作表面提供不太眩目的照明。需要不眩目照明的常見例子，是有一或多個(gè)視頻終端和計(jì)算機(jī)等的工作區(qū)，在那里視頻終端屏幕來的眩光不僅煩人而且對工人有害。另外，透過偏振器32的光也被偏振，其E場平行于入射面。
通過在本體中形成錐形、金字塔形、或半球形模壓，也可在本發(fā)明的反射多層體中引入適當(dāng)?shù)母呷肷浣?即等于或接近偏振角的角度)。如圖7所示，由多種聚合物A和B的多重交替層構(gòu)成的多層反射體，可在其上形成一系列錐形模壓36。如前所示，這種模壓可用已知的成形法制作，并可改變所有層或片的某些表面層的幾何形狀。
采用錐形壓紋36提供了獨(dú)特的光學(xué)效果。例如，以等于或接近所用聚合物的偏振角入射到錐上的一列光C，將被線偏振，并且反射和透射光都將被沿徑向分布。即從聚合物層反射的光R，在被從錐形沿向分布時(shí)，將受到偏振。另外，透過錐形36的光R′也將被偏振并沿徑向分布。對其他所需的照明效果，也可采用其他壓紋。
這種光學(xué)效果也可用于為房間或工作表面提供不太眩目的照明。如前所述，本發(fā)明的一個(gè)特征，是可通過控制層的界面數(shù)和所用聚合物的相對折射率，來控制反射自或透射過反射多層體的相對光量。
本發(fā)明也可被用于居住和商業(yè)照明，如光源設(shè)備、反射器、折射器、或光散射器。如圖8和9所示，拋物反射器40由本發(fā)明的多層反射體的成形片組成，后者包括多種聚合物A和B的交替層。反射器40還包括多個(gè)三角或圓滑(即正弦波形的)槽42;槽42位于反射器40的表面44之上或附近。如圖8所示，槽42沿反射器40的表面44垂直取向，盡管在本發(fā)明的另一實(shí)施例(未顯示)中它們可圍繞反射器的周邊。
這樣，在所示的本發(fā)明實(shí)施例中，通過結(jié)合多層片的反射和在內(nèi)部全反射原理下工作的槽，增加了反射器40的總反射率。如圖9(為清楚起見它被畫成平的，但實(shí)際上應(yīng)是彎曲的)所示，來自光源(未顯示，但通常位于反射器40之內(nèi))的入射光線R至少被各層界面部分反射，如箭頭R1′至Rn′所示。為說明起見，入射和反射光線均被畫得略偏離法線。
另外，透射過反射器40的那部分入射光R，將照到槽42之一的表面上并經(jīng)反射器40被返回。這些反射光被標(biāo)為R″。這樣，由于多層反射片和內(nèi)部全反射的反射率貢獻(xiàn)，反射器40的總反射率增大了。另外，如所示的，通過在相鄰的槽42之間留下間隔，由箭頭L所示的一些光將透過反射器40。通過控制槽的數(shù)目、形狀、及間隔、以及層界面的數(shù)目和兩種聚合物的相應(yīng)折射率，本發(fā)明的反射器可被用于反射、折射和定向所需部分的入射光。
根據(jù)本發(fā)明的多層體，最適于用美國專利第3，773，882和3，884，606號(hào)中所述的多層擠出裝置制造。這種裝置提供了制備多層同時(shí)擠出熱塑材料的方法。最好可采用如美國專利第3，759，647號(hào)中所述的一系列疊層裝置。
為使本發(fā)明更易于理解，可參見下列例子，它們只是用于說明本發(fā)明，而非為限定其范圍。
例1比較了來自單層模壓反射樣品(樣品＃1)、反射聚合物多層片(樣品＃2)、及本發(fā)明的表面模壓反射多層片(樣品＃3)。單層樣品是聚甲基丙烯酸甲酯片。兩種多層樣品由根據(jù)Wheatley等人的美國專利第5，122，905號(hào)的教導(dǎo)制成的、帶純聚碳酸酯的覆層的2609個(gè)聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的交替層組成。
印在單層丙烯酸酯類和多層樣品表面上的模壓圖案，分別由0.466英寸寬0.0625英寸深的三角形模壓紋組成。壓紋的兩邊等長并與樣品表面的其余部分成15°角。各樣品的反面保持平滑。
為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，架設(shè)有0.5mm光束直徑的He-Ne激光器，以把光束與樣品法線成30°角地照射到樣品的表面上。當(dāng)使用模壓的樣品時(shí)，模壓的表面對著激光束。設(shè)在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)臺(tái)上的光電二極管以一繞樣品的半徑移動(dòng)，以在0°至160°范圍內(nèi)收集光強(qiáng)信息，其中0°位置被任意取為正對著樣品背對激光束一側(cè)的位置。
對于每個(gè)樣品，作出測得強(qiáng)度對檢測器位置的曲線圖。圖10顯示了樣品＃1(模壓單層樣品)的測得光強(qiáng)對檢測器位置的曲線圖。采用上述的參照系，在大約18°、105°和145°處有三個(gè)分立的尖峰(分別為透射、反射和反射)。如所示，在峰之間測得的光強(qiáng)基本為零。與之相比，圖11顯示了樣品＃3(模壓多層樣品)的測得光強(qiáng)對檢測器位置的曲線圖。同樣在18°、105°及145°有三個(gè)分立峰(分別為透射、反射和反射)、但在峰之間卻測到了較大的強(qiáng)度。光向其他角度的這種散射，表明本發(fā)明的模壓多層反射體沿角度方向散射光，造成了勻光效果。對未模壓多層樣品＃2的測量，顯示出非常局部的、很象模壓單層樣品的透射和反射峰。
為更好地直接觀測模壓多層樣品＃3的光散射特性，在樣品周圍的區(qū)域引入了氣霧。這使得能夠直接觀察樣品在透射和反射中的角度扇面效應(yīng)。在某些情況下，扇形光亮線很明顯，這些光亮線表明從樣品中各層的反射。
例2根據(jù)Wheatley等人的美國專利第5，122，905號(hào)中的教導(dǎo)，制作了2625層(聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的交替層)的片。隨后用LancasterGlass制造的、型號(hào)為6323-000玻璃反射器的模，把片熱成型為直徑101/8(十又八分之一)英寸高411/16(四又十六分之十一)英寸的三棱拋物反射器。在反射器內(nèi)距底邊3.1英寸處放置一雙管dulnx7瓦鎢絲熒光燈。對照在4英尺遠(yuǎn)處的目標(biāo)上的照明圖案進(jìn)行光度分析。
觀測到了高反射強(qiáng)度和極均勻的照明圖案，幾乎沒有不均勻性。圖13顯示了以燭光(candela)為單位的照明強(qiáng)度對角度的極坐標(biāo)光度圖。盡管由于熱成型中所用的模子造成了部件周圍上的凹坑，仍產(chǎn)生了均勻的照明。照明強(qiáng)度在0°達(dá)到100燭光。對出現(xiàn)周圍凹坑的區(qū)域的多層樣品微層的微觀觀測，證實(shí)某些層的角度被改變了，造成了所看到的均光效果。
結(jié)構(gòu)相同的一玻璃三棱反射器(LancasterGlass牌的，101/8英寸直徑，型號(hào)6323-000)，由于反射器某些表面變形而在目標(biāo)上產(chǎn)生亮點(diǎn)。如從圖12的光度圖可見，照明強(qiáng)度不規(guī)則，且峰值僅為60燭光。這種強(qiáng)度不規(guī)則與在目標(biāo)上觀測到的同心圓環(huán)圖案相符。據(jù)信這種不規(guī)則是因反射器表面的周圍凹坑引起的。
例3對兩種不同多層樣品進(jìn)行了偏振測量，以顯示本發(fā)明的多層聚合物體提供了有效的光偏振。根據(jù)Wheatley等人的美國專利第5，122，905號(hào)的教導(dǎo)，2625層的樣品(聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的交替層)被制成片。隨后使片的法線與光源成65°的入射角，并觀測到偏振效應(yīng)。
觀測表明，樣品的反射光有顯著的偏振。特別地，在透射中的偏振面中，樣品透過了約75%的入射光。但在正交的平面(轉(zhuǎn)90°)中，僅有1%的入射光通過。
上述由2625層的樣品制成的片被折成折摺形，以使入射光以與法線約為65°的夾角入射到片的表面上。此樣品在被傳統(tǒng)的二色偏振片所交叉時(shí)幾乎變成黑的，表明反射光的偏振效率很高。此樣品表明本發(fā)明在為居住及商業(yè)用途提供低眩光照明方面的作用。當(dāng)折摺形樣品被卷成錐形時(shí)，觀測到片所透射的光沿徑向分布。
雖然為描述本發(fā)明而顯示了一些代表性的實(shí)施例和細(xì)節(jié)，對本領(lǐng)域人員顯而易見的是，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可對這里公開的方法和裝置作多種修改。
權(quán)利要求
1.用于定向并分布來自光源的光的聚合材料光學(xué)反射器/折射器，包括由設(shè)置成大體平行的平面交替層的至少第一和第二多種聚合材料構(gòu)成的多層反射聚合材料體，其特征在于該體包括第一和第二主表面并包括足夠數(shù)目的層以使該體反射入射到第一和第二主表面的至少一個(gè)上的光的至少30%，且第一和第二聚合材料的折射率至少相差0.03，且其中至少某些交替層的大體平行平面關(guān)系被改變以使該體所反射和/或折射的至少一部分光被沿角度散布。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)反射器/折射器，其中至少某些層得到模壓以改變層的大體平行平面關(guān)系。
3.權(quán)利要求2的光學(xué)反射器/折射器，其中模壓的層是錐形的。
4.權(quán)利要求2的光學(xué)反射器/折射器，其中模壓的層是彎曲的。
5.權(quán)利要求2的光學(xué)反射器/折射器，其中模壓的層是三棱性的。
6.權(quán)利要求1的光學(xué)反射器/折射器，其中至少有50個(gè)交替層。
7.權(quán)利要求1的光學(xué)反射器/折射器，其中反射光的散射角取決于被改變的層的斜度。
8.權(quán)利要求1的光學(xué)反射器/折射器，其中被改變的層鄰近第一主表面。
9.權(quán)利要求1的光學(xué)反射器/折射器，其中被改變的層鄰近第二主表面。
10.權(quán)利要求1的光學(xué)反射器/折射器，其中聚合材料體有預(yù)定形狀，包括一由第二主表面限定的腔。
11.權(quán)利要求10的光學(xué)反射器/折射器，其中光源位于腔內(nèi)。
12.具有增強(qiáng)反射特性的反射器組合物，包括(a)由設(shè)置成大體平行平面交替層的至少第一和第二多樣聚合材料構(gòu)成的多層反射聚合材料體，該體包括第一和第二主表面，其特征在于該體包括足夠的層數(shù)以使該體反射入射到第一和第二主表面的至少一個(gè)上的光的至少30%，且第一和第二聚合材料的折射率相差至少0.03;(b)在第一主表面之上或附近的裝置，用于把入射到第二主表面上并透射過多層體的光的至少一部分反射回多層體。
13.權(quán)利要求12的組合物，其中用于反射的裝置包括多個(gè)三棱狀部件或槽。
14.權(quán)利要求13的組合物，其中三棱狀部件或槽大體沿豎直方向沿著體的第一主表面。
15.權(quán)利要求12的組合物，其中至少有50個(gè)交替層。
16.權(quán)利要求12的組合物，其中聚合材料體有包括由第二主表面限定的腔的預(yù)定形狀。
17.權(quán)利要求16的組合物，包括位于腔內(nèi)的光源。
18.權(quán)利要求17的組合物，其中聚合材料體是碗狀的。
19.權(quán)利要求17的組合物，其中聚合材料體被制成拋物狀反射器。
20.權(quán)利要求13的組合物，其中三棱狀部件或槽通過模壓至少某些層而形成。
21.權(quán)利要求13的組合物，其中三棱狀部件或槽被固定在第一主表面上。
22.用于偏振來自未偏振光源的反射和透射光的偏振器，包括由設(shè)置成大體平行的平面交替層的至少第一和第二多樣聚合材料構(gòu)成的多層反射聚合材料體，其特征在于該體包括第一和第二主表面并包括足夠的層數(shù)以使該體反射入射到第一和第二主表面的至少一個(gè)上的光的至少30%，且第一和第二聚合材料的折射率相差至少0.03，該體的主表面的大部分的取向使來自光源的光以等于或接近偏振角的角度照到該表面上以對光進(jìn)行偏振。
23.權(quán)利要求22的偏振器，其中從該體反射的光和透射過該體的光均被偏振。
24.權(quán)利要求22的偏振器，其中有至少50個(gè)交替層。
25.權(quán)利要求22的偏振器，其中該體的表面是V形的。
26.權(quán)利要求22的偏振器，其中該體的表面被折摺以形成多個(gè)V形。
27.權(quán)利要求22的偏振器，其中該體的表面包括多個(gè)錐形模壓紋。
28.權(quán)利要求22的偏振器，其中該體的表面包括多個(gè)金字塔形模壓紋。
29.權(quán)利要求22的偏振器，其中該體的表面包括多個(gè)半球形的模壓紋。
30.權(quán)利要求27的偏振器，其中反射的偏振光沿徑向分布。
31.權(quán)利要求27的偏振器，其中透射的偏振光沿徑向分布。
32.回反射片或膜，包括a)由設(shè)置成大體平行平面交替層的至少第一和第二多種聚合材料構(gòu)成的多層反射聚合材料體，其特征在于該體包括第一和第二主表面并包括足夠的層數(shù)以使體反射入射到第一和第二主表面的至少一個(gè)上的光的至少30%，且第一和第二聚合材料的折射率相差至少0.03。b)嵌入反射體的一或兩個(gè)表面中的一層玻璃珠。
33.權(quán)利要求32的回反射片或膜，其中，玻璃珠的直徑在10μm至10mm的范圍內(nèi)。
34.權(quán)利要求32的回反射片或膜，其中多層反射體中至少某些層的大體平行平面關(guān)系被嵌入的玻璃珠所改變。
35.權(quán)利要求32的回反射片或膜，包括在體的一個(gè)或多個(gè)主表面上的聚合物表層，玻璃珠被嵌在該表層上。
全文摘要
易于制成多種形狀的反射多層聚合材料體，可用作光學(xué)反射器、折射器、偏振器、透鏡和平面鏡。由于體中的多層反射表面，消除了在單層反射裝置中的有害光效應(yīng)的表面缺陷或非均勻性。多層反射表面可提供鏡面反射和/或透射的受控分布，還可提供線偏振光。通過把多層反射體與其他光學(xué)元件結(jié)合，該體可提供特定取向的徑向分布光、在與透明微球結(jié)合時(shí)的回反射、及在于疊置或模壓三棱部件結(jié)合使用時(shí)的三棱鏡式反射和折射。
文檔編號(hào)G02B1/04GK1086606SQ9311968
公開日1994年5月11日 申請日期1993年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月2日
發(fā)明者約翰·A·惠特利, 格雷格·A·莫特, 拉維·拉曼內(nèi)森, 威廉·G·盧茨, 柯特·E·彼得森 申請人:陶氏化學(xué)公司