專(zhuān)利名稱(chēng)：偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種偏振分束器，除了用于其它應(yīng)用以外，還用于投影系統(tǒng)。特別是，偏振分束器結(jié)合相對(duì)高折射率棱鏡與雙折射多層薄膜；多層薄膜起偏振器的作用，并含有至少兩層不同的材料，至少一層材料在單軸取向后呈現(xiàn)雙折射。選擇的多層薄膜在近UV光和藍(lán)光中穩(wěn)定。
背景技術(shù)：
對(duì)于使用反射式液晶顯示(LCD)成像儀的投影系統(tǒng)，折疊光路提供了緊湊的設(shè)計(jì)，這種光路中照明光束和投影圖像共享偏振分束器(PBS)和成像儀之間的同一物理空間。大部分反射式LCD成像儀為偏振旋轉(zhuǎn)，即，偏振光或是對(duì)于最暗態(tài)基本上不更改其偏振態(tài)地傳輸，或是其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)地傳輸以提供理想的灰度。因此，偏振光束通常作為輸入光束。因?yàn)镻BS可作用于偏振輸入光束和折疊光路，所以它的使用提供了一種有吸引力的設(shè)計(jì)。
PBS是一種將入射光線分離為第一(透射)偏振分量和第二(折射)偏振分量的光學(xué)元件。一種常見(jiàn)的PBS是MacNeille偏振器，它區(qū)分s和p偏振光(US2,480,731)。在MacNeille偏振器中，s-偏振在接近布儒斯特角的窄角度范圍內(nèi)反射，而大部分p-偏振透射。該p-分量與入射面中偏振的光一致；而s分量與垂直于入射面偏振的光一致。入射面是指由反射光線和反射面法線定義的平面。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員已設(shè)計(jì)出其它類(lèi)型的PBS。例如，US5,912,762(Li等人)披露了一種可應(yīng)用在PBS中的薄膜偏振裝置。該裝置具有呈棱鏡狀的第一和第二光透射基底和多層位于兩棱鏡之間的薄膜層。薄膜層設(shè)有高折射率層和低折射率層，高折射率層具有一種或多種不同的折射率，并且低折射率層也具有一種或多種不同的折射率。光透射基底的折射率高于每一低折射率層的折射率。棱鏡的形狀使入射光以大于或等于臨界角(即，產(chǎn)生全內(nèi)反射條件的角度)的多個(gè)角度入射到薄膜層上，該臨界角是就低折射率層中的最高折射率而言的。象MacNeille一樣，US5,912,762中的偏振器也區(qū)分s和p偏振光，但在后者中，s偏振光被透射而p偏振光被反射。
另外一個(gè)例子，WO00/70386，在

圖1中，披露了一種Cartesian PBS元件件50，該元件設(shè)有被封閉在玻璃立方體54中的多層雙折射薄膜52，它的定向使x偏振(即，近似為s偏振)的入射光反射。參見(jiàn)11頁(yè)第9行至第11行。WO00/70386公開(kāi)文本中的不同在于y偏振被視為近似s偏振。對(duì)于在大錐角光中的入射光線，已經(jīng)證實(shí)，Cartesian PBS比只根據(jù)s偏振和p偏振區(qū)分的PBS具有更高的對(duì)比度。
至此描述的技術(shù)，盡管披露了使用多層薄膜的有效PBS，但并不一定適用于投影系統(tǒng)。在這樣的一種系統(tǒng)中，PBS通常長(zhǎng)時(shí)間遭受寬波段的高強(qiáng)度光。盡管基于US2,481,731和US5,912,762的無(wú)機(jī)多層薄膜對(duì)高強(qiáng)度藍(lán)光可能是穩(wěn)定的，但它們?cè)诘凸馊?shù)系統(tǒng)中所需的角度性能仍存在不足?，F(xiàn)有技術(shù)需要提高的是基于多層薄膜的PBS對(duì)抗光源的耐久性，并同時(shí)提供大錐角中入射光的對(duì)比度，從而在當(dāng)觀測(cè)者觀察時(shí)，投影系統(tǒng)的最終成像呈現(xiàn)明亮、清晰、清楚和清新的顏色。
發(fā)明概述如US5,962,114中披露，偏振分束器可由雙折射聚合物多層薄膜制造而成。雖然許多聚合物對(duì)可見(jiàn)光有高透明度，但許多在接近紫外光(UV)區(qū)域附近仍有強(qiáng)吸收峰。結(jié)果，吸收峰的尾部可延伸到光譜的可見(jiàn)光部分。盡管吸收光的百分比可能很低，但在強(qiáng)光束中吸收的能量可引起導(dǎo)致聚合物熱致衰減的薄膜過(guò)熱、光致衰減或是以上兩者。對(duì)于一些高折射率聚合物，在藍(lán)光區(qū)域中的吸收尾峰足夠強(qiáng)，使得賦予薄膜黃色。在為對(duì)高強(qiáng)度投影系統(tǒng)穩(wěn)定的多層薄膜PBS選擇聚合物時(shí)，主要參數(shù)是它們對(duì)可見(jiàn)光譜吸收限的近似。
本發(fā)明提供了一種PBS，它結(jié)合至少一個(gè)高折射率(即，大約n＝1.60)棱鏡與雙折射多層薄膜(有時(shí)為了簡(jiǎn)便也稱(chēng)為“多層薄膜”)。多層薄膜起偏振器的作用，它包含交替的材料層，這些層在近UV光和藍(lán)光波長(zhǎng)中曝光穩(wěn)定。根據(jù)材料層的可見(jiàn)光吸收光譜和UV光及紅外光(IR)吸收限的位置選定材料層在光譜的UV末端上，優(yōu)選多層薄膜中材料層的吸收限至少小于照射PBS光的最短波長(zhǎng)40nm，更優(yōu)選的是小于50nm，最優(yōu)選的是小于60nm。對(duì)于彩色投影顯示，低于420nm的藍(lán)光可被抑制，基本上不影響色彩平衡或顯示亮度。因此在優(yōu)選的實(shí)施例中，照射PBS的最短波長(zhǎng)是420nm。由根據(jù)光源，優(yōu)選的較短波長(zhǎng)可以更短些，如410nm，或是稍微高些，如430nm。在光譜的IR末端，多層薄膜中材料層的吸收限，優(yōu)選至少大于照射PBS最長(zhǎng)波長(zhǎng)40nm，更優(yōu)選的是大于50nm，最優(yōu)選的是大于60nm。這些考慮可把一些在x(拉伸)方向上產(chǎn)生各層之間高折射率差異的材料結(jié)合排除在外。實(shí)際操作和環(huán)境穩(wěn)定性因素限制成套適用的材料，使它們?cè)诙ㄏ蛑?，彼此之間(在x方向)具有相對(duì)低的折射率差(即小于0.15Δnx)。
在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“大約”被認(rèn)為是修飾某個(gè)特征的每個(gè)列舉值，例如波長(zhǎng)、折射率、比值、重量百分比、mol百分比，但不限于該值。例如，波長(zhǎng)列舉值500nm就是指大約500nm。術(shù)語(yǔ)“傳輸軸”是指偏振器的傳輸光軸，它與多層薄膜的y軸或非拉伸方向相一致。術(shù)語(yǔ)“消光軸”是指偏振器的反射軸，它與多層薄膜的x軸或拉伸軸相一致。
術(shù)語(yǔ)“吸收限”通常是指使聚合物材料變得基本上不透明的波長(zhǎng)。更準(zhǔn)確的定義是該波長(zhǎng)對(duì)于0.1mm厚的薄膜，在空氣中法線入射方向上的傳輸率為10％。在多層薄膜中各材料層具有x方向、y方向和z方向。x方向表示拉伸方向(也稱(chēng)為“橫向”或“TD”)，即，薄膜定向的方向。y方向表示非拉伸方向(也稱(chēng)“機(jī)械方向”或“MD”)。z方向表示另外的非拉伸方向，它是單層的厚度方向。
盡管折射率不同的兩層通常被用于制造多層薄膜，但是使用多于兩種材料也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。雖然，兩組分多層薄膜對(duì)入射光波呈現(xiàn)出矩形波折射率分布，但多層薄膜中的光中繼單元無(wú)需產(chǎn)生矩形波。多材料層可被用于構(gòu)造任何沿著x方向的周期調(diào)制折射率分布，而沿著y方向和z方向具有基本上匹配的折射率。另外，任何具有連續(xù)變化折射率分布的元件，諸如，有折痕的濾光片可被用于制造雙折射偏振器。在加工過(guò)程中，當(dāng)兩組分系統(tǒng)的材料相互擴(kuò)散時(shí)，也可產(chǎn)生連續(xù)變化的折射率。同樣的，連續(xù)變化的折射率還存在于膽甾型液晶薄膜中。
本發(fā)明的多層薄膜不需要通過(guò)聚合物材料的共擠壓法和定位法制造，但可還包括由本領(lǐng)域公知技術(shù)諸如外延真空沉積法(epitaxial vacuum deposition)構(gòu)成的雙折射有機(jī)結(jié)晶體層。
本發(fā)明的多層薄膜的材料層無(wú)需具有嚴(yán)格的正交光軸。軸的方向可偏離正交條件幾度而變化，如等于10°。
由于它的成分和構(gòu)造，當(dāng)發(fā)明的雙折射多層薄膜和由此產(chǎn)生的PBS暴露于投影系統(tǒng)和顯示器的各種光源下時(shí)，呈現(xiàn)出延展耐久性。典型的光源包括燈和反射器。適合的燈包括氙、白熾、激光、發(fā)光二極管(LED)、金屬鹵化物光源和高壓汞光源。這樣的光源可在藍(lán)波長(zhǎng)和近紫外波長(zhǎng)發(fā)射光。眾所周知，許多基于聚合物的薄膜暴露在這樣的波長(zhǎng)中會(huì)快速退化。
當(dāng)浸入或嵌入空氣或低折射率(即，低于1.60)棱鏡時(shí)，由于多層材料層x方向折射率值的低差異，發(fā)明的多層薄膜呈現(xiàn)低反差比(即，反差比小于100∶1)?！胺床畋取?contrast ratio)是指具有平行于多層薄膜兩正交軸偏振面光的兩個(gè)傳輸值之比。除薄膜之外，反差比還將取決于光束的特性。例如，散布于一寬角度光錐中光束的反差比小于散布于一窄角光錐中光束的反差比。
有利地，多層薄膜浸入或嵌入高折射率(即，大于1.6并小于在多層薄膜中產(chǎn)生全內(nèi)反射條件的折射率)棱鏡中，當(dāng)對(duì)入射光錐的所有光線上求平均值時(shí)，反差比基本上增加，大約大于100∶1，優(yōu)選大于300∶1，更優(yōu)選大于1000∶1。一方面，這個(gè)優(yōu)勢(shì)意味著在多層薄膜中只需較少數(shù)層就可獲得所期望的反差比。通常，具有少量必需層的薄膜與具有大量必需層的相似薄膜相比，它的制造過(guò)程更簡(jiǎn)單。嵌入高折射率棱鏡中的多層薄膜化合物構(gòu)造了一種改進(jìn)的PBS，它對(duì)抵抗在許多投影和顯示系統(tǒng)中使用的典型光源足夠耐久，并且還提供了極好的反差比。優(yōu)選棱鏡折射率使得輸入光線的最大入射較接近但不超過(guò)全內(nèi)反射(TFR)臨界角。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明提供了一種PBS，包括(a)具有一傳輸軸的雙折射薄膜，雙折射薄膜含有至少第一材料層和第二材料層的多層，每個(gè)材料層在可見(jiàn)光譜中具有吸收限，使得在紫外區(qū)中，吸收限小于照射偏振分束器光的最短波長(zhǎng)至少40nm，在紅外區(qū)中，吸收限大于照射偏振分束器光的最長(zhǎng)波長(zhǎng)至少40nm；(b)至少一個(gè)棱鏡，它的折射率值大于1.6，但小于沿著雙折射膜傳輸軸產(chǎn)生全內(nèi)反射的值。在優(yōu)選實(shí)施例中，照射PBS的最短波長(zhǎng)是420nm，最長(zhǎng)波長(zhǎng)是680nm。在這個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選吸收限位于小于380nm和大于720nm波長(zhǎng)處。
本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例描述了一種光學(xué)裝置，包括(a)上述PBS，通過(guò)PBS限定第一偏振態(tài)光的第一光路；(b)至少一個(gè)成像儀暴露于返回偏振分束器的反射光中，通過(guò)至少一個(gè)成像儀接收部分偏振旋轉(zhuǎn)光，偏振旋轉(zhuǎn)光從成像儀經(jīng)過(guò)PBS沿著第二光路傳輸。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例描述了投影系統(tǒng)，包括光源，用來(lái)產(chǎn)生光；調(diào)節(jié)光學(xué)器件調(diào)節(jié)來(lái)自光源的光；和一成像芯(imaging core)，將圖像加于經(jīng)調(diào)節(jié)光學(xué)器件調(diào)節(jié)的光，形成圖像光；成像芯包括上述PBS和至少一個(gè)成像儀。
本發(fā)明的PBS不同于WO00/70386中披露的Cartesian PBS，在本發(fā)明中首次確定(1)使用相對(duì)低雙折射材料時(shí)，棱鏡所需的折射率范圍；(2)適合的穩(wěn)定聚合物PBS多層薄膜所需的吸收限波長(zhǎng)范圍；和(3)當(dāng)暴露在近UV和藍(lán)光中時(shí)呈現(xiàn)穩(wěn)定性的可得到材料的結(jié)合。
本發(fā)明的PBS也不同于US5,912,762中披露的PBS。在US 5,912,762專(zhuān)利中，披露了透明基底，即，棱鏡，它的折射率大于每個(gè)低折射率層折射率。
本發(fā)明中，一方面，優(yōu)選棱鏡折射率高于多層薄膜中任一光學(xué)層折射率的任一折射率，但要足夠低，以使其不產(chǎn)生沿著雙折射多層薄膜偏振器傳輸軸的TIR條件。術(shù)語(yǔ)“光學(xué)層”是指那些參與入射光反射和透射的層。在多層薄膜界面上的入射內(nèi)角應(yīng)該足夠大，以使每一層對(duì)x偏振光的界面反射系數(shù)足夠大，從而產(chǎn)生所需要的消光比100∶1，優(yōu)選為300∶1，更優(yōu)選為1000∶1。所需給定波長(zhǎng)光的界面反射系數(shù)可根據(jù)多層薄膜中的層數(shù)和分布的層厚度計(jì)算出來(lái)附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明將參考附圖作進(jìn)一步的解釋?zhuān)渲袌D1是依照本發(fā)明的示意性雙折射多層薄膜10的剖面圖；圖2是依照本發(fā)明示意性說(shuō)明雙折射多層薄膜10中兩層材料層的透視圖；圖3是依照本發(fā)明示意性說(shuō)明偏振分束器20的透視圖；圖4a和圖4b是沿圖3中4-4線的剖面圖；圖5是依照本發(fā)明一個(gè)方面的用于投影系統(tǒng)的說(shuō)明光學(xué)系統(tǒng)40的示意圖；圖6是在單軸取向后薄膜厚度作為薄膜位置函數(shù)的測(cè)繪圖表；和圖7是依照本發(fā)明一個(gè)方面的基于多個(gè)反射圖像的投影單元的示意圖。
附圖是理想化，而沒(méi)有按尺寸，它僅僅是說(shuō)明性的而非限定性的。
詳細(xì)描述圖1是示意性說(shuō)明雙折射多層薄膜10的剖面圖，該雙折射多層薄膜包括第一材料層12和第二材料層14的交替層，第一材料層12有第一組折射率n12x、n12y、n12z，第二材料層14有第二組折射率n14x、n14y、n14z。圖2表示雙折射多層薄膜10只有兩層的透視圖，每層在x、y和z方向上具有折射率。圖3是PBS 20的透視圖，該P(yáng)BS具有彼此相對(duì)且形成基本上是立方體的第一棱鏡22和第二棱鏡24。雙折射多層薄膜10沿著立方體的對(duì)角線嵌入，即，夾在兩棱鏡的直角三角形斜邊之間。
圖4a是沿圖3中線4-4的剖面圖，表示在具有一高折射率層和一低折射率層的簡(jiǎn)化薄膜中，示意性說(shuō)明s偏振入射光線30a的路徑。而實(shí)際的薄膜包括數(shù)百層，該簡(jiǎn)化薄膜示例說(shuō)明偏振器的工作原理。多層薄膜10首先反射s偏振光并主要透射p偏振光。在工作中，入射s偏振光線30a從空氣(nair＝1.0)中經(jīng)過(guò)棱鏡22的第一入射表面23進(jìn)入PBS 20。該特定光線正巧垂直入射在表面23上，并且光線30a透射進(jìn)入棱鏡22，基本上不偏折。在大多數(shù)應(yīng)用中，光錐將被入射到表面23上，在表面23上，一部分入射光被反射(未示出)。由于薄膜10的位置，光線30a關(guān)于法線13成45°角入射到層12，并且因?yàn)楣饩€30a從高折射率材料進(jìn)入低折射率材料12中(nprism22＞n12)，所以當(dāng)它傳輸時(shí)，遠(yuǎn)離法線偏折。當(dāng)光線30a從層12行進(jìn)至層14時(shí)，層14還具有更低的折射率(即n12＞n14)，光線30a再次遠(yuǎn)離法線15偏折。當(dāng)光線30a從層14傳輸?shù)嚼忡R24中時(shí)，它從較低折射率材料進(jìn)入到較高折射率材料(即，nprism24＞n14)，它朝向法線17偏折并出射PBS，如示意圖所示。實(shí)際上，薄膜中有許多對(duì)層，優(yōu)先反射大部分或全部光線30a，光線30a經(jīng)過(guò)薄膜時(shí)被逐漸減弱。盡管nprism優(yōu)選大于n12’但如下文所述，它也可以根據(jù)Δnx的大小等于或稍稍小于n12’而棱鏡的折射率應(yīng)大于層14的折射率。選定的剖面和輸入偏振光線30a只舉例說(shuō)明PBS的反射軸(即消光方向)。沿著消光軸，總是有交替低折射率層和高折射率層。
在任何電介質(zhì)界面，s偏振光的菲涅爾反射系數(shù)隨著入射角單調(diào)增加。s偏振光只對(duì)薄膜的面內(nèi)折射率敏感，并因此不受薄膜的z折射率影響。本發(fā)明的一個(gè)目的是為PBS提供沿著雙折射多層薄膜層界面上消光軸的大入射內(nèi)角，以使沿著消光軸的菲涅爾反射系數(shù)最大；并同時(shí)提供立方體形狀，這種形狀是大多數(shù)小型投影系統(tǒng)優(yōu)選的?？赏ㄟ^(guò)增加立方體棱鏡的折射率設(shè)計(jì)出這樣的產(chǎn)品。棱鏡折射率的限制由下文所述的沿著多層薄膜偏振器傳輸軸的高透射率決定。
圖4b是沿著圖3中線4-4方向的剖視圖，表示在只有兩層的簡(jiǎn)化薄膜中，說(shuō)明性的p偏振入射光線30b的路徑。在這種情況中，已選定材料所有層的y和z折射率基本上相同，光學(xué)30b只對(duì)層的y和z折射率敏感。在表面23上，部分入射光被反射(未示出)。因?yàn)楸∧?0的定位，光線30b關(guān)于法線13以45°入射到層12上，并且光線30b從高折射率材料傳輸?shù)降驼凵渎什牧?2(nprism22＞n12)，當(dāng)它傳輸時(shí)，遠(yuǎn)離法線偏折。當(dāng)光線30b從層12到層14傳輸時(shí)，因?yàn)閷?duì)于光線30b的偏振方向交替層的折射率基本上匹配，所以光線沒(méi)有大的變化。當(dāng)光線30b傳輸出棱鏡24的層14并從低折射率材料進(jìn)入高折射率材料(即，prism24＞n14)時(shí)，它朝向法線17偏折并出射PBS，如示意圖所示。圖4b中圖解的層12和14中的傳輸角與圖4a中層14的傳輸角相同。
圖4a和圖4b僅圖解說(shuō)明傳輸軸三種情況中的一種。雖然層的折射率沿著消光軸(x軸)將從高到低交替，所有層的折射率沿著傳輸軸(y軸)將基本上相同，并且可以是相同的高或低折射率值的任一個(gè)，或是某個(gè)中間值，這取決于多層薄膜是否具有(1)交替正雙折射和各向同性層(稱(chēng)為“例子1”)，(2)交替負(fù)雙折射和各向同性層(稱(chēng)為“例子2”)或(3)交替負(fù)和正雙折射層(稱(chēng)為“例子3”)。
圖4a和圖4b表示例子1，它可與例如一具有單軸定向的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和一各向同性材料產(chǎn)生。在這種情況中，PET層的光軸在x方向上。如果雙折射層材料是一種負(fù)雙折射材料，如單軸定向的間同聚苯乙烯，那么交替各向同性層將是高折射率層，同時(shí)透射(y)方向折射率將具有高折射率值。如果多層薄膜具有交替的正和負(fù)雙折射材料，y方向折射率將是x方向低和高折射率的中間值。
PBS的一個(gè)必備條件是為傳輸軸提供高透射值。因?yàn)檫@個(gè)原因，棱鏡的折射率應(yīng)該足夠低以使傳播角達(dá)不到或超過(guò)90°，如圖4a中所示的角θ2和θ4，即，在入射錐角中的輸入光線不存在TIR條件。作為特定情況，由于種種原因，傳播角也應(yīng)避免達(dá)到90°。例如，沿著傳輸軸的極大傳播角將增加由入射光錐中不同光線造成的圖像象散，入射到多層薄膜的較小角度光線比較大角度光線具有相當(dāng)大的橫向位移差，極大傳輸角也可增加輸入光線的吸收和擴(kuò)散。
因此，沿x方向最大傳輸角的需求應(yīng)該通過(guò)平行于y方向的正交偏振光的適中傳輸角需求平衡。對(duì)于上述例子1，x方向偏振光線的最大傳輸角也是y方向偏振光的傳輸角，并且同樣應(yīng)被限定在大約60°-80°的范圍內(nèi)。對(duì)于具有1.65x折射率和1.55 y、z折射率的PET，棱鏡的折射率優(yōu)選大于1.70，更優(yōu)選的是大于1.80，但優(yōu)選小于1.90。對(duì)于給定的雙折射多層薄膜可接受的棱鏡折射率范圍取決于x折射率差值(Δnx)和入射光線錐角。傳輸角可利用Snell定律計(jì)算出來(lái)。而沿著x方向的透射值可利用公知的光學(xué)多層反射運(yùn)算法則計(jì)算出來(lái)。
關(guān)于例子2，沿著y軸的層折射率等于多層薄膜中最高折射率，而且平行于y軸的偏振光線傳輸角將小于例子1。這樣的排列還將降低色散，或作為選擇，允許使用更高折射率棱鏡，甚至使平行于x方向偏振的光線，如30a達(dá)到TIR點(diǎn)呈現(xiàn)x方向上所有偏振光線的全內(nèi)反射而y方向上所有偏振光線可能透射的PBS給出雙折射材料的修正折射率。這種PBS的操作與Glan-Thompson偏振器的相同。僅需要單層雙折射層，但為了在立方體中以45°角工作，雙折射只能很高，近似或大于0.5。
用于制造發(fā)明的PBS的每個(gè)元件和PBS的制造方法將在下文詳細(xì)論述。
棱鏡棱鏡可由任何折射率至少為1.60，更優(yōu)選為至少1.70，最優(yōu)選為至少為1.80的透射材料制成。然而，棱鏡應(yīng)具有低于產(chǎn)生全內(nèi)反射條件的折射率，即，傳輸角達(dá)到或超過(guò)90。這個(gè)條件可使用Snell定律計(jì)算出來(lái)?！肮鈧鬏敗辈牧显试S至少部分來(lái)自光源的入射光傳輸。在一些應(yīng)用中，入射光可被濾光以消除不需要的波長(zhǎng)。用于棱鏡的合適材料包括，但不限于陶瓷、玻璃和聚酯。玻璃被認(rèn)為是陶瓷的子集。特殊使用玻璃含有金屬氧化物，如鉛，并且這樣的玻璃通常具有大于1.60的折射率。商業(yè)上提供的玻璃是PBH55，由Ohara提供，其折射率為1.85，氧化鉛的重量百分比為75％。
在投影系統(tǒng)中，如前或背投影系統(tǒng)，通常兩個(gè)基本直角三角棱鏡形成一個(gè)基本立方體。在這種情況中，如下文所述，PBS用輔助元件被夾在兩個(gè)棱鏡的斜邊之間。在大部分投影系統(tǒng)中，優(yōu)選立方體形狀的PBS，因?yàn)樗峁┝艘环N緊湊的設(shè)計(jì)，即，光源和其它的元件，如濾光片，可被定位以使能提供一種小型、輕量便攜的投影儀。在一些系統(tǒng)中，立方體狀的PBS一個(gè)或多個(gè)面可被更改為不呈正方形形狀。如果使用了非正方形面，應(yīng)該通過(guò)鄰近的連接元件提供匹配的平行面，諸如彩色棱鏡或投影透鏡。
盡管立方體是一個(gè)優(yōu)選方案，但也可使用其它形狀PBS。例如，排列幾個(gè)棱鏡提供一種直角PBS。無(wú)論P(yáng)BS是何種形狀，都需要高折射率，還需要起偏振器作用的雙折射多層薄膜嵌入其中，同時(shí)也需要對(duì)平行于x軸的偏振光線產(chǎn)生如上文所述的大內(nèi)入射角。
棱鏡的尺寸和由此導(dǎo)致的PBS尺寸取決于預(yù)期的用途。在一種舉例說(shuō)明的前投影儀中，PBS是長(zhǎng)、寬、高為40mm的立方體，對(duì)角線為57mm，當(dāng)使用小型弧形高壓汞燈時(shí)，諸如Philips Co.出售的UHP型，它的光束以F/2.2的錐角出現(xiàn)在PBS立方體中，并準(zhǔn)備使用具有0.78英寸對(duì)角線的成像儀，如購(gòu)自Three-Five System的SXGA分辨成像儀。光束的f/#、從PBS分離的圖像的光學(xué)距離(即，被每個(gè)距離單元折射系數(shù)分開(kāi)的實(shí)際距離總和)和成像儀尺寸是決定PBS尺寸的因素。
多層薄膜如上所述，雙折射多層薄膜具有至少兩層折射率不同的材料。優(yōu)選的，對(duì)于半晶質(zhì)的聚合物，應(yīng)滿(mǎn)足下述條件來(lái)產(chǎn)生有效的薄膜。下面列舉的條件僅僅是所需要滿(mǎn)足的基本條件。其它條件，包括但不限于全膜的厚度，將分別論述。
一個(gè)條件是第一材料的y和z方向(非拉伸方向)的折射率n1y和n1z彼此基本相同(即相互在5％之間)，并且與第二材料的y和z方向上的折射率n2y和n2z也基本上相同。理想地，所有這四個(gè)折射率是相同的，但這樣精確的匹配在實(shí)際操作中很難達(dá)到。在一層中匹配y和z折射率的一種方法是施加標(biāo)準(zhǔn)單軸取向。短語(yǔ)“標(biāo)準(zhǔn)單軸取向(true uniaxial orientation)”是指允許薄膜在y和z方向上松弛時(shí)，在x方向拉伸。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單軸取向，y和z折射率在給定的層中可基本上相同。當(dāng)選定的第二材料也與第一材料的y折射率匹配時(shí)，因?yàn)榈诙牧弦才c第一材料層處于相同的拉伸條件，所以?xún)蓪又械膠折射率也必須匹配。
在許多實(shí)際的應(yīng)用中，取決于內(nèi)入射角，各層間小的z折射率不匹配也是可接受的。兩層間允許z折射率不匹配的大小與x折射率不匹配相關(guān)，因?yàn)楹笳叩闹禌Q定在多層薄膜中產(chǎn)生理想反射率所需要的層的數(shù)量。理想地，對(duì)于浸入高折射率棱鏡的雙折射多層薄膜，在不同層之間的Δny和Δnz應(yīng)該為零。實(shí)際上，生產(chǎn)Δny和Δnz都為零的多層薄膜是困難的。美國(guó)專(zhuān)利US5,882,774描述了如何通過(guò)處理Δny補(bǔ)償z折射率差異。ny和Δnz的一些變化在本發(fā)明的實(shí)踐中可以被接受。因此，Δnz÷Δnx的比值和ny÷Δnx的比值優(yōu)選小于0.2，更優(yōu)選小于0.1，最優(yōu)選是小于0.05。同樣的，單層中y和z折射率差理想數(shù)值為零。這樣在一層中(ny-nz)雙折射也應(yīng)該比Δnx小。因此，(ny-nz)÷Δnx的比值優(yōu)選小于0.2，更優(yōu)選小于0.1，最優(yōu)選小于0.05。
另外一個(gè)條件是，第一和第二材料開(kāi)始時(shí)作為各向同性材料(即，具有在x、y和在z方向上基本相同的折射率)，后來(lái)經(jīng)過(guò)單軸取向，至少一種材料呈現(xiàn)了雙折射。由此，有三種可能的組合(1)第一材料呈現(xiàn)雙折射而第二材料保持各向同性；(2)第一材料保持各向同性而第二材料呈現(xiàn)雙折射；和(3)第一和第二材料都呈現(xiàn)雙折射。在優(yōu)選的方案中，在單軸取向之后，第一材料是雙折射的并且折射率沿著拉伸方向增長(zhǎng)，而當(dāng)?shù)诙牧媳３指飨蛲詴r(shí)，并且在拉伸方向第一和第二材料之間的折射率差異通常在0.15到0.20之間。
還有另外一個(gè)條件，發(fā)明的多層薄膜應(yīng)是穩(wěn)定的，即，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間暴露在近UV和藍(lán)光波長(zhǎng)后，表現(xiàn)出最小的圖像劣化。當(dāng)影像式前投影系統(tǒng)中使用時(shí)，PBS立方體長(zhǎng)和寬為40mm，對(duì)角線為57mm，當(dāng)使用一個(gè)小型弧形高壓汞燈時(shí)，如Philips Corp.出售的UHP型，其光束以F/2.2的光錐出現(xiàn)在PBS立方體中，以用于0.78英寸成像儀，如購(gòu)自Three-Five Systems的SXGA分辨成像儀，并用銳帶限濾光片(sharp band edge filter)濾出低于420nm的光，多層薄膜優(yōu)選至少應(yīng)具有1000小時(shí)壽命，更優(yōu)選至少為2000小時(shí)。多層薄膜還應(yīng)長(zhǎng)期在使用環(huán)境中呈現(xiàn)低光霧(haze)、低收縮和良好的透明度。
因?yàn)樯鲜鲆?，只有很少的聚合物材料可供使用。下文將詳述適合的聚合物材料。
材料選擇多層薄膜至少由兩種不同的聚合物材料構(gòu)成。在優(yōu)選方案中，多層薄膜設(shè)有第一聚合物和第二聚合物交替的多層，為了方便起見(jiàn)，第一材料層稱(chēng)為“高指數(shù)層”，而第二材料層稱(chēng)為“低指數(shù)層”。這些涉及折射率的相關(guān)值是沿著多層薄膜的x方向測(cè)量出來(lái)的。如所述，作為第一和第二層使用的有效聚合物，是那些對(duì)可見(jiàn)光譜中近紫外光和藍(lán)光區(qū)域的光不易受影響而導(dǎo)致圖像劣化的聚合物。優(yōu)選的，可用的聚合物應(yīng)有≤360nm和≥750nm的吸收限。許多高折射率聚合物，如聚乙烯萘亞甲基酯(PEN)，在385nm范圍內(nèi)有吸收限。來(lái)自這個(gè)吸收限的吸收尾峰(absorption tail)在可見(jiàn)光譜中可引起顯著的吸收。對(duì)于PEN，在130um厚樣品膜中吸收尾峰在400nm波長(zhǎng)處是2.5％，并在450nm至500nm左右降至基本上為零。因?yàn)檫@個(gè)原因，用強(qiáng)藍(lán)光照明的PEN可導(dǎo)致薄膜的顯著惡化，引起聚合物的嚴(yán)重變黃。
作為高指數(shù)層使用的適合和優(yōu)選的聚合物是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)。PET的吸收限是320nm，它在藍(lán)光下基本上消除圖像惡化。單軸取向之后，PET薄膜在拉伸(x)方向的折射率為1.68，在非拉伸(y和z)方向?yàn)?.54。
可混合少量的PEN和PET使抗結(jié)晶變化穩(wěn)定并增大折射率，用來(lái)改進(jìn)使用低折射率棱鏡時(shí)的光學(xué)性能。優(yōu)選的，作為兩種聚合物被擠壓的結(jié)果，PEN和PET混合物呈現(xiàn)酯交換聚合物的形式。這些少量混合物(通常少于50mol％PEN)已經(jīng)被觀測(cè)到比純PEN具有較低的波長(zhǎng)吸收限。例如，混合有20％聚酯的PEN在374nm處有吸收限，比純PEN在385nm處的吸收限要低。在PET中含有20mol％PEN的薄膜基本上不吸收420nm波長(zhǎng)的光，比純PEN的450nm要低。因此，小于420nm波長(zhǎng)基本上無(wú)光、80mol％PET/20mol％PEN材料作為高折射率層的使用，具有最小圖像惡化的優(yōu)點(diǎn)。
在光譜的UV末端，多層薄膜和PBS中材料層適合的吸收限優(yōu)選小于380nm，更優(yōu)選小于370nm，甚至最優(yōu)選小于360nm。在光譜的IR末端，在多層薄膜和PBS中材料層適合的吸收限優(yōu)選大于720nm，更優(yōu)選大于730nm，最優(yōu)選大于740nm。
當(dāng)PET用作高指數(shù)層時(shí)，適合作為低指數(shù)層使用的聚合物如下所述。在通常的PET拉伸溫度下，期望低指數(shù)聚合物通過(guò)單軸取向保持各向同性。這樣，低指數(shù)聚合物優(yōu)選具有低于PET(即，低于80℃)的玻璃轉(zhuǎn)變溫度。為了保持各向同性，優(yōu)選的聚合物也具有充分不規(guī)則性以防止它們?cè)谌∠蜻^(guò)程和終端使用中形成結(jié)晶。當(dāng)終端使用高于聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，甚至需要比普通所需的主鏈不規(guī)則性更高的聚合物主鏈不規(guī)則性以阻止聚合物結(jié)晶。為了多層薄膜的光學(xué)性能，這些聚合物優(yōu)選在1.535至1.555范圍內(nèi)具有各向同性折射率，更優(yōu)選的是在1.540至1.550范圍內(nèi)。下文描述了當(dāng)PET用作高折射率材料時(shí)，適合用作低折射率材料的共聚物。
優(yōu)選的低折射率聚合物具有下述特征(1)在PET熔融過(guò)程中具有熱穩(wěn)定性；(2)UV穩(wěn)定性或UVA可保護(hù)性；(3)高透明度(即，高透射和低吸收)，(4)流變特性(rheological properties)足夠接近PET使其在共擠壓成型過(guò)程中穩(wěn)定流動(dòng)；(5)具有與PET的良好層間粘附力；(6)低散射，和(7)沒(méi)有雙折射的可拉伸性(即，能夠被定向)。
已經(jīng)披露，共聚物包括對(duì)苯二酸酯和環(huán)己烯乙二酯作為羧化物共聚單體分組，及1，2-亞乙基二醇、環(huán)己烯二甲橋和三羥甲基丙烷作為乙二醇共聚單體分組，它們作為含有PET作為高折射率聚合物的低折射率聚合物多層薄膜是特別有用的。共聚物可混合有購(gòu)自Eastman Chemical Co.的聚乙烯環(huán)己烷二甲基對(duì)丙稀基苯酚對(duì)苯二甲酸酯(PCTG)。
支鏈共聚單體諸如新戊二醇(NPG)和2-丁基2-乙烷基-1，3-丙二醇(BEPD)可共聚合入上述共聚物中，以提高聚合物主鏈不規(guī)則性和降低聚合物堆積能力來(lái)抑制共聚物的結(jié)晶。已經(jīng)披露，通過(guò)結(jié)晶率的研究導(dǎo)出在90℃到120℃，含有NPG，尤其是BEPD的共聚物依然沒(méi)有光霧，并且可結(jié)晶性比上述沒(méi)有支鏈的共聚物高。
用于共聚物(coPET)的合適的共聚單體可以是二元醇或二元羧酸或其酯的形式。二元羧酸共聚單體包括，但不限于(1)對(duì)苯二甲酸，(2)間苯二甲酸、(3)鄰苯二甲酸、(4)萘二甲酸的所有異構(gòu)體(2，6-、1，2-、1，3-、1，4-、1，5-、1，6-、1，7-、1，8-、2，3-、2，4、2，5-、2，7-和2，8-)、(5)聯(lián)苯酸如4，4-聯(lián)苯二甲酸及其異構(gòu)體、反式-4，4’-芪二甲酸及其異構(gòu)體、4，4’-二苯醚二羧酸及其異構(gòu)體、4，4’-二苯砜二羧酸及其異構(gòu)體、4，4’-二苯酮二羧酸及其異構(gòu)體，(6)鹵化的芳組二羧酸如2-氯對(duì)苯二甲酸和2，5-二氯對(duì)苯二甲酸，(7)其它取代的芳族二羧酸，如叔丁基間苯二甲酸和間苯二甲酸磺酸鈉，(8)環(huán)烷二羧酸如1，4-環(huán)己烷二甲酸及其異構(gòu)體和2，6-十氫萘二甲酸及其異構(gòu)體，(9)二環(huán)或多環(huán)二羧酸(如降冰片烯二羧酸的各種異構(gòu)體、金剛烷二羧酸和二環(huán)辛烷二羧酸)，(10)鏈烷二羧酸(如kui二酸、己二酸、草酸、馬來(lái)酸、琥珀酸、戊二酸、壬二酸和十二烷二甲酸)，(11)以及稠環(huán)芳香烴(如茚、蒽、菲、苯并萘、芴燈)的二羧酸的各種異構(gòu)體?；蛘?，可使用這些單體的烷酯。例如對(duì)苯二甲酸二甲酯。
合適的二元醇共聚單體包括，但不限于(1)直鏈或支鏈的鏈烷二醇或多醇，如乙二醇、丙二醇如1，3-丙二醇、丁二醇如1，4-丁二醇、戊二醇如新戊二醇、己二醇、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇和更高級(jí)的二元醇，(2)醚多醇如二甘醇、三甘醇和聚乙二醇，(3)鏈酯二醇如3-羥基-2，2-二甲基丙酸3-羥基-2，2-二甲基丙酯，環(huán)烷多醇如1，4-二羥基環(huán)乙烷及其異構(gòu)體以及1，4-環(huán)己烷二醇及其異構(gòu)體，(4)二環(huán)或多環(huán)二醇，例如二羥甲基三環(huán)kui烷、二羥甲基降冰片烯和二羥甲基二環(huán)辛烷的各種異構(gòu)體，(5)芳族多醇，如1，4-二羥甲基苯及其異構(gòu)體、1，4-苯二醇及其異構(gòu)體、雙酚如雙酚A、2，2’-二羥基聯(lián)苯及其異構(gòu)體、4，4’-二羥甲基聯(lián)苯及其異構(gòu)體和1，3-二(2-羥基乙氧基)苯及其異構(gòu)體，以及(6)這些二元醇的低級(jí)烷基醚或二醚，如二甲基或二乙基二醇。
還可使用能在聚酯分子酯引入支化結(jié)構(gòu)的三官能或多官能共聚單體。它們可以是羧酸、酯、羥基或醚類(lèi)。例子包括但不限于偏苯三酸及其酯、三羥甲基丙烷和季戊四醇。
適用的共聚單體還有混合官能度的單體，包括羥基酸如對(duì)羥基苯甲酸和6-羥基-2-萘甲酸及其異構(gòu)體，以及混合官能度的三官能或多官能共聚單體，如5-羥基間苯二甲酸等。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，coPET包含下述共聚物5至45mol％1，4-二甲基對(duì)苯二酸酯、5至45mol％1，2-乙烷二醇、5至45mol％1，4-二甲基環(huán)己基乙二酸酯、5至45mol％1，4-二羥甲基環(huán)己烷、0.5至5mol％三羥甲基丙烷、0至10mol％新戊二醇和0至10mol％2-丁基2-乙烷基1，3-丙二醇。摩爾百分比(mol％)基于全部共聚物組分。
間同立構(gòu)聚苯乙烯(sPS)也可被用于低折射率聚合物。單軸定向sPS是負(fù)的雙折射，并且對(duì)可見(jiàn)光有0.08至0.09的折射率差。沿x方向，定向SPS變?yōu)榈椭笖?shù)材料，適合的各向同性材料可用于高折射率材料。各向同性材料需要的折射率為大約1.62。
只要滿(mǎn)足了在此討論的標(biāo)準(zhǔn)，其它的聚合物材料也可用于第一和第二材料層。
制造多層薄膜的方法多層薄膜可使用共擠壓成型過(guò)程和隨后定向的或先后或分別操作的。多層薄膜通常含有大約800至1000層交替的高折射率材料和低折射率材料。簡(jiǎn)言之，共擠壓成型過(guò)程包括下面的步驟。
第一和第二擠壓機(jī)釋放第一和第二材料的熔融流到供料頭。US專(zhuān)利No.3,801,429描述了一種有代表性的和有效的供料頭。供料頭產(chǎn)生光學(xué)層的第一材料和第二材料。在一些實(shí)施例中，供料頭還產(chǎn)生保護(hù)界面層(PBL)，它可以是第一材料、第二材料或是不同的第三材料。通常，起著保護(hù)作為多層薄膜的光學(xué)層作用的PBL經(jīng)過(guò)供料頭被處理，但不起光學(xué)層的作用。PBL可保護(hù)多層薄膜的兩主面或是只保護(hù)一個(gè)表面。
離開(kāi)供料頭之后，材料流經(jīng)過(guò)一倍增器。通常，倍增器將材料流分為兩股并將一股材料流堆垛到另一股材料流上使它們重新合并。這個(gè)過(guò)程使層的總數(shù)增加一倍。US專(zhuān)利No.5,904,788和5,904,793描述了有示例性和使用的倍增器?？梢允褂枚嘤谝粋€(gè)的倍增器。倍增器可以為對(duì)稱(chēng)型，就是將輸入材料流分成相等的兩部分；也可以為不對(duì)稱(chēng)型，即將輸入材料流分成不相等的兩部分。每一部分被認(rèn)為是一組層。不相等兩組的體積比值被認(rèn)為是倍增器的比。第一組中每層的厚度通過(guò)倍增器在第二組中增加。在這種方式中，通過(guò)產(chǎn)生較寬范圍的層厚度值，多層薄膜的波長(zhǎng)范圍得到延伸。
在一些實(shí)施例中，經(jīng)過(guò)倍增器之后，第三擠壓機(jī)將聚合物外表層增加到材料流上。該外表層具有將在下文描述的特性，如在后處理過(guò)程中保護(hù)多層薄膜(如，使拉伸的可能性最小)以及有助于單軸拉伸加工。表層可以是第一材料(高折射率)、第二材料(低折射率)、第三材料(PBL)或不同的聚合物。用于表層的適合的聚合物包括PET、共聚PET、聚酯和聚丙烯(PP)。外表層不是光學(xué)層。如果需要，選擇適當(dāng)?shù)牟牧喜焕喂陶辰Y(jié)表層和PBL，在組合進(jìn)入棱鏡之前表層可從成形的多層薄膜上去除。
經(jīng)過(guò)倍增器之后，材料流經(jīng)過(guò)一膜壓模(film die)，并且由此產(chǎn)出的壓出型材被引導(dǎo)到流延輪(casting wheel)上。通常，流延輪是冷卻的，如，具有冷卻水。通常，使用高壓牽制系統(tǒng)將壓制型材牽制到流延輪上。壓制型材在流延輪上冷卻形成多層薄膜。因此生成的多層薄膜含有至少第一材料和第二材料的交替層(即，光學(xué)層)?；蛘?，多層薄膜另外含有PBL和/或外表層。
為了在TD方向上獲得流延卷材的取向，以允許MD方向上的松弛(收縮)，由于市場(chǎng)上出售的拉幅機(jī)沒(méi)有考慮到MD方向連續(xù)卷材，流延卷材小片必須被單獨(dú)定向。流延卷材小片可以在市售的拉幅機(jī)上被定向，或是通過(guò)使用特定的部分定向機(jī)，如德國(guó)Brucker German Technology的KAROIV。
如上所述，外表層(為方便起見(jiàn)，成為“表層”)可具有許多特征，尤其在定向過(guò)程中使用時(shí)。由于表層使薄膜厚度增加，從而增加了薄膜的彎曲硬度。在這種方式中，在拉伸過(guò)程中，表層有助于將起皺現(xiàn)象降到最小。在后處理中，例如，在纏繞、貯存和進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換步驟中，表層作為保護(hù)層。
在一些實(shí)施例中，表層是獲得均勻膜厚度的主要因子，它可以影響多層薄膜的光學(xué)性能。圖6表示了一個(gè)具體的例子，將在例2中詳細(xì)描述。圖表表示了具有表層(曲線A)和不具有表層(曲線B)的拉伸多層薄膜，其薄膜厚度作為薄膜拉伸方向(MD)上不同位置的函數(shù)。x軸上的零值表示膜的中心。薄膜在MD方向上的總寬度，曲線B所表示的薄膜寬10.5cm，曲線A大約是9.0cm，這表明某些表層材料有助于薄膜在非拉伸方向獲得更多的松弛空間。
在優(yōu)選的方案中，表層含有結(jié)晶同構(gòu)共聚物聚酯，或根優(yōu)選含有共聚物的結(jié)晶丙稀。根據(jù)微分掃描量熱器(DSC)的測(cè)量表層樹(shù)脂的熔點(diǎn)是120℃到160℃，優(yōu)選為120℃到150℃，更優(yōu)選的是120℃到140℃。根據(jù)ASTM D 1238-95(“擠壓塑度計(jì)測(cè)量的熱塑流率”)在230℃和21.6N的壓力下測(cè)量到的，表層樹(shù)脂通常具有7至18g/10分鐘的熔融流量速度，優(yōu)選10至14g/10分鐘。
在表層中使用的含有共聚物的結(jié)晶聚酯包括丙稀和乙烯的共聚物或具有4至10個(gè)碳原子的阿拉法石蠟材料，使得共聚物中丙稀的重量含量大于90％。特別優(yōu)選的是，乙烯-丙稀共聚物中乙烯重量含量為4至7％。術(shù)語(yǔ)“共聚物”不僅包括共聚物，還包括三元共聚物和四組分或多組分的聚合物。優(yōu)選的，共聚物是無(wú)規(guī)共聚物。
表層樹(shù)脂還可包括附加或其它本領(lǐng)域公知的組分，如抗氧化劑、穩(wěn)定劑、中和劑、可塑劑、著色劑、滑潤(rùn)劑、加工助劑、成核劑、紫外光穩(wěn)定劑、抗靜電和用于每種情況的適當(dāng)其它改性物。
一種適合的表層樹(shù)脂是乙烯-丙稀無(wú)規(guī)共聚物樹(shù)脂，它具有11g/10分鐘熔融流量和134℃的熔點(diǎn)，可從Atofina Petrochemicals，Inc.，Houston，TX購(gòu)買(mǎi)8650號(hào)產(chǎn)品。
在一些實(shí)施例中，表層中使用含有共聚物的丙稀，可獲得低光霧薄膜，如同由ASTM D1003(“Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics”)測(cè)量到的，經(jīng)過(guò)拉伸過(guò)程之后，表層被去除，光霧值優(yōu)選小于5％。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在薄膜被組裝進(jìn)PBS中之前去除表層。通過(guò)去除表層，最終的膜厚度被減小，由此將不想得到的色散降到最低。圖4b表示當(dāng)入射光線30b穿過(guò)PBS時(shí)光線30b的位移。由于薄膜厚度降低，位移也隨之降低了，并由此使色散降到最低。
PBS的集成在下述的方法中，一旦裝配，多層薄膜可被嵌入高折射率棱鏡中，生產(chǎn)出一個(gè)通常所述的PBS。
當(dāng)真空夾盤(pán)夾持薄膜時(shí)，第一粘合劑分散并均勻涂布在多層薄膜的第一面上。只要粘合劑的折射率盡可能的接近多層薄膜在機(jī)械方向(透射或y方向)上的折射率，任何粘合劑都可使用。來(lái)自棱鏡斜邊和粘合劑界面之間的反射可通過(guò)使用抗反射涂層抑制，但是由于將這樣的涂層涂覆到薄膜上有難度，粘合劑和薄膜之間界面的反射不采用這種方式控制。由于這個(gè)原因，薄膜和粘合劑之間的反射率差應(yīng)小于0.05，優(yōu)選的小于0.02。光引發(fā)劑也可添加到粘合劑中使其可以光固化。第一棱鏡置于暴露的粘合劑上，以使其獲得盡可能均勻的粘合劑厚度。使體積受控的粘合劑以圖案涂布并利用受控壓力將棱鏡放置在薄膜上，由此可獲得均勻的粘合劑厚度。當(dāng)粘合劑濕時(shí)，厚度從0.01至0.1，優(yōu)選為大約0.05mm。粘合劑固化，使多層薄膜的第一面固定在第一棱鏡上。如果光引發(fā)劑被添加到粘合劑中，那么用于固化粘合劑的光源位置與棱鏡的暴露面平行，即，與膜成45°。第二劑量的粘合劑被均勻涂布在多層薄膜的第二面(現(xiàn)在暴露的)上。第二棱鏡置于其上，以使再次產(chǎn)生均勻的粘合劑厚度。隨后，第二部分粘合劑固化，從而完成PBS的集成。在優(yōu)選的實(shí)施例中，多層薄膜的長(zhǎng)度比棱鏡的斜邊稍稍長(zhǎng)些。還優(yōu)選在裝置有高效微?？諝?HEPA)過(guò)濾器環(huán)境中集成PBS。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可設(shè)計(jì)自動(dòng)處理來(lái)完成這個(gè)集成過(guò)程。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，粘合劑包括98份重量的液體光聚合物，如市場(chǎng)上出售的NOA61號(hào)(產(chǎn)自Norland Company，Cranbury，New Jersey)和2份重量的磷化氫氧化物引發(fā)劑，如市場(chǎng)上出售的LUCRIN TPO-L(產(chǎn)自BASF)。利用這樣的一種粘合劑，發(fā)出大約400nm光的燈置于棱鏡暴露面，在0.05mm濕厚度時(shí)，固化時(shí)間為1至2分鐘。在集成好全部的PBS之后，如果需要，可在氮化層中使用高壓汞燈照射一段時(shí)間進(jìn)行后固化，如10分鐘。為了加強(qiáng)多層薄膜和棱鏡之間的粘結(jié)，PBS可置于45℃壓力氣體爐中12小時(shí)。
如果需要，在層壓薄膜上的棱鏡表面(通常是斜邊)是增加附著力的改進(jìn)表面。示例性的改進(jìn)表面包括電暈處理(與空氣、氮?dú)饣蚱渌线m的氣體)和等離子體處理的表面。如果需要，棱鏡的至少一個(gè)表面涂覆減反射膜。
如上文所述的粘結(jié)附著方法是具有示例性的粘結(jié)方法。其它的附著方法也是可能的。
應(yīng)用本發(fā)明的偏陣光束分束器在光學(xué)成像系統(tǒng)中作為一個(gè)元件使用。術(shù)語(yǔ)“光學(xué)成像系統(tǒng)”包括前投影系統(tǒng)和背投影系統(tǒng)，投影顯示器、頭部顯示器、實(shí)景取景器、平視顯示器(head up disply)、光學(xué)處理、光學(xué)校正和其它類(lèi)似的光學(xué)觀察和顯示系統(tǒng)。
圖5表示了一種光學(xué)顯示或成像系統(tǒng)40，包括產(chǎn)生光束54的光源52。光源52包括燈51和反射器53。光束53經(jīng)過(guò)可使光偏振的照明光學(xué)裝置62。然后光束54入射到PBS 50上，PBS 50包括組成立方體50的兩棱鏡66和68和嵌入二者之間的雙折射多層薄膜64。薄膜64被定向使其反射s偏振光。偏振光束70直接射向彩色分離器/組合器棱鏡56，它將偏振光束70分離為三束亞光束72、74和76。這三束亞光束72、74和76分別離開(kāi)紅、綠和蘭反射成像器82、84和86被反射和調(diào)制。一個(gè)控制器，未示出，可以匹配到成像器82、84和86上，用來(lái)控制它們的操作。通常，控制器激活成像儀上不同的象素，在反射光中產(chǎn)生圖像。反射和調(diào)制的亞光束通過(guò)組合器56再結(jié)合為組合光束90。組合光束90的調(diào)制組分經(jīng)過(guò)PBS50和投影透鏡92，作為圖像被投影。光學(xué)顯示40也可被用于制造結(jié)構(gòu)緊湊的前或背投影系統(tǒng)。
調(diào)節(jié)光學(xué)器件62改變光源52發(fā)出的光的性質(zhì)，以使其具有投影系統(tǒng)所需的特性。例如，調(diào)節(jié)光學(xué)器件62可改變光的發(fā)散、光的偏振態(tài)和光譜。調(diào)節(jié)光學(xué)器件62可包括，例如，一個(gè)或多個(gè)透鏡、偏振轉(zhuǎn)換器、預(yù)起偏器、和/或用于去除不必要的紫外光和紅外光的濾光片。在一些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)光學(xué)器件62可具有低f-數(shù)，例如等于或小于2.5，為了利用光源52的大部分光。
投影系統(tǒng)200的另外一個(gè)實(shí)施例在圖7中示出。該系統(tǒng)中使用一光源210，如一種具有曲面反射器213的弧形燈211，它直接將光線射入照明光學(xué)裝置215。在圖示的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)光學(xué)器件215包括一個(gè)準(zhǔn)直透鏡217、一個(gè)第一微透鏡陣列219、一個(gè)第二微透鏡陣列221和聚光透鏡227。在第二微透鏡陣列221和聚光透鏡227之間，調(diào)節(jié)光學(xué)器件215可設(shè)有一任選的偏振轉(zhuǎn)換器223，例如Geffkcken型。有利的是，根據(jù)偏振轉(zhuǎn)換器223的轉(zhuǎn)換率，緊挨著偏振轉(zhuǎn)換器223設(shè)有一個(gè)可任選的預(yù)起偏器225。一對(duì)微透鏡陣列219和221接收準(zhǔn)直透鏡217的名義準(zhǔn)直光。偏振轉(zhuǎn)換器223和預(yù)起偏器225使光以所需的偏振態(tài)入射到PBS 250上。將會(huì)意識(shí)到，照明光學(xué)裝置可具有比所描述具體實(shí)施例更多或更少的光學(xué)元件。微透鏡陣列219和221及聚光透鏡227，使光成形并均勻化，從而均勻地照明反射成像儀226、228和230。PBS 250改變s偏振光的方向，使其射入三個(gè)反射成像器226、228和230。
在一種多個(gè)成像儀系統(tǒng)中，彩色棱鏡236將光線分離成與每個(gè)成像儀相關(guān)的分離色帶。對(duì)于圖示的三個(gè)成像儀結(jié)構(gòu)，通常彩色棱鏡236將光分離為基本色帶紅、綠和藍(lán)。把透鏡諸如場(chǎng)透鏡238、240和242插在每個(gè)成像儀和彩色棱鏡236之間，以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的光靈敏度。依靠特定的圖像信息，成像儀226、228和230根據(jù)反射光將光的偏振態(tài)調(diào)制到不同的程度。然后，彩色棱鏡236重組合紅、綠和藍(lán)圖像并傳輸組合的圖像到PBS 250，PBS 250通過(guò)其只傳輸基本上的p偏振光來(lái)分析圖像的偏振態(tài)。s偏振光重新返回光源212。透過(guò)PBS 250的光被投影透鏡系統(tǒng)234會(huì)聚，并可被基本上聚焦到用于觀看的屏上(未示出)?？扇芜x的預(yù)起偏器244可被插入在PBS 250和投影透鏡系統(tǒng)234之間。將會(huì)意識(shí)到，多個(gè)成像儀也可用于其它的光學(xué)結(jié)構(gòu)中。
實(shí)例下述的實(shí)例用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明不同的實(shí)施例和詳情。盡管實(shí)例用于這個(gè)目的，但是同樣用于其它情況和詳情的該特定組分和劑量不認(rèn)為限定了本發(fā)明的范圍。除非有特別說(shuō)明，所有的百分比是重量百分比。
玻璃轉(zhuǎn)變溫度的確定(Tg)在準(zhǔn)備下面的實(shí)例時(shí)，通過(guò)DSC依照ASTM D3418在20℃/分鐘下測(cè)量到的Tg和通過(guò)取得第二熱Tg去除受熱歷程。
表1縮寫(xiě)

準(zhǔn)備實(shí)例1本實(shí)例描述了一種共聚物的合成，為方便標(biāo)示為coPET-A，它在多層薄膜中當(dāng)作低折射率層使用。列在表2的組分被加入到一批反應(yīng)堆中。在0.20Mpa的壓力下，混合物被加熱到254℃去除甲醇。在45.5kg的甲醇被去除后，52g的膦酸甲酸三乙酯被加入到反應(yīng)堆中，然后壓力逐漸減小到133Pa，而溫度加熱到285℃縮合反應(yīng)的副產(chǎn)品，乙烯乙二醇，被不斷的去除，直到聚合物具有0.84dL/g的特性粘度，當(dāng)測(cè)量到60/40wt.％苯酚/o-二氯化苯時(shí)。下面的化學(xué)結(jié)構(gòu)式是對(duì)coPET-A的描述。
準(zhǔn)備實(shí)例2本實(shí)例描述了一種共聚物的合成，為方便標(biāo)示為coPET-C，它在多層薄膜中當(dāng)作低折射率層使用。列在表2的組分被加入到一批反應(yīng)堆中。在0.20Mpa的壓力下，混合物被加熱到254℃去除甲醇。在4.1kg的甲醇被去除后，52g的膦酸甲酸三乙酯被加入到反應(yīng)堆中，然后壓力逐漸減小到133Pa，而溫度加熱到285℃。
縮合反應(yīng)的副產(chǎn)品，乙烯乙二醇，被不斷的去除，直到聚合物具有0.82dL/g的特性粘度，當(dāng)測(cè)量到60/40wt.％苯酚/o-二氯化苯時(shí)。
準(zhǔn)備實(shí)例3本實(shí)例描述了一種共聚物的合成，為方便標(biāo)示為coPET-D，它在多層薄膜中當(dāng)作低折射率層使用。列在表2的組分被加入到一批反應(yīng)堆中。在0.20Mpa的壓力下，混合物被加熱到254℃去除甲醇。在35.4kg的甲醇被去除后，57g的膦酸甲酸三乙酯被加入到反應(yīng)堆中，然后壓力逐漸減小到133Pa，而溫度加熱到285℃。
縮合反應(yīng)的副產(chǎn)品，乙烯乙二醇，被不斷的去除，直到聚合物具有0.82dL/g的特性粘度，當(dāng)測(cè)量到60/40wt.％苯酚/o-二氯化苯時(shí)。
準(zhǔn)備實(shí)例4本實(shí)例描述了一種共聚物的合成，為方便標(biāo)示為coPET-E，它在多層薄膜中當(dāng)作低折射率層使用。列在表2的組分被加入到一批反應(yīng)堆中。在0.20Mpa的壓力下，混合物被加熱到254℃去除甲醇。在33.2kg的甲醇被去除后，38g的膦酸甲酸三乙酯被加入到反應(yīng)堆中，然后壓力逐漸減小到133Pa，同時(shí)溫度加熱到285℃。
縮合反應(yīng)的副產(chǎn)品，乙烯乙二醇，被不斷的去除，直到聚合物具有0.81dL/g的特性粘度，當(dāng)測(cè)量到60/40wt.％苯酚/o-二氯化苯時(shí)。
準(zhǔn)備實(shí)例5一種coPET，為方便標(biāo)示為coPET-B，用重量比為50/50的coPET-A和PCTGNMR混合而成，Tg不適用于本實(shí)例。
表2選定的制備coPET樣品的組分

上述coPET樣品在不同的溫度下，置于一個(gè)壓力氣爐中測(cè)試，以確定其光霧程度，若有的話，歸結(jié)于可結(jié)晶性。每個(gè)樣品測(cè)試100小時(shí)。光霧程度直觀地用“無(wú)”、“低”、“中等”、“高”確定，“無(wú)”意味著入射光高于90％透射，表示有非常低或接近零的光霧；“低”就是大于75％透射，表示低光霧；“中等”就是大于50％透射，表示中等光霧；“高”意味著小于25％透射，表示高起霧。所有的百分比都是質(zhì)量百分比。測(cè)試之后，每個(gè)樣品與控制樣品相比較，即，為了光霧量的質(zhì)量確定，樣品不在爐子里暴露。光霧數(shù)據(jù)如下面的表3所示。
表3在下述溫度100小時(shí)后由于逐漸形成結(jié)晶所引起的光霧程度

實(shí)例1經(jīng)過(guò)共擠壓成型和定向過(guò)程制造出具有896層的多層薄膜，其中PET是第一層高折射率材料，和coPET是第二層低折射率材料。用供料頭方法(如US專(zhuān)利No.3,801,429所描述的)大約產(chǎn)生224層，它的層厚足夠產(chǎn)生制造具有30％部分帶寬的光學(xué)反射帶。供料頭對(duì)每種材料最厚與最薄層厚度比為1.30，從而產(chǎn)生近似線性梯度的膜層厚度。
具有0.74dl/g特性粘度(IV)的PET被擠壓機(jī)以56.8kg/hr的速度傳送，并且coPET-B(如準(zhǔn)備實(shí)例5所述)被另一擠壓機(jī)以相同速度的傳送。
這些熔融流被引導(dǎo)到供料頭并通過(guò)供料頭產(chǎn)生224層PET和coPET-B(如上文準(zhǔn)備實(shí)例5中所述)層的交替層，它具有兩個(gè)作為PBL的coPET-B外層。PBL比光學(xué)層較厚，前者含有全部隊(duì)coPET-B熔融流的大約20％(每一面10％)。
然后，材料流經(jīng)過(guò)非對(duì)稱(chēng)的兩倍倍增器(如在US專(zhuān)利No.5,094,788和5,094,793中所描述)。倍增器厚度比大約為1.25∶1。通過(guò)供料頭產(chǎn)生的每組224層組具有近似的層厚剖面，它具有由倍增器和膜擠壓比值確定的全厚度比例因子。材料流然后經(jīng)過(guò)第二非對(duì)稱(chēng)兩倍倍增器，倍增器的比大約為1.55∶1。
倍增之后，外表層的聚丙稀(PP)(Atofina Petrochemical，Inc.，生產(chǎn)的no.8650)被加入到熔融流中。PP以28.6kg/小時(shí)速度被加進(jìn)擠壓機(jī)中。材料流經(jīng)過(guò)一膜塑模到水冷的流延輪上。流延輪入口的水溫為8℃。高壓牽制系統(tǒng)牽制壓出型材到流延輪上。牽制線大約0.10mm粗，電壓約6.4KV。牽制線通過(guò)操作者距卷材3到5mm手工定位在與流延輪接觸的點(diǎn)上以獲得由此產(chǎn)生的多層薄膜的平滑表面。調(diào)整流延輪速度使其精確控制最終膜厚。
PP擠壓機(jī)和相關(guān)的熔融加工設(shè)備被保持在254℃。PET和coPET-B擠壓機(jī)、供料頭、表層塑模、倍增器、注模和相關(guān)的熔融加工設(shè)備保持在266℃。
將一片7英寸×10英寸(17.8×25.4cm)多層模樣品送入一個(gè)用于單軸拉伸的標(biāo)準(zhǔn)拉幅機(jī)中，當(dāng)延伸定向薄膜時(shí)，流延卷材片被拉幅機(jī)邊緣的夾鉗夾緊。因?yàn)槔鶛C(jī)夾鉗之間的間距被固定，所以?shī)A鉗附近的薄膜不能在MD收縮，但是因?yàn)榫聿脑谝龑?dǎo)和拖尾邊緣上不被夾住，所以它在MD收縮。具有足夠大的縱橫比，樣品中心對(duì)于真單軸方向可完全收縮，即，它的收縮等于TD拉伸比的平方根。
在拉伸溫度下，樣品在TD方向上被拉伸，從最初8英寸(20.3cm)的夾距到最后56英寸(142cm)的夾距，然后使其放松到51英寸(129.5cm)。拉幅機(jī)在98.9℃溫度、6∶1拉伸比和5cm/sec拉伸速度下進(jìn)行拉伸。因?yàn)閵A鉗之間的非拉伸材料，最初到最終部分尺寸與拉伸比(6∶1)有所不同。
單軸取向的多層薄膜被切割為39mm×58mm的部分。這個(gè)部分在兩個(gè)折射率為1.85的45°玻璃棱鏡之間被層壓，以使薄膜沿著棱鏡斜邊平放。每個(gè)棱鏡有兩個(gè)具有57mm斜邊的40mm基底。棱鏡的所有暴露表面被事先涂有減反射除層。
為了獲得PBS消光的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到棱鏡的再利用，只有兩種環(huán)氧組分其中一種的薄膜被層壓，產(chǎn)生非永久性的結(jié)合。
用Perkin Elmer Lambda-19分光光度計(jì)(由Perkin Elmer Instruments，Norwalk，CT提供)使立方體以-10°面向入射光測(cè)量PBS。涉及入射光的負(fù)角度對(duì)立方體中的薄膜小于45度。對(duì)于折射率為1.85的立方體，-10°與薄膜上的39.6°入射角相一致。分光光度計(jì)光束用Glan-Thompson起偏器偏振、定向，以使s偏振光入射到立方體中的薄膜上。測(cè)量產(chǎn)生的消光光譜，或在圖表1中所示的PBS光密度(透過(guò)率的-log10)。平均消光大約為3.0，與1000∶1的對(duì)比度相一致。在同一圖表上還繪制了空氣中法線方向上無(wú)反射涂層薄膜的消光譜圖。圖表1示出了與PBS中在相對(duì)低角度獲得的消光相比，在空氣中測(cè)量到的薄膜消光的顯著增長(zhǎng)。光以-13°入射到PBS表面上，或以38°入射到多層薄膜上，反差比降低，但仍高于300∶1。對(duì)于法線入射和入射到PBS表面上的正角度，薄膜的反射率在理論上較高，但是在Lambda-19上測(cè)量到的并不明顯。這種結(jié)果由于來(lái)自PBS薄膜散射光的殘留，或來(lái)自分光光度計(jì)的噪聲。在下面的圖表1中，“s-pol”表示s偏振。
在去除表層后，測(cè)量到的光霧僅為1.4％，相比下面實(shí)例2的大約15％要低。使用這些樣品的表層具有低熔點(diǎn)溫度(134℃，與實(shí)例2的表層熔點(diǎn)溫度相比)。光霧是用BYK-Gardner，Columbia，MD的Haze-Gard Plus儀器測(cè)量到的。
在85℃下，15分鐘之后，收縮率是0.13％。
圖1實(shí)例2這個(gè)例子代表了帶有PP表層和不帶有PP表層的99/10coPEN/PETG多層薄膜。圖6表示在單軸取向過(guò)程中使用表層的一些優(yōu)點(diǎn)。
除下面的變化以外，可以根據(jù)樣品1的方法制造PBS。在多層薄膜中，高折射率材料是聚乙烯萘亞甲基酯和PET的共聚物，分別為90到10的重量比(為方便稱(chēng)作90/10coPEN)，低折射率材料是由Eastman Chemical Company商業(yè)出售的PETG(聚乙烯環(huán)己烷二甲基對(duì)丙稀基苯酚對(duì)苯二甲酸酯)得到。
90/10coPEN被速度為39kg/hr的擠壓機(jī)傳送到供料頭，PETG也通過(guò)速度為63kg/hr的另一臺(tái)擠壓機(jī)傳送到供料頭。這些熔融流被引導(dǎo)到供料頭，并通過(guò)供料頭產(chǎn)生coPEN和PETG光學(xué)層，該光學(xué)層具有兩層作為PBL的PETG外表層。
倍增之后，用第三臺(tái)擠壓機(jī)以45.5kg/hr速度添加外表層的PP(Atofina，Petrochemicals Inc.，no.3652產(chǎn)品)。
熔融加工設(shè)備保持在266℃。
含有光學(xué)層和PETG PBL的多層流延卷材厚0.32mm(沒(méi)有表層)。每一邊的表層厚0.038mm。具有表層和不具有表層的多層流延卷材被切割為10英寸乘×10英寸(25.4cm×25.4cm)的樣品，并在138℃、拉伸比為6∶1的拉幅機(jī)中定向在圖6的圖表中示出了表層在MD上的效應(yīng)。具有丙稀表層的10×10大小的拉伸樣品呈現(xiàn)了更一致的薄膜厚度，最終MD上的尺寸小于該樣品的初始尺寸，但拉伸沒(méi)有表層。增加的收縮提供了雙折射層中ny和nz之間較小的差異。
樣品也可被切割為7英寸×10英寸的大小，在MD方向中為7英寸，然后放入拉幅機(jī)中。沒(méi)有PP表層的樣品幾乎沒(méi)有例外的皺縮，而那些具有PP表層的樣品產(chǎn)生了平坦表面的樣本。拉伸之后去除表層，用Haze Gard Plus測(cè)量到的薄膜光霧大約為15％。應(yīng)該相信這些光霧的大部分是由表層的表面粗糙度造成的，但通過(guò)匹配薄膜外層PBL和用于層壓薄膜到棱鏡上的粘合劑的折射率可大大減少光霧。相同的折射率匹配，使樣品1的表層材料也可獲得很低的光霧。
在85℃下，15分鐘之后，收縮率是0.13％。
實(shí)例3經(jīng)過(guò)共擠壓成型和定向過(guò)程制造出具有896層的多層薄膜，其中填入20mol％PEN和80mol％PET混合物在原處的酯交換物是第一層高折射率材料，和coPETB是第二層低折射率材料。用供料頭方法(如US專(zhuān)利No.3,801,429所描述的)大約產(chǎn)生224層，它的層厚足夠產(chǎn)生具有30％部分帶寬的光學(xué)反射帶。供料頭對(duì)每種材料最厚與最薄層厚度比為1.30，從而產(chǎn)生近似線性梯度的膜層厚度。具有0.74dl/g初始特性粘度(IV)的PET以56.8kg/hr的速度填入擠壓機(jī)，并且具有0.750dl/g初始特性粘度的PEN以13.7kg/hr的速度填入另一臺(tái)擠壓機(jī)，并且coPET-B被另一擠壓機(jī)以相同速度的傳送。PET和PEN的酯交換混合物通過(guò)擠壓機(jī)以56.8kg/hr的速度傳送到供料頭，并且coPET-B(見(jiàn)上文所述的準(zhǔn)備實(shí)例5)由另一臺(tái)擠壓機(jī)同樣以56.8kg/hr的速度傳送。
這些熔融流被引導(dǎo)到供料頭并通過(guò)供料頭產(chǎn)生224層PET及PEN的酯交換混合物層和coPET-B層的交替層，它具有兩個(gè)作為PBL的coPET-B外層。PBL比光學(xué)層要厚，前者含有全部coPET-B熔融流的大約20％(每一面10％)。
然后，材料流經(jīng)過(guò)非對(duì)稱(chēng)的兩倍倍增器(如在US專(zhuān)利No.5,094,788和5,094,793中的描述)。倍增器厚度比大約為1.25∶1。通過(guò)供料頭產(chǎn)生的每組224層組具有近似的層厚剖面，它具有由倍增器和膜擠壓比值確定的全厚度比例因子。材料流然后經(jīng)過(guò)第二非對(duì)稱(chēng)兩倍倍增器，倍增器的比大約為1.55∶1。
倍增之后，外表層的聚丙稀(PP)(Atofina Petrochemical，Inc.，生產(chǎn)的no.3652)被加入到熔融流中。PP以28.6kg/小時(shí)的速度被加入第三擠壓機(jī)中。材料流經(jīng)過(guò)一膜塑模到水冷的流延輪上。流延輪入口的水溫為8℃。高壓牽制系統(tǒng)牽制壓出型材到流延輪上。牽制線大約0.10mm粗，電壓約6.4KV。牽制線通過(guò)操作者距卷材3到5mm手工定位在與流延輪接觸的點(diǎn)上，以獲得由此產(chǎn)生的多層薄膜的平滑表面。調(diào)整流延輪速度使其精確控制最終膜厚。
PP擠壓機(jī)和相關(guān)的熔融加工設(shè)備被保持在254℃。PET/PEN和coPET-B擠壓機(jī)、供料頭、表層塑模、倍增器、注模和相關(guān)的熔融加工設(shè)備保持在266℃。
將一片7英寸×10英寸(17.8×25.4cm)多層模樣品送入一個(gè)用于單軸拉伸的標(biāo)準(zhǔn)拉幅機(jī)中，當(dāng)延伸定向薄膜時(shí)，流延卷材片被拉幅機(jī)邊緣的夾鉗夾緊。因?yàn)槔鶛C(jī)夾鉗之間的間距被固定，所以?shī)A鉗附近的薄膜不能在MD收縮，但是因?yàn)榫聿脑谝龑?dǎo)和拖尾邊緣上沒(méi)有被夾住，所以它在MD收縮。由于具有足夠大的縱橫比，樣品中心對(duì)于真單軸方向可完全皺縮，即，它的收縮等于TD拉伸比的平方根。
在拉伸溫度下，樣品在TD方向上被拉伸，從最初8英寸(20.3cm)的夾距到最后56英寸(142cm)的夾距，然后允許放松，到51英寸(129.5cm)。拉幅機(jī)在102.8℃溫度、6∶1拉伸比和5cm/sec拉伸速度下進(jìn)行拉伸。在樣品中心位置的最終拉伸比大約為6.3，由于稍微小于夾鉗附近的拉伸比，實(shí)際上冷卻到52℃。
單軸取向的多層薄膜被切割為39mm×58mm的部分。這個(gè)部分在兩個(gè)折射率為1.85的45°玻璃棱鏡之間被層壓，以使薄膜沿著棱鏡斜邊平放。每個(gè)棱鏡有兩個(gè)具有57mm斜邊的40mm基底。棱鏡的所有暴露表面被事先涂有減反射涂層薄膜的光學(xué)性能與實(shí)例1的相似。在85℃下，15分鐘之后，收縮率是0.13％。
權(quán)利要求
1.偏振分束器，包括(a)雙折射薄膜，具有一傳輸軸，該雙折射薄膜包括至少第一材料層和第二材料層的多層，每層材料層在可見(jiàn)光譜中具有吸收限，以使在紫外區(qū)吸收限小于照射偏振分束器的最短波長(zhǎng)至少40nm，并且在紅外區(qū)吸收限大于照射偏振分束器的最長(zhǎng)波長(zhǎng)至少40nm；和(b)至少一個(gè)棱鏡，具有大約1.6的折射率，但折射率小于沿著雙折射薄膜傳輸軸產(chǎn)生全內(nèi)反射的值。
2.權(quán)利要求1的偏振分束器，包括兩個(gè)直角棱鏡，它們的位置使基本上形成立方體，并且雙折射薄膜位于兩棱鏡之間，以使沿著立方體的對(duì)角線放置
3.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中棱鏡是玻璃、聚酯或陶瓷。
4.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中第一材料層是從含有聚乙烯對(duì)苯二酸酯以及聚乙烯對(duì)苯二酸酯和聚乙烯萘亞甲基酯的酯交換共聚物的組中選出的聚合物。
5.權(quán)利要求4的偏振分束器，其中聚乙烯對(duì)苯二酸酯和聚乙烯萘亞甲基酯的酯交換共聚物中聚乙烯萘亞甲基酯的含量少于基于全部第一材料的50mol％
6.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中第二材料是從含有共聚物和間同立構(gòu)聚苯乙烯的組中選擇的。
7.權(quán)利要求6的偏振分束器，其中共聚物含有1，4-二甲基對(duì)苯二酸酯1，2-乙烷二醇、1，4-二甲基環(huán)己基乙二酸酯、1，4-二羥甲基環(huán)己烷和三羥甲基丙烷。
8.權(quán)利要求7的偏振分束器，其中共聚物進(jìn)一步含有新戊二醇和2-丁基2-乙烷基1，3-丙二醇。
9.權(quán)利要求8的偏振分束器，其中共聚物含有大約5至45mol％1，4-二甲基對(duì)苯二酸酯、大約5至45mol％1，2-乙烷二醇、大約5至45mol％1，4-二甲基環(huán)己基乙二酸酯、大約5至45mol％1，4-二羥甲基環(huán)己烷、大約0.5至5mol％ 三羥甲基丙烷、大約0至10mol％新戊二醇和大約0至10mol％2-丁基2-乙烷基1，3-丙二醇。
10.權(quán)利要求7的偏振分束器，進(jìn)一步包括聚乙烯環(huán)己烷二甲基對(duì)丙稀基苯酚對(duì)苯二甲酸酯。
11.權(quán)利要求1的偏振分束器，其反差比大于大約300∶1。
12.權(quán)利要求1的偏振分束器，其反差比大于1000∶1
13.權(quán)利要求1的偏振分束器，進(jìn)一步含有位于棱鏡和雙折射薄膜之間的附著件。
14.權(quán)利要求13的偏振分束器，其中附著件是一種粘合劑，在光傳輸方向具有0.05單位折射率差的薄膜。
15.權(quán)利要求13的偏振分束器，其中附著件是一種粘合劑，在光傳輸方向具有在其中0.02折射單元薄膜。
16.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中至少一種材料層呈現(xiàn)雙折射。
17.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中第一和第二材料層的吸收限在紫外區(qū)中小于約380nm，在紅外區(qū)中大于約720nm。
18.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中第一和第二材料層的吸收限紫外區(qū)中小于約370nm，在紅外區(qū)中大于約730nm。
19.權(quán)利要求1的偏振分束器，其中第一和第二材料層的吸收限紫外區(qū)中小于約360nm，在紅外區(qū)中大于約740nm。
20.多層膜薄膜具有第一和第二主表面，多層薄膜包括至少一第一材料層和至少一第二材料層，每層材料層在可見(jiàn)光譜中具有吸收限，以使在紫外區(qū)中吸收限小于照射多層薄膜的最短光波長(zhǎng)至少40nm，在紅外區(qū)中吸收限大于照射多層薄膜的最長(zhǎng)光波長(zhǎng)至少40nm。
21.權(quán)利要求20的多層薄膜，其中第一和第二材料層的吸收限在紫外區(qū)小于約380nm，在紅外區(qū)中大于約720nm。
22.權(quán)利要求20的多層薄膜，其中至少一種材料層在單軸定向后呈現(xiàn)雙折射。
23.權(quán)利要求20的多層薄膜，其中第一材料層是從含有聚乙烯對(duì)苯二酸酯以及聚乙烯對(duì)苯二酸酯和聚乙烯萘亞甲基酯混合物組中選出的聚合物；并且其中第二材料層是一種共聚物，含有大約5至45mol％1，4-二甲基對(duì)苯二酸酯、大約5至45mol％1，2-乙烷二醇、大約5至45mol％1，4-二甲基環(huán)己基乙二酸酯、大約5至45mol％1，4-二羥甲基環(huán)己烷、大約0.5至5mol％三羥甲基丙烷、大約0至10mol％新戊二醇和大約0至10mol％2-丁基2-乙烷基1，3-丙二醇。
24.權(quán)利要求20的多層薄膜，進(jìn)一步包括位于至少一個(gè)主表面上的聚合物表層。
25.權(quán)利要求24的多層薄膜，其中聚合物表層是一種含有共聚物的結(jié)晶丙稀，共聚物根據(jù)ASTM D 1238-95在大約230℃和21.6N的壓力下測(cè)量到的熔融流量速度約7至18g/10分鐘。
26.權(quán)利要求24的多層薄膜，其中聚合物表層從含有丙稀和乙烯無(wú)規(guī)共聚物以及含有丙稀和阿拉法石蠟共聚物的組中選擇，每種聚合物含有4至6個(gè)碳原子，并且每種聚合物中丙稀的重量含量大于約90％。
27.權(quán)利要求24的多層薄膜，其中聚合物表層從含有無(wú)規(guī)丙稀-乙烯共聚物的組中選擇，根據(jù)DSC的測(cè)量，共聚物熔點(diǎn)為120°至140℃。
28.一種光學(xué)裝置，包括(a)權(quán)利要求1的偏振分束器，通過(guò)偏振分束器限定第一偏振態(tài)光的第一光路；和(b)至少一個(gè)成像儀暴露于返回偏振分束器的反射光中，至少一個(gè)成像儀接收的部分光被偏振旋轉(zhuǎn)，偏振旋轉(zhuǎn)的光從成像儀沿著第二光路傳輸經(jīng)過(guò)偏振分束器。
29.權(quán)利要求28的光學(xué)裝置，其中偏振分束器的雙折射薄膜具有吸收限，其中第一和第二材料層的吸收限在紫外區(qū)中少于約380nm，在紅外區(qū)中大于約720nm。
30.權(quán)利要求28的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包括產(chǎn)生光的光源和光調(diào)節(jié)光學(xué)器件，該器件在光到達(dá)偏振分束器之前調(diào)節(jié)光。
31.權(quán)利要求28的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包括一投影透鏡系統(tǒng)，投影來(lái)自至少一個(gè)成像儀的圖像光。
32.一種投影系統(tǒng)，包括(a)一光源，用來(lái)產(chǎn)生光；(b)調(diào)節(jié)光學(xué)器件，調(diào)節(jié)來(lái)自光源的光；(c)一成像芯，將圖像加于來(lái)自調(diào)節(jié)光學(xué)器件的經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的光，從而形成圖像光；成像芯包括權(quán)利要求1的PBS和至少一個(gè)成像儀；和(d)一投影透鏡系統(tǒng)，投影來(lái)自成像芯的圖像光。
33.權(quán)利要求32的投影系統(tǒng)，其中偏振分束器的雙折射薄膜有吸收限，其中第一和第二材料層的吸收限在紫外區(qū)中小于約380nm，在紅外區(qū)中大于約720nm。
全文摘要
適于應(yīng)用在投影系統(tǒng)和顯示器中的PBS。偏振分束器(PBS)包括至少一個(gè)棱鏡，棱鏡具有至少一個(gè)主面并且折射率至少約1.6，雙折射薄膜位于棱鏡的主面上。本發(fā)明提供了一種獨(dú)特的至少具有第一材料和第二材料的雙折射多層膜。單軸拉伸后，在拉伸方向薄膜呈現(xiàn)小于約0.15單位的折射率差。
文檔編號(hào)C08G63/00GK1524190SQ02811678
公開(kāi)日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月11日
發(fā)明者M·F·韋伯, C·L·布魯澤恩, P·D·康多, K·M·韓默, T·J·赫布林克, W·W·梅麗爾, M F 韋伯, 布魯澤恩, 康多, 梅麗爾, 赫布林克, 韓默 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司