CN101389983A - 增强型反射偏振膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有第一层和第二层的光学薄膜。所述第一层和第二层分别包括嵌入在各自的聚合物基质内的纤维。具有反射偏振层的第三层被设置在所述第一层和第二层之间。

Description

增强型反射偏振膜
技术领域
本发明涉及光学薄膜，更具体地讲，本发明涉及采用无机纤维增强的反射偏振膜。
背景技术
光学薄膜(例如反射偏振膜)经常用于显示器中，例如用以控制光从光源向显示面板的传播。具体地讲，反射偏振膜常用于透射绝大部分入射到液晶显示器(LCD)面板上的一种偏振状态的光，并且反射绝大部分正交偏振状态的光。在至少一些光已经将其偏振状态转变为大部分能被偏振器透射的状态后，反射光被再循环并返回到反射偏振器。这种再循环过程使得入射到LCD面板上的偏振光量增加。
随着显示系统的尺寸增大，薄膜的面积也会变大。这种偏振膜较薄，其通常为几十或几百微米，因此，给人工组装和处理过程造成困难，当其用于较大的显示系统时尤其是如此。仅仅改变反射偏振器的厚度而不改变其光学或表面特性，往往是不切实际的。然而，可以将反射偏振膜层合至相对较厚的聚合物基底上，从而为大面积的薄膜提供所需的支承体。然而，使用较厚的基底会增加显示单元的厚度，同时也导致其重量增加，并且还可能增加对光的吸收。使用较厚的聚合物基底还会增大绝热性，从而降低显示器的散热能力。此外，人们对于亮度增强的显示器的需求与日俱增，这往往意味着显示系统会产生更多的热量。这将导致与较高的发热量相关的畸变效应(例如薄膜翘曲)的增加。聚合物基底的厚度增加不一定会减小薄膜的热膨胀系数(CTE)(CTE减小有助于减小翘曲)。此外，将薄膜层合至较厚的聚合物基底上会使装置更厚且更重，而对显示器的光学功能则不会有任何改善。
发明内容
本发明的一个实施例涉及具有第一层和第二层的光学薄膜。所述第一层和第二层分别包括嵌入在各自的聚合物基质内的纤维。具有反射偏振层的第三层被设置在第一层和第二层之间。
本发明的另一个实施例涉及制造光学薄膜的方法，该方法包括：提供反射偏振层；将第一纤维增强层附接至该反射偏振层的第一侧面。第一纤维层包括设置在第一聚合物基质内的无机纤维。
本发明的上述概要无意于描述本发明的每个示出的实施例或每种实施方案。下列附图和详细描述更加具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
结合附图，并参考下文对本发明的多个实施方案的详细描述，可更加全面地理解本发明，其中：
图1示意性地示出使用根据本发明原理的反射偏振器的显示系统；
图2A示意性地示出根据本发明原理的纤维增强型偏振膜的示例性实施例，该偏振膜具有直接附接至偏振层上的增强层；
图2B示意性地示出根据本发明原理的纤维增强型偏振膜的示例性实施例，该偏振膜具有通过粘合剂层附接至偏振层上的增强层；
图3A和3B示意性地示出用于制造根据本发明原理的纤维增强型偏振膜的系统的实施例；
图4示意性地示出用于制造根据本发明原理的纤维增强型偏振膜的系统的另一个实施例；
图5示意性地示出根据本发明原理的具有两个增强层的增强型偏振膜的实施例；
图6示意性地示出根据本发明原理的具有另一个附接光学薄膜的增强型偏振膜的实施例；
图7A-7D示意性地示出根据本发明原理的具有附接光学层的增强型偏振膜的实施例，所述光学层具有棱镜表面；
图8A和8B示意性地示出根据本发明原理的具有附接光学层的增强型偏振膜的实施例，所述光学层具有提供光焦度的表面；
图8C示意性地示出根据本发明原理的具有附接光学层的增强型偏振膜的实施例，所述光学层具有被构造为衍射光学元件的表面；
图9示意性地示出根据本发明原理的具有附接扩散层的增强型偏振膜的实施例；并且
图10示意性地示出根据本发明原理的具有附接聚光层的增强型偏振膜的实施例。
虽然本发明可以有多种修改形式和替代形式，但其具体内容已在附图中以举例的方式示出并且将作详细描述。然而应当理解，本发明并不受所描述的具体实施例的限制。相反，其目的在于涵盖属于由所附的权利要求书限定的本发明精神和范围内的全部修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
本发明适用于光学系统，尤其适用于使用一个或多个光学薄膜的光学显示系统。随着光学显示器(例如液晶显示器(LCD))变得更大更亮，对于显示器内的光学薄膜的要求也更高。更大的显示器需要更刚硬的薄膜，以免发生翘曲、弯曲和松垂，同时也有利于背光系统的组装过程和制造过程。然而，将薄膜的厚度随其长度和宽度按比例增大会使薄膜变得更厚且更重。因此，期望使光学薄膜更刚硬，以使其能够在不伴有厚度增加的情况下用于大型显示器中。提高光学薄膜刚度的一种方法是在薄膜内部包含纤维。在一些示例性实施例中，纤维的折射率与周围的薄膜材料相匹配，以使得通过薄膜的光产生很少的散射或不产生散射。
反射偏振膜的一些示例性实施例包括附接至纤维增强层的反射偏振器层。反射偏振器组合、以及纤维增强层的优良特性，使得薄膜组件的性能得到改善。优选的是，增强纤维具有比周围的聚合物基质更高的抗拉模量。无机纤维(例如玻璃纤维)提供了十分重要的增强材料特性组合，这些特性组合是均质聚合物薄膜通常无法得到的。如果布置合理，则无机纤维可以使复合材料制品具有较大的刚度。在一些情况下，与反射偏振器相比，纤维增强层可以具有更低的热膨胀系数(CTE)。当纤维增强层与反射偏振器组合在一起时，系统的总CTE要比只有偏振器时更低。CTE的降低有利于减少不良的热效应，例如在显示装置热循环过程中可能发生的收缩或膨胀不均匀。由于刚度增加以及CTE降低，所以纤维增强层与反射偏振器的组合使得反射偏振器可以在保持刚性形式的同时，其面积可以更大，这可以表现为在较大的显示系统内工作时所发生的翘曲和挠曲均减少。此外，如果某产品目前的翘曲性能已经可以接受，那么在减小组件厚度的同时，仍然可以保持同样的翘曲性能。对于大型和小型显示系统来说，组件厚度的减小都是有利的。
图1示出了可以采用本发明的显示系统100的示例性实施例的示意性分解图。该显示系统100可以用于(例如)液晶监视器或液晶电视。显示系统100基于液晶面板102的使用，液晶面板102通常包括设置在面板基板(panel plate)106之间的液晶层104。面板基板106通常由玻璃制成，并且其内表面上可以包括电极结构和取向层，用以控制液晶层104中液晶的取向。电极结构通常以这样的方式布置，该方式能限定液晶面板的像素，所述像素是液晶层中可独立于邻近区域对液晶的取向进行控制的区域。一个或多个面板基板106中也可包括滤色片，用于使显示的图像显示出彩色。
上吸收偏振器108被设置在液晶层104的上面，而下吸收偏振器110被设置在液晶层104的下面。在示例性实施例中，上、下吸收偏振器都位于液晶面板102的外部。吸收偏振器108、110和液晶面板102联合控制背光源112发出的光透过显示器100到达观察者的透射过程。如果所用反射偏振器的消光比足够大，那么可以从系统中移除一个或多个吸收偏振器，例如用反射偏振器代替吸收偏振器。
背光源112包括一个或多个光源116，该光源产生用来照明液晶面板102的光线。在液晶电视或液晶监视器中所用的光源116通常为在整个显示装置100中延伸的线性冷阴极荧光管。然而，也可以使用其它类型的光源，例如白炽灯或弧光灯、发光二极管(LED)、平面荧光板或外部荧光灯。该光源的列表无意于进行限制或详尽列举，而仅是示例性的。
背光源112可还包括反射器118，用于反射从光源116以远离液晶面板102的方向向下传播的光。反射器118也可用于使光在显示装置100内进行循环，如下文所解释的那样。反射器118可以是镜面反射器，或者可以是漫反射器。可用作反射器118的镜面反射器的一个例子为可得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的VikuitiTM增强镜面反射(ESR)薄膜。适用的漫反射器的例子包括负载有漫反射颗粒(例如二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙等)的聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯、聚苯乙烯等。漫反射器的其它例子(包括微孔材料和含纤丝材料)在共同拥有的美国专利申请公开2003/0118805 A1 中有所论述。
光控制层构造120被设置在背光源112和液晶面板102之间。该光控制层会影响由背光源112发出的光的传播，从而改善显示装置100的操作性能。例如，光控制层构造120可以包括扩散层122。扩散层122用于扩散从光源接收的光，从而使得入射到液晶面板102上的照明光的均匀度提高。因此，这使得观察者感受到的图像亮度更均匀。
光控制层构造120还可以包括反射偏振器124。光源116通常会产生非偏振光，但下吸收偏振器110只透射单一一种偏振状态的光，因此光源116所产生的光中大约有一半不会被透射至液晶层104。然而，可以使用反射偏振器124来反射大部分本来会被下吸收偏振器吸收的光，这样光就会在反射偏振器124和反射器118之间通过反射而进行再循环。在反射偏振器124所反射的光线中至少有一些会被消偏振，并且这些光线随后会以某种偏振状态返回到反射偏振器124，所述偏振状态使得光透过反射偏振器124和下吸收偏振器110进入液晶层104。这样，就可以用反射偏振器124来增加由光源116发出的光中到达液晶层104的光的比例，从而使显示装置100产生的图像更加明亮。
可以使用任何合适类型的反射偏振器，例如，多层光学薄膜(MOF)反射偏振器；漫反射偏振膜(DRPF)，如连续相/分散相偏振器或胆甾型反射偏振器。其中，一些光学性能最有效的反射偏振器是依靠干涉型反射的反射偏振器。这些干涉型反射偏振器使第一偏振状态具有周期性变化或准周期性变化的折射率函数(其可以被称为光学重复单位)，而第二(通常为正交的)偏振状态则会有相对较一致的折射率。这使得基本上反射第一偏振状态而透射第二偏振状态。四分之一波长MOF和胆甾型液晶偏振器均属于这一类。这二者通常都包含具有双折射特性的聚合物材料。它们可以采用诸如聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、液晶聚合物、胆甾型液晶聚合物等聚合物。
MOF和连续相/分散相反射偏振器均依靠至少两种材料(通常为聚合物材料)之间的折射率差来选择性地反射一种偏振状态的光，而透射正交偏振状态的光。这些偏振器通常包括至少一种双折射材料，并且可以包括一种正双折射材料和一种负双折射材料。第一偏振状态存在变化(不一定为周期性)的折射率函数，而第二偏振状态则存在相对较一致的折射率。这使得基本上散射和反射第一偏振状态而透射第二偏振状态。它们可以采用诸如聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、液晶聚合物、胆甾型液晶聚合物等聚合物。
MOF反射偏振器的一些例子(其中某些模式被称为DBEF)在共同拥有的美国专利No.5,882,774中有所描述。市售的MOF反射偏振器的例子包括具有扩散表面的VikuitiTM DBEF-D200和DBEF-D400多层反射偏振器，该偏振器均可得自3M公司(St.Paul，Minnesota)。
可结合本发明使用的DRPF的例子包括在共同拥有的美国专利No.5,825,543中所描述的连续相/分散相反射偏振器，以及在(例如)共同拥有的美国专利No.5,867,316中所描述的漫反射多层偏振器。其它合适类型的DRPF在美国专利No.5,751,388中有所描述。
可结合本发明使用的胆甾型偏振器的一些例子包括在(例如)美国专利No.5,793,456和美国专利申请公开No.2002/0159019中所描述的那些。胆甾型偏振器常常在输出侧设置有四分之一波长延迟层，使得透过胆甾型偏振器的光被转变为线性偏振光。
本文所述的复合材料也可以在同一制品内与吸收偏振器和反射偏振器组合在一起，以提供多种功能。
光控制层构造120还可包括棱镜增亮层128。增亮层是这样一种层，其包括的表面结构可以将离轴光的方向改变为更靠近显示器轴的方向。这会增加穿过液晶层104的轴上传播的光量，从而增加观察者所看到的图像的亮度。一个实例是棱镜增亮层，其具有多个通过折射和反射改变照明光的方向的棱脊。可用于显示装置的棱镜增亮层的例子包括可得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的VikuitiTM BEFII和BEFIII系列棱镜膜，所述棱镜膜系列包括BEFII 90/24、BEFII 90/50、BEFIIIM 90/50和BEFIIIT。这类棱镜膜还可以包括棱镜“转向薄膜”，其中棱镜表面指向光源或光导方向。
此外，还可以包括其它光控制层以用于除增亮之外的其它目的。这些用途包括光的空间混合或混色、光源遮蔽和均匀度改善。可用于这些目的的薄膜包括扩散膜、扩散板、部分反射层、混色光导或薄膜以及非高斯扩散片(扩散光中具有峰值亮度的光线以与输入光中具有峰值亮度的光线的方向不平行的方向传播的扩散系统)。结构化扩散片的一个例子是在待审的美国临时专利申请60/729,370中所描述的在表面上具有小的舟状微结构的薄膜。
图2A示意性地示出了增强型偏振膜200的示例性实施例。该增强膜200包括附接到偏振层208上的增强层202。偏振层208可以包括以上针对反射偏振器124所讨论的任何偏振层。增强层202包括设置在聚合物基质206内的无机纤维204的复合构造。
无机纤维204可以由玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷材料形成，并且可以作为独立的纤维以一个或多个纤维束或一个或多个织造层的形式布置在基质206内部。纤维204可以布置成规则或不规则的图案。纤维204可以是磨碎纤维或短纤维。美国专利申请No.11/125,580中详细论述了增强聚合物层的几个不同的实施例。
基质206和纤维204的折射率可以被选择为相匹配或不匹配。在一些示例性实施例中，可能期望二者的折射率相匹配，以使得所得制品对光源发出的光几乎或完全透明。在其它示例性实施例中，可能期望二者具有故意不匹配的折射率，以形成特定的色散效应，或使入射到薄膜上的光线产生漫透射或漫反射。通过选择合适的纤维204增强材料(其折射率接近于树脂基质206的折射率)，或者通过形成折射率接近或等于纤维204的折射率的树脂基质，可以实现折射率的匹配。
本文将形成聚合物基质206的材料在x、y和z方向的折射率用n1x、n1y和n1z表示。如果聚合物基质材料206为各向同性的，则x、y和z方向的折射率基本匹配。如果基质材料为双折射的，则x、y和z方向的折射率中至少一者与其他折射率不匹配。如果纤维材料为各向同性的，则将形成纤维的材料的折射率指定为n2。然而，增强纤维204可以为双折射的。
在一些实施例中，可能希望聚合物基质206为各向同性的，即n1x≈n1y≈n1z≈n1。如果两个折射率之间的差值小于0.05，优选小于0.02，更优选小于0.01，则认为这两个折射率基本匹配。因此，如果没有一对折射率的差值大于0.05，则认为该材料具有各向同性。此外，在一些实施例中，我们期望基质206和纤维204的折射率基本匹配。因此，基质206和纤维204的折射率差值(n1和n2的差值)应较小，其至少小于0.02，优选小于0.01，更优选小于0.002。
在其它实施例中，可能期望聚合物基质为双折射的，在这种情况下，至少一个基质折射率不同于纤维204的折射率。在纤维204具有各向同性的实施例中，双折射的基质使得至少一个偏振状态的光被增强层所散射。散射量取决于几个因素，包括针对被散射的偏振状态的折射率差的大小，纤维204的尺寸以及纤维204在基质206内的密度。此外，光线可以发生前向散射(漫透射)、后向散射(漫反射)或这两种情况的组合。嵌入在各向同性基质内的双折射纤维也可以产生偏振选择性散射或反射。美国专利申请No.11/125,580详细论述了由纤维增强层202所产生的光散射。
适合在聚合物基质206内使用的材料包括在所需的光波长范围内透明的热塑性和热固性聚合物。在一些实施例中，可能尤其有用的是，该聚合物在水中不可溶，该聚合物可以是疏水性的或具有低的吸水倾向。此外，合适的聚合物材料可以是无定形的或半结晶性的，并且可以包括均聚物、共聚物、或其共混物。聚合物材料的例子包括(但不限于)：聚碳酸酯(PC)；间同立构和全同立构聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；含烷基、含芳族环和含脂族环的(甲基)丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；苯乙烯-丙烯酸酯共聚物；乙氧基化和丙氧基化的(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸改性环氧树脂；环氧树脂；以及其它烯键式不饱和材料；环状烯烃和环状烯烃共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯基环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；聚苯醚合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；饱和聚酯；聚乙烯，包括低双折射聚乙烯；聚丙烯(PP)；聚对苯二甲酸烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚萘二甲酸烷基酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；醋酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET和PEN共聚物，包括多烯键的PET和PEN；以及聚碳酸酯/环脂族共聚酯共混物和聚碳酸酯/PET共混物。术语(甲基)丙烯酸酯被定义为相应的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯化合物。除了间同立构PS之外，这些聚合物可以光学各向同性的形式使用。
最优选的聚合物基质材料会随着加工条件和其它因素的变化而变化。例如，在一些情况下，可能期望通过对单体或单体共混物进行UV固化或热固化来形成纤维增强层。在其它情况下，可能期望用冷却时凝固的熔融热塑性聚合物或聚合物共混物来形成增强复合层。下文论述了上述两种情况的例子。这里将描述其多个优点，其中，一些优点同等地适用于所有方法和制品构造，一些优点仅适用于某些具体的方法或制品构造。本领域内的技术人员应认识到这些区别。
在一些产品应用中，重要的是薄膜产品和组分具有较低含量水平的易散逸物质(低分子量的未反应或未转化的分子、溶解的水分子或反应副产物)。易散逸物质可能是从产品或薄膜的最终使用环境中吸收得到的(如水分子)；可能是从产品的最初加工时开始就存在于产品或薄膜之中，如水；或者可以作为化学反应(例如，缩聚反应)的结果而产生。由缩聚反应产生小分子的例子是：在二胺和二元酸反应生成聚酰胺的过程中释放出水。易散逸物质还可以包括低分子量的有机材料，如单体、增塑剂等。
相比大多数构成功能性产品或薄膜的其余部分的材料而言，易散逸物质通常分子量较低。产品使用条件可能(例如)在产品或薄膜一侧产生差异较大的热应力。在这种情况下，易散逸物质可能会透过薄膜迁移，或从薄膜或产品的一个表面挥发，从而产生浓度梯度、总体的机械变形、表面改变和(有时)不期望的渗气。渗气会导致产品、薄膜或基质内出现空隙或气泡，或在与其它薄膜粘合时出现问题。易散逸物质还可能在产品应用中使其他组分溶剂化、使之受到腐蚀或对其产生不良影响。
在取向时，这些聚合物中的一些可能会变得具有双折射性。具体地讲，PET、PEN及其共聚物和液晶聚合物在取向时表现出相对较大的双折射率值。聚合物可以采用不同方法取向，所述方法包括挤出和拉伸。拉伸对于聚合物取向来说是一种尤其有用的方法，因为这种方法允许进行较大程度的取向，并且可以通过很多容易控制的外部参数(如温度和拉伸比)进行控制。
当采用挤出工艺制备增强层的聚合物基质时，可以对复合层的聚合物组成进行有利的选择，使其可以被挤出，同时在高温下加工之后保持透明，并且在至少约-30℃至85℃的温度范围内基本稳定。复合层可以具有柔性，并且在一些实施例中，其在-30℃至85℃的温度范围内不会沿长度或宽度方向显著膨胀。
复合层通常包括作为主要组分的聚合物材料，该材料显示出具有85℃至200℃的玻璃化转变温度(Tg)，更通常为100至160℃。复合层厚度可随应用的不同而变化。然而，复合层的厚度范围通常为0.1至15密耳(大约2μm至375μm)，更通常为0.5至10密耳(大约12μm至250μm)，甚至更通常为1至7密耳(大约25μm至180μm)。在一些情况下，较厚的光学制品可能是所需的(例如液晶电视使用的1-2mm厚的扩散板)；出于该应用的目的，术语“光学薄膜”应被视为包括这些较厚的光学板或光导。
复合层也可以包括与上述聚合物玻璃纤维复合材料共混的其它材料。例如，CoPEN或CoPET可用于复合层中。CoPEN或CoPET(至少在一些实施例中)可以在混合物内发生相分离，从而在上述苯乙烯系聚合物/共聚物或共聚物/共聚物的组合物中形成域。根据CoPEN或CoPET和聚合物基质之间的折射率差，这些域会导致光线在通过基质时发生扩散。此外，在至少一些实施例中，添加CoPEN或CoPET有助于将复合层粘合至含有CoPEN或CoPET的反射偏振器或其它光学薄膜上。可任选的是，CoPEN和CoPET可以用作位于复合层和与复合层附接的其它层之间的中间层，以增大扩散并有助于将这两层保持在一起。
通常，复合层中使用的CoPEN或CoPET的含量水平可以占复合层材料的大约1至30重量％，更通常为3至20重量％，并且在一些实施例中为3至10重量％。出乎意料的是，已经发现将Tg和模量均比聚苯乙烯或聚苯乙烯共聚物更低的材料(如CoPEN或CoPET)共混到复合材料中可以改善薄膜的抗永久翘曲性。例如，将模量更低且Tg更低的CoPEN共混到包含SAN的复合层中，会使这些薄膜中所测得的翘曲程度大大降低。
CoPEN和CoPET共聚物可任选地包含可用于增大玻璃化转变温度的共聚单体，例如降冰片烯或叔丁基间苯二甲酸。其它可用于共混到复合层中的高Tg材料包括聚碳酸酯和聚醚酰亚胺，例如可得自General ElectricPlastics(Pittsfiled，Massachusetts)的UltemTM。这些高Tg材料的用量水平可以与CoPEN和CoPET的用量水平相同。
复合层上可以涂覆一个或多个附加涂层，以提供另外的特性。这些涂层的例子包括防静电涂层、阻燃剂、UV稳定剂、耐磨或硬涂层材料、光学涂层和防雾涂层。
基质206可以含有多种添加剂，以使薄膜200具有所需的特性。例如，添加剂可以包括下列物质中的一种或多种：耐候剂、紫外线吸收剂、受阻胺光稳定剂、抗氧化剂、分散剂、润滑剂、抗静电剂、颜料或染料、成核剂、阻燃剂、发泡剂或纳米颗粒。在一些示例性实施例中，基质可以包含官能化纳米颗粒作为填料。这种纳米颗粒能够与基质共聚合，从而改善某些机械性能，例如模量、耐刮伤性和热膨胀系数(CTE)。这种纳米颗粒还可以提供一种用于对增强层的聚合物成分的折射率进行调控的途径。
在一些情况下，可以引入纳米颗粒以改善诸如刚度和耐刮伤性之类的特性或者改善折射率修正。纳米颗粒可从(例如)ONDEO Nalco公司商购获得，该公司销售多种不同规格的硅石纳米颗粒，例如Nalco 2327。纳米颗粒与硅烷(如甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)进行反应会形成能够共聚到丙烯酸酯基质中的反应性纳米颗粒。
在一些情况下，将一种或多种表面增强层施加到增强层上可能比较有利。这些附加层可以起到多种功能，包括保护表面和增强耐久性(在硬涂层的例子中)，或易于清洁(在低表面能涂层的例子中)。可以采用的硬涂层的例子包括陶瓷聚合体(ceramer)，如美国专利5,104,929所描述的那些。通过施加这种硬涂层可以提供耐久性和耐磨性。
在其它实施例中，可以在薄膜外表面的一面或两面上设置附加层。例如，可以在一面或两面上设置用以提供耐久性(例如耐磨层或硬涂层)的层，或使薄膜易于清洁的层。可以采用的合适的硬涂层的例子包括陶瓷聚合体，如美国专利5,104,929所描述的那些。通过施加这种硬涂层可以增强耐久性和耐磨性。
为了提供易于清洁的特性(有时称为防污性)，特定的添加剂可以作为独立的表面层被施加于硬涂层顶部，或者在特殊情况下也可以添加到硬涂层内。一般来讲，将添加剂铺展到表面上，以使得较低含量水平的添加剂就可以提供所需性能。易于清洁的添加剂包括有机硅和氟化分子，但是优选使用后者，因其具有防油和防污性。在氟化物质中，具有反应性的氟化物(例如丙烯酸酯、硅烷、乙烯基醚和环氧化物)由于能够共聚合以及由此具有持久性，因而是理想的。全氟化丙烯酸酯、氟化丙烯酸酯、全氟聚醚丙烯酸酯、氟化和全氟化多元丙烯酸酯(多于一元的丙烯酸酯)均可用于开发易清洁的薄膜。反应性氟化物质与多官能交联剂(例如多官能丙烯酸酯(例如TMPTA、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯))、陶瓷聚合体或含有纳米颗粒的混合物的组合尤为理想。一种示例性单官能全氟聚醚丙烯酸酯化合物为HFPO-C(O)N(H)CH2CH2OC(O)CH＝CH2，其中HFPO是指优选的F(CF(CF3)CF2O)aCF(CF3)-基团，其中a平均为4到15。也可使用多元丙烯酸酯型的HFPO。
一些合适的易于清洁的化学物质包括使固化的组合物显示出大于90°(水)或大于50°(十六烷)的接触角的那些物质。一种用于评价“易于清洁”性能的替代方法是使用毡尖笔进行的。当表面的表面能升高时，从毡尖笔流出的油墨更容易成珠状，因而也更容易将油墨擦去。
易于清洁的表面不仅限于一种特定的化学物质，而是只要能使透过整个薄膜构造的光学透射率保持在所需水平，就可以将多种化学物质用于这种目的。这些附加的表面增强层可以按顺序涂覆或粘附到增强层上，以使得多个表面增强层彼此区别开来，或者也可以将其整合为一层。此外，在特别设计的系统中，表面增强特征可以作为增强层本身的一部分来制造，而无需另外的工序。
硬涂层和独立的易于清洁的表面增强层以及具有易于清洁的化学物质的硬涂层的应用，在美国专利申请No.10/841,159、11/026,700和11/087,413以及美国专利6,660,388中有所描述。一些合适的HFPO多元丙烯酸酯在美国专利申请No.11/009,181和11/121,742中有所描述。
这些附加表面层的例子并非想要进行限制，而是仅仅是示例性的。可以设想将其它表面层或附加表面层应用于显示器中。附加层还可以包括减静电层、导电或电屏蔽层、隔气或隔水层、阻燃剂、UV稳定剂、防反射层或其它光学涂层，以及防雾涂层。美国专利No.6,368,699描述了可以增加的多种其它附加涂层和附加层。
还可以在复合层上设置一层或多层可剥离的表层，以用于在存储和运输过程中保护下面的光学薄膜。这种可剥离的表层通常在使用薄膜组件前移除。可剥离的表层可以通过涂覆、挤出或其它合适方法设置到复合层上面，或者也可以通过共挤出或其它合适的方法与复合层一起形成。可剥离的表层可以用粘合剂粘附到薄膜上，但在一些实施例中，也不必使用粘合剂。可剥离的表层可以由任何保护性聚合物材料形成，所述聚合物材料与尺寸稳定层之间具有足够的粘结性(可根据需要带有或不带有粘合剂)，从而使得在人工或机械移除可剥离的表层之前，可剥离的表层保持在原位。合适的材料包括(例如)低熔点低结晶度聚烯烃，例如间同立构聚丙烯的共聚物(例如，得自Total Petrochemcials(Houston，Texas)的Finaplas 1571)、丙烯和乙烯的共聚物(例如，得自Arkema Inc.(Philadelphia，Pennsylvania)的PP8650)或乙烯-辛烯共聚物(例如，得自Dow(Midland，Michigan)的Affinity PT1451)。可任选的是，可以将聚烯烃材料的混合物用于可剥离的表层。优选的是，可剥离的表层材料根据差示扫描量热法(DSC)测量具有80℃到145℃的熔点，更优选具有90℃到135℃的熔点。根据ASTM D1238-95(“Flow Rates ofThermoplastics by Extrusion Plastometer”(用挤出塑性计测量热塑性塑料的流速))测定，在温度为230℃、力为21.6N的情况下，表层树脂通常具有7到18g/10分钟的熔体流动指数，优选具有10到14g/10分钟的熔体流动指数。
在一些实施例中，期望在移除可剥离层之后，没有可剥离的表层或任何相关粘合剂(如使用的话)的残留材料。可剥离的表层通常具有至少12μm的厚度。可任选的是，可剥离的表层可以包含染料、颜料或其它着色材料，以使得使用者更容易确定可剥离的表层是否在薄膜上。在一些实施例中，可剥离的表层还可以包含分布在可剥离表层内的颗粒，该颗粒应足够大(例如，至少0.1μm)，使得通过向具有可剥离表层的薄膜施加压力可以在下面的复合层上形成压花。可以将其它材料共混到可剥离表层内，以增强其与复合层的粘合力。尤其可以用含有乙酸乙烯酯或马来酸酐的改性聚烯烃来增强可剥离表层与复合层的粘合力。
在一些实施例中，可剥离表层可以包括粗糙的可剥离表层，该表层在被剥离时，使外露层具有一定的粗糙度，如美国专利申请No.10/977,211对此详细论述的那样。
一些示例性实施例可以使用能抵抗由于老化而导致发黄和模糊化的聚合物基质材料。例如，一些材料(例如芳族聚氨酯)在长期暴露于紫外光时会变得不稳定，并且随着时间推移会变色。如果长期保持同样的颜色很重要时，则可能希望避免采用这类材料。
可以在基质206中添加其它添加剂来改变聚合物的折射率或增加材料的强度。这种添加剂可以包括(例如)：有机添加剂，如聚合物小珠或颗粒和聚合物纳米颗粒。在一些实施例中，基质由两种或多种不同的单体按特定比例形成，其中每种单体在聚合时都与不同的最终折射率相关。不同单体的比例决定了最终的树脂206的折射率。
在其它实施例中，可以在基质206中添加无机添加剂以调节基质206的折射率，或增强材料的强度和/或刚度。例如，该无机材料可以为玻璃、陶瓷、玻璃-陶瓷或金属氧化物。可使用下文针对无机纤维论述的任何合适类型的玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷。合适类型的金属氧化物包括(例如)：二氧化钛、氧化铝、氧化锡、氧化锑、氧化锆、二氧化硅、其混合物或其混合氧化物。可以对金属氧化物纳米颗粒进行改性，使得表面附着有机改性剂。这些表面改性剂可以包括在固化过程中会与基质树脂发生反应、并与之结合在一起的反应性物质。这些无机材料可以作为纳米颗粒提供，例如以粉碎状、粉末状、小珠、薄片或颗粒状的形式提供，并分布在基质内。可以对金属氧化物纳米颗粒进行改性，以使得其表面附着有机改性剂。这些表面改性剂可以包括在固化过程中会与基质树脂发生反应、并与之结合在一起的反应性物质。颗粒的粒度优选小于约200nm，并且可以小于100nm甚至50nm，以减少通过基质206的光的散射。美国专利申请No.11/125,580更加详细地论述了添加剂的使用。
除了反射偏振层和复合层之外，薄膜还可任选地包括一层或多层。这些附加层通常用于改善复合光学体的整体性。具体地讲，附加层可以起到将反射偏振层与复合层结合的作用。在某些具体实施中，复合层和反射偏振层彼此不会直接形成紧密的结合。在这些具体实施中，中间层有利地将复合层粘附到反射偏振层上。
中间层的组成通常要经过选择，以便其与复合层和反射偏振层相容。中间层可以与光学薄膜和尺寸稳定层很好地结合。因此，对中间层中所用材料的选择往往随着复合层和反射偏振层的组成的变化而改变。
在某些具体实施中，中间层可以是可挤出的透明热熔粘合剂。这些层可以包含含有下列一种或多种成分的CoPEN，所述成分为：萘二甲酸(NDC)、对苯二甲酸二甲酯(DMT)、己二醇(HD)、三羟甲基丙烷(TMP)和乙二醇(EG)。包含NDC的层尤其适合将复合层粘附到包含PEN和/或CoPEN的反射偏振层上。在这些具体实施中，中间层的CoPEN在其每100份羧酸酯组分中通常包含20到80份的NDC，优选30到70份的NDC，更优选40到60份的NDC。
可以添加多种附加化合物，包括上面所列出的共聚单体。也可以添加诸如增塑剂和润滑剂之类的挤出助剂，以改善加工以及与其它层的粘附性。此外，也可以使用折射率与粘合剂聚合物的折射率不同的颗粒，如无机球体或聚合物珠。
可用于中间层的其它材料包括用乙酸乙烯改性的聚烯烃(如得自杜邦公司的ElvaxTM聚合物)和用马来酸酐改性的聚烯烃(如得自杜邦公司的BynelTM聚合物和得自Mitsui Chemicals(White Plains，New York)的AdmerTM聚合物)。
在某些具体实施中，中间层与反射偏振层和/或复合层一体化地形成。通过作为反射偏振层的暴露表面上的表层的方式，中间层可以与光学薄膜一体化地形成。该表层通常通过与反射偏振层共挤出而形成，以便与反射偏振层形成一体并结合在一起。选择这种表层是为了改善后续层与反射偏振层结合的能力。在反射偏振层与所用的具体复合层之间的亲和力本来很低时，该表层尤其有用。同样，通过同时共挤出或按顺序挤出到反射偏振层上的方式，中间层可以与复合层一体化地形成。在本发明的又一个具体实施中，可以在反射偏振层上形成表层，并使另一个中间层与复合层形成在一起。
如果采用挤出工艺，一个或多个中间层优选在温度为250℃以上的熔融相中具有热稳定性。因此，该中间层在高于250℃的温度下挤出时基本不会降解。中间层通常为透明或基本透明的，以避免减弱薄膜的光学性能。中间层的厚度通常小于2密耳(50μm)，更通常小于1密耳(25μm)，甚至更通常小于约0.5密耳(12μm)。优选使中间层的厚度最小，以保持薄膜组件。
中间层也可以由本领域内的技术人员已知的底漆构成，该底漆可以增强偏振层和增强层(或其它层)之间的粘合力。
除了中间粘合剂层和纤维复合层之外，还可以通过共挤出、层合或其它方式将顶部表面涂层附接在纤维复合层的顶面上，以更好地覆盖或隐藏玻璃纤维。该顶部表面涂层可以为与纤维复合层中的聚合物相同的聚合物，或者也可以是不同的聚合物。在一些实施例中，可能需要顶部表面涂层与下面的聚合物基质具有大致相同的折射率。
在图2B示意性地示出的增强型偏振膜220的另一个示例性实施例中，反射偏振层208和纤维增强层202之间设置有粘合剂层222。该粘合剂222可以是任何合适类型的粘合剂，例如光致聚合型层合粘合剂或压敏粘合剂。存在多种粘合剂可以选择，并且也为本领域内的技术人员所熟知。某些类型的粘合剂适合作为粘结层以用于将纤维复合材料共挤涂敷到DBEF或APF上，这类粘合剂包括无定形共聚酯，尤其是包含NDC(萘二甲酸酯)的共聚酯。APF是一种单轴拉伸的多层反射偏振器，其制法在美国专利申请No.10/933,729和10/933,895中有所论述。APF可得自3M公司(St.Paul，Minnesota)。
在图2B示意性地示出的增强型偏振膜220的另一个示例性实施例中，反射偏振层208和纤维增强层202之间设置有粘合剂层222。
纤维204可以采用任何合适类型的无机材料。纤维204可以由对通过薄膜的光线基本上透明的玻璃形成。合适的玻璃的例子包括通常用于玻璃纤维复合材料中的玻璃，例如E、C、A、S、R和D玻璃。也可以使用更优质的玻璃纤维，其包括(例如)熔融二氧化硅纤维和BK7玻璃纤维。合适的优质玻璃可得自多个供应商，如Schott North America Inc.(Elmsford，New York)。使用由这些优质玻璃制成的纤维可能是有利的，因为它们更纯净，因而具有更一致的折射率和更少的内含物，从而可以减少散射并增加透射。而且，纤维的机械性能更趋于一致。优质玻璃纤维不太容易吸收水分，因此薄膜在长期使用中更稳定。此外，可能有利的是，使用低碱玻璃，因为玻璃中的碱含量会使水分吸收增多。
可用作纤维204的另一类无机材料是玻璃-陶瓷材料。玻璃-陶瓷材料通常包含体积百分比为95％-98％的非常小的晶体，其粒度小于1微米。一些玻璃-陶瓷材料的晶体粒度小至50nm，从而使其在可见波长范围内高度透明，原因是晶体粒度比可见光波长小很多，以至于实际上不会发生散射。这些玻璃-陶瓷材料的玻璃态区域的折射率和结晶区域的折射率之间也可以只有非常小的(或没有)有效差值，从而使其在视觉上是透明的。除了透明性之外，玻璃-陶瓷材料的断裂强度可超过玻璃的断裂强度，并且已知该材料的热膨胀系数为零甚至为负值。所关注的玻璃-陶瓷材料的组成包括(但不限于)：Li2O-Al2O3-SiO2、CaO-Al2O3-SiO2、Li2O-MgO-ZnO-Al2O3-SiO2、Al2O3-SiO2、ZnO-Al2O3-ZrO2-SiO2、Li2O-Al2O3-SiO2和MgO-Al2O3-SiO2。
一些陶瓷的晶体粒度也非常小，以至于如果将其嵌入到折射率恰当匹配的基质聚合物内，该材料看上去是透明的。这类材料的例子是可得自3M公司(St.Paul，MN)的NextelTM陶瓷纤维，并且可以以线、纱和织造垫的形式获得。合适的陶瓷或玻璃-陶瓷材料在文献Chemistry of Glasses，2 nd Edition(玻璃化学(第二版))(A.Paul，Chapman and Hall，1990)与Introduction to Ceramics，2 nd Edition(陶瓷导论(第二版))(W.D.Kingery，John Wiley and Sons，1976)中进一步描述。
在一些示例性实施例中，可能期望基质206和纤维204的折射率之间不要完全匹配，以使得至少一些光被纤维204漫射。在这些实施例中，基质206和/或纤维204可以是双折射的，或者基质和纤维均为各向同性的。根据纤维204的尺寸，漫射由散射或单折射产生。由纤维产生的漫射为非各向同性的：光可以沿纤维轴的横交方向漫射，但不会沿着纤维的轴向漫射。因此，漫射的性质取决于基质内的纤维的方向。如果纤维的纵向(例如)平行于x轴，则光通常会在平行于y轴的方向漫射。
此外，基质206可以负载有各向同性地散射光的漫射颗粒。漫射颗粒是折射率与基质不同的颗粒，它常常具有较高的折射率，并具有最多约10μm的直径。漫射颗粒可以是(例如)金属氧化物，例如上文所述作为纳米颗粒用于调节基质折射率的金属氧化物。其它合适类型的漫射颗粒包括聚合物颗粒，如聚苯乙烯颗粒或聚硅氧烷颗粒或它们的组合。漫射颗粒可以单独用于使光漫射，或者也可以与折射率不匹配的纤维一起用来使光漫射。
纤维204在基质206内的一些示例性构造包括纱、在聚合物基质内沿同一方向布置的纤维束或纱、纤维织物、非织造材料、短纤维、磨碎纤维、短纤维垫(具有无规或有序的形式)或这些形式的组合。短纤维垫或非织造材料可以被拉伸、施加应力或取向以使纤维在非织造材料或短纤维垫内具有一定程度的同轴性，而不是使纤维无规排布。此外，基质206可以包含多层纤维204：例如，基质206可以包括更多层在不同的束、织物等中的纤维。在图2A所示的具体实施例中，纤维204布置成两层。在许多情况下，由于连续纤维具有较高的承载能力，因此连续或织造的纤维增强层可使最终制品具有更高的刚度。
下面结合图3描述制造增强型偏振膜的一种示例性方法。一般来讲，该方法包括将基质树脂直接施加到预制的反射偏振层上。制造装置300包括纤维增强材料302卷，该材料通过包含基质树脂306的浸渍槽304。采用任何合适的方法(例如，将纤维增强材料302通过一系列辊308)，使得树脂306浸入纤维增强材料302中。
一旦将浸渍的增强体310从浸渍槽304中取出，就将其施加到反射偏振层312上，如有必要可加入另外的树脂314。将浸渍的纤维增强体310和反射偏振层312在夹送辊316内挤压在一起，以确保310和312这两层之间产生良好的物理接触。可任选的是，可以使用(例如)涂布机320在增强层310上施加另外的树脂318。涂布机320可以是任何合适类型的涂布机，例如，刮刀涂布机、逗号式涂布机(图示)、刮棒涂布机、模具涂布机、喷涂机、帘式涂布机、高压喷射涂布机等。在其它要考虑的因素中，树脂在施加环境中的粘度决定了合适的涂覆方法。涂覆方法和树脂粘度也会影响在用基质树脂浸渍增强体的步骤期间，增强体内的气泡消除的速度和程度。
如果希望薄膜成品具有较低的散射，那么重要的是要在这一阶段确保树脂完全填充纤维之间的空间，因为留在树脂内的空隙和气泡都会成为散射中心。可以采用不同方法(以单独或组合的方式)来减少气泡的产生。例如，可以通过机械振动薄膜来促进树脂306散布在整个增强层310内。可以通过(例如)超声波源施加机械振动。此外，可以对薄膜施加真空，以去除树脂306中的气泡。这可以在涂覆的同时或之后在(例如)可任选的排气单元322内进行。
然后，可以在凝固工位324处使薄膜内的树脂306凝固。凝固包括固化、冷却、交联和使聚合物基质达到固态的任何其它处理。在图示的实施例中，使用辐射源324对树脂306进行辐射。在其它实施例中，可以向树脂306施加不同类型的能量(包括，但不限于：热能和压力、紫外线辐射、光化学辐射、电子束辐射等)，以使树脂306固化。在其它实施例中，可通过冷却或交联使树脂306凝固。在一些实施例中，凝固的薄膜326足够柔软，以至于可以被收集和储存在收卷辊328上。在其它实施例中，凝固的薄膜326太过刚硬而不能成卷，在这种情况下，以其它的方式储存薄膜，例如可以将薄膜326切成薄片后储存。
可以采用另外的方法或替代方法来形成本发明的复合膜组件。薄膜组件可具有多种构造，因此方法会随着薄膜组件成品构造的不同而不同。
在形成复合膜组件的所有方法中共同的步骤是将反射偏振器粘合到复合层上。除了上述浸渍槽、涂覆法和粘合剂法之外，此步操作还可通过多种方式进行，如共挤出各种层、挤压涂覆各层，或者(例如)在复合层和中间层同时挤压涂覆到反射偏振器上时共挤涂覆各层。
图3B示出用于根据本发明的一种实施方式形成光学薄膜的系统的平面图。包含反射偏振层332的卷轴330退绕并在红外光加热工位334加热。反射偏振层332通常被升温至50℃以上，更多情况下升温至大约75℃。用于形成复合层的第一组合物336和用于形成中间粘合剂层的第二组合物338被送入给料区340中并被共挤涂覆在预热的光学薄膜332上。第一组合物336包含用于形成基质的聚合物，该聚合物内嵌有纤维，例如短纤维。此后，经涂覆的薄膜被压在辊342和344之间。辊342和/或辊344可任选地包含粗糙面，以便在复合层上形成略微漫射的表面。冷却之后，可以接着对增强型偏振膜346进行加工(例如将其切成薄片)，以形成成品薄膜组件并将其卷到卷绕器348上。
制作纤维增强型偏振器的另一种方法是，首先在载体薄膜上制作复合层，然后再将复合层与载体薄膜分开。随后，可以将复合层送入具有层合粘合剂或压敏粘合剂以及所需光学薄膜的层合工艺中。图4示意性地示出了这种方法。在制造系统400中，一层粘合剂404被设置在反射偏振膜402上。粘合剂404可以是用于将两层薄膜层合在一起的任何合适类型的粘合剂。例如，该粘合剂可以是以上讨论的粘合剂。在图示实施例中，施加的粘合剂404是液体，使用涂布机406将其铺展成薄薄的一层。
然后在粘合剂406上铺置预制的纤维增强复合层408，并(例如)使用压力辊410将纤维增强层408与反射偏振膜402挤压在一起，以形成增强层合物412。如果需要，可以接着将粘合剂404固化(例如通过施加辐射414来实现)。然后，可以将固化的层合物416卷集在辊418上，或切成薄片进行储存。
在该方法的一个变体中，可以首先将粘合剂404施加到纤维增强层上，然后再将反射偏振器压置在粘合剂404上。
光引发接枝法或接枝共聚法是可用于将复合层附接到反射偏振器或其它表面上的表面制备/附接方法。
应当理解，可以将纤维增强层附接到反射偏振膜的每一面上。图5示意性地示出增强型反射偏振器500的一个示例性实施例，所述增强型反射偏振器500具有夹在两个纤维增强层504和506之间的反射偏振层502。纤维增强层504和506可以用粘合剂或通过使增强层504和506的基质固化而附接到反射偏振层502上。在一些情况下，可能需要底漆来确保增强层的基质和偏振膜之间具有足够的粘合力。
在用于反射偏振器的温度发生显著变化的应用中时，这种将反射偏振层502设置在两个纤维增强层504和506之间的构造可以用于减少翘曲。由于采用无机纤维，所以纤维增强层504和506的热膨胀系数通常要比聚合物反射偏振层502的热膨胀系数小。在薄膜所含的反射偏振层仅与一层纤维增强层附接的情况下，由于两层材料之间的热膨胀系数不同，因此显著的温度变化可能会使薄膜弯曲。使用第二纤维增强层可以使薄膜的热致应力更加对称，因此可以减少与温度相关的变形。两层纤维增强层504和506的热膨胀系数可以基本相同，例如彼此相差20％以内。
也可将其它层附接到增强型反射偏振器上，例如将其直接附接到反射偏振层上，或附接到与反射偏振层相连的纤维增强层上。增强型反射偏振器可以包括一个或多个纤维增强层。图6示意性地示出包括附加光学层的增强偏振层600的一般例子。在图示的实施例中，增强型偏振器600具有附接到纤维增强层604上的反射偏振层602。附加光学层606附接到反射偏振层602上。光学层606可以是需要附接到增强型反射偏振层600上的任何其它光学层。例如，光学层606可以包括透射、漫射或反射的光学层。漫射层可以(例如)包括分散在基质内的光学漫射颗粒。反射层可以是镜面反射层，例如由聚合物或其它介电材料形成的多层薄膜。在一些示例性的实施例中，光学层606可以是另一个偏振层，例如反射偏振器或吸收偏振器。
在其它示例性实施例中，光学层606可以是包括光学功能表面的光学层。具有光学功能表面的不同示例类型的光学层包括具有棱镜表面的薄膜、具有透镜表面的薄膜、具有衍射表面的薄膜、具有扩散表面的薄膜以及具有聚光表面的薄膜。
具有棱镜表面的薄膜包括棱镜增亮膜(其中光线通过棱镜表面透过薄膜)、转向薄膜(其中光线经过棱镜表面进入薄膜)和回射薄膜(其中光线通过与棱镜表面相对的表面进入薄膜，并被棱镜回射)。
图7A示意性地示出附接到棱镜膜上的增强型偏振膜700的示例性实施例。增强膜700包括附接到纤维增强层704上的反射偏振层702。在该示例性实施例中，棱镜增亮层708的棱镜表面706与反射偏振器702的下表面710附接(例如通过使用在表面710上的薄层粘合剂进行附接)。美国专利No.6,846,089更详细地论述了将棱镜增亮层附接到其它光学薄膜上的情况。附图也示出一条示例性光线712的光路，该光线712被棱镜增亮膜转向到与轴714更为平行的方向。
在图7B示意性地示出的一个可供选择的实施例中，薄膜720可以被布置为使得光线712在进入增亮层708之前先进入反射偏振层702。在该实施例中，纤维增强层704可位于反射偏振层702和增亮层708之间(如图所示)，或者反射偏振层702可位于纤维增强层704和增亮层708之间。
在一些实施例中，可能希望(例如)通过控制纤维定向角、纤维厚度或纤维节距这样的方式来布置纤维，以减小或消除某些光学伪影。可以除去的光学伪影的一个例子是不希望看到的叠栅图纹，这种叠栅图纹可以在纤维和其它结构(例如显示器或背光源局部的棱镜结构或像素结构)之间形成。
图7C示意性地示出附接到转向薄膜732上的增强型偏振膜730的示例性实施例。增强膜730包括与纤维增强层704附接的反射偏振层702。转向薄膜732可以使用任何合适的方法与反射偏振层702附接，例如在转向薄膜732和偏振层702之间使用粘合剂层(未示出)。
在该示例性实施例中，转向薄膜732的棱镜表面734向外朝向将光线736引入到增强膜730的区域。至少一些光线736进入棱镜表面734并且发生内反射，结果将光线向上引入到反射偏振层702上。如果光线736以偏振层702的通过偏振态偏振，则该光线736被透射，如图所示的那样。
图7D示意性地示出附接到回射薄膜752上的增强型偏振膜750的示例性实施例。增强膜750包括附接到纤维增强层704上的反射偏振层702。回射膜752可以通过任何合适方法附接到反射偏振层702上，如在回射膜752和偏振层702之间使用粘合剂层(未示出)。
在该示例性实施例中，回射膜752的棱镜结构754位于增强膜750上的背离光线入射区域的一侧。至少一些光线756透过反射偏振器702，并且被该棱镜结构全内反射，以便沿着基本上平行于入射方向的方向离开回射膜752。在这种构造中，平行于偏振膜702的透光轴偏振的光被回射，而平行于偏振膜的遮光轴偏振的光758被镜面反射或漫反射，这取决于反射偏振膜702的类型。
在另一个示例性实施例中，可以将具有结构化表面(该表面为通过其中的光线提供光焦度)的光学层与增强型偏振器附接。提供光焦度的光学元件的例子包括传统的曲面折射透镜、菲涅耳透镜以及衍射透镜。图8A示意性地示出包括可以提供光焦度的层的增强型偏振膜800的示例性实施例。增强膜800包括与纤维增强层804附接的反射偏振层802。可以采用任何合适的方法将光焦度薄膜806附接到反射偏振层802上，例如在光焦度薄膜806和偏振层802之间使用粘合剂层(未示出)。
在该示例性实施例中，光焦度薄膜806包括限定多个折射透镜810的表面808。穿过透镜810的光线812受透镜810的光焦度的影响。在图示实施例中，透镜810为正透镜，但其中一个或多个透镜可以是负透镜。在图示的实施例中，光线812沿平行于偏振膜802的透光轴的方向偏振。
图8B示意性地示出包括可以提供光焦度的层的增强型偏振膜820的另一个示例性实施例。增强膜820包括附接到纤维增强层804的反射偏振层802。可以采用任何合适的方法将光焦度薄膜822附接到反射偏振层802上，例如在光焦度薄膜822和偏振层802之间使用粘合剂层(未示出)。
在该示例性实施例中，光焦度薄膜822包括菲涅耳透镜表面824。穿过菲涅耳透镜824的光线826受光焦度薄膜822的光焦度的影响。在图示的实施例中，被菲涅耳透镜824聚焦的光线826沿着平行于偏振膜802的透光轴的方向偏振。
增强型偏振膜还可以设置有衍射光学元件层，即限定衍射光学元件(DOE)的层。衍射光学元件可以采用表面衍射、体衍射、或表面衍射和体衍射的组合。图8C示意性地示出表面DOE层的一个示例性实施例。增强膜840包括附接到纤维增强层804的反射偏振层802。DOE层842具有衍射表面844，该表面以所需的方式衍射穿过其中的光线846。在一个示例性实施例中，DOE层842为光线846提供光焦度，并且起到一个或多个透镜的作用。可以采用任何合适的方法将DOE层842附接到反射偏振层802上，例如在DOE膜842和偏振层802之间使用粘合剂层(未示出)。
可以附接到增强型偏振器上的另一类薄膜是扩散膜。扩散膜可以是体扩散膜或表面扩散膜，或者是同时产生体扩散和表面扩散的薄膜。该扩散膜可以是所谓的“增益扩散片”，这种扩散片使得一定量的入射光准直，一定量的入射光扩散。图9示意性地示出增强型偏振膜900的一个示例性实施例。增强型偏振膜900具有附接到一个或多个纤维增强层904上的偏振层902。扩散层906附接到偏振层902或增强层904上。可以用任何合适的方法附接扩散层906，例如通过使用粘合剂层(未示出)来实现。在示例性实施例中，光线908在透过反射偏振层902之前被扩散层906扩散。在一些实施例中，扩散层906可以是这样的纤维增强层，其中增强纤维和聚合物基质之间存在折射率失配。
可以附接到增强型偏振器上的另一类薄膜是聚光膜。聚光器是反射元件(通常为非成像元件)，它可以将大区域的光线会聚到小区域内。聚光器的例子包括抛物面反射器和复合式抛物面反射器等。在图示的示例性实施例中，反射偏振层1002附接到如上所述的纤维增强层1004上。聚光膜1006被附接到反射偏振层1002或纤维增强层1004上。聚光膜1006包括具有反射侧壁1010的多个反射聚光器1008。光线1012在聚光薄膜1006的输出孔径1014处会聚。当在相反方向被照明时，聚光器可以充当光准直膜的作用，这种准直膜可用于显示器背光源中。
应当理解，可以添加到反射偏振层上的许多不同的光学膜既可具有光学功能，又能起到纤维增强体的作用。例如，具有光学功能表面的层(例如图7A、7B和7C分别示出的棱镜膜708、732和752，或图8A、8B和8C分别示出的透镜膜806、822或842)可以用无机纤维增强，这在美国专利申请No.11/125,580中有详细描述。此外，扩散层906或聚光层1006都可以用无机纤维增强。
在图6-10示出的增强型偏振膜的不同实施例中，重要的是要认识到不同层的顺序和取向可以与图中所示的情况不同。例如，在图7A示意性地示出的薄膜700的实施例中，反射偏振层702和增强层704可以互换位置，从而使棱镜增亮层708附接到增强层的下侧。此外，在所有示出增加了另一个光学膜的实例中，都可以有两层或多层纤维增强层，而不是图中所示的一层。
实例
本发明所选的实施例描述如下。这些实例不是用来限定，而只是为了说明本发明的一些方面。表I包含了在不同实例中使用的不同无机纤维样品的相关信息概要。
表I 实例中所用的各种纤维材料的总表
 
材料编号 制造商 型号 纱线名称 重量(gm-2) 折射率    
A Hexcel Reinforcements 106 ECD 900 1/0 25 1.549
A* Hexcel Reinforcements 106 ECD 900 1/0 25 1.551
B Owens Corning 1.56
纤维材料A为玻璃纤维坯布(没有进行表面整理)，而材料A*与材料A相同，只是带有CS-767硅烷表面整理剂。Hexcel Reinforcements公司位于南卡罗来纳州Anderson市。纤维材料B为Owens Corning公司(Toledo，Ohio)制造的磨碎玻璃纤维，其直径为约16μm，长度为约5mm。从供应商处获得的材料A的纤维带有覆盖纤维的浆料。浆料是纤维上的层，其通常由淀粉、润滑剂或水溶性聚合物(如聚乙烯醇)构成，用于方便纤维的加工或编织。在如下所述使用材料A的纤维的实例中，在将纤维嵌入到聚合物基质内之前，浆料保留在纤维上。因此，在没有偶联剂使纤维和聚合物基质之间产生偶联的情况下，将纤维包含在复合样品中。材料A*的纤维上的浆料在添加CS-767硅烷表面整理剂之前就已经被制造商除去。
采用物镜为20×/0.50的透射单偏振光显微镜(TSP)和物镜为20×/0.50的透射Zernike相差显微镜(PCZ)测量表I所列纤维样品的折射率(RI)。测量折射率所用的纤维样品是用刀片切割得到的纤维的多个部分。将纤维放入玻璃载片上的多种折射率油内，并盖上盖玻片。采用Zeiss Axioplan(Carl Zeiss，Germany)对样品进行分析。用MiltonRoy Inc.(Rochester，New York)制造的ABBE-3L折射计对折射率油进行校正，并对数值进行相应调整。采用相差显微镜结合贝克线法确定样品的折射率。每个样品的nD值(在钠D线的波长589nm下的折射率)的标称结果的精度为±0.002。
表II汇总了实例1-5所用的各种热固性树脂的概要信息。
表II树脂组分
 
组分编号 制造商 树脂组分 折射率
C Cytec Surface Specialties Ebecryl 600 1.5553
D Sartomer Company，Inc. CN 963 A 80 1.4818
E Sartomer Company，Inc. S R601 1.5340
F Sartomer Company，Inc. SR 349 1.5425
G Ciba Specialty Chemicals Corp. Darocur 1173 1.5286
H Sartomer Company，Inc. SR 351 1.4723
除了Darocur 1173(光引发剂)之外，表II中的所有组分均为固化时交联的光致聚合型树脂。CN963A80为聚氨酯丙烯酸酯低聚物与二缩三丙二醇二丙烯酸酯的共混物。Ebecryl 600为双酚A环氧二丙烯酸酯低聚物。SR601和SR349为乙氧基化双酚A二丙烯酸酯。SR351为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。由Sartomer公司制造的组分的折射率数据来自产品资料。其它组分的折射率是使用Abbe折射计在20℃下测得的。给出的折射率数值是组分在液态下的值。Cytec Surface Specialties位于比利时的布鲁塞尔市，Sartomer Company，Inc.位于宾夕法尼亚州的Exton市，CibaSpecialty Chemicals Corp.位于新泽西州的Tarrytown市。
在下面一些实例中，应指出的是，反射偏振层直接附接到复合材料层 上。应该理解，这意味着反射偏振层和复合材料层之间没有居间层，但也 可以采用可任选的底漆来帮助将这两层附接。
实例1-直接附接到复合材料层上的DBEF
在该实例中，在已有的DBEF(3M公司制造的多层聚合物反射偏振器)层上形成纤维增强层。该偏振器与3M公司销售的DBEF-P2偏振器非常相似，只不过前者的表层更薄。纤维为表I所列的纤维材料A。树脂混合物(“树脂混合物1”)由以下重量百分比的不同树脂组分形成：
树脂组分      重量％
C             48.85
D             29.42
E             5.07
F             15.25
G               1.04
根据批次的不同，测得“树脂混合物1”固化后的折射率为1.5470或1.5462。在本实例中，在四片独立的DBEF上涂上底漆，然后将一层玻璃纤维布和树脂施加到每片DBEF薄膜的每一面上，除去气体并使之固化。涂底漆的目的是为了增强丙烯酸酯树脂与DBEF薄膜之间的粘合力。一种底漆由97％(w/w)的二丙烯酸己二醇酯和3％(w/w)的二苯甲酮构成。在9″×12″(22.9cm×30.5cm)薄膜片上涂底漆时，在薄膜的一个表面上滴三滴底漆溶液，并用纸巾擦拭以进行涂覆。多余的底漆可以用干净的纸巾擦除。采用在600W/in(240W/cm)下工作的Fusion H灯以50fpm(25cm s- 1)的线速度、在氮气环境下固化底漆涂层。底漆涂层也可以在空气中以较低的约25fpm(12.5cm s-1)的线速度进行固化。然后使用涂底漆的DBEF薄片制作增强的DBEF复合体。
将PET薄片的前缘与铝片的前缘粘贴在一起。将涂底漆的DBEF薄片置于PET薄片上。在DBEF上放置一片玻璃布。该玻璃布用第二片PET覆盖。第二片PET的前缘与铝板的前缘粘贴在一起。将铝板的前缘置于手动层合机内。将上PET片和玻璃布向后剥离，以形成进入DBEF薄片的入口。在最靠近层合辊的DBEF边缘上施加树脂珠。以稳定的速率将夹层结构送入层合机，使树脂渗入玻璃布并且涂覆DBEF。
将仍然附接在铝板上的层合物放入在60℃和65℃之间加热的真空烘箱内。烘箱被抽空到27英寸(68.6cm)汞柱的压力，并且对层合物脱气四分钟。向烘箱内通入氮气以解除真空状态。将层合物再次通过层合机。将层合物以15cm s-1的速度通过在600W/in(240W/cm)下工作的Fusion D灯的下方进行固化。
采用下列技术在DBEF薄膜的另一侧形成第二增强层。将下PET片小心地从DBEF薄膜上剥离。将上PET片(承载DBEF上的被包封的玻璃布)面朝上置于铝板上，并且将其前缘按上述方式与铝板粘贴。将第二片玻璃布置于DBEF的第二侧面上，并用另一片PET覆盖，然后将PET的前缘粘贴到铝板上。将铝板前缘置于手动层合机内。将上PET片和玻璃布向后剥离，以形成进入DBEF薄片的入口。在DBEF最靠近层合辊的边缘上施加树脂珠。以稳定的速率将夹层结构送入层合机内，使树脂渗入玻璃布并涂覆DBEF的第二侧面。
用上述用于对DBEF第一侧面的树脂层脱气的相同技术对层合物脱气。再一次将层合物通过层合机。将层合物以15cm s-1的速度通过在600W/in(240W/cm)下工作的Fusion D灯的下方进行固化。
将两片PET从纤维增强的DBEF复合体上移除。通过目测、翘曲测试和光学测量对实例1中所得的DBEF复合体进行表征。
目视检查之后，与DBEF-D400(得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的反射偏振器，两层聚碳酸酯之间夹有一层DBEF)比较，纤维增强样品的定性的DBEF透射和偏振效果与DBEF-D400的情况类似。
对实例1的样品的光学和翘曲特性进行测试，并且测试结果在表III和VI中列出。
实例2-直接附接到复合层上的DBEF
实例2采用纤维材料A作为增强体，只不过在玻璃纤维上具有反应性硅烷类CS767表面整理剂。这是一种据制造商称可以增强玻璃纤维与环氧树脂、聚酰胺和氰酸酯树脂之间的粘合力的表面整理剂。树脂混合物(“树脂混合物3”)由以下重量百分比的不同树脂组分构成：
树脂组分       重量％
C              69.3
H              29.7
G              1.04
固化之后，测得“树脂混合物2”的折射率为1.5517。如上文实例1所述的那样，将一层织造玻璃纤维布和树脂施加到一片涂底漆的DBEF薄膜的每一侧上，除去气体并且使之固化。
表III包括实例2中制备的样品的光学特性概况，并且表IV和V概括了其机械性能。
实例3-直接附接到复合层上的DRPF
实例3与实例2基本相同，不同的是反射偏振器为一片漫反射偏振膜，其为由3M公司(St.Paul，Minnesota)提供的商品名为DRPF的薄膜。表III概括了实例3的样品的光学特性。
实例4-直接附接到复合层上的APF
实例4采用与实例3相同的玻璃纤维布和树脂。反射偏振膜为一片APF(高级偏振膜)，其是得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的单轴拉伸多层反射偏振器。在该薄膜中，双折射层的nz值与双折射层的nx值相匹配。
实例4中的固化和附接方法与实例2所用的方法基本相同，不同的是底漆是由97重量％的二缩三丙二醇二丙烯酸酯(产品代码 SR 306，由Sartomer提供)和3重量％的二苯甲酮构成。同样，在50英尺/分钟(0.25m s-1)的条件下对底漆进行光照。
表III概述了实例4的薄膜的光学特性，表IV和V则示出测得的附接和没有附接复合层的偏振膜的机械性能。
实例5 与Xylex玻璃纤维复合材料层合的DBEF
使用UV固化型UVX1962丙烯酸酯粘合剂将反射偏振膜(前面所述的DBEF)层合到7密耳(175μm)的Xylex聚合物玻璃纤维复合结构上。Xylex玻璃纤维复合结构层是通过25mm共旋转双螺杆挤出机将10重量％的磨碎玻璃纤维(得自Owens Corning)与Xylex 7200(得自GeneralElectric Plastics的共聚酯/聚碳酸酯共混物)共混而成的。在271℃下将5密耳(125μm)的Xylex玻璃纤维复合层与两层1密耳(25μm)的Xylex表层共挤成型，从而形成7密耳(175μm)厚的复合结构层。接着将一层1密耳(25μm)厚的UVX1962粘合剂涂覆到DBEF上，然后再与Xylex玻璃纤维复合结构层合在一起。将层合结构以20fpm(10cm/s)的线速度从两个光强度为400瓦特/英寸(160W/cm)的UV D灯下通过，从而对UVX1962丙烯酸酯粘合剂进行固化。使用UV固化型粘合剂将DBEF反射偏振器与Xylex聚合物玻璃纤维复合物层合之后，所得到的薄膜构造的厚度为12密耳(300μm)。使用有效透射率测试仪进行测量，该复合膜增加的亮度值为1.65。
实例6：共挤涂覆有PMMA玻璃纤维复合表层的DBEF
最开始的反射偏振膜为实例5所述的PEN/CoPEN多层层叠件。使用红外光加热器将该反射偏振膜预热到65℃，然后以7.5fpm(3.8cm s-1)的速度将其送入辊隙，同时共挤涂覆PMMA表涂层、PMMA-玻璃纤维增强结构层和CoPEN5050HH粘结层。
PMMA玻璃纤维复合聚合物含有20重量％的玻璃纤维，并且由PolyOneCorp(Avon Lake，Ohio)以商品名PMMA-20FG提供。在271℃下将PMMA表涂层、PMMA玻璃复合层和CoPEN5050HH粘结层共挤到多层反射偏振器上，从而形成1.0密耳(25微米)厚的PMMA表涂层、4密耳(100μm)厚的PMMA玻璃纤维复合结构层以及1密耳(25μm)厚的粘结层。使用橡胶轧辊将带有共挤涂覆层的多层偏振器挤压到均方根表面粗糙度为150nmrms的浇铸轮(处于83℃的温度下)上，以在表涂层上形成粗糙面。复合在一起的多层反射偏振器与共挤涂覆的PMMA玻璃纤维复合材料形成了10密耳(250μm)厚的最终的薄膜构造。使用有效透射率测试仪进行测量，该复合膜增加的亮度值为1.67。
实例7：具有SAN玻璃纤维复合表层的DBEF
使用红外光加热器将反射偏振膜(前面所述的DBEF)预热到65℃，然后以7.5fpm(3.7cm s-1)的速度将其送入辊隙，同时共挤涂覆SAN玻璃纤维聚合物复合结构层和CoPEN5545HD粘结层。SAN玻璃纤维复合结构层是用10重量％的磨碎玻璃纤维(得自Owens Corning)和SAN Tyril 880(得自Dow(Midland Michigan)的苯乙烯-丙烯腈)共混而成的。3密耳(75μm)厚的SAN玻璃纤维复合层、0.5密耳(13μm)厚的CoPEN5545HD粘结层和4密耳(100μm)厚的多层反射偏振器的总厚度为7.5密耳(188μm)。使用轧辊将带有共挤涂覆层的多层偏振器挤压到均方根表面粗糙度为150nm的浇铸轮(处于83℃的温度下)上，以在SAN表面上形成粗糙面。重复同一方法将另一个CoPEN5545HD粘结层和另一个复合结构层施加到多层反射偏振器的另一侧，从而形成11密耳厚的最终的薄膜构造。
实例8：与NAS30玻璃纤维布聚合物复合材料层合的DBEF
可以通过以下方法制造玻璃纤维增强的聚合物复合材料，所述方法为：将折射率匹配的聚合物(例如，得自Nova Chemicals(MoonTownship，PA)的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物NAS30)挤压涂覆到由HexcelReinforcements Corp制造的织造玻璃纤维布中，然后使用UV固化型粘合剂将其层合到DBEF上。例如，可以在270℃将NAS30挤出，同时将其与织造玻璃纤维布一起送入高压辊隙中，并贴靠在图3B所示的浇铸轮上骤冷，从而形成厚度大约为5密耳(125μm)的玻璃纤维布聚合物复合材料。浇铸轮表面可以具有纹理(例如具有150nm的均方根表面粗糙度)，以便在玻璃纤维布聚合物复合材料上形成粗糙面。
然后可以在之前制造的DBEF上涂覆一层大约1密耳(25μm)厚的UVX1962粘合剂，接着将其层合到苯乙烯-丙烯酸酯玻璃纤维布复合构造上。然后将层合构造从能提供适量的紫外线辐射的辐射源(如实例5所述的辐射源)下通过，从而对UVX1962丙烯酸酯粘合剂进行固化。当使用UV固化型粘合剂将反射偏振器与苯乙烯-丙烯酸酯共聚物玻璃纤维布复合材料层合之后，最终的薄膜构造的厚度为约10密耳(250μm)。
实例9：共挤涂覆有Xylex和织造玻璃纤维布的DBEF
多层反射偏振器(例如DBEF)可以共挤涂覆有折射率匹配的聚合物(如Xylex 7200)和织造玻璃纤维布(如Hexcel Reinforcements Corp.制造的产品)。例如，可以在270℃下将Xylex 7200挤出，同时将其与织造玻璃纤维布和DBEF一起送入高压辊隙，并贴靠在图3B所示的浇铸轮上骤冷，从而形成厚8密耳(200μm)的玻璃纤维布聚合物复合材料。可以用红外光加热器将DBEF和织造玻璃纤维布预热到85℃。浇铸轮表面可以具有纹理(例如具有大约150nm的均方根表面粗糙度)，以便在玻璃纤维布聚合物复合材料上形成粗糙面。
实例10：共挤涂覆有Xylex和织造玻璃纤维布的DBEF
多层反射偏振器(例如DBEF)可以共挤涂覆有折射率匹配的聚合物(如Xylex 7200)和织造玻璃纤维布(如Hexcel Reinforcements Corp.制造的产品)。例如，可以在270℃下将Xylex 7200挤出，同时将其与织造玻璃纤维布和DBEF一起送入高压辊隙，并贴靠在图3B所示的浇铸轮上骤冷，从而形成厚8密耳(200μm)的玻璃纤维布聚合物复合材料。可以用红外光加热器将DBEF和织造玻璃纤维布预热到85℃。浇铸轮表面可以具有纹理(例如具有大约150nm rms的均方根表面粗糙度)，以便在玻璃纤维布聚合物复合材料上形成粗糙面。然后可以在DBEF层的另一侧上重复相同的聚合物玻璃纤维布共挤涂覆工艺，从而形成总厚度为约12密耳(300μm)的玻璃纤维聚合物复合材料。
实例11(比较例)共挤涂覆有PMMA层的DBEF
在本例中，对多层反射偏振器(前面所述的DBEF)共挤涂覆PMMA和CoPEN粘结层。使用红外光加热器将反射偏振器预热到65℃，然后以7.5fpm(3.8cm s-1)的速度将其送入轧辊，同时共挤涂覆PMMA表涂层、PMMA结构层和CoPEN5050HH粘结层。用作结构层和表涂层的PMMA由Atofina以商品名VO44提供。在271℃下将PMMA表涂层、PMMA结构层和CoPEN5050HH粘结层共挤到多层反射偏振器上，从而形成厚度为1密耳(25微米)的PMMA表涂层、厚度为4密耳(100μm)的PMMA结构层和厚度为1.0密耳(25μm)的粘结层。使用橡胶轧辊将共挤涂覆层挤压到均方根表面粗糙度为150nm的浇铸轮(处于83℃的温度下)上，以便在表涂层上形成粗糙面。复合在一起的多层反射偏振器和共挤涂覆层具有10密耳(250μm)的总厚度。
对PMMA共挤涂覆偏振膜进行翘曲测试(如下所述)，观察到其产生不可接受的翘曲。
光学特性
对不同实例的复合体进行光学透射率、反射率、雾度和颜色方面的测试。使用BYK Gardner公司(Silver Spring，Maryland)提供的BYKGardner Haze-Gard Plus仪表(产品目录编号4723)测量透射率(T)、雾度(H)和透明度(C)。可以根据题目为“Standard Test Method forHaze and Luminous Transmittance for Transparent Plastics”(透明塑料的雾度和光透射比的标准测试方法)的ASTM-D1003-00标准来确定透射率和雾度水平。在测量过程中仪表以空气作为参照标准。透光率(T)测量值表示为透射百分比的形式。雾度是由样品产生的光的散射程度，所述样品造成透过其观察的物体的对比度降低。雾度H以被散射的透射光的百分比的形式表示，该散射光的方向偏离入射光束的方向超过规定的角度。透明度是用环形检测器并将小角度散射光分量与镜面透射分量进行比较而评价的。散射的精确角度范围以及所得数据取决于用于这类测量的仪表的构造。
使用BYK Gardner Colorsphere(产品目录编号6465)测量1976CIE L* a* b*色空间中的颜色。测试步骤与ASTM E1164：“ObtainingSpectrometric Data for Object-Color Evaluation”(获得用于评价物体颜色的光谱数据)中所描述的步骤相同。将仪表进行校准以计算由空气引起的样品的色移。
使用配有PELA-1000积分球附件的Perkin-Elmer Lambda 900分光光度计(Perkin-Elmer Lambda 900 Spectrophotometer)(型号：BV900ND0)在400-700nm的范围内测量透光率(％ T)和反射率(％ R)。积分球直径为150mm(6英寸)，并且符合在“ASTM Standards on Colorand Appearance Measurement”，Third Edition，ASTM，1991(用于颜色和外观测量的ASTM标准)中公布的ASTM方法E903、D1003和E308等。在测量过程中仪表以空气作为参照标准。分光光度计的扫描速度为约1250nm/min，并且紫外-可见光积分为120ms/pt。数据间隔和分辨率为5nm。所给出的透射率和反射率数据以在550nm下测得的百分比的形式表示。反射率数据用已知的镜面反射率标准进行校正。
在每个样品的四个不同的点测量其厚度。以(t)标记的一列数据表示厚度测量值的平均值，单位为微米。
通过将样品薄膜放入用稳定宽带光源照明的漫透射中空灯箱中来测量相对增益(也称为有效透射率)。使用得自Photo Research，Inc(Chatsworth，CA)的SpectraScanTM PR-650光谱色度计(SpectraScanTMPR-650 SpectraColorimeter)通过吸收偏振器测量其轴向亮度(垂直于薄膜平面的方向的亮度)。相对增益的计算方法是：将亮度测量值赋以一定的光谱权重，然后用存在样品薄膜时测得的亮度除以没有样品薄膜(只有灯箱)时测得的亮度。这种测量方法在不同薄膜样品之间提供了稳定而可重复的对比增益值。
标有星号的％反射率值表示仅在偏振器的透光轴处于垂直位置时由样品得到的测定值。所有其它的％反射率值都按偏振器透光轴垂直时测得的％反射率值和透光轴水平时测得的％反射率值的平均值来计算。此外，对于所有不带星号的反射率和透射率测量值，在Lambda 900中都使用去偏振器来产生用于测量的去偏振光。由于去偏振不彻底，因此除了带“*”的测定值之外，对所有样品均报告了两种排列状态的透射率和反射率的平均值。
对于DBEF样品(实例1和2)而言，附接到偏振器上的复合膜的厚度为约41微米，对于DRPF样品(实例3)而言，该厚度为约39微米，并且对于APF样品(实例4)而言，该厚度为约46微米。
增益测量值表明，当基础偏振膜与复合材料结合时增益的减少量通常非常小。增益损耗很可能是由污染物、树脂和H-106玻璃纤维的折射率不完全匹配、或者未从树脂体系中完全消除而残留在复合材料内的气泡产生的光散射所导致的。
使用Lambda 900测得的“裸”偏振膜的透射率和反射率值与每一面均具有复合材料层的偏振膜的透射率和反射率值非常接近。
注意到偏振膜和对应的复合材料之间在L*、a*和b*的测量值上有细微差别。对于DRPF和APF来说，复合材料使b*值略微增加。然而对于DBEF来说，DBEF复合材料的b*值略小于对应的DBEF薄膜的值。
在BYK Haze-Gard上测得的T、H和C的结果是混杂的。在一些情况下，复合材料的透明度减小，而雾度增加；在其它情况下，复合材料的透明度增加，而雾度减小(相比母体光学膜而言)。表III汇总了测量结果，以及对应于实例2-4但没有纤维增强体的对照例的值：这些对照例在表中的玻璃材料一列中以“无”来表示。
机械性能
在具有膜拉伸试件的Perkin Elmer TMA 7上，采用标准热力学分析法测定实例2和实例4的热膨胀系数(CTE)。与标准TMA测试有关的术语如ASTM E-473和ASTM E-11359-1中所定义。CTE测试的过程为：首先将样品逐渐加热至110℃(“首次加热”)以消除残余应力，将样品冷却并且让其松弛，最后将样品再次从20℃加热至110℃(第二次加热CTE)。对于大多数样品而言，通过采用30-110℃的线性膨胀区域来计算CTE，而对于少数样品而言，由于在高温区域存在非线性行为，所以将该计算范围缩小到30-100℃或30-80℃。CTE测量在两个方向进行，所述方向即平行于偏振器的透光轴的方向和平行于偏振器的遮光轴方向。
表IV汇总了CTE的测量值。表中列出样品编号或示出该样品是否为对照测量物。在未附接增强复合层的DBEF和APF薄膜上进行对照测量。表中还列出了样品的简要描述，并给出了单位为ppm/℃的第二次加热CTE的平均值。CTE测量是在两个不同的方向上单独进行的，所述的方向即平行于偏振器的透光轴的方向和平行于偏振器的遮光轴的方向。
表IV.在体现本发明实用性的一些代表性样品上测得的热膨胀系数 (CTE)值
 
实例编号 简要描述 偏振器取向   第二次加热CTE平均值(ppm/℃)   与对照物相比，复合材料的CTE减少值(ppm/℃)    
2 具有H-106复合材料的DBEF 透光 45.6 46.8
对照物 DBEF对照物 透光 92.4
2 具有H-106复合材料的DBEF 遮光 36.4 0.7
对照物 DBEF对照物 遮光 37.1
4 具有H-106的APF复合材料 透光 34.2 73.8
对照物 APF对照物 透光 107.9
4 具有H-106的APF复合材料 遮光 36.2 -8.3
对照物 APF对照物 遮光 28.0
值得注意的是，对于这些复合偏振器样品来说，大多数CTE减少情况(相比对照物而言)发生在透光轴(未拉伸)方向，而遮光轴方向的CTE没有明显变化，并且其变化量可视为类似于测量误差。这可能是由于拉伸方向结晶度较高，并且该方向发生一些较慢的残余收缩。透光轴方向是显示器中的CTE诱发翘曲的主要关注方向。透光轴的CTE通常高于遮光轴的CTE。通过比较对照例在透光轴和遮光轴方向的CTE值可以发现这一点。在DBEF对照例中，透光轴方向的CTE为92.4ppm/℃，而遮光轴方向则为37.05ppm/℃，二者的比值几乎为2.5。在APF对照例中，该比值几乎为3.9。偏振器的这种热膨胀差异在偏振器温度升高时会导致严重翘曲，因此，即使遮光轴方向的CTE保持不变，透光轴方向的CTE减少量也非常重要。相比之下，使用带有反射偏振器的复合层可以显著降低该比值(DBEF实例为约1.26，APF实例为约0.94)。在两个实例中，透光轴的CTE与遮光轴的CTE的比值小于1.5。通过采用复合层抑制透光轴的CTE，透光轴的CTE变得几乎等于遮光轴的CTE。这种CTE基本相等的情况较为有利，因为在复合层承受热应力的产品应用中，这种情况会增加材料的各向同性。
在采用膜拉伸试件的型号为Q800 DMA的TA仪表上采用动态力学分析(DMA)法测量储能模量和刚度(在受拉情况下)。与DMA测试相关的术语可以根据ASTM D-4065和ASTM D-4092中所定义。所报告的值是在室温(24℃)下测得的。表V汇总了刚度结果。测量是在24℃-28℃的温度范围内进行的。该表显示出：使用复合材料(尤其是含有连续织造增强体的复合材料)时储能模量可显著增加。抗拉模量和刚度数值较大也可以视为与潜在的弯曲劲度相对应，这具体取决于最终制品的构造和几何形状：适当地布置高模量层会使制品具有较高的弯曲劲度。最终制品的刚度还取决于其它层的特性，例如，为了增加需要粘合剂的制品的刚度，刚性的固化型层合粘合剂通常要优于压敏粘合剂。
与表IV类似，表V列出了样品编号以及样品的简要描述。表中还列出相对于偏振器的透光轴或遮光轴而言的测量方向、以及平均储能模量和平均刚度。最后一列示出增强型偏振器的储能模量相对于非增强型偏振器的储能模量的增加值。表中示出实例2、4、5和6的结果，以及测量时未附接任何增强复合层的各种DBEF和APF对照样品的结果。
如上文关于CTE的论述，在一些实施例中可能希望样品在不同方向(例如，偏振器的透光轴和遮光轴的方向)上具有相似的储能模量值。这样会使材料的各向同性增加，并且可以在承受热应力时减小因材料响应不同所产生的影响。比值Rm被定义为遮光轴方向的储能模量与透光轴方向的储能模量的比值。对于DBEF对照样品而言，Rm值为约1.6，而对于APF对照物，Rm值为约2.4。在增加复合层之后，DBEF复合体的Rm值降低至0.9，APF复合体的Rm值降低至1.1。对于DBEF共挤成型样品而言，实例5和6的Rm值分别为1.1和0.8。在所有这些实例中，复合增强型偏振器的模量的比值均小于1.3。在所有这些情况中，在偏振器上施加复合材料都会增加偏振器结构的模量的各向同性。在一些情况下，可能期望具有伪均衡的产品构造，并且使得CTE和模量特性均基本具有各向同性。
表V.受拉情况下测得的储能模量和刚度
 
实例编号 简要描述 偏振器取向   平均储能模量(MPa)    复合体模量与对照物模量的比值   Rm 平均刚度(kN/m)  
2 具有H-106复合材料的DBEF        透光 7895 2.67 0.9 400
对照物 DBEF对照物 透光 2954 1.6 84.4
2 具有H-106复合材料的DBEF        遮光 7103 1.51 378.5
对照物 DBEF对照物 遮光 4713 131.8
4 具有H-106的APF复合材料           透光 9341 3.88 1.1 356.9
对照物 APF对照物 透光 2408 2.4 26.0
4 具有H-106复合材料的APF         遮光 10510 1.82 404.9
对照物 APF对照物 遮光 5753 63.0
5 DBEF层合物 透光 2500 -- 1.1 305.6
5 DBEF层合物 遮光 2685 326.0
6 DBEF共挤物 透光 3984 -- 0.8 352.8
6 DBEF共挤物 遮光 3249 310.9
对不同样品进行翘曲测试。所选方法为：将样品置于温度循环变化的环境中，然后人工检查所得薄膜。对照样品在翘曲测试之后有非常明显的波纹和阴影，也就是翘曲可见性较高。如果与对照样品相比，实例薄膜上几乎看不到(或者不存在)可识别的阴影，则认为实例薄膜具有较低的翘曲可见性。
温度循环所用方法如下：用异丙醇清洗两块9.5″×12.5″(24.1×31.8cm)的平坦的强力玻璃。将一片9″×12″(22.9x30.5cm)的受测薄膜附接到一块玻璃的两个短边和一个长边上，并使剩余的长边不受约束。使用得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的双面胶带将薄膜附接到一块玻璃上，使得胶带距离玻璃的三个边缘各0.5″(1.3cm)远，并且刚好被薄膜的三边所覆盖。胶带的末端没有重叠。将薄膜置于胶带上，使得薄膜在整个胶带上被拉紧，并且以胶带的厚度(大约0.1mm)被固定在玻璃表面上。用4.5lb.(2kg)的辊子从薄膜和胶带上碾过，每个方向只碾一次(以避免用力过大)，将薄膜粘合到胶带上。
在碾过的薄膜上放置三片0.1mm厚、0.5″(1.3cm)宽的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)垫片，垫片位于胶带正上方，并且与胶带长度相同，只不过是在薄膜的相对侧。薄膜没有被重叠。将上部的一块玻璃放置到垫片顶部，并且与底部的玻璃准确对齐。
这种玻璃/薄膜/玻璃的夹层结构包含三边受约束、中央基本上自由悬浮的薄膜。将该夹层结构用四个长尾夹固定在一起。所选夹子具有合适的尺寸，以便朝胶带中央(距离玻璃边缘大约0.75″(1.9cm))施加压力，并且在夹层结构的两个短边上各放置两个夹子，每个夹子距离薄膜底部和顶部大约0.75″(1.9cm)远。
将成型的构造放置到冷热冲击箱内(SV4-2-2-15型环境测试箱(Environmental Test Chamber)，得自Envirotronics，Inc.(GrandRapids，MI))，使其经受96次循环，每次循环都是在85℃下进行一小时，然后在-35℃下进行一小时。然后从箱中取出薄膜，并检查是否有褶皱。如果与对照样品相比，实例薄膜上几乎看不到(或者不存在)可识别的阴影，则认为实例薄膜具有较低的翘曲可见性。
下面的表VI示出各种样品与DBEF对照薄膜(实例11)相比的翘曲测试结果，其中对照薄膜在测试时不带纤维增强体。
表VI.翘曲测试结果
 
实例编号 翘曲可见性
 
1 低
5 低
6 低
7 低
11 高
本发明不应该被认为局限于上述的具体实施例，而应理解为涵盖如所附权利要求书中明确说明的本发明的所有方面。适用于本发明的各种更改形式、等同的工艺以及多种结构，对阅读本发明的说明书之后的本领域专业技术人员而言是显而易见的。本发明的权利要求书旨在涵盖这些修改形式和装置。

Claims (24)

1.一种光学薄膜，包括：
第一层和第二层，所述第一层和所述第二层分别包括嵌入在各自的聚合物基质内的纤维；以及
包括反射偏振层的第三层，所述第三层设置在所述第一层和所述第二层之间。
2.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述第三层以粘结方式附接在所述第一层和所述第二层之间。
3.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述第三层直接附接到所述第一层和所述第二层。
4.根据权利要求3所述的光学薄膜，其中所述第三层利用底漆直接附接到所述第一层和所述第二层。
5.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述光学薄膜具有与所述薄膜的第一方向有关的第一热膨胀系数、以及与所述薄膜的第二方向有关的第二热膨胀系数，所述第二方向正交于所述第一方向，并且所述第一热膨胀系数和所述第二热膨胀系数的比值不大于1.5。
6.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述光学薄膜具有与所述薄膜的第一方向有关的第一模量、以及与所述薄膜的第二方向有关的第二模量，所述第二方向正交于所述第一方向，并且所述第一模量和所述第二模量的比值不大于1.3。
7.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述光学薄膜具有与所述薄膜的第一方向有关的第一热膨胀系数、以及与所述薄膜的第二方向有关的第二热膨胀系数，所述第二方向正交于所述第一方向，并且所述第一热膨胀系数和所述第二热膨胀系数的比值不大于1.5，所述光学薄膜还具有与所述第一方向有关的第一模量和与所述第二方向有关的第二模量，并且所述第一模量和所述第二模量的比值不大于1.3。
8.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述第一层和所述第二层的所述聚合物基质中的至少一者包含热固性聚合物基质。
9.根据权利要求8所述的光学薄膜，其中所述第一层和所述第二层中的至少一层包含热塑性聚合物基质。
10.根据权利要求8所述的光学薄膜，其中在所述第一层和所述第二层中的至少一层中，所述无机纤维的折射率与该层聚合物基质的折射率基本匹配。
11.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述反射偏振层包括由交替的材料构成的多层层叠件。
12.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中所述反射偏振层包括漫反射偏振器。
13.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中在所述第一层和所述第二层中的一层内，至少一些所述纤维的折射率与该层聚合物基质的折射率基本匹配。
14.根据权利要求1所述的光学薄膜，其中在所述第一层和所述第二层中的一层内，至少一些所述纤维的折射率与该层聚合物基质的折射率基本不匹配。
15.一种制造光学薄膜的方法，包括：
提供反射偏振层；以及
将第一纤维增强层附接到所述反射偏振层的第一侧面，所述第一纤维增强层包括设置在第一聚合物基质内的无机纤维。
16.根据权利要求15所述的方法，其中附接所述第一纤维增强层的步骤包括在所述反射偏振层和所述第一纤维增强层中的至少一层上设置粘合剂层，并且将所述反射偏振层和所述第一纤维增强层压合在一起。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括固化所述粘合剂层。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：在将所述第一纤维增强层附接到所述反射偏振层的所述第一侧面上之前，在所述反射偏振层和所述第一纤维增强层中的至少一层上设置底漆层。
19.根据权利要求15所述的方法，其中附接所述纤维增强层的步骤包括将所述第一纤维增强层与所述反射偏振层接触，然后在所述反射偏振层与所述纤维增强层接触的同时，固化所述第一纤维增强层。
20.根据权利要求15所述的方法，其中附接所述纤维增强层的步骤包括将所述第一纤维增强层挤压到所述反射偏振层上，然后固化所述第一纤维增强层。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括将可剥离层挤压到所述第一纤维增强层上。
22.根据权利要求21所述的方法，其中挤压所述可剥离层的步骤包括将所述可剥离层和所述第一纤维增强层共挤成型。
23.根据权利要求15所述的方法，还包括将第二纤维增强层附接到所述反射偏振层的第二侧面上。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第二纤维增强层包括设置在第二聚合物基质内的无机纤维。
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