DE69816129T2

DE69816129T2 - Reflektierender gegenstand mit verstecktem retroreflektierendem muster

Info

Publication number: DE69816129T2
Application number: DE69816129T
Authority: DE
Inventors: B. Mark O'NEILL; F. Michael WEBER; Jr. Olester Benson; A. John WHEATLEY; M. James JONZA; B. Gary HANSON
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: ES2198087T3; CA2316266C; BR9814000A; EP1047960A1; KR100552889B1; US6024455A; AU1812699A; CN1138992C; JP2002509277A; CA2316266A1; AU738111B2; DE69816129D1; KR20010034060A; WO1999036806A1; CN1285047A; EP1047960B1; BR9814000B1

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen reflektierende Gegenstände mit Information tragenden Zeichen darauf. Die Erfindung findet spezifische Anwendungen bei solchen Gegenständen, welche polymerisch sind.
Der Begriff "retroreflektierend", wie er hierin gebraucht wird, bezieht sich auf das Merkmal der Reflexion eines schräg einfallendes Lichtstrahls in einer Richtung antiparallel zu seiner Einfallsrichtung, oder nahezu so, daß er zu der Lichtquelle oder in deren unmittelbare Nähe zurückkehrt. Der Begriff "strukturiert" bezieht sich, wenn er in Verbindung mit dem Begriff "retroreflektierend" gebraucht wird, auf ein Information-transportierendes Design oder ein Bild und ist von polygonalen Formen einfacher Versiegelungszellen zu unterscheiden, welche keine signifikante Information transportieren. Weitere Begriffe werden in dem Glossar am Ende der Spezifikation definiert.
Die PCT-Veröffentlichung Nr. WO 95/17692 (Ouderkirk et al.) offenbart mehrlagige polymerische Filme, welche als reflektierende Polarisatoren in Kombination mit verschiedenen strukturierten Oberflächenmaterialien konfiguriert sind, welche Licht auf eine relativ schmale Betrachtungszone begrenzen. Mehrlagige Filme mit doppelbrechenden Schichten werden diskutiert, welche Filme enthalten, in welchen die Brechungsindizes außerhalb der Ebene von benachbarten Lagen angepaßt sind. Strukturierte Oberflächenmaterialien umfassen diejenigen mit einer Vielzahl von dreieckigen Prismen, sowie einer symmetrischen Würfeleckenbeschichtung. Eine Diskussion der als Spiegel konfigurierten mehrlagigen Filme ist ebenfalls enthalten.
Aus dem U.S. Patent Nr. 5,353,154 (Lutz et al.) ist es bekannt, Kennzeichen auf wenigstens eine Oberfläche eines reflektierenden polymerischen Körpers zu drucken, um Information durch Aussetzen an eine rückseitige Lichtquelle zu beleuchten und derartige Information zu verstecken, wenn sie keinem Licht ausgesetzt ist. Der reflektierende polymerische Körper wird mit einem ersten und einem zweiten unterschiedlichen polymerischen Material versehen, welche im wesentlichen in parallelen abwechselnden Schichten angeordnet sind, und eine ausreichende Anzahl von Schichten ist derart vorgesehen, daß der Körper wenigstens 40% von dem auf seine erste Hauptoberfläche auftreffenden Licht reflektiert, während er wenigstens 5% des Lichtes durch seine zweite Hauptoberfläche geleitet hindurchtreten läßt.
Aus dem U.S. Patent Nr. 4,175,775 (Kruegle) ist es bekannt, eine Photo-I.D.-Karte mit einem hinter einem Filterbereich verborgenen und vor einem retroreflektierenden Material mit hohem Verstärkungsfaktor angeordneten photografischen Bild zu erzeugen. Der Filterbereich absorbiert praktisch das gesamte darauf fallende Licht, und kann einen halbversilberten Spiegel aufweisen, "weist jedoch vorteilhaft" ein Filtermaterial auf, welches Infrarot oder Ultraviolettlicht hindurchläßt, aber im wesentlichen das gesamte sichtbare Licht absorbiert.
Eine retroreflektierende Folie mit darauf gedruckten Kennzeichen, wie das allgegenwärtige "STOP"-Verkehrszeichen ist ebenso wie eine retroreflektierende Folie mit darin erzeugten gerichteten Bildern bekannt (siehe z. B. U.S. Patent Nr. 4,708,920 (Orensteen et al.)).
Die europäische Patentoffenlegung EP-A-404539 und das verwandte U.S. Patent 5,080,463) Faykish et al. offenbaren ein Sicherheitslaminat mit einer Basisfolie mit einer retroreflektierenden Legende und Hintergrundbereichen und einer Deckfolie aus einer mehrlagigen Konstruktion, um eine hohe Beständigkeit zu erzeugen.
Zwei bekannte Typen einer retroreflektierenden Folie sind eine Mikrokügelchen-basierende Folie und eine Würfeleckenfolie. Eine Mikrokügelchen-basierende Folie, manchmal als "Perl"-Folie bezeichnet, verwendet eine Vielzahl von Mikrokügelchen, welche wenigstens teilweise in eine Binderschicht eingebettet sind und zugeordnete spiegelnde oder diffus reflektierende Materialien (z. B. Pigmentpartikel, Metallschuppen, Dampfbeschichtungen) besitzt, um einfallendes Licht zurück zu reflektieren. Veranschaulichende Beispiele sind in den U.S. Patenten Nr. 3,190,178 (McKenzie), 4,025,159 (Mc-Grath), und 5,066,098 (Kult) offenbart. Eine retroreflektierende Würfeleckenfolie weist einen Körperabschnitt auf, welcher typischerweise eine im wesentlichen ebene Frontoberfläche und eine strukturierte hintere Oberfläche mit mehreren Wüfeleckenelementen aufweist. Jedes Würfeleckenelement weist drei angenähert wechselseitig senkrechte optische Flächen auf. Beispiele umfassen die U.S. Patente Nr. 1,591,572 (Stimson), 4,588,258 (Hoopman), 4,775,219 (Appledorn et al.), 5,138,488 (Szezech) und 5,557,836 (Smith et al.). Es ist bekannt, eine Abdichtungsschicht auf die strukturierte Oberfläche in einem regelmäßigen Muster geschlossener Polygone auf zubringen, welche isolierte, versiegelte Zellen bilden, um Verschmutzungen von den einzelnen Würfelecken fern zu halten. Zur Formung der Zellen verwendete Wärme und Druck zerstört oder verformt die Wüfeleckenelemente, welche entlang den Polygonbegrenzungen angeordnet sind. Flexible Würfeleckenfolien, wie z. B. die in dem U.S. Patent Nr. 5,450,235 (Smith et al.) offenbarten, sind ebenfalls bekannt und können in nachstehend beschriebenen Ausführungsformen mit einbezogen werden.
Es besteht ein kontinuierlicher Bedarf nach leichten Polymer-basierenden Gegenständen, welche selektiv Information darstellen können. Derartige Gegenstände können in einer Vielfalt von Endanwendungen, wie z. B. Dokumentenautorisierung, Spielzeuge, Spiele und Dekorgegenstände integriert werden.
Kurze Zusammenfassung
Hierin wird ein reflektierender Gegenstand offenbart, welcher einen mehrlagigen Film aufweist, der eine retroreflektierende Schicht abdeckt, die für den Transport von Information strukturiert ist. Die vorliegende Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Der mehrlagige Film enthält bevorzugt abwechselnde Schichten wenigstens eines ersten und zweiten Polymers, wobei die abwechselnden Schichten so konfiguriert sind, daß eine sie eine relativ hohe Reflexion für einfallendes Licht innerhalb eines ersten Spektralbereichs und eine relativ geringe Reflexion für normal einfallendes Licht innerhalb eines zweiten Spektralbereichs zeigen. In einer Ausführungsform erstreckt sich der erste Spektralbereich in etwa über das sichtbare Spektrum und der zweite Spektralbereich umfaßt ein Durchlässigkeitsfenster von 15% oder weniger an Teilbandbreite. Es werden mehrlagige polymerische Filmaufbauten offenbart, welche steilere Spektralübergänge erzielen als bisher erhältliche. Die derartigen mehrlagigen polymerischen Filmaufbauten sind ebenfalls bevorzugt so konfiguriert, daß sie derartig steile Übergänge auch bei hohen Eintritts-(Neigungs)-Winkeln beibehalten. Mikrostrukturierte Reliefmuster können in eine Außenschicht des mehrlagigen Films oder in einen Überzug integriert sein, um zusätzliche holographische Bilder bereitzustellen, welche in Umgebungslicht aber nicht in retroreflektiertem Licht sichtbar sind.
Die strukturierte retroreflektierende Schicht kann eine getrennte (optionale) Kennzeichenschicht enthalten, welche ein retroreflektierendes Substrat abdeckt. In einer Ausführungsform enthält die Kennzeichenschicht Abschnitte, welche bevorzugt ausgewählte Wellenlängen des Lichtes hindurchlassen. Diese Ausführungsform kann entweder ein schmalbandiges oder ein breitbandiges Durchlaßfenster für den zweiten Spektralbereich nutzen.
Die strukturierte retroreflektierende Schicht kann eine Retroreflexion in allen Einfallsebenen und/oder in wenigstens einer Einfallsebene, aber keine in wenigstens einer weiteren Einfallsebene aufweisen. Die strukturierte retroreflektierende Schicht kann eine strukturierte Oberfläche enthalten, welche erste und zweite unterscheidbare benachbarte Zonen besitzt, welche ein Muster definieren, wobei die erste Zone mehrere retroreflektierende Elemente enthält. Die zweite Zone kann unstrukturiert sein, und keine retroreflektierenden Elemente darauf aufweisen, oder kann strukturiert sein, so daß sie von den retroreflektierenden Elementen in der ersten Zone sich unterscheidende retroreflektierende Elemente enthält. In einer Ausführungsform enthält die erste Zone eine regelmäßige Anordnung von standardmäßigen, mikrokopierten Würfeleckenelementen und die zweite Zone enthält eine Anordnung von Würfel eckenelementen, welche zufällig im Bezug zueinander geneigt sind, um einen Glitzereffekt zu erzeugen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 18 definiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Figuren ist, bzw. sind oder zeigen:
1 eine Explosionsansicht eines reflektierenden Gegenstandes mit einem versteckten retroreflektierenden Muster.
2A und 2B Vorderansichten des Gegenstandes von 1 unter unterschiedlichen Betrachtungsbedingungen.
3 eine Seitenschnittansicht eines reflektierenden Gegenstandes mit einem versteckten retroreflektierenden Muster.
4A eine perspektivische Vorderansicht eines kombinierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstandes, welcher eine Retroreflexion in einigen Einfallsebenen und keine in anderen zeigt, und wobei 4B eine vordere Draufsicht darauf ist.
4C und 4D perspektivische hintere Ansichten, welche unterschiedliche strukturierte Oberflächen darstellen, welche das in den 4A und 4B dargestellte Verhalten zeigen können.
5 eine Seitenschnittansicht eines kombinierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstandes, welcher eine perlartige retroreflektierende Folie mit einem Richtungsbild enthält.
6 eine rückseitige Draufsicht auf eine strukturierte Oberfläche von Mustern darin enthaltenden retroreflektierenden Elementen.
7A eine Seitenschnittansicht eines Abschnittes eines kombinierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstandes, welcher eine retroreflektierende Würfeleckenfolie mit Würfeleckenelementen enthält, welche so angeordnet sind, daß sie der Folie einer Glitzerqualität verleihen, und 7B eine Ansicht einer derartigen Folie, in welcher glitzernde und nicht glitzernde Bereiche ein Muster definieren.
8 idealisierte prozentuale Durchlässigkeitsspektren eines in der Erfindung verwendbaren mehrlagigen Polymerfilms.
9 und 10 den Gegenstand von 3 im Schnitt, aber zusätzlich mit mikrostrukturierten Reliefmustern, welche holographische Bilder erzeugen.
11 gemessene prozentuale Transmissionsspektren eines in der Erfindung verwendbaren polymerischen Filmbeispiels.
12A eine vergrößerte und übertriebene Schnittansicht eines vereinfachten mehrlagigen Filmes, der so ausgelegt ist, daß er steile Spektralübergänge zeigt.
12B ein Graph der optischen Dicke der optischen Wiederholungseinheiten (ORUs), welche den Film von 12A bilden.
13A ein Graph der physikalischen Dicken einzelner Schichten eines mehrlagigen Bandpaßfilmes.
13B ein berechnetes axiales Transmissionsspektrum des Films von 13A.
14A ein Graph der physikalischen Dicke einzelner Schichten eines mehrlagigen Bandpaßfilmes mit steileren spektralen Übergängen.
14B ein berechnetes axiales Transmissionsspektrums des Films von 14A.
15A ein Graph der physikalischen Dicke einzelner Schichten eines mehrlagigen Bandpaßfilmes mit noch steileren spektralen Übergängen.
15B und 15C berechnete axiale und außeraxiale Transmissionsspektren des Films von 15A.
16A, 17A, 18A, 19A Graphen der physikalischen Dicke einzelner Schichten eines zusätzlichen mehrlagigen Bandpaßfilmes und 16B, 17B, 18B und 19B berechnete axiale Transmissionsspektren der entsprechenden Filme.
In den Zeichnungen werden dieselben Bezugssymbole zur Erleichterung der Bezeichnung der Elemente verwendet, welche dieselben sind, oder welche dieselbe oder ähnliche Funktion ausführen.
Detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen
Die hierin beschriebenen Gegenstände sind normalerweise als Folien konfiguriert, welche auf ein gegebenes Objekt oder ein Substrat aufgebracht werden können und welche unterschiedliche Kombinationen von mehrlagigen Filmen und strukturierten retroreflektierenden Schichten enthalten. Die Gegenstände sind im allgemeinen einseitig optisch. D. h., eine Seite (die als Vorderseite bezeichnete) ist im allgemeinen angepaßt, sowohl einfallendes Licht aus einer Quelle aufzunehmen und reflektiertes oder retroreflektiertes Licht an einen Detektor (wie z. B. das Auge eines Beobachters) zu emittieren und die andere (als die Rückseite bezeichnete) Seite ist im allgemeinen für die Aufbringung auf ein Objekt, beispielsweise durch eine Kleberschicht angepaßt. Die Vorderseite liegt der Lichtquelle sowie dem Detektor gegenüber. Die Gegenstände lassen im allgemeinen keine signifikanten Lichtmengen von der Vorderseite zu der Rückseite oder umgekehrt aufgrund wenigstens teilweise des Vorhandenseins einer Substanz oder einer Schicht auf dem Retroreflektor, wie z. B. einer Dampfschicht aus Metall, eines Versiegelungsfilms und/oder einer Kleberschicht durch. Die spezifische Art des mehrlagigen Films und des verwendeten strukturierten Retroreflektors machen den Gegenstand für bestimmte Endnutzeranwendungen besser geeignet als für andere. Nur einige Endanwendungen werden nachstehend diskutiert. Der nachstehende Text beginnt mit einer Diskussion der allgemeinen Gegenstandskonfiguration, gefolgt von einer vertieften Diskussion bevorzugter polymerischer Mehrlagenfilme, Beispielgegenständen und endet mit einem Glossar.
Veranschaulichende Gegenstandkonfigurationen
1 ist eine Explosionsansicht eines Gegenstandes 10 mit einer Information-enthaltenden Kennzeichenschicht 12, welche zwischen einer oberen reflektierenden Schicht 14 und einer unteren retroreflektierenden Schicht 16 eingeschlossen ist. Die Kennzeichenschicht 12 ist als einen Balken-Code tragend dargestellt, kann aber auch gedruckte alphanumerische Daten, Linienzeichnungen, Halbtonbilder und andere Information tragende Muster enthalten. Das Muster ist durch opak strukturierte Bereiche 12a in einer ansonsten transparenten Schicht oder umgekehrt definiert. Derartige opake Bereiche können bekannte Pigmente, wie z. B. Farbstoffe aufweisen. Die Bereiche können alternativ Flächen umfassen, welche Licht diffus reflektieren und anderweitig streuen, statt das Licht zu absorbieren, oder bekannte Farbstoffe, die bei einigen Wellenlängen absorbieren und bei anderen Wellenlängen durchlässig sind. Es ist jedoch erwünscht, ein derartiges Muster zu verstecken, oder wenigstens schlecht erkennbar zu machen außer unter bestimmten Betrachtungsbedingungen. Die reflektierende Schicht 14 ist für diesen Zweck vorgesehen. Ferner ist die Oberseite der Schicht 12, welche der Schicht 14 gegenüber liegt, bevorzugt im wesentlichen glatt, so daß die strukturierten Bereiche 12a der Schicht 12 nicht zu entsprechenden Störungen in der Oberfläche der Schicht 14 beitragen, welche dann leicht sichtbar wären. "Im wesentlichen glatt" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß Oberflächenveränderungen in der Schicht 12 im Vergleich zu der Dicke der Schicht 14 klein sind. Strukturierte Bereiche 12a sind somit bevorzugt mit benachbarten Bereichen der Kennzeichenschicht 12 bündig. Diese Bedingung kann aufgehoben sein, wenn eine getrennte Schicht eines geeigneten klaren Klebers zwischen den Schichten 12 und 14 verwendet wird, wobei eine derartige Kleberschicht dick genug ist, um Oberflächenschwankungen in der Schicht 12 auszugleichen und eine im wesentlichen glatte Oberfläche für die Schicht 14 zu präsentieren.
Die Kennzeichenschicht 12 kann eine bestimmte Schicht enthalten, welche auf die benachbarten Schichten 14 und 16 laminiert oder anderweitig damit verbunden ist. Die Schicht 12 kann alternativ oder zusätzlich einen Film mit Farbstoff oder ein anderes der Schicht 14 oder 16 mittels bekannter Drucktechniken hinzugefügtes geeignetes Pigment enthalten.
Die Schicht 14 weist einen polymerischen Mehrlagenfilm mit einer prozentualen Reflexion und Transmission auf, welche im wesentlichen für interessierende Wellenlängen komplementär sind (d. h., die Absorption ist bevorzugt niedrig oder vernachlässigbar), und welche Funktionen der Brechungsindizes und der Dicken der polymerischen Bestandsschicht sowie der Orientierung und Polarisierung des einfallenden Lichtes sind. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schicht 14 eine hohe Reflexion über den größten Teil des sichtbaren Spektrums für senkrecht einfallendes Licht auf, so daß in Umgebungslichtbedingungen die Vorderseite des Gegenstandes 10 ein glänzendes spiegelartiges Aussehen gemäß Darstellung in 2A besitzt. Mit "hoher Reflexion über den Großteil des sicht baren Spektrums" meinen wir eine Reflexion größer als 50%, und bevorzugt größer als 80% über wenigstens etwa 75% des spektralen Bereichs von etwa 400 bis etwa 700 nm. Die Schicht 14 weist ferner bevorzugt ein schmales Spektralband mit relativ hoher Transmission (und relativ niedriger Reflexion) auf, so daß für Licht innerhalb eines derartigen schmalen Bandes das Information tragende Muster durch die Vorderseitenoberfläche des Gegenstandes gemäß Darstellung in 2B wenigstens für bestimmte Betrachtungsgeometrien sichtbar ist. Eine bevorzugte Schicht 14 weist eine maximale bandinterne Transmission für eine bessere Sichtbarkeit des Musters auf, während sie die spektrale Bandbreite des Bandes so schmal wie möglich hält, so daß das Muster nicht ohne weiteres inmitten von Umgebungsreflexionen erkennbar ist. Bevorzugte Schichten 14 werden nachstehend detaillierter diskutiert. In alternativen, nicht bevorzugten Ausführungsformen kann die Schicht 14 ein herkömmliches, nicht polymerisches Interferenzfilter sein, welches anorganische abwechselnde Schichten aufweist, die auf einem Substrat unter Verwendung von Vakuumabscheidungstechniken abgeschieden werden. Derartige anorganische Filter sind jedoch teuer und weisen oft nur einen begrenzten Oberflächenbereich auf. Sie neigen auch zu einer schlechten Haftung an polymerischen Oberflächen. Ferner können derartige anorganische Filter keinen steilen spektralen Übergang über einen Breiten Bereich von Einfallswinkeln beibehalten, wie nachstehend erläutert wird.
Die retroreflektierende Schicht 16 macht die Detektion des versteckten Musters nur an ausgewählten Beobachtungspunkten im Bezug auf eine Quelle einfallenden Licht sichtbar. Dort wo die Schicht 16 eine herkömmliche Würfelecken- oder perlartige retroreflektierende Folie aufweist, ist die Detektion des Musters bei schmalen Beobachtungswinkeln am besten, d. h. für einen Detektor der nahe an der Lichtquelle positio niert ist. Ferner unterstützt eine derartige Folie die Retroreflexion über einen weiten Bereich von Eintrittswinkeln und Orientierungswinkeln, so daß eine Winkelorientierung eines Gegenstandes 10 im Bezug auf eine Abfragelichtquelle nicht kritisch ist. Es sei angemerkt, daß der mehrlagige Film 14 eine spektrale Verschiebung in der prozentualen Reflexion und Transmission als eine Funktion des Eintrittswinkels des Einfallslichtes aufweist, und das die prozentuale Reflexion und Transmission Funktionen der Polarisation für schräg einfallendes Licht sind. "S-" und "p-" Polarisationszustände betreffen ein Licht mit einem senkrecht zu bzw. in der Eintrittsebene angeordneten elektrischen Feldvektor. Nicht polarisiertes Licht ist halb p-polarisiert und halb s-polarisiert. Wie nachstehend beschrieben, enthält der mehrlagige Film steile spektrale Übergangsmerkmale für p-polarisiertes Licht über den breiten Bereich von Eintrittswinkeln, der von der retroreflektierenden Folie unterstützt wird.
In 3 ist eine Schnittansicht des Gegenstandes 10 leicht modifiziert gegenüber 1 dargestellt. Die reflektierende Schicht 14 ist mit einer Vorder- und Rückseiten-Außenschicht 14a, 14b dargestellt, welche zum Schutz des mittigen mehrlagigen Films 14c dienen, und welche eine mechanische Unterstützung für den Film 14c bereitstellen. Ein herkömmlicher Abdichtungsfilm 18 ist an der Rückseite der retroreflektierenden Schicht 16 vorgesehen, um die retroreflektierenden Elemente vor einer durch Feuchtigkeit, Schmutz, Öle und dergleichen bewirkten Verschlechterung zu schützen, und eine herkömmliche Kleberschicht 20 mit einem druckempfindlichen Kleber ist auf dessen Rückseite aufgebracht, um die Aufbringung des Gegenstandes 10 auf einem gewünschten Objekt zu ermöglichen. Eine (nicht dargestellte) Abziehfolie kann ebenfalls mit einbezogen sein, um die Kleberschicht zu schützen, bis der Gegenstand für die Aufbringung auf ein Substrat be reit ist. Der Abdichtungsfilm 18 kann gegenüber der Schicht 16 in einem herkömmlichen polygonalen Muster unter Verwendung einer Heißpreßtechnik abgedichtet sein, welche Würfeleckenelemente entlang des Umfangs derartiger Polygone zerstört. Die Flächen der strukturierten Hinterseite der Schicht 16 können mit Luft in Kontakt stehen und nach den Prinzipien der totalen internen Reflexion (TIR) arbeiten, oder es kann, falls gewünscht, eine Dampfbeschichtung aus einem spiegelnd reflektierenden Material, wie z. B. Aluminium auf derartige Flächen aufgebracht sein. Dichtungsfilme, Kleberschichten, Dampfbeschichtungen können in gleicher Weise mit den in den nachstehenden 4A-4D, 6, 7A-B dargestellten Ausführungsformen verwendet werden.
In 3 sind kartesische Koordinaten x, Z dargestellt; eine (nicht dargestellte) Y-Achse senkrecht zu den X- und Z-Achsen zeigt in das Blatt hinein. Die X-Y-Ebene definiert die Ebene des Gegenstandes 10 und die Z-Achse ist senkrecht zu dem Gegenstand. Gemäß Darstellung fällt breitbandiges Licht 22 entlang einer Belichtungsachse 24 in einem kleinen, jedoch Nicht-Null-Eintrittswinkel im Bezug auf die Z-Achse ein. Der Eintrittswinkel ist klein genug, daß sich das Verhalten des s- und p-polarisierten Lichtes nicht deutlich unterscheidet. Der mehrlagige Film 14c reflektiert den größten Teil der sichtbaren Abschnitte des Lichtes 22 in spiegelnd reflektierte Lichtkomponenten 26. Spiegelnd reflektiertes Licht 26 wird entlang einer Reflexionsachse geführt, welche denselben Winkel mit der Z-Achse bildet, wie die Achse 24. Ein Teil des einfallenden Lichtes wird durch den Film 14c hindurchgelassen und ein Teil der durch die Kennzeichnungsschicht 12 hindurchgelassen wird, wird durch die Schicht 16 retroreflektiert, wie es durch die retroreflektierte Lichtkomponente 28 dargestellt wird. Das auf die Kennzeichenschicht 12 gedruckte Muster ist somit normalerweise unter Umgebungslichtbedingungen nicht sichtbar, wird aber sichtbar, wenn der Betrachter ausreichend nahe einer gerichteten Lichtquelle positioniert ist, so daß das retroreflektierte Licht sichtbar wird. Wenn der Gegenstand 10 auf Kleidung aufgebracht wird, zeigt er eine glänzende spiegelartige Oberfläche im Tageslicht, verdeckt aber das darunterliegende Muster, welches beispielsweise ein Logo eines Herstellers oder eine Warnmeldung für Fahrzeugführer bei Nacht sein kann.
In 4A und 4B ist ein Gegenstand 30 ähnlich dem Gegenstand 10, aber mit unterschiedlichen Eigenschaften aufgrund der Verwendung einer unterschiedlichen retroreflektierenden Schicht schematisch in dem Zusammenhang eines kartesischen X-Y- und Z-Koordinatensystems mit den X- und Y-Achsen in der Ebene des Gegenstandes und der Z-Achse senkrecht zu dem Gegenstand dargestellt. Die X- und Y-Achsen sind so ausgerichtet, daß die X-Z-Ebene und Y-Z-Ebene Symmetrieebenen für die rückwärtige strukturierte Oberfläche der retroreflektierenden Schicht sind. Die retroreflektierende Schicht der 4A und 4B macht die Betrachtung des informationsenthaltenden Musters komplizierter, da sich der Betrachtungswinkel, bei welcher die strukturierte Lichtkomponente sichtbar ist, als eine Funktion sowohl des Eintrittswinkels, als auch des Orientierungswinkels des einfallenden Lichtes ändert.
Das einfallende Licht 31 ist entlang einer Beleuchtungsachse 32 gerichtet, welche einen Eintrittswinkel (den Winkel zwischen der Achse 32 und der Z-Achse) und einen Orientierungswinkel (den Winkel zwischen der Y-Achse und der Projektion der Achse 32 in der Y-X-Ebene) definiert. Eine nicht mit der (nicht dargestellten) Eintrittshalbebene zu verwechselnde Ebene 34 enthält die Achse 32 und die Y-Achse. Ein mehrlagiger Film 36 (siehe 4C, 4D) reflektiert den größten Teil der sichtbaren Lichtkomponente des einfallenden Lichtes 31 in eine spiegelnd reflektierte Lichtkomponente 38. Die Richtungen des einfallenden Lichtes 31 und des spiegelnd reflektierten Lichtes 38 bilden gleiche Winkel zu der Oberflächensenkrechten, d. h., mit der Z-Achse. Bestimmte spektrale Komponenten des einfallenden Lichtes 31 werden von dem Mehrlagenfilm 36 an eine Kennzeichenschicht 40 ähnlich der vorstehend diskutierten Schicht 12 hindurchgelassen. Das durch die Kennzeichenschicht hindurchgelassene Licht wird durch eine rückwärtige retroreflektierende Schicht (42 in 4C; 44 in 4D) reflektiert und durch die Kennzeichenschicht 40 und den mehrlagigen Film 36 hindurch als ein zweiter reflektierter Lichtstrahl 46 hindurchgelassen. Das reflektierte Licht 46 trägt die strukturierte Information, die in der Kennzeichenschicht 40 enthalten ist, während das spiegelnd reflektierte Licht 38 dieses nicht macht. Wie in der Ausführungsform von 3 ist das die strukturierte Information tragende reflektierte Licht im Winkel zu dem spiegelnd reflektierten Licht verschoben. Jedoch wird anders als in der Ausführungsform von 3, welche vollständig retroreflektierende Würfeleckenelemente verwendet, das reflektierte Licht 46 in den 4A-B nicht notwendigerweise in einer Richtung antiparallel zu dem einfallenden Licht 31 retroreflektiert. Stattdessen kann das reflektierte Licht 46 im Winkel zu der einfallenden Lichtrichtung abhängig von der Orientierung (Eintrittswinkel und Orientierungswinkel) der einfallenden Lichtrichtung im Bezug auf den Gegenstand 30 verschoben sein. Eine derartige Winkelverschiebung ermöglicht eine vereinfachte Konstruktion einer Auslesevorrichtung, um die strukturierte Information zu detektieren, da die abfragende Lichtquelle räumlich von dem retroreflektierten Lichtdetektor getrennt sein kann. Gemäß 4A bildet die Richtung des reflektierten Lichtes 46 und des einfallenden Lichtes 31 gleiche Winkel im Bezug auf ein Liniensegment 48. Das Liniensegment 48 ist durch den Schnitt- Punkt einer retroreflektierenden Ebene, zugeordnet zu der retroreflektierenden Schicht (in diesem Falle einer Ebene parallel zu der x-Z-Ebene), mit der Ebene 34 definiert.
Die retroreflektierende Schicht 42 besitzt nur eine zugeordnete retroreflektierende Ebene – die X-Z-Ebene –, während die Schicht 44 zwei retroreflektierende Ebenen – die X-Z-Ebene und die Y-Z-Ebene besitzt. In diesem Zusammenhang umfassen die "X-Z"-Ebene und die "Y-Z"-Ebene die Familie aller Ebenen parallel dazu, welche den Gegenstand schneiden. Die Schicht 42 weist eine strukturierte Oberfläche mit einer linearen Anordnung von im wesentlichen rechtwinkligen, gleichschenkligen Miniaturprismen auf, welche nebeneinander und sich parallel zu der Y-Achse erstreckend, angeordnet sind, wie es im wesentlichen in dem U.S. Patent Nr. 4,906,070 (Cobb. Jr.) beschrieben ist. Licht, welches schräg auf die glatte Vorderseitenoberfläche der Schicht gegenüber der strukturierten Oberfläche fällt, wird retroreflektiert, wenn die Richtung des Einfalls in einer Ebene (der X-Z-Ebene) senkrecht zu der Länge der Prismen liegt. Die Schicht 44 weist eine strukturierte Oberfläche mit einer Anordnung von pyramidenartigen Strukturen 45 auf, welche sich aus der Schicht 44 heraus erstrecken, wobei jede Struktur 45 einen ersten Satz von wechselseitig rechtwinkligen Reflexionsfacetten 45a, 45b besitzt, welche die X-Z-Ebene der Retroreflexion definieren, und einen zweiten Satz wechselseitig rechtwinkliger reflektierender Facetten 45c, 45d, welche die Y-Z-Ebene der Retroreflexion bilden, wie es im wesentlichen in dem U.S. Patent 5,889,615 (Dreyer et al.) [Ser. Nr. 08/883,870] mit dem Titel "Dual Axis Retroreflektive Articels" beschrieben ist. Es sei angemerkt, daß die Schicht 44 im allgemeinen eine zweite strukturierte reflektierte Lichtkomponente 46a (siehe 4B) aufgrund einer Reflexion von den Facetten 45c, 45d zusätzlich zu der reflektierten Lichtkomponente 46 erzeugen kann, welche aufgrund einer Reflexion von Facetten 45a, 45b entsteht. Die strukturierte Oberfläche der Schicht 44 kann auch standardmäßige Würfeleckenelemente enthalten, so daß der Gegenstand sowohl eine Doppelachsenretroreflexion, als auch eine vollständige (Drei- Achsen)-Retroreflexion besitzt.
Die Würfeleckenelemente, Prismen und Pyramiden auf der strukturierten Oberfläche der retroreflektierenden Schichten 16, 42 bzw. 44 sind bevorzugt Miniaturstrukturen, welche mittels bekannter Mikroreplikationstechniken hergestellt werden. Die vorstehend diskutierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstände sind bevorzugt dünn und flexibel, um eine Aufbringung auf eine Vielzahl von Objekt- oder Oberflächenformen zu ermöglichen, obwohl starre oder ansonsten dicke Konstruktionen für einige Anwendungen erwünscht sein können. Die einzelnen Strukturen in der strukturierten Oberfläche weisen bevorzugt eine vertikale und seitliche Ausdehnung von nicht mehr als etwa 1 mm und bevorzugter in dem Bereich von etwa 0,075 bis 0,2 mm auf, obwohl sich die linearen Prismen über die gesamte Länge des Gegenstandes erstrecken können, welcher in der Größenordnung von mm, cm oder Metern liegen kann. Die retroreflektierenden Schichten können aus allen geeigneten transparenten Materialien, bevorzugt Polymeren und bevorzugt Materialien, die dimensionsstabil, dauerbeständig, wetterfest und leicht in der gewünschten Konfiguration replizierbar sind, bestehen. Beispiele umfassen Acryle, Polycarbonate, Polyethylen-basierende Ionomere und Zelluloseacetatbutyrate. Farbstoffe, Färbungsmittel und Pigmente können ebenfalls in derartigen Schichten enthalten sein.
Der in 5 eingeführte reflektierende/retroreflektierende Gegenstand 50 verwendet eine perlartige retroreflektierende Folienschicht 52, wie sie in dem U.S. Patent 4,708,920 (Orensteen et al.) beschrieben ist, zusammen mit einem mehr lagigen Film 54. Der Film 54 weist dieselben Reflexions- und Transmissionseigenschaften, wie die vorstehend diskutierten Mehrlagenfilme 14 und 36 auf. Der Mehrlagenfilm 54 ist mit einer Schutzaußenschicht 54a auf seiner Vorderseite versehen. Die retroreflektierende Schicht 52 weist eine Vielzahl von transparenten Mikrokügelchen 56 auf, welche zwischen einer transparenten Überzugschicht 58 und einer transparenten Abstandsschicht 60 festgehalten werden. Aus einer gegebenen Richtung auf die Überzugschicht auftreffendes Licht wird von den Mikrokügelchen auf schmale Bereiche einer reflektierenden Maskierungsschicht 62 fokussiert, welche typischerweise eine spiegelnd reflektierende metallische Beschichtung, wie z. B. Aluminium ist, und durch die Mikrokügelchen hindurch in die entgegengesetzte Richtung reflektiert. Eine Kleberschicht 64 liegt an der Maskierungsschicht 62 an. Markierungen 62a sind an ausgewählten Punkten der Positionen der Maskierungsschicht 62 entsprechenden einem Licht angeordnet, das auf den Gegenstand 50 entlang einer Beleuchtungsachse 66 mit einem spezifischen Eintritt zum Orientierungswinkel einfällt.
Markierungen 62a sind Bereiche veränderter Reflexion im Bezug auf benachbarte Bereiche der Schicht 62 und erzeugen eine erkennbare Veränderung in dem retroreflektierten Licht in der Nähe der spezifizierten Beleuchtungsrichtung. Der Mehrlagenfilm 54 macht eine Betrachtung des durch die Markierungen 62a geformten Muster noch schwieriger, indem er dem Gegenstand 50, ein glänzendes spiegelartiges Aussehen verleiht und indem er das retroreflektierte Licht auf ein schmales Spektralband begrenzt. Um das durch die Markierungen 62a erzeugte Muster zu detektieren, muß jemand, der sich dem glänzenden Gegenstand 50 nähert, sowohl (1) eine Lichtquelle an dem spezifizierten Eintrittswinkel und an dem spezifizierten Orientierungswinkel orientieren, wobei die Lichtquelle Licht in dem Durchlaßband des Filmes 54 für die spezifizierte Orientierung aussendet, als auch (2) einen Detektor in der Nähe der Lichtquelle positionieren, um das schmalbandige retroreflektierte Licht zu beobachten. Zusätzlich von dem durch die Markierungen 62a gebildeten Muster können unabhängige Muster unter Verwendung zusätzlichen Sätzen von Markierungen auf der Maskierungsschicht 62 bereitgestellt werden, wobei jeder derartige zusätzliche Satz im wesentlichen aus Markierungen besteht, die auf der Schicht 62 positioniert sind, so daß sie einer von der Achse 66 verschiedenen Beleuchtungsrichtung entsprechen. Die jedem Satz von Markierungen zugeordneten Eintrittswinkel und die spektralen Eigenschaften des Films 54 bestimmen die Wellenlängen, bei welcher entsprechende Bilder detektiert werden können.
Weitere bekannte Bild-tragende retroreflektierende Folien können die Schicht 52 ersetzen, wie z. B. diejenigen, welche in dem U.S. Patent Nr. 3,801,183 (Sevelin et al.) offenbart sind.
Der Gegenstand 50 enthält das Information tragende Muster in der retroreflektierenden Schicht 52 statt in der getrennten Kennzeichenschicht 12 gemäß Darstellung in 1, 3, 4C und 4D, was zu einem dünneren Endprodukt im Vergleich zu einem mit einer getrennten Kennzeichenschicht führt. Die Ausführungsform von 6 verzichtet ebenfalls auf eine getrennte Kennzeichenschicht. 6 veranschaulicht eine strukturierte Oberfläche 68 einer retroreflektierenden Schicht, welche irgend eine der vorstehend diskutierten strukturierten retroreflektierenden Oberflächenschichten ersetzen kann. Muster sind in der strukturierten Oberfläche durch Zonen 70a, 70b, 70c definiert, welche retroreflektierende Elemente und Zonen 72a, 72b, 72c enthalten, welche frei von retroreflektierenden Elementen sind. Retroreflektierende Elemente werden entweder niemals auf den Zonen 72a, 72b, 72c erzeugt, da die zur Herstellung der Schicht verwendete Form diesen Zonen entsprechende glatte Oberflächen besitzt, oder anschließend gelöscht oder selektiv bei diesen Zonen verformt. Eine derartige selektive Verformung der retroreflektierenden Elemente ist von der bekannten Praxis der Zerstörung von Würfeleckenelementen entlang polygonaler Begrenzungen während der Aufbringung einer Versiegelungsschicht auf der strukturierten Oberfläche zu unterscheiden, wobei die polygonalen Formen keine signifikante Information transportieren. Eine Auslöschung von retroreflektierenden Elementen kann durch jede bekannte Einrichtung erzeugt werden, beispielsweise durch Aufbringung von ausreichend Wärme und/oder Druck in den ausgewählten Zonen.
Weitere Anordnungen für die Bereitstellung einer strukturierten retroreflektierenden Schicht werden ebenfalls in Betracht gezogen. Beispielsweise kann eine strukturierte Metallisierungsschicht oder eine Bedampfungsschicht auf der strukturierten Oberfläche ähnlich in dem U.S. Patent Nr. 5,229,882 (Raulen) dargestellten Ausführungsformen vorgesehen werden. In gleicher Weise können weitere strukturierte Beschichtungen, wie z. B. Farben, Farbstoffe, Kleber usw. auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht werden. Derartige Beschichtungen modifizieren das retroreflektierende Verhalten von Zonen, auf welche sie aufgebracht werden. Wenn der Brechungsindex des Beschichtungsmaterials nahe genug dem der retroreflektierenden Schicht liegt, so daß die TIR eliminiert wird, kann eine Beschichtung effektiv die Retroreflexion zerstören, ohne mechanisch die strukturierte Oberfläche zu zerstören.
7A und 7B stellen eine weitere Ausführungsform 74 dar, in welche das Informations-enthaltende Muster durch die retroreflektierende Schicht selbst bereitgestellt wird, so daß eine getrennte Kennzeichenschicht, falls gewünscht, vermieden werden kann. Ein Mehrlagenfilm 76 mit reflektierenden und transmissiven Eigenschaften ähnlich dem der vorstehend beschriebenen Filme 14, 36 und 54 ist auf die retroreflektierende Schicht 78 laminiert. Die Schicht 78 ist im Detail in der PCT Veröffentlichung WO 97/41465 mit dem Titel "Glittering Cube-Corner Retroreflektive Sheeting" beschrieben. Im wesentlichen weist die retroreflektierende Schicht 78 Zonen 80 auf, in welchen die Würfeleckenelemente 81 in einem vorbestimmten Wiederholungsmuster angeordnet sind, sowie in 7A dargestellte Zonen 82, in welchen Würfeleckenelemente zufällig geneigt über die Anordnung verteilt sind. Die zufällige Neigung der Würfeleckenelemente in den Zonen 82 verleiht der Schicht 78 eine Glitzerqualität, welche in den Zonen 80 nicht vorhanden ist, und stellt dadurch eine Basis bereit, auf welcher ein Muster unterschieden werden kann. Das Aussehen des in 7B in retroreflektiertem Licht dargestellten Gegenstandes 74 deckt das glitzernde Muster "ABC" auf. Alternativ können glitzernde und nicht-glitzernde Zonen ausgetauscht werden, so daß das Muster aus nicht-glitzernden retroreflektierenden Buchstaben auf einem glitzernden retroreflektierenden Hintergrund besteht. Gemäß nochmaligem Bezug auf 7A ist zu sehen, daß die retroreflektierende Schicht 78 eine Würfeleckenschicht aufweist, welche Würfelecken 81 und eine optische Stegschicht 84 und- eine Körperschicht 86 mit einer im wesentlichen flachen Vorderseitenoberfläche 86a und einer Rückseitenoberfläche, welche ungleichmäßig von der Vorderseitenoberfläche in der Zone 82 beabstandet ist, enthält.
Die Hauptkomponentenschichten des reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstandes können in einer Vielzahl von Arten kombiniert werden. Beispielsweise kann eine Kennzeichenschicht mit benachbarten Schichten mittels Drucktechnik oder mittels Lamination kombiniert werden. Die Lamination einer Schicht auf eine andere kann die Aufbringung einer Verbindungsschicht geeigneter Dicke und Zusammensetzung für eine optimale Verbindung beinhalten. Gieß- und Härtungstechniken können ebenfalls angewendet werden, wie z. B. die in dem U.S. Patent Nr. 5,175,030 (Lu et al.) beschriebenen. Beispielsweise können Würfelecken oder prismatische retroreflektierende Elemente auf einer Folie eines bereits existierenden Mehrlagenfilms durch Aufbringen eines Harzes auf dem Film, Gießen des Harzes in die Form der retroreflektierenden Elemente und Härten des Harzes unter Verwendung von Ultraviolettlicht, Wärme oder anderen geeigneten Mitteln aufgebracht werden.
Ausbau des mehrlagigen Polymerfilms
8 stellt ein mögliches idealisiertes prozentuales Transmissionsspektrum für die Mehrlagenfilme 14, 36, 54 und 76 dar. Eine durchgezogene Kurvenlinie 88 repräsentiert das Verhalten für Licht (unabhängig ob polarisiert oder nicht), das senkrecht auf den Film einfällt und die Kurve mit unterbrochener Linie 90 repräsentiert das Verhalten nur für die p-polarisierte Komponente von Licht, das in einem Nicht-Null-Eintrittswinkel von beispielsweise 30 bis 40 Grad einfällt. Das Transmissions-Spektrum für s-polarisiertes Licht bei dem Nicht-Null-Eintrittswinkel ist nicht dargestellt, um eine Verwirrung zu vermeiden. Der Eintrittswinkel ist auf ein Luftmedium bezogen. Über dem interessierenden Wellenlängenbereich ist die Absorption der Komponentenschichten des Films klein genug, so daß von einem praktischen Standpunkt die Reflexion = 100% – Transmission über einen derartigen Wellenlängenbereich ist.
Vorteilhaft ist der Mehrlagenfilm so konfiguriert, daß er wenigstens ein schmales Transmissionsband 88a, 88b, 88c zeigt. Obwohl die Transmissionsbänder 88a, 88b, 88c mit Transmissionsmaxima größer als 50% dargestellt sind, können auch Filme mit Maxima zwischen 10% und 50% genug Rücklicht für die Detektion erzeugen und weisen weniger "Farbe" in dem Reflexionsspektrum auf, was nützlich ist, wenn ein hochglänzendes spiegelartiges Umgebungsaussehen erwünscht ist. Eine schmale Bandbreite mit hoher Spitzentransmissionscharakteristik wird gegenüber einer breitbandigen Niedrigpegel- Transmissionscharakteristik bevorzugt, da die Erstere in einer Doppeldurchlaufanordnung im Verhältnis des Quadrates der entsprechenden Spitzentransmissionswerte wesentlich effizienter ist. Teilbandbreiten in der Größenordnung von 15% oder weniger werden bevorzugt, und bevorzugter in der Größenordnung von 10% oder darunter. Polymerfilmaufbauten mit Dickengradienten, welche so wirken, daß sie steilere Anstiegs- und Abfallsübergänge als zuvor in Polymerfilmen erhältliche erzielen, werden nachstehend beschrieben.
Der den Spektren von 8 zugeordnete Film weist bei senkrechtem Einfall zwei Transmissionsbänder in dem sichtbaren und eines in dem nahen Infrarotbereich auf. Alternativ können in einem kombinierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstand verwendbare Filme, wie hierin offenbart, eine unterschiedliche Anzahl und Anordnung von Transmissionsbändern aufweisen. Ein Film mit einem Transmisionsband in dem sichtbaren Bereich für wenigstens einige Eintrittswinkel ermöglicht eine visuelle Detektion des darunterliegenden Musters durch das nicht unterstützte menschliche Auge. Ein Film mit nur einem Band, bei etwas höher 400 nm bei senkrechtem Einfall erzeugt einen hellblau retroreflektierten Strahl bei einer Direktbetrachtung und dann, wenn der Gegenstand geneigt wird und sich das Band "ins Blaue", (d. h. zu kürzeren Wellenlängen" hin in dem Ultraviolettbereich verschiebt, erscheint der Gegenstand als ein normales Spiegel, da das retroreflektierte Ultraviolettlicht durch das Auge nicht er kennbar ist. Ein Film mit nur einem Band in der Nähe des roten Endes des sichtbaren Spektrums bei senkrechtem Einfall erzeugt einen hellrot retroreflektierten Strahl bei einer Direktbetrachtung und mit der Neigung des Gegenstandes verschiebt sich der strukturierte retroreflektierte Strahl in den Gelb- und Grünbereich des Spektrums. Ein Film mit nur einem Band bei etwas höher als 700 nm (bis zu etwa 800 nm) bei senkrechtem Einfall erscheint wie ein normaler Spiegel bei einer Direktbetrachtung, deckt aber das darunterliegende Muster in hellen Schattierungen von Rot bei größeren Winkeln als den Einfallswinkeln auf. Schließlich erscheint ein Film mit nur einem Band, das gut in dem nahen infraroten (oder sogar leicht in dem ultravioletten) Bereich angeordnet ist, bei einem Eintrittswinkel von Null wie ein gewöhnlicher Spiegel bei allen Betrachtungswinkeln. Diese letzte Art von Filmen stellen eine maximale Verdeckung des darunterliegenden Musters bereit. Natürlich würde ein Detektor, welcher für infrarotes oder ultraviolettes Licht empfindlich ist, entsprechend verwendet, um das retroreflektierte Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums zu detektieren.
In vielen Anwendungen ist es erwünscht, daß der mehrlagige Film ein Transmissionsband aufweist, das weder wesentlich in der Teilbandbreite zunimmt, noch in der Amplitude mit der Zunahme des Eintrittswinkels für den Anteil des einfallenden Lichtes, das p-polarisiert ist, abnimmt. In 8 kann man sehen, daß die p-polarisierten Transmissionsbänder 90a, 90b, 90c im Vergleich zu den entsprechenden Bänder 88a-c, bzw. zu der Kurve 88 für senkrecht einfallendes Licht blau-verschoben sind, und im wesentlichen die Spitzenamplituden und die Teilbandbreiten im wesentlichen unverändert sind. Eine derartige Beibehaltung der Spitzenamplitude und der Teilbandbreiten beruht auf der Beibehaltung der Form der zwei Übergänge an beiden Seiten, der das Band bildenden Bandspitze, was wiederum zustandekommt, wenn der Mehrlagenfilm aus einzelnen Lagen besteht, deren Brechungsindizes außerhalb der Ebene (d. h. der Z-Achse) im wesentlichen angepaßt sind. Diese Konstruktion kann realisiert werden, wenn wenigstens ein Teil von den Schichten aus einem Polymer besteht, dessen ebeneninternen Brechungsindizes in der Ebene Funktionen bekannter Streckprozeduren nach der Extrusion sind. Früher verfügbare Mehrlagenfilme weisen, wie z. B. diejenigen, welche mittels Vakuumabscheidung isotroper anorganischer Schichten erzeugt werden, dieselbe Brechungsindexfehlanpassung in der Richtung außerhalb der Ebene, wie in den Richtungen innerhalb der Ebene auf, und demzufolge erfahren sie eine schädliche Abnahme in der Spitzenamplitude und einen Anstieg in der Teilbandbreite für ein gegebenes p-Polarisationstransmissionsband, wenn der Eintrittswinkel vergrößert wird. Dieses schädliche Verhalten kann bis zu einem bestimmten Grad verhindert werden, indem die Anzahl der Schichten in dem Film zunimmt, aber nur mit einer begleitenden Zunahme in der Komplexität und in den Kosten. Ferner verschlechtern sich die Grundlinie oder die "Außer-Band"-p-Polarisationstransmissionspegel für solche nicht ideale Filme erheblich mit zunehmenden Eintrittswinkel und überschreitet typischerweise Leckpegel von 30%.
Die Reflexions- und Transmissionsspektren eines spezifischen Mehrlagenfilms hängen primär von der optischen Dicke der einzelnen Schichten zusammen mit den verschiedenen Achsen ab und werden im wesentlichen durch die bekannten Fresnel-Koeffizienten bestimmt. Filme können so ausgelegt werden, daß infrarotes, sichtbares oder ultraviolettes Licht durch die Wahl einer geeigneten optischen Dicke der Schichten gemäß der nachstehenden Formel: λm = (2/M)*Dr, reflektiert wird, wobei M eine ganze Zahl ist, welche eine spezifische Ordnung des reflektierten Lichtes repräsentiert und D_r die optische Dicke einer optischen Wiederholungseinheit ("ORU") ist. Demzufolge ist D_r die Summe der optischen Dicken der einzelnen Schichten, welche die ORU bilden. Durch die Anordnung der ORUs entlang der Dicke des Mehrlagenfilms in einer solchen Reihenfolge, daß die optischen Dicken der ORUs einem vorgegebenen Profil entsprechen, kann ein mehrlagiger Film aufgebaut werden, welcher Licht über ein breites Reflexionsband reflektiert.
Ein reflektierender Mehrlagenfilm mit den hierin beschriebenen Eigenschaften kann durch Verwendung einer Mehrlagen-Coextrusionsvorrichtung gemäß Beschreibung in den U.S. Patenten Nr. 3,773,882 (Schrenk) und 3,884,606 (Schrenk) hergestellt werden. Eine derartige Vorrichtung stellt ein Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen, gleichzeitig extrudierten thermoplastischen Materialien bereit, wobei jede Schicht davon im wesentlichen eine gleichmäßige Schichtdicke besitzt. Der Speiseblock der Coextrusionsvorrichtung nimmt Ströme der diversen thermoplastischen polymerischen Materialien aus einer Quelle, wie z. B. einen wärmehärtenden Extruder auf. Die Ströme der Harzmaterialien werden zu einem mechanischen Manipulationsabschnitt innerhalb des Speiseblockes geführt. Dieser Abschnitt dient zur Neuanordnung der ursprünglichen Ströme in einen mehrlagigen Strom mit der Anzahl der in dem Endkörper gewünschten Schichten. Optimal kann dieser mehrlagige Strom anschließend durch eine Reihe von Schichten-Vervielfachungseinrichtungen geführt werden, wie sie beispielsweise in dem U.S. Patenten Nr. 3,759,647 (Schrenk et al.), 5,094,788 (Schrenk et al.) oder 5,094,793 (Schrenk et al.) beschrieben sind, um die Anzahl der Schichten in dem endgültigen Film weiter zu erhöhen. Der mehrlagige Strom wird dann in eine Extrusionsdüse geführt, welche so aufgebaut und angeordnet ist (siehe z. B U.S. Patent Nr. 3,557,265 (Chisholm et al.)) das ein Stromlinienfluß darin aufrecht erhalten bleibt. Das sich ergebende Produkt wird extrudiert, um einen Mehrlagenfilm zu erzeugen, in welchem jede Schicht im allgemeinen parallel zu der Hauptoberfläche benachbarter Schicht liegt. Die Konfiguration der Extrusionsdüse kann variieren und kann so sein, daß sie die Dicken und Abmessungen von jeder der Schichten reduziert. Die Anzahl der Schichten in dem reflektierenden Filmkörper kann ausgewählt werden, um die gewünschten optischen Eigenschaften unter Anwendung der minimalen Anzahl von Schichten aus Gründen der Filmdicke, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit zu erzielen. In dem Falle von Spiegeln und reflektierenden Polarisatoren ist die Anzahl von Schichten bevorzugt kleiner als etwa 10.000, bevorzugter kleiner als etwa 5.000 und (sogar noch bevorzugter) kleiner als 2.000).
Die gewünschte Beziehung zwischen den Brechungsindizes und den Polymerschichten kann durch Auswahl geeigneter Materialien und geeigneter Bearbeitungsbedingungen erzielt werden. In dem Falle organischer Polymere, welche durch Strecken orientiert werden können, werden die Mehrlagenfilme generell durch Coextrusion der einzelnen Polymere zur Ausbildung eines Mehrlagenfilms (wie vorstehend beschrieben) und dann durch "Orientieren" des reflektierenden Filmkörpers durch Strecken bei einer ausgewählten Temperatur, optional gefolgt von einer Wärmehärtung bei einer gewählten Temperatur erzeugt. Alternativ können die Extrusions- und Orientierungsschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Durch die Orientierung wird der gewünschte Umfang der Doppelbrechung (positiv oder negativ) in denjenigen Polymerschichten eingestellt, welche ein Polymer aufweisen, das Doppelbrechung zeigen kann. In dem Falle von Spiegeln kann der Film im wesentlichen in zwei Richtung (biaxiale Orientierung) gestreckt werden, um einen Spiegel film zu erzeugen, bei dem jede gegebene einzelne Schicht im wesentlichen dieselben Brechungsindizes in der Ebene und wenigstens einige von den Schichten einen Brechungsindex außerhalb der Ebene aufweisen, der sich von den Indizes in der Ebene unterscheidet (und welche deshalb doppelbrechend sind). Bei dem Spiegelfilmkörper kann eine dimensionale Relaxation in der Richtung quer zur Streckung von der natürlichen Reduzierung quer zur Streckung (gleich der Quadratwurzel des Streckungsverhältnisses) zugelassen werden, so daß er eingeschränkt ist (d. h., sich nicht wesentlich in der Richtung quer zur Streckung ändert). Der Filmkörper kann in der Maschinenrichtung gestreckt werden, z. B. mit einer Längsorientierungsvorrichtung, und/oder in der Breitenrichtung unter Verwendung einer Spannvorrichtung. Die Temperatur vor der Streckung, die Streckrate, das Streckverhältnis, die Wärmehärtungstemperatur, Wärmehärtungszeit, Wärmehärtungsrelaxation und Querstreckungsrelaxation werden ausgewählt, um einen Mehrlagenfilm mit der gewünschten Brechungsindexbeziehung zu erhalten. Diese Variablen sind gegenseitig abhängig: somit könnte beispielsweise eine relativ niedrige Streckungsrate verwendet werden, wenn sie beispielsweise mit einer relativ niedrigen Streckungstemperatur gekoppelt ist. Es dürfte für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein, wie die geeignete Kombination dieser Variablen zu wählen ist, um das gewünschte Mehrlagenelement zu erhalten. Im allgemeinen wird jedoch ein Streckverhältnis in dem Bereich von etwa 1 : 2 bis etwa 1 : 10 (bevorzugter etwa 1 : 3 bis etwa 1 : 7) in der Streckungsrichtung und von etwa 1 : 0,2 bis etwa 1 : 10 (bevorzugter von etwa 1 : 0,2 bis etwa 1 : 7) orthogonal zu der Streckrichtung bevorzugt.
Die Orientierung des extrudierten Films kann durch Strecken einzelner Folien des Materials in erwärmter Luft erfolgen. Für eine wirtschaftliche Produktion kann die Streckung auf einer zusammenhängenden Basis in einer Standardlängenorientierungsvorrichtung, Spannofen oder in beiden erzielt werden. Einsparung bei Massenproduktion und Liniengeschwindigkeiten einer Standardpolymerfilmproduktion können erzielt werden und dadurch Herstellungskosten, die wesentlich niedriger sind als die Kosten in Verbindung mit kommerziell verfügbaren absorbierenden Polarisatoren. Die Lamination von zwei oder mehr mehrlagigen Filmen kann ebenfalls praktiziert werden, um einen Spiegelfilm zu erhalten. Amorphe Copolyester sind als Laminierungsmaterialien nützlich, wobei VITEL 3000 und 3300 von "Goodyear Tyre und Rubber Co. of Akron", Ohio als Materialien zu erwähnen sind, welche erprobt wurden. Die Auswahl an Laminationsmaterial ist breit, wobei die Haftung auf mehrlagigen Filmen, die optische Klarheit und Ausschluß von Luft die primären Auswahlprinzipien sind. Es kann erwünscht sein, zu einer oder mehreren von den Schichten ein oder mehrere anorganische oder organische Hilfsmittel, wie z. B. ein Antioxidationsmittel, eine Extrusionshilfe, einen Wärmestabilisator, Ultraviolettstrahlenabsorber, Kernbildner, Oberflächenprojektion-Erzeugungsmittel und dergleichen in normalen Mengen zuzusetzen, so lange die Zusetzung nicht wesentlich das gewünschte Verhalten beeinflußt.
Eine Klasse von polymerischen Materialien, welche in den Mehrlagenfilm integriert sind, erzeugen bevorzugt doppelbrechende Polymerschichten. Diese Materialien sind dadurch gekennzeichnet, daß eine Streckung in einer gegebenen Richtung wesentlich einen oder mehrere ihrer Brechungsindizes verändert und eine besonders bevorzugte Schicht ist eine, welche ein kristallines oder semikristallines Polyethylennaphthalin (PEN), einschließlich den Isomeren (z. B. 2,6-; 1,4-; 1,5-; 2,7-; und 2,3-PEN) enthält. Eine weitere Klasse von in den Mehrlagenfilm integrierten Polymermaterialien erzeugt bevorzugt im wesentlichen isotrope Polymerschichten. Diese Mate rialien sind dadurch gekennzeichnet, daß eine Streckung in einer gegebenen Richtung wenig oder keinen Effekt auf ihre Brechungsindizes zeigt, und eine besonders bevorzugte Schicht ist eine, welche eine Schicht enthält, die Polymethylmethacrylat enthält, und insbesondere Polymethylmethacrylat ist.
Materialauswahl für den Mehrlagenfilm
Eine Vielfalt von Polymermaterialien, welche zur Anwendungen in den Ausführungsformen hierin geeignet sind, wurden für die Anwendung in der Herstellung koextrudierter mehrlagiger optischer Filme gelehrt. Beispielsweise in den U.S. Patenten Nr. 4,937,134; 5,103,337; 5,448,404; 5,540,978; und 5,568,316 von Schrenk et al. und in 5,122,905; 5,122,906 und 5,126,880 an Wheatley und Schrenk. Von speziellem Interesse sind doppelbrechende Polymere, wie z. B. die in 5,486,949 und 5,612,820 von Schrenk et al. und in der PCT-Veröffentlichung WO 96/19347 mit dem Titel "Optical Film" beschriebenen. Bezüglich der bevorzugten Materialien, aus welchen die Filme herzustellen sind, gibt es mehrere Bedingungen, welche erfüllt sein sollten, um die bevorzugten mehrlagigen optischen Filme zu erzeugen. Erstens sollten diese Filme aus wenigstens zwei unterschiedlichen Polymeren bestehen; die Anzahl ist nicht beschränkt, und drei oder mehr Polymere können vorteilhaft in speziellen Filmen verwendet werden. Zweitens sollte wenigstens eines von den zwei Polymeren, das als das "erste Polymer" bezeichnet wird, einen spannungsoptischen Koeffizienten mit einem großen Absolutwert aufweisen. Mit anderen Worten, es sollte in der Lage sein, eine starke Doppelbrechung zu entwickeln, wenn es gestreckt wird. Abhängig von der Anwendung, kann die Doppelbrechung zwischen zwei orthogonalen Richtungen in der Ebene des Films, zwischen einer oder mehreren Richtungen in der Ebene und in der Richtung senkrecht zu der Filmebene oder in einer Kombination von diesen entwickelt werden. Drittens sollte das erste Polymer in der Lage sein, eine Doppelbrechung nach der Streckung beizubehalten, so daß die gewünschten optischen Eigenschaften dem fertigen Film mitgegeben werden. Ferner sollte das weiter erforderliche Polymer, das als das "zweite Polymer" bezeichnet wird, so gewählt werden, daß sich in dem fertig gestellten Film dessen Brechungsindex in wenigstens einer Richtung deutlich von dem Brechungsindex des ersten Polymers in derselben Richtung unterscheidet. Da polymerische Materialien typischerweise dispersiv sind, d. h., die Brechungsindizes variieren mit der Wellenlänge, müssen diese Bedingungen im Hinblick auf eine interessierende spezifische spektrale Bandbreite beachtet werden.
Weitere Aspekte der Polymerauswahl hängen von spezifischen Anwendungen ab. Für Polarisierungsfilme ist es für den Unterschied in dem Brechungsindex der ersten und zweiten Polymere in der einen Film-Ebenen-Richtung vorteilhaft, sich deutlich in dem fertig gestellten Film zu unterscheiden, während der Unterschied in dem Index der orthogonalen Filmebene minimiert ist. Wenn das erste Polymer einen großen Brechungsindex besitzt und im isotropen Zustand positiv doppelbrechend ist (d. h., sein Brechungsindex nimmt in der Streckungsrichtung zu), wird das zweite Polymer so gewählt, daß es einen angepaßten Brechungsindex nach der Verarbeitung in der Ebenenrichtung orthogonal zu der Steckungsrichtung aufweist und einen Brechungsindex in der Streckungsrichtung, welcher so niedrig wie möglich ist. Umgekehrt wird, wenn das erste Polymer einen kleinen Brechungsindex aufweist und im isotropen Zustand negativ doppelbrechend ist, das zweite Polymer so gewählt, daß es einen angepaßten Brechungsindex nach der Verarbeitung in der Ebenenrichtung orthogonal zu der Steckungs richtung aufweist, und einen Brechungsindex in der Streckungsrichtung, welcher so hoch wie möglich ist.
Alternativ ist es möglich, ein erstes Polymer auszuwählen, welches positiv doppelbrechend ist und im isotropen Zustand einen mittleren oder niedrigen Brechungsindex besitzt, oder eines, welches negativ doppelbrechend ist und im isotropen Zustand einen mittleren oder hohen Brechungsindex besitzt. In diesen Fällen kann das zweite Polymer so ausgewählt werden, daß nach dessen Verarbeitung dessen Brechungsindex den des ersten Polymers entweder in der Streckungsrichtung oder in der ebenen Richtung orthogonal zu der Streckung angepaßt ist. Ferner wird das zweite Polymer so ausgewählt, daß der Unterschied im Brechungsindex in der verbleibenden Ebenenrichtung maximiert wird, unabhängig davon, ob dieses am besten durch einen sehr niedrigen oder sehr hohen Brechungsindex in dieser Richtung erzielt wird.
Ein Mittel zum Erreichen dieser Kombination einer Ebenenindexanpassung in einer Richtung und einer Fehlanpassung in der orthogonalen Richtung besteht in der Auswahl eines ersten Polymers, welches eine erhebliche Doppelbrechung entwickelt, wenn es gestreckt wird und eines zweiten Polymers, welches nur wenig oder keine Doppelbrechung entwickelt, wenn es gestreckt wird, und in der Streckung des sich ergebenden Films in nur einen Ebenenrichtung. Alternativ kann das zweite Polymer von denjenigen ausgewählt werden, welche nur eine Doppelbrechung in umgekehrten Sinne zu dem des ersten Polymers (negativ-positiv oder positiv-negativ) entwickeln. Ein weiteres alternatives Verfahren besteht in der Auswahl sowohl erster als auch zweiter Polymere, welche in der Lage sind, eine Doppelbrechung zu entwickeln, wenn sie gestreckt werden, aber diese in zwei orthogonalen Ebenenrichtungen zu strecken, Prozeßbedingungen auszuwählen, wie z. B. Temperaturen, Streckra ten, Nachstreckung, Relaxation und dergleichen, welche zu einer Entwicklung ungleichmäßiger Orientierungspegel in den zwei Streckungsrichtungen für das erste Polymer und zu Orientierungspegeln für das zweite Polymer in der Weise führen, daß der eine ebeneninterne Index in etwa an den des ersten Polymers angepaßt ist und der orthogonale ebeneninterne Index signifikant gegenüber dem des ersten Polymers fehlangepaßt ist. Beispielsweise können die Bedingungen so gewählt sein, daß das erste Polymer einen biaxial orientierten Charakter in dem fertigen Film aufweist, während das zweite Polymer einen vorherrschend uniaxial orientierten Charakter in dem fertigen Film aufweist.
Vorstehendes ist exemplarisch gemeint, und es dürfte sich verstehen, daß Kombinationen von diesen und anderen Techniken angewendet werden können, um das Ziel eines polarisierenden Films mit einer Indexfehlanpassung in der einen ebeneninternen Richtung, und einer relativen Indexfehlanpassung in der orthogonalen Ebenenrichtung zu erreichen.
Unterschiedliche Betrachtungen treffen auf einen reflektierenden oder Spiegelfilm zu. Vorausgesetzt, daß der Film nicht auch noch gewisse Polarisierungseigenschaften aufweisen soll, treffen die Brechungsindexkriterien gleichermaßen auf jede Richtung in der Filmebene zu, so daß die Indizes für jede gegebene Schicht in orthogonalen ebeneninternen Richtungen typischerweise gleich oder nahezu gleich sind. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn sich die Filmebenenindizes des ersten Polymers so stark wie möglich von den Filmebenenindizes des zweiten Polymers unterscheiden. Aus diesem Grunde ist es, wenn das erste Polymer im isotropen Zustand einen hohen Brechungsindex besitzt, vorteilhaft, daß es auch positiv doppeltbrechend ist. Gleichfalls ist es, wenn das erste Polymer im isotropen Zustand einen niedrigen Brechungsindex besitzt, vor teilhaft, daß es auch negativ doppelbrechend ist. Das zweite Polymer entwickelt vorteilhaft nur wenig oder keine Doppelbrechung, wenn es gestreckt wird, oder entwickelt eine Doppelbrechung in dem entgegengesetzten Sinne (positiv-negativ oder negativ-positiv), so daß die Filmebenenbrechungsindizes sich so stark wie möglich von denen des ersten Polymers in dem fertigen Film unterscheiden. Diese Kriterien können geeignet mit dem vorstehend aufgelisteten für Polarisierungsfilme kombiniert werden, wenn ein Spiegelfilm auch einen gewissen Grad an Polarisierungseigenschaften aufweisen soll.
Gefärbte Filme können als Spezialfälle von Spiegel- und Polarisierungsfilmen betrachtet werden. Somit gelten dieselben vorstehend ausgeführten Kriterien. Die wahrgenommene Farbe ist ein Ergebnis der Reflexion oder der Polarisation über eine oder mehrere spezifische Bandbreiten des Spektrums. Die Bandbreiten, über welche ein mehrlagiger Film der vorliegenden Erfindung Wirkung zeigt, werden primär durch die Verteilung der in dem(n) optischen Stapel(n) verwendeten Schichtdicken bestimmt, wobei jedoch auch die Wellenlängenabhängigkeit oder Dispersion der Brechungsindizes der ersten und zweiten Polymere in Betracht gezogen werden müssen. Es dürfte sich verstehen, daß dieselben Regeln für Infrarot und Ultraviolett-Wellenlängen wie für die sichtbaren Farben zutreffen.
Das Absorptionsverhalten ist ein weiterer Gesichtspunkt. Für die meisten Anwendungen ist vorteilhaft, wenn weder das erste Polymer noch das zweite Polymer irgendwelche Absorptionsbänder innerhalb der interessierenden Bandbreite des fraglichen Filmes aufweisen. Somit wird das gesamte innerhalb der Bandbreite einfallende Licht entweder reflektiert oder hindurchgelassen. Für einige Anwendungen kann es jedoch nützlich sein, daß eines oder beide von den ersten und zweiten Polyme ren spezifische Wellenlängen entweder vollständig oder teilweise absorbieren.
Polyethylen-2,6-Naphthalat (PEN) wird häufig als ein erstes Polymer für die hierin beschriebenen Filme verwendet. Es weist einen großen positiven spannungsoptischen Koeffizienten auf, behält die Doppelbrechung wirksam nach der Streckung bei und besitzt nur eine geringe oder keine Absorption innerhalb des sichtbaren Bereiches. Es besitzt auch einen großen Brechungsindex im isotropen Zustand. Sein Brechungsindex für polarisiertes einfallendes Licht von 550 nm Wellenlängen nimmt, wenn die Polarisierungsebene parallel zu der Streckungsrichtung liegt, von etwa 1,64 bis etwa 1,9 zu. Seine Doppelbrechung kann durch Vergrößerung seiner molekularen Orientierung vergrößert werden, welche wiederum durch Streckung mit größeren Streckungsverhältnissen vergrößert werden kann, wobei die anderen Streckbedingungen fixiert gehalten werden.
Weitere semikristalline Naphthalindicarbonpolyester sind ebenfalls als erste Polymere geeignet. Polybutylen-2,6-Naphthalat (PBN) ist ein Beispiel. Diese Polymere können Homopolymere oder Copolymere sein, vorausgesetzt das die Verwendung von Comonomeren nicht wesentlich den spannungsoptischen Koeffizienten oder die Beibehaltung der Doppelbrechung nach der Streckung beeinträchtigt. Der Begriff "PEN" hierin versteht sich so, daß er Copolymere aus PEN enthält, welche diese Einschränkungen erfüllen. In der Praxis erzwingen diese Einschränkungen einen oberen Grenzwert in dem Comonomeranteil, dessen genauer Wert mit der Auswahl der eingesetzten Comonomere variiert. Ein gewisser Kompromiß in diesen Eigenschaften kann jedoch akzeptiert werden, wenn die Einbeziehung des Comonomers zu einer Verbesserung anderer Eigenschaften führt. Solche Eigenschaften umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, eine verbesserte Zwischenlagenadhäsion, ein niedriger Schmelzpunkt (der zu einer niedrigeren Extrusionstemperatur führt), eine bessere rheologische Anpassung an andere Polymere in dem Film und vorteilhafte Verschiebungen in dem Prozeßfenster für die Streckung aufgrund einer Änderung in der Glasübergangstemperatur.
Geeignete Comonomere zur Verwendung in PEN, PBN oder dergleichen können von Diol- oder Dicarbonsäure- oder Estertyp sein. Dicarbonsäurecomonomere umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt Therephthalsäure, Isophthalsäure, Phthalsäure, alle isomerischen Naphthalindicarbonsäuren (2,6-, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,7-, und 2,8-), Bibenzolsäuren, wie z. B. 4,4'-Diphenylbicarbonsäure und deren Isomere, Trans-4,4'-Stilbendicarbonsäure und deren Isomere, 4,4'-Diphenyletherdicarbonsäure und deren Isomere, 4,4'-Diphenylsulfondicarbonsäure und deren Isomere, 4,4-Benzophenondicarbonsäure und deren Isomere, halogenierte aromatische Dicarbonsäuren, wie z. B. 2-Chlorterephthalsäure und 2,5-Dichlorterephthalsäure, weitere substituierte aromatische Dicarbonsäuren, wie z. B. tertiäre Butylisophthalsäure und Natrium-sulfonierte Isophthalsäure, Cycloalkandicarbonsäuren, wie z. B. 1,4-Cyclohexandicarbonsäure und deren Isomere und 2,6-Decahydronaphthalindicarbonsäure und deren Isomere, bioder multizyklische Dicarbonsäuren (wie z. B. die verschiedenen isomerischen Norbornan- und Norbornindicarbonsäuren, Adamantandicarbonsäuren und Bicyclooctandicarbonsäuren), Alkandicarbonsäuren (wie z. B. Sebacinsäure, Adipinsäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutalsäure, Azelainsäure und Dodekandicarbonsäure), und irgendwelche von den isometrischen Dicarbonsäuren, aromatische Kohlenwasserstoffen mit geschlossenem Ring (wie z. B. Inden, Anthrazin, Pheneanthren, Benzonaphthen, Fluoren und dergleichen). Alternativ können Alkylester dieser Monomere, wie z. B. Dimethylterephthalat verwendet werden.
Geeignete Diolcomonomere umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, lineare oder verzweigte Alkandiole oder Glycole (wie z. B. Ethylenglycol, Propandiole, wie z. B. Trimethylenglycol, Butandiole, wie z. B. Tetramethylenglycole, Pentandiole, wie z. B. Neopentylglycol, Hexandiole, 2,2,4-Trimethyl-1,3-Pentadiol und höhere Diole), Etherglycole (wie z. B. Diethylenglycol, Triethylenglycol und Polyethylenglycol), Kettenesterdiole, wie z. B. 3-Hydroxy-2,2-Dimethylpropyl-3-Hydroxy-2,2-Dimethylpropanoat, Cycloalkanglycole, wie z. B. 1,4-Cyclohexandimethanol und dessen Isomere, und 1,4-Cyclohexandiol und dessen Isomere, bi- oder multizyklische Diole (wie z. B. die verschiedenen isomerischen Tricyclododekandimethanole, Norbonandimethanole, Norbonindimethanole und Bicyclo-Octandimethanole), aromatische Glycole (wie z. B. 1,4-Benzendimethanol, dessen Isomere, 1,4-Benzindiol und dessen Isomere, Bisphenole, wie z. B. Bisphenol A. 2,2'-Dihydroxybiphenyl und dessen Isomere, 4,4'-Dihydroxymethyldiphenyl und dessen Isomere und 1,3-bis(2-Hydroxyetoxy)benzen und dessen Isomere) und niedrige Alkylether oder Diether dieser Diole, wie z. B. Dimethyl oder Diethyldiole.
Tri- oder polyfunktionale Comonomere, welche dazu dienen können, den Polyestermolekülen eine verzweigte Struktur zu verleihen, können ebenfalls verwendet werden. Sie können entweder vom Carbonsäure-, Ester-, Hydroxy- oder Ethertyp sein. Beispiele umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Trimellinsäure und deren Ester, Trimethylolpropan und Pentaerythritol.
Ebenfalls sind als Comonomere Monomere gemischter Funktionalität geeignet, welche Hydrokarbonsäuren, wie z. B. Parahydroxybenzolsäure, 6-Hydroxy-2-Naphthalincarbonsäure und deren Isomere und Tri- oder polyfunktionale Comonomere gemisch ter Funktionalität, wie z. B. 5-Hydroxyisophthalsäure und dergleichen umfassen.
Polyethylenterephthalat (PET) ist ein weiteres Material, das einen signifikanten positiven spannungsoptischen Koeffizienten zeigt, die Doppelbrechung nach der Streckung beibehält und nur wenig oder keine Absorption innerhalb des sichtbaren Bereiches aufweist. Somit können es und dessen Copolymere mit hohem PET-Anteil, welche die vorstehend aufgelisteten Comonomere verwenden, ebenfalls als erste Polymere in einigen Anwendungen verwendet werden.
Wenn ein Naphthalindicarbonpolyester, wie z. B. PEN oder PBN als erstes Polymer gewählt wird, gibt es verschiedene Lösungsansätze, welche für die Auswahl eines zweiten Polymers gewählt werden können. Ein bevorzugter Lösungsansatz für einige Anwendungen ist die Auswahl eines Naphthalindicarboncopolyesters (coPEN), welches so formuliert ist, daß es deutlich weniger oder keine Doppelbrechung entwickelt, wenn es gestreckt wird. Dieses kann durch die Wahl von Comonomeren und deren Konzentrationen in den Copolymer in der Weise, daß die Kristallisierbarkeit des coPEN eliminiert ist oder stark reduziert ist, erreicht werden. Eine typische Formulierung verwendet als die Dicarbonsäure- oder Esterkomponenten Dimethylnaphthalat von etwa 20 mol% bis etwa 80 mol% und Dimethylterephthalat oder Dimethylisophthalat von etwa 20 mol% bis etwa 80% und verwendet Ethylenglycol als Diolkomponente. Natürlich können die entsprechenden Dicarbonsäuren anstelle der Ester verwendet werden. Die Anzahl von Comonomeren, welche in der Formulierung eines zweiten Polymers aus coPEN verwendet werden können, ist nicht beschränkt. Geeignete Comonomere für ein zweites coPEN Polymer umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, alle von den vorstehend als geeignete PEN-Comonomere aufgelisteten Comonomere, einschließlich der Säure-, Ester-, Hydroxy-, Ether-, tri- oder polyfunktionalen und gemischten Funktionalitätstypen.
Oft ist es nützlich, den isotropen Brechungsindex eines coPEN-Zweitpolymers vorherzusagen. Ein Volumenmittelwert der Brechungsindizes der zu verwendenden Monomere hat sich als eine geeignete Leitgröße erwiesen. Ähnliche, allgemein in dem Fachgebiet bekannte Techniken können dazu genutzt werden, um die Glasübergangstemperaturen für coPEN-Zweitpolymere aus den Glasübergängen der Homopolymere der zu verwendenden Monomere zu bestimmen.
Zusätzlich sind Polycarbonate mit einer mit der von PEN kompatiblen Glasübergangstemperatur und mit einem Brechungsindex ähnlich dem isotropen Brechungsindex von PEN ebenfalls als zweite Polymere nützlich. Polyester, Copolyester, Polycarbonate, Copolycarbonate können ebenfalls zusammen einen Extruder zugeführt werden, und in neue geeignete copolymerische zweite Polymere verestert werden.
Es ist nicht erforderlich, daß das zweite Polymer ein Copolyester oder Copolycarbonat ist. Vinylpolymere und Copolymere bestehend aus Monomeren, wie z. B. Vinylnaphthalinen, Styrolen, Ethylen, Maleinanhydrid, Acrylaten, Acetaten und Methacrylaten können verwendet werden. Kondensationspolymere, außer Polyester und Polycarbonate können ebenfalls verwendet werden. Beispiele umfassen: Polysulfone, Polyamide, Polyurethane, Polyaminsäuren und Polyimide. Naphthalingruppen und Halogene, wie z. B. Chlor, Brom und Jod sind zur Erhöhung des Brechungsindex des zweiten Polymers auf einen gewünschten Wert nützlich. Acrylatgruppen und Fluor sind insbesondere zur Verringerung des Brechungsindex nützlich, wenn dieses gewünscht ist.
Aus der vorstehenden Diskussion dürfte es sich verstehen, daß die Auswahl eines zweiten Polymers nicht nur von der be absichtigten Anwendung des fraglichen optischen Mehrlagenfilmes abhängt, sondern auch von der für das erste Polymer getroffenen Auswahl und den bei der Streckung verwendeten Verarbeitungsbedingungen. Geeignete zweite Polymermaterialien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyethylennaphthalin (PEN) und dessen Isomere (wie z. B. 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7-, und 2,3-PEN), Polyalkenterephthalate (wie z. B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, und Poly-1,4-Cyclohexandymethylenterephthalat), weitere Polyester, Polycarbonate, Polyarylate, Polyamide (wie z. B. Nylon 6, Nylon 11, Nylon 12, Nylon 4/6, Nylon 6/6, Nylon 6/9, Nylon 6/10, Nylon 6/12 und Nylon 6/T), Polyimide (einschließlich thermoplastische Polyimide und Polyacrylimide), Polyamid-Imide, Polyether-Amide, Polyetherimide, Polyarylester (wie z. B. Polyphenylenether und ringsubstituierte Polyvenylenoxide), Polyaryletherketone, wie z. B. Polyetherketon ("PEEK"), aliphatische Polyketone (wie z. B. Copolymere und Terpolymere von Ethylen und/oder Propylen mit Kohlendioxid), Polyphenylensulfid, Polysulfone (einschließlich Polyethersulfone und Polyarylsulfone), ataktisches Polystyrol, syndiotaktisches Polystyrol ("sPS") und dessen Derivate (wie z. B. syndiotaktisches Poly-Alpha-Methylstyrol und syndiotaktisches Polydichlorstyrol), Gemische von diesem Polystyrolen (untereinander oder mit anderen Polymeren, wie z. B. Polyphenylenoxiden), Copolymere von irgendwelchen dieser Polystyrole (wie z. B. Styrol-Butadien-Copolymere, Styrol-Acrylnitril-Copolymere und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymere), Polyacrylate (wie z. B. Polymethylacrylat, Polyethylacrylat und Polybutylacrylat), Polymethacrylate (wie z. B. Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polyprophylmethacrylat und Polyisobutylmethakrylat), Zellulosederivate (wie z. B. Ethylzellulose, Zelluloseacetat, Zellulosepropionat, Zelluloseacetatbutyrat und Zellulosenitrat), Polyalkenpolymere (wie z. B. Polyethylen, Poly propylen, Polybutylen, Polyisobutylen, und Poly-(4-Methyl)penten), fluorierte Polymere und Copolymere (wie z. B. Polytetraflurethylen, Polytrifluorethylen, Polyvinylidenflurid, Polyvinylfluorid, fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymere, Perfluoralkoxyharze, Polychlortrifluorethylen, Polyethylen-co-Trifluorethylen, Polyethylen-co-Clortrifluorethylen), chlorierte Polymere (wie z. B. Polyvinylidenchlorid und Polyvinylchlorid), Polyacrylnitril, Polyvinylacetat, Polyether (wie z. B. Polyoxymethylen und Polyethylenoxid), ionomerische Harze, Elastomere (wie z. B. Polybutadien, Polyisopren und Neoprene), Siliconharze, Epoxidharze und Polyurethane.
Des weiteren sind Copolymere geeignet, wie z. B. die Copolymere des vorstehend diskutierten PEN sowie alle andere keine Naphthalingruppen enthaltenden Copolyester, welche aus den vorstehenden Listen geeigneter Polyestercomonomere für PEN formuliert werden können. In einigen Anwendungen sind, insbesondere, wenn PET als das erste Polymer dient, auf PET basierende Polyester und Comonomere aus der vorstehenden Liste (coPETs) besonders geeignet. Zusätzlich können entweder die ersten oder zweiten Polymere aus mischbaren oder nicht mischbaren Gemengen von zwei oder mehr der vorstehend beschriebenen Polymere oder Copolymere, (wie z. B. Gemenge aus sPS und ataktisches Polystyrol oder aus PEN und sPS) bestehen. Die beschriebenen coPENs und coPETs können direkt synthetisiert werden oder können als ein Gemenge von Pellets formuliert werden, wobei wenigstens eine Komponente ein auf Naphthalindicarbonsäure oder Terephthalsäure basierendes Polymer ist, und andere Komponenten Polycarbonate oder andere Polyester, wie z. B. ein PET, ein PEN, ein coPET oder ein coPEN sind.
Eine weitere bevorzugte Familie von Materialien für das zweite Polymer für einige Anwendungen sind die syndiotaktischen Vinylaromatpolymere, wie z. B. syndiotaktisches Polysty rol. In der vorliegenden Erfindung nützliche syndiotaktische Vinylaromatpolymere umfassen Poly(styrol), Poly(alkylstyrol), Poly(arylstyrole), Poly(halogen-styrol), Poly(alkoxystyrole), Poly(vinylesterbenzoat), Poly(vinylnaphthalin), Polyvinylstyrol und Poly(acenaphthalin) sowie die hydrierten Polymere und Gemische, oder Copolymere, welche diese strukturellen Einheiten enthalten. Beispiele von Poly(alkylstyrolen) umfassen die Isomere der Nachstehenden: Poly(methylstyrol), Poly(ethylstyrol), Poly(propylstyrol), Poly(butylstyrol). Beispiele von Poly(arylstyrolen) umfassen die Isomere von Poly(phenylstyrol). Beispiele von Poly(styrolsalzen) umfassen die Isomere der Nachstehenden: Poly(chlorstyrol), Poly(bromstyrol), und Poly(fluorstyrol). Beispiele von Poly(alkoxystyrol) umfassen die Isomere der Nachstehenden: Poly(methoxystyrol), und Poly(ethoxystyrol). Unter diesen Beispielen sind besonders bevorzugbare Styrolgruppenpolymere: Polystyrol, Poly(p-Methylstyrol), Poly(m-Methylstyrol), Poly(p-Tertiär-Butylstyrol), Poly(p-Chlorstyrol), Poly(m-Chlorstyrol), Poly(p-Fluorstyrol), und Copolymere von Styrol und p-Methylstyrol.
Ferner können Comonomere zur Herstellung von syndiotaktischen Vinylaromatgruppen-Copolymeren verwendet werden. Zusätzlich zu den Monomeren für die vorstehend aufgelisteten Homopolymeren bei der Definition der syndiotaktischen Vinylaromatpolymergruppe umfassen geeignete Monomere Olefin-Monomere (wie z. B. Ethylen, Propylen, Buten, Penten, Hexen, oder Octen oder Decen), Dien-Monomere (wie z. B. Butadien und Isopren) polare Vinyl-Monomere (wie z. B. zyklisches Dien-Monomer, Methylmethacrylat, Maleinsäureanhydrid, oder Acrylonitril).
Die syndiotaktischen Vinylaromatpolymere und Copolymere können auch Blockcopolymere, Zufallspolymere oder Wechselcopolymere sein.
Das hierin angesprochenen syndiotaktischen Vinylaromatpolymere weisen im allgemeinen eine Syndiotaktizität höher als 75% oder mehr, gemäß einer Bestimmung durch die Carbon-13 Kernmagnetresonanz auf. Bevorzugt ist der Grad der Syndiotaktizität, höher als 85% eines racemischen zweiwertigen Elements, oder höher als 30%, bevorzugter höher als 50% eines racemischen fünfwertigen Elements.
Zusätzlich ist, obwohl es keine speziellen Einschränkungen bezüglich des Molekulargewichts dieser syndiotaktischen Vinylaromatpolymere gibt, das durchschnittliche Molekulargewicht bevorzugt größer als 10.000 und kleiner als 1.000.000 und bevorzugter größer als 50.000 und kleiner als 800.000.
Die syndiotaktischen Vinylaromatpolymere und Copolymere können auch in der Form von Polymermischungen verwendet werden, beispielsweise Vinylaromatgruppenpolymere mit ataktischen Strukturen, Vinylaromatgruppenpolymere mit isotaktischen Strukturen und irgendwelche anderen Polymere, welche mit den Vinylaromatpolymeren mischbar sind. Beispielsweise zeigen Polyphenylether eine gute Mischbarkeit mit vielen von den vorstehend beschriebenen Vinylaromatgruppenpolymeren.
Wenn ein Polarisierungsfilm unter Anwendung eines Prozesses mit vorherrschend uniaxialer Streckung hergestellt wird, umfassen besonders bevorzugte Kombinationen von Polymeren für optische Schichten PEN/coPEN, PET/coPET, PEN/sPS, PET/sPS, PEN/Eastar^TM, und PET/Eastar^TM, wobei "coPEN" ein Copolymer oder ein Gemisch auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure (gemäß vorstehender Beschreibung) ist und Eastar^TM ein Polyester oder ein Mischpolyester ist (von dem man glaubt, daß es Cyclohexandimethyldioleinheiten und Terephthalateinheiten enthält), welches im Handel von Eastman Chemical Co. erhältlich sind. Wenn ein Polarisierungsfilm durch Manipulation der Prozeßbedingungen eines biaxialen Streckungsprozesses herge stellt werden soll, umfassen besonders bevorzugte Kombinationen von Polymeren für optische Schichten PEN/coPEN, PEN/PET, PEN/PBT, PEN/PETG und PEN/PET-coPBT, wobei "PBT" Polybutylenterephthalat bezeichnet, "PETG" ein Copolymer von PET bezeichnet, welches ein zweites Glykol verwendet (üblicherweise Cyclohexandimethanol) und "PET-coPBT" ein Copolyester der Terephthalsäure oder eines Esters davon mit einem Gemisch von Etyhlenglycol und 1,4-Butandiol bezeichnet.
Besonders bevorzugte Kombinationen von Polymeren für optische Schichten in dem Falle von Spiegeln oder gefärbten Filmen enthalten PEN/PMMA, PET/PMMA, PEN/Ecdel^TM, PET/Ecdel^TM, PEN/sPS, PET/sPS, PEN/coPET, PEN/PETG und PEN/THV^TM, wobei "PMMA" Polymethylmethacrylat bezeichnet, Ecdel^TM ein thermoplastisches Polyester oder Copolyester ist (von dem man glaubt, daß es Cyclohexandicarboxyleinheiten, Polytetramethylenetherglycoleinheiten und Cyclohexandimethanoleinheiten enthält), welches im Handel von Eastman Chemical Co., erhältlich ist. "CoPET" bezeichnet ein Copolymer oder ein Gemisch auf der Basis von Therephthalsäure (gemäß vorstehender Beschreibung), "PETG" bezeichnet ein Copolymer eines PET, welches ein zweites Glykol (üblicherweise Cyclohexandimethanol) verwendet, und THV^TM ist ein Fluorpolymer, welches im Handel von 3M Co. erhältlich ist.
Für Spiegelfilme wird eine Anpassung der Brechungsindizes des ersten Polymers und des zweiten Polymers in der Richtung senkrecht zur Filmebene bevorzugt, da dieses eine konstante Reflexion in Bezug auf den Winkel des einfallenden Lichtes erzeugt (d. h., es liegt hier kein Brewster-Winkel vor). Beispielsweise können bei einer spezifischen Wellenlänge die ebeneninternen Brechungsindizes 1,76 für biaxial orientiertes PEN betragen, während der Brechungsindex senkrecht zur Filmebene auf 1,49 abfallen kann. Wenn PMMA als das zweite Poly mer in dem mehrlagigen Aufbau verwendet wird, kann dessen Brechungsindex bei derselben Wellenlänge in allen drei Richtungen 1,495 betragen. Ein weiteres Beispiel ist das PET/Ecdel^TM-System, in welchem die analogen Indizes 1,66 und 1,51 für PET betragen können, während der isotrope Index von Ecdel^TM 1,52 betragen kann. Die wichtige Eigenschaft besteht darin, daß der Index senkrecht zur Ebene für ein Material näher an den ebeneninternen Indizes des anderen Materials als zu seinen eigenen ebeneninternen Indizes liegt.
Es wird manchmal bevorzugt, daß die mehrlagigen optischen Filme aus mehr als zwei unterscheidbaren Polymeren bestehen. Ein drittes oder nachfolgendes Polymer kann nutzbringend als eine Adhäsions-fördernde Schicht zwischen dem ersten Polymer und dem zweiten Polymer innerhalb eines optischen Stapels, als eine zusätzliche Komponente in einem Stapel für optische Zwecke, als eine Schutzbegrenzungsschicht zwischen optischen Stapeln, als eine Außenschicht, als eine funktionale Beschichtung oder für irgend einen anderen Zweck angewendet werden. Insofern ist die Zusammensetzung eines dritten oder nachfolgenden Polymers, falls überhaupt vorhanden, nicht beschränkt.
Zurückkehrend zu unserer allgemeinen Diskussion des Mehrlagenfilmes hat es sich herausgestellt, daß erhebliche Unterschiede zwischen dem Z-Index benachbarter Schichten toleriert werden können und trotzdem noch ein angemessenes optisches Verhalten des mehrlagigen Filmes über einen großen Bereich von Eintrittswinkeln gewährleistet werden kann. Im Grunde ist, je enger die Z-Indizes angepaßt sind, der Bereich von Eintrittswinkeln um so größer, über welchen die Amplitude und die Teilbandbreite eines gegebenen Transmissionsbandes innerhalb spezifischer Grenzen festbleiben. Es wird bevorzugt, daß die Z-Index-Fehlanpassung benachbarter Schichten nicht mehr als die Hälfte und bevorzugter nicht mehr als etwa 20% der maximalen ebeneninternen Fehlanpassung zwischen derartigen Schichten trägt. Die ebeneninterne Fehlanpassung liegt typisch in der Größenordnung von wenigstens 0,05 im Brechungsindex.
Gemäß nochmaligem Bezug auf 8 ist anzumerken, daß das Transmissionsspektrum von s-polarisierten Licht bei dem Nicht-Null-Eintrittswinkel nicht dargestellt ist. Zur Vervollständigung erfolgt eine verbale Beschreibung. Wenn der Eintrittswinkel von null Grad aus zunimmt, werden die Anstiegs- und Abfallübergänge, welche ein gegebenes s-Polarisationstransmissionsband bilden, um unterschiedliche Beträge blau-verschoben, so daß sie sich in einer Weise überlappen, welche progressiv die Amplitude des Bandes verringert. In erster Ordnung folgt die Mittenwellenlänge des verringerten s-Polarisationsbandes angenähert der Mittelwellenlänge des p-Polarisationsbandes. Bei den Außer-Band-Wellenlängen nimmt die s-Polarisations-Transmission mit zunehmenden Eintrittswinkel bezogen auf ihren anfänglichen niedrigen Pegel progressiv ab (die Reflexion steigt). Es sei angemerkt, daß sich das s-Polarisations-Transmissionsspektrum in derselben Weise mit dem Eintrittswinkel unabhängig davon ändert, ob der mehrlagige Film der bevorzugte Z-Index-angepaßte polymerische Aufbau oder der nicht bevorzugte isotrope Schichtenaufbau ist. Dieses beruht natürlich darauf, daß das s-polarisierte Licht kein E-Feldkomponente in der Z-Richtung besitzt.
Bei hohen Eintrittswinkeln wird durch das Transmissionsband, bzw. die Transmissionsbänder des Mehrlagenfilmes hindurchgelassenes Licht vorherrschend, aufgrund des Verschwindens des s-Polarisations-Transmissionsbandes bzw. der Transmissionsbänder p-polarisiert. Die Kennzeichenschicht, falls eine vorhanden ist, stört den Polarisationsstand typischer weise nicht. Jedoch erzeugen Mehrfachreflexionen, die an der retroreflektierenden Schicht entstehen, im allgemeinen einen retroreflektierten Strahl, dessen Polarisation im Bezug auf den vorherrschend durch den Mehrlagenfilm hindurchgelassenen p-polarisierten Strahl "gestört" ist. Selbst wenn die Wellenlänge des retroreflektierten Lichtes inhärent an das, bzw. die Transmissionsbänder für den Mehrlagenfilm angepaßt ist, wird nur ein Teil (hauptsächlich die p-Polarisationskomponente) des anfänglich retroreflektierten Lichtes an die Außenseite des kombinierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstandes durchgelassen. Vorteilhaft wird ein erheblicher Anteil des retroreflektierten Lichtes, das anfänglich nicht von dem Mehrlagenfilm hindurchgelassen wurde, schließlich nach einem oder mehreren Reflexions-/Retroreflexions-Zyklen aufgrund der hohen Reflexion (niedrigen Absorption) des Mehrlagenfilms, der hohen Effizienz der Retroreflektorelemente und der Polarisationsstörungseigenschaften der Retroreflektorelemente hindurchgelassen. Die Helligkeit des strukturierten retroreflektierten Strahls wird durch dieses "Recycling" von Licht zwischen dem verlustarmen Mehrlagenfilm und der retroreflektierenden Schicht verbessert.
Es können Modifikationen an den vorstehend diskutierten reflektierenden/retroreflektierenden Gegenständen vorgenommen werden, welche von der spektralen Verschiebung eines Schmalbandtransmissionsfensters als Funktion eines Eintrittswinkels Gebrauch machen. In einer derartigen Modifikation können die strukturierten Bereiche (z. B. 12a in der Schicht 12 von 1 und 3) in der Kennzeichenschicht herkömmliche Farbstoffe, Farben oder andere Substanzen aufweisen, welche im wesentlichen für einige Wellenlängen opak, aber für andere transparent sind. Beispielsweise kann der in der Schicht 12 in 1 dargestellte Balkencode "blaue" Streifen enthalten, welche für blau transparent sind und grünes und rotes Licht absor bieren, und "rote" Streifen, welche für rot transparent sind und blaues und grünes Licht absorbieren. Bei einem ersten Eintrittswinkel, wie z. B. Null Grad (senkrechter Einfall) läßt der Mehrlagenfilm einige rote Wellenlängen durch, reflektiert jedoch grünes und blaues Licht. An diesem ersten Eintrittswinkel erscheinen die blauen Streifen in dem retroreflektierten Licht, da diese Streifen rotes Licht absorbieren und sich so von dem transparenten Hintergrund der Kennzeichenschicht unterschieden. Die roten Streifen vermischen sich mit dem rot-durchlässigen Hintergrund und sind dadurch nahezu nicht erkennbar. Eine Vergrößerung des Eintrittswinkels etwa zu einem zweiten Eintrittswinkel verschiebt das Transmissionsfenster nach blau, so daß der Mehrlagenfilm einige grüne Wellenlängen durchläßt aber blau und rot reflektiert. Bei diesem zweiten Eintrittswinkel sind sowohl die roten als auch blauen Streifen in dem retroreflektierten Licht sichtbar, da sie beide grünes Licht absorbieren. Eine Vergrößerung des Eintrittswinkels noch weiter zu einem dritten Eintrittswinkel verschiebt das Transmissionsfenster nach blau, so daß der Mehrlagenfilm einige blaue Wellenlängen durchläßt, aber grün und rot reflektiert. In diesem Falle werden die roten Streifen in der Retroreflexion unterscheidbar, während sich die blauen Streifen mit dem blaudurchlässigen Hintergrund vermischen.
Die Verwendung von Färbungsmitteln, welche selektiv bestimmte Wellenlängen von Licht absorbieren und andere durchlassen, können daher in der Kennzeichenschicht und/oder in er retroreflektierenden Schicht zusammen mit dem schmalbandigen optischen Mehrlagenfilm verwendet werden, um unabhängige Muster zu erzeugen, welche bei unterschiedlichen Orientierungen und unterschiedlichen Lichtquellenlängen sichtbar sind. Jedes von den Färbungsmitteln schränkt von der Wirkung her die Detektion des entsprechenden Musters auf eine schmale Betrachtungszone ein, welche einem Winkel entspricht, bei welcher der Mehrlagenfilm in dem Wellenlängenbereich des Färbungsmittels durchläßt. Optische Mehrlagenfilme, welche relativ breite Transmissionsbänder besitzen oder die Lang- oder Kurzpaßtransmissionseigenschaften aufweisen, können ebenfalls in einer derartigen Anordnung verwendet werden. Alles was benötigt ist, sind ein Anstiegs- oder Abfallübergang, welche sich über wenigstens eines der Färbungsmittel-Transmissionsbänder hinweg bewegt, wenn der Gegenstand geneigt wird.
Der Mehrlagenfilm in irgend einer der offenbarten Ausführungsformen ist bevorzugt räumlich gleichmäßig quer zur Fläche des Gegenstandes. Der Film kann jedoch alternativ benachbarte Regionen beinhalten, welche speziell darauf zugeschnitten sind, daß sie unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann einer oder mehrere Bereiche eines anfänglich gleichmäßigen Mehrlagenfilmes unter Verwendung von Wärme und Druck geprägt werden. Die geprägten Bereiche sind dünner als die nicht-geprägten benachbarten Bereiche und weisen deshalb spektrale Transmissions- und Reflexions-Merkmale auf, welche im Vergleich zu entsprechenden Merkmalen der nicht-geprägten Bereiche blau-verschoben sind. Die geprägten Bereiche können die Form eines weiteren Informationstransportierenden Muster zusätzlich zu Mustern annehmen, welche in der Kennzeichenschicht und/oder der retroreflektierenden Schicht enthalten sind. Die Kombination von geprägten und nicht-geprägten Bereichen kann dazu genutzt werden, zwei oder mehr retroreflektierte Farben zu erhalten.
In einem verwandten Aufbau kann der Mehrlagenfilm ein mikrostrukturiertes Reliefmuster enthalten oder transportieren, das für die Erzeugung herkömmlicher holographischer Bilder geeignet ist. Derartige Bilder können dazu genutzt werden, um das unterhalb des Mehrlagenfilmes angeordnete Information tragende Muster weiter zu verstecken. Das Reliefmuster kann unter Verwendung bekannter holographischer Prägungstechniken in einer geeigneten Außenschicht oder durch Beschichtung auf der Oberseite des Mehrlagenfilmes erzeugt werden. Das Reliefmuster kann alternativ in eine getrennte transparente Folie eingebaut werden, welche auf den Mehrlagenfilm laminiert wird. Bezug wird im allgemeinen auf das U.S. Patent Nr. 5,656,360 (Faykish et al.) genommen. Eine derartige getrennte transparente Folie ist bevorzugt polymerisch für eine leichte Herstellung und eine Gegenstandsintegrität über große Betriebstemperaturbereiche. 9 stellt die Schnittansicht von 3 mit dem Zusatz eines mikrostrukturierten Reliefmusters 92 dar, welches in der vorderen Außenschicht 14a angeordnet ist. Das mikrostrukturierte Reliefmuster 92 wird geprägt oder anderweitig auf der Außenoberfläche der Außenschicht anschließend an die Verarbeitung des Mehrlagenfilmes 14 erzeugt. Ein transparenter Polymerfilm oder eine Folie kann über die Schicht 14a laminiert werden, um das mikrostrukturierte Reliefmuster zu schützen. Das Muster 92 erzeugt gut erkennbare holographische Bilder in diffusen Umgebungslichtbedingungen, aber nicht in retroreflektierenden Betrachtungsbedingungen. Die Hologramme können somit einbezogen werden, um die Effektivität des reflektierenden/retroreflektierenden Gegenstandes für Autorisierungs- oder Dekorzwecke zu verbessern.
Alternativ kann eine vorgeformte transparente holographische Folie auf den optischen Mehrlagenpolymerfilm laminiert werden. In der in 10 dargestellten Ausführungsform ist ein ein Hologramm erzeugendes mikrostrukturiertes Reliefmuster 94 auf der Rückseite einer transparenten Folie 96 vorgesehen. Ein Material 98 mit höherem Brechungsindex als die Folie 96 ist auf die Rückseite beschichtet, um die gewünschte Helligkeit des Hologramms zu erzeugen. Das Material 98 ist im wesentlichen transparent und farblos; Veranschaulichungsbeispiele umfassen Vakuum-beschichtetes Wismuttrioxid, Zinksulfid, Titandioxid und Zirkoniumoxid. Eine Kleberschicht 100, welche einen herkömmlichen druckempfindlichen Kleber, Heißschmelzkleber oder härtbares Epoxidharz aufweisen kann, ist ebenfalls dargestellt.
Übergang-bewahrendes farbverschiebendes Filmbeispiel: Grünes Schmalband
Ein 417 Schichten enthaltender coextrudierter Film wurde auf einer sequentiellen Flachfilmherstellungslinie mittels eines Coextrusionsprozesses hergestellt. Dieser Mehrlagenpolymerfilm wurde aus PEN und einem als Ecdel 9967 bekannten thermoplastischen Elastomer, das von Eastman Chemical Co. erhältlich ist, hergestellt. Ein Speiseblockverfahren, ähnlich dem des U.S. Patentes Nr. 3,801,429 (Schrenk et al.) wurde zum Erzeugen eines Zwischenschmelzstromes mit etwa 209 Schichten mit einem Schichtendickenprofil ausreichend zum Erzeugen eines optischen Reflexionsbandes innerhalb einer Teilbandbreite von etwa 30% verwendet.
PEN: 60 Gewichtsprozent Phenol/40 Gewichtsprozent Dichlorbenzol mit einer intrinsischen Viskosität (IV) von 0,48 dl/g wurde dem Speiseblock mittels eines Extruders bei einer Rate von 19,2 kg/h geliefert und das Elastomer Ecdel wurde durch einen weiteren Extruder mit einer Rate von 40,7 kg/h geliefert. Diese Anfangsschmelzströme wurden dem Speiseblock zugeführt, welcher diese verteilte, um einen Zwischenspeisestrom mit 209 abwechselnden Schichten aus PEN und Ecdel, einschließlich zwei Außenschichten aus PEN, welche als Schutzbegrenzungsschichten (PBL's) dienen, durch den Speiseblock hindurch zu erzeugen. Die 209 Schichten weisen ein durch die Speiseblockabmessungen und die Filmextrusionsraten erzeugtes angenähertes Schichtendickenprofil auf. Nach dem Speiseblock lieferte derselbe PEN-Extruder zusätzliches PEN auf die (auch als das "Extrudat" bezeichneten) Außenseitenschichten des Zwischenschmelzstroms mit ungefähr 13,5 kg/h Gesamtstrom, um als PBL's für die Vervielfacherstufe zu dienen, welche unmittelbar folgte.
Ein asymmetrischer Zweifachvervielfacher teilte dann das Extrudat in zwei Schmelzströme ungleicher Breite auf, wobei die Breiten einem "Vervielfacherverhältnis" zugeordnet sind. Die zwei Schmelzströme wurden auf eine gemeinsame Abmessung verbreitert und deren Dicke demzufolge verringert, bevor die zwei Schmelzströme übereinander kombiniert wurden. Der kombinierte Schmelzstrom bestand somit aus zwei Schmelzströmen mit derselben Anzahl (209) und Zusammensetzung von Bestandsschichten, wobei jedoch die Dicke der Bestandsschichten in dem einen Schmelzstrom sich von denen in dem anderen Schmelzstrom durch das Vervielfacherverhältnis unterschied. Dieser Aufbau ergab einen fertigen Film, welcher zwei ähnliche spektrale Merkmale hatte, ein blau-verschobenes im Bezug auf das andere aufgrund des Dickenunterschiedes. Leichte Unterschiede in den Schichtdicken werden durch den Vervielfacher in das Extrudat eingeführt und sind für Unterschiede in derartigen spektralen Merkmalen verantwortlich.
Nach dem Vervielfacher wurde symmetrische PBL's als Außenschichten mit etwa 12,5 kg/h (insgesamt) hinzugefügt, die von einem dritten Extruder zugeführt wurden. Der sich ergebende Schmelzstrom passierte eine Filmdüse und gelangte auf ein wassergekühltes Gießrad. Die Gießradgeschwindigkeit wurde für eine genaue Steuerung der endgültigen Filmdicke und damit der endgültigen Farbe eingestellt. Die Einlaßwassertemperatur zu dem Gießrad war etwa 7°C. Die Ecdel-Schmelzprozeßvorrichtung wurde auf etwa 249°C gehalten; die PEN-Schmelzprozeßvorrichtung und der Speiseblock wurden auf etwa 285°C gehalten. Die Außenschichtmodule, Vielfacher und Düse wurde auf etwa 290°C gehalten.
Ein Hochspannungsanheftsystem wurde dazu verwendet, um das Schmelzstromexdrudat auf dem Gießrad nach dessen Austritt aus der Düse zu anzuheften. Der Anheftdraht war etwa 0,17 mm dick und eine Spannung von etwa 5,5 kV war angelegt. Der Anheftdraht wurde manuell von einer Bedienungsperson, etwa 3 bis 5 mm von der Bahn an dem Punkt des Kontaktes mit dem Gießrad angeordnet, um ein glattes Aussehen der gegossenen Bahn zu erhalten. Die gegossene Bahn wurde kontinuierlich mittels eines herkömmlichen sequentiellen Längenorientierers (LO) und einer Spannvorrichtung orientiert. Die Bahn wurde auf ein Ziehverhältnis von 3,5 bei etwa 135°C längenorientiert. Der Film wurde in einer Spannvorheizungszone von 138°C für etwa 25 Sekunden vorgewärmt und bei 140°C in der Querrichtung auf ein Ziehverhältnis von etwa 5,0 bei einer Rate von etwa 16% pro Sekunde gezogen. Der fertiggestellte Film hatte eine Enddicke von etwa 0,05 mm.
Visuell hatte der Film ein hochreflektierendes glänzendes Aussehen in Umgebungsraumlicht, wenn er gegen einen dunklen Hintergrund betrachtet wurde. Weiße Lichtquellen erschienen hellgrün, wenn sie durch den Film selbst bei senkrecht durch den Film passierenden Licht betrachtet wurden. Eine Vergrößerung des Einfallslichtwinkels durch Neigen des Films erzeugte eine Zunahme von Farben von Grün nach Magenta und dann nach Orange. 11 stellt die für die senkrecht einfallendes Licht (Kurve 104) und für p-polarisiertes Licht bei 45 und 60 Grad Eintrittswinkel (Kurven 106, 108) gemessene prozentuale Transmission dar. Die prozentuale Reflexion ist 100 minus die prozentuale Transmission über den Wellenlängen, dargestellt innerhalb etwa 1%. Die Kurve 104 weist ein schmales Transmissionsband 110 mit einem Anstiegsübergang 110a und ei nem Abfallübergang 110b, angeordnet zwischen zwei breiten Reflexionsbändern (Spektralbereichen niedriger Transmission) 112, 114, welche spektral getrennt sind, auf. Es ist zu sehen, daß das Reflexionsband 112 eine Teilbandbreite von etwa 30% (200 nm bis 650 nm) besitzt. Das Band 114 besitzt dieselbe Teilbandbreite, ist jedoch wegen der vorstehend beschriebenen asymmetrischen Vervielfacheroperation blau-verschoben. Das Transmissionsband 110 besitzt eine relativ kleine Teilbandbreite von etwa 10% (~50 nm bis ~530 nm). Die maximale prozentuale Transmission für das Band 110 ist wie zu sehen mit etwas über 70% ziemlich hoch. Somit ist die maximale Transmission für zwei Durchgänge durch den Film (unter Vernachlässigung der Lichtrückgewinnung) etwa 50%. Es ist ferner zu sehen, daß der Film mehr als 90% Reflexion über etwa 75% des sichtbaren Spektrums besitzt. Die Form des ppolarisierten Transmissionsbandes 116 in der Kurve 106 und eines Bandes 118 in der Kurve 108 ist günstig im Vergleich zu dem Band 104: diese Bänder besitzen eine maximale prozentuale Transmission von etwa 70% und eine Teilbandbreite von etwa 10% oder weniger.
Mehrlagiger Film mit steileren Spektralübergängen
Es hat sich herausgestellt, daß Mehrlagenfilme mit bestimmten Filmlagenprofilen wesentlich steilere Sktralübergänge als bisher erhältliche erzeugen können. 12a stellt eine Querschnittsansicht einer Filmstruktur dar, welche nicht maßstäblich ist, welche aber bei der Beschreibung solcher erwünschten Profile hilfreich ist. Gemäß Darstellung weist der Mehrlagenfilm 120 12 einzelne Schichten auf, welche in einer abwechselnden Folge von zwei optischen Materialien: "A"- und "B"-Material angeordnet sind. Drei oder mehr unterschiedliche optische Materialien können in weiteren Ausführungsformen verwendet werden. Jedes Paar benachbarter "A"- und "B"- Schichten bildet eine ORU, beginnend an der Oberseite des Films mit ORU1 und endend mit ORU 6, wobei die ORUs optische Dicken OT₁, OT₂ ..., OT₆ besitzen. Diese optischen Dicken sind dieselben wie der in der vorstehenden Gleichung I angegebene Begriff "D_r". Für eine maximale Reflexion erster Ordnung (M = 1 in Gleichung I) bei einer gegebenen Wellenlänge sollte jede von den ORUs ein f-Verhältnis von 50% in Bezug auf jede von den A- oder B-Schichten haben. Die A-Schichten können als einen höheren X- (ebeneninterne) Brechungsindex als die B-Schichten aufweisend betrachtet werden, da die ersteren dünner als die letzteren dargestellt sind. Die ORUs 1 bis 3 sind in einem Mehrlagenstapel S1 gruppiert dargestellt, in welchem die optische Dicke der ORUs monoton in der minus-Z-Richtung abnimmt. Die ORUs 4 bis 6 sind in einem weiteren Mehrlagenstapel S2 gruppiert dargestellt, in welchem die optische Dicke der ORUs monoton zunimmt. Dieses optische ORU-Dickenprofil ist in 12b dargestellt. Dickenprofile, wie z. B. diese, sind bei der Erzeugung steilerer spektraler Übergänge hilfreich. Vor einem Fortfahren mit Beispielen derartiger bevorzugter Profile wird jedoch ein Beispiel eines Bandpaßfilters ohne Bandflankenversteilerung beschrieben.
13A veranschaulicht den Aufbau eines Bandpaß-Mehrlagenfilmes, der aus 300 einzelnen Schichten aufgebaut ist. Die physikalische Dicke jeder einzelnen Schicht in dem Film ist beginnend an der Oberseite oder Vorderseite des Films und fortfahrend nach unten oder zur Rückseite des Films hin dargestellt. Die Datenpunkte 122 repräsentieren ein Material mit einem ebeneninternen Brechungsindex von 1,5 (z. B. PMMA) und die Punkte 124 repräsentieren ein Material mit einem ebeneninternen Brechungsindex von 1,75 (z. B. PEN). Die Schichtnummern 1 und 2 bilden die "erste" ORU, die Schichten 3 und 4 bilden die zweite ORU usw.. Die optische Dicke einer gegebenen ORU ist gleich der Summe der optischen Dicken der Schicht mit hohem und niedrigem Index. Die Schichten 1 bis 150 bilden einen ersten mehrlagigen Stapel S3 und die Schichten 151 bis 300 bilden einen zweiten mehrlagigen Stapel S4. Beide derartigen Komponenten weisen eine monoton abnehmende optische ORU-Dicke auf. Die Diskontinuität in den optische Dicken zwischen den zwei Stapeln führt zu einem einfachen Kerbtransmissionsband 126, das in 13B dargestellt ist. 13B wurde aus dem Mehrlagenfilm von 12A unter Verwendung der 4x4 Matrixverfahren von Berreman, wie in Azzam & Bashara, El-lipsometry and Polarized Light beschrieben, unter Annahme eines senkrecht einfallenden Lichtes und eines konstanten Brechungsindex als eine Funktion der Wellenlänge (keine Dispersion) berechnet. Das Band 126 weist eine Spritzentransmission von etwa 60%, eine Halbhöhenspitzenbreite 128 von etwa 50 nm und eine Mittenwellenlänge gemäß Darstellung durch die Linie 130 von etwa 565 nm auf. Die Teilbandbreite des Bandes 126 liegt etwas unter 10%. Die Reflexion beträgt wenigstens 80% über etwa 75% des sichtbaren Spektrums.
Ein Film mit einer wesentlich kleineren Teilbandbreite kann durch Bereitstellung zusätzlicher Lagen (ORUs) mit einem speziellen optischen Dickenprofil erzeugt werden, welche den Effekt einer Versteilerung der spektralen Anstiegs- und Abfallübergänge haben. 14A stellt den Aufbau eines derartigen Filmes dar. Die Datenpunkte 122, 124 stehen für dasselbe Material wie in 13A mit Brechungsindizes 1,5 bzw. 1,75 und die Reihen der 150 Schichten in den mehrlagigen Stapeln S3 und S4 weisen dieselbe abgestufte lineare Dickenverteilung wie in 13A auf. Der Film von 14A fügt lediglich die Stapel S5, S6 mit ORUs mit im wesentlichen konstanten (nicht-abgestuften) optischen Dicken zwischen den Stapeln, S3, S4 hinzu. Die ORUs des Stapels S5 weisen eine optische Dicke im wesentlichen gleich der minimalen optischen Dicke des Stapels S3 auf und die ORUs des Stapels S6 weisen eine optische Dicke im wesentlichen gleich der maximalen optischen Dicke des Stapels S4 auf. Dieselben Beziehungen gelten auch für jeden Bestandteile der ORUs. Das berechnete Achsenspektrum für den dargestellten Stapel ist in 14B angegeben, welche ein wesentlich steileres Transmissionsband 132 darstellt. Die prozentuale Bandbreite des Bandes 132 liegt in der Größenordnung von 3% oder weniger.
Ein weiterer Mehrlagenfilm, dessen Aufbau in 15A dargestellt ist, wurde erzeugt, um die Spitzentransmission zu verbessern und noch steilere Bandkanten (schmäleres Transmissionsband) zu erzeugen. Dieses wurde mit denselben wie den für die Datenpunkte 122, 124 verwendeten Materialien erreicht, indem die einzelnen Schichten in Komponentenmehrlagenstapeln S7 bis 10 gemäß Darstellung angeordnet wurden, wobei die Stapel S8 und S9 unterschiedlich gekrümmte Dickenprofile aufweisen, und die benachbarten Abschnitte der Stapel S7 und S10 ein leicht gekrümmtes Profil zur Anpassung der Krümmung an die Stapel S8 bzw. S9 aufweisen. Das gekrümmte Profil kann einer beliebigen Anzahl funktionaler Formen folgen; der Hauptzweck der Form ist die Unterbrechung der exakten Wiederholung der in einem Viertelwellenstapel vorhandenen Dicke mit Schichten, welche auf nur eine einzige Wellenlänge abgestimmt sind. Die hier verwendete spezifische Funktion ist eine additive Funktion eines linearen Profils (dieselbe, wie sie auf der kurzen Wellenlängenseite von S7 und auf der langen Wellenlängenseite von S10 verwendet wird) und eine sinusförmige Funktion, um das Profil mit einer entsprechenden negativen oder positiven ersten Ableitung zu krümmen.
Ein wichtiges Merkmal besteht darin, daß die zweite Ableitung des ORU-Dickenprofils negativ für die rote (lange Wellenlänge)-Bandkante eines Reflexionsstapels und positiv für die blaue (kurze Wellenlänge)-Bandkante eines Reflexions stapels ist. Man beachtet,daß der umkehrte Sinn erforderlich ist, wenn man sich auf die Bandkanten des gekerbten Transmissionsbandes bezieht. Weitere Ausführungsformen desselben Prinzips enthalten Schichtenprofile, welche mehrere Punkte mit einem Nullwert der ersten Ableitung besitzen. In allen Fällen beziehen sich die Ableitungen auf diejenigen einer am besten angepaßten Kurve, welche über das tatsächliche optische ORU-Dickenprofil angepaßt ist, welches kleine statische Fehler von kleiner als 10% Sigma einer Standardabweichung in optischen Dickenwerten enthalten kann.
15B stellt die berechnete Achsentransmission des Films 15A dar. Die Spitzentransmission des Bandes 134 beträgt etwa 75% und die Teilbandbreite liegt in der Größenordnung von 2% oder darunter. Die außeraxialen Transmissionsspektren sowohl für p- als auch für s-Polarisationen wurden ebenfalls berechnet und sind als Kurven 136, bzw. 138 in 15C dargestellt. Die Berechnung erfolgte für einen Eintrittswinkel von 60 Grad und unter der Annahme, daß die ebenenexternen Brechungsindizes der zwei Arten von Schichten auf einen Index von 1,5 angepaßt waren. Man beachte die Beibehaltung der hohen Spitzentransmission und der kleinen Teilbandbreite für die p-Polarisation. Man beachte ferner, daß die Transmissionsspitze für die s-Polarisation verschwunden ist. Jedoch sind breitere Transmissionsbänder, welche in den nahen Infrarotbereich auf der Achse angeordnet waren, nun sowohl für die s-, als auch p-Polarisation in dem rotem Ende des Spektrums in 15C sichtbar.
Ähnliche Übergangs-Versteilerungstechniken können für Mehrlagenfilme mit breiteren Übertragungsmerkmalen, wie z. B. als Hoch- und Tiefpaßfilter verwendet werden. Mehrere derartige Beispiele sind nachstehend gegeben. In einigen Ausführungsformen wird die physikalische Dicke jeder eine ORU bil denden Schicht auf demselben Pfad quer zu der Dicke des Films variiert, beispielsweise gemäß derselben linearen Funktion, während in anderen die Dicke der die ORU bildenden Schichten unterschiedlich variiert werden. In jedem von den nachstehenden Beispielen weisen die Schichten mit hohen und niedrigen Index einen Index von 1,75 bzw. 1,5 auf und sind dispersionslos.
Der Komponentenmehrlagenstapel S11 dient als eine Ausgangspunkt-Filmkonstruktion. Ein axiales Reflexionsspektrum 140 wurde für den Stapel S11 alleine berechnet, und dann für die Filmkombinationen: S11 + S12 (siehe 16A für das physikalische Dickenprofil und 16B für die Reflexionskurve 142); S11 + S13 (siehe 17A für das physikalische Dickenprofil und 17B für die Reflexionskurve 144; S11 + S14 (siehe 18A für das physikalische Dickenprofil und 18B für die Reflexionskurve 146); und S11 + S15 (siehe 19A für das physikalische Dickenprofil und 19B für die Reflexionskurve 148). Wie es aus den Figuren zu ersehen ist, hat die Addition eines Stapel mit einem umgekehrten Dickengradienten (Stapel S12), eines Stapels mit einem umgekehrten Dickengradienten mit einer f-Verhältnisabweichung (Stapel S13), eines Stapels mit einem wesentlichen Nulldickengradienten (Stapel S14) und eines Stapels mit einem umgekehrten Dickengradienten, welche nur eine Komponente von den ORUs verwendet (Stapel S15) zu dem Stapel S11 zunehmend erwünschte Effekte auf die Steilheit des spektralen Übergangs.
Beispielgegenstände
Beispielgegenstand 1
Alphabetische Buchstaben wurden auf die obere (glatte) Seite einer retroreflektierenden Würfeleckenfolie unter Verwendung eines herkömmlichen roten Markierungsstiftes geschrieben, um einen "strukturierten" Retroreflektor zu erzeugen. Der grüne Schmalbandfilm des vorstehenden Beispiels wurde dann auf die Oberseite einer Folie eines Heißschmelzklebers (0,002 Zoll Ethylenvinylacetat, "2 mil EVA") plaziert, welcher auf die Oberseite der strukturierten retroreflektierenden Beschichtung plaziert wurde. Eine transparente Hologrammfolie mit einem Heißschmelzkleber auf ihrer Rückseite wurde dann auf die Oberseite des grünen Schmalbandfilmes plaziert. Der Schichtenaufbau der Filme wurde bei 149°C (300°F) mittels eines herkömmlichen Tischlaminators laminiert. Der sich ergebende Gegenstand sieht wie ein normales mit Aluminium rückseitenbeschichtetes Hologramm unter Umgebungslichtbedingungen aus, während ein helles Grün mit dunkel erscheinenden alphabetischen Buchstaben unter einer retroreflekierenden Betrachtung erscheint.
Beispielgegenstand 2
Blaue und rote Buchstaben wurden flexographisch auf die Oberseite einer retroreflektierenden Perlfolie gedruckt. Die Perlfolie hatte einen Aufbau ähnlich der retroreflektierenden Schicht 52 (siehe 5) mit der Ausnahme, daß sie keine Markierungen 62a hatte, und die Überzugsschicht 58 eine schwarze opake Binderschicht enthielt, welche dick genug war, um die Mikrokügelchen darin zu halten, aber dünn genug, daß Licht durch die Vorderseite des Filmes durch die Mikrokügelchen und die Abstandsschicht 60 zu der reflektierenden Maskierungsschicht 62 und zurück hindurchtreten konnte. Ein mehrlagiger polymerischer optischer Film mit ähnlichem Aufbau wie der grüne Schmalbandfilm des vorstehenden Beispiels, jedoch mit einem breiteren Transmissionsband wurde auf die Oberseite einer Folie eines 2 mil EVA Heißschmelzklebers plaziert, welcher wiederum auf der Oberseite der Perlfolie plaziert wurde. Eine transparente Hologrammschicht mit Heißschmelzkleber auf ihrer Rückseite wurde dann auf der Oberseite des Mehrlagenfilmes plaziert. Der Schichtenaufbau der Filme wurde bei 149°C (300°F) mittels eines herkömmlichen Tischlaminators laminiert. Der sich ergebende Gegenstand zeigte das holographische Bild gegen einen glänzenden magenta-farbenen Hintergrund unter Umgebungslichtbedingungen, deckte aber unter retroreflektierenden Betrachtungsbedingungen die rote und blaue Beschriftung gegenüber dem von dem Mehrlagenfilm durchgelassenen grünen Licht auf. Der Film erscheint wegen der roten und blauen Reflektionsspitzen unter Umgebungslichtbedingungen magentafarben und absorbiert wegen der schwarzen Binderschicht das durch den Mehrlagenfilm hindurchgelassene grüne Licht.
Glossar bestimmter Begriffe
Bezugsmarkierung: Eine Markierung (entweder real oder hypothetisch) auf einem reflektierenden Gegenstand, welche als ein Bezug zur Anzeige einer Orientierung um die Bezugsachse verwendet wird.
Eintrittswinkel: Der Winkel zwischen der Beleuchtungsachse und der Bezugsachse.
Eintrittshalbebene: Eine Halbebene, welche an der Bezugsachse entspringt und die Beleuchtungsachse enthält.
Eintrittsebene: Eine Ebene, welche die Eintrittshalbebene enthält.
F-Verhältnis: Der relative Beitrag einer gegebenen individuellen Schicht zu der gesamten optischen Dicke einer gegebenen ORU. Das f-Verhältnis der k-ten individuellen Schicht ist:
wobei 1 ≤ k ≤ N ist, wobei N die Anzahl von Bestandsschichten in der ORU ist, wobei n_k(n_m) der relevante Brechungsindex der k-ten (m-ten) Schicht ist, und d_k(d_m) die physikalische Dicke der Schicht k(m) ist. Das f-Verhältnis einer Schicht k entlang einer spezifizierten optischen Achse j ist mit f_jk bezeichnet und ist wie vorstehend definiert, wobei jedoch n_k(n_m) der Brechungsindex der Schicht k(m) entlang der Achse j ist.
Teilbandbreite: Die vollständige spektrale Breite (in Einheiten eines Abstandes wie z. B. nm) bei der Hälfte der maxi malen Höhe (d. h. der Hälfte der Amplitude) des Bandes dividiert durch die Mittenwellenlänge des Bandes (welche die volle spektrale Breite teilt).
Beleuchtungsachse: Ein Liniensegment, welches sich zwischen den Bezugsmittelpunkt und der Quelle der Beleuchtung erstreckt.
Licht: Elektromagnetische Strahlung, entweder in dem sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bereich des Spektrums.
Betrachtungswinkel: Der Winkel zwischen der Beleuchtungsachse und der Betrachtungsachse
Betrachtungsachse: Ein Liniensegment, welches sich zwischen dem Bezugsmittelpunkt und einem ausgewählten Beobachtungspunkt erstreckt.
Optische Wiederholungseinheit: ("ORU"): Ein Stapel von wenigstens zwei einzelnen Schichten, welcher sich über der Dicke eines mehrlagigen optischen Filmes wiederholt, wobei die entsprechenden Wiederholungsschichten nicht dieselbe Dicke haben müssen.
Optische Dicke: Die physikalische Dicke eines gegebenen Körpers mal dessen Brechungsindex. Im allgemeinen ist diese eine Funktion der Wellenlänge und Polarisation.
Orientierungswinkel: Der Raumwinkel zwischen der Eintrittswinkelhalbebene und einer an der Bezugsachse entspringenden und eine Bezugsmarkierung enthaltenden Halbebene.
Prozentuale Reflexion: Eine dimensionslose Größe gleich dem Verhältnis der optischen Leistung (z. B. in Milliwatt) von Licht, das spiegelnd von einem gegebenen Objekt reflektiert wird, dividiert durch die optische Leistung des auf das Objekt einfallenden Lichtes für einen kollimierten einfallenden Lichtstrahl bei einer gegebenen Wellenlänge. Manchmal einfach als "Reflexion" abgekürzt.
Prozentuale Transmission: Eine dimensionslose Größe gleich dem Verhältnis der optischen Leistung (z. B. in Milliwatt) von Licht, das durch ein gegebenes Objekt hindurchgelassen wird, dividiert durch die optische Leistung des auf das Objekt einfallenden Lichtes für einen kollimierten einfallenden Lichtstrahl bei einer gegebenen Wellenlänge. Manchmal einfach als "Transmission" abgekürzt.
Bezugsachse: Ein Liniensegment, welches sich von dem Bezugsmittelpunkt und dem reflektierenden Gegenstand weg erstreckt, und welches normalerweise senkrecht zu dem reflektierenden Gegenstand an dem Bezugsmittelpunkt ist.
Bezugsmittelpunkt: Ein Punkt auf oder in der Nähe eines reflektierenden Gegenstandes, welcher als der Mittelpunkt des Gegenstandes für die Spezifizierung von dessen Verhalten festgelegt ist.
Reflexionsband: Ein spektraler Bereich mit relativ hoher Reflexion, welcher auf beiden Seiten des Bereiches relativ niedriger Reflexion begrenzt ist.
Außenschicht: Eine Schicht, die als eine äußere Schicht für einen mehrlagigen optischen Film vorgesehen ist, und typischerweise eine physikalische Dicke zwischen etwa 10% und 20% der Summe der physikalischen Dicke aller ORUs eines derartigen mehrlagigen Filmes aufweist.
Transmissionsband: Ein spektraler Bereich mit relativ hoher Transmission, begrenzt durch spektrale Bereiche mit relativ niedriger Transmission.
Sichtbares Licht: Licht, das von dem nicht unterstützten menschlichen Auge detektierbar ist, im allgemeinen in dem Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 700 nm.

Claims

Reflektierender Gegenstand (10, 30, 30', 50, 74), welcher einen Mehrlagenfilm (14, 36, 54, 76, 120) aufweist, der eine retroreflektierende Schicht (16, 42, 44, 52, 78) abdeckt, die für den Transport von Information strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrlagenfilm abwechselnde Schichten wenigstens, eines ersten und zweiten Materials (A, B) aufweist, wobei die abwechselnden Schichten so konfiguriert sind, daß sie eine relativ hohe Reflexion das senkrecht einfallenden Lichtes innerhalb eines ersten Spektralbereichs so aufweisen, daß für Licht innerhalb des ersten Spektralbereichs das Information tragende Muster verborgen ist, und eine relativ niedrige Reflexion für senkrecht einfallendes Licht innerhalb eines zweiten spektralen Bereichs so, daß für Licht innerhalb des zweiten spektralen Bereichs das Information tragende Muster detektierbar ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Mehrlagenfilm (14, 36, 54, 76, 120) ein mehrlagiger polymerischer Film ist und wobei das erste Material ein erstes Polymer aufweist und das zweite Material ein zweites Polymer aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei wenigstens die Schichten des ersten Materials doppelbrechend sind.
Gegenstand nach Anspruch 3, wobei über einem interessierenden Wellenlängenbereich wenigstens zwei benachbarte Schichten in dem Film Brechungsindizes für entlang einer Achse (Z) senkrecht zu einer Ebene des Filmes polarisier tes Licht aufweisen, welche sich nicht um mehr als 50% von der maximalen ebeneninternen Brechungsindexdifferenz zwischen den zwei benachbarten Schichten unterscheiden.
Gegenstand nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Polymer aus der aus Polyethylennaphthalat und Copolymeren und Gemischen davon auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure; Polyethylenterephthalat und Copolymeren und Gemischen davon auf der Basis von Terephthalsäure; Polybutylennaphthalat und Copolymeren und Gemischen davon auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure, und Polybutylenterephthalat und Copolymeren und Gemischen davon auf der Basis von Terephtalsäure bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der mehrlagige polymerische Film mehrere polymerische Schichten aufweist, welche optische Wiederholungseinheiten (ORUs) mit zugeordneten optischen Dicken definieren, wobei die ORUs in einer Reihenfolge abnehmender optischer Dicke entlang einer gegebenen Richtung benachbart zu einer Reihenfolge, nichtabnehmender optischer Dicke angeordnet sind.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die relativ hohe Reflexion wenigstens etwa 50% beträgt und der erste Spektralbereich wenigstens 75% des Spektralbereichs von 400 bis 700 nm umfaßt.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Spektralbereich im wesentlichen den gesamten Spektralbereich von 400 bis 700 nm umfaßt.
Gegenstand nach wenigstens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Spektralbereich wenigstens ein Transmissionsband enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbhöhenspitzenbreite dividiert durch die Mit tenwellenlänge des wenigstens einen Wellenlängenbandes, nicht größer als etwa 15% ist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturierte retroreflektierende Schicht eine Kennzeichenschicht und eine retroreflektierende Schicht aufweist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturierte retroreflektierende Schicht eine strukturierte Oberfläche mit einer ersten und zweiten unterscheidbaren benachbarten Zone enthält, welche ein Muster definiert.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturierte retroreflektierende Schicht eine Retroreflexion in wenigstens einer Einfallsebene aber nicht in wenigstens einer weiteren Einfallsebene aufweist.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturierte retroreflektierende Schicht retroreflektierende Elemente mit dieser zugeordneten individuellen Markierungen enthält, welche in retroreflektiertem Licht bei einer ausgewählten Beleuchtungsgeometrie detektierbar sind.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die strukturierte retroreflektierende Schicht eine retroreflektierende Perlschicht enthält.
Gegenstand nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ferner ein ein holographisches Bild erzeugendes mikrostrukturiertes Reliefmuster aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 15, wobei das mikrostrukturierte Reliefmuster vor den abwechselnden Schichten angeordnet ist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der mehrlagige polymerische Film auf die strukturierte retroreflektierende Schicht laminiert ist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei wenigstens ein Abschnitt der strukturierten retroreflektierten Schicht auf den mehrlagigen polymerischen Film gegossen und gehärtet ist.