DE69913102T2

DE69913102T2 - Optischer film mit geschärfter bandkante

Info

Publication number: DE69913102T2
Application number: DE69913102T
Authority: DE
Inventors: A. John WHEATLEY; F. Michael WEBER
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2019-01-09
Also published as: DE69913102D1; KR20010034059A; KR100582973B1; JP4399113B2; EP1047963B1; EP1047963A1; JP2002509280A; CN1288520A; US6157490A; WO1999036809A1; US20050243425A1; AU2109699A; BR9906907A; CN1141604C

Description

Die Erfindung betrifft allgemein mehrschichtige optische Körper und insbesondere mehrschichtige Filme, die eine geschärfte reflektierende Bandkante aufweisen.
Die Verwendung mehrschichtiger reflektierender Filme, die alternierende Schichten von zwei oder mehreren Polymeren zur Reflexion von Licht umfassen, ist bekannt und beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3,711,176 (Alfrey, Jr. et al.), US-Patentschrift Nr. 5,103,337 (Schrenk et al.), WO 96/19347, und WO 95/17303 beschrieben. Das Reflexions- und Transmissionsspektrum eines bestimmten mehrschichtigen Films hängt hauptsächlich von der optischen Dicke der einzelnen Schichten ab, die als Produkt der tatsächlichen Dicke einer Schicht multipliziert mit ihrem Brechungsindex definiert ist. Demnach können Filme zur Reflexion von infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Licht-Wellenlängen λ_M durch Wahl der entsprechenden optischen Dicke der Schichten nach der folgenden Formel aufgebaut werden: λM = (2/M)*Dr (Formel I),wobei M eine ganze Zahl ist, die die bestimmte Ordnung des reflektierten Lichtes darstellt, und D_r die optische Dicke einer sich wiederholenden optischen Einheit (auch mehrschichtiger Stapel genannt) ist, die zwei oder mehrere polymere Schichten umfasst. Demnach ist D_r die Summe der optischen Dicken der einzelnen polymeren Schichten, die die sich wiederholende optische Einheit aufbauen. D_r ist in der Dicke immer die Hälfte von Lambda, wobei Lambda die Wellenlänge des Reflexionspeaks erster Ordnung ist. Durch Variation der optischen Dicke einer sich wiederholenden optischen Einheit entlang der Dicke des mehrschichtigen Films kann ein mehrschichtiger Film aufgebaut werden, der Licht über eine breite Bande von Wellenlängen reflektiert. Diese Bande wird allgemein als Reflexions- oder Sperrbande bezeichnet.
Erwünscht ist, dass eine Reflexionsbande eine scharfe spektrale Kante an der langwelligen (roten) und/oder kurzwelligen (blauen) Seite aufweist. Allerdings besitzen die aus der Technik bekannten reflektierenden Filme, die eine sich wiederholende optische Einheit von verschiedener optischer Dicke enthalten, typischerweise mäßig abgeschrägte Bandkanten, die Reflexionen außerhalb der gewünschten Wellenlängen von Interesse bewirken. Wenn beispielsweise ein reflektierender Film zur Reflexion von Infrarotlicht ausgelegt ist, während er im sichtbaren Spektrum transparent ist, kann eine abgeschrägte Kante an der blauen Seite der Reflexionsbande in den sichtbaren Bereich des Spektrums übergreifen und dadurch eine unerwünschte Färbung des infrarot reflektierenden Filmkörpers hervorrufen. Eine solche Färbung kann vermieden werden, indem der Infrarotfilm so aufgebaut wird, dass die Infrarot-Reflexionsbande weiter in den Infrarotbereich vorgeschoben wird, allerdings führt dies zu einer nennenswerten Transmission von Infrarotlicht in der Nähe des sichtbaren Spektralbereichs.
Bei anderen Situationen kann es wünschenswert sein, einen reflektierenden Film oder einen anderen optischen Körper aufzubauen, der Licht innerhalb eines ausgewählten Bereichs im sichtbaren Spektralbereich reflektiert, z. B. einen reflektierenden Film, der nur grünes Licht reflektiert. In einem solchen Fall kann es wünschenswert sein, dass sowohl an der roten als auch blauen Seite der Reflexionsbande scharfe Kanten vorliegen.
Viele bisherige reflektierende Filme, die mehrschichtige Stapel umfassen, zeigen auch eine Reihe von kleinen Reflexionspeaks in der Nähe der Reflexionsbande. Diese so genannte "Ringbildung" kann auch unerwünschte Reflexionen einführen. In der Technik wurde vorgeschlagen, dass für mehrschichtige Filme, die aus einer sich wiederholenden optischen Einheit von konstanter optischer Dicke bestehen, eine solche Ringbildung durch Zugabe einer Anzahl sich wiederholender optischer Einheiten mit einer optischen Dicke, die halb so groß ist wie diejenige der anderen sich wiederholenden optischen Einheiten, die für die Reflexionsbande verantwortlich sind, unterdrückt werden könnte. Obgleich dieser Weg die Ringbildung beseitigen kann, verbessert er allerdings nicht die Bandkanten-Schärfung, und er kann sie tatsächlich verschlechtern. Außerdem erfordert dieser Weg das Vorliegen abziehbarer Häute auf den mehrschichtigen extrudierten Filmen, da er nur dünne Schichten von spezifischer optischer Dicke auf der Oberfläche zulässt.
Somit bedarf es in der Technik eines reflektierenden Films und eines Verfahrens zur Herstellung desselben, der eine scharfe Bandkante an einer oder beiden Seiten der Reflexionshauptbande aufweist und der die Gegenwart von Ringbildung und anderer unerwünschter Reflexionen vermeidet.
Diese und andere Erfordernisse werden durch die vorliegende Erfindung, wie hier im Folgenden beschrieben, erfüllt.
US-A-5,360,659 beschreibt einen zweikomponentigen Infrarot-Reflexionsfilm, der alternierende Schichten von ersten (A) und zweiten (B) unterschiedlichen polymeren Materialien umfasst, wobei sich das erste und zweite polymere Material im Brechungsindex um mindestens etwa 0,03 unterscheiden, wobei das erste und zweite polymere Material eine alternierende Sechsschichten-Wiederholungseinheit mit relativen optischen Dicken von etwa .778A.111B.111A.778B.111A.111B aufweist, wobei mindestens 50% des sichtbaren Lichts mit Wellenlängen zwischen etwa 380–770 nm, die auf den Film auftreffen, durchgelassen werden und mindestens 50% des Infrarotlichts der Wellenlängen zwischen etwa 770–2000 nm reflektiert werden.
In WO 94/10589 wird ein formbarer mehrschichtiger reflektierender polymerer Körper, der ein im Wesentlichen monotones breites Bandbreiten-Reflexionsvermögen über im Wesentlichen den gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums aufweist, um ein im Wesentlichen monotones Reflexionsaussehen bereitzustellen, bereitgestellt. Der Körper umfasst mindestens ein erstes und ein zweites unterschiedliches polymeres Material, wobei der Körper eine ausreichende Anzahl alternierender Schichten des ersten und zweiten polymeren Materials umfasst, derart, dass mindestens 40% des auf den Körper auftreffenden sichtbaren Lichts reflektiert werden. Ein wesentlicher Großteil der einzelnen Schichten des Körpers besitzt optische Dicken in dem Bereich, in dem die Summe der optischen Dicken in einer sich wiederholende Einheit der polymeren Materialien größer ist als etwa 190 nm und das erste und zweite polymere Material sich voneinander im Brechungsindex um mindestens 0,03 unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung stellt reflektierende Filme und andere optische Körper bereit, die scharfe Bandkanten an einer oder beiden Seiten der Reflexions-Hauptbanden aufweisen. Die erfindungsgemäßen optischen Körper umfassen mehrschichtige Stapel M₁ und M₂, die jeweils Reflexionen der ersten Ordnung in einem gewünschten Teil des Spektrums aufweisen und die sich wiederholende optische Einheiten R₁ bzw. R₂ umfassen. Die sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ umfassen jeweils mindestens eine erste polymere Schicht und eine zweite polymere Schicht, wobei die erste und zweite polymere Schicht einen mit ihnen assoziierten Brechungsindex n₁ bzw. n₂ aufweisen, wobei der Unterschied zwischen n₁ und n₂ mindestens 0,05 beträgt. Die sich wiederholende optische Einheit R₁ variiert im Wesentlichen monoton in der optischen Dicke entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁, und die sich wiederholende optische Einheit R₂ ist von im Wesentlichen konstanter optischer Dicke entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂. Die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entspricht der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁, oder die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entspricht ansonsten der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁, oder die sich wiederholende optische Einheit R₂ variiert im Wesentlichen monoton in der optischen Dicke entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ entgegengesetzt zu der im Wesentlichen monotonen Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁, und die minimale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ entspricht im Wesentlichen der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁, oder die maximale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ entspricht im Wesentlichen der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtiger Stapels M₁.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ausführlich beschrieben, allerdings besteht nicht die Absicht, die Erfindung darauf zu beschränken.
1a bis 1e zeigen die Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ in den mehrschichtigen Stapeln M₁ und M₂ unter Erhalt einer Bandkanten-Schärfung an der roten oder blauen Kante der Reflexionsbande;
2 zeigt die Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁, R₂ und R₃ in den mehrschichtigen Filmen M₁, M₂ und M₃ unter Erhalt einer Bandkanten-Schärfung an der blauen und roten Kante der Reflexionsbande;
3 zeigt die Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁, R₂ und R₃ in den mehrschichtigen Filmen M₁, M₂ und M₃, in denen M₁ und M₃ sich kontinuierlich ändernde Steigungen aufweisen;
Die 4a und 4b sind schematische Diagramme eines mehrschichtigen Films, der aus zwei alternierenden polymeren Schichten besteht;
5 ist ein dreidimensionales schematisches Diagramm einer sich wiederholenden optischen Einheit, die aus zwei alternierenden Schichten von polymeren Materialien besteht;
6 ist ein dreidimensionales schematisches Diagramm einer sich wiederholenden optischen Einheit, die aus den polymeren Schichten A, B und C besteht, die in einem ABCB-Muster angeordnet sind;
7a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil, das einen kombinierten Schichtdickegradienten von LTG1 und LTG2 zeigt;
7b ist ein Computer-gesteuertes Spektrum, das die kurzwellige Bandkante für die Reflexionsbande, die durch den Schichtdicke-Gradienten LTG1 erzeugt wird, und die Auswirkung der Zugabe des reversen Gradienten LTG2 zeigt;
8a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil eines Stapelaufbaus mit einem reversen Gradienten mit einer f-Verhältnis-Abweichung;
8b ist ein Computerspektrum, das die verbesserte Bandkanten-Schärfung zeigt, die durch die Kombination von LTG1 und LTG3 bereitgestellt wird;
9a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil für die kombinierten Stapel LTG1 und LTG4;
9b ist ein Computerspektrum, das die Verbesserung erläutert, die mit dem Schichtdickegradienten von 9a im Vergleich zu dem Fall LTG1 festgestellt wird;
10a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil, in dem die Schicht mit dem niedrigen Index für den gesamten Stapel für LTG1 und LTG5 linear ist, die Komponente mit dem hohen Index in Abschnitt LTG5 allerdings eine Gradientenumkehr erfährt;
10b ist ein Computerspektrum, das die Verbesserung erläutert, die mit dem Gradienten von 10a im Vergleich zum Fall LTG1 festgestellt wird;
11a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil für einen einfachen Bandpass, der durch Einbringen einer Schritt-Diskontinuität in das Schichtdickeprofil eines Breitband-Reflexionsstapels hergestellt wird;
11b ist das berechnete Spektrum für den Gradienten von 11a;
12a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil, das mit zwei abgestuften linearen Dickeverteilungen und einem nicht abgestuften Viertelwellenstapel hergestellt ist;
12b ist das berechnete Spektrum für den Gradienten von 12a;
13a ist ein Schichtdicke-Gradientenprofil, das ein gekrümmtes Schichtdickeprofil erläutert;
und 13b ist das berechnete Spektrum für den Gradienten von 13a.
Die folgenden Definitionen und Konventionen werden überall in der Offenbarung verwendet:
Gewünschter Teil des Spektrums: jeder kontinuierliche Bereich von Wellenlängen zwischen 400 nm und 2500 nm, der auch gewünschte Reflexionsbande genannt wird.
Sich wiederholende optische Einheit (ORU): ein Stapel von in einer bestimmten Reihenfolge angeordneten Schichten, wobei sich die Anordnung über die Dicke eines mehrschichtigen Films wiederholt; der Stapel von Schichten weist eine Reflexion erster Ordnung bei einer Wellenlänge nach Formel I vorstehend auf.
Eigenbandbreite oder Bandbreite der sich wiederholenden optischen Einheit(ORU): die Bandbreite, die ein unendlicher ORU-Stapel von identischer Dicke aufweisen würde, die leicht aus den Matrixelementen der charakteristischen Matrix M berechnet wird, wie durch Born und Wolf "Principles of Optics", Ausg. 5, Seite 67, definiert. Für einen Viertelwellenstapel von zwei Materialien mit einem Brechungsindex-Differential von weniger als etwa 0,3 wird sie in guter Näherung durch den absoluten Wert des Fresnelschen Reflexionskoeffizienten für diese Grenzfläche angegeben.
Sperrbande: eine Reflexionsbande ist im Allgemeinen als spektrale Reflexionsbande definiert, die an beiden Seiten durch Wellenlänge-Bereiche von geringer Reflexion begrenzt ist. Mit dielektrischen Stapeln ist die Absorption typischerweise niedrig genug, um für viele Anwendungen vernachlässigt zu werden, und die Definition erfolgt hinsichtlich der Transmission. In dieser Hinsicht ist eine Reflexions- oder Sperrbande in der Regel als Bereich geringer Transmission definiert, der an beiden Seiten durch Bereiche hoher Transmssion begrenzt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt eine einzelne Reflexions- oder Sperrbande für p-polarisiertes Licht ein kontinuierliches Spektrum zwischen zwei beliebigen aufeinanderfolgenden Wellenlängen, bei denen die Transmission größer ist als 50%, und schließt solche aufeinanderfolgenden Wellenlängen als Endpunkte ein, und dabei ist die durchschnittliche Transmission von einem Endpunkt zum anderen geringer als 20%. Eine solche bevorzugte Reflexions- oder Sperrbande wird in gleicherweise für unpolarisiertes Licht und normal einfallendes Licht beschrieben. Allerdings werden für s-polarisiertes Licht die Transmissionswerte in der vorhergehenden Beschreibung so berechnet, dass der Teil des Lichts ausgeschlossen ist, der von einer Luft-Grenzfläche mit dem Stapel oder mit den Stapel-Hautschichten oder -Überzügen reflektiert wird.
Bandbreite der Sperrbande: für eine solche bevorzugte Ausführungsform, wie in dem vorhergehenden Abschnitt beschrieben, ist die Bandbreite als Abstand in nm zwischen den zwei Wellenlängen innerhalb der Bande definiert, die den beiden 50-%-Transmissionspunkten am nächsten sind, und an denen die Transmission 10% beträgt. In allgemein angewandter Hinsicht sind die Bandbreiten durch die 10-%-Transmissionspunkte definiert. Die jeweiligen blauen und roten (d. h. kurze- und langwellig) Bandkanten werden sodann als die Wellenlänge an den vorstehend definierten 10-%-Transmissionspunkten definiert. Die Transmission der bevorzugten Sperrbande wird als die mittlere Transmission zwischen den 10-%-Transmissionspunkten definiert. Wenn eine Reflexionsbande kein ausreichend hohes Reflexionsvermögen aufweist, um die Definitionen von Bandbreite und Bandkanten-Steigung für die bevorzugte Ausführungsform zu erfüllen, kann die Bandbreite einfach als volle Breite am halben Maximum (FWHM), wo das Maximum der Peak-Reflexionswert ist, definiert werden.
Bandkanten-Steigung der Sperrbande: die Steigung einer Bandkante, wie in dem vorhergehenden Abschnitt beschrieben, wird den 50-%- und 10-%-Transmission/ Wellenlängenpunkten entnommen und ist in der Einheit% Transmission pro nm angegeben.
Durchlaßbande: eine Durchlassbande ist allgemein als spektrale Transmissionsbande, die durch spektrale Bereiche von relativ geringer Transmission begrenzt ist, definiert. Bei dem mehrschichtigen Farbverschiebungsfilm ist die Durchlassbande durch reflektierende Sperrbanden begrenzt. Die Breite der Durchlassbande ist die volle Breite am Wert der halben maximalen Transmission(FWHM).
Bandkanten-Steigung der Durchlassbande: die Bandkanten-Steigungen werden aus den beiden Punkten an einer gegebenen Bandkante in nächster Nähe zum maximalen Transmissionspunkt, deren Transmissionswerte 50 und 10% des maximalen Transmissionswerts betragen, berechnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Durchlassbande zu beiden Seiten des Transmissionspeaks Regionen niedriger Transmission, mit Transmissionsminima von 10% oder weniger des Transmissionswerts des Peak-Transmissionspunkts. Beispielsweise wäre bei dieser bevorzugten Ausführungsform eine Durchlassbande mit einem 50-%-Transmissionsmaximum zu beiden Seiten durch Reflexionsbanden mit Transmissionsminima von 5% oder weniger begrenzt. Mehr bevorzugt betragen die Transmissionsminima zu beiden Seiten der Durchlassbande weniger als 5% des Peak-Transmissionswerts der Durchlassbande.
Kantenfilter: Reflexionsfilter mit nur einer Bandkante innerhalb des Wellenlängenbereichs von Interesse.
Mehrschichtiger Film: ein Film, der eine sich wiederholende optische Einheit, die zur Reflexion von Licht über einen bestimmten Bereich von Wellenlängen ausgelegt ist, umfasst. Der mehrschichtige Film kann zusätzliche Schichten zwischen den sich wiederholenden optischen Einheiten enthalten, wobei die zusätzlichen Schichten innerhalb des gesamten mehrschichtigen Films wiederholt werden können oder nicht.
Monoton variierende Schichtdicke einer sich wiederholenden optischen Einheit entlang eines mehrschichtigen Films: die Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit zeigt entweder einen einheitlichen Trend von Abnahme oder Zunahme entlang der Dicke des mehrschichtigen Films (z. B. zeigt die Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit keinen zunehmenden Trend entlang eines Teils der Dicke des mehrschichtigen Films und einen abnehmenden Trend entlang eines anderen Teils der mehrschichtigen Filmdicke). Diese Trends sind von Schicht-zu-Schicht-Dickefehlern unabhängig, die eine statistische Varianz mit einem 1-Sigmawert von bis zu 5% oder mehr aufweisen können. Zusätzlich kann eine lokale Variation in der sich wiederholenden optischen Einheit zu Riffeln in dem Schichtdicke-Profil führen, was gemäß mathematischer Definition nicht streng monoton ist, jedoch sollte die Riffelung im Vergleich zur Dickedifferenz zwischen erster und letzter sich wiederholender optischer Einheit relativ klein sein.
Maximale optische Dicke einer sich wiederholenden optischen Einheit: das Maximum einer statistischen Kurve passt auf die tatsächliche Schichtenverteilung, die statistische Fehler in der Schichtdicke enthält.
Minimale optische Dicke einer sich wiederholenden optischen Einheit: das Minimum einer statistischen Kurve passt auf die tatsächliche Schichtverteilung, die statistische Fehler in der Schichtdicke enthält.
Ebene-interne Achsen: zwei zueinander senkrechte Achsen, die sich in der Ebene des reflektierenden Films befinden. Zweckmäßigerweise sind sie als x-Achse und y-Achse bezeichnet.
Querachse: eine zu der Ebene des reflektierenden Films senkrechte Achse. Zweckmäßigerweise ist diese Achse als z-Achse bezeichnet.
Ein Brechungsindex entlang einer bestimmten Achse ist als n_i bezeichnet, wobei i die bestimmte Achse bezeichnet, beispielsweise bezeichnet n_x einen Brechungsindex entlang der x-Achse.
Negative Doppelbrechung: der Brechungsindex entlang der Querachse ist kleiner oder gleich dem Brechungsindex entlang beider Achsen in der Ebene (n_z< n_x und n_y).
Positive Doppelbrechung: der Brechungsindex entlang der Querachse ist größer als der Brechungsindex entlang beider Achsen in der Ebene (n_z> n_x und n_y).
Isotrop: die Brechungsindices entlang x-, y- und z-Achse sind im Wesentlichen gleich (z. B. n_x = n_y = n_z).
Infrarotbereich: 700 nm bis 2500 nm
Sichtbarer Bereich: 400 nm bis 700 nm
Das f-Verhältnis ist definiert als:
wobei f_k die optische Dicke der polymeren Schicht k ist, 1 die Anzahl von Schichten in der sich wiederholenden optischen Einheit ist, n_k der Brechungsindex der polymeren Schicht k ist und d_k die Dicke der polymeren Schicht k ist. Das optische Dickeverhältnis der polymeren Schicht k entlang einer optischen Achse j wird als f_jk bezeichnet und ist wie vorstehend definiert, allerdings unter Ersatz von nk durch den Brechungsindex des polymeren Materials k entlang der Achse j ().
Hautschicht: eine Schicht, die als äußerste Schicht typischerweise mit einer Dicke zwischen 10 und 20% der Summe der physikalischen Dicken sämtlicher sich wiederholender optischer Einheiten bereitgestellt ist.
BESCHREIBUNG IM EINZELNEN
Der Aufbau von erfindungsgemäßen, mehrschichtigen Filmen kann in einer Vielzahl von Wegen zum Erhalt von Bandkanten-Schärfung auf der roten oder blauen Seite der Bande oder auf beiden Seiten verwendet werden.
Bandkanten-Schärfung – blaue Kante
Zum Erhalt von erfindungsgemäßer Bandkanten-Schärfung an der blauen Kante der Reflexionsbande wird ein mehrschichtiger Stapel M₁ mit einer sich wiederholenden optischen Einheit R₁ mit einem mehrschichtigen Stapel M₂ mit einer sich wiederholenden optischen Einheit R₂ kombiniert. Beide mehrschichtigen Stapel sind so aufgebaut, dass sie in einem gewünschten Spektralbereich, z. B. im Infrarot-Bereich, eine Reflexionsbande erster Ordnung aufweisen. Es ist möglich, einen Film oder einen anderen optischen Körper mit einer Reflexionsbande erster Ordnung in einem bestimmten Spektralbereich durch Auswahl von polymeren Materialien mit entsprechenden Brechungsindices und durch Manipulation der physikalischen Dicke einer jeden der einzelnen polymeren Schichten einer sich wiederholenden optischen Einheit, derart dass die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit bei der gewünschten Wellenlänge auftritt, wie durch die Formel I vorstehend vorhergesagt, herzustellen. Durch Variieren der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit in dem mehrschichtigen Film kann die gewünschte Reflexion über einen bestimmten Bereich im Spektrum erhalten werden. Vorzugsweise wird die sich wiederholende optische Einheit R₁ des mehrschichtigen Stapels M₁ in der optischen Dicke monoton variiert, derart, dass die gewünschte Reflexionsbande erhalten wird. Es ist allerdings auch möglich, mehrere mehrschichtige Stapel zu verwenden, die verschiedene sich wiederholende optische Einheiten umfassen, um eine gewünschte Reflexionsbande abzudecken.
Die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ erhöht sich vorzugsweise monoton entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁. Der mehrschichtige Stapel M₂ kann eine sich wiederholende optische Einheit R₂ umfassen, die im Wesentlichen in der optischen Dicke konstant ist, oder die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ kann entlang der Dicke des mehrschichtige Stapel M₂ monoton abnehmen. Wenn die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ im Wesentlichen konstant ist, sollte die optische Dicke davon etwa gleich der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ sein. Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ im Wesentlichen gleich der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁.
1a beschreibt diese Ausführungsform und zeigt eine Auftragung der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ gegen die Zahl der sich wiederholenden optischen Einheiten in einem reflektierenden Film, der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In 1a umfasst der mehrschichtige Stapel M₁ die sich wiederholende optische Einheit R₁ von zunehmender optischer Dicke, und der mehrschichtige Stapel M₂ umfasst die sich wiederholende optische Einheit R₂ von im Wesentlichen konstanter optischer Dicke. Ein nach 1a aufgebauter, reflektierender Film weist auf der blauen Seite der Reflexionsbande eine geschärfte Bandkante auf.
1b beschreibt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ebenfalls zum Schärfen der Reflexionsbande auf der blauen Seite führt. Wie in 1b gezeigt, umfasst der mehrschichtige Stapel M₂ bei dieser Ausführungsform eine sich wiederholende optische Einheit R₂, die in der optischen Dicke entlang der Dicke des mehrschichtiger Stapels M₂ monoton abnimmt. Die minimale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ bei dieser Ausführungsform ist so, dass sie im Wesentlichen gleich der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang des mehrschichtigen Stapels M₁ ist.
Bandkanten-Schärfung – rote Kante
Zum Erhalt einer erfindungsgemäßen Bandkanten-Schärfung am roten Ende der Reflexionsbande wird ein mehrschichtiger Stapel M₁ mit einer sich wiederholenden optischen Einheit R₁ mit einem mehrschichtigen Stapel M₂ mit einer sich wiederholenden optischen Einheit R₂ kombiniert. Beide mehrschichtigen Filme sind so aufgebaut, dass sie in einem gewünschten Teil des Spektrums eine Reflexion erster Ordnung aufweisen, z. B. eine Reflexionsbande im grünen Teil des sichtbaren Spektrums.
Die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ erhöht sich vorzugsweise monoton entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁. Der mehrschichtige Stapel M₂ kann eine sich wiederholende optische Einheit R₂ umfassen, die im Wesentlichen in der optischen Dicke konstant ist, oder ansonsten kann die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtiger Stapels M₂ monoton abnehmen. Wenn die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ im Wesentlichen konstant ist, sollte die optische Dicke davon der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtiger Stapels M₁ entsprechen. Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ im Wesentlichen gleich der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁.
1c beschreibt diese Ausführungsform und zeigt eine Auftragung der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ gegen die Zahl der sich wiederholenden optischen Einheiten in einem reflektierenden Filmkörper im Zusammenhang mit der vorliegenden Endung. In 1c umfasst ein mehrschichtiger Stapel M₁ die sich wiederholende optische Einheit R₁ von zunehmender optischer Dicke, und der mehrschichtige Stapel M₂ umfasst die sich wiederholenden optischen Einheiten R₂ von im Wesentlichen konstanter optischer Dicke. Ein nach 1c aufgebauter, reflektierender Filmkörper zeigt eine geschärfte Bandkante am roten Ende der Reflexionsbande.
1d beschreibt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ebenfalls zu einer Schärfung des Reflexionsbands auf der roten Seite führt. Wie in 1d gezeigt, umfasst nun der mehrschichtige Stapel M₂ eine sich wiederholende optische Einheit R₂, die in der optischen Dicke entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ monoton abnimmt. Die maximale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ bei dieser Ausführungsform ist so, dass sie im Wesentlichen der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang des mehrschichtigen Stapels M₁ entspricht.
Bandkanten-Schärfung – Beide Kanten
Zum Erhalt einer Bandkanten-Schärfung an beiden Enden der Reflexionsbande können drei mehrschichtige Stapel M₁, M₂ und M₃ wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform kombiniert werden. Hier umfasst ein mehrschichtiger Stapel M₁ eine sich wiederholende optische Einheit R₁, die monoton entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ abnimmt. Am Ende des Stapels, wo R₁ die maximale optische Dicke aufweist, wird der mehrschichtige Stapel M₁ mit dem mehrschichtigen Stapel M₂ kombiniert, der die sich wiederholende optische Einheit R₂ mit konstanter optischer Dicke umfasst. Die optische Dicke von R₂ ist im Wesentlichen gleich der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ (wie in 2 gezeigt). Wie bereits vorstehend zum Erhalt der Bandkanten-Schärfung an der blauen Kante der Reflexionsbande beschrieben, kann die sich wiederholende optische Einheit R₂ auch entlang der Dicke eines mehrschichtigen Stapels M₂ monoton abnehmen.
Am Ende des Stapels, wo die sich wiederholende optische Einheit R₁ ihre maximale optische Dicke aufweist, wird ein mehrschichtiger Film M₃ kombiniert, der eine sich wiederholende optische Einheit R₃ umfasst, die eine im Wesentlichen konstante optische Dicke aufweist. Wie in 2 gezeigt, entspricht die optische Dicke von R₃ der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁. Wie bereits vorstehend zum Erhalt einer Bandkanten-Schärfung am roten Ende beschrieben, kann die sich wiederholende optische Einheit R₃ auch entlang der Dicke des mehrschichtigen Films M₃ monoton abnehmen.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wurden die mehrschichtigen Stapel M₁ und M₂ und gegebenenfalls M₃ so beschrieben, dass sie in dem reflektierenden Film physikalisch einander nahe sind. Allerdings ist dies keine Anforderung. Insbesondere können die mehrschichtigen Stapel in dem reflektierenden Filmkörper durch zusätzliche mehrschichtige Stapel und/oder zusätzliche Schichten, wie beispielsweise eine Schicht, die die Haftung zwischen den mehrschichtigen Stapeln verbessert, voneinander beabstandet sein. Beispielsweise könnte der mehrschichtige Stapel M₂ in 1a auch ebenso am anderen Ende des mehrschichtigen Stapels M₁, wie in 1e gezeigt, vorhanden sein. Gleichermaßen können die Positionen der mehrschichtigen Stapel M₂ und M₃ in 2 auch ausgetauscht werden. Allerdings sind die bevorzugten räumlichen Positionen der mehrschichtigen Stapel M₁, M₂ und gegebenenfalls von M₃ relativ zueinander so, dass sie miteinander so vereint sind, dass nebeneinander liegende Schichten etwa die gleiche optische Dicke aufweisen, wie in den 1a bis 1d und 2 gezeigt, ohne dazwischen liegende Materialschichten oder -räume.
Eine Bandkanten-Schärfung kann auch erhalten werden, wenn die mehrschichtigen Stapel M₁, M₂ und M₃ nicht nebeneinander oder in der in 1e erläuterten Reihenfolge liegen. Die Materialien und ihre Brechungsindices können auch in jedem der drei mehrschichtigen Stapel voneinander verschieden sein. Allerdings erfolgt die wirksamste Verwendung der optischen Schichten, wenn Wiederholungseinheiten der gleichen oder einer ähnlichen optischen Dicke (mehrschichtige Stapel mit überlappenden Reflexionsbanden) zur Verstärkung der konstruktiven Interferenz zwischen diesen Schichten optisch gekoppelt sind. Diese Vorgabe stellt auch eine Richtlinie für den Bereich der brauchbaren Dicken der Wiederholungseinheiten R₁, R₂ und R₃ in den mehrschichtigen Stapeln M₁, M₂ und M₃ bereit. Beispielsweise wird in 1d, wenn die Wiederholungseinheiten in dem mehrschichtigen Stapel M₂ nach rechts mit schrittweiser Abweichung von der Dicke der maximalen Wiederholungseinheit von M₁ schrittweise dünner werden, die optische Kopplung zur konstruktiven Interferenz zwischen diesen Schichten an den Extremitäten schrittweise abgeschwächt. Wenn die minimale Dicke der Wiederholungseinheit von M₂ die optische Dicke d aufweist, die außerhalb der Eigenbandbreite der maximalen Dicke der Wiederholungseinheit in M₁ liegt, dann trägt die minimale Dickeeinheit nicht nennenswert zur Bandkanten-Schärfung an der roten Seite der Reflexionsbande der Multischicht M₁ bei.
Ein reflektierender Film oder ein anderer optischer Körper, der erfindungsgemäß hergestellt wurde, kann beispielsweise durch Mehrschichten-Coextrusion hergestellt werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Alternativ können die mehrschichtigen Stapel, die die erfindungsgemäßen reflektierenden Filme oder andere optische Körper bilden, getrennt voneinander hergestellt werden (z. B. als getrennte, frei stehende Filme) und anschließend unter Bildung des fertigen reflektierenden Films miteinander laminiert werden.
Optische Stapelkonstruktionen
Die Schichtdicke-Verteilungen für ausgedehnte Reflexionsbanden können die Form einer Vielzahl von exponentiell oder linear zunehmenden funktionellen Formen annehmen. Solche optischen Stapel erzeugen eine ausgedehnte Reflexionsbande von vorgegebener Bandbreite und Extinktion. Wenn die gleiche funktionelle Form von Anfang bis Ende (erste bis letzte Schicht) beibehalten wird, dann dürfen die Steigungen der Bandkanten nicht so steil wie gewünscht sein. Zur Verstärkung der Steigung entweder der linken oder rechten Bandkante kann sich die funktionelle Form der Schichtdicke-Verteilung in der Nähe der Endpunkte der primären Stapelverteilung so ändern, dass sich die Steigung der Schichtdicke-Verteilung null nähert.
Zur weiteren Schärfung der Bandkanten können zusätzliche Schichten mit einer Steigung von null oder mit einer Steigung mit entgegengesetztem Vorzeichen zugefügt werden. Beispielsweise können mehrschichtige optische Stapel M₁, M₂ und M₃, wie in 3 gezeigt, aufgebaut werden, wobei keine Diskontinuitäten in der ersten Ableitung des (statistisch gemittelten) Schichtdicke-Profil vorhanden sind. In 3 besitzt M₂ an sich insofern ein leicht geschärftes Bandprofil, als die Steigung am Beginn und am Ende von M₂ null entspricht. Die Stapel M₁ und M₂ sind so aufgebaut, dass sie ebenfalls Steigungen von null aufweisen, wo sie sich mit M₂ vereinigen. Die Steigung sowohl von M₁ als auch M₃ ändern sich kontinuierlich an ihren Endpunkten, bis ihre Steigungen gleich oder entgegengesetzt zu denjenigen des Hauptstapels M₂ sind. In 3 besteht M₁ aus den sich wiederholenden Einheiten 1 bis 10, M₂ aus den Einheiten 10 bis 90 und M₃ aus den Einheiten 90 bis 105. M₂ selbst besteht aus drei Bereichen: M₂₁, M₂₂ und M₂₃, entsprechend dem Profil in 2. M₂₁ besteht aus den Einheiten 10 bis 20, M₂₂ aus den Einheiten 20 bis 80 und M₂₃ aus den Einheiten 80 bis 90. M₂₂ ist ein lineares Dickeprofil.
Außerdem kann die kombinierte Verteilungskurve M₁ + M₂ + M₃ Teil eines größeren optischen Stapels sein und kann in einer inneren oder in der äußeren Position eines größeren Stapels liegen. Somit können erfindungsgemäß Filme und andere optische Körper hergestellt werden, deren Gesamtkonstruktionen mehrere Reflexionsbanden enthalten, die durch mehrere Serien von Schichtdicke-Gradienten erzeugt wurden, alle mit ihren entsprechenden Bandkanten-schärfenden Schichtgruppen.
Typischerweise kann die Variation in der optischen Dicke einer erfindungsgemäßen sich wiederholenden optischen Einheit durch Variation der physikalischen Dicke der polymeren Schichten der sich wiederholenden optischen Einheit erhalten werden. Die optische Dicke einer sich wiederholenden Einheit wird je nach Wellenlängen, die zur Reflexion gewählt werden, ausgewählt. Jeder beliebige Bereich von Wellenlängen außerhalb der Eigenbandbreite der sich wiederholenden optischen Einheit kann durch Hinzufügen sich wiederholender optischer Einheiten mit dem entsprechenden Bereich von optischen Dicken gewählt werden. Nach einer bestimmten Ausführungsform im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird die optische Dicke sämtlicher polymerer Schichten, die die sich wiederholende optische Einheit aufbauen, mit der gleichen Geschwindigkeit variiert. Beispielsweise können sämtliche polymeren Schichten der sich wiederholenden optischen Einheit nach der gleichen linearen Funktion in der Dicke variiert werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die physikalische Dicke der polymeren Schichten der sich wiederholenden optischen Einheit verschieden variiert werden. Dies ist besonders bevorzugt, wo es erwünscht ist, eine optische Dickevariation der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ oder R₃ der mehrschichtigen Filme M₂ bzw. M₃ zu erhalten. Beispielsweise kann die optische Dicke einer sich wiederholenden optischen Einheit, die aus zwei alternierenden polymeren Schichten besteht, erfindungsgemäß durch im Wesentlichen konstant Halten der physikalischen Dicke von einer der Schichten, während die physikalische Dicke der anderen Schicht beispielsweise gemäß einer linearen Funktion variiert wird, monoton variiert werden. Alternativ können beide Schichten in der physikalischen Dicke, allerdings nach verschiedenen Funktionen, z. B. verschiedene lineare Funktionen oder verschiedene subtile Kraftgesetz-Funktionen, variiert werden.
Mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in Tabelle I und in den folgenden Beispielen erläutert. Tabelle I führt vier getrennte Schichtdickegradienten auf. Jeder Gradient besteht aus sich wiederholenden Viertelwellenschichten aus einem stark brechenden Material (n = 1,75) und einem schwach brechenden Polymer (n = 1,50). Die Ausgangsdicke und das Dicke-Inkrement jeweils für die darauf folgende Schicht ist angegeben. Ein Computermodellprogramm wurde zur Erforschung der Auswirkung mehrerer Kombinationen von Gradienten auf die Bandkanten-Steilheit der ersten Reflexionsbande verwendet.
Tabelle I
Beispiel 1 – Reverser Gradient
Ein Beispiel für einen reversen Gradienten ist in 7a gezeigt. Diese Figur zeigt den kombinierten Schichtdicke-Gradienten von LTG1 und LTG2. In diesem Fall besteht der Bandkanten-Schärfungsgradient LTG2 aus 20 Schichten von alternierenden stark und schwach brechenden Materialien, wovon beide in der Dicke zum Erhalt eines f-Verhältnisses von 0,5 vom ersten bis zum letzten Schichtenpaar zunehmen.
Ein weiteres Beispiel für einen reversen Schichtgradienten ist in 7b gezeigt. Diese Figur zeigt die kurzwellige Bandkante für die Reflexionsbande, die durch den Schichtdickegradienten LTG1 erzeugt wurde, und die Auswirkung der Zugabe des reversen Gradienten LTG2. Die Zugabe von LTG2 führt zu einer Zunahme der Kantensteigung. Die Bandkanten-Steigung ohne Zugabe von LTG2 beträgt 1,1%/nm. Bei Zugabe von LTG2 erhöht sich die Steigung auf 1,9%/nm. Diese Schichtdicke-Profile sind in 7a gezeigt.
Beispiel 2 – Reverser Gradient mit f-Verhältnis-Abweichung
Ein Beispiel für einen Stapelaufbau mit einem reversen Gradienten mit einer f-Verhältnis-Abweichung ist in 8a gezeigt. Die Figur zeigt einen Filmstapelaufbau aus nur einer Materialkomponente mit einem reversen Dickegradienten, während die andere in dem hinzugefügten bandschärfenden Stapel von LTG3 einen Gradienten von 0 aufweist. Die Kombination von LTG1 und LTG3 zeigt auch eine Verbesserung in der Bandkanten-Schärfe gegenüber dem Fall von LTG1, wie in 8b nachstehend gezeigt. Die Bandkanten-Steigung bei Hinzufügen von LTG3 beträgt 7,3%/nm.
Beispiel 3 – Gradient null
Dieses Beispiel zeigt die Bandkanten-Schärfung für den Fall von Nullgradienten-Stapeln LTG4 für beide Materialien. Der Stapelaufbau für dieses Beispiel stellt auch eine viel schärfere Bandkante bereit als LTG1 allein. Die Bandkanten-Steigung beträgt in diesem Falle 3,6%/nm.
9a zeigt den Schichtdickegradienten für die kombinierten Stapel LTG1 und LTG4. LTG4 weist für beide Materialien einen Dickegradienten von Null auf und behält ein konstantes Dicke-Verhältnis zwischen den stark und schwach brechenden Schichten bei. Wiederum ist, wie in 9b gezeigt, im Vergleich zum Fall von LTG1 mit einer Bandkanten-Steigung von 3,6 %/nm im Vergleich zu dem Wert von 1,1%/nm für LTG1 eine nennenswerte Verbesserung zu sehen.
Beispiel 4 – Gradienten-Vorzeichenänderung nur durch eine Komponente
In diesem Fall ist der Schichtgradient für die schwach brechende Schicht für den gesamten Stapel für LTG1 und LTG5 linear, allerdings erfährt die stark brechende Komponente im Abschnitt LTG5 eine Gradientenumkehr, wie in 10a nachstehend gezeigt. Die resultierenden Spektren sind in 10b gezeigt, und eine nennenswerte Verbesserung ist gegenüber dem Fall LTG1 gezeigt, wobei die Bandkanten-Steigung von 1,1%/nm auf 3,6%/nm zunimmt.
Bandfilter
Die Herstellung von schmalen Bandpass-Transmissionsfiltern, die manchmal als Sperrfilter bezeichnet werden, kann unter Verwendung von zwei breiten Reflexionsbanden, die den größten Teil des entsprechenden Spektrums abdecken, mit der Ausnahme einer sehr schmalen Bande zwischen ihren gegenüberliegenden Bandkanten, erfolgen. Wenn das Bandfilter sowohl Schmalband- als auch Breitband-Transmission aufweist, sind nahezu vertikale Bandkanten erforderlich. Diese typischen Aufbautechniken der bisherigen Technik, wobei einzelnen Schichtdicken von jeder Schicht in dem Stapel ein einziger Wert zugeordnet ist, kann für polymere Stapel, die Hunderte von Schichten umfassen, unpraktisch sein. Die hier beschriebene Bandkanten-Schärfungstechniken sind in diesem Fall besonders geeignet.
Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst die Verwendung von Band-schärfenden Stapeln mit kontinuierlich variierenden Gradienten. Die resultierenden Bandfilter besitzen eine höhere Transmission als Filter, die mit linearer (konstanter Gradient) Schichtdicke-Verteilungen hergestellt sind. Die folgenden Computer-simulierten Beispiele erläutern diese Verbesserung.
11a
Ein einfaches Bandfilter kann durch Einführen einer Stufen-Diskontinuität in das Schichtdickeprofil eines Breitband-Reflexionsstapels hergestellt werden, wie in 11a erläutert. Das berechnete Spektrum eines solchen Sperrfilters, das mit zwei einfachen linearen Dickeverteilungen von 11a hergestellt ist, ist in 11b gezeigt. Ohne die vorstehend beschriebenen Band-Schärfungstechniken sind die Bandkanten-Steigungen nicht hoch genug, um ein schmales Band-Sperrfilter herzustellen. Die Bandkanten-Steigungen betragen etwa 1,2%/nm und 1,4%/nm für die blaue bzw. rote Kante. Die Bandbreite beträgt 54 nm und der Peak-Transmissionswert 62%.
Ein Sperrfilter kann mit zwei linearen Stufen-Dickeverteilungen und zusätzlichen nicht stufigen Viertelwellenstapeln, wie in 12a gezeigt, hergestellt werden. Die flachen (Gradient null) Abschnitte sind zum Schärfen der jeweiligen Bandkanten von gegenüberliegenden Reflexionsbanden geeignet. Werden die zusätzlichen Schichten an den beiden Dickewerten an einer Seite der Sperr-Wellenlänge konzentriert, kann eine viel schärfere Transmissionsbande hergestellt werden. Das berechnete Spektrum für den erläuterten Stapel ist in 12b angegeben. Die Steilheit der Bandkanten des Sperrfilterspektrums von 12b nimmt mit der Anzahl von Schichten ab, die in dem Band-Schärfungsmerkmal des Stapels eingeschlossen sind, wie in 12b gezeigt. Die Bandkanten-Steigungen betragen sowohl für die blaue als auch rote Kante etwa 9%/nm. Die Bandbreite beträgt 13,8 nm und der Peak-Transmissionswert 55,9%.
Das gekrümmte Schichtdickeprofil von 13a wurde zur Verbesserung eines Fehlers im Stapelaufbau und Spektrum von 12a und 12b erzeugt. Die Seitenbanden-Riffelung der Schichtdickeprofile von 12a überlappt und begrenzt die Transmission eines Sperrfilters. Zu beachten ist, dass die Peak-Transmission der Sperrbande in 12b nur etwa 50% beträgt. Durch Einführen einer Krümmung in das Band-schärfende Stapeldickeprofil wird die Ringbildung an der Kante des Spektrums eines solchen Stapels vermindert. Die Kombination zweier solcher Stapel führt dann zu einem Sperrfilter mit steileren Bandkanten und höherer Peak-Transmission, wie durch die in 13b gezeigten Ergebnisse erläutert. Die Bandkanten-Steigungen betragen etwa 12%/nm bzw. 14%/nm für die blauen bzw. roten Kante. Die Bandbreite beträgt 11 nm und der Peak-Transmissionswert 76%. Zu beachten ist, dass obwohl die Bandbreite schmäler ist als in 12b, die maximale Transmission wesentlich höher ist. Die Anzahl von Schichten in dem Band-schärfenden Stapel-Teil beträgt 60 auf jeder Seite des Dickespalts, was die gleiche Anzahl von Schichten darstellt, die in den Abschnitten mit dem Gradienten null der Schicht-Verteilung von 12b verwendet wird.
Das gekrümmte Profil kann jeder Anzahl von funktionellen Formen folgen. Der Hauptzweck der Form besteht im Aufbrechen der exakten, in einem Viertelwellenstapel vorliegenden Dicke- Wiederholung, wobei die Schichten nur auf eine einzige Wellenlänge abgestimmt sind. Die besondere, hier angewandte Funktion war eine zusätzliche Funktion eines linearen Profils (das gleiche wie bei der restlichen Reflexionsbande verwendet) und eine Sinusfunktion zur Krümmung des Profils mit der entsprechenden negativen oder positiven zweiten Ableitung. Ein wichtiges Merkmal besteht darin, dass die zweite Ableitung des Schichtdickeprofils für die rote Bandkante eines Reflexionsstapels positiv und für die blaue Bandkante eines Reflexionsstapels negativ ist. Zu beachten ist, dass ein entgegengesetztes Vorzeichen erforderlich ist, wenn auf die rote und blaue Bandkante einer jeden Sperrbande Bezug genommen wird. Weitere Ausführungsformen des gleichen Prinzips umfassen Schichtenprofile, die mehrere Punkte aufweisen, mit einem Wert von null für die erste Ableitung. In sämtlichen Fällen hier beziehen sich die Ableitungen auf diejenigen einer am besten passenden Kurve, die durch das tatsächliche Schichtdickeprofil angepasst wurde, das kleine statistische Fehler von weniger als 10% einer Sigma-Standardabweichung in den Schichtdickewerten enthalten kann.
Wie durch die obigen Beispiele erläutert, können die Band-schärfenden Profile, die der Schichtdickeverteilung hinzugefügt wurden, nennenswerte Auswirkungen auf die Steigung der Bandkanten für eine oder beide Kanten einer Reflexionsbande und für die Kanten einer Durchlassbande haben. Scharfe Bandkanten und hohe Extinktion sind zum Erhalt von Farbfiltern mit satten Farben von hoher Reinheit wünschenswert. Vorzugsweise betragen die Steigungen der Bandkanten für Reflexionsbanden mindestens etwa 1%/nm, mehr bevorzugt mehr als etwa 2%/nm und noch mehr bevorzugt mehr als etwa 4%/nm. Die gleichen Steigungen sind für Bandfilter mit einer Bandbreite von größer als etwa 50 nm bevorzugt. Für Bandfilter mit einer Bandbreite von kleiner oder gleich etwa 50 nm sind die Kanten vorzugsweise größer als etwa 2%/nm, mehr bevorzugt größer als etwa 5%/nm und noch mehr bevorzugt größer als etwa 10%/nm.
Aufbau der sich wiederholenden optischen Einheiten
Die polymeren Schichten einer erfindungsgemäßen sich wiederholenden optischen Einheit können isotrop oder anisotrop sein. Eine isotrope polymere Schicht ist eine Schicht, wobei der Brechungsindex der polymeren Schicht unabhängig von der Richtung in der Schicht der gleiche ist, wohingegen der Brechungsindex im Falle einer anisotropen polymeren Schicht sich entlang mindestens zweier verschiedener Richtungen unterscheidet. Letzterer Typ von polymerer Schicht wird auch Doppelbrechungsschicht genannt. Zur Beschreibung einer anisotropen polymeren Schicht wird eine orthogonale Serie von Achsen x, y und z verwendet, wie vorstehend im Abschnitt Definition dargelegt. Somit sind bei einer anisotropen, polymeren Schicht mindestens zwei der Brechungsindices n_x, n_y und n_z voneinander verschieden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Endung bestehen die sich wiederholenden optischen Einheiten R₁, R₂ und/oder R₃ aus zwei alternierenden isotropen polymeren Schichten, die Brechungsindices aufweisen, die sich vorzugsweise um mindestens etwa 0,05 und mehr bevorzugt um mindestens etwa 0,1 voneinander unterscheiden. Mehr bevorzugt allerdings ist eine der beiden alternierenden polymeren Schichten eine Doppelbrechungsschicht, wobei sich mindestens einer der Ebenen-internen Indices n_x und n_y um mindestens 0,05 von dem entsprechenden Ebenen-internen Brechungsindex der anderen Schicht unterscheidet. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stimmt der Brechungsindex entlang der transversalen Achsen (n_z) von beiden Schichten im Wesentlichen überein, d. h. der Unterschied des Brechungsindex entlang der z-Achsen zwischen beiden Schichten beträgt vorzugsweise weniger als etwa 0,05. Sich wiederholende optische Einheiten dieses Typs sind besonders für reflektierendes Licht im sichtbaren Spektralbereich geeignet, können allerdings auch für reflektierendes Licht im Infrarotbereich des Spektrums verwendet werden. Die sich wiederholenden optischen Einheiten und mehrschichtigen Filme mit diesem Merkmal sind ausführlich in der WO 96/19347 und in der WO 95/17303 beschrieben. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der transversale Index der polymeren Schicht mit dem höchsten Ebenen-internen Index geringer als die ebenen-internen Indices für das andere Polymer. Dieses Merkmal ist auch in den oben zitierten Referenzen beschrieben.
Die 4a und 4b erläutern diese Ausführungsformen und zeigen einen mehrschichtigen Film 10, der eine sich wiederholende optische Einheit umfasst, die aus zwei alternierenden polymeren Schichten 12 und 14 besteht. Vorzugsweise weist mindestens eines der Materialien die Eigenschaft einer belastungsinduzierten Doppelbrechung auf, derart, dass der Brechungsindex (n) des Materials durch den Streckprozess beeinflusst wird.
4a zeigt einen beispielhaften mehrschichtigen Film vor dem Streckprozess, in dem beide Materialien den gleichen Brechungsindex aufweisen. Der Lichtstrahl 13 erfährt hinsichtlich des Brechungsindex relativ wenig Änderung und passiert den Film. In 4b wurde der gleiche Film gestreckt, wodurch sich der Brechungsindex des Materials 12 in Streckrichtung (oder – richtungen) erhöht. Die Differenz im Brechungsindex jeweils an der Grenze zwischen den Schichten bewirkt, dass ein Teil des Strahls 15 reflektiert wird. Durch Strecken des mehrschichtigen Stapels über einen Bereich von uniachsialer bis biachsialer Orientierung wird ein Film mit einem Bereich von Reflexionsvermögen für unterschiedlich orientiertes, planpolarisiertes, einfallendes Licht erzeugt. Somit kann der mehrschichtige Film für reflektierende Polarisatoren oder Spiegel brauchbar gemacht werden. Bei biachsialer Streckung kann die Folie asymmetrisch entlang von Ebenen-internen orthogonalen Achsen oder symmetrisch entlang von Ebenen-internen orthogonalen Achsen unter Erhalt der gewünschten Polarisations- und Reflexionseigenschaften gestreckt werden.
Die optischen Eigenschaften und Aufbauüberlegungen von mehrschichtigen Stapeln, die zwei alternierende polymere Schichten umfassen, sind in der gleichzeitig anhängigen und übertragenen US-A-5,882,774 besonders ausführlich beschrieben. Kurz gesagt, beschreibt diese Anmeldung den Aufbau von mehrschichtigen Filmen (Spiegel und Polarisatoren), für die der Brewster-Winkel (Winkel, bei dem das Reflexionsvermögen nach null geht) für die Polymerschicht-Grenzflächen sehr groß oder nicht existent ist. Dieses Merkmal gestattet den Aufbau von Spiegeln und Polarisatoren, deren Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht langsam mit dem Einfallswinkel abnimmt, vom Einfallswinkel unabhängig ist oder mit dem Einfallswinkel abweichend von der Normalen zunimmt. Als Ergebnis können mehrschichtige Filme mit hohem Reflexionsvermögen sowohl für s- als auch p-polarisiertes Licht über eine hohe Bandbreite und über einen breiten Bereich von Winkeln erzielt werden.
5 zeigt eine sich wiederholende optische Einheit, die aus zwei polymeren Schichten besteht, und gibt die dreidimensionalen Indices für die Brechung für jede Schicht an. Die Brechungsindices sind n1x, n1y und n1z für die Schicht 102 bzw. n2x, n2y und n2z für die Schicht 104. Die Beziehungen zwischen den Brechungsindices in jeder Filmschicht zueinander und diejenigen der anderen Schichten in dem Filmstapel bestimmen das Reflexionsverhalten des mehrschichtigen Stapels bei jedem Einfallswinkel aus jeder azimutalen Richtung.
Die Prinzipien und die Aufbau-Überlegungen, die in US-A-5,882,774 (Serien Nr. 08/402,041) beschrieben sind, können zur Erzeugung mehrschichtiger Filme mit den gewünschten optischen Effekten für einen breiten Bereich von Umständen und Anwendungen angewandt werden. Die Brechungsindices der Schichten in dem mehrschichtiger Stapel können manipuliert und auf die Herstellung von Vorrichtungen mit den gewünschten optischen Eigenschaften abgestimmt werden. Viele brauchbare Vorrichtungen, wie Spiegel und Polarisatoren, mit einem breiten Bereich von Leistungsmerkmalen können unter Anwendung der hier beschriebenen Prinzipien konstruiert und hergestellt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine sich wiederholende optische Einheit eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen Films die polymeren Schichten A, B und C mit verschiedenen Brechungsindices. Ein solcher Typ sich wiederholender Einheit ist besonders zum Aufbau eines infraroten, reflektierenden, mehrschichtigen Films geeignet. Insbesondere kann durch Auswahl der polymeren Schichten A, B und C der Art, dass die polymere Schicht B einen Brechungsindex zwischen demjenigen der polymeren Schichten A und C aufweist, ein reflektierender Infrarotfilm aufgebaut werden, für den mindestens zwei aufeinander folgende Reflexionen höherer Ordnung unterdrückt werden, wodurch der Aufbau eines infraroten Reflexionsfilms möglich ist, der im Wesentlichen im Sichtbaren transparent ist. Ein mehrschichtiger Film dieses Typs ist in der US-Patentschrift Nr. 5,103,337 ausführlich beschrieben.
Nach dieser Ausführungsform der Erfindung werden mehrere alternierende, im Wesentlichen transparente polymere Schichten A, B und C mit verschiedenen Brechungsindices n^j in der Reihenfolge ABC angeordnet. Zusätzlich liegt der Brechungsindex für die polymere Schicht B zwischen den entsprechenden Brechungsindices für die polymeren Schichten A und C. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer sich wiederholenden optischen Einheit, die die polymeren Schichten A, B und C umfasst, die in einem Muster ABCB angeordnet sind, und wobei mehrere aufeinander folgende Reflexionen höherer Ordnung unterdrückt sind, beträgt das optische Dickeverhältnis f^a des ersten Materials A 1/3, das optische Dickeverhältnis f^b des zweiten Materials B 1/6, das optische Dickeverhältnis f^c des dritten Materials C 1/3, und der Brechungsindex der polymeren Schicht B entspricht der Quadratwurzel des Produkts des Brechungsindex der polymeren Schichten A und C. Dieser besondere Typ von sich wiederholender optischer Einheit kann zum Aufbau eines mehrschichtigen Films angewandt werden, in dem die Reflexionen für die Wellenlängen zweiter, dritter und vierter Ordnung unterdrückt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der obige mehrschichtige Film mit einer sich wiederholenden optischen Einheit, die die polymeren Schichten A, B und C umfasst, die in einer Reihenfolge ABCB angeordnet sind, unter Verwendung einer anisotropen Schicht für mindestens eine der polymere Schichten A, B und C aufgebaut werden. Somit kann nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein mehrschichtiger Film, der Licht im Infrarotbereich des Spektrums reflektiert, während Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums hindurchgelassen wird, eine sich wiederholende optische Einheit umfassen, die die polymeren Schichten A, B und C umfasst, die in der Reihenfolge ABCB angeordnet sind, wobei die polymere Schicht A die Brechungsindices n_x ^a, n_y ^a entlang der Ebenen-internen Achsen x bzw. y, die polymere Schicht B die Brechungsindices n_x ^b und n_y ^b entlang der Ebenen-internen Achsen x bzw. y, die polymere Schicht C die Brechungsindices n_x ^c bzw. n_y ^c entlang der Ebenen-internen Achsen x bzw. y, die polymeren Schichten A, B und C einen Brechungsindex n_z ^a, n_z ^b und n_z ^c entlang einer Querachse z senkrecht zu den Ebeneninternen Achsen aufweisen, wobei n_x ^b zwischen n_x ^a und n_x ^c liegt, wobei n_x ^a größer ist als n_x ^c und/oder n_y ^b zwischen n_y ^a und n_y ^c liegt, wobei n_y ^a größer ist als n_y ^c und wobei vorzugsweise mindestens eine der Differenzen n_z ^a–n_z ^b und n_z ^b–n_z ^c kleiner ist als null oder beide Differenzen im Wesentlichen null sind.
Durch Aufbau der sich wiederholenden optischen Einheit derart, dass mindestens eine der Differenzen n_z ^a–n_z ^b und n_z ^b–n_z ^c weniger als 0 und vorzugsweise weniger als –0,05 beträgt, oder derart, dass beide Differenzen im Wesentlichen 0 sind und während die Indexbeziehung entlang der Ebenen-internen Achse zwischen den Schichten wie vorstehend ausgeführt eingestellt wird, können mindestens Reflexionen zweiter und dritter höherer Ordnung, ohne nennenswerte Abnahme der Infrarotreflexion mit dem Einfallswinkel des Infrarotlichts unterdrückt werden.
Die polymeren Schichten A, B und C der sich wiederholenden optischen Einheit bilden vorzugsweise eine optische ABCB-Wiederholungseinheit. Eine schematische Zeichnung einer solchen sich wiederholenden Einheit ist in 6 gezeigt. Nach dieser Ausführungsform ist die Differenz im Brechungsindex zwischen den Schichten A und B entlang der z-Achse (n_z ^a– n_z ^b) und/oder die Differenz im Brechungsindex zwischen den Schichten B und C entlang der z-Achse (n_z ^b–n_z ^c) vorzugsweise negativ, d. h. sie besitzt einen Wert von weniger als 0, mehr bevorzugt weniger oder gleich –0,05 und besonders bevorzugt weniger oder gleich –0,1. Es ist besonders bevorzugt, die sich wiederholende optische Einheit so aufzubauen, dass eine der Differenzen weniger als 0, mehr bevorzugt weniger als oder gleich –0,05 beträgt und die andere Differenz entweder 0 oder weniger als 0 beträgt. Besonders bevorzugt betragen beide Differenzen weniger als 0. Solche Konstruktionen, wobei eine der Differenzen weniger als 0 und die andere 0 oder weniger als 0 beträgt, ergeben eine mit dem Einfallswinkel erhöhte Reflexion.
Es ist auch möglich, eine sich wiederholende optische Einheit nach der vorliegenden Ausführungsform, wobei beide Differenzen im Wesentlichen 0 sind, d. h. wobei der absolute Wert der Differenzen vorzugsweise weniger als 0,03 beträgt, aufzubauen. Wenn beide Differenzen im Wesentlichen 0 sind, existiert eine geringe oder keine Abnahme in der Infrarotreflexion mit dem Einfallswinkel.
Nach noch einer anderen Spezies der vorliegenden Ausführungsform ist eine der Differenzen im Brechungsindex zwischen den Schichten A und B über die z-Achse im Vorzeichen entgegengesetzt zur Differenz des Brechungsindex zwischen den Schichten B und C über die z-Achse. Im letzteren Fall ist es bevorzugt, dass die Differenz, die geringer ist als 0, den größten Absolutwert aufweist oder dass der Absolutwert beider Differenzen im Wesentlichen gleich ist.
Durch Einstellung der optischen Dickeverhältnisse entlang der bestimmten Ebenen-internen Achse, bei der der Brechungsindex für die polymere Schicht B zwischen demjenigen der polymeren Schicht A und der polymeren Schicht C liegt, können mindestens zwei Reflexionen höherer Ordnung für Infrarotlicht, dessen Polarisationsebene parallel zu der bestimmten, Ebenen-internen Achse verläuft, unterdrückt werden. Allerdings ist es bevorzugt, dass der Brechungsindex für die polymere Schicht B zwischen demjenigen der polymeren Schichten A und C entlang beider Ebenen-interner Achsen liegt und durch Einstellen der optischen Dickeverhältnisse entlang beider Ebenen-interner Achsen ein reflektierender Infrarotspiegel, für den mindestens zwei aufeinander folgende Reflexionen höherer Ordnung unterdrückt werden, erhalten werden kann. Ein solcher reflektierender Infrarotspiegel ist im sichtbaren Bereich im Wesentlichen klar und frei von Farbe.
Eine besonders bevorzugte sich wiederholende optische Einheit zum Aufbau eines erfindungsgemäßen, mehrschichtigen Infrarot-Reflexionsfilms umfasst die polymeren Schichten A, B und C, die in einem ABCB-Muster angeordnet sind, wobei die Brechungsindices für die polymeren Schichten A, B und C so ist, dass n_x ^b = (n_x ^an_x ^c)^1/2 und/oder n_y ^b = (n_y ^an_y ^c)^1/2 bedeutet, während die folgenden optischen Dickeverhältnisse beibehalten werden: f_x ^a = 1/3, f_x ^b = 1/6 und f_x ^c = 1/3 und/oder f_y ^a = 1/3, f_y ^b = 1/6 und f_y ^c = 1/3. Eine solche Ausführungsform ist in der Lage, Reflexionen zweiter, dritter und vierter Ordnung zu unterdrücken. Ein reflektierender mehrschichtiger Infrarotfilm, der nach dieser Ausführungsform aufgebaut ist, kann zur Reflexion von Infrarotlicht bis zu etwa 2000 nm verwendet werden, ohne dass im sichtbaren Teil des Spektrums Reflexionen eingeführt werden.
Vorzugsweise besitzt eine sich wiederholende optische Einheit, die die polymeren Schichten A, B und C umfasst, entlang einer Ebenen-internen Achse Brechungsindices der Polymere A, B und C, die sich um mindestens 0,05 unterscheiden. Somit ist es bevorzugt, dass sich n_x ^a, n_x ^b und n_x ^c voneinander um mindestens 0,05 unterscheiden und/oder dass sich n_y ^a, n_y ^b und n_y ^c voneinander um mindestens 0,05 unterscheiden.
Die obigen verschiedenen Ausführungsformen, die verschiedene mögliche Konstruktionen der sich wiederholenden optischen Einheiten zur Verwendung in den mehrschichtigen erfindungsgemäßen Filmen beschreiben, sollen die Endung nicht einschränken. Insbesondere können auch andere Aufbauten für die sich wiederholenden optischen Einheiten angewandt werden. Außerdem können mehrschichtige Filme, die sich wiederholende optische Einheiten von unterschiedlichem Aufbau umfassen, zum Bilden eines erfindungsgemäßen reflektierenden Filmkörpers in Kombination verwendet werden. Beispielsweise kann ein mehrschichtiger Film, der eine sich wiederholende optische Einheit umfasst, die aus nur zwei polymeren Schichten besteht, mit einem mehrschichtigen Film kombiniert werden, der eine sich wiederholende optische Einheit umfasst, die die polymeren Schichten A, B und C umfasst, die in eine ABC-Reihenfolge, insbesondere in einem ABCB-Muster, angeordnet sind.
Ein Fachmann erkennt leicht, dass sehr verschiedene Materialien zur Herstellung von erfindungsgemäßen (Infrarot)Spiegeln oder Polarisatoren, bei der Verarbeitung unter Bedingungen, die gewählt werden, um die gewünschten Brechungsindex-Beziehungen zu ergeben, verwendet werden können. Die gewünschten Brechungsindex-Beziehungen können auf eine Vielzahl von Wegen erreicht werden, einschließlich Strecken während oder nach der Filmbildung (z. B. im Falle von organischen Polymeren), Extrudieren z. B. im Falle von flüssigkristallinen Materialien) oder Beschichten. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass die beiden Materialien ähnliche rheologische Eigenschaften (z. B. Schmelzviskositäten) aufweisen, so dass sie coextrudiert werden können.
Im Allgemeinen können geeignete Kombinationen durch die Wahl eines kristallinen, semikristallinen oder flüssigkristallinen Materials oder eines amorphen Polymers für jede der Schichten erreicht werden. Es sollte selbstverständlich sein, dass es in der Polymertechnik in der Regel bekannt ist, dass Polymere typischerweise nicht vollkommen kristallin sind, und darum im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung mit kristallinen oder semikristallinen Polymeren diejenigen Polymere gemeint sind, die nicht amorph sind und jedes dieser Materialien einschließen, das allgemein als kristallin, teilweise kristallin, semikristallin etc. bezeichnet wird.
Spezielle Beispiele für geeignete Materialien zur Verwendung bei der Endung umfassen Polyethylennaphthalat (PEN) und Isomere davon z. B. 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und 2,3-PEN), Polyalkylenterephthalate (z. B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und Poly-1,4-cyclohexandimethylenterephthalat), Polyimide (z. B. Polyacrylimide), Polyetherimide, ataktisches Polystyrol, Polycarbonate, Polymethacrylate (z. B. Polyisobutylmethacrylat, Polypropylmethacrylat, Polyehtylmethacrylat und Polymethylmethacrylat), Polyacrylate (z. B. Polybutylacrylat und Polymethylacrylat), syndiotaktisches Polystyrol (sPS), syndiotaktisches Poly-alpha-methylstyrol, syndiotaktisches Polydichlorstyrol, Copolymere und Mischungen von einem dieser Polystyrole, Cellulosederivate (z. B. Ethylcellulose, Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetatbutyrat und Cellulosenitrat), Polyalkylenpolymere Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polyisobutylen und Poly(4-methyl)penten), fluorierte Polymere (z. B. Perfluoralkoxy-Harze, Polytetrafluorethylen, fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymere, Polyvinylidenfluorid und Polychlortrifluorethylen), chlorierte Polymere (z. B. Polyvinylidenchlorid und Polyvinylchlorid), Polysulfone, Polyethersulfone, Polyacrylnitril, Polyamide, Silikonharze, Epoxyharze, Polyvinylacetat, Polyetheramide, ionomere Harze, Elastomere (z. B. Polybutadien, Polyisopren und Neopren) und Polyurethane. Ebenfalls geeignet sind Copolymere, z. B. Copolymere von PEN (z. B. Copolymere von 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7-und/oder 2,3-Naphthalindicarbonsäure oder Ester davon mit (a) Terephthalsäure, oder Ester davon; (b) Isophthalsäure oder Ester davon; (c) Phthalsäure oder Ester davon; (d) Alkanglycole; (e) Cycloalkanglycole (z. B. Cyclohexandimethanoldiol); (f) Alkandicarbonsäuren; und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren (z. B. Cyclohexandicarbonsäure)), Copolymere von Polyalkylenterephthalaten z. B. Copolymere von Terephthalsäure oder Ester davon, mit (a) Naphthalindicarbonsäure oder Ester davon; (b) Isophthalsäure oder Ester davon; (c) Phthalsäure oder Ester davon; (d) Alkanglycole; (e) Cycloalkanglycole (z. B. Cyclohexandimethandiol); (f) Alkandicarbonsäuren; und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren z. B. Cyclohexandicarbonsäure)) und Styrolcopolymere (z. B. Styrol-Butadien-Copolymere und Styrol-Acrylnitril-Copolymere), 4,4'-Bisbenzoesäure und Ethylenglycol. Zusätzlich kann jede einzelne Schicht Mischungen von zwei oder mehreren der oben beschriebenen Polymere oder Copolymere (z. B. Mischungen von SPS und ataktischem Polystyrol) einschließen.
Besonders bevorzugte doppelbrechende polymere Schichten zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen Schichten, die ein kristallines oder semikristallines Polyethylennaphthalat (PEN), einschließlich seiner Isomeren (z. B. 2,6-; 1,4-; 1,5-; 2,7-; und 2,3-PEN), enthalten. Eine besonders bevorzugte isotrope polymere Schicht zur Verwendung in Verbindung mit dieser Endung ist eine Schicht, die Polymethylmethacrylat enthält, und insbesondere Polymethylmethacylat selbst.
Es ist außerdem für einen Fachmann geläufig, dass jede der polymeren Schichten aus Mischungen von zwei oder mehreren polymeren Materialien zum Erhalt der gewünschten Eigenschaften für eine spezielle Schicht bestehen kann.
Die Filme und andere optische Vorrichtungen, die erfindungsgemäß hergestellt werden, können auch eine oder mehrere Antireflexionsschichten oder -beschichtungen umfassen, wie beispielsweise herkömmliches vakuumbeschichtetes dielektrisches Metalloxid oder optische Metall/Metalloxidfilme, Siliciumdioxid-Sol-Gel-Beschichtungen und beschichtete oder coextrudierte antireflektierende Schichten, wie diejenigen, die sich von schwach brechenden Fluorpolymeren wie THV, einem extrudierbaren Fluorpolymer, das von der Fa. 3 M Company (St. Paul, MB) erhältlich ist, ableiten, umfassen. Solche Schichten oder Beschichtungen, die polarisationsempfindlich sein können oder nicht, dienen der Erhöhung der Transmission und der Verminderung des Reflexionsglanzes und können auf erfindungsgemäße Filme und optische Vorrichtungen durch eine entsprechende Oberflächenbehandlung, wie Beschichten oder Sputterätzen, übertragen werden.
Sowohl sichtbare als auch nahe IR-Farbstoffe und Pigmente werden zur Verwendung in den erfindungsgemäßen Filmen und anderen optischen Körpern betrachtet und umfassen beispielsweise optische Aufheller, wie Farbstoffe, die im UV-Bereich absorbieren und im sichtbaren Bereich des Farbspektrums fluoreszieren. Weitere zusätzliche Schichten, die zur Veränderung des Aussehens des optischen Films zugesetzt werden können, umfassen beispielsweise trüb machende (schwarze) Schichten, Diffusionsschichten, holographische Bilder oder holographische Diffusoren und Metallschichten. Jedes von diesen kann direkt auf eine oder beide Oberflächen des optischen Films aufgebracht werden oder kann eine Komponente eines zweiten Films oder eines Folienaufbaus sein, der auf den optischen Film laminiert ist. Alternativ können einige Komponenten, wie trüb machende oder diffundierende Mittel oder gefärbte Pigmente, in eine Klebeschicht eingeschlossen sein, die zum Laminieren des optischen Films auf eine andere Oberfläche verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Polymere zur Coextrusion kompatible Rheologien aufweisen. Das bedeutet, dass eine bevorzugte Methode zum Bilden der reflektierenden Filmkörper in der Verwendung von Coextrusionstechniken besteht, die Schmelzviskositäten der Polymere vorzugsweise in annehmbarer Weise zueinander passen, um Schichten-Instabilität oder Nichtgleichmäßigkeit zu verhindern. Die verwendeten Polymere besitzen vorzugsweise auch eine ausreichende Grenzflächenhaftung, so dass die Filme nicht delaminieren.
Die erfindungsgemäßen mehrschichtigen reflektierenden Filmkörper können leicht auf kostengünstige Weise hergestellt werden, und sie können nach der Coextrusion zu einer Vielzahl von brauchbaren Konfigurationen gebildet und geformt werden.
Mehrschichtige erfindungsgemäße reflektierende Filmkörper werden besonders zweckmäßig durch den Einsatz einer mehrschichtigen Coextrusionsvorrichtung, wie in den US-Patentschriften Nrn. 3,773,882 und 3,884,606 beschrieben, hergestellt. Solche Vorrichtungen stellen ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger simultan extrudierter thermoplastischer Materialien bereit, wovon jedes von einer im Wesentlichen monotonen Schichtdicke ist.
Vorzugsweise kann eine Serie von Schicht-Vervielfältigungsmitteln, wie in der US-Patentschrift Nr. 3,759,647 beschrieben, eingesetzt werden. Der Einfüllblock der Coextrusionsvorrichtung nimmt Ströme verschiedener thermoplastischer polymerer Materialien aus einer Quelle, wie einem Wärmeplastifizierextruder, auf. Die Ströme harzartiger Materialien werden einem mechanischen Manipulationsabschnitt innerhalb des Einführblocks zugeführt. Dieser Abschnitt dient der Neuanordnung der Ausgangsströme zu einem mehrschichtigen Strom mit der Anzahl von Schichten, die in dem fertigen Körper gewünscht ist. Gegebenenfalls kann dieser mehrschichtige Strom anschließend durch eine Serie von Schicht-Vervielfältigungsmitteln hindurchgeleitet werden, um die Anzahl von Schichten in dem fertigen Körper weiter zu erhöhen.
Anschließend wird der mehrschichtige Strom einer Extrusionsdüse zugeführt, die so aufgebaut und angeordnet ist, dass der stromlinienförmige Fluss darin aufrecht erhalten wird. Eine solche Extrusionsvorrichtung ist in der US-Patentschrift Nr. 3,557,265 beschrieben. Das resultierende Produkt wird unter Bildung eines mehrschichtigen Körpers, in dem jede Schicht in der Regel parallel zu der Hauptfläche der nebeneinander liegenden Schichten ist, extrudiert.
Die Konfiguration der Extrusionsdüse kann variieren und kann so sein, dass Dicke und Dimensionen von jeder der Schichten verringert werden. Der exakte Reduktionsgrad in der Dicke der Schichten, der von dem mechanischen Orientierungsabschnitt ausgegeben wird, die Konfiguration der Düse und die Menge an mechanischer Bearbeitung des Körpers nach der Extrusion sind alles Faktoren, die die Dicke der einzelnen Schichten in dem fertigen Körper beeinflussen.
Die Anzahl von Schichten in dem reflektierenden Filmkörper kann gewählt werden, um aus Gründen von Filmdicke, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit die gewünschten optischen Eigenschaften unter Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Schichten zu erreichen. Im Falle sowohl von reflektierenden Polarisatoren als auch von reflektierenden Spiegeln beträgt die Anzahl der Schichten vorzugsweise weniger als etwa 10000, mehr bevorzugt weniger als etwa 5000 und (sogar noch mehr bevorzugt) weniger als etwa 2000.
Die gewünschte Beziehung zwischen Brechungsindices der polymeren Schichten, wie bei der Erfindung gewünscht, kann durch die Wahl entsprechender Verarbeitungsbedingungen, die zur Herstellung des reflektierenden Filmkörpers verwendet werden, erreicht werden. Im Falle von organischen Polymeren, die durch Strecken orientiert werden können, werden die mehrschichtigen Filme in der Regel durch Coextrudieren der einzelnen Polymere unter Bildung eines mehrschichtigen Films (z. B. wie vorstehend dargelegt) und anschließendes Orientieren des reflektierenden Filmkörpers durch Strecken bei einer gewählten Temperatur und gegebenenfalls anschließendes Warmhärten bei einer gewählten Temperatur hergestellt. Alternativ können der Extrusions- und Orientierungsschritt gleichzeitig vorgenommen werden. Durch die Orientierung wird das gewünschte Ausmaß an Doppelbrechung (negativ oder positiv) in denjenigen polymeren Schichten, die ein Polymer umfassen, das Doppelbrechung aufweisen kann, eingestellt. Eine negative Doppelbrechung wird mit Polymeren erhalten, die einen negativen optischen Belastungskoeffizienten aufweisen, d. h. Polymere, für die die Ebenen-internen Indices mit der Orientierung abnehmen, wohingegen eine positive Doppelbrechung mit Polymeren mit einem positiven optischen Belastungskoeffizienten erhalten wird. Diese Terminologie aus der Technik der Filmorientierung steht etwas in Gegensatz zur optischen Standarddefinition der positiven und negativen Doppelbrechung. In der optischen Technologie ist ein uniachsial positiv doppelbrechender Film oder eine Schicht eine Schickt, wobei der z-Brechungsindex höher ist als der Ebenen-interne Index. Ein biachsial gestreckter Polymerfilm, wie PET, besitzt hohe Ebeneninterne Indices, z. B. 1,65, und einen niedrigen Ebenen-externen oder der z-Achsen-Index von 1,50. In der Filmherstellungstechnik wird angenommen, dass ein Material wie PET positiv doppelbrechend ist, da der Index in Streckrichtung steigt, allerdings wird in der optischen Technologie angenommen, dass das gleiche Material nach einem biachsialen Strecken zum Film eine uniachsiale negative Doppelbrechung aufweist, da der z-Index niedriger ist als die Ebeneninternen Indices, die im Wesentlichen gleich sind. Der Begriff "positive Doppelbrechung" für ein Material, wie hier verwendet, ist derjenige aus der Polymerfilmtechnik und bedeutet, dass der Brechungsindex in Streckrichtung steigt. Gleichermaßen bedeutet der Begriff "negative Doppelbrechung" für ein Material, dass der Brechungsindex für einen Film in Streckrichtung abnimmt. Die Begriffe "uniachsial positiv" oder "uniachsial negativ" werden bei Verwendung unter Bezugnahme auf eine doppelbrechende Schicht so eingesetzt, dass sie die Bedeutung im optischen Sinne besitzen.
Im Falle von Polarisatoren wird der reflektierende Filmkörper im Wesentlichen in einer Richtung (uniachsiale Orientierung) gestreckt, während der Film im Falle von Spiegeln im Wesentlichen in zwei Richtungen (biachsiale Orientierung) gestreckt werden kann. Im letzteren Fall kann das Strecken zur Einführung spezieller Merkmale asymmetrisch sein, ist allerdings vorzugsweise symmetrisch.
Es kann ermöglicht werden, dass sich der reflektierende Filmkörper in Querstreckrichtung von der natürlichen Reduktion in Querstreckrichtung (entsprechend der Quadratwurzel des Streckverhältnisses) dimensionsmäßig entspannt, oder dass er einer Gegenkraft ausgesetzt wird (d. h. keine wesentliche Änderung in den Querstreckdimensionen). Der reflektierende Filmkörper kann in Maschinenrichtung, wie mit einem Längenorientiermaschine und/oder in der Breite unter Verwendung einer Spannmaschine gestreckt werden.
Vorstrecktemperatur, Strecktemperatur, Streckgeschwindigkeit, Streckverhältnis, Wärme, Härtungstemperatur, Warmhärtungsdauer, Warmhärtungsrelaxation und Querstreckrelaxation sind gewählt, um eine mehrschichtige Vorrichtung mit der gewünschten Brechungsindexbeziehung zu ergeben. Diese Variablen sind voneinander abhängig; somit könnte beispielsweise eine relativ niedrige Streckgeschwindigkeit bei Kopplung mit z. B. einer relativ niedrigen Strecktemperatur angewandt werden. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, wie die entsprechende Kombination dieser Variablen zu wählen ist, um die gewünschte mehrschichtige Vorrichtung zu erzielen. Im Allgemeinen allerdings ist ein Streckverhältnis im Bereich von etwa 1 : 2 bis etwa 1 : 10 (mehr bevorzugt etwa 1 : 3 bis etwa 1 : 7) in Streckrichtung und von etwa 1 : 0,2 bis etwa 1 : 10 (mehr bevorzugt von etwa 1 : 0,2 bis etwa 1 : 7) senkrecht zur Streckrichtung bevorzugt.
Die Orientierung des extrudierten Films kann durch Strecken einzelner Lagen des Materials in erhitzter Luft erreicht werden. Zur wirtschaftlichen Herstellung kann das Strecken auf kontinuierlicher Basis in einer Standard-Längenorientiermaschine, Spannofen oder in beidem erreicht werden. Bei der Polymerfilm-Standardherstellung kann eine Wirtschaftlichkeit von Maßstab und Bandgeschwindigkeiten erreicht werden, wodurch erreicht wird, dass die Herstellungskosten wesentlich geringer sind als die mit handelsüblich erhältlichen absorptiven Polarisatoren einhergehenden Kosten.
Es können auch zwei oder mehrere mehrschichtige Filme miteinander unter Erhalt eines erfindungsgemäßen reflektierenden Filmkörpers laminiert werden. Amorphe Copolyesther, wie diejenigen, die unter der Handelsbezeichnung VITEL 3000 und 3300 von der Fa. Goodyear Tire and Rubber Co., Akron, Ohio, erhältlich sind, sind als Laminiermaterialien geeignet. Die Auswahl an Laminiermaterial ist breit, wobei Haftung an mehrschichtigen Filmen, optische Klarheit und Luftausschluss die Hauptrichtlinien sind.
Es kann wünschenswert sein, eine oder mehrere der Schichten, ein oder mehrere anorganische oder organische Hilfsmittel, wie Antioxidans, Extrusionshilfe, Wärmestabilisator, UV-Licht-Absorber, Nukleierungsmittel, Oberflächenprojektionsbildungsmittel und dergleichen, in normalen Mengen zuzufügen, solange die Zugabe die Leistung der Erfindung nicht wesentlich beeinträchtigt.
Die vorangegangene Beschreibung der vorliegenden Endung ist hauptsächlich erläuternd und nicht einschränkend gedacht. Darum sollte der Umfang der vorliegenden Erfindung allein unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche aufgebaut werden.

Claims

Reflektierender Filmkörper zum Reflektieren von Licht in einem gewünschten Teil des Spektrums, umfassend einen mehrschichtigen Stapel M₁ und einen mehrschichtigen Stapel M₂, welche jeweils Reflektionen erster Ordnung in dem gewünschten Teil des Spektrums aufweisen, wobei der mehrschichtige Stapel M₁ eine sich wiederholende optische Einheit R₁ umfasst, wobei der mehrschichtige Stapel M₂ eine sich wiederholende optische Einheit R₂ umfasst, wobei die sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ jeweils mindestens eine erste Polymerschicht und eine zweite Polymerschicht umfassen, wobei die ersten und zweiten Polymerschichten jeweils einen mit ihnen assoziierten Brechungsindex n¹ bzw. n² aufweisen und die Differenz zwischen n¹ und n² mindestens 0,05 beträgt, wobei die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ monoton variiert und die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ im Wesentlichen konstant ist, und wobei die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ gleich der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ ist, oder die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ gleich der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ ist, oder die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ entgegengesetzt zu der monotonen Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ monoton variiert und die minimale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ im Wesentlichen gleich der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ ist, oder die maximale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ im Wesentlichen gleich der maximalen optischen Dicke der optischen, sich wiederholenden Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ ist.
Reflektierender Filmkörper gemäß Anspruch 1, wobei der reflektierende Filmkörper weiterhin einen mehrschichtigen Film M₃ umfasst, welcher eine sich wiederholende optische Einheit R₃ mit einer Reflektion erster Ordnung in dem gewünschten Teil des Spektrums umfasst, wobei die sich wiederholende optische Einheit R₃ mindestens zwei Polymerschichten mit einer Differenz des Brechungsindex von mindestens 0,05 umfasst und die sich wiederholende optische Einheit R₃ eine im Wesentlichen konstante optische Dicke entlang der Dicke des mehrschichtigen Films M₃ aufweist, und wobei die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₃ geringer oder gleich der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ ist, oder wobei die sich wiederholende optische Einheit R₃ entlang der Dicke des mehrschichtigen Films M₃ entgegengesetzt zu der monotonen Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ monoton variiert und die minimale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₃ entlang der Dicke des mehrschichtigen Films M₃ im Wesentlichen gleich der minimalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₁ ist und die maximale optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ größer oder gleich der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ ist, falls die sich wiederholende optische Einheit R₂ eine im Wesentlichen konstante optische Dicke hat, oder wobei die maximale optische Dicke der sich wiederholenden Einheit R₁ im Wesentlichen gleich der maximalen optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ ist, falls die optische Dicke der sich wiederholenden optischen Einheit R₂ entlang der Dicke des mehrschichtigen Stapels M₂ entgegengesetzt zu der monotonen Variation der sich wiederholenden optischen Einheit R₁ entlang des mehrschichtigen Stapels M₁ monoton variiert.
Reflektierender Filmkörper gemäß Anspruch 1, wobei mindestens eine der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ polymere Schichten A, B und C, welche in einer Reihenfolge ABC angeordnet sind, umfasst, wobei die polymeren Schichten A, B und C einen jeweils mit ihnen assoziierten Brechungsindex n^a, n^b bzw. n^c aufweisen, welche voneinander verschieden sind, und wobei der Brechungsindex n^b zwischen den Brechungsindices n^a und n^c liegt.
Reflektierender Filmkörper gemäß Anspruch 3, wobei mindestens eine der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ die polymeren Schichten A, B, und C in einem ABCB-Muster umfasst.
Reflektierender Filmkörper gemäß Anspruch 4, wobei n^b gleich der Quadratwurzel des Produkts von n^a und n^c ist, die polymere Schicht A ein optisches Dickenverhältnis f^a= 1/3 aufweist, die polymere Schicht B ein optisches Dickenverhältnis f^b= 1/6 aufweist und die polymere Schicht C ein optisches Dickenverhältnis f^c = 1/3 aufweist.
Reflektierender Filmkörper gemäß Anspruch 1, wobei mindestens eine der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und R₂ eine polymere Schicht D und eine polymere Schicht E umfasst, wobei die polymere Schicht D einen Brechungsindex n_x ^d entlang einer Achse x in einer Ebene, einen Brechungsindex n_y ^d entlang einer Achse y in einer Ebene und einen Brechungsindex n_z ^d entlang einer zu den in einer Ebene liegenden Achsen x und y senkrechten optischen Achse z aufweist, wobei die polymere Schicht E einen Brechungsindex n_x ^e entlang einer Achse x in einer Ebene, einen Brechungsindex n_y ^e entlang einer Achse y in einer Ebene und einen Brechungsindex n_z ^e entlang einer zu den in einer Ebene liegenden Achsen x und y senkrechten optischen Achse z aufweist, wobei die Differenz zwischen n_z ^d und n_z ^e nicht mehr als 0,03 beträgt und wobei die Differenz zwischen n_x ^d und n_x ^e und/oder die Differenz zwischen n_y ^d und n_y ^e mindestens 0,05 beträgt.
Reflektierender Filmkörper gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der reflektierende Filmkörper im sichtbaren Teil des Spektrums im Wesentlichen transparent und in mindestens einem Teil des infraroten Teils des Spektrums reflektierend ist.
Reflektierender Filmkörper gemäß Anspruch 2, wobei die monotone Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁, R₂ und/oder R₃ unabhängig voneinander im Wesentlichen linear ist oder einem Potenzgesetz folgt.
Reflektierender Filmkörper gemäß den Ansprüchen 1 und 3 bis 7, wobei die monotone Variation der optischen Dicke der sich wiederholenden optischen Einheiten R₁ und/oder R₂ unabhängig voneinander im Wesentlichen linear ist oder einem Potenzgesetz folgt.
Verfahren zum Reflektieren von Licht, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines reflektierenden Filmkörpers gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, – und Reflektieren lassen mindestens eines Teils des einfallenden Lichts von dem reflektierenden Filmkörper.