DE69722186T2

DE69722186T2 - Beleuchtungsvorrichtung mit optischem film

Info

Publication number: DE69722186T2
Application number: DE69722186T
Authority: DE
Inventors: C. Richard ALLEN; J. Timothy NEVITT; A. John WHEATLEY
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2017-03-01
Also published as: EP0883826A1; BR9707763A; EP0883822B1; KR19990087314A; BR9707758A; WO1997032224A1; BR9707791A; KR100409062B1; KR19990087312A; AU1752397A; AU2209797A; CA2246545A1; DE69709546T2; CN1117995C; EP0883823A1; JP2000506994A; KR100455987B1; JP2000506992A; KR100424519B1; WO1997032230A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Beleuchtungsvorrichtungen, die optische Materialien verwenden, die Strukturen enthalten, die zur Steuerung optischer charakteristischer Eigenschaften geeignet sind, wie des Reflexionsvermögens und der Durchlässigkeit. In einem weiteren Aspekt betrifft sie die Steuerung spezifischer Polarisationen von reflektiertem oder durchgelassenen Licht.
Hintergrund
Es sind in der Technik optische Filme bekannt, die aus Einschlüssen aufgebaut sind, die in einer zusammenhängenden Matrix dispergiert sind. Die Eigenschaften dieser Einschlüsse können manipuliert werden, um dem Film einen Bereich von Reflexions- und Durchlaßeigenschaften zu verschaffen. Diese Eigenschaften umfassen die Einschlußgröße bezüglich der Wellenlänge innerhalb des Films, die Einschlußform und – Ausrichtung, den Einschlußvolumenfüllfaktor und den Grad der Brechungsindex-Fehlanpassung mit der zusammenhängenden Matrix längs der drei orthogonale Achsen des Films.
Herkömmliche absorbierende (dichroitische) Polarisatoren weisen als ihre Einschlußphase anorganische stabförmige Ketten aus lichtabsorbierendem Iod auf, die innerhalb einer Polymermatrix ausgerichtet sind. Ein solcher Film wird dazu neigen, Licht zu absorbieren, das polarisiert ist, wobei sein elektrischer Feldvektor parallel zu den stabförmigen Iodket ten ausgerichtet ist, und Licht durchzulassen, das senkrecht zu den Stäben polarisiert ist. Da die Iodketten zwei oder mehr Abmessungen aufweisen, die verglichen mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts klein sind, und da die Anzahl der Ketten pro Kubikwellenlänge des Lichts groß ist, sind die optischen Eigenschaften eines solchen Films überwiegend gerichtet, mit einer sehr kleinen diffusen Durchlässigkeit durch den Film oder diffusen Reflexion von den Filmoberflächen. Wie die meisten anderen kommerziell erhältlichen Polarisatoren, beruhen diese Polarisationsfilme auf polarisationsselektiver Absorption.
Filme, die mit anorganischen Einschlüssen mit anderen Eigenschaften gefüllt sind, können andere optische Durchlässigkeits- und Reflexionseigenschaften liefern. Zum Beispiel sind beschichtete Glimmerflocken mit zwei oder mehreren Abmessungen, die verglichen mit sichtbaren Wellenlängen groß sind, in Polymerfilme und in Anstriche eingebaut worden, um einen metallischen Funkeleffekt zu verleihen. Diese Flocken können so manipuliert werden, daß sie in der Ebene des Films liegen, wodurch sie der Reflexionserscheinung eine starke Richtungsabhängigkeit verleihen. Ein solcher Effekt kann verwendet werden, um Sicherheitsabschirmungen herzustellen, die für bestimmte Betrachtungswinkel hochreflektierend und für andere Betrachtungswinkel durchlässig sind. Große Flocken mit einer Färbung (gerichtete selektive Reflexion), die von der Ausrichtung bezüglich des einfallenden Lichts abhängt, können in einen Film eingebaut werden, um einen Fälschungsbeweis zu liefern. In dieser Anwendung ist es notwendig, daß alle Flocken im Film in bezug zueinander ähnlich ausgerichtet sind.
Jedoch leiden optische Filme, die aus mit anorganischen Einschlüssen gefüllten Polymeren bestehen, an einer Vielfalt von Schwächen. Typischerweise ist die Adhäsion zwischen den anorganischen Teilchen und der Polymermatrix schlecht. Folg lich nehmen die optischen Eigenschaften des Films ab, wenn ein Druck oder Zug quer zur Matrix ausgeübt wird, sowohl weil die Bindung zwischen der Matrix und den Einschlüssen beeinträchtigt wird, als auch weil die steifen anorganischen Einschlüsse zerbrochen werden. Ferner erfordert die Ausrichtung der anorganischen Einschlüsse Verfahrensschritte und Überlegungen, die die Herstellung komplizieren.
Andere Filme, wie jener, der in US 4,688,900 (Doane u.a.) offenbart wird, besteht aus einer klaren lichtdurchlässigen zusammenhängenden Polymermatrix, mit darin dispergierten Tröpfchen von lichtmodulierenden Flüssigkristallen. Eine Dehnung des Materialien führt wie verlautet zu einer Verzerrung des Flüssigkristall-Tröpfchens von einer kugelförmigen zu einer ellipsoidischen Form, wobei die lange Achse des Ellipsoids parallel zur Dehnungsrichtung verläuft. US 5,301,041 (Konuma u.a.) machen eine ähnliche Offenbarung, erreichen jedoch die Verzerrung des Flüssigkristall-Tröpfchens durch das Anwenden von Druck. A. Aphonin, „Optical Properties of Stretched Polymer Dispersed Liquid Crystal Films: Angle-Dependent Polarized Light Scattering", Liquid Crystals, B. 19, Nr. 4, 469–480 (1995), erläutert die optischen Eigenschaften gedehnter Filme, die aus Flüssigkristall-Tröpfchen bestehen, die in einer Polymermatrix angeordnet sind. Er berichtet, daß die Längung der Tröpfchen in eine ellipsoidische Form, wobei ihre langen Achsen parallel zur Dehnungsrichtung verlaufen, den Tröpfchen eine orientierte Doppelbrechung (Brechungsindex-Unterschied zwischen den Dimensionsachsen der Tröpfchen) verleiht, die zu einer relativen Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen den dispergierten und zusammenhängenden Phasen längs bestimmter Filmachsen und einer relativen Indexanpassung längs der anderen Filmachsen führt. Solche Flüssigkristall-Tröpfchen sind verglichen mit sichtbaren Wellenlängen im Film nicht klein, und folglich weisen die optischen Eigenschaften solcher Filme eine wesentliche diffuse Komponente zu ihren Reflexions- und Durchlaßeigenschaften auf. Aphonin schlägt die Verwendung dieser Materialien als einen polarisierenden Diffusor für von hinten erleuchtete verdrillte nematische LCDs vor. Jedoch sind optische Filme, die Flüssigkristalle als die dispergierte Phase einsetzen, im Grad der Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen der Matrixphase und der dispergierten Phase im wesentlichen begrenzt. Ferner ist die Doppelbrechung der Flüssigkristall-Komponente solcher Filme typischerweise temperaturempfindlich.
US 5,268,225 (Isayev) offenbart ein Kompositlaminat, das aus innigen thermotropischen Flüssigkristallpolymer-Gemischen besteht. Das innige Gemisch besteht aus zwei Flüssigkristallpolymeren, die miteinander unvermischbar sind. Die innigen Gemische können zu einem Film gegossen werden, der aus einer dispergierten Einschlußphase und einer zusammenhängenden Phase besteht. Wenn der Film gedehnt wird, bildet die dispergierte Phase eine Reihe von Fasern, deren Achsen in die Dehnungsrichtung ausgerichtet sind. Während der Film so beschrieben wird, daß er verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist, werden die optischen Eigenschaften des Films nicht erwähnt. Jedoch würden infolge ihrer Flüssigkristallbeschaffenheit Filme dieser Art an den Schwächen der andern Flüssigkristall-Materialien leiden, die oben erläutert werden.
Bei noch anderen Filmen ist dafür gesorgt worden, daß sie durch die Anwendung elektrischer oder magnetischer Felder wünschenswerte optische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel beschreibt US 5,008,807 (Waters u.a.) eine Flüssigkristall-Vorrichtung, die aus einer Schicht aus Fasern besteht, die mit einem Flüssigkristallmaterial durchzogen ist und zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Eine Spannung über die Elektroden erzeugt ein elektrisches Feld, das die doppelbrechenden Eigenschaften des Flüssigkristallmaterials ändert, was zu mehreren Fehlanpassungsgraden zwischen den Brechungsindizes der Fasern und des Flüssigkristalls führt. Jedoch ist die Notwendigkeit eines elektrischen oder magnetischen Feldes in vielen Anwendungen unbequem und unerwünscht, insbesonderen in denen, wo vorhandene Felder ein Störung erzeugen könnten.
Andere optische Filme sind durch Einbauen einer Dispersion von Einschlüssen eines ersten Polymers in ein zweites Polymer und darauffolgende Dehnung des sich ergebenden Komposits in eine oder zwei Richtungen hergestellt worden. US 4,871,784 (Otonari u.a.) ist für diese Technologie exemplarisch. Die Polymere werden so ausgewählt, daß es eine niedrige Adhäsion zwischen der dispergierten Phase und dem umgebenden Matrixpolymer gibt, so daß ein elliptischer Hohlraum um jeden Einschluß gebildet wird, wenn der Film gedehnt wird. Solche Hohlräume weisen Abmessungen in der Größenordnung sichtbarer Wellenlängen auf. Die Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen dem Hohlraum und dem Polymer in diesen „Mikrohohlraum"-Filmen ist typischerweise sehr groß (etwa 0,5), was eine wesentliche diffuse Reflexion bewirkt. Jedoch sind die optischen Eigenschaften von Mikrohohlraum-Materialien aufgrund von Variationen der Geometrie der Grenzflächen schwierig zu steuern, und es ist nicht möglich, eine Filmachse herzustellen, für die Brechungsindizes verhältnismäßig abgestimmt sind, wie es für polarisationsempfindliche optische Eigenschaften nützlich wäre. Ferner können die Hohlräume in einem solchen Material leicht zusammengedrückt werden, indem es Wärme und Druck ausgesetzt wird.
Es sind auch optische Filme hergestellt worden, wobei eine dispergierte Phase deterministisch in einem geordneten Muster innerhalb einer zusammenhängenden Matrix angeordnet wird. US 5,217,794 (Schrenk) ist für diese Technologie exemplarisch. Dort wird ein lamellenförmiger Polymerfilm offenbart, der aus verglichen mit der Wellenlänge auf zwei Achsen großen Polymereinschlüsse besteht, die in einer zusammenhängenden Matrix eines anderen Polymermaterial angeordnet sind. Der Brechungsindex der dispergierten Phase unterscheidet sich längs einer oder mehrerer der Achsen des Laminats bedeutend von jener der zusammenhängenden Phase und ist längs einer anderen verhältnismäßig gut angepaßt. Aufgrund der Anordnung der dispergierten Phase, zeigen Filme dieser Art für Fälle, in denen sie im wesentlichen reflektierend sind, ein starkes Schillern (d. h. eine auf Interferenz beruhende winkelabhängige Färbung). Als Ergebnis haben solche Filme eine eingeschränkte Verwendung für optische Anwendungen gefunden, wo eine optische Streuung wünschenswert ist.
Es bleibt folglich ein Bedarf in der Technik nach einem optischen Material, das aus einer zusammenhängenden und einer dispergierten Phase besteht, wobei die Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen den beiden Phasen längs der drei Dimensionsachsen des Materials bequem und dauerhaft manipuliert werden kann, um wünschenswerte Grade diffuser und gerichteter Reflexion und Durchlässigkeit zu erzielen, wobei das optische Material bezüglich Druck, Zug, Temperaturunterschieden und elektrischen und magnetischen Feldern stabil ist, und wobei das optische Material ein unbedeutendes Niveau an Schillern aufweist. Diese und andere Bedürfnisse werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, wie sie im folgenden offenbart wird und wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 1, 20 und 23 definiert und ferner in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert wird.
In WO 97/41484 als dem naheliegendsten Dokument des Stands der Technik, das am 6.11.1997 veröffentlicht wurde und das Prioritätsdatum 26.4.1996 beansprucht, wird eine Flachbildanzeige offenbart, die ein Polarisationselement, ein Depolarisationselement, eine Lichtquelle und einen Reflektor aufweist. Das Polarisationselement liegt in der Form einer Schicht vor, die eine isotrope zusammenhängende Phase und eine anisotrope dispergierte Phase aufweist, wobei das isotrope Material einen Brechungsindex ni aufweist und das anisotrope Material Brechungsindizes na,e und na,o aufweist. Der Brechungsindex ni ist im wesentlichen gleich na,e oder na,o.
In US-A-2 604 817 wird eine Lichtpolarisationsplatte offenbart, die aus orientierten Fasern eines transparenten Polymermaterials besteht, das eine Doppelbrechung von mindestens 0,05 aufweist, das in einem transparenten isotropen Material eingebettet ist. Das isotrope Material weist einen Brechungsindex auf, der im wesentlichen identisch mit dem Brechungsindex für den ordentlichen Strahl der doppelbrechenden Fasern ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung, die einen optischen Körper darstellt, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die dispergierte Phase als eine Reihe von länglichen Massen mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt angeordnet ist;
2 ist eine schematische Zeichnung, die einen optischen Körper darstellt, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei, die dispergierte Phase als eine Reihe von länglichen Massen mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt angeordnet ist;
3a-e sind schematische Zeichnungen, die verschiedene Formen der dispergierten Phase in einem optischen Körper darstellen, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4a ist eine graphische Darstellung der bidirektionalen Streuverteilung als eine Funktion des Streuwinkels für einen für die Erfindung geeigneten orientierten Film für Licht, das senkrecht zur Orientierungsrichtung polarisiert ist;
4b ist eine graphische Darstellung der bidirektionalen Streuverteilung als eine Funktion des Streuwinkels für einen für die Erfindung geeigneten orientierten Film für Licht, das parallel zur Orientierungsrichtung polarisiert ist; und
5 ist eine schematische Darstellung eines Mehrschichtfilms, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
6a und 6b sind Elektronenmikroskopbilder von optischen Filmen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
7 ist ein senkrechtes Durchlässigkeitsspektrum für Filme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
8 ist ein schematisches Diagramm, das die Verwendung der für die Erfindung geeigneten Filme als hocheffiziente Lichtauskoppler für optische Fasern veranschaulicht; und
9A und 9B sind graphische Darstellungen, die den relativen Gewinn als eine Funktion des Winkels für die Filme für die vorliegenden Erfindung bzw. für einen kommerziell erhältlichen optischen Film zeigen.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt beschreibt die vorliegende Erfindung einen diffus reflektierenden Film oder anderen optischen Körper, der eine doppelbrechende zusammenhängende Polymerphase und eine im wesentlichen nicht-doppelbrechende dispergierte Phase aufweist, die in der zusammenhängenden Phase angeordnet ist. Die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen sind längs einer ersten von drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen fehlangepaßt (d. h. unterscheiden sich voneinander um mehr als 0,05) und sind längs einer zweiten der drei gegenseitig orthogonalen Achsen, im wesentlichen angepaßt (d. h. unterscheiden sich um weniger als etwa 0,05). In einigen Ausführungsformen können die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs oder parallel zu einer dritten der drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen angepaßt oder fehlangepaßt sein, um einen Spiegel oder einen Polarisator herzustellen. Einfallendes Licht, das längs oder parallel zu einer fehlangepaßten Achse polarisiert ist, wird gestreut, was zu einer im wesentlichen diffusen Reflexion führt. Einfallendes Licht, das längs einer angepaßten Achse polarisiert ist, wird in einem sehr viel kleineren Grad gestreut und wird im wesentlichen spektral durchgelassen. Diese Eigenschaften können verwendet werden, optische Filme für eine Vielfalt von Anwendungen herzustellen, einschließlich verlustarmer (im wesentlichen nicht absorbierender) reflektierender Polarisatoren, für die Polarisationen von Licht, die im wesentlichen nicht durchgelassen werden, diffus reflektiert werden.
In einem verwandten Aspekt beschreibt die vorliegende Erfindung einen optischen Film oder anderen optischen Körper, der eine doppelbrechende zusammenhängende Phase und eine dispergierte Phase aufweist, wobei die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs einer Achse senkrecht zu einer Oberfläche des optischen Körpers im wesentlichen angepaßt sind (d. h. wobei der Indexunterschied, zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen kleiner als etwa 0,05 ist).
In einem weiteren Aspekt verwendet die vorliegende Erfindung einen zusammengesetzten optischen Körper, der eine zusammenhängende doppelbrechende erste Polymerphase aufweist, in der die dispergierte zweite Phase doppelbrechend sein kann, in dem jedoch der Grad der Anpassung und Fehlanpassung in mindestens zwei orthogonale Richtungen primär auf die Doppelbrechung der ersten Phase zurückzuführen ist.
In noch einem weiteren Aspekt beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erhalten eines diffus reflektierenden Polarisators, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten Harzes, dessen Grad der Doppelbrechung durch das Anlegen eines Kraftfeldes geändert werden kann, wie durch eine dimensionale Orientierung oder ein angelegtes elektrisch Feld, so daß das sich ergebende Harzmaterial für mindestens zwei orthogonale Richtungen einen Brechungsindexunterschied von mehr als etwa 0,05 aufweist; Bereitstellen eines zweiten Harzes, das im ersten Harz dispergiert ist; und Anlegen des Kraftfeldes an das Komposit beider Harze, so daß die Indizes der beiden Harze annährend innerhalb weniger als etwa 0,05 in eine der beiden Richtungen angepaßt sind, und der Indexunterschied zwischen den ersten und zweiten Harzen in die andere der beiden Richtungen größer als etwa 0,05 ist. In einer damit zusammenhängenden Ausführungsform wird das zweite Harz im ersten Harz nach der Auferlegung des Kraftfeldes und einer anschließenden Änderung der Doppelbrechung des ersten Harzes dispergiert.
In noch einem weiteren Aspekt verwendet die vorliegende Erfindung einen optischen Körper, der als ein reflektierender Polarisator mit einem hohen Extinktionsverhältnis wirkt. In diesem Aspekt wird der Indexunterschied in die Anpassungsrichtung so klein wie möglich gewählt und der Unterschied in die Fehlanpassungsrichtung wird maximiert. Der Volumenbruchteil, die Dicke und Teilchengröße und -Form der dispergierten Phase kann gewählt werden, um das Extinktionsverhältnis zu maximieren, obwohl die relative Wichtigkeit der optischen Durchlässigkeit und Reflexion für die unterschiedlichen Polarisationen für unterschiedliche Anwendung variieren kann.
In einem weiteren Aspekt verwendet die vorliegende Erfindung einen optischen Körper, der eine zusammenhängende Phase, eine dispergierte Phase, deren Brechungsindex sich von der zusammenhängenden Phase längs einer ersten Achse um mehr als etwa 0, 05 und längs einer zweiten, zur ersten Achse orthogonalen Achse um weniger als etwa 0,05 unterscheidet, und einen dichroitischen Farbstoff aufweist. Der optische Körper ist vorzugsweise längs mindestens einer Achse orientiert. Der dichroitische Farbstoff verbessert den Extinktionskoeffizienten des optischen Körpers, indem er zusätzlich zur Streuung Licht absorbiert, das parallel zur Orientierungsachse polarisiert ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Körper verwendet, der mindestens erste und zweite Phasen aufweist, die längs mindestens einer Achse cozusammenhängend sind. Der Brechungsindex der ersten Phase unterscheidet sich von jenem der zweiten Phase längs einer ersten Achse um mehr als etwa 0,05 und längs einer zweiten Achse orthogonal zur ersten Achse um weniger als etwa 0,05. In anderen Ausführungsformen können drei oder mehr co-zusammenhängende Phasen verwendet werden, um dieselben oder ähnliche Anpassungen und Fehlanpassungen längs gegenseitig senkrechten Achsen zu erzielen.
In noch einem weiterem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Körper verwendet, der einen Film, der eine zusammenhängende und dispergierte Phase aufweist, mit einer darauf angeordneten reflexmindernden Schicht aufweist. Solche Filme zeigen eine flache Durchlässigkeitskurve als eine Funktion der Lichtwellenlänge, die dazu beiträgt, irgendwelche Farbänderungen an einer sich ergebenden Anzeigevorrichtung zu minimieren, in der der reflektierende Polarisator eingebaut wird.
In den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung werden die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften für mindestens zwei orthogonale Polarisationen des einfallenden Lichts durch die Auswahl oder Manipulation von verschiedenen Parametern festgelegt, die die optischen Indizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen, die Größe und Form der Teilchen der dispergierten Phase, den Volumenbruchteil der dispergierten Phase, die Dicke des optischen Körpers, durch die ein gewisser Bruchteil des einfallenden Lichtes gehen soll, und die Wellenlänge oder das Wellenlängenband der interessierenden elektromagnetischen Strahlung umfassen.
Die Größe der Indexanpassung oder -Fehlanpassung längs einer besonderen Achse wird den Grad der Streuung des längs dieser Achse polarisierten Lichtes direkt beeinflussen. Im allgemeinen variiert das Streuungsvermögen wie das Quadrat der Indexfehlanpassung. Je größer die Indexfehlanpassung längs einer besonderen Achse, je stärker ist folglich die Streuung des Lichtes, das längs dieser Achse polarisiert ist. Wenn umgekehrt die Fehlanpassung längs einer besonderen Achse klein ist, wird Licht, das längs dieser Achse polarisiert ist, in einem geringeren Ausmaß gestreut und wird dadurch gerichtet durch das Volumen des Körpers durchgelassen.
Die Größe der dispergierten Phase kann ebenfalls eine wesentliche Auswirkung auf die Streuung haben. Wenn die Teilchen der dispergierten Phase zu klein sind (d. h. weniger als etwa 1/30 der Wellenlänge des Lichtes im interessierenden Medium) und wenn es viele Teilchen pro Kubikwellenlänge gibt, verhält sich der optische Körper als Medium mit einem effektiven Brechungsindex, der ein wenig zwischen den Indizes der beiden Phasen längs irgendeiner gegebenen Achse. liegt. In einem solchen Fall wird sehr wenig Licht gestreut. Wenn die Teilchen zu groß sind, wird das Licht gerichtet von der Teilchenoberfläche mit einer sehr geringen Streuung in andere Richtungen reflektiert. Wenn die Teilchen in mindestens zwei orthogonale Richtungen zu groß sind, können auch unerwünschte Schillereffekte auftreten. Es können auch praktische Grenzen erreicht werden, wenn Teilchen dadurch groß werden, daß die Dicke des optischen Körpers größer wird und erwünschte mechanische Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Die Form der Teilchen der dispergierten Phase können auch einen Effekt auf die Streuung von Licht haben. Die Depolarisationsfaktoren der Teilchen für das elektrische Feld in die Brechungsindex-Anpassungs- und Fehlanpassungsrichtungen können den Betrag der Streuung in eine gegebene Richtung reduzieren oder vergrößern. Der Effekt kann sich entweder zum Betrag der Streuung von der Indexfehlanpassung addieren oder ihn schmälern, hat aber im allgemeinen einen kleinen Einfluß auf die Streuung im bevorzugten Bereich der Eigenschaften in der vorliegenden Erfindung.
Die Form der Teilchen kann ebenfalls den Grad der Streuung des Lichtes beeinflussen, das von den Teilchen gestreut wird. Dieser Formeffekt ist im allgemeinen klein, nimmt jedoch zu, wenn das Seitenverhältnis des geometrischen Querschnitts des Teilchens in der Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes zunimmt und wenn die Teilchen verhältnismäßig größer werden. Im allgemeinen sollten im Betrieb dieser Erfindung die Teilchen der dispergierten Phase kleiner als einige Wellenlängen des Lichtes in eine oder zwei gegenseitig orthogonale Dimensionen sein, wenn eher eine diffuse als eine gerichtete Reflexion bevorzugt wird.
Es wird auch gefunden, das die dimensionale Ausrichtung einen Effekt auf das Streuungsverhalten der dispergierten Phase hat. Insbesondere ist in optischen Körpern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, beobachtet worden, daß ausgerichtete Streuer Licht nicht symmetrisch um die Richtungen der gerichteten Durchlässigkeit oder Reflexion streuen werden, wie es zufällig ausgerichtete Streuer würden. Insbesondere streuen Einschlüsse, die durch Orientierung verlängert worden sind, um Stäben zu ähneln, Licht primär längs (oder nahe) einem Kegel, der an der Orientierungsrichtung zentriert ist und eine Kante längs der gerichteten Durchlaßrichtung aufweist. Zum Beispiel erscheint für Licht, das auf einem solchen länglichen Stab in einer Richtung senkrecht zur Orientierungsrichtung einfällt, das gestreute Licht als ein Lichtband in der Ebene senkrecht. zur Orientierungsrichtung mit einer Intensität, die mit zunehmendem Winkel von den gerichteten Richtungen weg abnimmt. Indem die Geometrie der Einschlüsse zugeschnitten wird, kann eine gewissen Kontrolle über die Verteilung des gestreuten Lichts sowohl in der Durchlaßhalbkugel als auch in der Reflexionshalbkugel erzielt werden.
Der Volumenbruchteil der dispergierten Phase beeinflußt ebenfalls die Streuung des Lichtes in den optischen Körpern, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind. Innerhalb bestimmter Grenzen trägt eine Erhöhung des Volumenbruchteils der dispergierten Phase dazu bei, den Betrag der Streuung, den ein Lichtstrahl erfährt, nachdem er in den Körper eingetreten ist, sowohl für die Anpassungs- als auch Fehlanpassungsrichtungen des polarisierten Lichtes zu erhöhen. Dieser Faktor ist zur Steuerung der Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften für eine gegebene Anwendung wichtig. Wenn jedoch der Volumenbruchteil der dispergierten Phase zu groß wird, vermindert sich die Lichtstreuung. Ohne daß man sich wünscht, durch eine Theorie gebunden zu sein, scheint dies auf die Tatsache zurückzuführen zu sein, daß die Teilchen der dispergierten Phase bezüglich der Wellenlänge des Lichtes näher beieinander sind, so daß die Teilchen dazu tendieren, zusammen als eine kleinere Anzahl von großen wirksamen Teilchen zu wirken.
Die Dicke des optischen Körpers ist ebenfalls ein wichtiger Steuerparameter, der manipuliert werden kann, um die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften in der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen. Wenn die Dicke des optischen Körpers zunimmt, nimmt auch die diffuse Reflexion zu, und die Durchlässigkeit, sowohl die gerichtete als auch die diffuse, nimmt ab.
Während die vorliegende Erfindung hierin häufig unter Bezugnahme auf den sichtbaren Bereich des Spektrums beschrieben wird, können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um bei anderen Wellenlängen (und folglich Frequenzen) der elektromagnetischen Strahlung wirksam zu sein, indem die Komponenten des optischen Körpers geeignet skaliert. werden. Wenn folglich die Wellenlänge zunimmt, wird auch die lineare Größe der Komponenten des optischen Körpers erhöht, so daß die Abmessungen, gemessen in Einheiten der Wellenlänge, annährend konstant bleiben. Ein weiterer größerer Effekt einer Änderung der Wellenlänge ist es, daß sich für die meisten interessierenden Materialien der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient ändert. Jedoch treffen die Prinzipien der Indexanpassung und Fehlanpassung immer noch bei jeder interessierenden Wellenlänge zu.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Einleitung
Wie sie hierin verwendet werden, beziehen sich die Ausdrücke „gerichtete Reflexion" und „gerichtetes Reflexionsvermögen" auf das Reflexionsvermögen von Lichtstrahlen in einem Austrittskegel mit einem Spitzenwinkel von 16 Grad, der um den gerichteten Winkel zentriert ist. Die Ausdrücke „diffuse Reflexion" oder „diffuses Reflexionsvermögen" beziehen sich auf die Reflexion von Strahlen, die sich außerhalb des oben definierten gerichteten Kegels befinden. Die Ausdrücke „Ge samtreflexionsvermögen" oder „Gesamtreflexion" beziehen sich auf das kombinierte Reflexionsvermögen des gesamten Lichts von einer Oberfläche. Folglich ist die Gesamtreflexion die Summe der gerichteten und diffusen Reflexion.
Entsprechend werden die Ausdrücke „gerichtete Durchlässigkeit" und „gerichteter Durchlaßgrad" hierin in Bezug auf die Durchlässigkeit von Strahlen in einem Austrittskegel mit einem Spitzenwinkel von 16 Grad verwendet, der um die gerichtete Richtung zentriert ist. Die Ausdrücke „diffuse Durchlässigkeit" und „diffuser Durchlaßgrad" werden hierin in Bezug auf die Durchlässigkeit aller Strahlen verwendet, die sich außerhalb des oben definierten gerichteten Kegels befinden. Die Ausdrücke „Gesamtdurchlässigkeit" oder „Gesamtdurchlaßgrad" beziehen sich auf die kombinierte Durchlässigkeit des gesamten Lichts durch einen optischen Körper. Folglich ist die Gesamtdurchlässigkeit die Summe der gerichteten und diffusen Durchlässigkeit.
Wie er hierin verwendet wird, ist der Ausdruck „Extinktionsverhältnis" so definiert, daß er das Verhältnis des gesamten Lichts, das in einer Polarisation durchgelassen wird, zum Licht, das in eine orthogonale Polarisation durchgelassen wird, bedeutet.
Die 1-2 stellen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Erfindungsgemäß wird ein diffus reflektierender optischer Film 10 oder anderer optischer Körper hergestellt, der aus einer doppelbrechenden Matrix oder. zusammenhängenden Phase 12 und einer unterbrochenen oder dispergierten Phase 14 besteht. Die Doppelbrechung der zusammenhängenden Phase beträgt typischerweise mindestens etwa 0,05, vorzugsweise mindestens etwa 0,1, bevorzugter mindestens etwa 0,15 und am bevorzugtesten mindestens etwa 0,2.
Die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen sind längs einer ersten von drei gegenseitig orthogo nalen Achsen im wesentlichen angepaßt (d. h. unterscheiden sich um weniger als etwa 0,05), und sind längs einer zweiten von drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen fehlangepaßt (d. h. unterscheiden sich um mehr als etwa 0,05). Vorzugsweise unterscheiden sich die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen in die Anpassungsrichtung um weniger als etwa 0,03, bevorzugter um weniger als etwa 0,02 und am bevorzugtesten um weniger als etwa 0,01. Die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen unterscheiden sich vorzugsweise in die Fehlanpassungsrichtung um mindestens etwa 0,07, bevorzugter um mindestens etwa 0,1 und am bevorzugtesten um mindestens etwa 0,2.
Die Fehlanpassung der Brechungsindizes längs einer besonderen Achse hat den Effekt, daß einfallendes Licht, das längs dieser Achse polarisiert ist, im wesentlichen gestreut werden wird, was zu einem wesentlichen Reflexionsbetrag führt. Im Gegensatz dazu, wird einfallendes Licht, das längs einer Achse polarisiert ist, in der die Brechungsindizes angepaßt sind, mit einem sehr viel kleineren Grad an Streuung spektral durchgelassen oder reflektiert werden. Dieser Effekt kann genutzt werden, um eine Vielfalt von optischen Vorrichtungen herzustellen, einschließlich reflektierende Polarisatoren und Spiegel.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen praktischen und einfachen optischen Körper und ein Verfahren zur Herstellung eines reflektierenden Polarisators, und verwendet auch eine Einrichtung, um einen kontinuierlichen Bereich von optischen Eigenschaften gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien zu erhalten. Es können auch sehr effiziente verlustarme Polarisatoren mit hohen Extinktionsverhältnissen erhalten werden. Andere Vorteile sind ein weiter Bereich von praktischen Materialien für die dispergierte Phase und die zusammenhängende Phase, und ein hoher Grad an Steuerung bei der Bereitstellung optischer Körpern mit einer beständigen und vorhersagbaren hohen Qualitätsleistung.
Effekt der Indexanpassung/Fehlanpassung
In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Materialien mindestens einer der zusammenhängenden und dispergierten Phasen aus einem Typ, der eine Änderung des Brechungsindex bei der Orientierung durchmacht. Folglich werden, wenn der Film in eine oder mehrere Richtungen orientiert wird, Brechungsindex-Anpassungen oder -Fehlanpassungen längs einer oder mehrerer Achsen erzeugt. Durch sorgfältige Manipulation der Orientierungsparameter und anderer Verarbeitungsbedingungen, kann die positive oder negative Doppelbrechung der Matrix verwendet werden, eine diffuse Reflexion oder Durchlässigkeit einer oder beider Polarisationen des Lichts längs einer gegebenen Achse zu induzieren. Das relative Verhältnis zwischen Durchlässigkeit und diffuser Reflexion hängt von der Konzentration der Einschlüsse der dispergierten Phase, der Dicke des Films, dem Quadrat der Differenz des Brechungsindex zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen, der Größe und Geometrie der Einschlüsse der dispergierten Phase und der Wellenlänge oder dem Wellenlängenband der einfallenden Strahlung ab.
Die Größe der Indexanpassung oder Fehlanpassung längs einer besonderen Achse beeinflußt den Grad der Streuung des längs dieser Achse polarisierten Lichtes direkt. Im allgemeinen variiert das Streuungsvermögen wie das Quadrat der Indexfehlanpassung. Je größer die Indexfehlanpassung längs einer besonderen Achse, je stärker ist folglich die. Streuung des Lichtes, das längs dieser Achse polarisiert ist. Wenn umgekehrt die Fehlanpassung längs einer besonderen Achse klein ist, wird Licht, das längs dieser Achse polarisiert ist, in einem geringeren Ausmaß gestreut und wird dadurch gerichtet durch das Volumen des Körpers durchgelassen.
Die 4a-b. demonstrieren diesen Effekt in orientierten Filmen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dort wird eine typische Messung einer bidirektionalen Streuverteilungsfunktion (BSDF) für normal einfallendes Licht bei. 632,8 nm gezeigt. Die BSDF wird in J. Stover, „Optical Scattering Measurement and Analysis" (1990) beschrieben. Die BSDF wird als eine Funktion des Streuwinkels für Polarisationen von Licht sowohl senkrecht als auch parallel zur Achse der Orientierung gezeigt. Ein Streuwinkel von Null entspricht ungestreutem (spektral durchgelassenem) Licht. Für Licht, das in die Indexanpassungsrichtung (das heißt senkrecht zur Orientierungsrichtung) wie in 4a polarisiert ist, gibt es eine wesentliche gerichtete durchgelassene Spitze mit einer ziemlich großen (engl. sizable) Komponente diffus durchgelassen Lichts (Streuwinkel zwischen 8 und 80 Grad), und eine kleine Komponente diffus reflektierten Lichts (Streuwinkel größer als 100 Grad). Für Licht, das in die Indexfehlanpassungsrichtung polarisiert ist (das heißt parallel zur Orientierungsrichtung), wie in 4b, gibt es geringfügig gerichtet durchgelassenes Licht und eine beträchtlich reduzierte Komponente von diffus durchgelassenen Licht, und eine ziemlich große diffus reflektierte Komponente. Es sollte beachtet werden, daß die Ebene der Streuung, die durch diese graphischen Darstellungen gezeigt wird, die Ebene senkrecht, zur Orientierungsrichtung ist, wo wegen der länglichen Einschlüsse der größte Teil des gestreuten Lichts vorhanden ist. Beiträge gestreuten Lichts außerhalb dieser Ebene werden beträchtlich reduziert.
Wenn der Brechungsindex der Einschlüsse (d. h. der dispergierten Phase) mit jenem des zusammenhängenden Wirtsmediums längs einer gewissen Achse übereinstimmt, dann wird einfallendes Licht, das mit elektrischen Feldern parallel zu dieser Achse polarisiert ist, ungestreut hindurch gehen, unabhängig von der Größe, Form und Dichte der Einschlüsse. Wenn die Indizes längs einer gewissen Achse nicht angepaßt sind, dann werden die Einschlüsse Licht streuen, das längs dieser Achse polarisiert ist. Für Streuer einer gegebenen Querschnittsfläche mit Abmessungen, die größer als annährend λ/30 sind (wobei λ die Wellenlänge des Lichts in den Medien ist), wird die Stärke der Streuung größtenteils durch die Indexfehlanpassung bestimmt. Die genaue Größe, Form und Ausrichtung eines fehlangepaßten Einschlusses spielt eine Rolle bei der Bestimmung, wie viel Licht in die verschiedenen Richtungen von jenem Einschluß gestreut werden wird. Wenn die Dichte und Dicke der streuenden Schicht gemäß einer Mehrfachstreutheorie ausreichend ist, wird einfallendes Licht entweder reflektiert oder absorbiert, jedoch nicht durchgelassen, unabhängig von den Details der Streuergröße und -Form.
Wenn das Material als ein Polarisator verwendet werden soll, wird es vorzugsweise bearbeitet, wie durch Dehnung und indem eine gewisse dimensionale Relaxation in die quer zur Dehnung in der gleichen Ebene verlaufenden Richtung zugelassen wird, so daß der Brechungsindexunterschied zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs einer ersten Achse in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Materials groß ist und, längs der anderen beiden orthogonalen Achsen klein ist. Dies führt zu einer großen optischen Anisotropie für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Polarisationen.
Einige der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Polarisatoren sind elliptische Polarisatoren. Im allgemeinen werden elliptische Polarisatoren sowohl für die Dehnungs- als auch für die quer zur Dehnung verlaufenden Richtungen einen Unterschied im Brechungsindex zwischen der dispergierten Pha se und der zusammenhängenden Phase aufweisen. Das Verhältnis der Vorwärts- zur Rückwärtsstreuung hängt vom Unterschied des Brechungsindex zwischen den dispergierten und zusammenhängenden Phasen, der Konzentration der dispergierten Phase, der Größe und Form der dispergierten Phase und der Gesamtdicke des Films ab. Im allgemeinen weisen elliptische Diffusoren zwischen den Teilchen der dispergierten und zusammenhängenden Phasen einen verhältnismäßig kleinen Unterschied im Brechungsindex. Indem ein doppelbrechender auf Polymeren beruhender Diffusor verwendet wird, kann eine hohe elliptische Polarisationsempfindlichkeit (d. h. ein diffuses Reflexionsvermögen, das von der Polarisation des Lichts abhängt) erzielt werden. Im äußersten Fall, wo der Brechungsindex der Polymere auf einer Achse übereinstimmt, wird der elliptische Polarisator ein diffus reflektierender Polarisator sein.
Verfahren zum Erhalten einer Indexanpassung/Fehlanpassung Die Materialien, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Polarisator ausgewählt werden, und der Grad der Orientierung dieser Materialien werden vorzugsweise so gewählt, daß die Phasen im fertiggestellten Polarisator mindestens eine Achse aufweisen, für die die zugehörigen Brechungsindizes im wesentlichen gleich sind. Die Anpassung der Brechungsindizes, die mit dieser Achse verbunden sind, die typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise eine Achse quer zur Richtung der Orientierung ist, führt zu im wesentlichen keiner Reflexion von Licht in dieser Ebene der Polarisation.
Die dispergierte Phase kann nach einer Dehnung auch eine Abnahme des Brechungsindex aufweisen, der mit der Richtung der Orientierung verbunden ist. Wenn die Doppelbrechung des Wirtes positiv ist, weist eine durch einen negativen Zug induzierte Doppelbrechung der dispergierten Phase den Vorteil auf, den Unterschied zwischen den Brechungsindizes der aneinanderstoßenden Phasen zu erhöhen, die mit der Orientierungsachse verbunden sind, während die Reflexion des Lichts, dessen Ebene der Polarisation senkrecht zur Orientierungsrichtung ist, noch geringfügig ist. Die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes aneinanderstoßender Phasen in die Richtung orthogonal zur Orientierungsrichtung sollten nach der Orientierung kleiner als etwa 0,05. sein, und vorzugsweise kleiner als etwa 0,02 sein.
Die dispergierte Phase kann auch eine positive zuginduzierte Doppelbrechung aufweisen. Jedoch kann dies mittels einer Wärmebehandlung geändert werden, um den Brechungsindex der Achse senkrecht zur Orientierungsrichtung der zusammenhängenden Phase anzupassen. Die Temperatur der Wärmebehandlung sollte nicht so hoch sein, daß die Doppelbrechung in der zusammenhängenden Phase relaxiert wird.
Größe der dispergierten Phase
Die Größe der dispergierte Phase kann ebenfalls einen wesentlichen Effekt auf die Streuung haben. Wenn die Teilchen der dispergierten Phase zu klein sind (d. h. weniger als etwa 1/30 der Lichtwellenlänge im interessierenden Medium) und wenn es viele Teilchen pro Kubikwellenlänge gibt, verhält sich der optische Körper als ein Medium mit einem effektiven Brechungsindex, der ein wenig zwischen den Indizes der beiden Phasen längs irgendeiner gegebenen Achse liegt. In einem solchen Fall wird sehr wenig Licht gestreut. Wenn die Teilchen zu groß sind, wird das Licht gerichtet von der Teilchenoberfläche mit einer sehr geringen Streuung in andere Richtungen reflektiert. Wenn die Teilchen in mindestens zwei orthogonale Richtungen zu groß sind, können auch unerwünschte Schillereffekte auftreten. Es können auch praktische Grenzen erreicht werden, wenn Teilchen dadurch groß werden, daß die Dicke des optischen Körpers größer wird und erwünschte mechanische Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Die Abmessungen der Teilchen der dispergierten Phase nach Ausrichtung können abhängig von der gewünschten Verwendung des optischen Materials variieren. So können zum Beispiel die Abmessungen der Teilchen abhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung variieren, die bei einer besonderen Anwendung von Interesse ist, wobei unterschiedliche Abmessungen zur Reflexion oder Durchlassen von sichtbarer, ultravioletter, infraroter und Mikrowellenstrahlung erforderlich sind. Im allgemeinen sollte jedoch die Länge der Teilchen so beschaffen sein, daß sie annährend größer als die Wellenlänge der interessierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium geteilt durch 30 ist.
Vorzugsweise werden in Anwendungen, wo der optische Körper als ein verlustarmer reflektierender Polarisator verwendet werden soll, die Teilchen eine Länge aufweisen, die größer als etwa. das Zweifache der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den interessierenden Wellenlängenbereich und vorzugsweise mehr als das Vierfache der Wellenlänge ist. Der mittlere Durchmesser der Teilchen ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den interessierenden Wellenlängenbereich, und vorzugsweise kleiner als. 0,5 der gewünschten Wellenlänge. Während die Abmessungen der dispergierten Phase in den meisten Anwendungen eine zweitrangige Überlegung sind, werden sie bei Dünnfilmanwendungen von größerer Wichtigkeit, wo es eine vergleichsweise kleine diffuse Reflexion gibt.
Geometrie der dispergierten Phase
Während die Indexfehlanpassung der vorherrschende Faktor ist, auf den man sich verläßt, um die Streuung in den für die vorliegende Erfindung geeigneten Filmen zu unterstützen (d. h. ein diffuser Spiegel oder Polarisator, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist eine wesentliche Fehlanpassung der Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs mindestens einer Achse auf), kann die Geometrie der Teilchen der dispergierten Phase einen sekundären Effekt auf die Streuung aufweisen. So können die Depolarisationsfaktoren der Teilchen für das elektrische Feld in die Brechungsindex-Anpassungs- und Fehlanpassungsrichtungen den Betrag der Streuung in eine gegebene, Richtung reduzieren oder vergrößern. Wenn zum Beispiel die dispergierte Phase in einem längs einer Ebene senkrecht zur Orientierungsachse vorgenommenen Querschnitt elliptisch ist, trägt die elliptische Querschnittsform der dispergierten Phase zu einer asymmetrischen Streuung sowohl des rückwärts gestreuten Lichtes als auch des vorwärts gestreuten Lichtes bei. Der Effekt kann sich entweder zum Betrag der Streuung von der Indexfehlanpassung addieren oder ihn schmälern, hat aber im allgemeinen einen kleinen Einfluß auf die Streuung im bevorzugten Bereich der Eigenschaften in der vorliegenden Erfindung.
Die Form der Teilchen der dispergierten Phase kann auch den Grad der Streuung des von den Teilchen gestreuten Lichts beeinflussen. Dieser Formeffekt ist im allgemeinen klein, nimmt jedoch zu, wenn das Seitenverhältnis des geometrischen Querschnitts des Teilchens in der Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes zunimmt und wenn die Teilchen verhältnismäßig größer werden. Im allgemeinen sollten in der Wirkungsweise dieser Erfindung die Teilchen der dispergierten Phase kleiner als einige Wellenlängen des Lichtes in eine oder zwei gegenseitig orthogonale Dimensionen sein, wenn eher eine diffuse als eine gerichtete Reflexion bevorzugt wird.
Vorzugsweise besteht für einen verlustarmen reflektierenden Polarisator die bevorzugte Ausführungsform aus einer dispergierten Phase, die in der zusammenhängenden Phase als eine Reihe von stabförmigen Strukturen angeordnet ist, die als Folge der Orientierung ein hohes Seitenverhältnis aufweisen, das die Reflexion für Polarisationen parallel zur Orientierungsrichtung erhöhen kann, indem die Streuungsstärke und Dispergiertion (engl. dispersion) für diese Polarisation relativ zu Polarisationen senkrecht zur Orientierungsrichtung erhöht wird. Jedoch kann, wie in den 3a-e gezeigt, die dispergierte Phase mit vielen unterschiedlichen Geometrien versehen sein. So kann die dispergierte Phase scheibenförmig oder länglich scheibenförmig, wie in den 3a-c, stabförmig, wie in 3d-e oder kugelförmig sein. Es werden andere Ausführungsformen erwogen, wobei die dispergierte Phase Querschnitte aufweist, die annährend elliptisch (einschließlich kreisförmig), polygonal, unregelmäßig oder eine Kombination einer oder mehrerer dieser Formen sind. Die Querschnittsform und Größe der Teilchen der dispergierten Phase kann ebenfalls von einem Teilchen zu einem anderen oder von einem Bereich des Films zu. einem anderen (d. h. von der Oberfläche zum Kern) variieren.
In einigen Ausführungsformen kann die dispergierte Phase einen Aufbau aus Kern und Mantel aufweisen, wobei der Kern und der Mantel aus denselben oder unterschiedlichen Materialien bestehen, oder der Kern hohl ist . So kann zum Beispiel die dispergierte Phase aus Hohlfasern gleicher oder beliebiger Längen und einheitlichem oder nicht einheitlichem Querschnitt bestehen. Der Innenraum der Fasern kann leer sein oder kann durch ein geeignetes Medium gefüllt sein, das ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, und kann organisch oder anorganisch sein. Der Brechungsindex des Medium kann unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der dispergierten Phase und der zusammenhängenden Phase so gewählt werden, daß ein gewünschter optischer Effekt (d. h. Reflexion oder Polarisation längs einer gegebenen Achse) erzielt wird.
Die Geometrie der dispergierten Phase kann durch geeignete Orientierung oder Bearbeitung des optischen Materials, durch die Verwendung von Teilchen mit einer besonderen Geometrie oder durch eine Kombination der beiden erreicht werden. So kann zum Beispiel eine dispergierte Phase mit einer im wesentlichen stabförmigen Struktur erzeugt werden, indem ein Film, der aus annährend kugelförmigen Teilchen der dispergierten Phase besteht, längs einer einzigen Achse orientiert wird. Den stabförmigen Strukturen kann ein elliptischer Querschnitt gegeben werden, indem der Film in eine zweite Richtung senkrecht zur ersten orientiert wird. Als ein weiteres Beispiel kann eine dispergierte Phase mit einer im wesentlichen stabförmigen Struktur erzeugt werden, in der die Stäbe im Querschnitt rechteckig sind, indem eine einzige Richtung eines Films mit einer dispergierten Phase orientiert wird, die aus einer Reihe von im wesentlichen rechteckigen Flocken besteht.
Eine Dehnung ist eine bequeme Weise, eine gewünschte Geometrie zu erreichen, da Dehnung auch dazu verwendet werden kann, einen Unterschied der Brechungsindizes innerhalb des Materials zu induzieren. Wie oben angegeben, kann die Orientierung der erfindungsgemäßen Filme in mehr als eine Richtung liegen und kann sequentiell oder parallel sein.
In einem weiteren Beispiel können die Komponenten der zusammenhängenden und dispergierten Phasen extrudiert werden, so daß die dispergierte Phase in einer Achse im unorientierten Film stabförmig ist. Stäbe mit einem hohen Seitenverhältnis können erzeugt werden, indem sie in die Richtung der Hauptachse der Stäbe im extrudierten Film orientiert werden. Plattenförmige Strukturen können erzeugt werden, indem sie in eine zur Hauptachse der Stäbe orthogonale Richtung im extrudierten Film orientiert werden.
Die Struktur in 2 kann durch eine asymmetrisch zweiachsige Orientierung eines innigen Gemisches aus im wesentlichen kugelförmigen Teilchen innerhalb einer zusammenhängenden Matrix erzeugt werden: Alternativ kann die Struktur erhalten werden, indem mehrere faserige Strukturen in das Matrixmaterial eingebaut werden, die Strukturen längs einer einzigen Achse ausgerichtet werden, und die Mischung in eine Richtung transversal zu dieser Achse orientiert wird. Ein noch anderes Verfahren zum Erhalten dieser Struktur besteht aus der Steuerung der relativen Viskositäten, Scherung oder Oberflächenspannung der Komponenten eines innigen Polymergemisches, um eine faserige dispergierte Phase zu bewirken, wenn das innige Gemisch zu einem Film extrudiert wird. Im allgemeinen wird herausgefunden, daß die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Scherung in die Extrusionsrichtung ausgeübt wird.
Dimensionale Ausrichtung der dispergierten Phase Es wird auch gefunden, daß die dimensionale Ausrichtung einen Effekt auf das Streuungsverhalten der dispergierten Phase hat. Insbesondere ist in optischen Körpern, die zur Verwendung in der vorligenden Erfindung hergestellt wurden, beobachtet worden, daß ausgerichtete Streuer Licht nicht symmetrisch um die Richtungen der gerichteten Durchlässigkeit oder Reflexion streuen werden, wie es zufällig ausgerichtete Streuer würden. Insbesondere streuen Einschlüsse, die durch Orientierung verlängert worden sind, um Stäben zu ähneln, Licht primär längs (oder nahe) der Oberfläche eines Kegels, der an der Orientierungsrichtung und längs der gerichteten Durchlaßrichtung zentriert ist. Dies kann zu einer anisotropen Verteilung des gestreuten Lichts um die gerichteten Reflexions- und gerichteten Durchlässigkeitsrichtungen führen. Zum Beispiel erscheint für Licht, das auf einem solchen läng lichen Stab in eine Richtung senkrecht zur Orientierungsrichtung einfällt, das gestreute Licht als ein Lichtband in der Ebene senkrecht zur Orientierungsrichtung mit einer Intensität, die mit zunehmendem Winkel von den gerichteten Richtungen weg abnimmt. Indem die Geometrie der Einschlüsse zugeschnitten wird, kann eine gewissen Kontrolle über die Verteilung des gestreuten Lichts sowohl in der Durchlaßhalbkugel. als auch in der Reflexionshalbkugel erzielt werden.
Abmessungen der dispergierten Phase
In Anwendungen, wo der optische Körper als ein verlustarmer Reflexionspolarisator verwendet werden soll, weisen die Strukturen der dispergierten Phase vorzugsweise ein hohes Seitenverhältnis auf, d. h. die Strukturen sind im wesentlichen in eine Dimension größer als in irgendeine andere Dimension. Das Seitenverhältnis beträgt vorzugsweise mindestens 2 und bevorzugter mindestens 5. Die größte Dimension (d. h. die Länge) beträgt vorzugsweise mindestens das Zweifache der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den interessierenden Wellenlängenbereich und bevorzugter mehr als das Vierfache der gewünschen Wellenlänge. Andererseits sind die kleineren (d. h. Querschnitts)-Abmessungen der Strukturen der dispergierten Phase vorzugsweise kleiner oder gleich der interessierenden Wellenlänge und bevorzugter kleiner als das 0,5-fache der interessierenden Wellenlänge.
Volumenbruchteil der dispergierten Phase
Der Volumenbruchteil der dispergierten Phase beeinflußt ebenfalls die Streuung von Licht in den optischen Körpern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Innerhalb bestimmter Grenzen tendiert eine Erhöhung des Volumenbruchteils der dispergierten Phase dazu, den Betrag der Streuung, den ein Lichtstrahl erfährt, nachdem er in den Körper einge treten ist, sowohl für die Anpassungs- als auch Fehlanpassungsrichtungen des polarisierten Lichtes zu erhöhen. Dieser Faktor ist zur Steuerung der Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften für eine gegebene Anwendung wichtig.
Der gewünschte Volumenbruchteil der dispergierten Phase wird von vielen Faktoren abhängen, einschließlich der spezifischen Wahl der Materialien für die zusammenhängende und dispergierte Phase. Jedoch wird der Volumenbruchteil der dispergierten Phase typischerweise mindestens etwa 1 Vol.% relativ zur zusammenhängenden Phase betragen, bevorzugter innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis etwa 15% und am bevorzugtesten innerhalb des Bereichs von etwa 15 bis etwa 30% liegen.
Co-zusammenhängende Phasen
Wenn sich der Volumenbruchteil für binäre innige Gemische hoher Polymere annähernd äquivalenter Viskosität 50% nähert, wird die Unterscheidung zwischen den dispergierten und zusammenhängende Phasen schwierig, da jede Phase räumlich zusammenhängend wird. Abhängig von den zur Wahl stehenden Materialien kann es auch Bereiche geben, wo die erste Phase in der zweiten dispergiert zu sein scheint und umgekehrt. Für eine Beschreibung einer Vielzahl von co-zusammenhängenden Morphologien und für Verfahren zur Bewertung, Analyse und zu deren Charakterisierung, siehe Sperling und die darin zitierten Verweisquelle (L.H. Sperling, „Microphase Structure", Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2. Ausg., B. 9, 760–788, und L.H. Sperling, Kapitel 1 „Interpenetrating Polymer Networks: An Overview", Interpenetrating Polymer Networks, herausgegeben von D. Klempner, L.H. Sperling und L.A. Utracki, Advances in Chemistry Series #239, 3–38, 1994).
Materialien mit co-zusammenhängenden Phasen können erfindungsgemäß durch eine Anzahl unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. So kann zum Beispiel das Polymermaterial der ersten Phase mechanisch mit dem Polymermaterial der zweiten Phase innig gemischt werden, um ein co-zusammenhängendes System zu erzielen. Beispiele co-zusammenhängender Morphologien, die durch innige Mischung erzielt werden, werden zum Beispiel in D. Bourry und B.D. Favis, „Co-Continuity and Phase Inversion in HDPE/PS Blends: The Role of Interfacial Modification", 1995 Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers ANTEC, B. 53, Nr.2, 2001–2009 (innige Polystyrol/Polyethylen- Gemische), und in A. Leclair und B.D. Favis, „The role of interfacial contact in immiscible binary polymer blends and its influence on mechanical properties" Polymer, B. 37, Nr. 21, 4723–4728, 1996 (innige Polycarbonat/Polyethylen-Gemische) beschrieben.
Co-zusammenhängende Phasen können erfindungsgemäß auch gebildet werden, indem sie zuerst aus superkritischen Flüssigextraktionen herausgelöst werden, wie jenen, die für innige Gemische aus Polystyrol und Poly(Methyl-Methacrylat) in US 4,281,084 offenbart werden, und es dann zugelassen wird, daß sie eine Phasentrennung durchmachen, nachdem sie Wärme und/oder einer mechanischen Scherung ausgesetzt wurden, wie in N. Mekhilef, B.D. Favis und P.J. Carreau, „Morphological Stability of Polystyrene Polyethylene Blends", 1995 Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers ANTEC, B. 53, Nr. 2, 1572–1579 beschrieben.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer co-zusammenhängender Phasen besteht aus der Erzeugung von interpenetrierenden Polymernetzwerken (IPNs). Einige der wichtigeren IPNs umfassen simultane IPNs, sequentielle IPNs, Gradienten-IPNs, Latex-IPNs, thermoplastische IPNs und Semi-IPNs. Diese und andere Typen von IPNs, ihre physikalischen Eigenschaften (z. B. Phasendiagramme) und Verfahren für ihre Darstellung und Charakterisierung werden zum Beispiel in L.H.
Sperling und V. Mishra, „Current Status of Interpenetrating Polymer Networks", Polymers for Advanced Technologies, B. 7, Nr. 4, 197–208, April 1996, und in L.H. Sperling, „Interpenetrating Polymer Networks: An Overview", Interpenetrating Polymer Networks, herausgegeben von D. Klempner, L.H. Sperling und L.A. Utracki, Advances in Chemistry Series #239, 3-38, 1994 beschrieben. Einige der Hauptverfahren zur Darstellung dieser Systeme werden unten zusammengefaßt.
Simultane IPNs können hergestellt werden, indem die jeweiligen Monomere oder Vorpolymerisate plus die Vernetzungsmittel und Aktivatoren von zwei oder mehreren Polymernetzwerken miteinander gemischt werden. Die jeweiligen Monomere oder Vorpolymerisate werden dann gleichzeitig, aber in einer nicht störenden Weise umgesetzt. So kann zum Beispiel eine Reaktion durchgeführt werden, um durch eine Kettenpolimerisationskinetik zu verfahren, und die andere Reaktion kann durchgeführt werden, um durch eine Schrittpolimerisationskinetik zu verfahren.
Sequentielle IPNs werden hergestellt, indem zuerst ein Anfangspolymernetzwerk gebildet wird. Dann werden die Monomere, Vernetzungsmittel und Aktivatoren eines odermehrerer zusätzlicher Netzwerke in das Anfangspolymernetzwerk getrieben, wo sie an Ort und Stelle umgesetzt werden, um zusätzliche Polymernetzwerke zu ergeben.
Gradienten-IPNs werden in einer solchen Weise synthetisiert, daß die Gesamtzusammensetzung oder Vernetzungsdichte des IPN makroskopisch im Material von einer Stelle zur anderen variiert. Solche Systeme können zum Beispiel hergestellt werden, indem ein erstes Polymernetzwerk vorwiegend auf einer Oberfläche eines Films gebildet wird und ein zweites Polymernetzwerk vorwiegend auf der anderen Oberfläche des Films gebildet wird, mit einem Gradienten der Zusammensetzung durch das Innere des gesamten Films hindurch.
Latex-IPNs werden in der Form von Latizes (z. B. mit einer Kern- und Mantelstruktur) hergestellt. In einigen Variationen können zwei oder mehr Latizes gemischt und zu einem Film geformt werden, der die Polymere vernetzt.
Thermoplastische IPNs sind Hybride zwischen innigen Polymergemischen und IPNs, die physikalische Vernetzungen anstelle chemischer Vernetzungen enthalten. Als Ergebnis kann dafür gesorgt werden, daß diese Materialein bei erhöhten Temperaturen in einer Weise fließen, die ähnlich zu jener thermoplastischer Elastomere ist, jedoch vernetzt sind und sich bei den Temperaturen des normalen Gebrauchs als IPNs verhalten.
Semi-IPNs sind Zusammensetzungen von zwei oder mehr Polymeren, in denen eines oder mehrere der Polymere vernetzt sind und eines oder mehrere, der Polymere linear oder verzweigt sind.
Wie oben angegeben, kann in Mehrkomponentensystemen ebenso wie in binären Systemen eine Co-Kontinuität erzielt werden. Zum Beispiel können drei oder mehr Materialein in Kombination verwendet werden, um die gewünschten optischen Eigenschaften (z. B. Durchlässigkeit und Reflexionsvermögen) und/oder verbesserte physikalische Eigenschaften zu ergeben. Alle Komponenten können unvermischbar sein, oder zwei oder mehr Komponenten können eine Mischbarkeit aufweisen. Eine Anzahl von Dreistoffsystemen, die eine Co-Kontinuität aufweisen, werden zum Beispiel in L.H. Sperling, Kapitel 1 „Interpenetrating Polymer Networks: An Overview", Interpenetrating Polymer Networks, herausgegeben von D. Klempner, L.H. Sperling und L.A. Utracki, Advances in Chemistry Series #239, 3-38, 1994) beschrieben.
Charakteristische Größen der Phasenstrukturen, Volumenbruchteilbereiche, über die eine Co-Kontinuität beobachtet werden kann, und die Stabilität der Morphologie können alle durch Zusatzstoffe beeinflußt werden, wie Kompatibilisatoren, Graft- oder Blockcopolymere oder reaktive Komponenten, wie Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat. Solche Effekte werden zum Beispiel für innige Gemische von Polystyrol und Poly(Ethylenterephthalat) in H.Y. Tsai und K. Min, „Reactive Blends of Functionalized Polystyrene and Polyethylene Terephthalate", 1995 Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers ANTEC, B. 53, Nr. 2, 1858–1865 beschrieben. Jedoch können für besondere Systeme Phasendiagramme durch laufendes Experimentieren konstruiert und verwendet werden, um co-zusammenhängende Systeme zu erzeugen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind.
Die mikroskopische Struktur co-zusammenhängender Systeme, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, kann abhängig vom Darstellungsverfahren, der Mischbarkeit der Phasen, dem Vorhandensein von Zusatzstoffen und anderen Faktoren beträchtlich variieren, wie in der Technik bekannt ist. So können zum Beispiel eine oder mehrere Phasen im cozusammenhängenden System feinfaserig sein, wobei die Fasern entweder regellos orientiert oder längs einer gemeinsamen Achse orientiert sind. Andere co-zusammenhängende Systeme können eine offenzellige Matrix einer ersten Phase mit einer zweiten Phase aufweisen, die in einer co-zusammenhängenden Weise innerhalb der Zellen der Matrix angeordnet ist. Die Phasen in. diesen Systemen können längs einer einzelnen Achse, längs zwei Achsen oder längs drei Achsen co-zusammenhängend sein.
Optische Körper, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die co-zusammenhängende Phasen aufweisen (insbesondere IPNs) werden in bestimmten Fällen Eigenschaften aufweisen, die gegenüber den Eigenschaften von ähnlichen optischen Körpern vorteilhaft sind, die mit nur einer einzelnen zusammenhängenden Phase hergestellt werden, natürlich abhän gig von den Eigenschaften der einzelnen Polymere und dem Verfahren, durch das sie kombiniert werden. So erlauben zum Beispiel die co-zusammenhängenden Systeme für die vorliegende Erfindung die chemische und physikalische Kombination von strukturell unähnlichen Polymeren, wodurch ein bequemer Weg bereitgestellt wird, durch den die Eigenschaften des optischen Körpers modifiziert werden können, um spezifischen Bedürfnissen zu entsprechen. Ferner werden co-zusammenhängende Systeme häufig einfacher zu verarbeiten sein, und werden solche Eigenschaften, wie Wetterbeständigkeit, reduzierte Flammbarkeit, eine größere Stoßfestigkeit und Zugfestigkeit, eine verbesserte Flexibilität und eine höhere chemische Beständigkeit vermitteln. IPNs sind in bestimmten Anwendungen besonders vorteilhaft, da sie typischwerweise in Lösungsmitteln quellen (sich jedoch nicht auflösen) und verglichen mit analogen Nicht-IPN-Systemen ein unterdrücktes Kriechen und Fließen aufweisen (siehe z. B. D. Klempner und L. Berkowski, „Interpenetrating Polymer Networks", Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2. Ausg., B. 9; 489–492.
Ein Fachmann wird erkennen, daß die Prinzipien von cozusammenhängenden Systemen, wie sie der Technik bekannt sind, im Lichte der hierin bekanntgegebenen Lehren angewendet werden können, um co-zusammenhängende Morphologien herzustellen, die einzigartige optische Eigenschaften aufweisen. So können zum Beispiel die Brechungsindizes bekannter co-zusammenhängender Morphologien wie hierin gelehrt manipuliert werden, um erfindungsgemäß neue optische Filme herzustellen. Ebenso können die hierin gelehrten Prinzipien auf bekannte optische Systeme angewendet werden, um co-zusammenhängende Morphologien herzustellen.
Dicke des optischen Körpers
Die Dicke des optischen Körpers ist ebenfalls ein wichtiger Steuerparameter, der manipuliert werden kann, um die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften in der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen. Wenn die Dicke des optischen Körpers zunimmt, nimmt auch die diffuse Reflexion zu, und die Durchlässigkeit, sowohl die gerichtete als auch die diffuse, nimmt ab. Während folglich die Dicke des optischen Körpers typischerweise. gewählt wird, um einen gewünschten Grad einer mechanischen Festigkeit im fertiggestellten Produkt zu erzielen, kann sie auch dazu verwendet werden, die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften direkt zu steuern.
Die Dicke kann auch genutzt werden, um letzte Einstellungen der Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften des optischen Körpers vorzunehmen. So kann zum Beispiel bei Filmanwendungen die Vorrichtung, die verwendet wird, um den Film zu extrudieren, durch eine stromabwärts gelegene optische Vorrichtung gesteuert werden, die die Durchlässigkeits- und Reflexionswerte im extrudierten Film mißt, und die die Dicke des Films variiert (d. h. durch Einstellung der Extrusionsraten oder Änderung der Gießradgeschwindigkeiten), um die Reflexions- und Durchlässigkeitswerte innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu halten.
Materialien für die zusammenhängenden/dispergierten Phasen
Viele unterschiedliche Materialien können als die zusammenhängenden oder dispergierten Phasen in den optischen Körpern für die vorliegende Erfindung abhängig von der spezifischen Anwendung verwendet werden, auf die der optische Körper ausgerichtet ist. Solche Materialien umfassen anorganische Materialien, wie auf Silika beruhende Polymere, organische Materialien, wie Flüssigkristalle, und polymere Materialien, einschließlich Monomeren, Copolymeren, Graftpolymeren und Mischungen oder innigen Gemischen derselben. Die genaue Wahl der Materialien für eine gegebene Anwendung wird durch die gewünschte Anpassung und Fehlanpassung, die in den Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs einer besonderen Achse erhältlich ist, als auch durch die gewünschten physikalischen Eigenschaften in dem resultierenden Produkt gesteuert. Jedoch werden die Materialien der zusammenhängenden Phase allgemein durdurch gekennzeichnet sein, daß sie in dem gewünschten Spektralbereich im wesentlichen transparent sind.
Eine weitere Überlegung bei der Wahl der Materialien ist es, daß das resultierende Produkt mindestens zwei unterschiedliche Phasen enthalten muß. Dies kann erreicht werden, indem das optische Material aus zwei oder mehreren Materialien gegossen wird, die miteinander unvermischbar sind. Wenn alternativ gewünscht wird, ein optisches Material mit einem ersten und zweiten Material herzustellen, die miteinander nicht unvermischbar sind, und wenn das erste Material einen höheren Schmelzpunkt als das zweite Material aufweist, kann es in einigen Fälle möglich sein, Teilchen mit geeigneten Abmessungen des ersten Materials in eine geschmolzene Matrix des zweiten Materials bei eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des ersten Materials einzubetten. Die resultierende Mischung kann dann mit oder ohne eine anschließende Orientierung zu einem Film gegossen werden, um eine optische Vorrichtung herzustellen.
Geeignete polymere Materialien zur Verwendung als die zusammenhängende oder dispergierte Phase in der vorliegenden Erfindung können amorphe, teilkristalline oder kristalline polymere Materialien sein, einschließlich Materialien, die aus Monomeren bestehen, die auf Carbonsäuren, wie Isophthal-, Azelain-, Adipin-, Sebacin-, Dibenzoe-, Terephthal-, 2,7-Naphthalen-Dicarbon-, 2,6-Naphthalen-Dicarbon-, Cyclohexan-Dicarbon- und Diphensäuren (einschließlich 4,4'-Diphensäure) beruhen, oder Materialien, die aus den entsprechenden Estern der vorher erwähnten Säuren (d. h. Dimethylterephthalat) bestehen. Von diesen wird 2,6-Polyethylen-Naphthalat (PEN) aufgrund seiner zuginduzierten Doppelbrechung und aufgrund seiner Fähigkeit, nach einer Dehnung dauerhaft doppelbrechend zu bleiben, besonders bevorzugt. PEN weist einen Brechungsindex für polarisiert einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm, der nach einer Dehnung zunimmt, wenn die Polarisationsebene parallel zur Dehnungsachse ist, von etwa 1,64 bis hoch zu 1,9 auf, während der Brechungsindex für Licht, das senkrecht zur Dehnungsachse polarisiert ist, abnimmt. PEN weist eine Doppelbrechung (in diesem Fall der Unterschied zwischen dem Brechungsindex längs der Dehnungsrichtung und dem Index senkrecht zur Dehnungsrichtung) von 0,25, bis 0,40 im sichtbaren Spektrum auf. Die Doppelbrechung kann erhöht werden, indem die molekulare Orientierung erhöht wird. PEN kann von etwa 155°C bis zu etwa 230°C abhängig von den Verarbeitungsbedingungen, die während der Herstellung des Films genutzt werden, im wesentlichen wärmestabil sein.
Polybutylen-Naphthalat ist ebenfalls ein geeignetes Material, wie auch andere kristalline Naphthalen-Dicarbonpolyester. Die kristallinen Naphthalen-Dicarbonpolyester weisen einen Unterschied der Brechungsindizes, die mit unterschiedlichen, in der gleichen Ebene liegenden Achsen verbunden sind, von mindestens 0,05 und vorzugsweise über 0,20 auf.
Wenn PEN als eine Phase im optischen Material verwendet wird, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist die andere Phase vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder ein syndiotaktisches aromatisches Vinylpolymer, wie Po lystyrol (sPS). Andere bevorzugte Polymere zur Verwendung mit PEN beruhen auf Terephthal-, Isophthal-, Sebacin-, Azelainoder Cyclohexan-Dicarbonsäure oder den verwandten Alkylestern dieser Materialien. Naphthalen-Dicarbonsäure kann ebenfalls in geringfügigen Mengen eingesetzt werden, um die Adhäsion zwischen den Phasen zu verbessern. Die Diolkomponente kann Ethylen-Glykol oder ein verwandtes Diol sein. Vorzugsweise beträgt der Brechungsindex des ausgewählen Polymers weniger als etwa 1,65, und bevorzugter weniger als etwa 1,55, obwohl ein entsprechendes Ergebnis zu erhalten ist, indem ein Polymer verwendet wird, das einen höheren Brechungsindex aufweist, wenn derselbe Indexunterschied erzielt wird.
Syndiotaktische aromatische Vinylpolymere, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen Poly(Styrol), Poly(Alkylstyrol), Poly(Styrolhalogenid), Poly(Alkylstyrol), Poly(Vinylesterbenzoat) und diese hydrierten Polymere und Mischungen oder Copolymere, die diese strukturellen Einheiten enthalten. Beispiele von, Poly(Alkylstyrolen) umfassen: Poly(Methylstyrol), Poly(Ethylstyrol), Poly(Propylstyrol), Poly(Butylstyrol), Poly(Phenylstyrol), Poly(Vinylnaphthalen), Poly(Vinylstyrol) und Poly(Acenaphthalen) kann erwähnt werden. Was die Poly(Styrolhalogenide) betrifft, umfassen Beispiele Poly(Chlorstyrol), Poly(Bromstyrol), und Poly(Fluorstyrol). Beispiele von Poly(Alkoxystyrol) umfassen: Poly(Methoxystyrol) und Poly(Ethoxystyrol). Unter diesen Beispielen befinden sich als besonders bevorzugte Styrolgruppen-Polymere: Polystyrol, Poly(p-Methylstyrol), Poly(m-Methylstyrol), Poly(p-Tertiärbutylstyrol), Poly(p-Chlorstyrol), Poly(m-Chlorstyrol), Poly(p-Fluorstyrol), und Copolymere aus Styrol und p-Methylstyrol können erwähnt werden.
Ferner können als Comonomere syndiotaktischer aroamtischer Vinylgruppen Copolymere neben Monomeren des oben erläuterten Styrolgruppenpolymers, Olefinmonomere, wie Ethylen, Propylen, Buten, Hexen oder Okten; Dienmonomere, wie Butadien, Isopren, polare Vinylmonomere wie zyklisches Dienmonomer, Methylmethacrylat, Maleinsäureanhydrid oder Acrylonitril erwähnt werden.
Die syndiotaktischen aromatischen Vinylpolymere, die für vorliegende Erfindung geeignet sind, können Blockcopolymere, unbeordnete Copolymere oder abwechselnde Copolymere sein.
Das aromatische Vinylpolymer mit einer syndiotaktischen Struktur auf hohem Niveau, auf das in dieser Erfindung Bezug genommen wird, umfaßt im allgemeinen Polystyrol mit einer Syndiotaktizität von mehr als 75% oder mehr, wie durch magnetische Kernresonanz mit Kohlenstoff-13 bestimmt wird. Vorzugsweise ist der Grad der Syndiotaktizität höher als 85% einer racemischen zweiwertigen Atomgruppe oder höher als 30%, oder bevorzugter höher als 50% einer racemischen fünfwertigen Atomgruppe.
Zusätzlich ist, obwohl es keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Molekulargewichts dieser syndiotaktischen aromatischen Vinylgruppenpolymers gibt, vorzugsweise das mittlere Molekulargewicht größer als 10000 und kleiner als 1000000, und bevorzugter größer als 50000 und kleiner als 800000.
Was die anderen Harze betrifft, können verschiedene Typen erwähnt werden, einschließlich zum Beispiel, aromatische Vinylgruppenpolymere mit ataktischen Strukturen, aromatische Vinylgruppenpolymere mit isotaktischen Strukturen und allen Polymeren, die mischbar sind. Zum Beispiel zeigen Polyphenylenether eine gute Mischbarkeit mit den vorher erläuterten aromatischen Vinylgruppenpolymeren. Ferner liegt die Zusammensetzung dieser mischbaren Harzkomponenten vorzugsweise zwischen 70 bis 1 Gew.% oder bevorzugter 50 bis 2 Gew.%. Wenn die Zusammensetzung einer mischbaren Harzkomponente 70 Gew.% überschreitet, kann eine Verschlechterung der Wärmebeständig keit auftreten, und dies ist üblicherweise nicht wünschenswert.
Es ist nicht erforderlich, daß das ausgewählte Polymer für eine besondere Phase ein Copolyester oder Copolycarbonat ist. Vinylpolymere und Copolymere die aus Monomeren bestehen, wie Vinylnaphthalene, Styrole, Ethylen, Maleinanhydrid, Acrylate und Methacrylate können ebenfalls eingesetzt werden. Es können auch andere Kondensationspolymere als Polyester und Polycarbonate genutzt werden. Geeignete Kondensationspolymere umfassen Polysulfone, Polyamide, Polyurethane, Polycarbamoylcarbonsäuren und Polyimide. Naphthalengruppen und Halogene wie Chlor, Brom und Iod sind bei der Erhöhung des Brechungsindex des ausgewählten Polymers auf das gewünschte Niveau (1,59 bis 1,69) nützlich, falls nötig, um den Brechungsindex im wesentlichen anzupassen, wenn PEN der Wirt ist. Acrylatgruppen und Fluor sind bei der Erhöhung des Brechungsindex besonders nützlich.
Geringfügige Mengen von Comonomeren können in den Naphthalen-Dicarbonsäure-Polyester substitutiert werden, so lange der große Brechungsindexunterschied in die Orientierungsrichtung(en) nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Ein kleinerer Indexunterschied (und daher vermindertes Reflexionsvermögen) kann durch die Vorteile in irgendeinem des Folgenden aufgewogen werden: verbesserte Adhäsion zwischen der zusammenhängenden und dispergierten Phase, verminderte Extrusionstemperatur und eine bessere Anpassung der Schmelzviskositäten.
Spektralbereich
Während die vorliegende Erfindung hierin häufig unter Bezugnahme auf den sichtbaren Bereich des Spektrums beschrieben wird, können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um bei anderen Wellenlängen (und folglich Frequenzen) der elektromagnetischen Strah lung zu arbeiten, indem die Komponenten des optischen Körpers geeignet skaliert werden. Wenn folglich die Wellenlänge zunimmt, kann die lineare Größe der Komponenten des optischen Körpers erhöht werden, so daß die Abmessungen dieser Komponenten, gemessen in Einheiten der Wellenlänge, annährend konstant bleiben.
Natürlich ist es ein Haupteffekt der Änderung der Wellenlänge, daß sich für die meisten interessierenden Materialien der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient ändern. Jedoch treffen die Prinzipien der Indexanpassung und Fehlanpassung immer noch bei jeder interessierenden Wellenlänge zu und können bei der Auswahl der Materialien für eine optische Vorrichtung genutzt werden, die über einen spezifischen Bereich des Spektrum wirksam sein wird. So wird zum Beispiel eine geeignete Skalierung der Abmessungen einen Betrieb in den infrarot, nahen ultravioletten und ultravioletten Bereichen des Spektrums zulassen. In diesen Fällen beziehen sich die Brechungsindizes auf die Werte bei diesen Arbeitswellenlängen, und die Körperdicke und Größe der Streuungskomponenten der dispergierten Phase sollten ebenfalls annährend mit der Wellenlänge skaliert werden. Noch mehr des elektromagnetischen Spektrums kann verwendet werden, einschließlich hohen, ultrahohen, Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen. Es werden Polarisations- und Streueffekte mit einer geeigneten Skalierung auf die Wellenlänge vorhanden sein, und die Brechungsindizes können aus der Quadratwurzel der dielektrischen Funktion (einschließlich der reelen und imaginären Teile) erhalten werden. Nützliche Produkte bei diesen längeren Wellenlängenbändern können diffuse Reflexionspolarisätoren. und Partialpolarisatoren sein.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung variieren die optischen Eigenschaften des optischen Körpers über das interessierende Wellenlängenband. In diesen Ausfüh rungsformen können Materialien für die zusammenhängenden und/oder dispergierten Phasen genutzt werden, deren Brechungsindizes längs einer oder mehrerer Achsen von einem Wellenlängenbereich zu einem anderen variiert. Die Wahl der Materialien der zusammenhängenden und dispergierten Phase und die optischen Eigenschaften (d. h. diffuse und dispergierte Reflexion oder gerichtete Durchlässigkeit), die aus einer spezifischen Wahl der Materialien resultieren, werden vom interessierenden Wellenlängenband abhängen.
Hautschichten
Eine Materialschicht, die im wesentlichen frei von einer dispergierten Phase ist, kann koextensiv auf einer oder beiden Hauptoberflächen des Films, d. h. das extrudierte innige Gemisch der dispergierten Phase und der zusammenhängenden Phase aufgetragen werden. Die Zusammensetzung der Schicht, die auch als Hautschicht bezeichnet wird, kann zum Beispiel ausgewählt werden, um die Integrität der dispergierten Phase innerhalb des extrudierten innigen Gemisches zu schützen, um dem fertigen Film mechanische oder physikalische Eigenschaften hinzuzufügen oder dem fertigen Film eine optische Funktionalität hinzuzufügen. Geeignete Materialien der Wahl können das Material der zusammenhängenden Phase oder das Material der dispergierten Phase umfassen. Andere Materialien mit einer Schmelzviskosität, die zum extrudierten innigen Gemisch ähnlich ist, können ebenfalls nützlich sein.
Eine Hautschicht oder Schichten können den weiten Bereich von Scherungsintensitäten reduzieren, die das extrudierte innige Gemisch innerhalb des Extrusionsprozesses erfahren könnte, insbesondere an der Düse. Eine Umgebung mit hoher Scherung kann eine unerwünschte Hohlraumbildung an der Oberfläche verursachen und kann zu einer texturierten Oberfläche führen. Ein breiter Bereich von Scherungswerten durch die Dicke des Films kann auch verhindern, daß die dispergierte Phase die gewünschte Teilchengröße im innigen Gemisch bildet.
Eine Hautschicht oder -Schichten können dem resultierenden Komposit physikalische Festigkeit hinzufügen oder Probleme während der Verarbeitung reduzieren, wie zum Beispiel die Tendenz des Filmes zu reduzieren, sich während des Orientierungsprozesses zu spalten. Hautschicht-Materialien, die amorph bleiben, können dazu neigen, Filme mit einer höheren Zähigkeit herzustellen, während Hautschicht-Materialien, die teilkristallin sind, dazu neigen können, Filme mit einem höheren Zugmodul herzustellen. Andere funktionelle Komponenten wie antistatische Zusätze, UV-Absorber, Farbstoffe, Antioxidationsmittel und Pigmente können der Hautschicht hinzugefügt werden, vorausgesetzt, sie stören die gewünschten optischen Eigenschaften des sich ergebenden Produktes nicht wesentlich.
Hautschichten oder Beschichtungen können auch hinzugefügt werden, um dem sich ergebenden Film oder der Vorrichtung erwünschte Sperreigenschaften zu verleihen. So können zum Beispiel Sperrfilme oder Beschichtungen als Hautschichten oder als eine Komponente in Hautschichten hinzugefügt werden, um die Durchlaßeigenschaften des Films oder Vorrichtung gegenüber Flüssigkeiten, wie Wasser oder organischem Lösungsmittel, oder Gasen, wie Sauerstoff oder Kohlendioxid zu verändern.
Hautschichten oder Beschichtungen können auch hinzugefügt werden, um den sich ergebenden Artikel eine Abriebfestigkeit zu verleihen oder sie zu verbessern. So kann zum Beispiel eine Hautschicht, die Teilchen aus Silika aufweist, die in eine Polymermatrix eingebettet sind, einem optischen Film hinzugefügt werden, der erfindungsgemäß hergestellt wird, um dem Film eine Abriebfestigkeit zu verleihen, vorausgesetzt natürlich, daß eine solche Schicht die optischen Eigenschaf ten nicht übermäßig beeinträchtigt, die für die Anwendung erforderlich sind, auf die der Film gerichtet ist.
Hautschichten oder Beschichtungen können auch hinzugefügt werden, um eine Durchstoß- und/oder Reißfestigkeit in dem sich ergebenden Artikel zu verbessern. So kann zum Beispiel in Ausführungsformen, in der die äußere Schicht des optischen Films coPEN als die Hauptphase enthält, eine Hautschicht aus monolithischem coPEN zusammen mit optischen Schichten extrudiert werden, um dem sich ergebenden Film eine gute Reißfestigkeit zu verleihen. Bei der Auswahl eines Materials für eine reißfeste Schicht zu berücksichtigende Faktoren umfassen die prozentuale Bruchdehnung, das Elastizitätsmodul, die Reißkraft, die Adhäsion an innere Schichten, den prozentualen Durchlaßgrad und dekadische Extinktion in einer interessierenden elektromagnetischen Bandbreite, optische Klarheit oder Trübung, Brechungsindizes als eine Funktion der Frequenz, Textur und Rauhigkeit, Wärmebeständigkeit gegen Schmelzen, Molekulargewichtsverteilung, Schmelz-Rheologie und gemeinsame Extrudierbarkeit, Mischbarkeit und die Rate der Diffusion untereinander zwischen Materialien in den Haut- und optischen Schichten, viskoelastische Antwort, Relaxationsund Kristallisationsverhalten unter Ziehbedingungen, Wärmebeständigkeit bei Gebrauchstemperaturen, Wetterbeständigkeit, die Fähigkeit, an Beschichtungen anzuhaften und Permeabilität gegenüber verschiedenen Gasen und Lösungsmitteln. Durchstoßoder reißfeste Hautschichten können während des Herstellungsprozesses oder später auf den optischen Film beschichtet oder laminiert werden. Diese Schichten an den optischen Film während des Herstellungsprozesses anzuheften, wie durch einen gemeinsamen Extrusionsprozeß, stellt den Vorteil bereit, daß der optische Film während des Herstellungsprozesses geschützt ist. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere durchstoß- oder reißfeste Schichten im optischen Film vorge sehen werden, entweder allein oder in Kombination mit einer Durchstoß- oder reißfesten Hautschicht.
Die Hautschichten können auf eine oder zwei Seiten desextrudierten innigen Gemischs an einem gewissen Punkt während der Extrusionsprozesses aufgetragen werden, d. h. bevor das extrudierte innige Gemisch und die Hautschicht (en) die Extrusionsdüse verlassen. Dies kann unter Verwendung einer herkömmlichen Koextrusionstechnologie erreicht werden, die die Verwendung einer Dreischicht-Koextrusionsdüse beinhaltet. Eine Laminierung von Hautschicht en) auf einen vorhergehend gebildeten Film eines extrudierten innigen Gemisches ist ebenfalls möglich. Die gesamten Hautschichtdicken können von etwa 2% bis etwa 50% der gesamten innige Gemisch/Hautschichtdicke reichen.
In einigen Anwendungen können während der Herstellung des optischen Films zusätzliche Schichten an die Außenseite der Hautschichten gemeinsam extrudiert oder angeheftet werden. Solche zusätzlichen Schichten können auch an den optischen Film in einer getrennten Beschichtungsoperation extrudiert oder beschichtet werden, oder können an den optischen Film als ein getrennter Film, eine Folie oder starres oder halbstarres Substrat wie ein Polyester (PET), Acryl- (PMMA), Polycarbonat, Metall oder Glas laminiert werden,
Ein weiter Bereich von Polymeren ist für Hautschichten geeignet. Von den vorwiegend amorphen Polymeren weisen geeignete Beispiele Copolyester, die auf einem oder mehreren von Terephthalsäure, 2,6-Naphthalen-Dicarbonsäure, Isophthalsäure Phthalsäure beruhen, oder ihre Alkylester-Gegenstücke, und Alkylendiole, wie Ethylen-Glykol auf. Beispiele teilkristalliner Polymere, die zur Verwendung in Hautschichten geeignet sind, sind 2,6-Polyethylen-Naphthalat, Polyethylen-Terephthalat und Nylonmaterialien. Hautschichten, die verwendet werden können, um die Zähigkeit des optischen Films zu erhö hen, umfassen Polyester mit hoher Dehnung, wie Ecdel^TM und PCTG 5445 (die von Eastman Chemical Co., Rochester, N.Y. kommerziell erhältlich sind) und Polycarbonate auf. Polyolefine, wie Polypropylen und Polyethylen, können ebenfalls für diesen Zweck verwendet werden, insbesondere, wenn mit einem Kompatibilisierungsmittel dafür gesorgt wird, daß sie am optischen Film haften.
Funktionelle Schichten
Verschiedene funktionelle Schichten oder Beschichtungen können den optischen Filmen und Vorrichtungen hinzugefügt werden, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, um ihre physikalischen oder chemischen Eigenschaften zu ändern oder zu verbessern, insbesondere längs der Oberfläche des Films oder der Vorrichtung. Solche Schichten oder Beschichtungen können zum Beispiel Gleitmittel, Rückseitenmaterialien mit niedriger Adhäsion, leitfähige Schichten, Antistatikbeschichtungen oder -Filme, Sperrschichten, entflammungsverzögernde Mittel, UV-Stabilisatoren, abriebbeständige Materialien, optische Beschichtungen oder Substrate aufweisen, die dazu bestimmt sind, die mechanische Integrität oder Festigkeit des Films oder der Vorrichtung zu verbessern.
Dem Film und den optischen Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können gute Gleiteigenschaften erteilt werden, indem sie mit reibungsarmen Beschichtungen oder Gleitmitteln behandelt werden, wie Polymerperlen, die auf die Oberfläche beschichtet werden. Alternativ kann die Morphologie der Oberflächen dieser Materialien modifiziert werden, wie durch Manipulation der Extrusionsbedingungen, um dem Film eine gleitende Oberfläche zu verleihen; Verfahren, durch die die Oberflächenmorphologie so modifiziert werden kann, werden im US-Patent Seriennummer 08/612,710 beschrieben.
In einigen Anwendungen, wie dort, wo die optischen Filme für die vorliegende Erfindung als eine Komponente in Klebebändern verwendet werden sollen, kann es wünschenswert sein; die Filme mit Rückseitenschlichte mit niedriger Adhäsion (LAB) Beschichtungen oder Filmen, wie jenen, die auf Urethan, Silikon oder Fluorcarbon-Chemie zu behandeln. Auf diese Weise behandelte Filme weisen gegenüber Haftklebern (PSAs) geeignete Ablöseeigenschaften auf, wodurch es ermöglicht wird, sie mit einem Klebemittel zu behandeln und zu Rollen zu wickeln. Auf diese Weise hergestellte Klebebänder können für Dekorationszwecke oder in irgendeiner Anwendung verwendet werden, wo eine diffus reflektierende oder durchlässige Oberfläche des Bandes wünschenswert ist.
Die Filme und optischen Vorrichtungen, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, können mit einer oder mehreren leitfähigen Schichten versehen werden. Solche leitfähigen Schichten können Metalle, wie Silber, Gold, Kupfer, Aluminium, Chrom, Nickel, Zinn und Titan, Metallegierungen, wie Silberlegierungen, rostfreien Stahl und Inconel, und Halbleitermetalloxide, wie dotierte und undortierte Zinnoxide, Zinkoxid und Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweisen.
Die Filme und optischen Vorrichtungen, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, können auch mit Antistatikbeschichtungen oder Filmen versehen werden. Solche Beschichtungen oder Filme umfassen zum Beispiel V₂O₅ und Salze von Sulfonsäurepolymeren, Kohlenstoff oder andere leitfähige Metallschichten.
Die optischen Filme und Vorrichtungen, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, können auch mit einem oder mehreren Sperrfilmen oder Beschichtungen versehen werden, die die Durchlaßeigenschaften des optischen Films zu bestimmten Flüssigkeiten oder Gasen hin verändern. So können zum Beispiel die Vorrichtungen und Filme für die vorliegende Erfindung mit Filmen oder Beschichtungen versehen werden, die den Durchlaß von Wasserdampf, organischen Lösungsmitteln, O₂ oder CO₂ durch den Film verhindern. Sperrbeschichtungen werden in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit besonders wünschenswert sein, wo Komponenten des Films oder der Vorrichtung einer Verzerrung infolge einer Feuchtigkeitsdurchdringung unterworfen sein könnten.
Die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können auch mit einem entflammungsverzögernden Mittel behandelt werden, insbesondere wenn sie in Umgebungen, wie an Flugzeugen verwendet werden, die strengen Feuerschutzbestimmungen unterworfen sind. Geeignete entflammungsverzögernde Mittel umfassen Aluminiumtrihydrat, Antimontrioxid, Antimonpentoxid und entflammungsverzögernde Organophosphat-Verbindungen.
Die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können auch mit abriebbeständigen oder harten Beschichtungen versehen werden, die häufig als eine Hautschicht aufgetragen werden. Diese umfassen Acryl-Hartbeschichtungen, wie Acryloid A-11 und Paraloid K-120N, die von Rohm & Haas, Philadelphia, PA erhältlich sind; Urethanacrylate, wie jene, die im US-Patent-Nr. 4,249,011 beschrieben werden, und jene, die von Sartomer Corp., Westchester, PA erhältlich sind; und Urethan-Hartbeschichtungen, die aus der Reaktion von aliphatischen Polyisocyanat (z. B. Desmodur N-3300, das von Miles, Inc., Pittsburgh, PA erhältlich ist) mit einem Polyester (z. B. Tone Polyol 0305, das von Union Carbide, Houston, TX erhältlich ist) erhalten werden.
Die optischen Filme und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können ferner auf starre oder halbstarre Substrate laminiert werden, wie zum Beispiel, Glas, Metall, Acryl, Polyester und andere Polymerträger, um eine strukturelle Steifigkeit, Wetterbeständigkeit oder einfachere Handhabung be reitzustellen. Zum Beispiel können die optischen Filme für die vorliegende Erfindung auf einen dünnen Acryl- oder Metallträger laminiert werden, der gestanzt oder anders geformt und in einer erwünschten Form gehalten werden kann. Für einige Anwendungen, z. B. wenn der optische Film auf andere zerbrechlich Träger aufgetragen wird, kann eine zusätzliche Schicht, die PET-Film oder durchstoß-reißfester Film verwendet werden.
Die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können auch mit splitterfesten Filmen und Beschichtungen versehen werden. Filme und Beschichtungen, die für diesen Zweck geeignet sind, werden zum Beispiel in den Veröffentlichungen EP 592284 und EP 591055 beschrieben, und sind von 3M Company, St. Paul, MN kommerziell erhältlich.
Verschiedene optische Schichten, Materialien und Vorrichtungen können auch auf die Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung für spezifische Anwendungen oder in Verbindung mit ihnen angewendet werden. Diese umfassen magnetische oder magnetooptische Beschichtungen oder Filme; Flüssigkristallanzeigetafeln, wie jene, die in Anzeigetafeln und Fenstern für den Privatbereich verwendet werden; photographische Emulsionen; Stoffe; Prismenfilme, wie lineare Fresnellinsen; Helligkeitsverstärkungsfilme; holographische Filme oder Bilder; prägbare Filme; Verfälschungssicherungsfilme oder -Beschichtungen; IR-transparenter Film für Anwendungen mit niedrigem Emissionsvermögen; Ablösungsfilme oder ablösebeschichtetes Papier; und Polarisatoren oder Spiegel, sind aber nicht auf sie beschränkt.
Es werden mehrere zusätzliche Schichten auf einer oder beiden Oberflächen des optischen Films erwogen, und sie können aus jeder Kombination der obenerwähnten Beschichtungen oder Filme bestehen. Wenn zum Beispiel ein Klebemittel auf den optischen Film aufgetragen wird, kann das Klebemittel ein weißes Pigment wie Titandioxid enthalten, um das Gesamtreflexionsvermögen zu erhöhen, oder es kann optisch transparent sein, um es zuzulassen, daß das Reflexionsvermögen des Substrats zum Reflexionsvermögen des optischen Films beiträgt.
Um die Rollenbildung und Konvertibilität des Films zu verbessern, können die optischen Filme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, auch ein Gleitmittel aufweisen, das in den Film eingebaut ist oder als eine getrennte Beschichtung hinzugefügt wird. In den meisten Anwendungen werden Gleitmittel nur auf eine Seite des Films hinzugefügt, idealerweise die Seite, die zum starren Substrat weist, um die Trübung zu minimieren.
Mikrohohlraumbildung
In einigen Ausführungsformen können die Materialien der zusammenhängenden und dispergierten Phasen so gewählt werden, daß die Grenzschicht zwischen den beiden Phasen ausreichend schwach ist, um zu einer Hohlraumbildung zu führen, wenn der Film orientiert wird. Die mittleren Abmessungen der Hohlräume können durch eine sorgfältige Manipulation der Verarbeitungsparameter und Dehnungsverhältnisse oder durch selektive Verwendung von Kompatibilisatoren gesteuert werden. Die Hohlräume können im fertiggestellten Produkt mit einer Flüssigkeit, einem Gas oder Feststoff hinterfüllt werden. Hohlraumbildung kann in Verbindung mit den Seitenverhältnissen und Brechungsindizes der dispergierten und zusammenhängenden Phasen verwendet werden, um im resultierenden Film wünschenswerte optische Eigenschaften zu erzeugen.
Mehr als zwei Phasen
Die optischen Körper, die in der vorliegenden. Erfindung verwendet werden, können auch aus mehr als zwei Phasen bestehen. So kann zum Beispiel ein optisches Material, das zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, aus zwei unterschiedlichen dispergierten Phasen innerhalb der zusammenhängenden Phase bestehen. Die zweite dispergierte Phase könnte ungeordnet oder nicht ungeordnet dispergiert in der zusammenhängenden Phase verteilt sein, und kann ungeordnet ausgerichtet oder längs einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sein.
Optische Körper, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können auch aus mehr als einer zusammenhängenden Phase bestehen. So kann in einigen Ausführungsformen der optische Körper zusätzlich zu einer ersten zusammenhängenden Phase und einer dispergierten Phase eine zweite Phase aufweisen, die in mindestens eine Dimension mit der ersten zusammenhängenden Phase kozusammenhängend ist. In einer besonderen Ausführungsform ist die zweite zusammenhängende Phase ein poröses, schwammförmiges Material, das koextensiv mit der ersten zusammenhängenden Phase ist (d. h. die erste zusammenhängende Phase erstreckt sich durch ein Netz von Kanälen oder Räumen, die sich durch die zweite zusammenhängende Phase erstrecken, ungefähr so, wie sich Wasser durch ein Netz von Kanälen in einem nassen Schwamm ausbereitet). In einer verwandten Ausführungsform liegt die zweite zusammenhängende Phase in der Form einer dendritischen Struktur vor, die in mindestens eine Dimension mit der ersten zusammenhängenden Phase koextensiv ist.
Mehrschicht-Kombinationen
Falls gewünscht, können eine oder mehrere dünne Lagen eines erfindungsgemäß hergestellten Films einer zusammenhängenden/ dispergierten Phase in Kombination mit oder als eine Komponente in einem Mehrschichtfilm verwendet werden (d. h. um das Reflexionsvermögen zu erhöhen). Geeignete Mehrschichtfilme umfassen die des Typs, der in WO 95/17303 (Ouderkirk u.a.) beschrieben wird. In einem solchen Aufbau können die einzelnen dünnen Lagen laminiert oder anders aneinander geheftet werden oder voneinander beabstandet sein. Wenn die optischen Dicken der Phasen innerhalb der dünnen Lagen im wesentlichen gleich sind (das heißt, wenn die beiden dünnen Lagen eine im wesentlichen gleiche und große Anzahl von Streuern gegenüber einfallendem Licht längs einer gegebenen Achse repräsentieren)., wird das Komposit mit einer etwas größeren Effizienz im wesentlichen dieselbe Bandbreite und denselben Spektralbereich des Reflexionsvermögens (d. h. „Band"), wie die einzelnen dünnen Lagen reflektieren. Wenn die optischen Dicken der Phasen innerhalb der dünnen Lagen nicht im wesentlichen gleich sind, wird das Komposit über eine breitere Bandbreite als die einzelnen Phasen reflektieren. Ein Komposit, das dünne Spiegellagen mit dünnen Polarisatorlagen kombiniert, ist zur Erhöhung des Gesamtreflexionsvermögens nützlich, während es noch durchgelassenes Licht polarisiert. Alternativ kann eine einzelne dünne Lage asymmetrisch und zweiachsig orientiert sein, um einen Film mit selektiven reflektierenden und polarisierenden Eigenschaften herzustellen.
5 stellt ein Beispiel dar, das in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Dort besteht ein optischer Körper aus einem Mehrschichtfilm 20, in dem sich die Schichten zwischen Schichten aus PEN 22 und Schichten aus co-PEN 24 abwechseln. Jede PEN-Schicht weist eine dispergierte Phase von syndiotaktischen Polystyrol (sPS) innerhalb einer Matrix aus PEN auf. Dieser Typ Aufbau ist darin wünschenswert, daß er eine niedrigere Nebenwinkelfarbe unterstützt. Da ferner die Schichtung oder der Einschluß der Streuer einen Lichtverlust ausmittelt, ist die Kontrolle über die Schichtdicke weniger kritisch, was es zuläßt, daß der Film toleranter gegenüber Variationen der Verarbeitungsparameter ist.
Jedes der vorher erwähnten Materialien kann als irgendeine der Schichten in dieser Ausführungsform oder als die zusammenhängende oder dispergierte Phase innerhalb einer besonderen Schicht verwendet werden. Jedoch sind PEN und co-PEN besonders als die Hauptkomponenten benachbarter Schichten erwünscht, da diese Materialien eine gute laminare Adhäsion unterstützen.
Auch sind eine Anzahl von Variationen in der Anordnung der Schichten möglich. So kann zum Beispiel dafür gesorgt werden, daß die Schichten durch einen Teil oder die Gesamtheit der Struktur einer wiederholten Abfolge folgen. Ein Beispiel davon ist ein Aufbau mit dem Schichtmuster ... ABCABC ..., wobei A, B und C unterschiedliche Materialien oder unterschiedliche innige Gemische oder Mischungen derselben oder unterschiedlicher Materialien sind, und wobei eines oder mehrere von A, B oder C mindestens eine dispergierte Phase und mindestens eine zusammenhängende Phase aufweisen. Die Hautschichten sind vorzugsweise dieselben oder chemisch ähnliche Materialien.
Antireflexschichten
Die Filme und andere optischen Vorrichtungen, die in der Erfindung verwendet werden, können auch eine oder mehrere reflexmindernde Schichten oder Beschichtungen aufweisen, wie zum Beispiel, herkömmliche optische vakuumbeschichtete dielektrische Metalloxid oder Metall/Metalloxid-Filme, Silika-Solgel- Beschichtungen, und beschichtete oder gemeinsam extrudierte reflexmindernde Schichten, wie jene die von Fluorpolymeren mit niedrigem Index, wie THV, einem extrudierbaren Fluorpolymer, das von 3M Company (St. Paul, MN) erhältlich ist, abgeleitet werden. Solche Schichten oder Beschichtungen, welche polarisationsempfindlich sein können oder nicht, dienen dazu, die Durchlässigkeit zu erhöhen und Refle xionsblendlicht zu reduzieren, und können den Filmen und optischen Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung durch eine. geeignete Oberflächenbehandlung verliehen werden, wie durch Beschichten oder Sputterätzen. Ein besonderes Beispiel einer reflexmindernden Beschichtung wird in den Beispielen 132-133 detaillierter beschrieben.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, für bestimmten Polarisationen von Licht die Durchlässigkeit zu maximieren und/oder die gerichtete Reflexion zu minimieren. In diesen Ausführungsformen kann der optische Körper zwei oder mehr Schichten aufweisen, bei denen mindestens eine Schicht ein Antireflexsystem in engem Kontakt mit einer Schicht aufweist, die die zusammenhängenden und dispergierten Phasen bereitstellen. Ein solches Antireflexsystem dient dazu, die gerichtete Reflexion des einfallenden Lichts zu reduzieren und die Menge des einfallenden Lichts zu erhöhen, das in den Anteil des Körpers eintritt, der die zusammenhängenden und dispergierten Schichten aufweist. Eine solche Funktion kann durch eine Vielfalt von Einrichtungen erreicht werden, die in der Technik wohlbekannt sind. Beispiele sind Viertelwellen-Antireflexschichten, ein Antireflexstapel mit zwei oder mehreren Schichten, Schichten mit abgestuften Index und Schichten mit abgestufter Dichte. Solche Antireflexfunktionen können auch auf der Seite des durchgelassen Lichts des Körpers verwendet werden, um das durchgelasse Lieht zu vermehren, falls gewünscht.
Schleiermindernde Schichten
Die Filme und andere optische Vorrichtungen, die in der Erfindung verwendet werden, können mit einem Film oder einer Beschichtung versehen werden, die schleiermindernde Eigenschaften verleiht. In einigen Fällen wird eine Antireflexschicht, wie sie oben beschrieben wird, einem doppelten Zweck dienen, dem Film oder der Vorrichtung sowohl reflexmindernde als auch schleiermindernde Eigenschaften zu verleihen. Es sind verschiedene schleiermindernde Mittel in der Technik bekannt, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Typischerweise werden diese Materialien jedoch Substanzen, wie Fettsäureester sein, die der Filmoberfläche hydrophobe Eigenschaften verleihen und die die Bildung eines zusammenhängenden, weniger trüben Films aus Wasser unterstützen.
Beschichtungen, die die Neigung von Oberflächen reduzieren, zu „beschlagen", sind durch mehrere Erfinder berichtet worden. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 3,212,909 von Leigh die Verwendung von Ammoniumseife, wie Alkylammoniumcarboxylaten in Mischung mit einem oberflächenaktiven Mittel, das ein sulfatiertes oder sulfoniertes Fettmaterial ist, um eine schleiermindernde Zusammensetzung zu bilden. US-Patent Nr. 3,075,228 von Elias offenbart die Verwendung von Salzen von sulfatiertem Alkyl-aryloxypolyalkoxy-Alkohol, ebenso wie Alkylbenzen-Sulfonate, um einen schleiermindernden Artikel zu erzeugen, der nützlich ist, verschiedenen Oberflächen zu reinigen und ihnen schleiermindernden Eigenschaften zu verleihen. US-Patent Nr. 3,819,522 von Zmoda offenbart die Verwendung von Tensidkombinationen, die Derivate von Decindiol ebenso wie Tensidmischungen, ethoxylierte Alkylsulfate, in einer schleiermindernden Fensterreinigertensidmischung aufweisen. Das japanische Patent Kokai Nr. Hei 6[1994]41,335 offenbart eine trübungs- und tropfverhindernde Zusammensetzung, die kolloidales Aluminiumoxid, kolloidales Silika und ein anionisches Tensid enthält. US-Patent Nr. 4,478,909 (Taniguchi u.a) offenbart einen ausgehärteten schleiermindernden Beschichtungsfilm, der Polyvinylalkohol, fein verteiltes Silika und eine organische Siliciumverbindung aufweist, wobei das Kohlenstoff/Silicium- Gewichtsverhältnis offensichtlich wich tig für die berichteten schleiermindernden Eigenschaften des Films ist. Es können verschiedene Tenside, einschließlich fluorenthaltende Tenside, verwendet werden, um die Oberflächenglattheit der Beschichtung zu verbesseren. Andere schleiermindernde Beschichtungen, die Tenside enthalten, werden in den US-Patenten 2,803,552, 3,022,178 und 3,897,356 beschrieben. Das Weltpatent Nr. PCT 96/ 18,691 (Scholtz u.a.) offenbart ein Mittel, durch das Beschichtungen sowohl schleiermindernde als auch reflexmindernde Eigenschaften verliehen werden können.
UV-Schutzschichten
Die Filme und optischen Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können vor UV-Strahlung durch die Verwendung von UV- stabilisierten Filmen oder Beschichtungen geschützt werden. Geeignete UV-stabilisierte Filme und Beschichtungen weisen jene auf, die Benzotriazole oder gehinderte Amin-Lichtstabilisatoren, (HALS) wie Tinuvin^TM 292 enthalten, die beide kommerziell von Ciba Geigy Corp., Hawthorne, NY erhältlich sind. Andere geeignete UV-stabilisierte Filme und Beschichtungen weisen jene auf, die Benzophenone oder Diphenylacrylate enthalten, die kommerziell von BASF Corp., Parsippany, NJ erhältlich sind. Solche Filme oder Beschichtungen werden besonders wichtig sein, wenn die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung in Außenanwendungen oder in Leuchten verwendet werden, wo die Quelle bedeutend Licht im UV-Bereich des Spektrums emittiert.
Oberflächenbehandlungen
Die Filme und anderen optischen Vorrichtungen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können verschiedenen Behandlungen unterzogen werden, die die Oberflächen dieser Materialien oder irgendeinen Teil derselben modifizie ren, wie indem sie für anschließende Behandlungen, wie Beschichten, Färben, Metallisieren oder Laminieren leitfähiger gemacht werden. Dies kann durch eine Behandlung mit Grundierungen, wie PVDC, PMMA, Epoxide und Aziridine, oder durch physikalische Grundierungsbehandlungen, wie Korona, Flamme, Plasma, Blitzlampe, Sputterätzen, Elektronenstrahl-Behandlungen, oder Amorphisieren der Oberflächenschicht, um Kristallinität zu entfernen, wie mit einer Wärmedose erreicht werden.
Schmiermittel
Es können verschiedene Schmiermittel während der Verarbeitung (z. B. Extrusion) der Filme für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Geeignete Schmiermittel zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Calciumstearat, Zinkstearat, Kupferstearat, Cobaltstearat, Molybdänneodocanoat und Ruthenium-(III)-Acetylacetonat.
Antioxidationsmittel
Antioxidationsmittel, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen 4,4'-Thiobis-(6-t-Butyl-m-Cresol), 2,2-Methylenbis-(4-Methyl-6-t-Butyl-Butylphenol), Octadecyl-3,5-di-t-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnamat, Bis-(2,4-di-t-Butylphenyl) Pentaerythritol-Diphosphit, Irganox^TM 1093 (1979)(((3,5-bis(1,1-Dimethylethyl)-4-Hydroxyphenyl)Methyl)-Dioctadecylester-Phosphonsäure), Irganox^TM 1098 (N,N'-1,6-Hexandiylbis(3,5-bis(1,1-Dimethyl)-4-Hydroxy-Benzenpropanamid), Naugaard^TM 445 (Arylamin), Irganox^TM L 57 (alkyliertes Diphenylamin), Irganox^TM L 115 (schwefelenthaltendes Bisphenol), Irganox^TM LO 6 (alkyliertes Phenyl-Delta-Napthylamin), Ethanox 398 (Flourphosphonit), und 2,2'-Ethylidenebis(4,6-dit-Butylphenyl)-fluorphosnit.
Eine Gruppe von Antioxidationsmitteln, die besonders bevorzugt sind, sind sterisch gehinderte Phenole, einschließlich butyliertes Hydroxytoluen (BHT), Vitamin E (Di-alpha-Tocopherol), Irganox^TM 1425WL(Calcium-bis-(0-ethyl(3,5-di-t-Butyl-4- Hydroxybenzyl))Phosphonat), Irganox^TM 1010 (Tetrakis(Methylen- (3,5,di-t-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnainat))Methan), Irganox^TM 1076 (Octadecyl-3,5-di-tert-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnamat), Ethanox^TM 702 (gehindertes Bis-Phenol), Etanox, 330 (gehindertes Phenol mit hohem Molekulargewicht) und Ethanox^TM 703 (gehindertes Phenoliamin).
Farbstoffe, Pigmente, Tinten, und Abbildungsschichten
Die Filme und optischen Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können mit Tinten, Farbstoffen oder Pigmenten behandelt werden, um ihr Aussehen zu ändern oder sie für spezifische Anwendungen an Kundenwünsche anzupassen. So können zum Beispiel die Filme mit Tinten oder anderen gedruckten Freistempeln (engl. indicia) behandelt werden, wie jene, die verwendet werden, um eine Produktidentifikation, Werbung, Warnungen, Dekoration oder eine andere Information anzuzeigen. Es können verschiedene Techniken verwendet werden, um auf den Film zu drucken, wie Siebdruck, Hochdruck, Offset, Flexographiedruck, Tüpfeldruck, Laserdruck und so weiter, und es können verschiedene Tintenarten verwendet werden, einschließliche Tinten mit ein und zwei Komponenten, oxidativ trocknende und UV-trocknende Tinten, gelöste Tinten, dispergierte Tinten, und 100%-Tintensysteme.
Das Aussehen des optischen Films kann auch durch Färben des Films geändert werden, wie durch Laminieren eines gefärbten Films an den optischen Film, Auftragen einer pigmentierten Beschichtung auf die Oberfläche des optischen Films, oder Einbauen eines Pigments in eine oder mehrere der Materialien (z. B. die zusammenhängende oder dispergierte Phase), die verwendet werden, um den optischen Film herzustellen.
Sowohl sichtbare als auch nahe IR-Farbstoffe und Pigmente werden in der vorliegenden Erfindung erwogen, und weisen zum Beispiel optische Aufheller, wie Farbstoffe auf, die im UV absorbieren und im sichtbaren Bereich des Farbspektrums fluoreszieren. Andere zusätzliche Schichten, die hinzugefügt werden können, um das Aussehen des optischen Films zu ändern, weisen zum Beispiel trübende (schwarze) Schichten, streuende Schichten, holographische Bilder oder holographische Diffusoren und Metallschichten auf. Alle von diesen können direkt auf eine oder beide Oberflächen des optischen Films aufgetragen werden, oder können eine Komponente eines zweiten Films oder einer Folienkonstruktion sein, die auf den optischen Film laminiert ist. Wechselweise können einige Komponenten, wie trübende oder streuende Mittel, oder gefärbte Pigmente in eine Klebeschicht eingebaut werden, die verwendet wird, um den optischen Film auf eine andere Oberfläche zu laminieren.
Die Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung können auch mit Metallbeschichtungen versehen werden. So kann zum Beispiel eine Metallschicht durch Pyrolyse, Pulverbeschichtung, Dampfabscheidung, Kathodensputtern, Ionenplattierung und dergleichen direkt auf den optischen Film aufgetragen werden. Metallfolien oder starre Metallplatten können ebenfalls auf den optischen Film laminiert werden, oder es können getrennte Polymerfilme oder Glas oder Kunststoffplatten zuerst unter Verwendung der obenwerwähnten Techniken metallisiert werden und dann auf die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung laminiert werden.
Dichroitische Farbstoffe sind für viele der Anwendungen, auf die die Filme und optischen Vorrichtungen für die vorliegenden Erfindung gerichtet sein können, infolge ihrer Fähigkeit, Licht einer besonderen Polarisation zu absorbieren, wenn sie molekular innerhalb des Materials ausgerichtet sind, ein besonders nützlicher Zusatzstoff. Wenn sie in einem Film oder anderem Material verwendet werden, das vorwiegend nur eine Polarisation von Licht streut, veranlaßt der dichroitische Farbstoff das Material, nur eine Polarisation von Licht mehr als eine andere zu absorbieren. Geeignete dichroitische Farbstoffe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Congo Red (Natrium-Diphenyl-bis-α-Naphthylamin-Sulfonat), Methylenblau, Stilbenfarbstoff (Farbenindex (CI) = 620), und 1,1'-Diethyl-2,2'-Cyaninchlorid (CI = 374 (Orange) oder CI = 518 (Blau)). Die Eigenschaften dieser Farbstoffe, und Verfahren zu ihrer Herstellung werden in E.H. Land, Colloid Chemistry (1946) beschrieben. Diese Farbstoffe weisen einen bemerkenswerten Dichroismus in Polyvinylalkohol und einen kleineren Dichroismus in Zellulose auf. Ein geringfügiger Dichroismus wird bei Congo Red in PEN beobachtet.
Andere geeignete Farbstoffe umfassen die folgenden Materialien:
Die Eigenschaften dieser Farbstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung werden in der Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, B. 8, S. 652–661 (4. Ausg. 1993), und in den darin zitierten Verweisquellen erläutert.
Wenn ein dichroitischer Farbstoff in den optischen Kör- pern verwendet wird, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kann er entweder in die zusammenhängende oder dispergierte Phase eingebaut werden. Jedoch wird es bevorzugt, daß der dichroitische Farbstoff in die dispergierte. Phase eingebaut wird.
Dichroitische Farbstoffe weisen in Kombination mit bestimmten Polymersystemen die Fähigkeit auf, Licht in variierenden Maßen zu polarisieren. Polyvinylalkohol und bestimmte dichroitische Farbstoffe können verwendet werden, Filme mit der Fähigkeit herzustellen, Licht zu polarisieren. Andere Polymere, wie Polyethylen-Terephthalat oder Polyamide, wie Nylon-6, zeigen eine nicht so starke Fähigkeit, Licht zu polarisieren, wenn sie mit einem dichroitischen Farbstoff kombiniert werden. Es heißt, daß die Kombination aus Polyvinylalkohol und dichroitischem Farbstoff ein höheres Dichroismusverhältnis als zum Beispiel derselbe Farbstoff in einem anderen Film aufweist, der Polymersysteme bildet. Ein höheres Dichroismusverhältnis zeigt eine höhere Fähigkeit an, Licht zu polarisieren.
Eine molekulare Ausrichtung eines dichroitischen Farbstoffes innerhalb eines optischen Körpers, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird vorzugsweise durch Dehnung des optischen Körpers erzielt, nachdem der Farbstoff darin eingebaut worden ist. Jedoch können auch andere Verfahren verwendet werden, um eine molekulare Ausrichtung zu erzielen. So wird in einem Verfahren der dichroitische Farbstoff, wie durch Sublimation oder durch Kristallisation aus einer Lösung, in eine Reihe von länglichen Kerben kristallisiert, die in die Oberfläche eines Films oder anderen optischen Körpers geschnitten, geätzt oder anders geformt werden, entweder bevor oder nachdem der optische Körper orientiert worden ist. Die behandelte Oberfläche kann dann mit einer o der mehreren Oberflächeschichten beschichtet werden, kann in eine Polymermatrix eingebaut werden oder in einer Mehrschichtstruktur verwendet werden, oder kann als eine Komponente eines anderen optischen Körpers genutzt werden. Die Kerben können gemäß einem vorbestimmten Muster oder Diagramm und mit einem vorbestimmten Abstandbetrag zwischen den Kerben erzeugt werden, um wünschenswerte optische Eigenschaften zu erzielen.
In einer verwandten Ausführungsform, kann der dichroitische Farbstoff innerhalb einer oder mehrerer Hohlfasern oder anderer Röhren angeordnet werden, entweder vor oder nachdem die Hohlfasern oder Röhren innerhalb des optischen Körpers angeordnet werden. Die Hohlfasern oder Röhren können aus einem Material aufgebaut sein, dass dasselbe wie das umgebende Material des optischen Körpers ist oder sich davon unterscheidet.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird der dichroitische Farbstoff längs der Schichtgrenzfläche eines Mehrschichtaufbaus angeordnet, wie durch Sublimation auf die Oberfläche einer Schicht, bevor sie in den Mehrschichtaufbau eingebaut wird. In noch weiteren Ausführungsformen wird der dichroitische Farbstoff verwendet, um mindestens teilweise die Hohlräume in einem Mikrohohlraumfilm zu hinterfüllen, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Klebemittel
Klebemittel können verwendet werden, um die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung an einen anderen Film, eine Oberfläche oder ein Substrat zu laminieren. Solche Klebemittel umfassen sowohl optisch klare und diffuse Klebemittel, ebenso wie haftende und nicht haftende Klebemittel. Haftklebemittel sind normalerweise bei Raumtemperatur klebrig und können an eine Oberfläche durch die An wendung von höchstens einem leichten Fingerdruck angeheftet werden, während nichthaftende Klebemittel Klebesysteme aufweisen, die durch Lösungsmittel, Wärme oder Strahlung aktiviert werden. Beispiele von Klebemitteln, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen jene, die auf allgemeine Zusammensetzungen von Polyacrylat; Polyvinylether, Dien-enthaltenden Gummis, wie Naturkautschuk, Polyisopren und Polyisobutylen; Polychloropren; Butylgummi; Butadien-acrylonitril-Polymere; thermoplastische Elastomere; Blockcopolymere, wie Styrolisopren und Styrolisopren-Styrol-Blockcopolymere, Ethylen-propylen-dien-Polymere und Styrol-Butadienpolymere; Polyalphaolefine; amorphe Polyolefine; Silicon; Ethylen-enthaltende Copolymere, wie Ethylenvinylacetat, Ethylacrylat und Ethylmethacrylat; Polyurethane; Polyamide; Polyester; Epoxide; Polyvinylpyrrolidon und Vinylpyrrolidon-Copolymere und Mischungen der obigen beruhen.
Zusätzlich kann das Klebemittel Zusatzstoffe, wie Klebrigmacher, Weichmacher, Füller, Antioxidationsmittel, Stabilisatoren, Pigmente, zerstreuende Teilchen, Aushärtungsmittel und Lösungsmittel enthalten. Wenn ein laminierendes Klebemittel verwendet wird, um einen optischen Film für die vorliegende Erfindung an eine andere Oberfläche zu heften, werden die Klebemittezusammensetzung und Dicke vorzugsweise so gewählt, daß sie die optischen Eigenschaften des optischen Films nicht beeinträchtigen. Wenn zum Beispiel zusätzliche Schichten an einen optischen Polarisator oder Spiegel laminiert werden, wobei ein hoher Durchlaßgrad erwünscht ist, sollte das Laminierungsklebemittel in dem Wellenlängenbereich optisch klar sein, in dem der Polarisator oder Spiegel dazu bestimmt ist, transparent zu sein.
Andere Zusatzstoffe
Zusätzlich zu den obenerwähnten Filmen, Beschichtungen und Zusatzstoffen können die optischen Materialien für die vorliegende Erfindung andere Materialien oder Zusatzstoffe aufweisen, die in der Technik bekannt sind. Solche Materialien umfassen Bindemittel, Beschichtungen, Füller, Kompatibilisierungsmittel, Tenside, antimikrobielle Mittel, Schaummittel, Verstärkungsmittel, Wärmestabilisatoren, Schlagmodifizierer, Weichmacher, Viskositätsmodifizierer und andere solche Materialien.
Anwendungen der vorliegenden Erfindung
Die optischen Körper, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind besonders als diffuse Polarisatoren nützlich. Jedoch können erfindungsgemäß auch optische Körper hergestellt werden, die als Reflexionspolarisatoren oder diffuse Spiegel arbeiten. In diesen Anwendungen ist der Aufbau des optischen Materials ähnlich zu jenem in den oben beschriebenen Diffusoranwendungen. Jedoch werden diese Reflektoren im allgemeinen längs mindestens einer Achse einen sehr viel größeren Unterschied im Brechungsindex aufweisen. Dieser Indexunterschied beträgt typischerweise mindestens etwa 0,1, bevorzugter etwa 0,15 und am bevorzugtesten 0,2.
Reflektierende Polarisatoren weisen längs einer Achse einen Brechungsindexunterschisd und längs einer anderen im wesentlichen angepaßte Indizes auf. Andererseits differieren Reflexionsfilme im Brechungsindex längs mindestens zwei in der Filmebene liegenden orthogonalen Achsen. Jedoch müssen die Reflexionseigenschaften dieser Ausführungsformen nicht nur unter Verlaß auf Brechungsindexfehlanpassungen erhalten werden. So könnte zum Beispiel die Dicke der Filme eingestellt werden, um einen gewünschten Reflexionsgrad zu erhalten. In einigen Fällen kann die Einstellung der Dicke des Films bewirken, daß der Film von einem Durchlaßdiffusor zu einem diffusen Reflektor übergeht.
Der reflektierende Polarisator, der für die vorliegende Erfindung geeignet ist, weist viele unterschiedliche Anwendungen auf, und ist besonders in Flüssigkristallanzeigetafeln nützlich. Zusätzlich kann der Polarisator aus PEN oder ähnlichen Materialien aufgebaut werden, die gute Ultraviolettfilter sind und die effizient ultraviolettes Licht bis zur Gremze des sichtbaren Spektrums absorbieren. Der Reflexionspolarisator kann auch als ein Dünnschicht-Infrarotpolarisator verwendet werden.
Fensteranordnungen
Die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung sind zur Verwendung bei Fensteranordnungen geeignet, wie Dachfenster oder Fenster für den Privatbereich, wo eine diffuse Durchlassung von Licht erwünscht ist und Transparenz oder Klarheit der Fensteranordnung entweder überflüssig oder unerwünscht ist. In solchen Anwendungen können die optischen Filme für die vorliegende Erfindung in Verbindung mit herkömmlichen Verglasungsmaterialien wie Plastik oder Glas oder als Komponenten davon verwendet werden. Es kann dafür gesorgt werden, daß auf diese Weise hergestellte Verglasungsmaterialien polarisationsspezifisch sind, so daß die Fensteranordnung für eine erste Polarisation- des Lichts im wesentlichen transparent ist, jedoch eine zweite Polarisation des Lichts im wesentlichen reflektiert, wodurch Blendlicht beseitigt oder reduziert wird. Die physikalischen Eigenschaften der optischen Filme können ebenfalls modifiziert werden, wie hierin gelehrt wird, so daß die Verglasungsmaterialien Licht einer oder beider Polarisationen innerhalb eines bestimmten Bereichs des Spektrums (z. B. den UV-Bereich) reflektieren werden, während Licht einer oder beider Polarisationen in einem anderen Bereich (z. B. dem sichtbaren Bereich) durchgelassen wird.
Die optischen Filme, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, können auch verwendet werden, um dekorative Fensteranordnungen bereitzustellen, die Licht spezifischer Wellenlängen durchlassen. Solche Fensteranordnungen können zum Beispiel verwendet werden, um einem Raum eine spezifische Farbe oder Farben (z. B. Blau oder Gold) zu verleihen, oder sie können verwendet werden, um deren Dekor zu betonen, wie durch die Verwendung der Wellenlänge spezifischer Leuchttafeln.
Die optischen Filme für die vorliegende Erfindung können in Verglasungsmaterialien auf verschiedenen Arten eingebaut werden, wie sie in der Technik bekannt sind, wie durch Beschichtung oder Extrusion. So sind in einer Ausführungsform die optischen Filme an die Gesamtheit oder einen Abschnitt der Außenfläche eines Verglasungsmaterials entweder durch Laminierung oder die Verwendung eines optischen Klebemittels angeheftet. In einer anderen Ausführungsform sind die optischen Filme für die vorliegende Erfindung zwischen zwei Platten aus Glas oder Kunststoff angeordnet, und das sich ergebende Komposit wird in eine Fensteranordnung, eingebaut. Natürlich können dem optischen Film irgendwelche zusätzlichen Schichten oder Beschichtungen (z. B. UV-absorbierende Schickten, schleiermindernde Schichten oder reflexmindernde Schichten) gegeben werden, wie sie hierin beschrieben werden, um ihn für die spezifische Anwendung geeigneter zu machen, auf die er ausgerichtet ist.
Beleuchtungsvorrichtungen
Die optischen Filme für die vorliegende Erfindung werden in verschiedenen Beleuchtungsvorrichtungsanwendungen verwendet, insbesondere jenen, in denen polarisiert emittiertes Licht bevorzugt wird. Eine typische Beleuchtungsvorrichtung enthält eine Lichtquelle und verschiedene andere Elemente, die ein reflektierendes Element (das typischerweise hinter der Lichtquelle angeordnet ist), ein Polarisationselement (das typischerweise am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet ist), und ein Streuelement aufweisen können, das die Lichtquelle vor einer direkten Betrachtung verbirgt. Diese Elemente können in verschiedenen Konfigurationen innerhalb eines Gehäuses angeordnet werden, die durch ästhetische und/oder funktionell Überlegungen diktiert werden.
Die Lichtquellen, die am besten zur Verwendung mit den optischen Filmen in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind diffuse Lichtquellen, die Licht emittieren, das einen hohen Streugrad oder Zufälligkeit bezüglich sowohl der Polarisation als auch der Richtung aufweist. Solche diffusen Quellen weisen vorzugsweise einen lichtemittierenden Bereich und einen lichtereflektierenden, zerstreuenden und/oder Depolarisationsbereich auf. Abhängig von der besonderen Anwendung, auf die die Beleuchtungsvorrichtung ausgerichtet ist, kann die diffuse Quelle eine Fluoreszenzlampe, eine Glühlampe, eine Feststoffquelle oder eine Elektrolumineszenz- (EL) Lichtquelle oder eine Metall-Halogen-Lampe sein. Die Quelle kann auch eine zufällig verteilende Depolarisationsoberfläche sein, die in Kombination mit einer Punktlichtquelle, einer entfernten Lichtquelle oder sogar eine Sonnenbeleuchtung verwendet wird, wobei die letztgenannte zum diffusen Polarisator durch eine freie Ausbreitung im Raum, ein Linsensystem, einen Lichtleiter, einer polärisationserhaltenden Lichtführung oder durch andere Mittel übertragen wird, wie sie in der Technik bekannt sind.
In einer Fluoreszenzlampe, wie einer Warm- oder Kaltkathodenlampe des Typs, der in einer typischen hintergrundbeleuchteten LCD verwendet wird, sind der lichtemittierende Be reich und die lichtereflektierenden, zerstreuenden und Depolarisationsbereiche in den Leuchtstoffen kombiniert, die all diesen Funktionen dienen. In dem Fall, wo ein stark gebündelter Lichtstrahl erwünscht ist, kann das reflektierende Polarisationselement optisch so konfiguriert werden, daß es die zurückgeworfene Polarisation auf den lichtemittierenden Bereich zurück abbildet, der typischerweise ein Glühfaden oder ein Lichtbogen sein wird. Der lichtemittierende Bereich kann sowohl als die Lichtquelle als auch der Depolarisationsbereich dienen. Alternativ kann die Lichtquelle einen lichtemittierenden Bereich und einen getrennten zufällig verteilenden Reflektor aufweisen.
Wie vorhergehend beschrieben, können die optischen Filme, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, entweder einen diffus reflektierenden Polarisationsfilm (DRPF) aufweisen, in dem Licht einer Polarisationsebene durchgelassen wird und Licht der anderen Polarisationsebene diffus reflektiert wird, oder es kann ein diffus reflektierender Spiegelfilm (DRMF) sein, in dem beide Polarisationsebenen diffus vom Film reflektiert werden. Als solcher kann der optische Film für die vorliegende Erfindung in einer Beleuchtungsvorrichtung als das reflektierende Element und/oder das Polarisationselement verwendet werden. Da der Film diffus reflektierend und optisch durchscheinend ist, ist kein getrenntes Streuelement, notwendig und der vorliegende optische Film kann sowohl als das Streuelement als auch als das Polarisationselement dienen.
Optische Filme, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, können in herkömmlichen Leuchtkörpern verwendet werden, die Jalousien verwenden, um sowohl das Licht zu richten, als auch um die Lichtquelle vor einem direkten Anblick zu verbergen. Wenn Filme für die vorliegende Erfindung laminiert oder anders neben herkömmlich verspiegelten Jalousien angeordnet werden, dann könnte eine Polarisation des Lichts diffus reflektiert werden, wohingegen die zweite Polarisation des Lichts gerichtet werden könnte (z. B. nahezu vertikal) um das Blendlicht über dem gesamten beleuchteten Bereich zu minimieren.
Man könnte sich die Verwendung von mindestens zwei Stücken des optischen Films für die vorliegende Erfindung vorstellen, wobei einer bezüglich des anderen drehbar ist, die in Beleuchtungsvorrichtungen verwendet werden, so daß die Intensität und/oder das Maß des polarisierten Lichts für die spezifischen Bedürfnisse der unmittelbaren Umgebung kontrolliert oder abgestimmt werden können.
Für jene Anwendungen, wo kein polarisiertes Licht erforderlich ist, wie in typischen Leuchten, die zur Bürobeleuchtung verwendet werden, besteht die Beleuchtungsvorrichtung im allgemeinen aus einem Gehäuse, das eine Lichtquelle enthält, wie einem Fluoreszenzkolben, einem reflektierenden Element hinter der Lichtquelle und einem Streuelement. Die Quelle kann irgendeine der oben angegebenen Lichtquellen sein (z. B. eine Fluoreszenzlampe). Das reflektierende Element kann irgendeine reflektierende Oberfläche sein, einschließlich zum Beispiel eines angemalten weißen Reflektors, eines metallisierten Films, wie reflektierenden Film der Marke Silverlux ^TM (der kommerziell von 3M Company, St. Paul, NN erhältlich ist), einer reflektierenden Metalloberfläche, wie poliertem Aluminium, oder eines reflektierenden mehrschichtigen, doppelbrechenden Spiegelfilms, wie jenen, der in WO 95/17303 und WO 96/19374 beschrieben wird und. hierin als Verweis aufgenommen wird. In einer Ausführungsform kann der DRMF des vorliegenden Films, wie, hierin beschrieben, als das reflektierende Element in einer nichtpolarisierten Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden. Der DRMF kann zusätzlich entweder durch Dampfbeschichtung oder Laminieren eines reflektierenden Me talls auf die Rückseite des DRMF metallisiert werden, um das Gesamtreflexionsvermögen zu verbessern.
Viele Anwendungen erfordern polarisiertes Licht, um richtig zu funktionieren. Beispiele solcher Anwendungen umfassen optische Anzeigen, wie Flüssigkristallanzeigen (LCDs), die verbreitet für Laptop-Computer, Taschenrechner, digitale Uhren, Automobil-Instrumententafelanzeigen und dergleichen, und polarisierte Leuchten und Arbeitsbeleuchtung verwendet werden, die von polarisiertem Licht gebrauch machen, um den Kontrast zu erhöhen und Blendlicht zu reduzieren. Für Anwendungen, wo polarisiertes Licht erwünscht ist, besteht die Beleuchtungsvorrichtung im allgemeinen aus einem Gehäuse, das eine Lichtquelle enthält, und einem Polarisationselement, und kann zusätzlich ein reflektierendes Element und/oder ein Streuelement aufweisen. Die Lichtquelle kann irgendeine der oben beschriebenen Lichtquellen sein (z. B. eine Fluoreszenzlampe), jedoch ist sie vorzugsweise eine diffuse Lichtquelle, die Licht emittiert, das ein hohes Maß an Streuung oder Zufälligkeit bezüglich sowohl der Polarisation als auch der Richtung aufweist. Das reflektierende Element, falls vorhanden, kann irgendeines der oben beschriebenen reflektierenden Materialien sein, oder kann auch der BRMF für die vorliegende Erfindung sein. Das Polarisationselement kann irgendeinen Polarisator aufweisen, einschließlich absorbierender dichroitischer, dielektrischer oder cholesterischer Dünnschichtpolarisatoren, besteht jedoch vorzugsweise aus dem doppelbrechenden reflektierenden Mehrschichtpolarisator, der in WO 95/17303, und W0 96/19347 beschrieben wird.
Absorbierende Polarisatoren verwenden typischerweise dichroitische Farbstoffe, die Licht einer Polarisationsorientierung stärker als die orthogonale Polarisationsorientierung durchlassen. Wenn ein absorbierender Polarisator zum Beispie^l in einer Anzeige oder polarisierten Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird, trägt das absorbierte Licht nicht zur Beleuchtung und folglich zur Gesamthelligkeit der LCD oder Leuchte bei. Die Verwendung solcher Polarisatoren in Beleuchtungsanwendungen wird in den in US-Patenten Nr. 3,124,639 (Kahn), 3,772,128 (Kahn) und 4,796,160 (Kahn), und in den US-Patenten Nr. 5,184,881 (Karpen) und 5,359,498 (Karpen) beschrieben. Vakuumabgeschiedene, dielektrische Dünnfilmpolarisatoren absorbieren nicht, wie es dichroitische Polarisatoren tun, leiden jedoch unter anderen Nachteilen, wie unter einer mangelhaften Winkelantwort und einer schlechten spektralen Durchlassung für nicht vorgesehene Wellenlängen. Zusätzlich werden sie herkömmlich auf stabile Substrate beschichtet, wie massives optisches Glas oder Polymersubstrate, und dies kann sie zur Verwendung in Beleuchtungsanwendungen zu massig und schwer machen, die ein geringes Gewicht und kleines Profil erfordern. Für einige Beleuchtungsanwendungen können diese Polarisatoren mit einer geeigneten Lichtquelle und dem DRMF für die vorliegende Erfindung kombiniert werden, um eine polarisierte Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen.
Die bevorzugten reflektierenden Polarisatoren lassen spiegelnd Licht einer gewünschten Polarisation durch und reflektieren Licht einer anderen Polarisation. Licht, das durch eine diffuse Quelle erzeugt wird, ist zufällig polarisiert und weist daher Polarisationskomponenten (a) und (b) auf. Dieses Licht fällt auf das reflektierende Polarisationselement. Das reflektierende Polarisationselement ist angepaßt, Licht mit einer ersten Polarisationskomponente durchzulassen (in diesem Beispiel die Polarisationskomponente (a)), und Licht mit der orthogonalen Polarisationskomponente zu reflektieren (in diesem Beispiel (b)). Folglich wird Licht der Polarisationskomponente (a) durch das reflektierende Polarisationselement durchgelassen, während Licht der Polarisationskomponente (b) zurück in die Beleuchtungsvorrichtung reflek tiert wird, wo es zufällig verteilt wird. Etwas des anfänglich zurückgeworfenen Lichts wird folglich in die gewünschte Polarisation umgewandelt und wird spiegelnd durch das reflektierende Polarisationselement durchgelassen. Dieser Prozeß geht weiter, und die wiederholten Reflexionen und anschließende zufällige Verteilung des Lichts der unerwünschten Polarisation erhöht die Menge des Lichts der erwünschten Polarisation, die aus der diffusen polarisierten Beleuchtungsvorrichtung emittiert wird. Das Ergebnis ist ein sehr effizientes System zur Erzeugung von Licht einer gewünschten Polarisation. Die wiederholten Reflexionen und zufälligen Verteilungen, die durch die Kombination der diffusen Quelle und des reflektierenden Polarisationselements bewirkt werden, bilden einen effizienten Mechanismus zur Umwandlung von Licht vom Zustand (b) in den Zustand (a). Das System ist, in dem Sinne effizient, daß Licht, das andernfalls absorbiert worden und daher nicht verfügbar wäre, stattdessen in die gewünschte Polarisation umgewandelt wird. Eine Beleuchtungsvorrichtung, die ein solches Polarisationselement verwendet, macht folglich einen sehr viel effizienteren Gebrauch von dem Licht, das aus der Quelle emittiert wird, da Licht der zurückgeworfenen Polarisation zurück in die Quelle reflektiert und zufällig verteilt wird. Als Ergebnis wird die Gesamtmenge des Lichts, das aus der Vorrichtung in der erwünschten Polarisation emittiert wird, erhöht. Die Verwendung eines doppelbrechenden reflektierenden Mehrschichtpolarisationsfilms (RPF) in Beleuchtungsanwendungen wird in dem dem Anmelder gemeinsam übertragenen US-Patent 6 101 032 beschrieben. Diese Anmeldungen beschreiben die Verwendung der Mehrschicht-RPF in Beleuchtungsanwendungen, insbesondere in LCD-Anzeigen und polarisierten Leuchten. Das reflektierende Polarisationselement dieser Anwendungen läßt Licht einer gewünschten Polarisation durch und reflektiert spiegelndes Licht einer anderen Polari sation in die diffuse Quelle zurück, wo es zufällig verteilt wird. Wenn eine Mehrschicht-RPF auf diese Weise verwendet wird, wird in Leuchten oder Arbeitsbeleuchtungsanwendungen typischerweise ein getrennter Diffusorfilm verwendet, so daß die Lichtquelle nicht direkt sichtbar ist. Es ist vorzugsweise auch ein reflektierendes Element in diesen polarisierten Beleuchtungsvorrichtungen enthalten, und das reflektierende Element kann den BRMF für die vorliegende Erfindung oder irgendeine andere geeignete reflektierende Oberfläche aufweisen, die entweder das aus der RPF reflektierte Licht zufällig verteilt oder das reflektierte Licht in eine Diffuserquelle zurück reflektiert, wo es zufällig verteilt und teilweise in die korrekte Polarisation umgewandelt werden kann, um durch das Polarisationselement durchgelassen zu werden.
Der DRPF, der für die vorliegende Erfindung geeignet ist, funktioniert ähnlich zum Mehrschicht-RPF, um die Menge des Lichts der gewünschten Polarisation zu erhöhen, die durch die polarisierte Beleuchtungsvorrichtung emittiert wird, jedoch wird das anfänglich zurückgeworfene Licht der falschen Polarisation diffus in die Beleuchtungsvorrichtung zurück reflektiert, wo es zufällig verteilt, teilweise in Licht der korrekten Polarisation umgewandelt, und spiegelnd durch das Polarisationselement durchgelassen werden, kann. Der diffuse reflektierende Polarisationsfilm (DRPF) für die vorliegende Erfindung ist durchscheinend, so daß kein getrennter Diffusor benötigt wird. Wenn er mit der Lichtquelle kombiniert wird, um eine diffus reflektierende polarisierte Beleuchtungsvorrichtung herzustellen, wird vorzugsweise auch ein reflektierendes Element eingeschlossen, um das reflektierte Licht zurück zur Quelle zu reflektieren und/oder bei der zufälligen Verteilung und teilweisen Umwandlung des reflektierten Lichts in Licht der korrekten Polarisation zu helfen, die durch das Polarisationselement durchgelassen werden soll. Das reflek tierende Element kann irgendein geeignetes reflektierendes Material sein, wie oben beschrieben, und kann insbesondere der DRMF für die vorliegende Erfindung sein. Als solcher kann der DRMF, der für die vorliegende Erfindung geeignet ist, in einer Ausführungsform als das reflektierende Element verwendet werden, und der DRPF für die vorliegende Erfindung kann als das Polarisationselement und/ oder das Streuelement verwendet werden.
In den hierin beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen kann die Lichtquelle mit dem Polarisationselement und dem reflektierenden Element in einer Vielzahl von Konfigurationen gekoppelt sein. Einige der Konfigurationen werden bezüglich der Verwendung des diffus reflektierenden Polarisationsfilms (DRPF) für die vorliegende Erfindung als das Polarisationselement und des diffus reflektierenden Spiegelfilms (DRMF) für die vorliegende Erfindung als das reflektierende Element beschrieben, jedoch sollte erkannt werden, daß man sich verschiedene Kombinationen des DRPF mit anderen Materialien als dem reflektierenden Element und des DRMF mit anderen Materialien als dem Polarisationselement vorstellen kann. In einer Konfiguration kann der DRPF um die diffuse Quelle gewickelt werden, so daß er sie vollständig einschließt. Es kann zusätzlich zur Lichtquelle und dem DRPF ein getrennter Reflektor verwendet werden. Der Reflektor kann ein diffus reflektierender Film (DRMF) sein, der das Licht der Polarisation (b) zufällig verteilt, das vom DRPF reflektiert wird, oder er kann ein spiegelnder Reflektor sein, der das Licht zum lichtemittierenden Bereich einer diffus zufällig verteilenden Lichtquelle umleitet. Der DRMF kann um eine Seite der Lichtquelle orientiert sein und kann laminiert oder anderweitig an der Lichtquelle befestigt sein. In der Konfiguration kann auch der DRPF laminiert oder anderweitig befestigt sein, so daß er die andere Seite der Lichtquelle einschließt.
Die Ausführungsformen der vorliegenden polarisierten Lichtquelle, die den DRPF verwendet, weisen mehrere Vorteile auf. Der Reflexions- und zufällige Verteilungsprozeß, der mit der Lichtquelle und dem DRPF erzielt wird, ergibt eine polarisierte Beleuchtungsvorrichtung, die sehr effizient ist. Das Breitband-Reflexionsvermögen, das durch den DRPF bereitgestellt wird, bedeutet, daß die Effizienz über einen breiten Spektralbereich erzielt wird. Zusätzlich stellt der DRPF ein hohes winkelfernes Reflexionsvermögen der zurückgeworfenen Polarisation bereit. Diese Merkmale machen die Kombination DRPF/ diffuse Quelle über einen breiteren Bereich des optischen Spektrums und, über einen breiteren Bereich von Winkeln als die Ausführungsformen nützlich, die massive optische Komponenten aufweisen. Zusätzlich ist der DRPF leicht, dünn und flexibel, was ihn für Anwendungen geeignet macht, die eine niedrige Größe und geringes Gewicht erfordern. Der DRPF paßt sich auch gut an die Lampenoberfläche an und er könnte in die Lampenherstellung eingegliedert werden. Da ferner der DRPF ein diffuser Reflektor ist, erübrigt seine undurchsichtige Erscheinung den Bedarf nach einem getrennten Diffusorfilm, der typischerweise in polarisierten Leuchten und Arbeitsbeleuchtungsvorrichtungen verwendet wird, um die Lichtquelle vor einer direkten Betrachtung zu verbergen.
In noch einer weiteren Anwendung können optische Filme, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, verwendet werden, um polarisiertes Licht zu erzeugen, das in Rauchnachweisanlagen oder in der Analyse der Polarisation des Lichts, das von Rauchteilchen gestreut wird, einschließlich jenen Rauchnachweisanlagen verwendet wird, die versuchen, die Beschaffenheit oder den Ursprung der Verbrennung zu definieren, wie durch US- 5,576,697 (Nagashima u.a.) gelehrt wird.
Lichtauskoppler
Die oben beschriebenen optischen Filme können in verschiedenen optischen Vorrichtungen als Lichtauskoppler verwendet werden, einschließlich Lichtleitern, wie der Lichtleitfaser (LCOF) mit großem Kern, die in 8 dargestellt wird. Die LCOF 50 nutzt sehr effizient eine innere Totalreflexion (TIR), um Nicht von einem Illuminator oder einer Lichtquelle 52 über wesentliche Entfernungen zu leiten. Wenn jedoch die optischen Filme als eine äußere Hülle 54 aufgebracht werden, stören sie die Lichtleitung an der Faser-Luft-Grenzfläche, wodurch sie Licht in die Umgebung entlassen. Dieses Merkmal kann vorteilhaft in verschiedenen Beleuchtungsanwendungen mit einer entfernten Quelle verwendet werden, wie architektonische Hervorhebungen, Dekorationsbeleuchtung, medizinische Beleuchtung, Zeichengebung, visuelle Führungen (z. B. auf Landestreifen oder in Schneisen für Flugzeuge oder Gängen für Theater), Anzeige (z. B. Instrumentenanzeigen, insbesondere jenen, in denen eine übermäßige Erwärmung ein Problem ist) und Ausstellungsbeleuchtung, Straßenbeleuchtung, Autobeleuchtung, Abwärtsbeleuchtung, Arbeitsbeleuchtung, Hervorhebungsbeleuchtung und Umgebungsbeleuchtung. In einigen Anwendungen können die Filme für die vorliegende Erfindung als eine Hülle an mehreren Stellen längs der Länge der Faser aufgebracht werden, wodurch sie mehrere Stellen aus einer einzigen Lichtquelle beleuchten. Ferner wird, da diese Systeme üblicherweise mit UV- und. IR-Filtern ausgestattet sind, die Beleuchtung, die durch solche Systeme erzeugt wird, weder UV-empfindliche Materialien beeinträchtigen noch werden sich die Lichtleiter beim Gebrauch erwärmen.
Es kann auch dafür gesorgt werden, daß die Filme für die vorliegende Erfindung nur eine einzige Polarisation des Lichts auskoppeln, wodurch eine polarisationsspezifische Quelle geschaffen wird. Mit einer geeigneten Konfiguration des Lichtfasersystems wird im wesentlichen das gesamte Licht, das in die Faser eingespeist wird, schließlich in der gewünschten Polarisation seinen Weg durch den Auskoppler nehmen. Polarisationsspezifische Quellen können zum Beispiel durch die Verwendung eines optischen Films für die vorliegende Erfindung hergestellt werden, der für Licht einer ersten Polarisation ein starker diffuser Streuer ist, jedoch für Licht einer zweiten Polarisation ein nicht zerstreuendes, spiegelndes Material ist, das eine Hüllen-Oberflächen-Grenzfläche mit innerer Totalreflexion (TIR) beibehält. Ein solches System wird in Beispiel 139 beschrieben.
Geeignete Lichtleiter zur, Verwendung in der vorliegenden Erfindung weisen auf der Seite emittierende und am Ende emittierende Fasern auf. Die Lichtleiter selbst können aus Glas oder Kunststoff bestehen, und können variierende Durchmesser aufweisen, die von solchen Faktoren, wie der erforderlichen Effizienz beim Sammeln von Licht, der erforderlichen Flexibilität und davon abhängen, ob die Lichtleiter alleine oder in Bündeln verwendet werden sollen. Die Lichtleiter können auch Lichtleitfaser-Lichtleiter oder Prismenlichtleiter sein, wobei die letztgenannten für Anwendungen in großen Maßstab besser geeignet sind, und die erstgenannten für Anwendungen im kleinen Maßstab besser geeignet sind, wo die Kosten pro Lumen weniger wichtig sind.
Kommerziell verfügbare Lichtleiter, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen jene, die aus Filmen aus Acrylpolymeren mit niedrigem Transformationspunkt T_g bestehen, wie dem optischen Beleuchtungsfilm, der kommerziell von 3M unter dem Handelsnamen Scotch Optical Lightning Film (SOLF) erhältlich ist. Ein solcher Film, der gegenüber Licht, das unter bestimmten Winkeln einfällt, wie ein Spiegel wirkt, ist ein transparenter Kunstoffilm, der eine (typischerweise mikrounterteilte) prismatische Oberfläche auf einer Seite und eine glatte Oberfläche auf der anderen aufweist. Der Film wird üblicherweise in Verbindung mit einem Rohr oder einem Träger eines transparenten oder undurchsichtigen Kunststoffs oder Metalls verwendet. Andere geeignete Lichtleiter umfassen die linearen Beleuchtungsfaseroptiken, die kommerziell von Lumenyte unter dem Handelsnamen Fiberescent^TM erhältlich sind, und die am Ende emittierenden Fasern, die kommerziell von Fiberstars unter dem Handelsnamen Fiber-Spots^TM erhältlich sind.
Es können verschiedene Lichtquellen in Verbindung mit den Lichtleitern zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, abhängig von der Anwendung, auf die der Lichtleiter ausgerichtet ist. Solche Quellen werden zum Beispiel in Lightning Futures, B. 1, Nr. 3 (1995), einer Veröffentlichung des Lightning Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, N.Y beschrieben. Typischerweise wird eine Niederspannungs-MRI 6 Lampe mit 20–75 Watt, die in Verbindung mit einem Faseroptiksystem verwendet wird, für Anwendungen, wie bei einem Museum, einer Anzeige und Hervorhebungsbeleuchtung geeignet sein, während eine 70–250 Watt Metall-Halogen-Lampe, die in Verbindung mit einem Faseroptikoder Prismenlichtleitersystem verwendet wird, für Anwendungen wie architektonische oder Außen-Beleuchtungsanwendungen geeignet sein. Für Anwendungen, die 250 Watt oder mehr benötigen, können Metall-Halogen- oder Natrium-Hochdrucklampen in Verbindung mit Prismenlichtleitersystemen verwendet werden. Andere geeignete Lichtquellen umfassen 60 Watt Xenon-Metall-Halogen-Lampen, die von General Electric Company, Danbury, Connecticut kommerziell erhältlich sind, die für Automobilanwendungen besonders nützlich sind, und Schwefellampen, die von Fusion Lightning, Rockville, MD kommerziell erhältlich sind, die erfolgreich auf einer experimentellen Grundlage in Prismenlichtleitersystemen verwendet worden sind. Kompakte und röhrenförmige Fluoreszenzlampen können ebenfalls verwendet werden, wo eine größere diffuse Lichtquelle benötigt wird. Sonnenlicht kann ebenfalls mit Faseroptik- oder Prismenlichtleitersystemen und in Verbindung mit Spiegeln oder Linsen, als Teil einer Solarenenrgieanlage verwendet werden.
In einigen hintergrundbeleuchteten Anzeigevorrichtungen, wie jenen, die in Avionikanwendungen verwendet werden, wo hohe Pegel Umgebungslicht auf die Vorderseite der Vorrichtung auftreffen, sind hohe Intensitäten, die von der Anzeige abstrahlen, erforderlich, um der Anzeige einen ausreichenden Kontrast zu geben. Folglich kann eine übermäßige Erwärmung des Hintergrundbeleuchtungsaufbaus in solchen Systemen auftreten, wenn keine Einrichtungen bereitgestellt werden, die unerwünschte Wärme abzuleiten. Es werden eine Vielfalt von Einrichtungen in der Technik verwendet, um die Wärme zu beseitigen, wie die Verwendung von kalten Spiegeln und Filtern und andere Einrichtungen.
In den meisten neuen Flugzeugen reduziert Umgebungssonnenlicht potentiell den Kontrast in den verwendeten Flachbildschirmanzeigen, und räumliche Anforderungen für das Ensemble der Anzeigen sind kritische Designparameter. Daher wird in einer Form der vorliegenden Erfindung Licht zur der oder den Anzeige(n) über Faseroptiken von einer entfernt angeordneten, jedoch intensiven Quelle transportiert, wo die letztgenannte effizient gekühlt werden kann, und die unerwünschte Wärme die Arbeit der Anzeigevorrichtung nicht beeinflußt. Da diese Anzeigen typischerweise auf der Grundlage von polarisiertem Licht arbeiten, das sich durch eine Flüssigkristallanzeige ausbreitet, können die optischen Filme, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, in solchen Systemen als Lichtauskoppler mit im wesentlichen einer Polarisation verwendet werden. Die zweite Polarisation würde weiter innerhalb der Lichtleitfaser reflektiert werden, bis ihre Polarisation in die erste Polarisation umgewandelt ist, und aus dem Lichtauskoppler an Stellen emittiert werden kann, wo das Licht benötigt wird.
Übersicht über die Beispiele
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Herstellung von verschiedenen, für die vorliegende Erfindung geeigneten optischen Materialien als auch die spektralen Eigenschaften dieser Materialien. Wenn nicht anders angegeben, bezieht sich die prozentuale Zusammensetzung auf die prozentuale Gewichtszusammensetzung. Das verwendete Polyethylen-Naphthalat-Harz wurde für diese Proben unter Verwendung von Ethylen-Glykol und Dimethyl-2,6-Naphthalendicarboxylat hergestellt, das von Amoco Corp., Chicago, Illinois erhältlich ist. Diese Reagenzien wurden zu verschiedenen Strukturviskositäten (IV) unter Verwendung herkömmlicher Polyesterharz-Polymerisationstechniken polymerisiert. Syndiotaktisches Polystyrol (sPS) kann gemäß dem Verfahren hergestellt werden, das im US-Patent 4,680,353 (Ishihara u.a.) offenbart wird. Die Beispiele umfassen verschiedene Polymerpaare, verschiedene Fraktionen zusammenhängender und dispergierter Phasen und anderer Zusatzstoffe oder Prozeßänderungen, wie unten erläutert.
Die Dehnung oder Orientierung der Proben wurde durchgeführt, indem entweder eine herkömmliche Orientierungseinrichtung, die zur Herstellung eines Polyesterfilms verwendet wird, oder ein Laborchargen-Orientierungsvorrichtung verwendet wurde. Die verwendete Laborchargen-Orientierungsvorrichtung war dazu bestimmt, ein kleines Stück Gießmaterial. (7,5 cm mal 7,5 cm) zu verwenden, das von einer extrudierten Gießbahn abgeschnitten und durch ein quadratische Feld von 24 Greifern (6 auf jeder Seite) gehalten wurde. Die Orientierungstemperatur der Probe wurde durch einen Heißluftgebläse gesteuert, und die Filmprobe wurde durch ein mechanisches System orientiert, das den Abstand zwischen den Greifern in eine oder beide Richtungen mit einer gesteuerten Rate erhöhte. In beide Richtungen gedehnte Proben konnten aufeinanderfolgend oder gleichzeitig orientiert werden. Für Proben, die im eingespannten Modus (C) orientiert wurden, halten alle Greifer die Bahn und die Greifer bewegen sich nur in eine Dimension. Wohingegen im Nichteingespannten Modus (U) die Greifer, die den Film in einer festen Dimension senkrecht zur Dehnungsrichtung halten, nicht in Eingriff stehen und es zugelassen wird, daß der Film in diese Dimension relaxiert oder sich einschnürt.
Die polarisierte diffuse Durchlässigkeit und Reflexion wurden unter verwendung eines Perkin Elmer Lambda 19 Spektrophotometers für Ultraviolett/Sichtbar/nahes Infrarot gemessen, das mit einem Perkin Elmer Labsphere S900-1000 150 Millimeter integrierenden Sphärenzusatz und einem Glan-Thompson Kubus-Polarisator ausgestattet ist. Parallel- und Kreuz-Durchlässigkeits- und -Reflexionswerte wurden mit dem E-Vektor des polarisierten Lichts jeweils parallel oder senkrecht zur Dehnungsrichtung des Films gemessen. Alle Abtastungen waren zusammenhängend und wurden mit einer Abtastrate von 480 Nanometern pro Minute und einer Schlitzbreite von 2 Nanometern durchgeführt. Die Reflexion wurde im „V-Reflexions"-Modus durchgeführt. Durchlässigkeits- und Reflexionsvermögenswerte sind Mittelwerte aller Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometer.
Es wurden Transmissions-Elektronenmikroskop-Mikrophotographien vom fertiggestellten Film im Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Maschinenrichtung aufgenommen, um die Beschaffenheit der dispergierten Phase zu bestimmen. Die Außenschichten der Dreischicht-Aufbauten wurden vom orientierten Film entfernt, wobei nur die innige Gemischschicht zum Einbetten übrig gelassen wurde. Proben wurden in 3M Scotchcast^TM 5 Elektroharz eingebettet, das bei Raumtemperatur gehärtet wurde. Die eingebetteten Proben wurden unter Verwendung eines Diamantmessers auf einem Reichert Ultracut^TM S Mikrotom bei Raumtemperatur in dünnen Abschnitte von annährend 90 nm Dicke mikrotomiert, wobei eine Schneiderate von 0,2 Millimeter pro Sekunde verwendet wurde. Die dünnen Abschnitte wurden auf destillierten, entionisierten Wasser schwimmen gelassen und zur transmissions-elektronenmikroskopischen Auswertung auf einem mit einem. Kohlstoff/ Formvor-Substrat verstärkten 200-Mesh-Kupfergitter gesammelt. Es wurden Mikrophotographien unter Verwendung eines JEOL 200CX Transmissions-Elektronenmikroskops gemacht.
Es wurden Rasterelektronenmikroskop-Auswertungen an Gießbahnen vor einer Filmorientierung vorgenommen, um die Beschaffenheit der dispergierten Phase zu bestimmen. Während sie in flüssigem Stickstoff eingetaucht waren, wurden Bahnstücke gebrochen, um eine Ebene senkrecht zur Maschinenrichtung freizulegen. Die Proben wurden dann zugerichtet und vor einer Sputter-Beschichtung mit Gold-Palladium auf Aluminiumstummeln angebracht. Es wurden Mikrophotographien unter Verwendung eines Hitachi S530-Rasterelektronenmikroskops aufgenommen.
Beispiel 1
Im Beispiel 1 wurde ein optischer Film, der für die Erfindung geeignet ist, durch Extrudieren eines innigen Gemisches von 75% Polyethylen-Naphthalat (PEN) als die zusammenhängende oder Hauptphase und 25% Polymethylmethacrylat (PMMA) als die dispergierte oder Nebenphase zu einem Gießfilm oder dünnen Lage von etwa 380 Mikrometer Dicke unter Verwendung herkömmlicher Extrusions- und Gießtechniken hergestellt. Das PEN hatte eine intrinsische Viskosität (IV) von 0,52 (gemessen in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen). Das PMMA wurde, von ICI Americas, Inc., Wilmington, Delaware, unter der Produktbezeichnung CP82 erhalten. Der verwendete Extruder war ein 3,15 cm (1,24") Brabender mit einem 1-Röhren 60 μm Tegra-Filter. Die Düse war eine 30,4 cm (12") EDI Ultraflex^TM 40.
Etwa 24 Stunden, nachdem der Film extrudiert wurde, wurde der Gießfilm in die Breiten- oder Querrichtung (TD) auf einer Polyesterfilm-Spannvorrichtung orientiert. Die Dehnung wurde bei etwa 9,1 Metern pro Minute (30 ft/min) mit einer Ausgangsbreite von etwa 140 cm (55 Inch) und einer Dehnungstemperatur von etwa 160°C (320°F) durchgeführt. Das Gesamtreflexionsvermögen der gedehnten Probe wurde mit einem integrierenden Sphärenzusatzgerät auf einem Lambda 19 Spektrophotometer gemessen, wobei der Abtaststrahl mit einem Glan-Thompson Kubus-Polarisator polarisiert wurde. Die Probe wies ein paralleles Reflexionsvermögen von 75% (d. h. das Reflexionsvermögen wurde gemessen, wobei die Dehnungsrichtung des Film parallel zum E-Vektor des polarisierten Lichts war) und ein gekreuztes Reflexionsvermögen von 52% auf (d. h. das Reflexionsvermögen wurde gemessen, wobei der E-Vektor des polarisierten Lichts senkrecht zur Dehnungsrichtung war).
Beispiel 2
Im Beispiel 2 wurde ein optischer Film in einer zum Beispiel 1 entsprechenden Weise hergestellt und bewertet, außer daß ein inniges Gemisch aus 75% PEN, 25% syndiotaktischen Polystyrol (sPS), 0,2% eines Polystyrol-Glycidyl-Methacrylat-Kompatibilisators und 0,25 von jeweils Irganox^TM 1010 und Ultranox^TM 626 verwendet wurde. Die Synthese von Polystyrol-Glycidyl-Methacrylat wird in Polymer Processes, „Chemical Technology of Plastics, Resins, Rubbers, Adhesives and Fibers", B. 10, Kap. 3, S. 69–109 (1956) (Herausgeg. von Calvin E. Schildknecht) beschrieben.
Das PEN wies eine intrinsische Viskosität von 0,52 auf, die in 60% Phenol; 40% Dichlorbenzen gemessen wurde. Das sPS wurde von Dow Chemical Co. erhalten und wies ein mittleres Molekulargewicht von etwa 200000 auf und wird nachfolgend als sPS-200–0 bezeichnet. Das parallele Reflexionsvermögen der gedehnten Filmprobe wurde mit 73,3% bestimmt, und das gekreuzte Reflexionsvermögen wurde mit 35% bestimmt.
Beispiel 3
Im Beispiel 3 wurde ein optischer Film in einer zum Beispiel 2 entsprechenden Weise hergestellt und bewertet, außer daß der Kompatibilisatorpegel auf 0,6% angehoben wurde. Das resultierende parallele Reflexionsvermögen wurde zu 81% bestimmt und das gekreuzte Reflexionsvermögen wurde zu 35,6 bestimmt .
Beispiel 4
Im Beispiel 4 wurde ein optischer Film mit drei Schichten hergestellt, der für die Erfindung geeignet ist, wobei herkömmliche Koextrusionstechniken für drei Schichten genutzt wurden. Der Film wies eine Kernschicht und eine Hautschicht auf jeder Seite der Kernschicht auf. Die Kernschicht bestand aus einem innigen Gemisch aus 75% PEN und 25% sPS 200–4 (die Bezeichnung sPS-200–4 bezieht sich auf ein Copolymer aus syndiotaktischen Polystyrol, das 4 Mol% Paramethyl-Styrol enthält), und jede Hautschicht bestand aus 100 PEN mit einer in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen gemessenen intrinsischen Viskosität von 0,56.
Der resultierende Gießfilm mit drei Schichten wies eine Kernschichtdicke von etwa 415 Mikrometern auf, und jede Hautschicht war für eine Gesamtdicke von etwa 635 Mikrometer etwa 110 Mikrometer dick. Eine Laborchargen-Dehnungsvorrichtung wurde verwendet, um den resultierenden Gießfilm mit drei Schichten bei einer Temperatur von etwa 129°C in die Maschinenrichtung (MD) auf etwa 6 zu 1 zu dehnen. Da die Kanten der Filmprobe parallel zur Dehnungsrichtung nicht durch die Labordehnungsvorrichtung ergriffen wurden, war die Probe in die Querrichtung (TD) nicht eingespannt und die Probe schnürte sich als ein Ergebnis der Dehnungsprozedur in die TD um etwa 50% ein.
Die optische Leistung wurde in einer zum Beispiel 1 entsprechenden Weise bewertet. Das parallele Reflexionsvermögen wurde zu 80,1 bestimmt, und das gekreuzte Reflexionsvermögen wurde zu 15% bestimmt. Diese Ergebnisse zeigen, daß sich der Film als ein niedrig absorbierendes, energieerhaltendes System verhält.
Beispiele 5–29
In den Beispielen 5–29 wurde eine Reihe von optischen Filmen in einer zum Beispiel 4 entsprechenden Weise hergestellt und bewertet, außer daß die sPS-Fraktion in der Kernschicht und die IV des verwendeten PEN-Harzes variiert wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt . Die IV des PEN-Harzes in der Kernschicht und jene in den Hautschichten war für eine gegebene Probe dieselbe. Die Gesamtdicke der dünnen Gießlage betrug etwa 625 Mikrometer, wobei sich etwa zweidrittel dieser Gesamtheit in der Kernschicht und der Rest in den Hautschichten befand, die annährend gleich dick waren. Es wurden verschiedene innige Gemische von PEN und sPS in der Kernschicht hergestellt, wie in Tabelle 1 angegeben. Die Filme wurden in entweder die Maschinenrichtung (MD) oder in die Querrichtung (TD) bei verschiedenen Temperaturen auf ein Dehnungsverhältnis von etwa 6 : 1 gedehnt, wie in Tabelle 1 angegeben. Einige der Proben waren in die Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung eingespannt (C), um die Probe daran zu hindern, sich während der Dehnung einzuschnüren. Die mit „U" in der Tabelle 1 gekennzeichneten Proben waren nicht eingespannt, und es wurde zugelassen, daß sie sich in die nicht eingespannte Dimension einschnürten. Bestimmte optische Eigenschaften der gedehnten Proben, einschließlich der prozentualen Durchlässigkeit, Reflexion und Absorption wurden längs von Achsen gemessen, die sowohl parallel als auch gekreuzt oder senkrecht zur Dehnungsrichtung verliefen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Eine Wärmefixierung wurde durchgeführt, wie für die Beispiele 24–27 angegeben, indem die beiden Kanten der gedehnten Probe, die senkrecht zur Dehnungsrichtung waren, manuell an einen geeignet bemessenen steifen Rahmen aufgespannt wurden und die aufgespannte Probe bei der angegebenen Temperatur für 1 Minute in einem Ofen angeordnet wurde. Die beiden Seiten der Probe parallel zur Dehnungsrichtung waren nicht eingespannt (U) oder aufgespannt, und es wurde zugelassen, daß sie sich einschnürten. Die Wärmefixierung des Beispiels 29 verlief entsprechend, außer daß alle vier Kanten der gedehnten Probe eingespannt (C) oder aufgespannt wurden. Das Beispiel 28 wurde nicht wärmefixiert.
Bei allen der obigen Proben wurde beobachtet, daß sie abhängig von der Stelle der dispergierten Phase innerhalb des Körpers der Filmprobe variierende Formen der dispergierten Phase enthielten. Es wurde beobachtet, daß die Einschlüsse der dispergierten Phase, die näher zu den Oberflächen der Proben angeordnet sind, eher eine längliche Form als eine nahezu kugelförmige aufweisen. Die Einschlüsse, die eher nahezu zwischen den Oberflächen der Proben zentriert sind, können nahezu kugelförmig sein. Dies gilt selbst für die Proben mit den Hautschichten, jedoch wird die Größe des Effekts durch die Hautschichten reduziert. Das Hinzufügen der Hautschichten verbessert die Verarbeitung der Filme, indem es die Neigung zur Spaltung während der Dehnungsoperation reduziert.
Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, glaubt man, daß die Längung der Einschlüsse (dispergierten Phase) in der Kernschicht des Gießfilms das Resultat einer Scherung des innigen Gemisches ist, wenn es durch die Düse transportiert wird. Dieses Längungsmerkmal kann geändert werden, indem die physikalischen Abmessungen der Düse, die Extrusionstemperaturen, die Durchflußrate des Extrudats, als auch chemische Aspekte der Materialien der zusammenhängenden und dispergierten Phase, die ihre relativen Schmelzviskositäten ändern würden, variiert werden. Bestimmte Anwendungen oder Verwendungen können von dem Bereitstellen einer gewissen Längung der dispergierten Phase während der Extrusion profitieren. Für jene Anwendungen, die anschließend in die Maschinenrichtung gedehnt werden, kann das Beginnen mit einer dispergierten Phase, die während der Extrusion verlängert worden ist, es erlauben, daß ein höheres Seitenverhältnis in der resultierenden dispergierte Phase erreicht wird.
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist die Tatsache, daß eine merkliche Verbesserung der Leistung beobachtet wird, wenn dieselbe Probe nicht eingespannt gedehnt wird. So betrug im Beispiel 13 die prozentuale Durchlässigkeit 79,5% und 20,3 in die parallele bzw. senkrechte Richtung. Im Gegensatz dazu betrug die Durchlässigkeit im Beispiel 20 nur 75,8 und 28,7% in die parallele bzw. senkrechte Richtung. Es gibt eine Dickenzunahme relativ zur eingespannten Dehnung, wenn die Proben nicht eingespannt gedehnt werden, da sich jedoch sowohl die Durchlässigkeit als auch die Extinktion verbessern, wird die Indexanpassung wahrscheinlich verbessert.
Eine alternative Art, eine Brechungsindexsteuerung bereitzustellen, ist es, die chemischen Eigenschaften der Materialien zu modifizieren. Zum Beispiel weist ein Copolymer aus 30 Gew.% von Terephthalsäure abgeleiteten copolymerisierten Einheiten und 70 Gew.% von 2,6-Naphthalsäure abgeleiteten Einheiten einen Brechungsindex auf, der 0,02 Einheiten niedriger als ein 100 PEN-Polymer ist. Andere Monomere oder Verhältnisse können geringfügig andere Ergebnisse aufweisen. Diese Art Änderung kann dazu verwendet werden, die Brechungsindizes in eine Achse enger anzupassen, indem nur eine geringfügige Reduzierung in der Achse bewirkt wird, die einen großen Unterschied erfordert. Mit anderen Worten gleichen die Vorteile, die erhalten werden, indem die Indexwerte in einer Achse enger angepaßt werden, die Verminderung in einer orthogonalen Achse, in der ein großer Unterschied gewünscht wird, mehr als aus. Zweitens kann eine chemische Veränderung wünschenswert sein, um den Temperaturbereich zu ändern, in dem die Dehnung stattfindet. Ein Copolymer aus sPS und variierenden Verhältnissen von Paramethylstyrol-Monomer werden den optimalen Dehnungstemperaturbereich ändern. Eine Kombination dieser Techniken kann notwendig sein, um das Gesamtsystem am effizientesten zur Verarbeitung und den sich ergebenden Brechungsindex-Anpassungen und Unterschieden zu optimieren. So kann eine verbesserte Steuerung der endgültigen Leistung erhalten werden, indem der Prozeß und die chemischen Eigenschaften hinsichtlich den Dehnungsbedingungen optimiert werden und ferner die chemischen Eigenschaften der Materialien eingestellt werden, um den Unterschied des Brechungsindex in mindestens eine Achse zu maximieren und den Unterschied in mindestens eine orthogonale Achse zu minimieren.
Diese Proben zeigten eine bessere optische Leistung, wenn sie eher in die MD- als in die TD-Richtung orientiert waren (vergleiche Beispiele 18–19). Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß Einschlüsse mit unterschiedlicher Geometrie eher mit einer MD-Orientierung als mit einer TD-Orientierung entwickelt werden und daß diese Einschlüsse höhere Seitenverhältnisse aufweisen, was nicht-ideale Endeffekte weniger wichtig macht. Die nicht-idealen Endeffekte beziehen sich auf die komplexe Geometrie-/Brechungsindexbeziehung an der Spitze jedes Endes der länglichen Teilchen. Es wird angenommen, daß das Innere oder Nicht-Ende der Teilchen eine einheitliche Geometrie und einen einheitlichen Brechungsindex aufweist, der als wünschenswert betrachtet wird. Je höher der Prozentsatz der länglichen Teilchen ist, der einheitlich ist, je besser ist folglich die optische Leistung.
Das Extinktionsverhältnis dieser Materialien ist das Verhältnis der Durchlässigkeit für Polarisationen senkrecht zur Dehnungsrichtung zu jenem parallel zur Dehnungsrichtung. Für die in Tabelle 1 aufgeführten Beispiele, liegt das Extinktionsverhältnis zwischen etwa 2 und etwa 5, obwohl ohne irgendeinen Versuch, das Extinktionsverhältnis zu optimieren, Extinktionsverhältnisse bis zu 7 in optischen Körpern beobachtet worden sind, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Es wird erwartet, daß sogar noch höhere Extinktionsverhältnisse erzielt werden können (z. B. größer als 100), indem die Filmdicke, der Einschluß-Volumenbruchteil, die Teilchengröße und der Grad der Indexanpassung und Fehlanpassung eingestellt werden, oder durch die Verwendung von Iod oder anderen Farbstoffen.
Beispiele 30–100
In den Beispielen 30–100 wurden Proben, die für die Erfindung geeignet sind, unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt, wie in Tabelle 2 aufgelistet. PEN 42, PEN 47, PEN 53, PEN 56 und PEN 60 bezeichnen Polyethylen-Naphthalat mit einer Strukturviskosität (IV) von jeweils 0,42, 0,47, 0,53, 0,56 und 0,60, gemessen in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen. Das besondere verwendete sPS-200–4 wurde von Dow Chemical Co. erhalten. Ecdel^TM 9967 und Eastar^TM sind Copolyester, die von Eastman Chemical Co., Rochester, New York kommerziell erhältlich sind. Surlyn^TM 1706 ist ein Ionomer-Harz, das von E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Delaware erhältlich ist. Die als Zusatzstoff 1 oder 2 aufgelisteten Materialien enthalten Polystyrol-Glycidyl-Methacrylat. Die Bezeichnungen GMAPS2, GMAPS5 und GMAPS8 bezeichnen Glycidyl-Methacrylat mit jeweils 2, 5 und 8 Gew.% Glycidyl-Methacrylat im Gesamtcopolymer. ETPB bezeichnet das Vernetzungsmittel Ethyltriphenylphosphonium-Bromid. PMMA V044 bezeichnet Polymethylmethacrylat, das von Atohaas North America, Inc. kommerziell erhältlich ist.
Die optischen Filmproben wurden in einer zum Beispiel 4 entsprechenden Weise hergestellt, mit der Ausnahme der Unterschiede, die in Tabelle 2 angegeben sind und unten erläutert werden. Die zusammenhängende Phase und ihr Quotient am Gesamtbetrag wird als Hauptphase bezeichnet. Die dispergierte Phase und ihr Quotient am Gesamtbetrag wird als Nebenphase bezeichnet. Der Wert, mit dem die Dicke des innigen Gemisches bezeichnet wird, repräsentiert die annährende Dicke der Kernschicht in Mikrometern. Die Dicke der Hautschichten variierte, wenn die Kernschichtdicke variierte, wurde jedoch auf einem konstanten Verhältnis gehalten, d. h., die Hautschichten waren annährend gleich und die Gesamtheit der beiden Hautschichten betrug etwa ein Drittel der Gesamtdicke. Die Größe der dispergierten Phase wurde für einige Proben entweder durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) oder ein Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) bestimmt. Jene Beispiele, die anschließend unter Verwendung der Laborchargen-Orientierungsvorrichtung gedehnt wurden, werden durch „X" in der mit Chargen-gedehnt bezeichneten Spalte gezeigt.
Es wurde herausgefunden, daß das Vorhandensein von verschiedenen Kompatibilisatoren die Größe der enthaltenen oder dispergierten Phase reduziert.
Beispiel 101
Im Beispiel 101 wurde ein optischer Film in einer zum Beispiel 4 entsprechenden Weise hergestellt, außer daß die resultierende Kerndicke etwa 420 Mikrometer dick war und jede Hautschicht etwa 105 Mikrometer dick war. Das, PEN wies eine IV von 0,56 auf. Der Gießfilm war wie im Beispiel 1 orientiert, außer daß die Dehnungstemperatur 165°C betrug und daß es eine Verzögerung von 15 Tagen zwischen dem Gießen und der Dehnung gab. Die Durchlässigkeit betrug für parallel bzw. senkrecht polarisiertes Licht 87,1% und 39,7%.
Beispiele 102–121
In den Beispielen 102–121 wurden optische Filme wie im Beispiel 101 hergestellt, außer daß die Orientierungsbedingungen variiert wurden und/oder das sPS-200-0 entweder durch Copolymere von sPS, die entweder 4 oder 8 Mol% Paramethyl-Styrol enthielten, oder durch eine ataktische Form von Styrol, Styron 663, ersetzt wurde (das Dow Chemical Company, Midland, Michigan erhältlich ist), wie in Tabelle 3 aufgelistet. Es werden auch Auswertungen der Durchlässigkeitseigenschaften aufgeführt. Die Durchlässigkeitswerte sind über alle Wellenlängen zwischen 450–700 nm gemittelt.
Diese Beispiele zeigen an, daß die Teilchen der enthaltenen Phase in PEN mit einer hohen IV mehr in die Maschinenrichtung verlängert sind als in PEN mit einer niedrigen IV. Dies stimmt mit der Beobachtung überein, daß in PEN mit einer niedrigen- IV eine Längung nahe der Oberfläche des Films in einem größeren Ausmaß stattfindet, als an Stellen innerhalb des Films, mit dem Ergebnis, daß nahe der Oberfläche faserige Strukturen gebildet werden und zur Mitte hin kugelförmige Strukturen gebildet werden.
Einige dieser Beispiele lassen darauf schließen, daß die Orientierungstemperaturen und der Grad der Orientierung wichtige Variable beim Erreichen des gewünschten Effektes sind. Die Beispiele 109 bis 114 lassen darauf schließen, daß eine bewegungslose Kristallisation nicht der einzige Grund für den Mangel an Durchlässigkeit einer bevorzugten Polarisation von Licht sein muß.
Beispiele 122–124
Im Beispiel 122 wurde ein optischer Mehrschichtfilm zur Verwendung in der Erfindung mittels eines Zufuhrblocks für 209 Schichten hergestellt. Der Zufuhrblock wurde mit zwei Materialien beschickt: (1) PEN mit 38,6 kg pro Stunde (mit einer Strukturviskosität von 0,48); und (2) einem innigen Gemisch aus 95 Gew.% CoPEN und 5 Gew.% sPS Homopolymer, (mit einem Molekulargewicht von 200000). Das CoPEN war ein Copolymer, das auf 70 Mol% Naphthalen-Dicarboxylat und 30 Mol% Dimethyl-Isophthalat beruhte, das mit Ethylen-Glykol zu einer Strukturviskosität von 0,59 polymerisiert wurde. Das innige Gemisch aus CoPEN/sPS wurde in den Zufuhrblock mit einer Rate von 34,1 kg pro Stunde zugeführt.
Das innige CoPEN-Gemischmaterial befand sich auf der Außenseite des Extrudats, und die Schichtzusammensetzung des resultierenden Schichtstapels wechselte zwischen den beiden Materialien ab. Die Dicken der Schichten war dazu bestimmt, zu einem Viertel-Wellenlängen-Stapel mit einem linearen Gradienten der Dicken zu führen, und ein Verhältnis von 1,3 von der dünnsten zu dickesten Schicht aufzuweisen. Dann wurde eine dickere Hautschicht von CoPEN (die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, um das innige Co-PEN/sPS-Gemisch herzustellen, außer daß die molaren Verhältnisse von Naphthalen-Dicarboxylat/Dimethyl-Terephthalat/Dimethyl-Isophthalat 70/15/15 betrugen), das frei von sPS war, auf jede Seite des Komposits aus 209 Schichten hinzugefügt. Die gesamte Hautschicht, wurde mit einer Rate von 29,5 kg pro Stunde mit etwa der Hälfte dieser Menge auf jede Seite der Oberfläche des Stapels hinzugefügt.
Das resultierende hautschichtumhüllte Mehrschichtkomposit wurde durch einen Vervielfacher extrudiert, um ein Mehrschicht-Komposit aus 421 Schichten zu erzielen. Das resultierende Mehrschichtkomposit wurde dann mit einer weiteren Hautschicht des 70/15/15-CoPEN auf jeder Oberfläche mit einer Gesamtrate von 29,5 kg pro Stunde mit etwa der Hälfte dieser Menge auf jede Seite eingehüllt. Da diese zweite Hautschicht nicht getrennt von der vorhandenen Hautschicht wahrnehmbar sein kann (da das Material desselbe ist) wird die resultierende zusätzliche dicke Hautschicht für die Zwecke dieser Erläuterung als nur eine Schicht gezählt.
Das resultierende Komposit aus 421 Schichten wurde erneut durch einen asymmetrischen Vervielfacher mit einem Verhältnis von 1,40 extrudiert, um einen Film aus 841 Schichten zu erzielen, der dann zu einer dünnen Lage gegossen wurden, indem er durch eine Düse extrudiert und zu einer dünne Lage von etwa 30 Milli-Inch Dicke abgeschreckt wurde. Die resultierende dünne Gießlage wurde dann in die Breitenrichtung unter Verwendung einer herkömmlichen Filmherstellungs-Spannvorrichtung orientiert. Die dünne Lage wurde bei einer Temperatur von etwa 300°F (149°C) auf ein Dehnungsverhältnis von etwa 6 : 1 und bei einer Dehnungsrate von etwa 20% pro Sekunde gedehnt. Der resultierende gedehnte Film war etwa 5 Milli-Inch dick.
Im Beispiel 123, wurde ein optischer Mehrschichtfilm. wie im Beispiel 122 hergestellt, außer daß die Menge an sPS im innigen CoPEN/sPS-Gemisch anstelle von 5% 20% betrug.
Im Beispiel 124 wurde ein optischer Mehrschichtfilm wie im Beispiel 122 hergestellt, außer daß kein sPS zum Film hinzugefügt wurde.
Die in Tabelle 4 aufgeführten Ergebnisse enthalten eine Messung des optischen Gewinns des Films. Der optische Gewinn eines Films ist das Verhältnis des Lichts, das durch eine LCD-Tafel von einem von hinten einfallenden Licht mit dem zwischen den beiden eingefügten Film durchgelassen wird, zum Licht, das stattdessen ohne den Film durchgelassen wird. Die Bedeutung des optischen Gewinns im Zusammenhang mit optischen Filmen wird in WO 95/17692 in Beziehung zur 2 dieser Verweisquelle beschrieben. Im allgemeinen ist ein höherer Gewinnwert wünschenswert. Die Durchlässigkeitswerte umfassen Werte, die erhalten werden, wenn die Lichtquelle parallel zur Dehnungsrichtung (T°°) polarisiert war und Licht senkrecht zur Dehnungsrichtung (T_) polarisiert war. Die Nebenwinkelfarbe (OAC) wurde unter Verwendung eines Oriel-Spektrophotometers als eine mittlere quadratische Abweichung der p-polarisierten Durchlässigkeit bei unter 50 Grad einfallenden Lichts einer Wellenlänge zwischen 400 und 700 nm gemessen.
Der Wert der Nebenwinkelfarbe (OAC) demonstriert den Vorteil der Verwendung eines Mehrschicht-Aufbaus innerhalb des Kontextes der vorliegenden Erfindung. Insbesondere kann. eine solcher Aufbau verwendet werden, um die OAC mit einer nur maßvollen Reduzierung des Gewinns wesentlich zu reduzieren. Dieser Kompromiß kann in einigen Anwendungen Vorteile haben. Die Werte von T°° für die Beispiele der Erfindung können niedriger sein als erwartet, da Licht, das durch die dispergierte sPS-Phase gestreut wird, nicht durch den Detektor empfangen werden kann.
Beispiel 125
Es wurde ein Dreischicht-Film gemäß Beispiel 4 hergestellt. Die Kernschicht bestand aus 70% CoPEN, dessen in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen, gemessene Strukturviskosität 0,55 betrug, 70% sPS 200–7, plus zusätzliches 2% Dylark 332–80 (erhältlich von NOVA Chemical). Jede Haut bestand aus 100% CoPET mit einer in Methylenchlorid gemessenen Strukturviskosität von 0,65.
Das CoPEN war ein Copolymer, das auf 62 Mol% Naphthalendicarboxylat und 38 Mol% Dimethylterephthalat beruhte. Das CoPET war ein Copolymer, das auf 80 Mol% Dimethylcarboxylat und 20 Mol% Dimethylisophthalat beruhte.
Der Gießfilm wurde in einer Weise orientiert, die mit dem Beispiel 1 übereinstimmte. Die Dehnung wurde mit 5,8 Me tern pro Minute (19 Fuß pro Minute) mit einer Ausgabebreite von 147 cm (58 Inch) durchgeführt. Die Dehnungstemperatur betrug 124°C. Die Wärmefixierungstemperatur betrug 163°C. Die senkrechte Durchlässigkeit betrug 85,3%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 21,7%.
Beispiele 126–130
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Herstellung einer co-zusammenhängenden Morphologie in einem optischen System der vorliegenden Erfindung.
In den Beispielen 126 bis 130 wurde eine Reihe von optischen Filmen hergestellt und in einer zum Beispiel 125 entsprechenden Weise bewertet, außer daß die sPS-Fraktion in der Kernschicht und die Dehnungstemperatur variiert wurden, wie in Tabelle 5 gezeigt.
Die parallelen und senkrechten Durchlässigkeitswerte für die Beispiele 125 bis 130 zeigen eine gute optische Leistung. Der hohe Wert für die senkrechte Durchlässigkeit für die Durchlässigkeit des Beispiels 130 läßt auf eine effektive Anpassung der Brechungsindizes in beiden Phasen für polarisiertes Licht schließen, das in die Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung ausgerichtet ist.
Es wurden Rasterelektronenmikroskop-Mikrophotographien von Bruchflächen der Gießbahn für die Beispiele 126 und 127 aufgenommen. Wie im Beispiel 125 gab es einen klaren Beweis von sphärischen oder elliptischen Teilchen, die in einer ansonsten zusammenhängenden Matrix dispergiert waren. Für die Beispiele 129 und 130 wurden Transmissionselektronenmikroskop-Mikrophotographien aufgenommen; diese werden jeweils in den 6a und 6b gezeigt. 6a veranschaulicht die Morphologie co- zusammenhängender Phasen. Eine Untersuchung der Mikrophotographie zeigt Einschlüsse von sowohl den co-PEN- als auch den sPS- Phasen, als auch Bereiche, wo jede die zusammenhängende Phase zu sein scheint. Im Gegensatz dazu zeigt 6b in einer sPS- Matrix dispergiertes coPEN.
Beispiel 131
Es wurde ein Dreischicht-Film gemäß Beispiel 4 hergestellt. Die Kernschicht bestand aus 85% CoPEN, dessen in einer Lösung aus 60% Phenol und 40% Dichlorbenzen gemessene Strukturviskosität 0,51 betrug, und 15% 50k-7, plus zusätzliche 2% Dylark^TM 332–80. Jede Haut bestand aus 100% CoPEN.
Das als Teil des Kerns verwendete CoPEN war ein Copolymer, das auf 70 Mol% Naphthalendicarboxylat und 30 Mol% Dimethylterephthalat beruhte. Das in den Hautschichten verwendete CoPEN war ein Copolymer, das auf 70 Mol% Dimethylcarboxylat und 30 Mol% Dimethylisophthalat beruhte.
Der Gießfilm wurde in einer Weise orientiert, die mit dem Beispiel 1 übereinstimmte. Die Dehnung wurde mit 5,3 Metern pro Minute (17,4 Fuß pro Minute) mit einer Ausgabebreite von 124,5 cm (49 Inch) durchgeführt. Die Dehnungstemperatur betrug 118°C. Die Wärmefixierungstemperatur betrug 141°C. Die senkrechte Durchlässigkeit betrug 81,9%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 32,7. Das senkrechte Durchlässigkeitsspektrum wird in 7 dargestellt.
Beispiel 132
Es wurde ein Film mit einer Antireflexschicht hergestellt, indem zuerst 10 Gramm Remet^TM SP-30 (Remet Coporation, Chadwicks, NY) mit 1 Gramm Tritox^TM X-100 (Rohm und Haas, Philadelphia, PA) zu 89 Gramm entionisiertem Wasser hinzugegeben wurden. Die Lösung wurde auf ein Stück Film aus dem Beispiel 131 beschichtet, wobei ein #3 drahtumwickelter Stab genutzt wurde, um eine Trockenbeschichtungsdicke von annähernd 200 Nanometern zu erhalten. Die senkrechte Durchlässigkeit betrug 83,8%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 33,3%.
Beispiel 133
Beispiel 131 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß beide Seiten des Films mit einer Antireflexschicht beschichtet wurden. Die senkrechte Durchlässigkeit betrug 86,2%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 33,8%.
Die. senkrechte Durchlässigkeitsspektren für die Beispiele 131–133 werden in 7 dargestellt. Man kann aus 7 entnehmen, daß die Gesamtsteigung der senkrechten Durchlässigkeit als eine Funktion der Wellenlänge für die Beispiele 132-133 relativ zum Beispiel 131 niedriger ist, insbesondere für den Wellenlängenbereich von. Ein Fachmann wird erkennen, daß ein Film, der eine flache Durchlässigkeitskurve als eine Funktion der Lichtwellenlänge aufweist, alle Änderungen der Farbe einer sich ergebenden Anzeigevorrichtung minimieren wird, in die der reflektierende Polarisator eingebaut werden könnte.
Beispiele 134 – 135
Die Beispiele stellen die Verwendung solcher Filme als hocheffiziente Lichtauskoppler für Lichtleiterstrukturen dar.
In Beispiel 134 wurde ein optischer Film hergestellt, indem eine Zusammensetzung extrudiert wurde, die aus 30% sPS in einer Matrix von 70/30/0-CoPEN bestand. Der extrudierte Film wurde in die Maschinenrichtung mit einem Dehnungsverhältnis von 2,5 : 1 orientiert.
In Beispiel 135 wurde ein zweiter Film aus derselben Zusammensetzung wie Beispiel 134 und unter Verwendung einer ähnlichen Prozedur hergestellt. Anstatt jedoch den Film in die Maschinenrichtung zu orientieren, wurde der Film einachsig in die Richtung quer zur Maschinenrichtung orientiert, wobei eine Spanndehnung von 4,8 : 1 verwendet wurde.
Die Filme der Beispiele 134 und 135 wurden mechanisch als Hülle befestigt, um optische Fasern zu trennen, wobei ein Silika-Schmiermittel verwendet wurde, um die Faser-Luft-Grenzfläche zu beseitigen. Der experimentelle Aufbau wird schematisch in 8 dargestellt. Die Fasern wurden dann mit einer 60 Watt Xenon-Metall-Halogen-Kurzbogenlampe verbunden, die von General Electric Company, Danbury, CT erhalten wurde. Die optischen Fasern wiesen eine Dicke von 1,2 cm auf und bestanden aus einem Acrylpolymer mit niedrigem Transformationspunkt.
Wenn die Lampe eingeschaltet wurde, wurden die beiden Proben erleuchtet und erzeugten diffus gestreutes Licht. Als die beiden Filmproben durch einen Polarisationsfilm unter einer Orientierung senkrecht zu einer Polarisationsebene betrachtet wurden, erschienen beide Proben im wesentlichen verdunkelt. Wenn. jedoch der Polarisationsfilm 90° in derselben Ebene gedreht wurde, erschienen beide Proben diffus hell, was anzeigte, daß die Durchlassung des Lichts durch die Filme polarisationsspezifisch war.
Die Wirkung, die Enden der Fasern zu kappen, wurde ebenfalls untersucht. Wenn die Enden reflektierend gekappt wurden, so daß ein Teil des Lichts, das aus den Enden der Fasern austrat, zurück in die Fasern reflektiert wurden, nahm die Intensität des durch die Filme erzeugten Lichts zu. Dies steht mit der Erzeugung eines Lichthohlraums in Übereinstimmung, in dem Licht der nicht ausgekoppelten Polarisation weiteren Reflexionen innerhalb der Lichtleitfaser unterzogen wird, bis es in Maßen in die ausgekoppelte Polarisation umgewandelt ist. Weil das Licht innerhalb der Faser nicht in der Lage ist, die Faser zu verlassen, außer durch den Auskoppler, nimmt die Auskopplungseffizienz zu. Zusätzlich bewirkte die Polarisationsumwandlung des Lichts, das mit der Faser/Luft-Grenzfläche wechselwirkte, daß ein größerer Anteil des Lichts aus der Faser in der gewünschten Polarisation ausgekoppelt wurde.
Beispiel 136
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Zunahme des Gewinns, die mit nicht normalen Einfallswinkeln mit den optischen Filmen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung erzielbar ist.
Es wurde ein Dreischicht-Film gemäß Beispiel 4 hergestellt. Die Kernschicht bestand aus 70% PEN, dessen (in 60% Phenol und 40% Dichlorbenzen gemessene) Strukturviskosität 0,48 betrug, und 30% sPS 200–8. Jede Haut bestand aus 100 CoPEN und wies etwa 17% der Gesamtdicke des Gießfilms auf.
Das CoPEN war ein Copolymer aus 70 Mol% Naphthalendicarboxylat und 30 Mol% Dimethylterephthalat. Die Viskosität des CoPEN wurde nicht gemessen.
Der Gießfilm wurde in einer Weise orientiert, die mit dem Beispiel 1 übereinstimmte. Die Dehnung wurde mit 5,5 Metern pro Minute (18 Fuß pro Minute) mit einer Ausgabebreite von 141 cm (55,5 Inch) durchgeführt. Die Dehnungstemperatur betrug 154°C. Die Wärmefixierungstemperatur betrug 164°C. Der sich ergebende Film war 128 Mikrometer dick.
Eine Sharp C12P Hintergrundbeleuchtung wurde an einer Fläche eines dichroitischen Standard-Polarisators angeordnet. Die Intensität des Lichts, das von dem Hintergrundbeleuchtung/Polarisator-Aufbau abgestrahlt wurde, wurde unter Verwendung eines Photo research PR650 Spektren-Kolorimeters gemessen. Der Hintergrundbeleuchtung/Polarisator-Aufbau wurde vor dem Beginn der Messung relativ zum Detektor des PR650 so orientiert, daß die Ebene, die den Bogen enthält, der durch den Detektorarm überstrichen wird, auch die Achse hoher Durchlässigkeit für den Polarisator enthält. Der Detektorarm wird plus und minus 60 Grad um eine Richtung senkrecht zum Hintergrundbeleuchtung/Polarisator-Aufbau geschwenkt. Eine zweite Intensitätsmessung wurde mit einem Stück Film von 23 cm² gemacht, der zwischen der Hintergrundbeleuchtung und dem Polarisator so angeordnet wurde, daß die senkrechte Durchlassungsachse des Films mit der Richtung hoher Durchlässigkeit des Polarisators übereinstimmte. Das Verhältnis der beiden Intensitäten für jede Winkelposition mit dem angeordneten optischen Film zu jener ohne ihn wird als der relative Gewinn berichtet.
Die Daten zum Beispiel 136 werden 9A gezeigt. Der mittlere relative Gewinn bei den Winkeln plus und minus 60 Grad von der Normalen betrug 1,45. Diese Daten demonstrieren, daß der relative Gewinn für den Film des Beispiels 136 bei nicht normalen Einfallswinkeln zunimmt, insbesondere für Winkel von 30° bis 60° weg vom normalen Einfall.
Vergleichsbeispiel 1
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Abnahme des Gewinns bei nicht normalen Einfallswinkeln für einen typischen kommerziell erhältlichen optischen Film.
Ein Stück eines mikrounterteilten Helligkeitsverstärkungsfilms von Sekisui W518 (Osaka, Japan) wurde unter Ver wendung des Eldim 120D gemessen, wie in Beispiel 136 beschrieben. Das Verhältnis der Intensitäten für jede Winkelposition mit dem angeordneten Sekisui W518 Film zu jener ohne den Sekisui-Film wird als 9B gezeigt. Der mittlere relative Gewinn bei den Winkeln plus und minus 60 Grad von der Normalen betrug 0,65, was anzeigt, daß der Gewinn für den Film bei normalem Einfall eine Spitze aufweist und für alle Winkel weg vom normalen Einfall abnimmt.
Wie durch Beispiel 136 und das Vergleichsbeispiel 1 demonstriert, können Filme zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, in der der relative Gewinn bei nicht normalen Einfallswinkeln zunimmt, insbesondere für Winkel von 30° bis 60° weg vom normalen Einfall. Im Gegensatz dazu weist der relative Gewinn für kommerziell erhältliche optische Filme typischerweise bei normalem Einfall eine Spitze auf und nimmt für alle Winkel weg vom normalen Einfall ab. Dieses Merkmal der Filme für die vorliegende Erfindung macht sie zur Verwendung in Anwendungen, wie Helligkeitsverstärkungsfilmen für großen Anzeigen besonders vorteilhaft, wo man wahrscheinlich die Anzeige über einen weiten Bereich von Winkeln betrachten wird.
Beispiele 137–150
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Zunahme des Gewinns bei nicht normalen Einfallswinkeln weiter, die mit den Filmen erzielt wird, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind.
Eine Reihe von Beispielen wurden in einer Weise hergestellt, die ähnlich zu Beispiel 136 ist, außer daß Materialund Verfahrensänderungen vorgenommen wurden, wie angegeben. In einigen der Beispiele wurde Irganox^TM 1425 Oxydationsinhibitor (erhältlich von Ciba Geigy) und/oder Dylark^TM 332–80 (erhältlich von NOVA Chemicals) hinzugefügt. Der mittlere relative Gewinn bei den Winkeln plus und minus 60 Grad von der Normalen als auch der relative Gewinn bei normalem Einfall (0 Grad) wird in Tabelle 6 dargestellt
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich veranschaulichend, und sie ist nicht dazu bestimmt, begrenzend zu sein. Daher sollte der Rahmen der vorliegenden Erfindung nur unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche ausgelegt werden.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung, die aufweist: eine Lichtquelle; und ein Polarisationselement (10), das eine polymere zusammenhängende Phase (12) und eine dispergierte Phase (14) aufweist, die in der zusammenhängenden Phase angeordnet ist; wobei die zusammenhängenden und dispergierten Phasen Brechungsindizes aufweisen, die sich längs einer ersten Achse um mehr als etwa 0,05 unterscheiden und die sich längs einer zweiten Achse, die orthogonal zur ersten Achse ist, um weniger als etwa 0,05 unterscheiden, wobei das Polarisationselement für eine erste Polarisation elektromagnetischer Strahlung ein Gesamtreflexionsvermögen von mehr als etwa 60% und für eine zweite Polarisation elektromagnetischer Strahlung orthogonal zur ersten Polarisation eine Gesamtdurchlässigkeit von mehr als etwa 50% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner eine Gehäuseeinrichtung zur Unterbringung der Lichtquelle und des Polarisationselements aufweist, und wobei das Polarisationselement ein reflektierender Film ist, der auf einer Innenfläche der Gehäuseeinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner eine Gehäuseeinrichtung zur Unterbringung der Lichtquelle und des Polarisationselements aufweist, und wobei die Gehäuseeinrichtung mit mindestens einer Öffnung zur Emission von Licht aus der Gehäuseeinrichtung ausgestattet ist, und wobei das Polarisationselement zwischen der Lichtquelle und der Öffnung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine diffuse Lichtquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zusammenhängende Phase eine Doppelbrechung von mindestens etwa 0,1, bevorzugter mindestens etwa 0,15 und am bevorzugtesten mindestens etwa 0,2 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dispergierte Phase eine Doppelbrechung von weniger als etwa 0,02 und bevorzugter weniger als etwa 0,01 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dispergierte Phase einen Brechungsindex aufweist, der sich längs der ersten Achse von der zusammenhängenden Phase um mehr als etwa 0,15 und bevorzugter um mehr als etwa 0,2 unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dispergierte Phase einen Brechungsindex aufweist, der sich längs, der zweiten Achse von der zusammenhängenden Phase um weniger als etwa 0,03 und bevorzugter um weniger als etwa 0,01 unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Polarisationselement ein diffuses Gesamtreflexionsvermögen längs der mindestens einen Achse von mindestens etwa 50% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Polarisationselement für die erste Polarisation der elektromagnetischen Strahlung ein Gesamtreflexionsvermögen von mehr als etwa 70% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens etwa 40%, bevorzugter mindestens etwa 60% und am bevorzugtesten mindestens etwa 70% des Lichts, das orthogonal zur ersten Polarisation des Lichts polarisiert ist, durch das Polarisationselement mit einem Ablenkwinkel von weniger als etwa 8° geht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zusammenhängende und dispergierten Phasen thermoplastische Harze aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der zusammenhängenden und dispergierten Phasen einen Polyester einer Carbonsäure aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der zusammenhängenden und dispergierten Phasen ein syndiotaktisches aromatisches Vinylpolymer aufweist, das von einem aromatischen Monomer abgeleitet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Polarisationselement in mindestens zwei Richtungen gedehnt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dispergierte Phase relativ zur zusammenhängenden Phase in einer Menge von etwa 15 Vol% bis etwa 30 Vol% vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das diffuse Reflexionsvermögen des Polarisationselements längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation sichtbarer, ultravioletter oder infraroter elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Polarisationselement ein Film ist, und wobei längs einer Achse senkrecht zur Oberfläche des Films die Indexdifferenz zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen weniger als etwa 0,05 und bevorzugter weniger als etwa 0,02 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Polarisationselement in mindestens eine. Richtung gedehnt ist, und wobei der diffus reflektierte Anteil der mindestens einen Polarisation elektromagnetischer Strahlung hauptsächlich längs oder nahe der Oberfläche eines Kegels verteilt wird, dessen Achse um die Dehnungsrichtung zentriert ist und dessen Oberfläche die spiegelnd reflektierte Richtung aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung, die eine Lichtquelle und ein optisches Element (10) aufweist, wobei das optische Element aufweist: eine zusammenhängende Phase (12) mit einer Doppelbrechung von mindestens etwa 0,05; und eine dispergierte Phase (16), die innerhalb der zusammenhängenden Phase angeordnet ist; wobei der Absolutwert der Differenz des Brechungsindex der zusammenhängenden und dispergierten Phase längs einer ersten Achse Δn₁ und längs einer zweiten Achse orthogonal zur ersten Achse Δn₂ ist, wobei der Absolutwert der Differenz zwischen Δn₁ und Δn₂ mindestens etwa 0,05 beträgt, und wobei das diffuse Reflexionsvermögen der zusammenhängenden und dispergierten Phasen zusammengenommen: längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.
Kombination nach Anspruch 20, wobei der Absolutwert der Differenz zwischen Δn₁ und Δn₂. mindestens etwa 0,1 beträgt.
Kombination nach Anspruch 20, wobei die zusammenhängende Phase eine stärkere Doppelbrechung als die dispergierte Phase aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung, die aufweist: eine Lichtquelle, eine Reflexionseinrichtung zur Reflexion von Licht, das durch die Lichtquelle erzeugt wird; und eine Polarisationseinrichtung zur Polarisation von Licht, das durch die Lichtquelle erzeugt wird; wobei mindestens eine der Reflexionseinrichtung und der Polarisationseinrichtung eine polymere zusammenhängende Phase (12) und eine dispergierte Phase (16) aufweist, die in der zusammenhängenden Phase angeordnet ist, wobei die dispergierte Phase längs mindestens zweier irgendwelcher dreier gegenseitig senkrechter Achsen diskontinuierlich ist, wobei die ersten und dispergierten Phasen Brechungsindizes aufweisen, die sich längs einer ersten Achse um mehr als etwa 0,05 unterscheiden und die sich längs einer zweiten Achse orthogonal zu der ersten Achse um weniger als etwa 0,05 unterscheiden und wobei das diffuse Reflexionsvermögen der ersten und dispergierten Phasen zusammengenommen längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.