部分反射型多層光學(xué)膜的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是2011年5月10日提交、發(fā)明名稱為"具有降低的彩色的部分反射型多層光 學(xué)膜"、申請?zhí)枮?01180025047.8(國際申請?zhí)枮镻CT/US2011/035967)的發(fā)明專利申請的分 案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明整體涉及光學(xué)膜，所述光學(xué)膜的反射和透射特性在很大程度上取決于從所 述膜內(nèi)的微層之間的界面反射的光的相長和相消干涉，特別應(yīng)用于這樣的膜:所述膜在給 定入射條件下部分地反射且部分地透射擴(kuò)展波長范圍內(nèi)的光。本發(fā)明還涉及相關(guān)的制品、 系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 多層光學(xué)膜為已知的。這種膜通常包括大量極薄的由不同光透射材料形成的層， 所述層稱為微層，這是因?yàn)樗鼈冏銐虮∫允沟霉鈱W(xué)膜的反射和透射特性在很大程度上取決 于從層界面反射的光的相長干涉或相消干涉。根據(jù)各個(gè)微層所具有的雙折射(如果有的話） 的值和相鄰微層的相對(duì)折射率差值并且另外根據(jù)其他設(shè)計(jì)特性，可將多層光學(xué)膜制備成具 有如下反射和透射特性，所述反射和透射特性可(例如)在一些情況下被表征為反射型偏振 器并且在其他情況下被表征為反射鏡。
[0004] 由多個(gè)微層構(gòu)成的反射型偏振器為人們所知已有一段時(shí)間，所述多個(gè)微層的面內(nèi) 折射率被選擇成提供沿著面內(nèi)阻光軸的相鄰微層之間的顯著折射率失配和沿著面內(nèi)透光 軸的相鄰微層之間的顯著折射率匹配，并且具有足夠數(shù)量的層以確保對(duì)于沿一個(gè)主方向 (稱為阻光軸)偏振的垂直入射光具有高反射率、同時(shí)對(duì)于沿正交主方向（稱為透光軸)偏振 的垂直入射光保持低反射率和高透射率。參見例如美國專利No. 3，610，729(R〇gers)、No.4， 446,305(1?〇8618等人）和1^〇.5,486,949(3(311代111<:等人） 。
[0005] 近來，3M公司的研究人員已經(jīng)指出此類膜沿垂直于膜的方向（即z軸）的層對(duì)層折 射率特性的重要性，并且顯示出這些特性如何對(duì)膜在斜入射角下的反射率和透射率起重要 作用。參見例如美國專利5,882,774(J 〇nza等人hjonza等人提出，除了別的以外，相鄰微層 之間的z軸折射率失配(簡稱為z折射率失配或A nz)可被調(diào)控，以允許構(gòu)造布魯斯特角(p偏 振光在界面處的反射率變?yōu)榱愕慕嵌?非常大或不存在的多層疊堆。這又允許構(gòu)造這樣的 多層反射鏡和偏振器:其P偏振光的界面反射率隨著入射角增加而緩慢減小，或與入射角無 關(guān)，或隨著入射角偏離垂直方向而增大。因此，可以獲得在寬帶寬內(nèi)對(duì)s偏振光和p偏振光均 具有高反射率的多層膜(對(duì)于反射鏡以任何入射方向，對(duì)于偏振器以選定的方向）。
[0006] -些多層光學(xué)膜被設(shè)計(jì)用于窄帶操作（即，在窄波長范圍上），而其他多層光學(xué)膜 被設(shè)計(jì)用于在寬波長范圍上使用，例如，在基本上整個(gè)可見光或明度光譜、或者(例如)外加 近紅外波長的可見光或明度波長范圍上。多年來，后一類型的膜(即，寬帶多層光學(xué)膜)的設(shè) 計(jì)者和制造商已不得不處理彩色問題。當(dāng)所述膜旨在用于視覺顯示系統(tǒng)（如，其中所述膜為 寬帶反射型偏振器或?qū)拵Х瓷溏R并且顯示系統(tǒng)為液晶顯示器、光源、或背光源）中時(shí)，通常 會(huì)引發(fā)彩色問題。在這種系統(tǒng)中，通常不利的是，所述膜在垂直入射光下或?qū)τ趦A斜入射光 向顯示器賦予顯著的彩色(非白色)外觀。當(dāng)所述膜在光譜的可見光部分上具有不均一的透 射或反射特性時(shí)會(huì)產(chǎn)生彩色外觀。就共擠出的聚合物多層光學(xué)膜而言，這種不均一性通常 歸因于所述膜的層厚分布相對(duì)于目標(biāo)分布的不良控制。為了避免彩色問題，聚合物多層光 學(xué)膜通常被設(shè)計(jì)為提供沿其主軸的極低反射率和高透射率(如，對(duì)于反射型偏振器的透光 軸)或者極高反射率和低透射率(如，對(duì)于反射型偏振器的阻光軸、或者對(duì)于反射鏡膜的任 何面內(nèi)軸）。強(qiáng)制使反射率具有極低或極高值(并且強(qiáng)制使透射率分別具有極高或極低值） 可使得形成低彩色寬帶膜，因?yàn)榉謩e當(dāng)標(biāo)稱反射率接近〇(〇%)或1(100%)并且標(biāo)稱透射率 接近1或0時(shí)，對(duì)于層厚分布的給定波動(dòng)而言，反射率或透射率的光譜不均一性的值較小。
[0007] 最近，已提出下述寬帶聚合物多層光學(xué)膜，其對(duì)于平行于至少一個(gè)主光軸偏振的 光具有中等大小的反射率和透射率以使得入射光的一些顯著量被反射，并且入射光的另一 些顯著量(通常，未被反射的入射光的其余部分)被透射。這種膜在本文中稱為部分反射型 多層光學(xué)膜、或部分透射型多層光學(xué)膜。解決這種薄膜中的彩色問題的一種方法為利用具 有精心定制的層厚分布的僅單個(gè)微層層組來提供這種薄膜并且在不使用層倍增器裝置的 情況下來制造這種薄膜，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)層厚分布的最大控制和在可見光波長范圍上的透射率 或反射率的相應(yīng)最小光譜波動(dòng)。參見（例如）名稱為"Low Layer Count Reflective Polarizer With Optimized Gain"（具有優(yōu)化增益的低層數(shù)反射型偏振器）的PCT公開TO 2009/0123928(Derks等人）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，如上文所述，聚合物多層光學(xué)膜的設(shè)計(jì)者和制造商所面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)為因 不良層厚控制而造成的意外和不利的感知彩色，所述聚合物多層光學(xué)膜旨在成為（1)沿主 軸部分地反射的和(2)寬帶的（即，旨在提供寬波長范圍上的部分反射率）。這種不利的彩色 通常表現(xiàn)為光學(xué)透射率和反射率光譜中的相對(duì)高頻波動(dòng)，所述高頻波動(dòng)與微層厚度相對(duì)其 理想或目標(biāo)值的偏差(更精確地講，微層的光學(xué)重復(fù)單元的偏差)直接相關(guān)。部分反射型寬 帶多層光學(xué)膜的制造商和設(shè)計(jì)者所面對(duì)的這種挑戰(zhàn)將在下文中參照圖1-3并在本文獻(xiàn)的具 體實(shí)施方式中進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。
[0009] 本專利申請具體關(guān)注的多層光學(xué)膜為下述膜，所述膜在所關(guān)注的寬波長范圍上， 沿著至少一個(gè)主面內(nèi)軸對(duì)于垂直入射光和傾斜入射光而言均為部分反射和部分透射的。這 種膜的特征可在于該膜或其組成組件中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)于指定的光入射條件具有"內(nèi)部透 射率"。膜的"內(nèi)部透射率"是指當(dāng)在測量中不包括膜/組件的最前和最后表面(這些表面可 接觸或可不接觸空氣）的任何影響時(shí)的膜的透射率。因此，膜的內(nèi)部透射率是指僅得自膜/ 組件的內(nèi)部、而非其兩個(gè)外表面的透射率。"內(nèi)部反射率"完全類似于內(nèi)部透射率。因此，膜 的內(nèi)部反射率是指僅得自膜/組件的內(nèi)部、而非其兩個(gè)最外表面的反射率。以內(nèi)部透射率 和/或內(nèi)部反射率來表征多層光學(xué)膜或其他光學(xué)主體在多種情況下可為有益的和有用的。 為清晰起見，當(dāng)在本文獻(xiàn)中結(jié)合多層光學(xué)膜或其他光學(xué)主體或者它們的部分使用諸如"反 射"和"透射"之類的術(shù)語（以及諸如反射率和透射率之類的相關(guān)術(shù)語)時(shí)，讀者將會(huì)理解:它 們可根據(jù)上下文而指所述主體的普通反射率和透射率(這通常(除了以布魯斯特角入射的P 偏振光)包括兩個(gè)最外表面的影響）、或指所述主體的內(nèi)部反射率和內(nèi)部透射率、或者上述 兩者。當(dāng)最外表面的影響旨在被特別地排除時(shí)，則在本文獻(xiàn)的全文中使用形容詞"內(nèi)部"。
[0010] 本專利申請尤其公開了部分透射型多層光學(xué)膜主體，其通過組合（例如，通過層 合)兩個(gè)單獨(dú)的多層光學(xué)膜或微層層組來形成降低的彩色，所述兩個(gè)單獨(dú)的多層光學(xué)膜或 微層層組的高頻光譜峰和谷往往在所關(guān)注的寬波長范圍上并且至少在所述膜主體的至少 一些區(qū)域處相互抵消。在實(shí)施過程中，多層光學(xué)膜和微層層組可顯示具有空間不均一性，使 得在所述膜或?qū)咏M上的各區(qū)域或位置之間，光譜峰和谷的波長會(huì)輕微地變化。即使當(dāng)這種 空間不均一性導(dǎo)致在該構(gòu)造的另一個(gè)區(qū)域中不同薄膜或?qū)咏M的相應(yīng)光譜峰和谷往往不相 互抵消時(shí)，我們也已發(fā)現(xiàn)這種非最佳區(qū)域的彩色通常增加僅適度的量，以使得整個(gè)構(gòu)造仍 可具有降低的彩色平均值，其中所述平均值可包括所述膜構(gòu)造的有效區(qū)域上的空間平均 值。
[0011] 因此，例如，可制備如下部分反射型共擠出多層光學(xué)膜主體，其相比于先前的設(shè)計(jì) 在所關(guān)注的波長范圍上、至少在所述膜主體的一些區(qū)域或部分中、和/或在考慮所述膜主體 的所有點(diǎn)上的空間平均值時(shí)具有較平坦和較平滑的透光光譜。可利用兩個(gè)或多個(gè)多層層組 以及兩個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的連續(xù)層分布(其厚度或形狀相對(duì)于彼此進(jìn)行稍許的調(diào)整)來制備膜 主體，其中用于各個(gè)層組的反射譜帶基本上跨越所關(guān)注的整個(gè)波長范圍。這不同于如下膜 主體，所述膜主體使用反射譜帶跨越所關(guān)注的波長范圍的僅一個(gè)多層層組和僅一個(gè)相應(yīng)的 連續(xù)層分布。這種單層組膜主體可被視為比具有兩個(gè)或更多個(gè)多層層組的所述膜主體更有 效，因?yàn)閱螌咏M膜主體可使用較少總數(shù)的微層以在所關(guān)注的波長范圍上產(chǎn)生具有指定反射 率值的反射譜帶。參見(如)PCT公開WO 2009/0123928(Derks等人）。但即使本發(fā)明所公開的 多層組設(shè)計(jì)從光學(xué)的角度而言不如單層組設(shè)計(jì)有效，我們卻已發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮所述膜主體的整 個(gè)可用區(qū)域時(shí)，所述多層組設(shè)計(jì)可在整個(gè)波長范圍上提供更好的整體光譜均一性。
[0012] 本專利申請因此尤其公開了包括第一和第二微層層組的多層光學(xué)膜主體。在一些 情況下，所述膜主體可不包括除第一和第二層組之外的微層層組，而在其他情況下所述膜 主體可包括一個(gè)或多個(gè)其他微層層組。第一微層層組可被構(gòu)造為對(duì)于沿所述膜主體的第一 主軸偏振的垂直入射光而言部分地透射和部分地反射擴(kuò)展波長范圍（例如可見光區(qū)域)上 的光，并且第二微層層組也可被構(gòu)造為對(duì)于相同的垂直入射的線性偏振光而言部分地透射 和部分地反射擴(kuò)展波長范圍上的光。第一和第二層組的組合可對(duì)于垂直入射光具有顯著量 的反射和透射(如，擴(kuò)展波長范圍上的平均內(nèi)部透射率在5-95%的范圍內(nèi)），并且對(duì)于斜射 光(如，在包括第一主軸的平面內(nèi)以60度角從空氣入射的p偏振光)具有類似的部分反射和 透射。當(dāng)在擴(kuò)展波長范圍上進(jìn)行平均時(shí)，第一和第二層組的組合可對(duì)于60度p偏振光具有 0.1(10%)至0.9(90%)、或0.2至0.8、或0.3至0.7范圍內(nèi)的內(nèi)部透射率。在一些情況下，例 如，如果微層隨入射角增加而更強(qiáng)烈地反射P偏振光，則對(duì)于60度斜射p偏振光的內(nèi)部透射 率可小于對(duì)于垂直入射光的內(nèi)部透射率。在其他情況下，例如，如果微層隨入射角增加而更 微弱地反射P偏振光，則對(duì)于60度斜射p偏振光的內(nèi)部透射率可大于對(duì)于垂直入射光的內(nèi)部 透射率。在其他情況下，對(duì)于60度斜射p偏振光的內(nèi)部透射率可基本上等于對(duì)于垂直入射光 的內(nèi)部透射率。
[0013] 第一和第二微層層組可相連接以使得至少一些光可依序地穿過第一和第二微層 層組。在多層光學(xué)膜主體的至少第一測試區(qū)域中，第一和第二層組的組合的高頻光譜波動(dòng) (Δ comb)可小于第一層組自身的高頻光譜波動(dòng)（Δ1)，并且也可小于第二層組自身的高頻 光譜波動(dòng)（A 2)。在一些情況下，在相同的擴(kuò)展波長范圍上，尤其是當(dāng)所述膜主體不包括除 第一和第二層組之外的微層層組時(shí)，Δ comb可與多層光學(xué)膜主體的高頻光譜波動(dòng)Δ FB相 同。
[0014] 第一微層層組可在擴(kuò)展波長范圍上對(duì)于垂直入射光具有第一透光光譜，所述第一 透光光譜具有第一高頻光譜波動(dòng)A 1。第二微層層組可在擴(kuò)展波長范圍上對(duì)于垂直入射光 具有第二透光光譜，所述第二光譜具有第二高頻光譜波動(dòng)A 2。第一和第二透光光譜的差值 可產(chǎn)生擴(kuò)展波長范圍上的第一差分透光光譜，所述第一差分透光光譜具有第一差分高頻光 譜波動(dòng)A diff。第一和第二透光光譜的組合可產(chǎn)生擴(kuò)展波長范圍上的第一組合透光光譜， 所述第一組合透光光譜具有高頻光譜波動(dòng)A comb。多層光學(xué)膜主體可在擴(kuò)展波長范圍上對(duì) 于垂直入射光具有第一膜主體透光光譜，所述第一膜主體透光光譜具有第一膜主體高頻光 譜波動(dòng)A FB。（在其中多層光學(xué)膜主體基本上由第一和第二微層層組組成、且具有至少一個(gè) 或多個(gè)光學(xué)上厚的光透射層的情況下，第一組合透光光譜可與第一膜主體透光光譜基本上 相同，并且A comb可與Δ FB基本上相同）。所述膜主體優(yōu)選地被構(gòu)造為使得Δ diff大于Δ 1 和Δ 2中的至少一個(gè)。此外：Δ diff可大于Δ 1和Δ 2中的每一個(gè)；Δ comb和/或Δ FB可小于Δ 1和Δ 2中的至少一個(gè);并且Δ comb和/或Δ FB可小于Δ 1和Δ 2中的每一個(gè)。
[0015] 第一透光光譜、第二透光光譜、第一差分透光光譜、第一組合透光光譜、和第一膜 主體光譜可為內(nèi)部透光光譜，或者它們可為普通(外部)透光光譜。這些透光光譜可各自具 有5nm或更小的測量分辨率，這充分地位于大多數(shù)分光光度計(jì)的能力之內(nèi)。第一測試區(qū)域可 被選擇為使得在第一測試區(qū)域的任何兩個(gè)部分之間，所述膜主體的任何給定光譜特征在波 長上偏移小于指定量，例如約5nm。對(duì)于多個(gè)多層光學(xué)膜主體和大多數(shù)分光光度計(jì)而言，測 試區(qū)域的范圍為從約1mm 2至1 cm2。所關(guān)注的擴(kuò)展波長范圍可包括400nm至700nm中的至少大 部分，例如從420到680nm、或從420nm到大于680nm的波長，例如420至lOOOnm。
[0016] 任何給定的高頻光譜波動(dòng)可為如下波動(dòng)，所述波動(dòng)是基于所關(guān)注的波長范圍上的 相關(guān)透光光譜和透光光譜的最佳擬合曲線之間的差值，所述最佳擬合曲線的形式為(例如） ao+aiA+a2X2+a3X3,其中λ為光學(xué)波長。高頻光譜波動(dòng)可為透光光譜和相應(yīng)最佳擬合曲線之間 的差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，A 1可基于所關(guān)注的波長范圍上的第一透光光譜和第一透光光譜 的第一最佳擬合曲線之間的差值，所述第一最佳擬合曲線的形式為ao+aA+aW+aW。參數(shù) A 2可類似地基于所關(guān)注的波長范圍上的第二透光光譜和第二透光光譜的第二最佳擬合曲 線之間的差值，所述第二最佳擬合曲線的形式也為ao+aA+aW+aA 3。參數(shù)Adiff還可基于 所關(guān)注的波長范圍上的第一差分透光光譜和第一差分透光光譜的第一差分最佳擬合曲線 之間的差值，所述第一差分最佳擬合曲線的形式也為ao+aA+aW+aA 3。相組合的第一和第 二層組可在擴(kuò)展波長范圍上對(duì)于垂直入射光具有第一組合透光光譜，所述第一組合透光光 譜具有高頻光譜波動(dòng)△ comb，其中△ comb可基于所關(guān)注的波長范圍上的第一組合透光光譜 和第一組合透光光譜的第一組合最佳擬合曲線之間的差值，所述第一組合最佳擬合曲線的 形式也為&0+&?λ+&2λ 2+83λ3 〇
[0017] 第一和第二層組彼此在構(gòu)造上可相同或相似，并且當(dāng)單獨(dú)考慮時(shí)可具有相同或相 似的透射和反射特性。第一透光光譜(例如）可在所關(guān)注的波長范圍上具有第一平均值，并 且第二透光光譜可在相同的波長范圍上具有第二平均值，并且第一平均值可與第二平均值 相差(例如)小于0.2、或小于0.1。第一平均值可與第二平均值基本上相同。
[0018] 第一層組可與第二層組具有基本上相同數(shù)量的微層。第一和第二微層層組各自的 特征可在于光學(xué)重復(fù)單元的標(biāo)稱單調(diào)層厚度分布。
[0019] 在多層光學(xué)膜主體的不同于第一測試區(qū)域的第二測試區(qū)域中，第一層組可在擴(kuò)展 波長范圍上對(duì)于垂直入射光具有第三透光光譜，所述第三透光光譜具有第三高頻光譜波動(dòng) A 3,并且第二微層層組可在擴(kuò)展波長范圍上對(duì)于給定入射條件具有第四透光光譜，所述第 四透光光譜具有第四高頻光譜波動(dòng)A 4。第三和第四透光光譜之間的差值可產(chǎn)生擴(kuò)展波長 范圍上的第二差分光譜，所述第二差分光譜具有第二差分高頻波動(dòng)Adiff2。在第二測試區(qū) 域中，第一和第二層組的組合可在擴(kuò)展波長范圍上對(duì)于垂直入射光具有第二組合透光光 譜，所述第二組合透光光譜具有第二組合高頻光譜波動(dòng)A C〇mb2。在一些情況下，Δ diff2可 小于Δ 3和Δ 4中的至少一個(gè)。此外：Δ diff2可小于Δ 3和Δ 4中的每一個(gè);并且Δ comb2可大 于Δ 3和Δ 4中的至少一個(gè)。
[0020] 本發(fā)明還公開了制備部分反射型多層