CN1135409C - 增强接收角和选择性透射的多层反射体 - Google Patents

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Abstract

多层介质反射体(160)中，处理反射体表面可有选择地增大透射通过反射体的光量。可以用各种表面处理使光透射通过反射体，否则会由反射体反射。在一个这样的反射体中，对于使大传播角光耦合进入多层反射体，表面的不同部分(101，103，107，109)具有不同的耦合效率(101，107)。反射体每一侧具有较高耦合效率的那些部分，都有较高的透射度。

Description

增强接收角和选择性透射的多层反射体
                            背景技术
本发明一般涉及多层反射体，特别涉及具有选择性透射特性的多层介质反射体。
多层介质反射体通常用于分割在反射和透射之间的电磁谱部分，它在光学堆内一般应用二层以上不同的材料，不同材料沿光学堆至少一根平面内轴的折射率均不同，且足以在各层的界面反射光。一般的介质反射体极少吸收。根据其应用目的，可将介质堆构成反射大面积的电磁谱，其特定部分、一种偏振光等等，还可构成反射以法向和/或掠角入射的光。
一种类型的多层介质反射体通过在基片上依次淀积诸薄膜而形成，此法能精心地控制各层的厚度而得到期望的反射带分布。形成介质反射体的另一种方法使用用共挤压的聚合物层形成光学堆。在各类反射体中，使用的层数多可提高最终介质反射体的性能。
                            发明概述
本发明一般涉及经选择性处理改变反射体透射特性的介质反射体。例如，通过将表面处理成改变光在一面进入反射体的传播角，且允许光在另一面从该反射体射出，可在局部区域有选择地改变介质反射的反射和透射特性。
一实施例中，反射体包括一个光学重复单元的介质堆，该单元包括至少两种折射率不同的不同材料。该介质堆有一临界角度，在此角度下，在堆内传播的光将在堆与空气的界面经历内部全反射。与介质堆光学耦合的第一表面，被有选择地处理成将入射在第一表面上的至少一部分光以高于临界角的传播角度耦合入介质堆；第二表面被选择性处理成以高于临界角的某一角度从堆里耦合出至少一部分在介质堆中传播的光。对于一个表面上的不同介质堆区域而言，以高于临界角的传播角度将光引入或引出该堆的耦合效率是不同的。
若干介质反射体适用于本发明的各种实施例。适用的反射体包括聚合物多层镜和偏振膜、蒸发淀积的介质镜等。可用各种处理方法有选择地将光引入介质堆和从中引出。经选择性处理的这类反射体可用作若干有用物品的一部分。例如，可以制作均匀照射的标志，对标志一侧作选择性处理，可改变该标志上的标记。
上述发明内容不打算用来描绘本发明的每一示例性实施例或每种实施方案。下面的附图和详细说明会更具体地说明这些实施例。
                          附图简要说明
通过下面结合附图对本发明各种实施例的详细说明，可以更全面地理解本发明内容，其中：
图1是本发明一实施例的示意图；
图2是表示本发明各实施例的另一示意图；
图3A和图3B分别示出作为入射媒介折射率变化函数的P偏振和S偏振光的带像偏移；
图4示出本发明一实施例的表面处理；
图5示出本发明另一实施例的表面处理；
图6示出本发明再一实施例的表面处理；
图7是本发明的另一实施例；
图8示出本发明一实施例中反射体的反射谱；
图9示出本发明又一实施例；
图10示出本发明又一实施例；
图11示出本发明再一实施例；
图12示出按照本发明一实施例制造的多层反射体的透射谱；
图13示出按照本发明另一实施例制造的多层反射体的透射谱；
图14示出本发明一实施例中再一多层反射体的透射谱；
图15示出按照本发明又一实施例制造的多层反射体的透射谱；
图16示出本发明再一实施例中作各种表面处理的各多层反射体的透射谱；
图17示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图18示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图19示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图20示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图21示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图22示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图23示出按照本发明一实施例处理的另一多层反射体的透射谱；
图24示出本发明一实施例中反射体的散射和反射特性；
图25示出本发明另一实施例中经不同处理的反射体的透射谱；
图26示出本发明再一实施例中透射和处理之间的相互关系；
图27示出本发明一实施例的隔栅；以及
图28A和图28B示出本发明另一实施例的光组件。
                            详细说明
本发明一般适用于多种不同的多层反射体，特别适合多层介质镜与偏振器。为便于说明本发明的各个方面，虽然下面提出了此类反射体的一些特例，但是本发明并不限于这些特例。
根据本发明的各种实施例，可以有选择地增大通过多层介质反射体透射的光量。多层介质反射体通常包括形成介质堆基本积木块的光学重复单元，光学重复单元一般包括二层或多层至少有高和低折射率的材料。利用这些积木块，可将多层反射体设计成反射红外、可见光或紫外波长以及一个或二个给定的正交成对偏振光。一般而言，按下式控制诸层的光学厚度，可将该种堆构成为使波长为λ的光反射：
λ＝(2/M)*Dr式中M为反射光次数的整数，Dr是光学重复单元的光学厚度。对于一次反射，光学重复单元为λ/2厚。简单的1/4波堆的各层为λ/4。宽带反射体可包括多个1/4波堆、整个堆的层厚度连续渐变的堆或它们的组合。典型的多层反射体还可包括非光学层。例如，共挤压的聚合物介质反射体可以包括便于形成反射体膜且用于保护反射体的保护边界层和/或表面层。在发明名称为“多层光学膜”的已经公布的PCT专利申请WO95/17303和发明名称为“色偏膜”的共同待审专利申请Ser.No.09/006/591中，都说明了特别适合本发明的聚合物光学堆，现在此引用作为参照。下面所述各个例子是1/4波堆，但本发明并不只限于1/4波堆，一般适用于任何介质堆，如计算机优化的堆与随意层厚度的堆等。
介质堆对特定波长光的反射还部分地依赖于通过堆的传播角。对于在堆中以特定角度传播的光，可以认为多层反射体具有反射带分布(如带中心和带缘)。随着堆中传播角的变化，这种带分布也发生变化。堆中的传播角一般是入射角同介质堆及其周围媒介中各材料折射率的函数。反射带分布的带缘随着堆内传播角变化所发生的变化，可视为堆的带缘随角度的偏移。通常对于所研究的材料，当在空气中按掠角入射观察时，反射体对法向入射光的带缘偏移至其法向入射值的约80％。相反地，带金属成分的介质多层却没有这类明显的偏移。
虽然大多数介质堆包括诸多分立层，但是对于皱折滤波器或其折射率随进入膜的深度发生周期性连续变化的任何膜而言，具有类似的角度动作。另外，诸如反射圆形偏振光的胆甾醇(cholesteric)液晶等手征结构材料，在带缘随光传播角偏移方面相似。一般而言，任何布拉格(Bragg)反射体，包括有序的球粒堆(如乳白玻璃)之类的稀有材料，都有这种效应，都包括在本发明内。
反射带分布的角度相关性(如带缘随角度偏移)由层的有效厚度所发生的变化造成。在双折射介质层情况中，有效折射率随入射角的变化也影响到反射带分布。前者总占主导地位，而若在堆中使用正的或负的双射率材料，则随着角度从法向入射开始增大，反射带偏向更短的波长。尽管通过给定层的总路程随角度而增大，但是带位置随角度的变化并不依赖于通过一层的总路程随角度的变化，而是带位置依赖于从给定层的顶面和底面反射的光线之间的路程差。公式n*d*cosθ表示了该路程差随入射角而减小，该式用来计算将给定层调谐成层厚为1/4λ的波长λ。对于双轴定向的PET和PEN等负单轴双折射层而言，像cosθ那样，有效折射率n随p偏振光的入射角而减小，虽然后者减小得更快。对于含负单轴双折射层的堆而言，该层的有效折射率随p偏振光的入射角减小，将使p偏振光的带中心比s偏振光的带中心以更高的速率随入射角移动。给定止带的带宽随s偏振光的入射角而增大，而对于p偏振光，根据平面内与平面外(z轴)折射率差值的相对符号，带宽可以随入射角减小或增大。在某些场合中，s与p偏振光的短波长(蓝色)带缘将对所有入射角都保持一致，而长波长(红色)带缘将按入射角分离。上述参照的“色偏膜”(待审专利申请Ser.No.09/006,591)中，对此有详细说明。
以上说明了反射带分布的带缘是如何随角度变化的。正如这里所使用的，带缘一般指多层反射体从基本上反射变为基本上透射的区域，这一区域可能相当尖锐，并说明为单个波长。其它场合中，反射和透射之间的过渡可能为具有更缓渐变性的，可用中心波长和带宽来描述。然而，任何一种场合中，带缘任意一侧都存在着反射和透射的明显差别。
对于给定波长光，也可把介质堆的带缘处理成是介质堆中传播角的函数。当特定波长的光以增大的(相对于重复单元界面的垂直轴测量得到的)传播角在堆中传播时，该光达到带缘。一例子中，以足够高的传播角，该堆将对特定光波长变成基本上透明，当透射通过堆。这样，对一给定的光波长，该堆有一相关的传播角，低于此角，堆将基本上使光反射，还有另一传播角，高于此角，堆将基本上使光透射。因此，在某些多层堆中，可以认为每个光波长都有一低于其就发生基本上反射的相应角度和一高于其则发生基本上透射的相应角度。对于有关的波长而言，带缘越尖锐，这两个角度越接近。
在上述方法中，随着传播角的增大，给定堆中特定波长光将从反射移至透射。虽然，当带缘随着传播角在介质堆中偏移时，某些光波长也会从透射态移至反射态。这样，对于这些波长光，该堆有一高于其将基本上使光反射的相关传播角以及低于其将基本上使光透射的另一传播角。因此，更加可以将每个光波长看成具有对应的一组基本上反射光的传播角和另一组基本上透射光的角度。两组传播角中哪一组较大，取决于该介质堆的带分布。如下面更全面描述的那样，这两组中较大的一组将包括一个临界角，随着传播角达到或高于该临界角，可以利用介质堆表面的选择性处理使光耦合进入堆和从堆中耦合出射光。
利用上述原理可以设计出一种介质堆，对于在规定的角度范围内入射该介质堆的光的给定带宽，它具有期望的反射和/或透射。例如，通过将法向入射表面的光的反射带宽延伸超过可见光谱来计算多层堆反射的传播角度相关性，可以构成一种宽带可见光反射镜。然而，对于从平坦表面上的均质媒介入射的光而言，斯涅耳折射定律显然限制了介质堆中的最大传播角。一般而言，为了在反射所有角度入射光的反射中包罗全部可见光谱，可将带宽展宽，使反射镜以斯涅耳反射定律对多层堆中使用的特定材料所允许的最大角度反射具有某一传播角的光。
参照图1，它示出了反射体100的一部分。多层介质堆105相对表面103与109的部分101和107经处理，在堆中以较高的传播角将光引入该堆和/或从堆中引出。介质堆105一般是多层堆，包括设计成具有所需反射带分布的光学重复单元。多层介质堆105可以是任何一种使用两层或多层不同折射率的介质材料的合适的多层反射体，包括共挤压的聚合物双折射多层反射体和由有机、无机和/或均质材料真空淀积而成的介质反射体等等。堆105还可以包括一个或多个非光学层(如形成介质反射体105的表面103与109的表面层)。术语堆还可以包括折射率周期性变化而起到Bragg反射体作用的任何一种材料。
通常对表面103与109进行处理，以在堆与周围媒介之间耦合在介质堆中的传播角为θp的光，θp大于与堆的反射带缘有关的角θr。其中把介质反射体构成用于在空气中以所有角度入射的可见光的宽带反射镜，例如反射角θr对应于堆中为斯涅耳反射定律所允许的最大角度和对堆出射光出现内部全反射(TIR)的角度。此时，表面处理以大于斯涅耳定律在典型的平坦界面所允许的角度把一部分光引入堆中，并从堆中引出一部分在堆中以超过TIR角的角度传播的光。在此情况下，通常须以光学方法将处理引入该堆，以在处理光学堆之间不存在介入的空气界面。
如这里所述的并参照斯涅耳定律，术语平面、平行平面指能够近似为平面的膜的局部区域。于是，入射角指向局部正切平面。因此，呈现出单一或混合弯曲度的膜也包括在其中。例如，包括涂在柱或球上的膜，或者卷成柱形或形成(如热成形)复杂形状的多层聚合物膜。
在图1的实施例中，在处理过表面的部位，透射通过反射体100的光量增大了。表面处理部分与未处理部分所反射的光量取决于处理类型和膜结构。一般而言，反射体100处理与未处理部分之间的透射差异，希望足以在这两种区域之间有明显的反差。例如在宽带可见光反射镜的情况下，在透射方面，除了处理部分之外，几乎看不到任何光。如下面更全面描述的那样，可对表面应用各种不同的表面处理，以便改变传播和出射表面反射角以及透射通过反射体的光量。在有些场合中，希望以介质堆在表面未处理部分反射的入射光的所有波长通过处理部分透射光。这是在表面处理以堆对该波长透射的传播角将每个光波长引入质堆和从中引出时实现的。
如上所述，根据本发明一实施例，介质反射体的入射与出射表面经处理，可以通过反射体有选择地透射光。以同样的方法，可对介质反射体各部分有选择地作各种处理，以便在反射体的处理与未处理部分即反射体具有不同处理的部分之间形成对比。例如，可以制作一块反射镜，当从出射侧观察时，它只在处理部位透射光，或在反射镜不同处理的部分透射不同的光。通过反射体选择性漏泄的光量，部分由基本上透射的堆中以某一传播角将光引入介质堆和从中引出的效率确定。通过在反射体至少一个表面上改变不同位置的耦合效率，可以获得期望的反差。总之，耦合效率可以在不耦合与高度耦合之间变化。例如，在已经公布的发明名称“多层光学膜”的PCT专利申请WO95/17303(在此引用作为参照)中揭示的另一种高效反射体，经选择性处理，可以通过以超过斯涅耳定律对表面未处理部分的入射光所允许的传播角将光引入反射体和从中引出，允许在处理部分有明显的透射特性。正如下面更全面地描述的那样，例如可对表面的不同部分实施各种处理，通过改变这些区域的耦合效率程度，可提供更加渐变的对比差异。改变耦合度还可通过非均匀照亮的反射体得到均匀的透射。能比较容易地将某些表面处理或其中部分应用于介质反射体，提高多用途性。另外，某些场合中，可以消除处理，使得反射体回到其未经处理的反射性质。
如上所述，通过在多层堆中增大光传播角而有效地偏移介质反射体的反射带缘，能有选择地让光透射通过多层堆。在有些介质堆中，使堆对入射光变得透明的角度，可以小得足以让光从堆出射而无须作出射表面处理。然而，在许多介质堆中，像宽带可见光反射镜一样，在堆的平面出射表面，透射传播角要高于TIR的临界角。这样，为了让光从堆出射，也要对出射表面作处理，以将高角度光从堆中引出。如下面更全面描述的那样，可以利用各种表面处理将高传播角的光引入堆和从堆中引出。例如，在折射率与堆材料的折射率最紧密匹配(相对于空气)的媒介中，可利用散射光将光以高角度引入堆和从堆中引出。还可利用结构性表面改变入射平面的角度。
在入射表面与出射表面媒介具有相同的折射率且浸入同一种均质媒介(如空气)中时，出射表面的TIR角与入射表面媒介中为斯涅耳定律所允许的最大传播角一样。这样，也可应用让光线以更高角进入堆的处理允许更高角度的光在出射表面从多层堆出射。有些介质反射体能处理整个一面，只是在相对表面上也作过处理的那些堆部分仍然漏光。虽然本发明一般适用于任何介质或Bragg反射体，但是这里描述的方法与处理尤其适用于共挤压的多层介质反射体。均质介质反射体一般淀积在易于减小作用的较厚的基片上(如光从基片侧面出射，减小相对侧处理的配准等)。然而，共挤压介质反射体元需分立基片。
如上所述，多层反射体的表面可用各种方法处理，以在周围媒介与反射体之间耦合一部分光，而耦合的光在反射体中以某一角度传播，使反射体对光透明。图2示出两种这样的耦合处理的操作。图2中，多层反射体相对表面203与205部分经处理，将高角度传播的光引入反射体201和从中引出。注意，反射体的入射侧与出射侧一般可以互换。然而，为便于说明，这两个表面将称为入射表面203和出射表面205。显然，对于表面的不同区域，两表面的总耦合效率是变化的。
光线207入射在入射表面203的未处理部分。光在多层堆中以斯涅耳定律对入射在入射表面203平面上的光所确定的最大角度传播。在宽带反射镜的情况中，光线207将以某一效率反射，该效率依赖于多层堆的结构。例如，当应用像上面参照的所公布的PCT专利申请WO95/17303揭示的高效共挤压多层堆时，小于1％的入射光将通过该堆的出射(背面)表面205出射。光线209入射在入射表面203的部分211上，该部分经处理可在很宽的角度范围将入射光散射入多层反射体。有些光虽然散射，但是其在堆中的传播角并不大于斯涅耳定律对入射在堆的未处理部分上的光所允许的角度，于是堆将这种光反射得像入射在入射表面203未处理部分上的光一样，只是在其反射方面有更多的散射。
光线209的另一部分215将以高于把反射体设计成反射光的角度散射，因而散射有效地将这部分入射光以多层堆透射的角度耦合进入多层反射体。例如，若反射体是一宽带反射镜，则最大反射角对应于斯涅耳定律对入射在表面平均上的光允许的最大角度。此时，除了部分217以外(后表面也作过处理，以从堆201中引出高传播角的光)，较高角度的光线在出射表面经历TIR。显然，通过沿反射体的至少一个表面改变高角度光的耦合效率，透射通过堆201的光量将在某些区域(如光线209)高于其它区域(如光线207)。控制表面处理的位移和/或耦合效率，可得到期望的透射分布。
图2还示出用折射光学元件在周围媒介与反射堆201之间耦合光。光线218入射在多层堆201的部分219上，该部分的表面结构不平行于光学层的平面。光线218被结构表面以某种方式折射，能有效地将光以某些角度引入多层堆201，这些角度大于光入射在平行于该层的表面上时为斯涅耳定律允许的角度。出射表面经再处理，可防止TIR，并将光从多层堆218引出而无反射。在该示例中，用加到出射表面205的第二结构220将光从堆中引出。由于结构性耦合处理更精密地限定了将光导入堆中的传播角，所以可应用这样的方法将更多的光以高于某种处理(如依赖于光的漫散射的处理)角度引入堆中和从堆中引出。
如上述例子所示，一般未处理的多层介质反射体在堆中的光入射角与传播角之间有一直接的关系(由斯涅耳定律指出)。通过表面处理以在堆与周期媒介之间以更高的传播角耦合光(如对光作散射或折射)，可以改变入射角与传播角之间的关系。表面处理可以是将附加层与堆作光学接触、对表面应用某种结构等形式。还可对同光学堆的表面(如表面层)作光耦合的另一层或材料作处理。堆层的折射率越大，对堆中传播角的限制就越少。介于散射层与介质反射镜之间的低折射率层可以减小堆中的最大传播角。
如上所述，为了透射通过多层堆而必须增大传播的角度将取决于堆的结构。对于以给定的法向入射红色带缘设计的任何薄膜堆，可用本领域中已知的薄膜模拟技术计算出作为入射角函数的红色带缘的位置。作为示例性例子，下面示出简型1/4波堆的带缘偏移。用于示明这种行为的堆设计是一种PEN(no＝1.75，ne＝1.50)和PMMA(n＝1.5)的1/4波堆，其法向入射的中心波长为855nm。长波长或红缘在法向入射(0°)时位于900nm。在空气中按掠角入射(90°)极限中，对s偏振光偏移至732nm，对p偏振光偏移至675nm。随着入射媒介的折射率增大，这种偏移也增大。对于p与s这两种偏振光，p偏振光出现的偏移更大。当带缘偏至低于400nm的值时，介质镜变得基本上透明而无色。在带缘很锐时，偏移到低于420nm就足以使反射镜基本上对一般观察者呈透明。
图3A与3B的曲线分别对p与s偏振光示出了预测的红带缘位置，对于上述1/4波堆的各种入射媒介而言，这些位置是入射角的函数。具体而言，曲线301与311用于折射率为1.0的入射媒介(空气)，曲线302与312用于1.4的折射率，曲线303与313用于1.5的折射率，曲线304与314用于1.6的折射率，曲线305与315用于1.75的折射率。
最高折射率媒介将形成最低透明角，图3A中，对p偏振光约为50°。如图3B所示，这条带对s偏振光在50°时不完全透明，即由于该带缘对任何入射媒介都不偏移至低于425nm，因此对可见光较短的波长仍要出现一些反射，这将使透射的光略微带色，具体取决于给定堆的带缘的斜率。为使红带缘完全偏移到低于400nm，可以采用不同的堆设计，诸如不同的堆折射率，或者以法向入射更短的红带缘波长开始。
根据以上指导，可以合理的选择某种处理，其中该带对至少一部分所有的入射光波长偏移成低于400nm，使多层堆对以更高角度耦合的光基本上呈透明。随着入射媒介中折射率的增大，波长随角度的偏移变得更大，而且减小了长波长带缘减成低于400nm的角度。例如，若入射媒介的折射率为1.5，以大于64°的角度散射的p偏振光线将透射通过该介质反射体。若折射率为1.75(在均质材料中)，则对于p偏振光而言，该角度就减为约50°。对于更高的折射率，如为4.0的量级，该角度将减至低于20°。因此，在散射粒子散布在折射率极高的粘接层的情况下，光线必须散射的角度很小。
表I列出了入射媒介中的该散射角，以此散射角，中心波长为855nnm的单一1/4波堆的长波长带缘和法向入射的900nm的长波长带缘偏移至低于400nm的波长。
                      表I
入射媒介的折射率 S偏振角度(度) P偏振角度(度)
     1.0     无     无
     1.1     无     无
     1.2     无     无
     1.3     无     无
     1.4     无     74.0
     1.5(PMMA)     无     63.7
     1.6     无     57.1
     1.63(CoPEN)     无     55.6
     1.7     无     52.3
     1.75     无     50.2
     1.8     无     48.3
     1.9     无     45.0
     2.0     无     42.2
     2.5     无     32.6
     3.0     无     26.6
     4.0     无     19.7
注意，表I中，在对s偏振光将带缘偏移成低于400nm的任何入射媒介中均无角度，但对于p偏振光，带缘大多数偏至低于400nm。然而从图3B可看出，以高的角度，可用折射率为1.5或更高的入射媒介将s偏振分量的带缘偏至约430nm，允许大多数蓝光通过反射镜。
显然，对于作为入射媒介的空气，斯涅耳定律在PEN中将光学层的该角度限制为最大35°，在CoPEN中约38°，在PMMA(适用于共挤压多层介质反射体膜的材料)中约为42°。这种斯涅耳定律所加的限制将介质带移限制为约25％。当把堆偏移的带缘定在约400与700nm之间时，多层堆就显色。通过增大多层堆内光线的传播角，带移可增大到大于50％。在低折射率堆材料中，最大传播角可增至90°，使通常定位在400与900nm之间的这类材料的反射带，完全偏至低于可见光范围，导致高的透射程度并减小反射。根据用来增大传播角的处理、带定位和观察角度，可以增强色随角度的偏移和通过多层堆的透射。
当入射材料的折射率大于堆中最低折射率时，尤其是如果某些低折射率层基本上比1/4波更厚的话，可在堆内出现内部全反射(TIR)。低折射率层界面的TIR将防止光到达膜的背面，而在这里可用合适的表面处理将光取出。例如，在双折射表面处理，诸如具有几何结构表面或内部散射中心的双折射表面层的情况下，对于s与p偏振光而言，TIR角可以不一样。在任一种场合中，堆内本身出现TIR将对给定堆可以偏移带缘的范围加以限制。根据光学堆设计，会出现通称为受抑内部全反射的现象，即使该角度大于低折射率层的临界角，仍使大量光通过该堆。这类堆设计的一个主要要求是低折射率层都并非远远厚于1/4波量级。
虽然以上描述主要针对通过对多层堆表面作处理而散射的光，但是这一讨论显然也适用于在多层堆中由于表面折射而增大角度的光线。一般而言，对于高折射率媒介的高入射角，可能在较低折射率媒介的界面出现全反射。与光波长相比，若低折射率层的厚度很小，全反射会受抑制，有些光会通过该界面漏泄。应该明白，可以在多层堆诸光学层与用来改变传播角的处理之间设置中间层。例如，表面层可以包围多层堆的光学层，此时必须考虑在表面层与该材料之间建立折射率差，以改变通过堆的传播角。
如上所述，为了增大通过反射体的透射能力，可对介质反射体表面作各种处理。一般而言，反射体两侧都作处理时，可增强透射性。应用的处理类型将影响增大通过样品的透射量。处理可以作为介质反射体表面的附加层或涂层而实施，或者结合进反射体原有的层内(如将雾粒结合进表面层、保护边界层等)。例如，还可通过将着色颜色或色素结合进表面处理，改变表面处理的频谱特性。处理可配用于各种不同的多层介质反射体。例如，可在宽带可见光镜、窄带镜、反射偏振器等当中得到否则被反射掉的增强的光透射。为便于进一步理解本发明，下面描述了各种表面处理与技术，这些都是举例，不作限制。
图4示出一部分多层反射体401，其表面403用扩散层405处理。扩散层405包括若干置于粘合剂409内的扩散单元407，在光遇到扩散单元407时，对光作散射。扩散单元407与粘合剂409以及装载浓度与厚度经选择，可以提供光以角θp基本上作正向散射，θp大于多层反射体401反射的最大角θ1。以此方法，如上所述，可以大大增加透射通过反射体的光量。在传播角θp超过出射表面TIR的临界角的情况下，入射表面与出射表面都需处理，以便光从多层反射体出射。可以出射表面加上光扩散层405，以从堆中引出高角度光。
一般而言，可以用埋在构成层或膜的连续粘合剂中的大量粒子控制通过介质反射体的透射。这类扩散器以扩散方式使入射其上的光透射并反射，通常希望扩散层以远远偏离镜透射角的角度将光主要散射入正向半球(透射)。然而应当明白，这类扩散器也可将少量入射光以反向半球散射(反射)。入射光被正向散射(透射)与反向散射(反射)的程度，以及光散射角的分布，都可予以控制。扩散层的散射特性一般与下列因素相关：粒子与粘合基质之间的折射率失配、粒子相对于光波长的特征尺寸、粒子在层中的容量百分比、散射层厚度和粒子形状。
控制各种参数，可将按高角度透射进入的入射光量最大化，或修改成期望的程度。一般而言，若粒子与媒介间的折射率失配大于10％，则光学厚度接近入射光波长的粒子就强烈地散射光。例如，折射率约1.5的粘合层，其粒子的折射率大于约1.65或小于约1.35，将有明显的散射作用。应注意，粒子尺寸一般很大，或大于光学层的尺寸，因而最好将散射粒子结合进分立的各层，因为将粒子结合进光学层可以使它们畸变，减少光学相干性并反射功率。
在某些光学结构中，可将粒子结合入多层光学反射体的非光学层里。例如，共挤压多层光学膜通常应用在光学堆每侧形成的相对厚的非光学表面层。根据本发明的一个方面，散射粒子可结合一个或多个表面层。在一种此类反射体中，平面内折射率为1.75的双轴定向PEN用作表面层，建议粒子折射率大于1.93或小于1.58。可以使用折射率相对大至2.4的TiO2粒子。折射率1.5的SiO2粒子也适于作这种表面层。散射层粘合剂的折射率最好选成可优化期望的散射过程和光对多层膜的耦合。
多层反射体与偏振相关的场合中，还希望控制扩散层改变光偏振的程度。例如，可能希望允许以多层反射偏振器反射态偏振的光通过选择的反射体部分透射。通过偏振堆未处理部分透射的光基本上是一种偏振(即堆将基本上反射另一种偏振)。通过按所述的方法有选择地处理反射偏振器，可让偏振器在处理的位置对光的两种偏振态基本上呈透射。在一个此类实施例中，尽管处理与未处理的部分都呈透射，但是处理部分比未处理部分的透射性更强。在对至少一种偏振保留偏振的情况下，借助偏振器观察该膜，可进一步看到处理与未处理区域不同的特性。在一实施例中，可利用这种情况证实某种有标记的基片其实包括一个多层介质偏振器。在另一实施例中，偏振器经处理，变成对一般由偏振器反射的偏振态部分透射，选择的透射度量级为10％或20％，透射部分保持其原来的偏振态。此类物件适合作为LCD显示器中的透过式反射体(Transflector)，可在背光和环境光照下观看显示的信息。可对偏振器作保持偏振态的散射和折射处理。一般而言，折射处理比漫散处理造成更少的去偏振。用粘合剂(其折射率与粒子折射率有较小的差异)中球形粒子制作的扩散器将使光去偏振散器将使光去偏振减至最小。
如上所述，可用一些合适的表面处理将光散射入多层堆。通过挤压时将滑动粒子结合入共挤压多层堆的表面层，对多层堆相对表面喷漆，把含粒子粘合剂涂在堆的两侧上，挤压后把扩散带粘贴到每个表面，已观察到透射作用增强了。由于不需要对每一表面作同一种处理，因而可将各种处理组合起来起作用。由于增强的透射一般要求在相对的表面上作处理，所以能用扩散器处理一个完整的表面(如出射表面)，并对相对表面(如入射侧)有选择地作处理。取消至少一种处理，处理还可以是可逆的。例如，两侧以喷漆处理的反射体可能呈现增强的透射性，但在用溶剂消除漆层后，透射性就回到不作表面处理时的水平。
虽然以上讨论集中于块扩散粒子，但是在本发明另一例中，通过将光入射表面处理成表面扩散器，也增强了透射性。图5示出本发明一实施例，它把多层堆501的表面503处理成表面扩散器505。由表面扩散增强透射性的原理与块扩散器相同。表面扩散器505的结构可用于在堆中以高传播角耦合光(即向堆反射和/或从堆向外反射的角度)。一般而言，若表面扩散器的结构远远大于光波长，几何光学元件就决定了传播角(即斯涅耳定律对每个界面都有效，但它必须工作于同局部表面垂直的坐标系)。或者，若表面扩散器的结构等于或小于光波长，则衍射作用确定了传播角。各种已知的工艺可用来在基片上形成表面扩散器。例如，表面可通过模压等作随机粗糙(如应用喷砂法与磨料)、伪随机粗糙，以形成局部的几何变化。
如上所述，用埋在表面层中的粒子或磨料散射入射光线或者使表面层具有某种结构，允许光线以大于堆反射的最大角的角度和斯涅耳定律对与光学重复单元层同平面的表面不允许的角度让光线穿过多层堆。表面散射的优点在于可提供高的折射率变化(如空气与表面层折射率差)。利用带散射粒子的基质可在厚度、粒子尺寸和浓度方面提供明显的加工处理。例如，通常使用的粒子具有有限的尺寸分布，经涂覆可以出现单一散射或多重散射。
上述两种情况中，块状与表面扩散器可用于以通常随机的传播角将光导入多层堆。如上所述并由图6进一步示明，通过对多层堆601表面607和609选定部分应用微结构表面603和605，能更精密地控制透射通过多层堆601的光量。为了更精确地限定光通过堆的传播角θp，可以选择角θs并结合微结构表面603和多层堆材料的折射率。通过用光学粘合剂把诸如3M牌光学发光膜(OLF)、Front Extraction(正面引出)带(3M公司均有售)等层迭到多层堆或直接结合到堆的保持外层(如通过模压)，可加上结构性表面。
选择结构性材料的折射率，以高入射角将光有效地引入光学层。图6示出加到多层堆入射和出射表面的结构性表面，显然可以组合各种处理，如可将Front Extraction带应用于散射处理和几何处理，以从介质堆引出高度光线。这种带具有梯形气槽，可从表面提取本来要经受内部全反射的高角度光线。
虽然上述主要针对选择性处理多层反射体以增大透射，但是显然也可用类似的处理有选择地减小反射体的反射率。如图7所示，通过对背衬表面709上的入射表面705和吸收器707应用散射处理703，可以减小多层堆701的反射率。一般而言，这里所说明的任何一种入射侧处理都可用来增大通过多层堆701的透射性。一旦增大了传播角，如这里所述从膜中引出光或吸收否则会从膜背后产生TIR光的任何背侧处理，都会减少堆的全反射。因此，如对高度反射的介质镜(＞99％反射)的入射表面作处理，即使层迭一种反射性像铝一样的材料也会减小总反射率。该现象示于图8。如此加到膜出射侧的着色吸收器将减小该膜只相对于它们所吸收光色的反射率，对合成结构所反射光给以补色。
图8中，由双轴定向的PEN(普通或平面的折射率为1.75，异常或Z折射率为1.49)和PMMA(折射率为1.49)的交替层构成的多层镜，其入射侧用散布在粘合剂(厚度5微米，折射率1.48)里的TiO2珠(折射率2.4)涂层处理。珠装载量为粘合剂容量的5％。曲线801代表无背侧涂层前侧处理的多层镜与入射光的全反射比(％)，曲线802代表光学耦合到铝(折射率为1.5)的多层镜，曲线803代表背侧有黑墨涂层的多层镜的全反射比。这些曲线代表法向入射光的反射比。根据本发明一实施例，通过对反射体背侧加上黑吸收体，并且有选择地处理入射侧面以增大透射通过反射体而由背侧处理所吸收的光量，制成一种有高和低反射率区域的反射体。
在某些上述的各种示范实施例中，多层反射体表面和空气形成一界面。然而，应该明白，在另一些场合中，表面(处理或未处理的表面)上的界面可能由折射率不同于空气(即n＞1.00)的某种材料包围。图9示出本发明另一实施例，用来证明这种情况和本发明的其它方面。图9中示出了两个多层堆901和903，它们被边界层905分开。边界层905和这两个多层堆901与903形成一单一结构。边界层905由通常透明的粘合料与散布在其中的散射粒子907形成，埋有散射粒子907的边界层905用作多层堆903的处理表面。第二多层堆903出射表面911的一部分经处理(在示出的带扩散器的例中)，允许光以某一角度通过第二多层堆903传播，该角度高于TIR从第二多层堆903出射的临界角θc。
图9实施例中，第一和第二多层堆的光学特性可设计成有不同的透射作用，如可将第一多层堆901设计成几乎反射选定的波长带(如一特定颜色)。在选定的波长带，光913和915通过第一多层堆901透射进入边界层905。至少一部分光913以某一角度散射入第二多层堆903，该角度大于第一介质堆的平坦表面处由斯涅耳定律所允许的角θc。若第二多层堆903是一宽带镜，第二多层堆一般使所有低于该临界角传播波长的光反射。若第二多层堆的出射表面909未经处理，则以高于θc的角度传播的光将在后表面经历TIR。出射表面909处理过的部分从堆中引出至少一部分在多层堆中以高角度传播的光。由于进入第二堆光的光谱特性受到第一多层堆的制约，所以第二多层堆选择性处理的部分所出射的光具有特定的光谱特性。
图9的另一实施例中，光可从右方入射到经过处理的多层镜903上，多层堆901可以是一种反射偏振器，如3M公司销售的DBEF。以此方法，组合件只透射一个偏振方向的光。另外，由于DBEF结合扩散光源的再循环特性，能以一个偏振方向使超过50％的入射光透射。
如以上例子所示，多层反射体可用多种方法作选择性处理，以改变其透射和反射特性。另外，处理十分灵活且经济，许多处理无需专用设备，有利于在用反射体的最终部位作表面处理。在一实施例中，本发明特别适合在规定区域内要求减小反射率和/或增强透射的应用。在许多处理中，可临时对不同的多层介质反射体应用改良的透射/反射作用，如可用并且在以后清除那种不要求永久粘合的可溶解涂层。
显然，本发明适用于各种不同的场合，下面说明几种这样的场合。在一种应用中，可对中空光导管的相对表面作选择性处理，以从光导管中引出光。图10示出本发明应用于这类光导管的各个方面。图10中，光源(未示出)将光1001导入中空光导管1003，后者可用高效(如＞99％反射)的介质多层镜(如上述参照的已公布的PCT专利申请WO95/17303中说明的)构成。光1001通过光导管1003传播时，损失极小。这类光导管可用于在相对大的距离传输光。本发明的一个特点是可对光导管1003的相对两侧作较简单的处理1005和1007，以在所需的位置引出光。处理可以是上述的任一种处理或组合处理。
图10中，示出的处理应用在要引出光的特定位置的两个表面上，如上所述，可以处理一个完全的表面，同时有选择地在要求引出光的位置处理另一表面。若应用扩散处理，最好对光导管内侧作选择性处理，以尽量减小光导管光传输效率的下降。作为替代，内表面可应用高效的扩散反射体。发明名称为“扩散反射体”的美国专利申请U.S.Ser.No.08/957,558中说明了一种这样的高效扩散反射体，其内容在此引用作为参照。结构性表面也可用来从光导管引出光，例如可将3M牌的光学照明膜OLF粘到多层反射体的一侧或两侧，将光引入选定区域或从中引出，在出射侧用结构性表面材料时，还可用扩散器使引出的光看得更清楚，因为从光导管引出的光具有定向特性。
根据光导管的具体应用，图10所示光导管的形状可作变化。例如，柱形光导管可主要用于传输光。也可使用楔形光导管。图11的另一例中，把箱形结构用作产生发光标志的灯箱1100。灯箱1100可以用衬有高反射多层反射体(如聚合物多层可见光镜)的普通灯箱构成。多层反射体还用来覆盖灯箱的正表面。在反射体两侧都作处理(如用扩散涂层)的情况下，反射体变得相对透射。例如，处理时可以用浅白色乳胶漆涂满反射体的一侧，在相反一侧用模版刻写。扩散涂层和模版刻写适用于任何一侧。
注意，图11的灯箱1100从该灯箱的一端照射。由于有些刻写更靠近光源，在均匀引出条件下，刻写容易具有非均匀照明特性。然而，为了获得更均匀的发光标志，可以改变用于通过多层反射体引出光的处理。一实施例中，运用处理梯度来改变以高角度引入反射体或从中引出的光量(然后经反射体反射)。随着处理远离光源，通过提高耦合效率，可以使标志的整个表面有更均匀的光输出。例如，对多层反射体的一面作模版刻写，对另一面应用处理梯度(如改变上漆程度)便能实现。处理的程度可从靠近光源的较低处理程度渐变为该装置远端的较高处理程度。
在希望对透射通过多层反射体的相对光量进行控制的其它应用中，也可使用梯度或其它变化的处理程度。这一效果可在选定的介质反射体区域内更精密地控制反射率或透射性。可以这样来实现：用散射的染料或油墨对表面作印刷，对每一表面作研磨粗糙或喷砂，对选定的表面区域迭加第二层等等。要处理整个表面时，处理可以包括在挤压期间将粒子扩散入共挤压多层堆的表面层中，即在表面层中使用不溶混的聚合物混合物，用合适的油墨涂覆表面等等。如上所述，可对介质反射体一侧作整面处理，而对第二侧作选择区处理，从而消除了在两侧配准类似图案的问题。在这样一个实施例中，关键在于只作部分处理的一侧要保持清洁，而在不希望增强透射的那些区域保持无刮伤。有时为了提高暴露表面的耐用性和便于清洁，希望将反射体迭加到玻璃或其它耐刮擦材料上。还可以应用一种透明而耐刮擦的涂料。
可用各种其它表面处理使入射在镜上的光的角度超出堆内或堆上表面层的临界角。一类这样的处理是衍射光栅，它可以用本领域已知的方法压入反射镜的表面层。可以对炫耀光栅应用局部金属化。也可应用表面全息图，这些全息图可当作迭加到镜膜的分立片应用，或将表面全息图直接模压在镜膜上的表面层或其它原有涂层内。表面全息图也能覆盖在涂层或“埋”层上面，只要覆盖它们的材料具有可测量的不同折射率。
反射镜的表面层或其它附加层还可含有容积材料区，它具有容积全息图等调制的折射率或甚至散布在透明粘合层里的小片多层光学堆，这类小片可以是无机或聚合的多层堆，或者是二者。这些散布的小片可以包含在具有平整空气界面的表面层内，或包含在具有局部非平整空气界面的表面层内，因而后一种情况可利用透镜装置和内部光再导向装置，使入射光再导向角度超过该镜体的临界角。
除了表面层中的折射率调制区外，还可用普通的金属镜片使进入的光再导向。这类镜片可以是独立的(浸入前)，或是非金属材料的金属蒸发涂层镜片。例如，通过切换耦合至介质膜的某一层的散射度，可产生活化处理。将聚合物散布液晶(PDLC)涂层与合适电极如3M的Privacy(私密)膜结合起来，可用电子方式控制多层堆的透射。例如，可将整块PDLC膜迭加到反射体，或用透明导体涂覆反射体，来用作一种PDLC电极。有效改变透射性的另一方法是改变处理和介质镜之间的耦合。可以用机械或静电方式使自粘合散射膜与镜耦合或非耦合，以形成可控的透射。在通过光管道分配照明或广告显示和标志的接通和关闭方面，都可应用这些技术。
例1
图12示出共挤压多层反射镜的透射谱，该反射镜配有交替的双轴定向PEN层和PMMA层，它通常由设计成基本上反射高角度扩散入射到镜面上的可见光的光学堆构成(即基本上以高达镜平整表面上斯涅耳定律允许的最大传播角的角度使通过镜传播的可见光反射)。镜膜表面层有散布在其中的二氧化钛(TiO2)粒子，可有效地以对堆透射的角度将光引入介质堆。带扩散表面层的膜的透射谱1201示于图12。测量后，剥掉膜的一层表面层，得到的透射谱1203也示于图12。从图12可以看出，两表面经处理的膜呈现高得多的透射性。仅作一侧处理的膜，无论光入射在经过处理还是未经处理的膜侧，其透射谱基本上一样。
如上所述，各种不同的粒子都适宜作为散射单元。例如，曾试用过水合铝土硅(Al2O3*2SiO2*2H2O)粒子，结果相似。通常，较高折射率的粒子显示出最大的透射总增量。还要注意，如图12所示，在保持反射体良好光谱特性的同时，可提高通过介质反射体的透射性。此时，所提高的透射性是在对反射体其它特性基本不产生变化的情况下使基线偏移的函数。
例2
图13示出通过另一介质反射体的增强透射作用，该反射体由上述例1中所说明类型的宽带光学堆构成(表面层中无散射粒子)。该例中，用粘带(3M魔术修改(Magic Mending)带)处理介质反射体的相对表面，将介质堆中具有高传播角的光引入表面层和从中引出。透射谱示为曲线1301。为作比较，还示出了只处理一侧膜的光谱1303。从图13可看出，以此方式处理多层反射体的每一侧，可提高带内的平均透射水平而不明显改变透射曲线的光谱特征。虽然透射的增量相对较小，但是在反射体经过处理和与未经处理部分之间可看出有明显对比。其它一些自粘合散射带，如粘合剂中不掺TiO2粒子的3MScotchCal Marking(标记)膜，可更大地增加透射。
例3
图14示出用Plasti-kote水基陶瓷525银白喷漆对上述类型宽带介质反射体两侧进行处理场合所增加的透射效果。图14示出多层反射体的透射光谱，1401表示处理前，1403则表示处理后的情况。处理膜得出的总透射曲线1403，低于膜带缘的近红外区高达30％。所增加的透射性与波长有关，导致黄颜色。由于漆中用到染料，在超过多层有效带的近红外区中，有明显的反射率。850和900nm之间的峰是测量过程的人为现象，与膜处理无关。
例4
图15的透射谱表示宽带多层反射体的透射，其中1501表示不作处理，1503表示对两侧都作处理，即用砂纸研磨表面而形成散射表面。为防止光学层断裂，对膜表面层作研磨处理。研磨正表面，降低了带缘的锐度。整个可见光内的透射水平增大约8％。只对入射侧处理的膜，带缘也有类似的变化。然而，只作一面处理，在可见光谱中看不到透射有明显增加。正表面研磨引起的带缘偏移程度，表明大量光按至少60°传播角散射。
例5
上例中，通常靠研磨表面形成随机的结构。例5表明，以有序的结构处理表面，可以提高透射作用。图16示出在对宽带多层堆的表面应用结构性表面时用准直光得到的透射光谱。该多层堆包括交替的PEN和PMMA层，入射光束和多层堆平面间的来角有变化。结构表面膜用光学粘合剂迭加在多层反射体的相对表面上。试过了各种结构表面，其中包括用聚碳酸酯树脂浇铸的3M牌光学发光膜(OLF)，折射率为1.586，与膜背平面的棱柱(表面)角为45度。这种膜表面上的多块正等边三角棱镜相邻接，每块棱镜约0.36mm宽、0.18mm高，布满膜的全长。
对增强光透射，还评估了其它结构性塑料膜，包括V字斜面玻璃膜。通常把斜面玻璃膜加在窗平面的周边，设计成呈现边缘斜面玻璃外形的平整玻璃方格。斜面玻璃膜在膜的不同区域具有各种节距。观察到3M OLF处理的表面有最高增大的透射性。注意，透射的最大增强是在相对表面上的棱镜结构相互对准时看到的。
图16示出未经处理的多层反射体的透射光谱1601，对于经OLF处理的表面，在光谱仪中以各种角度使多层堆表面定向为入射的准直束。入射平面垂直于OLF棱镜的长度方向，使得45°入射角的光法向入射在OLF棱镜小平面上。光谱为p偏振光。光谱1603的入射角为10°，1605为20°，1607为30°，1609为40°，1611为50°，1613为60°，1615为70°。对于未经处理膜，从法向测量的多层堆中的最大角度，在折射率为1.49的PMMA层中为42.1°。s偏振光以约35°的角穿过PEN层，假定平面内折射率约为1.75，而p偏振光的传播角略大些，因为沿垂直于膜平面的方向的折射率仅为约1.5。
关于OLF处理的膜，入射角超过45°时(即超过棱镜小平面的法线)，诸棱镜开始相互遮盖，只有棱镜的尖顶能碰到光束。一旦内部棱镜处于这些较高角度，光可能TIR离开相对的棱镜小平面，并以不同的角度再导向多层堆，因此很难以极高的角度把所有光都导入多层堆，除非借助专用的光学装置。耦合棱镜的折射率越高，堆层中该角度就越高。要用本发明获得高的通过多层镜的透射，最好应用折射率最高的现有棱镜。
为防止反射棱镜的相对表面，可应用单个大型棱镜，可应用单个大型棱镜，而且所有注入的光靠近棱镜低部。这种结构仅在某些场合中可行。对于折射率为1.586且斜边迭加到膜堆的单个正等边三角棱镜，能以最大71.47°角(相对于堆层法线测量得出的角度)使光注入该棱镜。对于s偏振光，斯涅耳定律给出的PEN层(折射率1.75)中的最大传播角为59.24°，但是PMMA中设想角表明，这种光在碰到PMMA层时将出现TIR。然而，如上所述，即便入射角大于某些层的TIR角，有些多层堆设计仍能使大量光透射。若本例的PMMA层厚厚于若干波长，所有光便在层边界处经历TIR。
可将图6所示一般形状等非正等边三角形的微结构形状设计成合理的角度，以将基本上所有的准直光束以高度注入堆中。由于用作表面处理的所有结构膜均以比平坦膜大得多的角度引导光，故可期望透射有较大增强。
图16光谱适用于p偏振光。对于60°角，可见光的透射程度为40％～60％。未经处理的反射体在830nm有一法向入射角带缘。在一未经处理的多层镜中，预期带偏移不超过650nm。可以看出，在60°入射角时，经OLF处理的多层膜在431nm处有一带缘。虽然该例所用的棱形结构具有平整的小平面和尖锐的峰、弯曲的结构，但是也可以应用具有各种几何形状、小透镜阵列等的棱镜。
几何形状的表面处理不必局限于微结构。例如，在独立的膜或有支承基片的膜的情况下，适合将各个透明物体(如棱镜)光学耦合至膜的两侧。各个物体可在膜的相对表面上配准、局部重叠或根本不重叠。由于膜中间未经处理部分的TIR，光可从处理的表面部分经多次内部反射横向传输到相对表面非重叠的经处理部分。
例6
图17示出普通真空涂覆介质反射体(Melles-Griot Maxbrite/001)的透射光谱。介质反射体涂在约5mm厚的玻璃片上。透射谱表明，曲线1701为无任何表面处理的反射体，1702为一侧用散光漆处理，1703为两侧均用散光漆处理。对较厚基片的表面作一表面处理，结果一处理表面与介质反射体分开的距离等于基片厚度。分离的结果，汇集系统丢失了一些散射光(如按最大角度散射的光)。如谱图所示，处理使可见光通过反射镜的透射增加了约10％。
如图17所示，未经处理介质堆其边缘的带缘位于800nm，该带让某些可见光以低于TIR临界角的角度透射。因此，只作一侧处理，谱1702表示在光谱红色部分的透射有增加，这是光在介质堆中以高(但低于TIR)传播角的耦合增加的结果。对均质介质镜的两表面应用散射处理的场合，在整个光谱正常(未经处理)反射部分，透射明显增加。
例7
如上所述，可将反射体调谐为使非可见光波长光反射。图18示出经过处理和未经处理的红外反射膜的透射光谱。该红外反射膜由具有224层PEN和PMMA的光学堆构成。
如图18曲线1801所示，未经处理反射体有一约在850和1200nm之间的光反射带。当用含TiO2粒子的扩散器对红外反射体的两侧处理时，该带的透射性增强超过20％(曲线1802)。另外，从谱图可看出，带移大得足以用块状扩散器产生的高角度散射冲掉整个反射带的带宽(350nm)。
例8-12
例8-12所示的方式中，可用选择性处理来使光透射通过反射偏振器的透射性提高。如上所述，仅对于多层反射镜，可有选择地提高多层反射偏振器的透射性。在偏振器情形下，有关的感应透射适用于沿膜的反射(消光)轴具有偏振方向的光。对于偏振器，众所周知，插在对光去偏振的交叉偏振器之间的任何装置也可引起光通过交叉偏振器的透射。相反，本发明能用于有选择地控制对经反射(消光)偏振的光通过偏振器的透射而不改变其偏振态。为了观察这种透射，必须仔细地控制任何去偏振效应。利用附加的(第三)偏振器作为分析仪，确定通过反射偏振器漏泄的偏振光量(会被多层膜阻塞)，可以观察到反射谱的波长偏移所引起的透射。如上所述，像反射镜那样，应用各种不同的处理，如扩散涂层、几何结构表面等，可以有选择地使偏振光透射通过多层反射偏振器。
例8表示通常由多层反射偏振器反射的偏振光提高的透射性。图19中，曲线1901表示入射在未经处理反射偏振器上的反射偏振态光的透射谱。曲线1902表示通过反射偏振器的反射偏振态光的透射，其中反射偏振器的两侧用保偏扩散器处理。扩散器是PCT公布的专利申请号WO97/01610中说明的那种类型的扩散粘剂。曲线1903表示在通过分析仪(交叉偏振器)观察时漏泄光的透射。可以看出，无需明显改变光的偏振态，可以增大具有反射偏振态的光的透射。在不必保持光偏振态的情况下，甚至能更大地增强透射性。
图9示出多层反射偏振器的各种处理，类似于反射偏振膜DBEF(3M公司有售)。图20示出用各种扩散器涂层处理的这种膜的透射谱。曲线2001和2002分别示出在通道偏振的光和未经处理反射偏振器反射方向偏振的光的透射，平均可见光透射率分别为87％和2.7％。曲线2003示出在反射方向偏振的光的透射谱，其中膜两侧用扩散器涂覆处理，双面涂覆膜的平均可见光透射率约15.1％。曲线2004示出在反射方向保持偏振的光的透射。用吸光偏振器作为分析仪，确定这样引起的透射有多少是去偏造成的，上述的谱移效应占多少百分比。
用于得出图20光谱的扩散器包括在折射率为1.595的紫外固化聚合物基质中5微米直径的球形珠，其折射率为1.46，如此大的折射率差形成了强散射体。然而，从图20可看出，这样的强散射体也会造成一些光的去偏振。扩散器在两侧涂有占球形珠重量10％的紫外固化树脂，珠/基质折射率差较小的较厚扩散器，可引起同样量的很少去偏振的漏泄光。球形珠一般提供最少量的去偏振。谱图示出，略去因可能的较高角度从偏振器表面反射所造成的任何效应，平均透射率至少为6.2％(增加大于3.5％)。
例10表示透射增大的另一种偏振器。通过用以较大角度散射光的涂料处理其表面，可以在反射偏振器中引起更大的漏泄，如图21的谱图所示。曲线2101表示沿未经处理膜的反射(消光)轴偏振的光的透射谱。曲线2102表示膜两侧用扩散器处理时的透射，此时将膜涂上含紫外线可固化树脂的扩散器，装有重量占22％的球形珠，双面涂膜的平均透射率约27％。曲线2103表示膜单面涂覆时的透射谱，此时平均透射率为17％，单面涂膜的透射增加主要归因于去偏振。
扩散涂层造成光去偏振在某些应用中可能是不希望的。在有些场合中，可能希望在透射和反射预定的偏振光部分时，要保持偏振完整性。如上所述，当多层膜用结构性表面处理成以超过斯涅耳定律指出的正常临界角将光引入多层堆时，发现基本上保持了偏振。例11是一例这种处理，该例中用从3M公司购买的结构性光学发光膜(OLF)处理上述使用类型的多层反射偏振器膜，该膜与同样从3M公司购买的增亮膜(BEF)的一般结构相同。OLF膜的重复棱镜节距约178μm，棱柱槽定向平行于反射偏振膜的通过方向，将该膜置于通过方向垂直定向的光谱仪中，入射束水平偏振以测量反射(消光)轴的透射性。
图22示出用这类结构模处理的各种膜的透射谱。曲线2201与2202分别示出未经处理膜的透射谱，光以45度入射在膜上并沿反射(消光)轴和通过轴偏振。曲线2203表示光沿反射轴偏振并以45度入射在两侧用OLF处理的膜上的透射谱。如图22所示，与基膜偏移至730nm相比，消光谱红缘的透射谱移至600nm。曲线2204表示光沿反射轴偏振并以60度入射在两面经OLF处理膜上的透射谱。注意红缘的偏移更大。总透射率较低主要归因于相邻棱镜的遮盖作用。值得指出的是，以上例子所用的反射偏振器是用较高折射率材料(即PEN和CoPEN)构成的。如上面详述的那样，高折射率更难以将带缘偏移成远得足以覆盖可见光谱。
例12中，为了在基本上保持偏振的同时产生增强透射的效果，应用了结构性表面和扩散涂覆的混合处理。反射偏振器膜处理时，在一侧层迭OLF，在相对侧将膜表面涂上装有10％球形珠的扩散器。曲线2205示出了光以45度入射得到的透射谱。OLF侧正对偏振光源。OLF以超过临界角的角度将光束送至偏振器没有对光去偏振。扩散涂层使至少一部分低于临界角出射膜的光散射。
一替代实施例中，对多层反射偏振器的一面或两面应用的扩散处理可以是非对称或偏振的扩散器，最好是主要使光正向散射的扩散器。本技术领域说明过许多这样的偏振扩散器。
例13
例13示出上述对图9所讨论的物体结构，多层堆超过一个。第一堆是一块共挤压多层反射镜，配有上述例1所述类型的双轴定向PEN和PMMA交替层。图23中曲线2301示出未经处理镜膜的透射谱。该镜膜的两侧用扩散膜迭加处理，得出图23中曲线2303表示的透射谱。扩散器层迭后，将多层反射偏振器膜层迭在一侧，得到曲线2305表示的透射谱。该偏振膜从3M公司购得，即双倍亮度增强膜(DBEF)。这种偏振膜极有效，可透射接近100％的单偏振态光(不计表面反射)，只漏泄少量正交偏振态。虽然曲线2305表示的透射光由偏振膜偏振，但是在层迭偏振器后，物体的透射光未减小50％。通过曲线2303和2305的比较，可看出透射只减少约25％，这是起初由偏振膜反射的光作循环和转换所造成的。光第一次入射到偏振器后，约50％由偏振器反射且高度偏振，反射的偏振光由反射镜和扩散膜去偏振并返回偏振器，再透射50％。对于给定的光线，这一过程反复进行，直到所有的光都被透射、反射或吸收掉，结果，循环现象使偏振光的透射增益达到约50％。本发明涉及室内照明系统采光的应用，可通过应用偏振光减少眩目而较有利。
另一实施例中，本例的反射偏振器可以是一种发明名称为“光学膜制作方法”的美国专利No.5,783,120所述类型的扩散反射偏振器，其内容在此引用作为参照。作为替代，结合这种结构，对镜膜加上扩散膜可以包括同样的扩散反射偏振器。上述各实施例的替代结构还可应用正向散射型非对称扩散器。非对称可以指散射角或偏振，或指这二者。
例14
例14说明对反射体表面作梯度处理的优点。上述类型的介质可见光镜膜用白色扩散油墨进行丝网印刷，其一面为95％标称覆盖区，相对侧有装饰图案，是梯度为95/5～5/95(印刷/不印刷)的标称区覆盖图案。涂覆前，可见光镜膜在透射中具有双色形态，用荧光灯源观看时被加强。处理后，透射中可看到的膜其任何颜色并未随入射角变化。印刷膜可接受的吸光度很低，在550nm处测得接近3％。
控制扩散图案产生的一种膜，即使从膜具有95％覆盖的区域开始，也呈现出高度光谱反射。即使在这些高点密度区中，反射图案仍容易被肉眼看到。以此方法制作的膜呈现出可接受的透射颜色，即使在荧光灯下也不随角度偏色，它具有反射光谱特性，便图像能被看到，也具有有效的透射度(如5～15％量级)。
图24示出印刷膜的工作原理。小规模处理的膜2401将从膜未处理区对光线2403表示的一部分光进行镜面反射。入射到膜处理区上的一部分光2405将被漫反射成2406，而另一部分光2405将漫透射成2407。镜面反射光和漫反射光之间的空间分离，一般在宏观上看不出，因此经处理的膜呈现出漫反射和镜面反射两种特性。
图25示出的透射谱，对于膜有不同处理程度的各个部分而言，与光波长有关。曲线2501表示光通过一部分处理膜的透射，该处理膜有94％区域覆盖在膜梯度一侧。曲线2502、2503和2504示出分别在覆盖膜75％、58％和33％的部分透射通过该膜。随着处理覆盖区的增大，通过膜的透射增加，与波长有关的谱得到平滑。在用弧光光源的场合，平滑谱特别有用，因此谱中的锐利尖峰会在透射光中造成令人讨厌的色彩。图26示出光在550nm处的透射与区覆盖率有关。
丝网印刷处理和上述一些其它处理能提供若干有用的物体。许多应用中，希望把漏泄镜膜粘附于聚碳酸酯等透明基片。塑料行业有一个众所周知的问题，即粘合剂和聚碳酸酯的反应会造成排气，导致层迭膜结构出现物理上看得见的缺陷。本发明的一种解决方法是使用点印刷粘剂让气体逸出而不造成缺陷。扩散粘剂可起到双重作用，既让气体避免反应，又利于光透射通过反射体。
根据目前的应用状况，选择性处理的反射体显然有广泛的应用，下面举一些非限制性的例子。本发明适用于若干照明场合。例如，处理膜可用来形成发光体的透射隔栅，它可以具有透射光和反射光的双重特性，其一个优点是比应用镜面反射体的隔栅更均匀地照射顶板。隔栅的镜面反射元件保持着控制光向下传导的能力。
图27的一种隔栅，从两侧对一部分光进行镜面反射，同时漫透射光。该隔栅包括上述类型的两个介质反射体2701A和2701B，用漫射层2703分开。反射体的外侧表面2705A和2705B经选择性处理，形成局部的漫射区(如通过上述丝网印刷)。通过介质反射体其经控制的引导，还可用来例如通过向下漏光的悬挂发光体使照明装置的光度与顶板的光度相匹配。某些类型的发光体中，可能还希望向上或向侧面漏光。
如上所述，本发明可用于制作薄、有效的光组件或标志。通过反射体引出光，与棱柱照明膜不同，可利用从两个正交方向照明标志的优点。如图28A和图28B所示，灯箱2801可以拥有正交的光源2803和2804、高度背反射的反射体和经选择性处理的(如在相对表面上印刷)正面反射体2807，让光以期望的形状透射。一实施例中，可将要照明的图像印在反射体2807的内部表面上。合理选择外面的点密度，可以让照明模块或标志在关灯时显现半金属色。
显然，为了在不同的白天和夜晚观看，可以用各种效果。例如，可以制造汽车面板或装璜(内部或外部)，在白天呈现金属色，但在晚上背后照明时，可呈现带色的辉光或信息。控制杆与按钮同样可以应用这一方法。
虽然上面参照各种实施例和例子说明了本发明，但本发明并不限于这些特定的实施例和例子，而是试图用所附的权利要求全面覆盖本发明内容。

Claims (20)

1.一种介质反射体，其特征在于，包括：
一介质堆，由包括不同折射率的至少两种不同材料在内的光学重复单元所组成，该介质堆有一介质堆中所传播光将在堆与空气的界面经历内部全反射的临界角；
第一表面，与该介质堆光学耦合，并经选择性处理以按大于临界角的传播角使第一表面上至少一部分入射光耦合进入介质堆；以及
第二表面，与该介质堆光学耦合，并经选择性处理以按大于临界角的角度使介质堆中所传播的至少一部分光耦合出射介质堆，其中以大于临界角的传播角使光耦合入射或出射介质堆的第一和第二表面，其中至少一个表面其耦合效率随介质堆不同区域而不同。
2.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面其中之一的至少一部分经过分级处理，使耦合效率沿第一和第二表面之一的平面而变化。
3.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，介质堆包括诸多由至少两种聚合材料制成的层，至少一种聚合材料呈现应变感应的双折射。
4.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面其中之一的至少一部分处理为使光漫射。
5.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面其中之一的至少一部分形成为使光折射的结构。
6.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面中至少一部分相对部位处理为使光漫射。
7.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面中至少一部分相对部位经过处理，以具有从结构性表面、衍射光栅、表面全息图和容积全息图当中选出的处理。
8.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，介质反射体包括一反射镜。
9.如权利要求8所述的介质反射体，其特征在于，反射镜具有一反射可见光的反射带。
10.如权利要求8所述的介质反射体，其特征在于，反射镜具有一基本上使红外光反射、可见光透射的反射带。
11.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面其中至少一个表面在与图形相对应区域上经过处理。
12.如权利要求11所述的介质反射体，其特征在于，第一和第二表面其中至少一个表面的处理可消除。
13.如权利要求1所述的介质反射体，其特征在于，介质反射体包括一反射偏振器。
14.一种光组件或光标志，其特征在于，结合了一介质反射体，所述介质反射体包括：
一介质堆，由包括不同折射率的至少两种不同材料在内的光学重复单元所组成，该介质堆有一介质堆中所传播光将在堆与空气的界面经历内部全反射的临界角；
第一表面，与该介质堆光学耦合，并经选择性处理以按大于临界角的传播角使第一表面上至少一部分入射光耦合进入介质堆；以及
第二表面，与该介质堆光学耦合，并经选择性处理以按大于临界角的角度使介质堆中所传播的至少一部分光耦合出射介质堆，其中以大于临界角的传播角使光耦合入射或出射介质堆的第一和第二表面，其中至少一个表面其耦合效率随介质堆不同区域而不同；
第一和第二表面其中至少一个表面在与图形相对应区域上经过处理。
15.如权利要求14所述的光组件或光标志，其特征在于，还包括一光源和一设置成使该光源所出射光反射到介质反射体上的高效反射镜。
16.如权利要求14所述的光组件或光标志，其特征在于，介质反射体在两表面上按对准图形来经过处理。
17.一种选择性透射反射体，其特征在于，包括：
一介质堆，由包括不同折射率的至少两种不同材料在内的光学重复单元所组成，该介质堆设置成当预定波长光在薄膜中按第一组角度内的传播角传播时基本上使该光反射，而当该光在薄膜中按第二组角度内的传播角传播时则基本上使该光透射，第一组和第二组角度其中一组角度包括大于一临界角的诸多角度；
第一表面，与该介质堆光学耦合，并经选择性处理来使该介质堆中所具有的传播角大于该临界角的至少一部分预定波长光在该介质堆与第一表面周围媒介之间耦合；以及
第二表面，经选择性处理来使该介质堆中所具有的传播角大于该临界角的至少一部分光在该介质堆与第二表面周围媒介之间耦合，使该介质堆中所具有的传播角超过该临界角的光耦合的第一和第二表面，其中至少一个表面其耦合效率随介质堆不同区域而不同。
18.一种选择性透射反射体，其特征在于，包括：
一介质堆，由包括不同折射率的至少两种不同材料在内的光学重复单元所组成，该介质堆具有特定波长光在介质堆中按小于第一角度的传播角传播的第一反射特性，以及该特定波长光在介质堆中按大于第二角度的传播角传播的第二反射特性，第二角度大于或等于第一角度；
第一表面，与该介质堆光学耦合，并经选择性处理，在介质堆中按一大于该第二角度的传播角使至少一部分特定波长光耦合进入介质堆；以及
第二表面，经选择性处理，按一大于该第二角度的传播角使至少一部分特定波长光耦合出射介质堆，其中第一和第二表面至少一个表面其耦合效率随介质堆不同区域而不同。
19.一种光学膜，其特征在于，包括：
一多层介质材料堆，在该膜至少一个内平面轴方向上包括诸多层不同折射率的至少两种不同材料，各层形成连续平行的平面，该多层堆以折射率为n1的第一表面层和第二表面层为界；
一设置在第一表面层至少一部分上的输入层，使该输入层上入射至第一表面层的光其中至少一部分按一相对于第一表面层平面法向轴测定的透射角θt传导，满足下列关系：
θt＞sin-1(c/n1)；以及
一设置在第二表面层至少一部分上的输出层，允许按透射角θt透射经过多层堆的光其中至少一部分经该输出层出射该光学膜。
20.一种选择性透射反射体，其特征在于，包括；
一具有第一和第二表面的多层介质堆，该介质堆基本上使预定带宽内的光反射，该带宽的带缘对直接入射在第一表面上的光来说，由经过该介质堆的最大传播角限定；
一形成在第一表面至少一部分上的输入层，允许预定带宽内的光按超过最大角的传播角进入介质堆；以及
一形成在第二表面至少一部分上的输出层，防止传播经过介质反射镜时传播角超过这样一种最大角的光发生内部全反射，从而使光选择性地透射经过与输入和输出层相对应部位的反射镜。
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