CN117242124A - 具有增加强度和刚性的散热且轻质的光学元件 - Google Patents

Abstract

聚合物薄膜包括具有至少约500,000g/mol的重均分子量的聚乙烯，其中该薄膜的特征在于可见光谱内至少约80％的透明度、小于约5％的体雾度、以及至少约10GPa的面内弹性模量。聚合物薄膜可以是导热的，并且可以结合到光学元件中并且配置为耗散诸如来自发光设备的热。

Description

具有增加强度和刚性的散热且轻质的光学元件

相关申请的交叉引用

本申请要求基于35U.S.C.§119(e)、于2021年4月30日提交的美国临时申请第63/182,615号的优先权的权益，该美国临时申请的内容通过引用整体并入本文。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种聚合物薄膜，该聚合物薄膜包括：聚乙烯，该聚乙烯具有至少约500,000g/mol的重均分子量，其中，该薄膜包括：可见光谱(visiblespectrum)内至少约80％的透明度；小于约5％的体雾度；以及至少约10GPa的面内弹性模量(in-plane elastic modulus)。

优选地，聚合物薄膜包括红外光谱内至少约80％的透明度。

优选地，聚合物薄膜包括射频频谱内至少约80％的透明度。

优选地，聚合物薄膜包括至少约0.5GPa的面内拉伸强度。

优选地，薄膜的面内导热系数(热导率，thermal conductivity)是各向异性的。

优选地，聚合物薄膜包括至少约5W/mK的面内导热系数。

优选地，导热系数的面内各向异性为至少2：1。

优选地，聚合物薄膜包括至少约30％的结晶聚乙烯含量。

优选地，聚乙烯的密度小于约1.5g/cm³。

优选地，聚合物薄膜包括至少约5微米的厚度。

根据本发明的另一方面，提供了一种薄膜，该薄膜包括：结晶聚合物，该结晶聚合物具有至少约500,000g/mol的重均分子量和结晶轴的优选面内取向，其中，该薄膜包括选自由以下构成的组中的至少两个属性(i-iv)：(i)可见光谱内至少约80％的透明度；(ii)小于约5％的体雾度；(iii)至少约10Gpa的面内弹性模量；以及(iv)至少约5W/mK的面内导热系数。

优选地，该薄膜包括属性(i-iv)中的至少三个。

优选地，该薄膜包括至少约30％的结晶聚合物含量。

优选地，结晶聚合物的密度小于约1.5g/cm³。

优选地，结晶聚合物包括聚乙烯。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学元件，该光学元件包括：基板；以及第一各向异性聚合物薄膜，该第一各向异性聚合物薄膜层压至基板的第一主表面，其中，第一各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，并且包括：可见光谱内至少约80％的透明度；小于约5％的体雾度；以及至少约10GPa的面内弹性模量。

优选地，光学元件包括第二各向异性聚合物薄膜，该第二各向异性聚合物薄膜层压至第一各向异性聚合物薄膜，其中，第二各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，使得第一各向异性聚合物薄膜和第二各向异性聚合物薄膜的结晶轴以角度(θ)在面内旋转地错向，其中0<θ≤90，并且第二各向异性聚合物薄膜包括：

可见光谱内至少约80％的透明度；

小于约5％的体雾度；以及

至少约10GPa的面内弹性模量。

优选地，第一各向异性聚合物薄膜和第二各向异性聚合物薄膜形成聚合物双层，并且该聚合物双层包括：可见光谱内至少约80％的透明度；小于约5％的体雾度；以及至少约10GPa的面内弹性模量。

优选地，光学元件包括第三各向异性聚合物薄膜，该第三各向异性聚合物薄膜层压至该基板的第二主表面，其中，该第三各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，并且包括：可见光谱内至少约80％的透明度；小于约5％的体雾度；至少约10Gpa的面内弹性模量；以及至少约5W/mK的面内导热系数。

优选地，基板包括透镜，并且第一主表面包括透镜的眼侧表面。

附图说明

附图示出了多个示例性实施方案并且附图是说明书的一部分。连同以下描述，这些附图说明和解释本公开的各种原理。

图1为示出了根据一些实施方案的通过和来自示例光学元件的热能路径的示意图。

图2为根据一些实施方案的用于制造各向异性聚合物薄膜的薄膜取向系统的示意图。

图3为根据一些实施方案的用于制造各向异性聚合物薄膜的薄膜取向系统的示意图。

图4为根据一些实施方案比较从聚碳酸酯透镜到光学元件的散热的图表，该光学元件包括用层压有定向热流的各种取向的超高分子量聚乙烯薄膜的聚碳酸酯透镜。

图5为根据各种实施方案的光学元件的示意图，该光学元件包括(A)层压至基板的竖直取向的高导热聚合物薄膜，以及(B)层压到基板的水平取向的高导热聚合物薄膜。

图6为根据一些实施方案的光学元件的示意图，该光学元件包括层压至基板的正交取向双层高导热聚合物薄膜。

图7为根据一些实施方案的比较聚碳酸酯基板和层压有超高分子量聚乙烯薄膜的大量标准化聚碳酸酯基板的散热与导热系数的曲线图。

图8为根据一些实施方案的比较聚碳酸酯基板和层压有超高分子量聚乙烯薄膜的大量标准化聚碳酸酯基板的散热与厚度的曲线图。

图9为概述根据各种实施方案的跨越各种透镜结构的面向外部表面的最高温度的表。

图10为根据某些实施方案的示出分段式热通量边界条件的光学元件的立体图。

图11示出了根据一些实施方案的比较聚碳酸酯透镜的温度分布图。

图12示出了根据一些实施方案的用于具有层压至图11的聚碳酸酯透镜的每个主表面的竖直取向的高导热系数超高分子量聚合物薄膜的光学元件的温度分布图。

图13示出了根据一些实施方案的用于具有层压至图11的聚碳酸酯透镜的每个主表面的水平取向的高导热系数超高分子量聚合物薄膜的光学元件的温度分布图。

图14示出了根据一些实施方案的用于具有层压至图11的聚碳酸酯透镜的每个主表面的多层高导热系数超高分子量聚合物薄膜的光学元件的温度分布图。

图15为根据另一实施方案的光学元件的示意图，该光学元件包括布置在一对正交取向的双层聚合物薄膜之间的芯基板。

图16为根据一些实施方案的针对不同超高分子量聚乙烯薄膜的应力与应变曲线图。

图17示出了根据一些实施方案的光学元件的压力分布图，该光学元件层具有响应于所施加的载荷而层压在聚碳酸酯芯基板的表面上的各向异性多层聚合物薄膜。

图18为示出根据一些实施方案的与具有层压有具有高弹性模量的各向异性超高分子量聚乙烯薄膜的各种组合的聚碳酸酯透镜的光学元件相比、聚碳酸酯透镜响应于所施加的载荷的最大模型化透镜位移的图表。

图19为示出根据一些实施方案的与具有层压有具有高弹性模量的各向异性超高分子量聚乙烯薄膜的聚碳酸酯透镜的光学元件相比、聚碳酸酯透镜响应于所施加的载荷的最大模型化透镜位移的图表。

图20为示出根据一些实施方案的具有层压有具有高弹性模量的各向异性超高分子量聚乙烯薄膜的各种组合的聚碳酸酯透镜的光学元件响应于所施加的载荷的最大压缩应变的图表。

图21为示出根据一些实施方案的具有层压有具有高弹性模量的各向异性超高分子量聚乙烯薄膜的各种组合的聚碳酸酯透镜的光学元件响应于所施加的载荷的最大拉伸应变的图表。

图22为根据某些实施方案的用于对光学元件执行落球试验(ball drop test)的组件的立体图。

图23为根据一些实施方案的针对聚碳酸酯透镜以及具有层压有具有高弹性模量的各向异性超高分子量聚乙烯薄膜的各种组合的聚碳酸酯透镜的光学元件的最大主应力(maximum principal stress)与时间的曲线图。

图24包括示出根据一些实施方案的与具有层压有具有高弹性模量的各向异性超高分子量聚乙烯薄膜的各种组合的聚碳酸酯透镜的光学元件相比、聚碳酸酯透镜的偏转的示意图。

图25为可以结合本公开的实施方案使用的示例性增强现实眼镜的图示。

图26为可以结合本公开的实施方案使用的示例性虚拟现实耳机的图示。

贯穿附图，相同的附图标记和描述指示相似但不一定相同的元件。虽然本文描述的示例性实施方案易于进行各种修改和备选形式，但是特定实施方案已经通过示例的方式在附图中示出了并且将在本文中详细描述。然而，本文描述的示例性实施方案不旨在限于所公开的特定形式。相反地，本公开涵盖落入所附权利要求范围内的所有修改、等同物和备选。

具体实施方式

聚合物材料可以用于各种不同的光学和电光器件构架中，包括有源的和无源的光学和电学活性器件。重量轻且顺应性好的一个或多个聚合物层可以集成到诸如智能眼镜等可穿戴设备中，并且是包括虚拟现实/增强现实设备的新兴技术的有吸引力的候选者，在这些虚拟现实/增强现实设备中需要舒适、可调节的外形尺寸。

例如，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)眼镜设备或耳机能够使用户能够体验事件，例如在计算机生成的三维世界的模拟中与人交互或查看叠加在现实世界视图上的数据。作为示例，可以通过光学头戴式显示器(optical head-mounted display，OHMD)或通过使用具有透明平视显示器(transparent heads-up display，HUD)或增强现实(AR)覆盖的嵌入式无线眼镜来实现将信息叠加到视图上。VR/AR眼镜设备和耳机可以用于各种目的。例如，政府可以将这种设备进行军事训练，医疗专业人员可以使用这种设备模拟手术，并且工程师可以将这种设备用作设计可视化辅助工具。

这些和其他应用可以利用薄膜聚合物材料的一个或多个特性，包括用于操纵光的折射率、用于提供结构支承的机械强度和/或在动力光学系统的示例中提供散热以及在操作期间降低温度不均匀性的导热系数。

可以理解的是，作为示例，透镜通常会给AR眼镜增加相当大的体积。因此，可能希望降低AR透镜的尺寸和质量，以便降低头戴式显示器(HMD)的外形和重量。然而，降低透镜厚度通常会影响硬度和强度，可能会使透镜和相邻组件在使用过程中暴露而受到损坏。

除上述情况外，电子设备和系统可能会产生过高的热量，这可能会导致用户不适、过热以及现场潜在的设备或系统故障。在这一点上，透镜通常代表了许多光学设备总表面积的一大部分，并且通常由相对低的导热系数材料(诸如，塑料或玻璃)制成。然而，这种材料限制了散热，并且可能不利地增加透镜表面上的温度不均匀性。在这一点上，目前流行的涉及热节流的解决方案可能会加强操作约束并不期望地限制功能。

尽管最近取得了进展，但提供具有改进的光学、机械和热性能(包括光学透明度、机械稳定性和可控制的导热系数)的聚合物或其他介电材料将是有利的。此外，在不牺牲强度、硬度或视觉清晰度的情况下，降低透镜的厚度和重量也是可取的。

根据各种实施方案，适用于透镜系统和其他光学元件的聚合物薄膜可以包括超高分子量聚乙烯(PE)。如本文所使用的，“超高分子量聚乙烯”或“超高分子量聚合物”可以包括极长的聚合物链，并且具有至少约500,000g/mol的分子量，例如约500,000g/mol、约1,000,000g/mol、约2,000,000g/mol、约4,000,000g/mol、或约6,000,000g/mol，包括任何上述值之间的范围。在一些示例中，本文使用的术语“分子量”可以指的是重均分子量。

聚合物薄膜的特性(包括其折射率、弹性模量、导热系数等)可以由其化学组成、聚合物重复单元的化学结构、其密度和结晶度以及晶体和/或聚合物链的配向来决定。在这些因素中，晶体或聚合物链的配向可能占主导。在结晶或半结晶光学聚合物薄膜中，光机械和热性质可以与晶体取向的程度或范围相关，而链缠结的程度或范围可以在无定形聚合物薄膜中产生类似的光学性质。

施加的应力可以用于在聚合物薄膜内生成晶体或聚合物链的优选配向，并沿膜的不同方向引起光学、机械和热性能的相应修改。如在本文进一步公开的，聚合物薄膜可以被拉伸以诱导晶体/聚合物链的优选配向以及伴随的一种或多种性质的修饰。拉伸可以包括施加单轴或双轴应力。

目前公开的各向异性聚乙烯类聚合物薄膜聚合物薄膜可以被表征为光学品质聚合物薄膜，且可以形成光学元件(诸如，透镜)或被结合到光学元件中。这些光学元件可以用于各种显示设备中，诸如虚拟现实(VR)和增强现实(AR)眼镜和耳机。这些和其他光学元件的值可以取决于它们的光学清晰度、机械强度和/或导热系数。

根据各种实施方案，在一些示例中，“光学品质聚合物薄膜”或“光学薄膜”的特征可以在于可见光光谱(visible light spectrum)(400-700nm)内的透射率为至少约80％，例如约80％、约90％、约95％、约97％、约98％、约99％、或约99.5％，包括任何上述值之间的范围，以及体雾度(bulk haze)小于约5％，例如约0.1％、0.2％、0.4％、1％、2％或4％的雾度，包括任何上述值之间的范围。

在一些示例中，聚合物薄膜的特征在于红外光谱(700nm-1mm)内的透射率为至少约80％，例如，约80％、约90％、约95％、约97％、约98％、约99％或约99.5％，包括任何上述值之间的范围。在一些实施方案中，聚合物薄膜的特征在于射频频谱(大于1mm)内的透射率至少约80％，例如，约80％、约90％、约95％、约97％、约98％、约99％或约99.5％，包括任何上述值之间的范围。

如本文所使用的，在所述光谱范围“内”的透射率可以指在特定波长或在该光谱范围内的波长范围上的透射率。“跨越”所述光谱范围的透射率可以指在整个所述光谱范围上的透射率。

在另一实施方案中，光学品质(例如，聚乙烯)聚合物薄膜可以结合到多层结构中，例如ABAB多层中的“A”层。其他多层结构可以包括AB、ABA、ABAB或ABC配置。每个B层(和每个C层，如果提供)可以包括其他聚合物组合物，诸如聚碳酸酯或聚偏氟乙烯。根据一些实施方案，一个或多个B(和C)层可以是导电的，并且可以包括例如铟锡氧化物(ITO)或聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)。

在多层结构中，每个PE层的厚度可以为约2微米至约100微米，例如，2微米、5微米、10微米、20微米、50微米或100微米，包括在任何前述值之间的范围。多层堆叠可以包括两个或更多这样的层。在一些实施方案中，PE层或薄膜的密度可以小于约1.5g/cm³，例如小于约1.5g/cm³、小于约1.25g/cm³、或小于约1.0g/cm³，包括上述任何值之间的范围。

根据一些实施方案，各向异性聚合物薄膜的面尺寸(即，长度和宽度)可以独立地在约5cm至约50cm或更大的范围内，例如，5cm、10cm、20cm、30cm、40cm或50cm，包括任何上述值之间的范围。示例各向异性聚合物薄膜的面尺寸可以为约5cm×5cm、10cm×10cm、20cm×20cm、50cm×50cm、5cm×10cm、10cm×20cm、10cm×50cm等。

根据一些实施方案，可以挤压或铸塑聚乙烯组合物(即，熔体或溶液)以形成聚合物薄膜。例如，可以使用适当的挤出和铸塑操作将能够结晶的聚合物组合物形成单层。例如，聚乙烯(PE)组合物可以作为单层被挤压和取向，以形成光学、机械和/或热各向异性薄膜。根据另一实施方案，可结晶聚合物可以与其它聚合物材料共挤出、以形成多层结构，其他聚合物材料是可结晶的或在取向后保持无定形的这些聚合物材料。

如本文所用，术语“聚合物薄膜”和“聚合物层”可以互换使用。此外，除非上下文另有明确指示，否则提及“聚合物薄膜”或“聚合物层”可以包括提及的“多层聚合物薄膜”等。

可以通过向可结晶聚合物薄膜施加所需的应力状态来形成各向异性聚合物薄膜。例如，可以拉伸聚乙烯(PE)薄膜以通过晶体和/或链的重新配向来诱导光机械各向异性。作为示例，超高分子量PE膜可以单轴取向或双向取向为单层或多层，以形成光学或机械各向异性聚合物薄膜。在一些实施方案中，可以同时或顺序地执行面内双轴应力的施加。

各向异性聚合物薄膜可以使用薄膜取向系统来形成，该薄膜取向系统配置成在聚合物薄膜的一个或多个不同区域中、在至少一个面内方向上加热和拉伸聚合物薄膜。在一些实施方案中，薄膜取向系统可以配置为仅沿一个面内方向拉伸聚合物薄膜(即，可结晶的聚合物薄膜)。例如，薄膜取向系统可以被配置成在允许薄膜沿正交面内方向(即，沿y方向)松弛的情况下、沿x方向向聚合物薄膜施加面内应力。如本文所使用的，在某些示例中，聚合物薄膜的松弛可以伴随沿松弛方向没有施加应力。

根据一些实施方案，在示例系统内，聚合物薄膜可以横向于穿过系统的膜行进方向进行加热和拉伸。在这样的实施方案中，聚合物薄膜可以通过多个可移动夹具沿相对边缘保持，该可移动夹具沿发散轨道系统可滑动地设置，使得当聚合物薄膜沿机器方向(machine direction，MD)移动穿过薄膜取向系统的加热区和变形区时、在横向方向(transverse direction，TD)上被拉伸。在一些实施方案中，沿横向方向的拉伸速率和沿机器方向的松弛速率可以独立地和局部地控制。

根据一些实施方案，在另一示例系统内，聚合物薄膜可以平行于穿过系统的膜行进方向进行加热和拉伸。在这样的实施方案中，聚合物薄膜可以通过多个可移动夹具沿相对边缘保持，该可移动夹具沿收敛轨道系统可滑动地设置，使得当聚合物薄膜沿机器方向(MD)移动穿过薄膜取向系统的加热区和变形区时、在机器方向(MD)上被拉伸。在某些实施方案中，可以使用辊对辊制造平台来实现大规模生产。

可以通过向铸塑聚合物薄膜施加应力来形成聚乙烯聚合物薄膜。在一些示例中，拉伸比可以大于4，例如，5、10、20、30、40或更大。拉伸动作可以包括单个拉伸步骤或多个(即，连续的)拉伸步骤，其中可以独立地控制拉伸温度和应变速率中的一个或多个。

在某些方面，可以沿聚合物薄膜的纵向尺寸或横向尺寸均匀或非均匀地施加拉伸应力。在某些实施方案中，响应于所施加的拉伸应力而实现的应变可以是至少约20％，例如约20％、约50％、约100％、约200％、约400％、约500％、约1000％、约2000％、约3000％或约4000％或更多，包括任何前述值之间的范围。沿横向方向的拉伸速率和沿机器方向(反之亦然)的松弛速率可以独立地和局部地控制。

形成聚乙烯聚合物薄膜的示例方法可以包括以至少约400％(例如，400％、500％、600％、700％、800％、900％、1000％、或2000％或更大，包括任何前述值之间的范围)的拉伸比单轴取向铸塑聚合物薄膜。另一示例方法可以包括沿各面内方向以至少约400％(例如，400％、500％、600％、700％、800％、900％、1000％或更多，包括任何前述值之间的范围)的独立拉伸比双轴地取向铸塑聚合物薄膜。双轴拉伸可以同时执行或在连续的拉伸步骤中执行。

较高的拉伸比可以有效地展开相对弹性层状聚合物晶体，并增加所得到的各向异性聚合物薄膜中的晶体取向程度。在各种示例中，拉伸的聚合物薄膜沿其拉伸方向的弹性模量可以与拉伸比成正比。

加热聚合物薄膜可以伴随着施加拉伸应力。例如，半结晶聚合物薄膜可以被加热到高于室温(～23℃)的温度，以促进薄膜的变形以及其中晶体和/或聚合物链的形成和重新配向。

聚合物薄膜的温度可以在拉伸动作之前、期间和/或之后(即，在预加热区或预热区下游的变形区内)保持在期望的值或在期望范围内，以便改善聚合物薄膜相对于未加热的聚合物薄膜的可变形性。变形区内的聚合物薄膜的温度可以小于、等于或大于预热区内的聚合物薄膜的温度。

在一些实施方案中，可以在整个拉伸动作期间将聚合物薄膜加热到恒定温度。在一些实施方案中，可以将聚合物薄膜的区域加热到不同的温度，即，在施加拉伸应力期间和/或之后进行。在一些实施方案中，可以将聚合物薄膜的不同区域加热到不同的温度。在一些实施方案中，拉伸动作可以包括恒定或改变薄膜温度和/或恒定或改变应变率。

聚合物薄膜内的结晶含量可以在拉伸动作期间增加。替代地，拉伸可以改变聚合物薄膜内的晶体取向和/或平均晶粒尺寸而基本上不改变结晶含量。

根据各种实施方案，在一些示例中，“结晶”或“半结晶”聚合物薄膜中的结晶相可以构成聚合物薄膜的至少约30％。例如，聚乙烯薄膜的结晶含量可以为至少约30％，例如30％、40％、50％、60％、70％或80％，包括任何上述值之间的范围。

在聚合物薄膜变形之后，可以保持加热预定时间量，随后冷却聚合物薄膜。冷却动作可以包括允许聚合物薄膜以设定的冷却速率或通过淬火(诸如通过用低温气体吹扫)自然冷却，这可以使聚合物薄膜热稳定。

在一些实施方案中，在拉伸之后，可以对聚合物薄膜进行退火。可以在固定的或可变的拉伸比和/或固定的或可变的施加应力下进行退火。示例退火温度可以大于约60℃，例如，80℃、100℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃或190℃，包括上述任何值之间的范围。该退火工艺可以包括单个退火步骤(例如，在单个温度下)或多个步骤(例如，在多个温度下)。退火可以稳定聚合物链的取向，并降低聚合物薄膜的收缩倾向。

对单层或多层薄膜施加单轴或双轴应力可以用于配向聚合物链和/或取向晶体、以诱导光学和机械各向异性。因此，在变形之后，晶体或链可以与所施加的拉伸应力的方向至少部分地配向。示例各向异性聚合物薄膜可以表现出高双折射率、高光学清晰度、低体雾度、高机械强度和韧性、以及高导热系数。

根据各种实施方案，各向异性聚合物薄膜可以包括纤维状、无定形、部分结晶或完全结晶材料。这种材料也可以是机械各向异性的，其中选自压缩强度、拉伸强度、剪切强度、屈服强度、刚性、硬度、延展性、可加工性、热膨胀、压电响应和蠕变行为的一种或多种特性可以是方向依赖性的。

在一些实施方案中，可以切割和堆叠一种或多种有机固体晶体薄膜层以形成多层。多层薄膜可以通过计时和堆叠各个层来形成。也就是说，在示例“计时”的多层堆叠中，错向(misorientation)(即，相对于相邻层的结晶轴)的角度(Θ)可以在约1°至约90°的范围内，例如，1°、2°、5°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°或90°，包括任何前述值之间的范围。

各向异性聚合物薄膜可以用于制造各向异性基板、双折射基板、高泊松比薄膜、反射偏振器、双折射反射镜等，并且可以结合到单层压电片和双层压电片致动器、触感制品(例如，手套)、AR/VR耳机、AR/VR组合器中、或用于提供显示亮度增强。

因此，本公开的方面涉及形成具有改进的光学、机械和热传导性能的单层各向异性聚合物薄膜以及多层聚合物薄膜。改进的机械性能可以包括改进的尺寸稳定性和符合具有复合曲率的表面(诸如，透镜)的改进的顺应性。改进的导热系数可以在使用期间促进光学元件的散热。

如所理解的，超高分子量聚乙烯薄膜的特征可以在于，相较于比较体聚合物材料，明显更高的光学透明度、弹性模量和机械强度、以及导热系数值和明显更低的密度值。在一些实施方案中，超高分子量聚乙烯薄膜可以是光学透明的、光学双折射的，并且特征可以在于，方向依赖性弹性模量和/或依赖性导热系数。

如本文所使用的，对于给定厚度，“透明”或“光学透明”的材料或元件在可见光光谱内的透射率可以为至少约80％，例如大约80％、90％、95％、97％、98％、99％或99.5％，包括在任何前述值之间的范围，以及小于约5％的体雾度，例如约0.1％、0.2％、0.4％、1％、2％或4％的体雾度，包括在任何前述值之间的范围。透明材料通常表现出非常低的光学吸收和最小的光学散射。

如本文所使用的，术语“雾度”和“清晰度”可以指与光通过材料的透射相关的光学现象，并且可以归因于例如材料内的光的折射，例如由于二次相或孔隙率和/或来自材料的一个或多个表面的光的反射。如本领域技术人员将理解的，雾度可以与经历广角散射(即，与法线的夹角大于2.5°)的光量和相应的透射性对比度的损失有关，而清晰度可以与经历窄角散射(即，与法线的夹角小于2.5°)的光量和伴随的光学清晰度的损失或“透视质量”有关。

根据一些实施方案，超高分子量聚合物薄膜或多层的面内弹性模量可以为至少约10GPa，例如，至少约10GPa、至少约25GPa、至少约50GPa、至少约75GPa或至少约100GPa，包括任何上述值之间的范围。在特定实施方案中，超高分子量聚合物薄膜可以是各向异性的，其中三个相互正交的模量中的至少两个不同。各向异性轴可以是竖直、水平或两者之间的任何角度配向的。

根据一些实施方案，超高分子量聚合物薄膜或多层的拉伸强度可以为至少约0.5GPa，例如0.6GPa、0.8GPa、1.0GPa、1.2GPa、1.4GPa、1.6GPa、1.8GPa或2GPa，包括任何上述值之间的范围。

超高分子量聚合物薄膜或多层的厚度可以在约2微米至约100微米或更大的范围内，例如2微米、5微米、10微米、25微米、50微米或100微米，包括任何上述值之间的范围。超高分子量聚合物薄膜的密度可以小于约1.5g/cm³。作为示例，超高分子量聚合物薄膜的密度可以为约0.9g/cm³、约1g/cm³、约1.2g/cm³、约1.3g/cm³、约1.4g/cm³或约1.5g/cm³，包括任何上述值之间的范围。

示例超高分子量聚合物薄膜和多层可以沿至少一个维度的导热系数为至少约5W/mK(例如，5W/mK、10W/mK、25W/mK、50W/mK或100W/mK，包括任何上述值之间的范围)。例如，导热系数可以沿给定层或多层配向内的聚合物分子的结晶方向是各向异性的。示例聚合物薄膜可以表现出的导热系数的各向异性(例如，面内各向异性)为至少2：1，例如2：1、5：1、10：1、20：1、50：1、100：1、150：1等，包括任何上述值之间的范围。导热系数中的这种各向异性可以相对于相邻基板沿任何期望的方向取向，并且在一些实施方案中，光学元件可以包括两个或更多独立取向的超高分子量聚合物薄膜。

根据一些实施方案，诸如透镜系统的光学组件可以包括超高分子量聚乙烯薄膜。光学元件可以包括独立式超高分子量聚合物薄膜或多层，或者在另一示例中，光学元件可以包括具有布置在基板的一个或两个主表面上的超高分子量聚合物薄膜或多层的复合结构。超高分子量聚合物薄膜可以被层压到合适的基板(例如，透镜)的一侧或两侧。如果提供基板，则基板可以包括玻璃、陶瓷、聚合物或其他光学透明材料。示例聚合物基板可以包括聚碳酸酯。在一些示例中，超高分子量聚乙烯薄膜可以掺杂有其他材料(例如，石墨烯、金属等)以调节它的热性能。

本文中公开的超高分子量聚合物薄膜可以是透明的、低雾度、轻质的，并且在至少一个维度上具有高的导热系数，并且可以集成到复合透镜中并与其他光学基板集成、以增加散热并提供温度均匀性。因此，超高分子量聚合物薄膜可以被配置成使各种设备和系统中与CTE相关的变形衰减，从而提高性能和延长寿命。在一些实施方案中，超高分子量聚合物薄膜可以增加这种透镜的强度，从而能够形成具有足够刚性和清晰度的更薄透镜。

在不受理论约束的情况下，牵引的超高分子量聚合物薄膜可以包括沿牵引方向的高度有序的链的网络，该网络可以支持声子能量传输并表现为高的热各向异性。在一些示例中，可以对超高分子量聚合物薄膜进行超牵引，以进一步增强膜的特性，例如透明度、清晰度、刚性、强度和/或导热系数。薄膜可以通过在产生高度配向分子链的受控热环境中的高牵引比拉伸来实现这些特性。

根据各种实施方案，聚合物薄膜可以包括超高分子量聚乙烯，并且特征可以在于选自以下的两个或更多个(例如，2、3、4、5、6、7、8、9或10)属性：(a)可见光谱内至少约80％的透明度、(b)红外光谱内至少约80％的透明度、(c)射频频谱内至少约80％的透明度、(d)小于约5％的体雾度、(e)至少约10GPa的弹性模量、(f)至少约0.5GPa的抗拉强度，(g)至少约30％的晶体含量，(h)至少约5W/mK的导热系数，(i)小于约1.5g/cm³的密度，以及(j)大于约5微米的厚度。

示例光学元件可以在人工现实或虚拟现实设备中形成透镜或窗口。另一示例光学元件可以限定例如手表、电话、平板电脑、电视、监视器等的表面，或者例如在光源与光接收器之间形成中层间。作为中层间，超高分子量聚合物薄膜可以在不影响源与接收器之间的光子传输的情况下提供热传导。根据各种实施方案，本文中公开的光学元件可以被配置成耗散来自发光设备(例如，VCSEL或LED)的热量，并在相关设备和系统中提供温度均匀性，同时保持期望的光学性能。

在某些实施方案中，光学元件可以位于诸如透镜的光学设备的透明孔内，但是本公开并不受特别限制，并且可以在更广泛的情形中应用。作为示例，光学元件可以结合到可调谐透镜、可调节光学元件、适应性光学元件等中。

光学元件可以包括透明基板和层压至该基板的超高分子量聚合物薄膜。在一些实施方案中，层压超高分子量聚合物薄膜可以在保持基板的反射颜色的情况下增加散热。光学元件可以另外包括红外线反射层，该红外线反射层被配置为反射从光学元件发射的或透射到光学元件中的红外光。光学元件可以是光学透明的。

超高分子量聚合物薄膜可以层压至光学基材或基板的一侧或两侧。替代地，超高分子量聚合物薄膜可以构成整个光学元件结构本身。在各种实施方案中，超高分子量聚合物薄膜可能不导电，因此，该薄膜对于适合于WiFi和蓝牙应用的射频基本上是透明的。

在一些实施方案中，光学元件的一侧可以包括附加薄膜或沉积材料层，该附加薄膜或沉积材料层适于反射从光学元件内发射的红外光或透射到光学元件中的红外光。在某些示例中，光学元件的面向用户的表面可以具有低发射率，从而减少了对用户面部的热发射。

超高分子量聚合物薄膜可以以任何合适的方式粘合到基底光学材料上。例如，可以使用光学胶合剂(OCA)、液体光学胶合剂(LOCA)等将膜粘合到基板上。适用的胶合剂包括有机硅、丙烯酸、环氧树脂等。胶合剂可以是热固化或光固化的，也可以是压敏的。

来自本文描述的任何实施方案的特征可以根据本文描述的一般原理彼此相结合使用。通过结合附图和权利要求书阅读以下详细描述，将更全面地理解这些和其他实施方案、特征和优点。

下面将参照图1至图26提供包括具有高光学品质、高机械强度和高导热系数的超高分子量聚合物薄膜的光学元件及其应用的详细描述。与图1相关的讨论包括对示例光学元件的热损失机制的描述。与图2和图3相关的讨论涉及用于生产适用于各种光学、机械和光学机械应用的光学品质、高强度、高模量和导热聚合物薄膜的示例制造范例。与图4相关的讨论包括对各种光学元件的模型化散热的概述。与图5和图6相关的讨论包括对包括一种或多种取向超高分子量聚合物薄膜的示例光学元件结构的描述。与图7和图8相关的讨论包括对超高分子量聚乙烯薄膜的热损失特性的描述。与图9相关的讨论包括与示例光学元件结构相关的最大世界侧温度(maximum world side temperature)的描述。与图10相关的讨论包括对光学元件的分段式热通量边界条件的描述。与图11至图14相关的讨论包括对例如光学元件结构的温度分布图的描述。此外，与图15相关的讨论包括对示例光学元件结构的描述，该示例光学元件结构包括具有在不同方向上配向的各向异性轴的多个取向超高分子量聚合物薄膜。与图16至图24相关的讨论包括展示了包括取向超高分子量聚合物薄膜的光学元件的强度和刚性改进的描述。与图25和图25相关的讨论涉及可以包括本文公开的散热光学元件的示例性虚拟现实和增强现实设备。

参照图1，示出了光学元件(例如，透镜)的截面示意图。光学元件100包括具有外(世界侧)表面120和内(眼睛侧)表面130的本体110。本体110可以通过传导来支持热传递，而光学元件100的外表面120可以通过对流和辐射与周围环境交换(例如，发射)热。在光学元件100的导热系数低的示例中，本体110内的热阻可以有效地限制向外表面120的热迁移。根据各种实施方案，各向异性超高分子量聚合物薄膜可以形成在光学元件100的外表面120上方和/或光学元件100的内表面130上方。

在图2中示意性地示出了用于形成各向异性聚合物薄膜的薄膜取向系统。系统200可以包括用于接收和预热聚合物薄膜205的可结晶部210的薄膜输入区230、用于输出聚合物薄膜205的结晶和取向部215的薄膜输出区238、以及在输入区230与输出区238之间延伸的夹具阵列220，该夹具阵列120配置为夹持并引导聚合物薄膜205通过系统200(即，从输入区230到输出区238)。夹具阵列220可以包括可滑动地设置在第一轨道225上的多个可移动的第一夹具224和可滑动地设置在第二轨道227上的多个可移动的第二夹具226。

聚合物薄膜205可以包括单个聚合物层或多个(例如，交替的(alternating))第一聚合物层和第二聚合物层，诸如多层ABAB…结构。在操作期间，接近输入区230，夹具224、226可以固定到聚合物薄膜205的各自边缘部分，其中位于给定轨道225、227上的相邻夹具可以分别设置在夹具间间距251、252处。为了简单起见，在图示的视图中，沿输入区230内的第一轨道225的夹具间间距251可以等于或基本上等于沿输入区230内的第二轨道227的夹具间间距252。如将理解的，在替代实施方案中，在输入区230内，沿第一轨道225的夹具间间距251可以与沿第二轨道227的夹具间间距252不同。

除了输入区230和输出区238之外，系统200还可以包括一个或多个附加区232、234、236等，其中可以独立地控制以下中的每一者：(i)聚合物薄膜205的平移速率；(ii)第一轨道225和第二轨道227的形状；(iii)第一轨道225与第二轨道227之间的间距；(iv)夹具间间距251-256；和(v)聚合物薄膜205的局部温度等。

在示例过程中，当通过夹具224、226引导通过系统200时，聚合物薄膜205可以在区230、232、234、236、238中的每一者内加热到选定温度。可以使用更少或更多数量的热控制区。如图所示，在区232内，第一轨道225和第二轨道227可以沿横向方向发散，使得在例如聚合物薄膜205加热到大于其玻璃化转变温度(T_g)但是低于熔化起始温度(T_m)的情况下、可以在横向方向上拉伸。在一些实施方案中，横向拉伸比(横向方向上的应变/机器方向上的应变)可以为约8或更大，例如8、10、15、20、25或30，包括任何上述值之间的范围。

根据某些实施方案，聚合物薄膜可以至少部分地由于其组分的高分子量而在不断裂的情况下拉伸8倍或更多。特别是，高分子量聚合物允许在更高的温度下拉伸薄膜，这可能会减少链纠缠，并在拉伸的薄膜中产生更高的模量、高透明度和低雾度的理想组合。

仍参照图2，在区232内，第一轨道225上相邻的第一夹具224之间的间距253和第二轨道227上相邻的第二夹具226之间的间距254可以相对于输入区230内的相应夹具间间距251、252减小。在某些实施方案中，夹具间距253、254从初始间距251、252的减小可以近似按横向拉伸比的平方根进行比例调整。实际比率可以取决于聚合物薄膜的泊松比以及对拉伸薄膜的要求，包括平坦度、厚度等。因此，在一些实施方案中，垂直于拉伸方向的聚合物薄膜的面内轴的松弛量可以等于拉伸方向上的拉伸比的平方根。通过减小相对于夹具间间距251、252的夹具间距253、254，可以允许聚合物薄膜在沿横向拉伸的情况下沿机器方向松弛。例如，聚合物薄膜可以沿机器方向松弛的聚合物泊松比的至少约10％，例如，聚合物薄膜泊松比的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％，包括任何上述值之间的范围。

聚合物薄膜的温度可以控制在各加热区内。在拉伸区232内，例如，聚合物薄膜205的温度可以在子区265、270内是恒定的或独立控制的。在一些实施方案中，在拉伸的聚合物薄膜205进入区234时，聚合物薄膜205的温度可以降低。在区232内的拉伸动作之后快速降低温度(即，退火)可以增强聚合物薄膜205的顺应性。在一些实施方案中，聚合物薄膜205可以是热稳定的，其中聚合物薄膜205的温度可以在每个拉伸后区234、236、238内控制。聚合物薄膜的温度可以通过强制热对流或通过辐射(例如，IR辐射)或它们的结合来控制。

根据一些实施方案，在拉伸区232的下游，在假定恒定间距距离(例如，在输出区238内)之前，第一轨道225与第二轨道227之间的横向距离可以保持恒定，或者如图所示初始地减小(例如，在区234和区236内)。在相关脉络中，拉伸区232下游的夹具间间距可以相对于沿第一轨道225的夹具间间距253和沿第二轨道227的夹具间间距254增加或减小。例如，沿输出区238内的第一轨道225的夹具间间距255可以小于拉伸区232内的夹具间间距253，并且沿输出区238内的第二轨道227的夹具间间距256可以小于拉伸区232内的夹具间间距254。根据一些实施方案，可以通过修改线性步进马达线上的夹具的局部速度，或者通过使用将夹具连接到对应轨道的附接和可变夹具间间距机构来控制夹具之间的间距。

根据一些实施方案，拉伸和取向的聚合物薄膜215可以从系统200移除并在随后的拉伸步骤中进一步拉伸，例如通过如图3所示的具有松弛的长度取向。参照图3，示出了用于形成各向异性聚合物薄膜的另一示例系统。薄膜取向系统300可以包括用于接收和预热聚合物薄膜305的结晶或可结晶部310的薄膜输入区330、用于输出聚合物薄膜305的至少部分结晶和取向部315的薄膜输出区345、以及在输入区330与输出区345之间延伸的夹具阵列320，该夹具阵列被配置为夹持和引导聚合物薄膜305穿过系统300。如在前述实施方案中，夹具阵列320可以包括可滑动地设置在第一轨道325上的多个第一夹具324和可滑动地设置在第二轨道327上的多个第二夹具326。在某些实施方案中，结晶或可结晶部310可以对应于拉伸和取向聚合物薄膜215。

在示例过程中，接近输入区330，第一夹具324和第二夹具326可以固定到聚合物薄膜305的边缘部分，其中位于给定轨道325、327上的相邻夹具可以设置在初始夹具间间距350、355处，在输入区330内，该初始夹具间间距可以沿两个轨道基本上恒定或可变。在输入区330a内，第一轨道325与第二轨道327之间沿横向方向的距离可以是恒定的或基本上恒定的。

系统300可以额外包括一个或多个区域335、340等。系统300的动态特性允许独立控制：(i)聚合物薄膜305的平移速率；(ii)第一轨道325和第二轨道327的形状；(iii)第一轨道325与第二轨道327之间沿横向方向的间距；(iv)输入区330内以及输入区的下游(例如，夹具间间距352、354、357、329)的夹具间间距350、355；以及(v)聚合物薄膜的局部温度等。

在示例工艺中，当其通过夹具324、326被引导通过系统300时，可以将聚合物薄膜305在区330、335、340、345中的每一者内加热到选定温度。可以在变形期间(即，在区335内)使用大于聚合物薄膜305的组分的玻璃化转变温度的温度，而可以在一个或多个下游区中的每一个内使用较小温度、等同温度或更高温度。

如在前述实施方案中，可以局部控制拉伸区335内聚合物薄膜305的温度。根据一些实施方案，聚合物薄膜305的温度在拉伸动作期间可以维持在恒定值或实质上恒定值。根据另一实施方案，聚合物薄膜305的温度可以在拉伸区335内逐步增加。也就是说，随着聚合物薄膜305沿机器方向前进，聚合物薄膜的温度可以在拉伸区域335内增加。作为示例，拉伸区335内聚合物薄膜305的温度可以在各加热区a、b和c中局部控制。

温度分布图可以是连续的、不连续的或它们的组合。如图3所示，加热区a、b和c可以延伸跨越聚合物薄膜305的宽度，并且可以根据关系T_g<T_a<T_b<T_c<T_m独立地控制每个区内的温度。相邻加热区之间的温度差可以小于约20℃，例如小于约10℃，或小于约5℃。

仍参照图3，在区335内，第一轨道325上相邻的第一夹具324之间的间距352和第二轨道327上相邻的第二夹具326之间的间距357可以相对于输入区330内的相应夹具间间距350、355增大，这可以向聚合物薄膜305施加面内拉伸应力并沿机器方向拉伸聚合物薄膜。在变形区335内的轨道325、327中的一个或两个上的夹具间间距的范围可以为恒定的或可变的，并且例如根据沿机器方向的位置而增加。

在拉伸区335内，夹具间间距352、357可以线性增加，使得变形的主要模式可以是恒定速度。例如，聚合物薄膜的应变速率可以沿机器方向降低。在另一实施方案中，聚合物薄膜305可以以恒定的应变速率拉伸，其中夹具间间距可以指数地增加。

在某些示例中，可以用薄膜取向系统300实现逐渐减小的应变速率，以产生高折射率和高模量聚合物薄膜。例如，在拉伸区335内，夹具间间距可以配置成使得每个连续的夹具324、326对之间的距离沿机器方向增加。可以独立地控制每个连续的夹具对之间的夹具间间距、以沿机器方向实现期望的应变速率。

响应于沿机器方向施加的拉伸应力，第一轨道325和第二轨道327在区335内可以沿横向方向会聚，使得聚合物薄膜305可以在机器方向上拉伸的情况下、在横向方向上松弛。使用单个拉伸步骤或多个拉伸步骤，聚合物薄膜305可以被拉伸至少约4倍(例如，4、5、6、7、8、9、10、20、40、100或更多，包括在任何前述值之间的范围)。

在拉伸区335内，第一轨道325和第二轨道327的倾斜角度(即，相对于机器方向)可以为恒定的或可变的。在拉伸区335内，第一轨道1325和第二轨道1327的倾斜角度(即，相对于机器方向)可以为恒定的或可变的。也就是说，根据某些实施方案，加热区a内的倾斜角可以大于加热区b内的倾斜角，加热区b内的倾斜角可以大于加热区c内的倾斜角。这种配置可以用于随着聚合物薄膜前进通过系统300，在拉伸区335内提供松弛速率(沿横向方向)的逐渐降低。

在一些实施方案中，随着拉伸的聚合物薄膜305离开区335，聚合物薄膜305的温度可以降低。在一些实施方案中，聚合物薄膜305可以是热稳定的，其中可以在各后变形区340、345内控制聚合物薄膜305的温度。聚合物薄膜的温度可以通过强制热对流或通过辐射(例如，IR辐射)或它们的结合来控制。

在变形区335的下游，相对于沿第一轨道325的夹具间间距352和沿第二轨道327的夹具间间距357，夹具间间距可以增加或保持基本上恒定。例如，随着夹具离开区335，在输出区345内沿第一轨道325的夹具间间距354可以基本上等于夹具间间距352，并且随着夹具离开区335，在输出区345内沿第二轨道327的夹具间间距359可以基本上等于夹具间间距357。在拉伸动作之后，例如可以在一个或多个下游区340、345内对聚合物薄膜305进行退火。

薄膜定向系统300的应变影响由单元区段360、365示意性地示出，该单元区段分别示出了聚合物薄膜305的选定区域的变形前和变形后尺寸。在所示实施方案中，聚合物薄膜305具有预拉伸宽度(例如，沿横向方向)和预拉伸长度(例如，沿机器方向)。如将理解的，拉伸后宽度可以小于拉伸前宽度，并且拉伸后长度可以大于拉伸前长度。

在一些实施方案中，辊对辊系统可以与薄膜定向系统(例如，薄膜定向系统200或薄膜定向系统300)形成为一体，以操纵聚合物薄膜。在另一实施方案中，辊对辊系统本身可以被配置为薄膜取向系统。超高分子量聚合物薄膜可以层压至光学基材或基板(诸如聚碳酸酯透镜)的一侧或两侧。

图4将来自聚碳酸酯透镜的表面(表面积＝1250mm²，对流换热系数＝6.5W/m²K，发射率＝0.9，T_表面＝43℃，T_环境＝25℃)的热传递的理论极限与用于聚碳酸酯透镜以及光学元件的测量值进行比较，该光学元件具有水平取向(拉伸X)、竖直取向(拉伸Y)以及作为分别层压至聚碳酸酯透镜的多层双轴膜(拉伸X&Y，例如，一个层水平取向和另一个层竖直取向)的高导热系数超高分子量聚合物薄膜。多层堆叠体中的层可以具有基本相同的厚度。在一些实施方案中，多层中的多个层可以具有不同的厚度以调节多层的定向型散热特性。可以调节薄膜厚度和取向，以减少热膨胀(CTE)引起的变形。

假设沿聚合物薄膜内晶体的配向方向的薄膜导热系数为25W/mK，则层压透镜相对于单独的聚碳酸酯透镜表现出增加的散热速率。当聚合物薄膜晶体沿透镜的短轴(在这种情况下为竖直(拉伸Y)方向)取向时，相较于聚合物薄膜晶体沿透镜的长轴(拉伸X)取向的情况，散热增强约20％。具有正交微晶取向的多层聚合物薄膜在X取向与Y取向之间产生散热速率。

图5和图6中示出了示例光学元件的分解表示，其中图5A示出了具有布置在基板510上方的晶体的竖直取向的聚合物薄膜520，图5B示出了具有布置在基板510上方的晶体的水平取向的聚合物薄膜530，以及图6示出了计时多层聚合物薄膜，该薄膜包括设置在基板610上方的具有晶体竖直取向的聚合物薄膜620和具有晶体水平取向的聚合物薄膜630。

基板510、610的主表面可以独立地选自平面、凹面和凸面中，但是还可以考虑其他形状。例如，基板的一个或两个主表面可能呈现复合曲率。基板510、610可以包括透镜，例如聚碳酸酯透镜或玻璃透镜。在所示的各实施方案中，各向异性聚合物薄膜可以布置在透镜的世界侧或透镜的眼侧。

参照图7和图8，申请人已经证明，来自层压有高导热系数超高分子量聚合物薄膜的透镜的散热随着导热系数和薄膜厚度的每一者增加而增加。排热作为导热系数的函数而增加，逐渐接近对流和辐射热传递所设置的理论极限。参照图7，散热率分别在25W/mK和100W/mK下达到理论最大值的约63％和82％。参照图8，将聚碳酸酯基板的质量降低25％，对总散热速率影响很小。

在各种实施方案中，名称“仅PC”指的是在层压有超高分子量聚乙烯薄膜之前的聚碳酸酯基板。名称“100质量％”、“75质量％”和“50质量％”是指包括层压至聚碳酸酯基板的高导热系数超高分子量聚乙烯薄膜的复合结构，其中为了比较的目的，基板被减薄，使得复合物的质量是原始的“仅PC”基板质量的固定百分比(100％、75％或50％)。

图9示出了将高导热系数超高分子量聚合物薄膜层压至聚碳酸酯(PC)基板上可以降低跨越基板的温度梯度，并显著改善基板的散热。参照图10，示出了分段式环边界条件，其中100mW的热分布在非阴影带中，而阴影带不散发热量。

参照图11至图14，示出了来自图9的数据。对于比较聚碳酸酯透镜(图11)，透镜的最高表面温度为约52℃，标准偏差为约5.3℃。参照图12和图13，具有25W/mK的各向异性导热系数的竖直地(图12)或水平地(图13)配向的50μm厚的超高分子量聚合物薄膜的施加将透镜的最高表面温度降低到约44℃，标准偏差为约3.4℃。在施加具有相互正交轴的两个25μm超高相对分子量聚合物薄膜的情况下(图14)，最高表面温度降至约39℃，标准偏差为约2.4℃。

图15为根据另一实施方案的光学元件的示意图，该光学元件包括夹在两个计时(Θ＝90°)多层聚合物薄膜之间的芯基板1510。如图所示，布置在基板1510的第一侧(即，正面或世界侧)上的多层聚合物薄膜可以包括例如具有晶体的竖直取向的聚合物薄膜1520和具有晶体的水平取向的聚合物薄膜1530。另外，布置在基板1510的第二侧(即，背面或眼睛侧)上的多层聚合物薄膜可以包括例如具有晶体的竖直取向的聚合物薄膜1540和具有晶体的水平取向的聚合物薄膜1550。

图16为根据一些实施方案的不同超高分子量聚乙烯薄膜的应力与应变曲线图。如图所示，弹性模量越高，聚合物薄膜抵抗应变和变形的能力越强。由此得到的、具有单独保持拉力的能力的超高分子量聚乙烯薄膜的应力-应变曲线如图所示弯曲且向上倾斜(直线虚线表示具有保持拉力和压缩两者的能力的概念薄膜)。

图17示出了响应于向光学元件的集中表面(5mm直径圆)施加19N载荷的光学元件的压力分布图。该光学元件包括层压至聚碳酸酯芯基板的表面上方的具有高弹性模量的各向异性多层聚合物薄膜。如图所示，压力是局部的，并不会实质上传播到透镜的周围区。

参照图18和图19，申请人已经证明，响应于所施加的载荷，相较于单独聚碳酸酯透镜，层压有高弹性模量的各向异性薄膜的各种组合的聚碳酸酯透镜的最大位移显著减小。图18和图19中示出的数据是使用Holzapfel-Gasser-Ogden(HGO)材料模型获得的，该材料模型假设各向异性薄膜可以承受拉伸载荷但不能承受压缩载荷(例如，见图16中所示的固体应力-应变曲线)。参照图20和图21，申请人已经证明，在具有较高弹性模量的各向异性薄膜中，响应于所施加的载荷，最大压缩应变和最大拉伸应变分别降低。

图22为用于对光学元件执行落球试验的组件的立体图。如图所示，试验组件2200包括基座2210和用于支承透镜2230或另一光学元件的氯丁橡胶垫片2220。钢球2240从指定高度落到支承透镜2230上，且可以在球落期间测量最大主应力和透镜偏转。

参照图23，申请人已经证明，相较于单独聚碳酸酯透镜，对于层压有具有高弹性模量的超高分子量聚合物薄膜的聚碳酸酯透镜，在落球试验期间，随着时间的推移，最大主应力大大降低。

参照图24，申请人已经证明，相较于单独聚碳酸酯透镜，层压有具有高弹性模量的超高分子量聚合物薄膜的聚碳酸酯透镜在落球试验期间偏转降低。

超高相对分子量聚合物薄膜可以是轻质的、透明的和低雾度的，并且可以另外沿至少一个维度具有高导热系数，以促进散热和通过散热的温度均匀性。光学元件(诸如透镜)可以包括独立的超高分子量聚合物薄膜或多层，或设置(例如，层压)在基板上的超高分子量聚合物薄膜或多层。基板可以包括玻璃、陶瓷、聚合物或其他光学透明结构。

在制造过程中，超高分子量聚合物薄膜的拉伸可能会诱发膜内聚合物链或微晶的配向，以及伴随的膜性能(包括折射率、模量和导热系数)的面内各向异性。在某些实施方案中，包括这种聚合物薄膜的光学元件可以配置成在不干扰相关设备或系统的光学性能的情况下散热，即，从光发射器发出的热。通过热平衡，可以改善用户的舒适性、可用性以及设备的性能和寿命。

本公开还描述了用于制造薄的、刚性的和低密度的聚合物膜的制造方法，该聚合物膜被配置成减小由其形成的透镜的厚度和质量。可以在不牺牲刚型和强度的情况下实现透镜尺寸和重量的减小。具体地，公开了一种用于由超高分子量聚乙烯构成的各向异性、高模量和高强度聚合物薄膜形成光学元件的层压方法。

示例实施方案

实施例1：一种聚合物薄膜，该聚合物薄膜包括具有至少约500,000g/mol的重均分子量的聚乙烯，其中该薄膜的特征是于可见光谱内至少约80％的透明度、小于约5％的体雾度、以及至少约10GPa的面内弹性模量。

实施例2：根据实施例1所述的聚合物薄膜，该聚合物薄膜的特征在于红外光谱内至少约80％的透明度。

实施例3：根据实施例1和2中任一项所述的聚合物薄膜，该聚合物薄膜的特征在于射频频谱内至少约80％的透明度。

实施例4：根据实施例1至3中任一项所述的聚合物薄膜，该聚合物薄膜的特征在于至少约0.5GPa的面内拉伸强度。

实施例5：根据实施例1至4中任一项所述的聚合物薄膜，其中，薄膜的面内导热系数是各向异性的。

实施例6：根据实施例1至5中任一项所述的聚合物薄膜，该聚合物薄膜的特征在于至少约5W/mK的面内导热系数。

实施例7：根据实施例1至6中任一项所述的聚合物薄膜，其中，导热系数的面内各向异性为至少2：1。

实施例8：根据实施例1至7中任一项所述的聚合物薄膜，该聚合物薄膜的特征在于至少约30％的结晶聚乙烯含量。

实施例9：根据实施例1至8中任一项所述的聚合物薄膜，其中，聚乙烯的密度小于约1.5g/cm³。

实施例10：根据实施例1至9中任一项所述的聚合物薄膜，该聚合物薄膜的特征在于至少约5微米的厚度。

实施例11：一种薄膜，该薄膜包括具有至少约500,000g/mol的重均分子量和结晶轴的优选面内取向的结晶聚合物，其中，该薄膜的特征在于选自以下的至少两个属性(i-iv)：(i)可见光谱内至少约80％的透明度，(ii)小于约5％的体雾度，(iii)至少约10Gpa的面内弹性模量，以及(iv)至少约5W/mK的面内导热系数。

实施例12：根据实施例11所述的薄膜，其中，该薄膜的特征在于属性(i-iv)中的至少三个。

实施例13：根据实施例11和12中任一项所述的薄膜，该薄膜的特征在于至少约30％的结晶聚乙烯含量。

实施例14：根据实施例11至13中任一项所述的薄膜，其中，结晶聚合物的密度低于约1.5g/cm³。

实施例15：根据实施例11至14中任一项所述的薄膜，其中，结晶聚合物包括聚乙烯。

实施例16：一种光学元件，该光学元件包括基板和第一各向异性聚合物薄膜，该第一各向异性聚合物薄膜层压至基板的第一主表面，其中，第一各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，并且该第一各向异性聚合物薄膜的特征在于在可见光谱内至少约80％的透明度、小于约5％的体雾度、以及至少约10GPa的面内弹性模量。

实施例17：根据实施例16所述的光学元件，该光学元件包括层压至第一各向异性聚合物薄膜的第二各向异性聚合物薄膜，其中，该第二各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，使得第一各向异性聚合物薄膜和第二各向异性聚合物薄膜的结晶轴以角度(θ)在面内旋转地错向，其中0<θ≤90°，并且第二各向异性聚合物薄膜的特征在于可见光谱内至少约80％的透明度、小于约5％的体雾度、以及至少约10GPa的面内弹性模量。

实施例18：根据实施例16和17中任一项所述的光学元件，其中，第一各向异性聚合物薄膜和第二各向异性聚合物薄膜形成聚合物双层，并且该聚合物双层的特征在于在可见光谱内至少约80％的透明度、小于约5％的体雾度、以及至少约10GPa的面内弹性模量。

实施例19：根据实施例16至18中任一项所述的光学元件，该光学元件包括第三各向异性聚合物薄膜，该第三各向异性聚合物薄膜层压至基板的第二主表面，其中第三各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，并且第三各向异性聚合物薄膜的特征在于在可见光谱内至少约80％的透明度、小于约5％的体雾度、至少约10GPa的面内弹性模量以及至少约5W/mK的面内导热系数。

实施例20：根据实施例16至19中任一项所述的光学元件，其中，基板包括透镜，并且第一主表面是透镜的眼侧表面。

本公开的实施方案可以包括各种类型的人工现实系统或结合各种类型的人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以一些方式进行调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实、混杂现实或它们的一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全由计算机生成的内容或与捕获的(例如，现实世界的)内容相结合的由计算机生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合，其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如向观众产生三维(3D)效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实(例如，以在其中执行活动)的应用、产品、配件、服务或它们的一些组合相关联。

人工现实系统可以以多种不同的形状因子和配置来实现。一些人工现实系统可以被设计为在没有近眼显示器(near-eye display，NED)的情况下工作。其他人工现实系统可以包括NED，该NED也提供对现实世界(例如，图25中的增强现实系统2500)的可见性或使用户在视觉上沉浸在人工现实中(例如，图26中的虚拟现实系统2600)。虽然一些人工现实设备可以是自包含系统，但其他人工现实设备可以与外部设备通信和/或协调以向用户提供人工现实体验。这种外部设备的示例包括手持控制器、移动设备、台式计算机、用户穿戴的设备、一个或多个其他用户穿戴的设备，和/或任何其他合适的外部系统。

转向图25，增强现实系统2500可以包括具有框架2510的眼镜设备2502，框架2510配置为将左显示设备2515(A)和右显示设备2515(B)保持在用户眼睛前方。显示装置2515(A)和2515(B)可以一起或独立地作用以向用户呈现图像或图像组。虽然增强现实系统2500包括两个显示器，但是本公开可以在具有单个NED或多于两个NED的增强现实系统中实现。

在一些实施方案中，增强现实系统2500可以包括一个或多个传感器，诸如传感器2540。传感器2540可以响应于增强现实系统2500的运动而生成测量信号，并且传感器可以位于框架2510的基本上任何部分上。传感器2540可以表示一种或多种不同的传感机制，诸如定位传感器、惯性测量单元(IMU)、深度相机组件、结构光发射器和/或检测器或它们的任何组合。在一些实施方案中，增强现实系统2500可以包括或可以不包括传感器2540或者可以包括一个以上的传感器。在传感器2540包括IMU的实施方案中，IMU可以基于来自传感器2540的测量信号生成校准数据。传感器2540的示例可以包括但不限于，加速度计、陀螺仪、磁力计、检测运动的其他合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的传感器、或它们的一些组合。

在一些示例中，增强现实系统2500还可以包括具有多个声学转换器2520(A)-2520(J)的传声器阵列，统称为声学转换器2520。声学转换器2520可以表示检测由声波引起的气压变化的转换器。每个声学转换器2520可以配置为检测声音并且将检测到的声音转换成电子格式(例如，模拟格式或数字格式)。图25中的传声器阵列可以包括例如10个声学转换器：可以被设计成放置在用户的对应耳朵内侧的2520(A)和2520(B)；可以被定位在框架2510上的不同位置处的声学转换器2520(C)、2520(D)、2520(E)、2520(F)、2520(G)和2520(H)；和/或可以被定位在对应的颈带1805上的声学转换器2520(I)和2520(J)。

在一些实施方案中，声学转换器2520(A)-(J)中的一个或多个可以用作输出转换器(例如，扬声器)。例如，声学转换器2520(A)和/或2520(B)可以是耳塞式耳机或任何其他合适类型的耳塞式耳机或扬声器。

传声器阵列的声学转换器2520的配置可以变化。虽然增强现实系统2500在图25中被示出为具有十个声学转换器2520，但是声学转换器2520的数量可以大于或小于十。在一些实施方案中，使用更多数量的声学转换器2520可以增加所收集的音频信息的量和/或音频信息的灵敏度和准确度。相反地，使用较低数量的声学转换器2520可以降低相关联的控制器2550处理所收集的音频信息所需的计算电力。此外，传声器阵列的每个声学转换器2520的位置可以变化。例如，声学转换器2520的位置可以包括用户上限定的位置、框架2510上限定的坐标、与每个声学转换器2520相关联的取向或它们的一些组合。

声学转换器2520(A)和2520(B)可以定位在用户耳部的不同部分上，诸如耳廓(pinna)后面、耳屏后面和/或外耳(auricle)或耳窝(fossa)内。替代地，除了耳道内的声学转换器2520之外，在耳朵上或耳朵周围可以有附加声学转换器2520。将声学转换器2520定位在用户的耳道附近可以使传声器阵列能够收集关于声音如何到达耳道的信息。通过将声学转换器2520中的至少两个声学转换器定位在用户头部的任一侧(例如，作为双耳传声器)，增强现实设备2500可以模拟双耳听力并且捕获用户头部周围的3D立体声声场。在一些实施方案中，声学转换器2520(A)和2520(B)可以经由有线连接2530连接到增强现实系统2500，并且在其他实施方案中，声学转换器2520(A)和2520(B)可以经由无线连接(例如，蓝牙连接)连接到增强现实系统2500。在其他实施方案中，声学转换器2520(A)和2520(B)可能根本不与增强现实系统2500结合使用。

在框架2510上的声学转换器2520可以以各种不同方式定位，包括沿着镜腿的长度、跨过鼻梁架、在显示设备2515(A)和2515(B)的上方或下方、或他们的一些组合进行定位。声学转换器2520还可以定向成使得传声器阵列能够在穿戴增强现实系统2500的用户周围的广泛范围方向上检测声音。在一些实施方案中，可以在增强现实系统2500的制造期间执行优化过程以确定传声器阵列中每个声学转换器2520的相对定位。

在一些示例中，增强现实系统2500可以包括或连接到外部设备(例如，配对设备)，诸如颈带2505。颈带2505通常表示任何类型或形式的配对设备。因此，以下关于颈带2505的讨论也适用于各种其他配对设备，诸如充电盒、智能手表、智能手机、腕带、其他可穿戴设备、手持控制器、平板计算机、膝上型计算机、显示器、其他外部计算设备等。

如图所示，颈带2505可以经由一个或多个连接器耦合到眼镜设备2502。连接器可以是有线或无线的，并且可以包括电气和/或非电气(例如，结构)组件。在一些情况下，眼镜设备2502和颈带2505可以以它们之间没有任何有线或无线连接的方式独立操作。虽然图25示出了眼镜设备2502和颈带2505的组件，该组件在眼镜设备2502和颈带2505上的示例位置上，但是这些组件可以被定位在别处和/或不同地分布在2502和/或颈带2505上。在一些实施方案中，眼镜设备2502和颈带2505的组件可以位于与眼镜设备2502、颈带2505或它们的一些组合配对的一个或多个附加外围设备上。

将外部设备(诸如颈带2505)与增强现实眼镜设备配对可以使眼镜设备能够实现一副眼镜的形状尺寸，同时仍然提供足够的电池和计算电力来用于扩展能力。增强现实系统2500的一些或全部电池电力、计算资源和/或附加特征可以由配对设备提供或在配对设备和眼镜设备之间共享，从而降低整体眼镜设备的重量、热量分布和形状尺寸，同时仍保持所需的功能。例如，颈带2505可以允许将原本被包括在眼镜设备上的组件包括在颈带2505中，因为用户可以在肩上承受比他们头上承受的重量更重的重量。颈带2505还可以具有更大的表面积，通过该表面积将热量扩散并分散到周围环境。因此，颈带2505可以允许比在独立的眼镜设备上可能具有的电池和计算容量更大的电池和计算容量。由于颈带2505中承载的重量可能比眼镜设备2502中承载的重量对用户的侵入性更小，因此用户可以承受穿戴较轻的眼镜设备以及承载或穿戴配对设备的时间长度比用户承受穿戴重的独立眼镜设备的时间长度更长，从而使用户能够更充分地将人工现实环境融入他们的日常活动中。

颈带2505可以与眼镜设备2502和/或其他设备通信地耦合。这些其他设备可以向增强现实系统2500提供某些功能(例如，跟踪、定位、深度映射、处理、存储等)。在图25的实施方案中，颈带2505可以包括两个声学转换器(例如，2520(I)和2520(J))，它们是传声器阵列的一部分(或可能形成它们自己的传声器子阵列)。颈带2505还可以包括控制器2525和电源2535。

颈带2505的声学转换器2520(I)和2520(J)可以配置为检测声音并且将检测到的声音转换成电子格式(模拟或数字)。在图25的实施方案中，声学转换器2520(I)和2520(J)可以定位在颈带2505上，从而增加颈带声学转换器2520(I)和2520(J)与定位在眼镜设备2502上的其他声学转换器2520之间的距离。在一些情况下，增加传声器阵列的声学转换器2520之间的距离可以提高经由传声器阵列执行的波束形成的准确性。例如，如果声学转换器2520(C)和2520(D)检测到声音并且声学转换器2520(C)和2520(D)之间的距离大于例如声学转换器2520(D)和2520(E)之间的距离，则所确定的检测到的声音的源位置可以比在如果该声音被声学转换器2520(D)和2520(E)检测的情形更准确。

颈带2505的控制器2525可以处理由颈带2505和/或增强现实系统2500上的传感器生成的信息。例如，控制器2525可以处理来自传声器阵列的描述由传声器阵列检测到的声音的信息。对于每个检测到的声音，控制器2525可以执行到达方向(direction-of-arrival，DOA)估计以估计检测到的声音到达传声器阵列的方向。当传声器阵列检测到声音时，控制器2525可以用该信息填充音频数据集。在其中增强现实系统2500包括惯性测量单元的实施方案中，控制器2525可以根据位于眼镜设备2502上的IMU来计算所有惯性和空间计算。连接器可以在增强现实系统2500和颈带2505之间以及在增强现实系统2500和控制器2525之间传送信息。信息可以是光学数据、电数据、无线数据或任何其他可传输数据形式的形式。将对由增强现实系统2500生成的信息的处理移动到颈带2505，可以减轻眼镜设备2502的重量和热量，使其对用户来说更舒适。

颈带2505中的电源2535可以为眼镜设备2502和/或颈带2505提供电力。电源2535可以包括但不限于锂离子电池、锂聚合物电池、锂原电池、碱性电池或任何其他形式的电力储存。在一些情况下，电源2535可以是有线电源。在颈带2505上而不是在眼镜设备2502上的电源2535可以帮助更好地分配由电源2535生成的重量和热量。

如所述的，一些人工现实系统可以基本上用虚拟体验代替用户对现实世界的一种或更多种感官感知，而不是将人工现实与实际现实混合。该类型的系统的一个示例是头戴式显示系统，诸如图26中的虚拟现实系统2600，其大部分或全部覆盖用户的视野。虚拟现实系统2600可以包括前刚性主体2602和成形为适合围绕用户头部的带2604。虚拟现实系统2600还可以包括输出音频转换器2606(A)和2606(B)。此外，尽管在图26中未示出，但是前刚性体2602可以包括一个或多个电子元件，包括一个或多个电子显示器、一个或多个惯性测量单元(IMU)、一个或多个跟踪发射器或检测器，和/或用于创建人工现实体验的任何其他合适的设备或系统。

人工现实系统可以包括各种类型的视觉反馈机制。例如，增强现实系统2500和/或虚拟现实系统2600中的显示设备可以包括一个或多个液晶显示器(liquid crystaldisplays，LCD)、发光二极管(light emitting diode，LED)显示器、微LED显示器、有机LED(organic light emitting diode，OLED)显示器，数字光投影(digital light project，DLP)微显示器、硅上液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)微显示器和/或任何其他合适类型的显示屏。这些人工现实系统可以包括用于双眼的单个显示屏或可以为每只眼睛提供显示屏，这可以允许用于变焦调节或用于校正用户的屈光不正的附加灵活性。这些中一些人工现实系统还可以包括具有用户可以通过其观看显示屏的一个或多个透镜(例如，凹透镜或凸透镜、菲涅耳透镜、可调液体透镜等)的光学子系统。这些光学子系统可以用于各种目的，包括准直(例如，使物体看起来处于比其物理距离更大的距离)、放大(例如，使物体看起来比其实际大小更大)和/或传递(到例如观看者的眼睛)光。这些光学子系统可以用于非瞳孔形成结构(诸如单透镜配置，其直接使光准直但导致所谓的枕形失真)和/或瞳孔形成结构(诸如多透镜配置，其产生所谓的桶形失真以抵消枕形失真)。

除了使用显示屏之外，或代替使用显示屏，本文中描述的一些人工现实系统可以包括一个或多个投影系统。例如，增强现实系统2500和/或虚拟现实系统2600中的显示设备可以包括(使用例如波导)将光投射到显示设备中的微型LED投影仪，诸如允许环境光穿过的透明组合器透镜。显示设备可以将投射的光折射到用户的瞳孔，并且可以使用户能够同时观看人工现实内容和现实世界两者。显示设备可以使用各种不同的光学组件中的任一种来实现这一点，这些光学组件包括波导部件(例如全息、平面、衍射、偏振和/或反射波导元件)、光操纵表面和元件(诸如衍射、反射和折射元件以及光栅)、耦合元件等。人工现实系统也可以配置成具有任何其他合适的类型或形式的图像投影系统，诸如虚拟视网膜显示器中使用的视网膜投影仪。

人工现实系统还可以包括各种类型的计算机视觉组件和子系统。例如，增强现实系统2500和/或虚拟现实系统2600可以包括一个或多个光学传感器，诸如二维(2D)或3D相机、结构光发射器和检测器、飞行时间深度传感器、单光束或扫描激光测距仪、3D LiDAR传感器和/或任何其他合适的类型或形式的光学传感器。人工现实系统可以处理来自这些传感器中的一个或多个传感器的数据以标识用户的位置，以映射现实世界，向用户提供关于现实世界环境的背景，和/或执行各种其他功能。

本文描述的人工现实系统还可以包括一个或多个输入和/或输出音频转换器。输出音频转换器可以包括音圈扬声器、带式扬声器、静电扬声器、压电扬声器、骨传导转换器、软骨传导转换器、耳屏振动转换器，和/或任何其他合适的类型或形式的音频转换器。类似地，输入音频转换器可以包括电容式传声器、动态传声器、带式传声器和/或任何其他类型或形式的输入转换器。在一些实施方案中，单个转换器可以被用于音频输入和音频输出两者。

在一些实施方案中，本文描述的人工现实系统还可以包括触知(即，触觉)反馈系统，该反馈系统可以被结合到头饰、手套、紧身衣、手持控制器、环境设备(例如椅子、地垫等)，和/或任何其他类型的设备或系统。触觉反馈系统可以提供各种类型的皮肤反馈，包括振动、力、牵引力、质地和/或温度。触觉反馈系统还可以提供各种类型的动觉反馈，诸如运动和顺应性。触觉反馈可以使用电机、压电致动器、流体系统和/或各种其他类型的反馈机制来实现。触觉反馈系统可以独立于其他人工现实设备，在其他人工现实设备内和/或结合其他人工现实设备来实现。

通过提供触觉、听觉内容和/或视觉内容，人工现实系统可以在各种背景和环境中创建完整的虚拟体验或增强用户的现实世界体验。例如，人工现实系统可以帮助或扩展用户在特定环境内的感知、记忆或认知。一些系统可以增强用户与现实世界中的其他人的交互，或者可以实现与虚拟世界中的其他人的更加沉浸式的交互。人工现实系统还可以用于教育目的(例如，用于学校、医院、政府组织、军事组织、商业企业等的教学或培训)、娱乐目的(例如，用于玩视频游戏、听音乐、观看视频内容等)，和/或用于可接近性目的(例如，作为助听器、视觉辅助设备等)。本文公开的实施方案可以在这些背景和环境中的一个或多个背景和环境和/或其他背景和环境中实现或增强用户的人工现实体验。

本文描述和/或图示的工艺参数和步骤顺序仅作为示例给出并且可以根据需要改变。例如，虽然本文图示和/或描述的步骤可以按特定顺序图示或讨论，但这些步骤不一定需要按照图示或讨论的顺序执行。本文描述和/或图示的各种示例性方法还可以省略本文描述或图示的步骤中的一个或多个步骤，或者除了所公开的步骤之外还包括附加步骤。

已经提供了前面的说明以使本领域的其他技术人员能够最好地利用本文公开的示例性实施方案的各个方面。该示例性描述并非旨在穷举或限于所公开的任何精确形式。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，许多修改和变化是可能的。本文公开的实施方案应该在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。在确定本公开的范围时应参考所附权利要求及其等同物。

除非另有说明，如在说明书和权利要求中使用的术语“连接到”和“耦合到”(及其衍生词)应当被解释为允许直接和间接(即，经由其他元件或部件)连接。此外，在说明书和权利要求书中使用的术语“一”或“一个”应当被解释为表示“至少一个”。此外，在说明书和权利要求书中使用的术语“一”或“一个”应当被解释为表示“至少一个”。

应当理解，当诸如层或区域的元件被称为形成、沉积或设置在另一元件“上”、“之上”或“上方”时，它可以直接位于另一元件的至少一部分上，或者也可能存在一个或多个中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上、“直接在”另一个元件之上或“直接在”另一个元件上方时，它可以位于另一个元件的至少一部分上，并且不存在中间元件。

如本文中所使用，参考给定参数、性质或条件的术语“基板上”可意指且包含所属领域的技术人员将在一定程度上理解给定参数、性质或条件符合小程度的差异(诸如在可接受的制造公差内)。作为示例，取决于基板上符合的特定参数、性质或条件，可以至少约90％、至少约95％或甚至至少约99％符合参数、性质或条件。

如在本文所使用的，在某些实施方案中，关于特定数值或数值范围的术语“约”可以指并包括所述数值以及在所述数值的10％内的所有值。因此，作为示例，在某些实施方案中，将数值“50”引用为“约50”可以包括等于50±5的值，即在45到55范围内的值。

虽然可能使用过渡短语“包括”来公开特定实施方案的多个特征、元素或步骤，但是应当理解，替代实施方案(包括可以使用过渡短语“由…构成”或“基本上由…构成”描述的那些实施方案)是被隐含的。因此，例如，包含或包括超高分子量聚乙烯的光学元件的隐含替代实施方案包括光学元件由超高分子量聚乙烯构成的实施方案和光学元件基本上由超高分子量聚乙烯构成的实施方案。

Claims (15)

1.一种聚合物薄膜，所述聚合物薄膜包括：

聚乙烯，所述聚乙烯具有至少为约500,000g/mol的重均分子量，所述薄膜包括：

可见光谱内至少约80％的透明度；

小于约5％的体雾度；以及

至少约10GPa的面内弹性模量。

2.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚合物薄膜包括红外光谱内至少约80％的透明度。

3.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚合物薄膜包括射频频谱内至少约80％的透明度。

4.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚合物薄膜包括至少约0.5GPa的面内拉伸强度。

5.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述薄膜的面内导热系数是各向异性的。

6.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚合物薄膜包括至少约5W/mK的面内导热系数。

7.根据权利要求6所述的聚合物薄膜，其中，所述导热系数的面内各向异性为至少2：1。

8.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚合物薄膜包括至少约30％的结晶聚乙烯含量。

9.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚乙烯的密度小于约1.5g/cm³。

10.根据权利要求1所述的聚合物薄膜，其中，所述聚合物薄膜包括至少约5微米的厚度。

11.一种薄膜，所述薄膜包括：

结晶聚合物，所述结晶聚合物具有至少约500,000g/mol的重均分子量和结晶轴的优选面内取向，其中所述薄膜包括选自由以下构成的组中的至少两个属性(i-iv)：

(i)可见光谱内至少约80％的透明度；

(ii)小于约5％的体雾度；

(iii)至少约10Gpa的面内弹性模量；以及

(iv)至少约5W/mK的面内导热系数。

12.根据权利要求11所述的薄膜，其中，所述薄膜包括所述属性(i-iv)中的至少三个。

13.根据权利要求11、以及以下任一项所述的薄膜：

a)包括至少约30％的结晶聚合物含量；或

b)其中所述结晶聚合物的密度小于约1.5g/cm³；或

c)其中所述结晶聚合物包括聚乙烯。

14.一种光学元件，所述光学元件包括：

基板；以及

第一各向异性聚合物薄膜，所述第一各向异性聚合物薄膜层压至所述基板的第一主表面，其中，所述第一各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，并且包括：

可见光谱内至少约80％的透明度；

小于约5％的体雾度；以及

至少约10GPa的面内弹性模量。

15.根据权利要求14、以及以下任一项所述的光学元件：

a)包括第二各向异性聚合物薄膜，该第二各向异性聚合物薄膜层压至所述第一各向异性聚合物薄膜，其中，所述第二各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，使得所述第一各向异性聚合物薄膜和所述第二各向异性聚合物薄膜的所述结晶轴以角度(θ)在面内旋转地错向，其中0<θ≤90°，并且所述第二各向异性聚合物薄膜包括：

可见光谱内至少约80％的透明度；

小于约5％的体雾度；以及

至少约10Gpa的面内弹性模量，在这种情况下，可选地，其中所述第一各向异性聚合物薄膜和所述第二各向异性聚合物薄膜形成聚合物双层，并且所述聚合物双层包括：

可见光谱内至少约80％的透明度；

小于约5％的体雾度；以及

至少约10Gpa的面内弹性模量；或者

b)包括第三各向异性聚合物薄膜，所述第三各向异性聚合物薄膜层压至所述基板的第二主表面，其中，所述第三各向异性聚合物薄膜包括结晶轴的优选面内取向，并且包括：

可见光谱内至少约80％的透明度；小于约5％的体雾度；至少约10Gpa的面内弹性模量；以及

至少约5W/mK的面内导热系数；或者

c)其中所述基板包括透镜，并且所述第一主表面包括所述透镜的眼侧表面。