CN1189127A - 金属镀膜多层结构反射镜 - Google Patents

Abstract

一种具有高反射率和高镜面反射质量的金属镀层反光镜。反光镜包括:多层聚合物薄膜(10)和反射金属层。多层聚合物薄膜包括晶体、半晶体或液晶材料,平均层厚不超过0.5微米;以及平均层厚不超过0.5微米的第二层(14)。反射金属层包含选自铝、银、金、铜、镍和钽的金属。金属镀层多层反光镜适用于要求宽带反射、高镜面反射质量、低成本和高反射率的场合。

Description

金属镀膜多层结构反射镜

发明领域

本发明涉及例如用于反光镜的光学薄膜，它们与反射金属层组合形成宽光谱、高反射率的高镜面反射级反光镜。

背景技术

基于多层聚合物层的反光器件对于本领域内普通技术人员来说并不陌生。这种器件例如包括由折射率各异的聚合物层交替构成的偏振器。由光滑、反射金属面形成的反光镜对于本领域内普通技术人员来说也并不陌生。

发明内容

对于这里所述的双折射光学薄膜，从光学性质和设计角度出发，可以考虑在聚合物层界面处具有非常大的Brewster角(p偏振光反射分量为零时的角度)或者不存在Brewster角的多层叠层结构。这使得多层反光镜结构的p偏振光反射率随入射角缓慢减小，与入射角无关或者随入射角偏离法线而增大。由此可以使多层薄膜在较宽光谱范围内具有较高的反射率(如果是反光镜，则针对任意入射方向上的s和p偏振光而言)。这些多层薄膜与诸如银、铝之类的反射金属层组合起来，提供了具有高反射率和高镜面反射级的反光镜。

简而言之，本发明包括平均层厚不超过0.5微米的多层聚合物薄膜。具体而言，本发明其中一个方面是，多层聚合物薄膜包括：双折射聚合物层，特别是由诸如萘二甲酸聚酯之类的晶体、半晶体或者液晶材料构成，例如2，6-聚乙烯萘(“PEN”)或由乙二醇、萘二甲酸以及其它一些诸如对酞酸盐之类的酸聚合而成的共聚物(“coPEN”)，双折射聚合物层的平均层厚不超过0.5微米，比较好的是双折射聚合物层具有正应力光学系数，即在拉伸时，拉伸方向上的折射率增大；以及经过挑选的第二聚合物层，例如由聚对苯二甲酸乙酯(“PET”)或coPEN构成，第二聚合物层的平均厚度不超过0.5微米。比较好的是在沿至少一个方向拉伸这些多层聚合物薄膜之后，所述萘二甲酸聚酯层至少在一个平面内轴方向上具有大于第二聚合物层的折射率。

本发明另一个方面是，多层聚合物薄膜包括：双折射聚合物层，特别是由晶体、半晶体或者液晶材料构成，例如PET聚合物之类的聚酯，双折射聚合物层的平均层厚不超过0.5微米；以及经过挑选的第二聚合物层，例如聚酯或聚乙烯，第二聚合物层的平均厚度不超过0.5微米；其中所述薄膜至少在一个方向上被拉伸至未拉伸状态时两倍的长度。

本发明所用的多层聚合物薄膜与反射金属层(比较好的是银和铝)组合起来以提供高反射率和高镜面反射级的反光镜。反射金属层可以利用诸如真空淀积、阴极溅射等常规手段淀积在多层聚合物薄膜上，或者可以是金属化聚合物，或例如通过合适的透明粘结剂层叠在多层聚合物薄膜上的玻璃片或金属片。最终得到的金属镀膜多层结构反射镜与单独的多层聚合物薄膜或者反射金属相比，具有更高的反射率，与已知的多层聚合物薄膜相比具有更好的彩色均匀度，并且提供了所需的制造灵活度。

附图的简要说明

以下将借助附图对本发明作进一步的解释。

图1a和1b为本发明偏振器的简图。

图2示出了形成单个界面的两层叠层薄膜。

图3-8示出了实例1-4中给出的多层反光镜的光学性能。

图9-11示出了实例5-7中给出的多层偏振器的光学性能。

图12示出了实例8中给出的多层反光镜的光学性能。

图13示出了实例9中给出的多层偏振器的光学性能。

图14示出了实例10中给出的金属镀膜多层反光镜的光学性能。

图15示出了实例12中给出的金属镀膜多层反光镜的光学性能。

实施发明的较佳方式

图1a和1b所示的本发明包括这里又称为多层叠层的多层聚合物薄膜10，它是至少两种材料12和14交替叠加形成的层组。比较好的做法是，至少一种材料具有应力诱发双折射性质，从而使材料的折射率(n)受拉伸过程影响。图1a示出了拉伸过程之前的多层叠层，这时两种材料的折射率相同。光线13通过了折射率变化相对很小的叠层。在图1b中，该叠层受到拉伸，因此在拉伸方向上材料12的折射增大。每个层与层之间边界处折射率的差异将导致光线15的一部分发生反射。通过沿单轴或双轴方向拉伸多层叠层，对于不同方向的平面偏振入射光薄膜具有一定范围的反射率。因此多层叠层可以用作反射偏振器或反光镜。如果是沿双轴方向拉伸，薄片可以沿正交轴非对称或对称拉伸以得到所需的偏振和反射性质。

在共同待批并且已经转让的1995年3月10日提及的美国专利申请08/402,041中对多层叠层的光线性质和设计思路作了最充分的阐述，因此这项申请作为参考文献被包含在本发明中。用一句话来概括，该申请描述的多层叠层结构，它在聚合物层界面处的Brewster角(反射分量为零时的角度)非常大或者不存在。这使得多层反光镜和偏振器结构的p偏振光反射率随入射角缓慢减小，与入射角无关或者随入射角偏离法线而增大。由此可以使多层薄膜在较宽光谱范围和较宽角度范围内对s和p偏振光具有较高的反射率。

图2示出了多层叠层其中两层，并标出了每层三个方向上的折射率。层102的折射率为n1x，n1y和nlz，而层104的折射率为n2x，n2y和n2z。每层薄膜层相互之间的折射率同它与薄膜叠层中其它层的折射率之间的关系决定了在任意方向的任意入射角下多层叠层的反射方式。美国专利申请08/402,041中所述原理和设计思路可以用于设计满足各种应用场合下所需光的效应的多层叠层。通过精心设计和调整多层叠层中层组的折射率，可以制造出具有所需光学性质的器件。许多有用的器件，例如在宽光谱范围内性能出色的反光镜和偏振器都可以按照所述的原理设计和制造。

再次参见图1，多层叠层10可以包括数量从几十到几千不等的层，每层可以由任意不同的材料构成。确定某一叠层选用材料的依据是叠层所要达到的光学性能。叠层包含的材料数量最多可以与叠层的层数一致。为了便于制造，比较好的做法是光学薄膜叠层仅仅包含几种不同的材料。为了使光学吸收最小，比较好的多层叠层应确保叠层吸收最强的波长是叠层反射的第一波长。对于大多数透明的光学材料(包括大多数聚合物)而言，吸收朝可见光谱的蓝光一端增加。因此比较好的做法是设计或“调谐”多层叠层使“蓝光”层位于多层叠层的入射光一侧。

材料之间，或者说是物理性质不同而化学性质相似的材料之间的边界可以是陡然变化或者渐进变化的。除了一些简单情况有解析解以外，后一类型的折射率连续变化分层介质在分析时被处理为边界陡变但相邻层之间性质变化较小的大量均匀薄层组。

比较好的多层叠层由低/高折射率对的薄膜层构成，每个低/高折射率对层的组合光学厚度是设计得反射带中心波长的1/2。这种薄膜叠层通常被称为四分之一叠层。比较好的做法是，层组的厚度为1/4波长而每组层组设计成反射不同的波长。每层的厚度不必精确地等于1/4波长。基本的要求是相邻的低/高折射率薄膜对的总光学厚度等于0.5个波长。

如上所述，用于本发明的多层聚合物薄膜包括：可以用任意数量的不同材料制成的层，包括化学性质相同而物理性质不同的材料，它们的平均厚度不超过0.5微米。比较好的做法是，多层聚合物薄膜由诸如萘二甲酸聚酯之类的晶体、半晶体或者液晶聚合物层构成，具有正应力光学系数，即在拉伸时沿拉伸方向上的折射率增大；以及经过挑选的第二聚合物层。在沿至少一个方向拉伸这种多层聚合物薄膜之后，萘二甲酸聚酯层比较好的是在至少一个平面轴方向上具有比第二聚合物层更大的折射率。特别好的做法是，半晶体萘二甲酸聚酯包括例如2，6-聚乙烯萘(“PEN”)或由乙二醇、萘二甲酸以及其它一些诸如对酞酸盐之类的酸聚合而成的共聚物(“coPEN”)。特别好的做法是，经过挑选的第二聚合物包括例如聚对苯二甲酸乙酯(“PET”)或coPEN。

多层聚合物薄膜也可以由下列材料构成：双折射聚合物层，特别是晶体、半晶体或液晶材料作为双折射聚合物，例如诸如PET之类的半晶体聚酯；以及平均层厚不超过0.5微米的第二所选聚合物。该薄膜沿至少一个方向拉伸以使所述薄膜至少在该方向上被拉伸至未拉伸状态时两倍的长度。

当用于本发明的多层聚合物薄膜包括半晶体萘二甲酸聚酯时，比较好的是使不同平面内轴方向上的折射率差值至少为0.05，更好的是大于0.20。由于PEN具有较高的正光学系数并且在拉伸之后能永久保持双折射性质，所以它是比较好的材料，当偏振面平行于拉伸方向时，对于550纳米偏振入射光而言，折射率从1.64左右增加到1.9左右。通过增加分子取向可以提高双折射性能(折射率的差值)。虽然PEN在上面的论述中被认为是用作双折射层较佳的聚合物，但是聚丁烯萘以及其它晶体或半晶体萘二甲酸聚酯也是合适的材料。

用来制造多层叠层的聚合物比较好的具有相似的熔融黏度以获得均匀的多层其挤压。当采用两种不同的聚合物时，比较好的做法是，在典型的共挤压剪切速率下，两种聚合物的熔融黏度在5倍以内。比较好的做法是，尽管本发明中多层薄片经过挑选的聚合物层是分立的，但是它们相互之间的黏性较好。本发明中所用聚合物的玻璃相变温度避免了不利效应的产生，例如其中一组聚合物层在拉伸期间开裂。对于以沿偏振方向反射为主的反光镜而言，选择的较佳聚合物层的折射率是各向同性的并且基本上与平行图1a所示横轴的其它层的折射率一致。沿该方向的平面偏振光主要透射过偏振器而沿取向方向的平面偏振光将如图1b所示反射。

为了制造反光镜，两个单轴拉伸的偏振器定位在各自旋转90度的取向轴上，或者薄片10(图1b)沿双轴方向拉伸。在后一种情况下，由PEN制成的层薄片在其所在平面内的折射率增大并且所选的聚合物折射率应该尽可能低得以反射两个偏振平面的光线。沿双轴拉伸多层薄片将导致结合层平行于两根轴的平面内的折射率产生差异，从而使两个偏振平面方向上的光线反射。拉伸后，与横轴相关联的结合层的折射率之差应该小于0.1，比较好的是小于0.05。

如果是反光镜，则每条偏振光和入射平面所需的平均透射率取决于反光镜的用途。，如果是可见光谱内100纳米带宽的窄带反光镜，对于垂直入射情况，每个拉伸方向上的平均透射率需要小于30％左右，比较好的小于20％左右，而最好是小于10％左右。对于半反光镜而言，在垂直入射情况下每个拉伸方向上所需的平均透射率介于10％-50％左右，并且根据特定的用途覆盖任意范围的波长，例如100纳米-450纳米之间。对于高效反光镜，就可见光谱(380-750nm)而言，在垂直入射情况下每个拉伸方向上所需的平均透射率为10％左右，比较好的小于5％左右，最好是小于2％左右，甚至小于1％左右。此外，某些应用可能需要非对称反光镜。在这种情况下，如果光谱范围例如为可见光谱(380-750nm)或者超过可见光谱延伸至近红外(例如380-859nm)，则沿其中一个拉伸方向的平均透射率需要小于例如50％，而沿另一个拉伸方向的平均透射率需要小于例如20％。

如果需要，可以将本发明的两块或多块薄片结合在一起形成组合件以提高反射率、光学带宽或者上述二者，或者构成双偏振器反光镜。如果薄片内部层对的光学厚度基本上相等，则与单独的薄片相比，组合件的效率有一定程度的提高，但是带宽和反射光谱范围基本相同。如果薄片内部层对的光学厚度不等，则与单独的薄片相比，组合件的带宽更宽。带偏振器的组合反光镜可以在使透射光偏振的同时提高总的反射率。另一种替换的做法是将单块薄片沿双轴方向不对称地拉伸以制成具有所选择的反光和偏振性质的薄膜。

用于双轴拉伸反光镜的所选较佳聚合物基于对苯二甲酸、间苯二甲酸、皮脂酸、壬二酸或环己酮二甲酸以在保持与例如PEN制成的层所需黏性的同时达到尽可能低的折射率。不要求所选聚合物为共聚酯或共聚碳酸盐。比较好的做法是，所选聚合物的折射率小于1.65左右而更好的做法是折射率小于1.55左右。

多层反射偏振器可以设计成在较大范围的入射角下，对于平行某轴的平面偏振光具有较高的反射率，而同时对于平行另一轴的平面偏振光具有较低的反射率和较高的透射率。通过控制每一薄膜的三个折射率nx，ny和nz，可以获得所需的偏振方式。

对于许多应用而言，在所有入射角下，理想的反射偏振器沿其中一根轴(所谓的消光轴)的反射率较高而沿另一轴(所谓的透射轴)的反射率为零。偏振器的透射轴一般要求在所需光谱范围内和所需入射角下沿透射轴透过的光线最多。100纳米带宽的窄带偏振器在垂直入射情况下的平均透射率需要至少为50％左右，比较好的是至少为70％，而更好的是至少在90％左右。100纳米带宽的窄带偏振器在偏离法线60度入射情况下的平均透射率需要至少为50％左右，比较好的是至少为70％，而更好的是至少在80％左右。

对于覆盖大部分可见光谱范围(300nm带宽，光谱范围为400-700nm)情况，如果是垂直入射，平均透射率需要至少为50％左右，比较好的是至少为70％，而更好的是至少在85％左右，甚至最好为在90％左右。400-700纳米的偏振器在偏离法线60度入射情况下的平均透射率(沿透射轴方向测量)需要至少为50％左右，比较好的是至少为70％，而更好的是至少在80％左右，特别好的是至少为90％左右。

对于某些应用，比较好的是在偏离法线一定角度的透射轴方向上具有较高的反射率。沿透射轴方向的偏振光平均透射率应该至少在偏离法线20度的范围内不超过20％。

本发明选用于偏振器的较佳聚合物是范围介于20摩尔百分比-80摩尔百分比的萘二甲酸或酯(例如萘二甲酯)和范围介于20摩尔百分比-80摩尔百分比间苯二甲酸或对苯二甲酸及其酯(例如对苯二甲酸酯)与乙二醇反应的共聚酯产物。其它属于本发明范围内的共聚酯也具有上述性质并且横轴上的折射率大约为1.59-1.69之间。

如果沿透射轴有反射，则可能会抑制偏振器在偏离法线的角度下的反射效果。如果沿透射轴方向上的反射率随波长而变化，则在透射光中会引入彩色。一种测量颜色的方法是确定在一定波长范围内和所需角度下透射率的均方根(RMS)值。％RMS颜色C_RMS可以按照下式确定： $C_{\mathrm{RMS}}=\frac{\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}{\left({(T-\stackrel{\‾}{T})}^2\right)}^{1/2}\mathrm{d\λ}}{\stackrel{\‾}{T}}$

这里的λ1和λ2为感兴趣的波长范围或带宽，T为透射轴方向上的透射率，而T为感兴趣的波长范围内透射轴方向上的平均透射率。

对于低颜色偏振器的应用来说，至少在偏离法线30度范围内，比较好的是在偏离法线45度的范围内，最好是在偏离法线60度的范围内，％RMS颜色应该小于10％左右，比较好的是小于8％左右，更好的是小于3.5％左右，特别好的是小于2.1％左右。

比较好的做法是，反射偏振器的设计将特定应用中感兴趣带宽范围内所需的透射轴方向％RMS颜色与消光轴方向上所需反射率大小结合起来考虑。例如，对于带宽为100nm左右的窄带偏振器，法线入射情况下消光轴方向上的平均透射率应小于50％左右，比较好的是小于30％左右，更好的小于10％左右，而特别好的是小于3％左右。对于带宽落在可见光范围(400-700nm或者300nm带宽)内的偏振器来说，法线入射情况下消光轴方向上的平均透射率应小于40％左右，比较好的是小于25％左右，再好是小于15％左右，更好的小于5％左右，而特别好的是小于3％左右。

材料的选取和处理

在上面美国专利申请08/402,041所述的设计考虑下，本领域内的普通技术人员将发觉大量的材料经过一定条件下的处理后，只要满足一定的折射率关系就可以用来构成按照本发明的多层反光镜或偏振器。可以通过各种途径实现所需的折射率关系，包括在薄膜形成期间或之后拉伸(例如有机聚合物的情况)，挤压(例如液晶材料的情况)或镀膜。此外，比较好的做法是使两种材料的流变性质相同从而可以共挤压。

通常情况下，通过选择晶体、半晶体或液晶材料，比较好的是聚合物，作为第一材料来实现合适的组合。第二材料可以是晶体、半晶体或非晶体。在聚合物技术领域内，通常应该将聚合物理解为不完整的晶体，因此在本发明的上下文中，晶体或半晶体聚合物指的是那些非晶体以外的聚合物并且包括统称为晶体、部分晶体、半晶体等的材料。第二材料可以是双折射性质的或者与第一材料一样。或者说第二材料也可以不是双折射性质的。

合适的材料的具体例子包括聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)及其异构体(如2，6-、1，4-、1，5、2，7-和2，3-PEN)、聚对苯二甲酸亚烷基酯(如：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸1，4-环己烷二甲酯)、聚酰亚胺类(如聚丙烯酰亚胺)、聚醚酰亚胺(polyetherimides)、无规立构的聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯(如聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸乙酯和聚甲基丙烯酸甲酯)、聚丙烯酸酯(如聚丙烯酸丁酯和聚丙烯酸甲酯)、间同立构的聚苯乙烯(sPS)、间同立构的聚α-甲基苯乙烯、间同立构的聚二氯苯乙烯、任任一种这类聚苯乙烯的共聚物和共混物、纤维素衍生物(如：乙基纤维素、乙酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素和硝酸纤维素)、聚亚烷基聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯和聚(4-甲基)戊烯)、含氟聚合物(如：全氟烷氧基树脂、聚四氟乙烯、含氟乙烯-丙烯共聚物、聚偏氟乙烯和聚三氟氯乙烯)、含氯聚合物(如：聚偏氯乙烯和聚氯乙烯)、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、硅氧烷树脂、环氧树脂、聚乙酸乙烯酯(polyvinylacetate)、聚醚-酰胺、含离子键的树脂、高弹体(如：聚丁二烯、聚异戊二烯和氯丁橡胶)以及聚氨酯。共聚物也是合适的，如：PEN的共聚物(如：2，6-、1，4-、1，5-、2，7-和/或2，3-萘二甲酸或其酯与以下物质的共聚物：(a)对苯二甲酸或其酯；(b)间苯二甲酸或其酯；(c)邻苯二甲酸或其酯；(d)烷烃二醇类；(e)环烷烃二醇类(如：环己烷二甲醇)；(f)烷烃二羧酸；和/或(g)环烷烃二羧酸(如：环己烷二羧酸))、聚对苯二甲酸亚烷基酯的共聚物(如对苯甲酸或其酯与以下物质的共聚物：(a)萘二甲酸或其酯；(b)间苯二酸或其酯；(c)邻苯二酸或其酯；(d)烷烃二醇；(e)环烷烃二醇(如：环己烷二甲醇)；(f)烷烃二羧酸；和/或(g)环烷烃二羧酸(如：环己烷二羧酸)以及苯乙烯共聚物(如苯乙烯-丁二烯共聚物和苯乙烯-丙烯腈共聚物)、4，4’-联苯甲酸和1，2-乙二醇。另外，各层可以包括两种或多种上述聚合物或共聚物的共混物(如：SPS和无规立构的聚苯乙烯的共混物)。所述的coPEN也可以是丸粒的混合物，其中，至少一种组分是以萘二甲酸为基的聚合物，其它组分为其它聚酯或聚碳酸酯，如PET、PEN或coPEN。

如果是偏振器，则特别好的层组合包括PEN/coPEN、聚对苯二甲酸乙酯(PET)/coPEN、PEN/sPS、PET/sPS、PEN/Easter和PET/Eastar，这里“coPEN”称为共聚物或基于对苯二甲酸的混合物，Estar是购自Eastman化学公司的聚环己烷二甲脂对苯二酸。

如果是反射镜，则特别好的层组合包括PET/Ecdel，PEN/Ccdel，PEN/sPS，PEN/THV，PEN/coPETt PET/sPS，其中“coPET”称为共聚物或基于对苯二甲酸的混合物，“Ecdel”为购自Eastman化学公司的热塑聚酯，而“THV”为购自3M公司的荧光聚合物。

考虑到薄膜厚度、灵活性和成本的原因，只要能满足所需的光学性质，器件内的层数应选定得尽可能地少。如果同时是偏振器和反光镜，则层数比较好的是小于10,000左右，更好的是小于5,000左右，而特别好的是小于2,000左右。

如上所述，能否实现各折射率之间所需的关系(因此也是多层器件的光学性质)受到制备多层器件的工艺条件的影响。如果是可以通过拉伸定向的有机聚合物，则一般通过共挤压各聚合物以形成多层薄膜并经过选定温度下的拉伸定出薄膜的方向，随后在选定温度下热定型的步骤来制备器件。另一种替换的方法是，挤压和定向步骤同时进行。如果是偏振器，则薄膜基本上沿一个方向(单轴方向)拉伸，而如果是反光镜，则薄膜基本上沿两个方向(双轴方向)拉伸。

薄膜可以沿交叉拉伸方向从交叉拉伸中的自然缩减状态(等于拉伸比率的平方根)放松至强制状态(即在交叉拉伸尺度上基本不变)。薄膜可以沿机械加工方向拉伸。

经过选定拉伸前温度、拉伸温度、拉伸速率、拉伸比率、热定型温度、热定型时间、热定型松弛以及交叉拉伸松弛可以使多层器件具有所需的折射率关系。这些变量是相互依赖的；因此例如如果拉伸温度相对较低，则拉伸速率也相对较低。对于本领域内普通技术人员来说，选择合适的变量组合以获得所需的多层器件是轻而易举的事情。但是，通常情况下，拉伸比率在拉伸方向上为1∶2-1∶10左右(更好的是在1∶3-1∶7左右)并且在垂直于拉伸方向上为1∶0.2-1∶10左右(比较好的是从1∶0.2-1∶7左右)。

合适的多层器件也可以利用诸如用于双折射聚酰胺的自旋镀膜之类的技术(例如参见Boese等人的发表在J.Polym.Sci.：PartB，30：1321(1992)上的文章)和用于晶体有机化合物的真空淀积技术(例如参见Zang等人发表在Appl.Phys.Letters，59：823(1991)上的文章)制备；后一技术对于某些晶体有机化合物与无机材料的组合特别有用。

反光金属层

上述多层聚合物薄膜与反光金属层结合起来提供的金属镀膜多层反光镜比单独的多层聚合物薄膜或反射金属具有更高的反射率，比已知的基于聚合物的多层反光镜具有更高的色均匀度，并且有所需的制造灵活性。

本发明中所用的反射金属具有高镜面反射质量的光滑、反射金属表面。虽然比较好的金属包括银、金、铝、铜、镍和钽，但是可以采用任何反射金属。银和铝特别适合。

利用本领域内普通技术人员熟知的常规镀膜工艺可以将反射金属层镀在多层聚合物薄膜上。这些已知的工艺过程包括高温分解、粉末镀层、蒸发淀积、阴极溅射、离子注入等。从所能得到的结构和厚度均匀性的角度出发，比较好的通常是阴极溅射和蒸发淀积。另一种可行的做法是反射金属为分离的金属薄片，例如金属箔片或金属化聚合物或玻璃薄片，它们借助适当的黏合剂(例如诸如Ohio的Shell化学公司生产的VITEL 3300之类的热融黏合剂或者3M公司生产的90/10IOA/AA或95/5 IOA/丙烯酸PSA之类的压敏黏合剂)层叠在多层聚合物薄膜上。

镀在多层聚合物薄膜上从而形成本发明的金属镀膜多层反光镜的反射金属或金属化层的厚度可以根据需要选定以满足所需的反射率。通过调节特定金属的金属层厚度，可以使反射层在所需的带宽范围内提供所需的反射率。反射金属层必须足够厚以反射所需数量的可见光，虽然在典型的制造过程中，所有下述金属的镀膜厚度为50纳米-100纳米左右，但是比较好的做法是，反射金属层由银或金构成时其厚度至少为75纳米-100纳米左右，由铝、镍和钽构成时其厚度至少为20纳米-30纳米左右。不管反射金属层作为镀层还是分离的金属化薄片，它们这些厚度范围都是合适的。

由于本发明的金属镀膜多层反光镜在较宽的带宽内具有较高的镜面反射质量和较高反射率，所以实现了所需的光学性能。比较好的做法是，本发明的反光镜在可见光谱范围内具有90％以上的反射率，比较好的是95％以上，最好的是99％以上。

本发明的金属镀膜多层反光镜可以层叠在刚性支承件上，典型的是铝或钢薄片金属，本领域内的普通技术人员有能力充分地利用它们。随后刚性支承件可以被弯曲和制成适当的光学结构的形状和大小。另一种替代的做法是，金属支承件可以是本发明的金属镀膜多层反光镜内的金属层。对于利用多重反射的应用场合，镜面反射是很重要的。支承件的表面平滑度影响着镜面反射的质量，表面加工的费用越高，产生的镜面反射的质量也越高。

当支承方式如此时，本发明的金属镀膜多层反光镜可以用于光线以高镜面反射质量改变方向的应用场合。将反射金属层与反射可见光的多层聚合物薄膜组合起来所构成的本发明的金属镀膜多层反光镜减少了因边缘带化和带中心缺漏产生的彩色数量。因此本发明的反光镜可用于需要宽带反射、高镜面反射、低制造成本和高反射率的应用场合。实例包括太阳能反射镜、光通管道、荧光反射镜、液晶显示器、计算机显示器、标志背光和反光薄片中所用的背光反射镜。虽然每种应用都有自己独有的要求，但是它们都有赖于高效和高质量的镜面反射。对于本领域内普通技术人员来说，那些需要高镜面反射质量的应用对他们是显而易见的，例如需要反射大量光线的应用。

为了更完整和清楚地理解本发明，从而使本领域内的普通技术人员能够更好地理解如何实施本发明的方法，以下将借助实例来描述本发明。这些实例只是示意性质的而不应视为对本发明和权利要求的限定。

实例1(PET：Ecdel.601.反光镜)

包含601层的共挤压薄膜经共挤压处理在流水平膜制作线上制作。本征黏度为0.6dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PET)由挤压机以75磅/小时的速度释放出来而Ecdel9966(一种购自Eastman化学公司的热塑弹性体)由另一挤压机以65磅/小时的速度释放出来。PET位于表层。块输运方法(例如参见美国专利3,801,429)被用来形成151层，这151层通过两台倍增器制造出601层挤压物。美国专利3,565,985描述了示意性的共挤压倍增器。薄片长度方向上的提拉比率为3.6左右，薄片温度在210°F左右。薄膜随后预热50秒到达235°F左右并以6％/秒的速度横向提拉4.0左右的比率。薄膜接着在400°F的热定形炉子内松弛，其幅度为最大宽度的5％左右。成品薄膜的厚度为2.5mil。

所制造的片料在空气一侧的纹理较粗糙，并且假定透射率如图3所示。  60度角入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的％透射率(曲线b)与法线入射下的情形(曲线a)相似(有一定的波长偏移)。

为比较起见，由Mearl股份公司制造的薄膜(假定其相对而言为各向同性材料(参见图4))在60度角入射下p偏振光的反射率有显著的损失(曲线b与法线入射下的曲线a比较)。

实例2(PET：Ecdel.151.反光镜)

包含151层的共挤压薄膜经共挤压处理在流水平膜制作线上制作。本征黏度为0.6dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PET)由挤压机以75磅/小时的速度释放出来而Ecdel9966(一种购自Eastman化学公司的热塑弹性体)由另一挤压机以65磅/小时的速度释放出来。PET位于表层。块输运方法被用来形成151层。薄片长度方向上的提拉比率为3.5左右，薄片温度在210°F左右。薄膜随后预热12秒到达215°F左右并以25％/秒的速度横向提拉4.0左右的比率。薄膜接着在400°F的热定形炉子内松弛6秒左右，其幅度为最大宽度的5％左右。成品薄膜的厚度为0.6mil。

图5示出了该薄膜的透射率。60度角入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的％透射率(曲线b)与法线入射下的情形(曲线a)相似(有一定的波长偏移)。在相同的挤压条件下，降低薄片速度以制造厚度为0.8mil左右的红外反射薄膜。图6示出了透射率(曲线a为法线入射而曲线b为60度角入射)。

实例3(PEN：Ecdel.225.反光镜)

包含255层的共挤压薄膜在实验室薄膜拉伸装置上的挤压薄片和定向处理制作。本征黏度为0.5dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PEN)由挤压机以18磅/小时的速度释放出来而Ecdel 9966(一种购自Eastman化学公司的热塑弹性体)由另一挤压机以17磅/小时的速度释放出来。PEN位于表层。块输运方法被用来形成157层，这157层通过两台倍增器制造出225层挤压物。片料的厚度为12mil而宽度为12英寸。随后利用实验室拉伸装置对薄片作双轴定向，该实验室拉伸装置采用缩放仪扣住薄膜正方形区域并同时沿两个方向以均匀的速度拉伸。7.46平方厘米的薄片被装入100℃左右的拉伸机内并加热60秒至130℃。随后以100％/秒的速度开始拉伸直到样品拉伸至3.5×3.5左右。在拉伸样品之后立即用室温空气吹拂来冷却。

图7示出了该多层薄膜的光学响应(曲线a为法线入射而曲线b为60度角入射)。该薄膜的透射率在60度角入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的％透射率与法线入射下的情形相似(有一定的波长偏移)。

实例4(PEN：THV.449.反光镜)

包含449层的共挤压薄膜在实验室薄膜拉伸装置上的挤压薄片和随后的定向处理制作。本征黏度为0.53dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PEN)由挤压机以56磅/小时的速度释放出来而THV 500(一种购自3M公司的荧光聚合物)由另一挤压机以11磅/小时的速度释放出来。PEN位于表层并且50％的PEN位于两个表层内。块输运方法被用来形成57层，这57层通过三台倍增器制造出449层挤压物。片料的厚度为20mil而宽度为12英寸。随后利用实验室拉伸装置对薄片作双轴定向薄片，该实验室拉伸装置采用缩放仪扣住薄膜正方形区域并同时沿两个方向以均匀的速度拉伸。7.46平方厘米的薄片被装入100℃左右的拉伸机内并加热60秒至140℃。随后以10％/秒的速度开始拉伸直到样品拉伸至3.5×3.5左右。在拉伸样品之后立即用室温空气吹拂来冷却。

图8示出了该多层薄膜的光学响应。曲线a为法线入射时的响应，而曲线b为60度角入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的响应。

实例5(PEN：coPEN.601--强彩色偏振器)

包含601层的共挤压薄膜通过在与其它实例不同的拉幅机上挤压薄片和两天后定向处理薄膜而制作出来。本征黏度为0.5dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PEN)由挤压机以75磅/小时的速度释放出来而本征黏度为0.55dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的coPEN(70mol％的2，6 NDC[苯二甲酸乙酯的甲酯]和30mol％的DMT[对苯二甲酸乙酯])由另一挤压机以65磅/小时的速度释放出来。块输运方法被用来形成151层，并且设计成形成对PEN和coPEN而言厚度比为1.22的梯度分布。PEN表层被共挤压在光学叠层的外侧，总厚度为挤压层的8％左右。光学叠层通过两台倍增器制造出601层挤压物。美国专利3,565,985描述了类似的共挤压倍增器。所有的拉伸都在拉幅机上完成。薄膜预热20秒至280°F并沿横向以6％/秒左右的速率提拉4.4左右的比率。薄膜接着在460°F的热定形炉子内松弛，其幅度为最大宽度的2％左右。成品薄膜的厚度为1.8mil。

图9示出了薄膜的透射率。曲线a示出了法线入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线b示出了60度入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线c示出了法线入射下沿拉伸方向偏振的p偏振光的透射率。值得注意的是，在法线和60度入射下p偏振光透射率的不均匀性。曲线a在400-700纳米范围内的平均透射率为84.1％，而曲线b在400-700纳米范围内的平均透射率为68.2％。曲线c的平均透射率为9.1％，曲线a的％RMS彩色为1.4％，而曲线b的％RMS彩色为11.2％。

实例6(PEN：coPEN.601.偏振器)

包含601层的共挤压薄膜在流水线平膜制造线上经过共挤压处理制造出来。本征黏度为0.54 dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PEN)由挤压机以75磅/小时的速度释放出来而coPEN由另一挤压机以65磅/小时的速度释放出来。coPEN为70mol％的2，6萘二甲基聚酯、15％的间苯二甲酸和15％的对苯二甲酸以及乙二醇的共聚物。块输运方法被用来形成151层，并且设计成形成对PEN和coPEN而言厚度比为1.22的梯度分布。PEN表层被共挤压在光学叠层的外侧，总厚度为挤压层的8％左右。光学叠层通过两台串联的倍增器倍增。倍增器的额定倍增比率分别为1.2和1.27。薄膜预热40秒至310°F并沿横向以6％/秒左右的速率提拉5.0左右的比率。成品薄膜的厚度为2 mil。

图10示出了该多层薄膜的透射率。曲线a示出了法线入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线b示出了60度入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线c示出了法线入射下沿拉伸方向偏振的p偏振光的透射率。值得注意的是，在法线和60度入射下p偏振光透射率非常高(80-100％)。值得注意的还有图c所示在可见光范围(400-700纳米)内沿拉伸方向偏振的光线具有非常高的消光。在500-650纳米之间的消光接近100％。实例7(PEN：sPS.48 1.偏振器)

481层的多层薄膜由购自Eastman化学公司的本征黏度为0.56dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PEN)和聚乙烯(sPS)同聚物(平均分子量＝200,000道尔顿，采样自Dow股份公司)制成。PEN位于外层上并且以26磅/小时的速度挤压而sPS以23磅/小时的速度挤压。所用的块输运方法制造出6l层，每61层的厚度都基本相同。在块输运之后，采用三个(2X)倍增器。在22磅/小时总速率下的最终倍增之后，加入包含同一PEN的等厚表层。薄片利用12”宽的模具挤压成0.011英寸(0.276毫米)左右的厚度。挤压温度为290℃。

该薄片在室温下存储9天并且随后在拉幅机上双轴定向。薄膜预热25秒至320°F(160℃)并沿横向以28％/秒左右的速率提拉6∶1左右的比率，拉伸方向上没有松弛。成品薄膜的厚度为0.0018英寸(0.046mm)。

图11示出了这种包含481层的PEN：sPS反射偏振器的光学性能。曲线a示出了法线入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线b示出了60度入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线c示出了法线入射下沿拉伸方向偏振的p偏振光的透射率。值得注意的是，在法线和60度入射下p偏振光的透射率非常高。曲线a在400-700纳米范围内的平均透射率为86.2％，而曲线b在400-700纳米范围内的平均透射率为79.7％。值得注意的还有图c所示在可见光范围(400-700纳米)内沿拉伸方向偏振的光线具有非常高的消光。薄膜在400-700纳米之间的平均透射率为1.6％。曲线a的％RMS彩色为3.2％，而曲线b的％RMS彩色为18.2％。实例8(PET：Ecdel.601.反光镜)

包含601层的共挤压薄膜在流水平膜制作线上经共挤压处理制作出来。本征黏度为0.6dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PET)以75磅/小时的速度释放至输运块而Ecdel9966(一种购自Eastman化学公司的热塑弹性体)由另一挤压机以60磅/小时的速度释放出来。PET位于表层。块输运方法被用来形成151层，这151层通过两台倍增器制造出601层挤压物。倍增器的额定倍增比率为1.2(靠近输运块)和1.27。两个表层以24磅/小时的总产量对称地加入最后一个倍增器与模具之间。表层由PET构成并且采用与输送到输运块相同的挤压机进行挤压。薄片长度方向上的提拉比率为3.3左右，薄片温度在205°F左右。薄膜随后预热35秒到达205°F左右并以9％/秒的速度横向提拉3.3左右的比率。薄膜接着在450°F的热定形炉子内松弛，其幅度为最大宽度的3％左右。成品薄膜的厚度为0.0027英寸。

薄膜的光学性能如图12所示。透射率为曲线a而反射率为曲线b。曲线b的光照反射率为91.5％。

实例9(PEN：PCTG.481.偏振器)

包含481层的共挤压薄膜在实验室薄膜拉伸装置上的挤压薄片和随后的定向处理制作。块输运方法与61层输运块和3个(2X)倍增器一起使用。厚的表层加入最后的倍增器与模具之间。本征黏度为0.47dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PEN)由挤压机以25磅/小时的速度送至输运块。PCTG(购自Eastman化学公司)由另一挤压机以25磅/小时的速度释放出来。PEN位于表层。来自上述挤压机的另一PEN流以25磅/小时的速度作为表层加入。片料的厚度为0.007英寸而宽度为12英寸。随后利用实验室拉伸装置对薄片作双轴定向薄片，该实验室拉伸装置采用缩放仪扣住薄膜正方形区域并同时沿两个方向以均匀的速度拉伸而其他方向可以自由松弛。5.4cm宽、7.46厘米长的薄片样品被装入缩放仪锁定装置内。薄片被装入100℃左右的拉伸机内并加热45秒至135℃。随后以20％/秒的速度开始拉伸直到样品拉伸至6∶1左右的比例。在拉伸样品之后立即用室温空气吹拂来冷却。在样品中心，薄膜松弛了2.0倍。

图13示出了该多层薄膜的透射率。曲线a示出了法线入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线b示出了60度入射下沿非拉伸方向偏振的p偏振光的透射率，曲线c示出了法线入射下沿拉伸方向偏振的p偏振光的透射率。

实例10(PET：Ecdel.151.镀银和镀铝反光镜)

包含15l层的共挤压薄膜在流水平膜制作线上经共挤压处理制作出来。本征黏度为0.6dl/g(60wt.％的苯酚/40wt.％的二氯苯)的聚对苯二甲酸乙酯(PET)以75磅/小时的速度释放至输运块而Ecdel9966(一种购自Eastman化学公司的热塑弹性体)由另一挤压机以60磅/小时的速度释放至输运块。块输运方法被用来形成151层，排出轮速为10英尺/分钟。表层为PET并且比内部成厚，表层是薄膜厚度的8％左右。薄片长度方向上的提拉比率为3.5左右，薄片温度在210°F左右。薄膜随后预热12秒到达212°F左右并以25％/秒的速度横向提拉4.0左右的比率。薄膜接着在400°F的热定形炉子内松弛6秒钟，其幅度为最大宽度的5％左右。成品薄膜的厚度为0.6mil。该多层聚合物薄膜的厚度选定为在可见光谱范围内是反射的。

该多层聚合物反射薄膜在连续的多腔室真空镀膜机内真空金属化。从钨丝加热的氧化铝坩埚内蒸发的铝镀在多层聚合物反射薄膜上。薄片速度为10英尺/分钟。镀铝层在550纳米处的透射率为0.5％而导电率为0.25mhos/sq。从钨丝加热的氧化铝坩埚内蒸发的银镀在第二多层聚合物反射薄膜上。薄片速度为10英尺/分钟。镀铝层在550纳米处的透射率为0.5％而导电率为0.26mhos/sq。这；两种薄膜都黏附在多层聚合物反射薄膜上，经过了ASTM剥离测试B571。此外，金属化之后，肉眼就可以看到与没有金属镀层的反光镜相比，反射性能得到显著提高。

随后用Perkin Elmerλ-9测量这些反射光谱。分析结果示于表1。R_lum是测量得到的样品反射率，它集积在上眼敏感的波长之外。主要波长是用CIE技术计算得到的样品颜色。色纯度是色的饱和度，0％代表白色而100％代表纯色。金属化之前的多层聚合物反射薄膜颜色强烈并且反射最弱。但用银或铝金属化之后，金属镀层的多层反光镜的反射率大于90％。两种反光镜的反射率高于用铝金属化的PET薄膜。金属镀层的多层反光镜的色纯度基本上小于未镀层的多层聚合物反射薄膜。

表  I

从衬底侧测得的金属镀层反光镜和PET衬底的综合反射率
				样  品	总Rlum	主波长	纯度
	(％)	(nm.)	(％)
				多层光学膜	70.1	572	53.7
镀银多层光学膜	97.9	568	1.8
				镀银PET	95.8	571	2.4
镀铝多层光学膜	90.9	533	3.3
				镀AlPET	82.1	493	0.1

表I所示的所有测量是在光入射到样品聚合物一侧下进行的。一般从金属一侧观察，PET薄膜上的铝镀层为4％以上的反射率而银薄膜为1％以上的反射率。相反，当从聚合物一侧观察时，金属镀层多层反光镜的反射更强。金属镀层多层反光镜的侧面-侧面差异在铝上比银更为明显。

图14为上述铝和银镀层多层反光镜的光谱。首先值得注意的是，由于利用更多的层数和四分之一波片反射镜更宽的分布可以实现更宽的反射带，所以这种特殊反光镜构造的优化工作量较小。此外，利用折射率变化较大的聚合物或者更多的层数可以在反射带内实现更强的反射。毫无疑问，光谱清楚地表明，反射金属镀层增强了可见光谱的反射。

实例11(PET：层叠在Al衬底上的薄膜Ecdel)

为了评价本发明的金属层叠多层反光镜，采用3M公司生产的丙烯酸压敏粘结剂将上述实例1所述的多层聚合物薄膜与共挤压在光学叠层外侧上的表层(厚度为共挤压层的14％)层叠在购自美洲铝业公司的Everbrite牌光照铝薄片。

这些多层薄膜、铝层和多层薄膜/铝叠层用Perkin Elmerλ-9测量光谱反射。表II示出了分析结果。R_lum是测量得到的样品反射率，它集积在人眼敏感的波长之外。主波长是用CIE技术计算得到的样品颜色。色纯度是色的饱和度，0％代表白色而100％代表纯色。作为表征镜面反射的反光镜光度利用袖珍光度镜面60镜面光度计测量。

表  II

Everbite铝衬底上金属化多层薄膜的综合反射率和颜色
					样  品	总Rlum	主波长	色纯度	镜光度
	(％)	(nm.)	(％)	(％)
					多层薄膜	87	572	32.3	79.5
Everbite铝	88	482	0.7	80.6
					多层/铝衬底	96	577	4.9	88.2

由上可见，多层/铝叠层的反射率明显大于单独的多层反光镜或Everite牌铝。

实例12(PET：Ecdel.镀银和镀铝反光镜)

为了评价多重反射应用中所用的本发明的金属镀层多层反光镜，采用3M公司生产的90/10IOA/AA丙烯酸压敏粘结剂将上述实例16所述的蒸发镀膜多层聚合物薄膜层叠在3105-H14铝薄片上。这种类型的铝便宜并且表面没有经过提高反射率的特别处理。它具有较强的散射，因此不适用于需要几何反射的应用。购自3M公司的标准SS95P Silverlux牌材料以同样的方式制备。

图15示出了层叠样品和未层叠铝片的光谱曲线。由上可见，镀银多层聚合物反光镜和Silverlux牌材料具有极其相似的反射率。表III示出了从图15所示光谱导出的数据。由此可见，反光镜的反射率没有受到层叠过程的不利影响。铝块的反射率只有72％，接近漫反射的一半。因此镀在该薄膜上的薄膜提高了反射率而降低了漫反射。本发明的反光镜与金属镀层的Silverlux相比，漫反射比较小，这是本发明反光镜另外一个优点。

表III

金属化多层膜、SS95P Sliverlux和Al衬底的综合反射率和颜色，所有样品都位于Al衬底上
					样  品	总Rlum	主波长	色纯度	漫反射
	(％)	(nm.)	(％)	(％)
					SS95P Silverlux	98.7	574	0.3	2.5
镀Al多层/Al衬底	92.6	566	3.3	0.5
					镀Ag多层/Al衬底	97.6	574	1.5	0.9
Al衬底3105-H14	72.3	574	2.2	31.6

虽然以上借助实施例对本发明作了阐述，但是这种阐述并不构成对本发明的限定。本发明的精神和实质范围由后面所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种金属镀层反光镜，其特征在于包括：多层聚合物薄膜，其平均层厚不超过0.5微米；以及包含反射材料的金属层。

2.一种金属镀层反光镜，其特征在于包括多层聚合物薄膜和金属层；

所述多层聚合物薄膜包括：

(A)平均层厚不超过0.5微米的双折射聚合物层；以及

(B)平均层厚不超过0.5微米的所选第二聚合物层；

以及包含反射材料的金属层。

3.一种金属镀层反光镜，其特征在于包括多层聚合物薄膜和金属层；

所述多层聚合物薄膜包括：

(A)平均层厚不超过0.5微米的双折射聚合物层；以及

(B)平均层厚不超过0.5微米的所选第二聚合物层；

其中所述薄膜至少沿一个方向拉伸至该方向未拉伸状态时长度的两倍；

以及包含反射材料的金属层。

4.如权利要求2或3所述的反光镜，其特征在于双折射聚合物为半晶体聚酯。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的反光镜，其特征在于反射金属选自铝、银、金、铜、镍和钽。

6.如权利要求5所述的反光镜，其特征在于所述金属为银并且银层的厚度至少为75纳米-100纳米左右。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的反光镜，其特征在于所述反射金属包括层叠在多层聚合物薄膜上的金属化聚合物或者玻璃片。

8.如权利要求1-6中任意一项所述的反光镜，其特征在于反射金属包括层叠在多层聚合物薄膜上的金属片。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的反光镜，其特征在于可见光反射率大于95％。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的反光镜，其特征在于所述薄膜至少沿两个方向拉伸。

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