DE60214370T2

DE60214370T2 - Doppelbrechender mehrschichtfilm für polarisationsstrahlenteiler

Info

Publication number: DE60214370T2
Application number: DE60214370T
Authority: DE
Inventors: Michael F. Saint Paul WEBER; Charles L. Saint Paul BRUZZONE; Peter D. Saint Paul CONDO; Kevin M. Saint Paul HAMER; Timothy J. Saint Paul HEBRINK; William W. Saint Paul MERRILL
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: JP2004530165A; AU2002258763A1; US20050001983A1; JP4327590B2; US6926410B2; KR20040020920A; WO2002101427A2; KR100899248B1; CN1524190A; US20030016334A1; ES2272710T3; DE60214370D1; EP1395858B1; US6609795B2; CN1280644C; EP1395858A2; ATE338285T1; WO2002101427A3

Description

Fachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polarisationsstrahlenteiler, der unter anderen Anwendungen in einem Projektionssystem nützlich ist. Insbesondere kombiniert der Polarisationsstrahlenteiler ein Prisma von einem relativ hohen Brechungsindex mit einem doppelbrechenden Film mit mehreren Schichten. Der Film mit mehreren Schichten fungiert als ein Polarisator und enthält mindestens zwei unterschiedliche Materialien, von denen mindestens eines nach einer einachsigen Ausrichtung eine Doppelbrechung aufweist. Der Mehrschichtfilm wird derart ausgewählt, dass er im nahen UV-Bereich und bei blauem Licht stabil ist.
Allgemeiner Stand der Technik
Für Projektionssysteme, welche Bildgeneratoren mit reflektierender Flüssigkristallanzeige (LCD) benutzen, bietet ein gefalteter Lichtweg, bei dem der beleuchtende Lichtstrahl und das projizierte Bild den gleichen physikalischen Raum zwischen einem Polarisationsstrahlensteiler (PBS) und einem Bildgenerator benutzen, eine kompakte Gestaltung. Die meisten reflektierenden LCD-Bildgeneratoren sind polarisationsdrehend, das heißt, polarisiertes Licht wird entweder mit seinem im Wesentlichen nicht modifizierten Polarisationszustand für den dunkelsten Zustand übertragen oder für seinen gedrehten Polarisationszustand übertragen, um eine gewünschte Grauskala bereitzustellen. Folglich wird ein polarisierter Lichtstrahl im Allgemeinen als der Eingabestrahl benutzt. Die Verwendung eines PBS bietet eine attraktive Gestaltung, da er fungieren kann, um den Eingabestrahl zu polarisieren und den Lichtweg zu falten.
Ein PBS ist eine optische Komponente, welche einfallende Lichtstrahlen in eine erste (übertragene) Polarisationskomponente und eine zweite (reflektierte) Polarisationskomponente aufteilt. Ein gebräuchlicher PBS ist der MacNeille-Polarisator, der zwischen s- und p-polarisiertem Licht unterscheidet ( US 2,480,731 ). In einem MacNeille-Polarisator wird die s-Polarisation reflektiert und die p-Polarisation wird über einen engen Winkelbereich nahe des Brewster-Winkels größtenteils übertragen. Die p-Komponente entspricht Licht, das in der Einfallsebene polarisiert wird. Die s-Komponente entspricht Licht, das senkrecht zu der Einfallsebene polarisiert wird. Die Einfallsebene bezieht sich auf eine Ebene, die durch einen reflektierten Lichtstrahl und eine Senkrechte zu der reflektierenden Oberfläche definiert ist.
Einige Fachmänner haben andere PBS-Typen entwickelt. Zum Beispiel offenbart US 5,912,762 (Li et al.) ein Gerät zur Polarisation eines dünnen Films, das in einem PBS benutzt werden kann. Das Gerät weist ein erstes und ein zweites lichtdurchlässiges Substrat in Form von Prismen und mehrere dünne Filmschichten auf, die zwischen den Prismen angeordnet sind. Die dünnen Filmschichten weisen Schichten mit hohem Brechungsindex und Schichten mit niedrigem Brechungsindex auf, wobei die Schichten mit hohem Brechungsindex einen oder mehrere unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen und die Schichten mit niedrigem Brechungsindex einen oder mehrere unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die lichtdurchlässigen Substrate weisen einen Brechungsindex auf; der größer als der Brechungsindex jeder der Schichten mit niedrigem Brechungsindex ist. Die Prismen sind geformt, um zu ermöglichen, dass einfallendes Licht bei mehreren Winkeln, die größer oder gleich dem kritischen Winkel (das heißt, dem Winkel, der die gesamten inneren Reflektionsbedingungen erzeugt) sind, für den höchsten Brechungsindex der Schichten mit niedrigem Brechungsindex auf die dünnen Filmschichten auftrifft. Wie der MacNeille-Polarisator unterscheidet der Polarisator in US 5,912,762 zwischen s- und p-polarisiertem Licht, wenngleich in diesem s-polarisiertes Licht übertragen und p-polarisiertes Licht reflektiert wird.
Als ein weiteres Beispiel offenbart WO 00/70386 in 1 ein kartesisches PBS-Element 50, das einen mehrschichtigen doppelbrechenden Film 52 in einem Glaswürfel 54 umhüllt und ausgerichtet ist, um Licht zu reflektieren, das mit der x-Polarisation (das heißt, ungefähr s-Polarisation) einfällt. Siehe Seite 11, Zeile 9 bis 11. Die Darstellung in der Veröffentlichung von WO 00/70386 unterscheidet sich insofern, als die y-Polarisation ungefähr der s-Polarisation entsprechen soll. Für einfallende Lichtstrahlen in einem großen Kegelwinkel ist gezeigt worden, dass der kartesische PBS einen höheren Kontrast bereitstellt als ein PBS, der nur auf Basis von s-Polarisation vs. p-Polarisation eine Unterscheidung trifft.
Obwohl die bisher beschriebene Technologie nützliche PBS unter Verwendung von mehrschichtigen Filmen offenbart, ist sie möglicherweise zum Gebrauch in einem Projektionssystem nicht geeignet. In solch einem System erfährt der PBS in der Regel eine hohe Lichtintensität aus einem breiten Wellenlängenbereich, möglicherweise für lange Zeiträume. Obwohl die auf anorganischen Stoffen basierenden mehrschichtigen Filme aus US 2,480,731 und US 5,912,762 mit Bezug auf hochintensives Blaulicht stabil sein können, weisen sie eine unzulängliche Winkelleistung auf, die in Systemen mit niedrigen f-Zahlen benötigt wird. Um den Stand der Technik weiterzuentwickeln, wird ein Mehrschichtfilm benötigt, der auf einem PBS basiert, der die Alterungsbeständigkeit aufweist, um der Lichtquelle standzuhalten, und gleichzeitig für einfallendes Licht in großen Kegelwinkeln Kontrast bereitstellt, so dass das resultierende Bild eines Projektionssystems bei Betrachten eines Zuschauers hell, scharf und klar erscheint und frische Farben besitzt.
US-A-5 882 774 beschreibt die Konstruktion von Mehrschichtstapeln, für welche der Brewster-Winkel sehr groß oder im Wesentlichen nicht existent ist, indem die Brechungsindizes in die Dickenrichtung benachbarter Schichten angepasst werden.
US-A-4 525 413 beschreibt optische Geräte, welche ein molekular ausgerichtetes stark doppelbrechendes Polymer aufweisen, wobei das Gerät molekular ausgerichtete Polymere aufweist, welche wiederkehrende Einheiten aufweisen, die eine Verteilung hoher Elektronendichte um die Längsachsen des Polymers und die wiederkehrenden Einheiten davon aufweisen.
In EP-A-0 492 636 sind ein Polarisationsbeleuchtungsgerät und ein Projektor offenbart, der dieses aufweist.
Kurzdarstellung
Polarisationsstrahlenteiler können aus doppelbrechenden polymeren mehrschichtigen Filmen hergestellt werden, wie in US 5,962,114 offenbart ist. Obwohl viele Polymere eine hohe Durchlässigkeit bezüglich sichtbaren Lichts aufweisen, weisen viele starke Absorptionsspitzen im nahen ultravioletten (UV) Bereich auf. Folglich kann sich ein Absorptionsende in den sichtbaren Abschnitt des Spektrums ausdehnen. Obwohl der Prozentanteil absorbierten Lichts niedrig sein kann, kann die absorbierte Energie in einem intensiven Lichtstrahl zur Überhitzung des Films und zu einem thermisch induzierten Abbau des Polymers, lichtdinduzierten Abbau oder beidem führen. Für einige Polymere mit hohem Index ist das Absorptionsende im blauen Bereich stark genug, um dem Film eine gelbe Farbe zu verleihen. Ein Schlüsselparameter bei der Auswahl der Polymere für einen stabilen mehrschichtigen PBS für Projektionssysteme mit hoher Intensität ist die Nähe ihrer Absorptionskanten zu dem sichtbaren Spektrum.
Die vorliegende Erfindung stellt einen PBS bereit, der mindestens ein Prisma mit hohem Brechungsindex (das heißt, größer als n = 1,60) mit einem doppelbrechenden mehrschichtigen Film (manchmal der Einfachheit halber als „Mehrschichtfilm" bezeichnet) kombiniert. Der Mehrschichtfilm fungiert als Polarisator. Er enthält abwechselnde Materialschichten, die stabil sind, wenn sie Wellenlängen ausgesetzt werden, die mit Licht im nahen UV-Bereich und Blaulicht assoziiert werden. Diese Materialschichten werden basierend auf ihrem Absorptionsspektrum innerhalb des sichtbaren Spektrums und basierend auf der Stelle der Absorptionskanten in dem UV und Infrarot (IR)-Bereich ausgewählt.
Auf dem UV-Ende des Spektrums betragen die Absorptionskanten für die Materialschichten in dem Mehrschichtfilm vorzugsweise mindestens 40 nm weniger als, mehr bevorzugt 50 nm weniger als, am meisten bevorzugt 60 nm weniger als die kürzeste Wellenlänge, welche den PBS beleuchtet. Für Farbprojektionsanzeigen kann Blaulicht unter 420 nm zurückgewiesen werden, ohne das Farbgleichgewicht oder die Helligkeit der Anzeige im Wesentlichen zu beeinflussen. Folglich beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform die kürzeste Wellenlänge, die den PBS beleuchtet, 420 nm. Je nach der Lichtquelle kann die bevorzugte niedrigere Wellenlänge kürzer, wie 410 nm, oder etwas höher, wie 430 nm, sein. Auf dem IR-Ende des Spektrums betragen die Absorptionskanten für die Materialschichten in dem Mehrschichtfilm vorzugsweise mindestens 40 nm mehr als, mehr bevorzugt 50 nm mehr als, am meisten bevorzugt 60 nm mehr als die längste Wellenlänge, welche den PBS beleuchtet. Diese Betrachtungen können einige Kombinationen von Materialien ausschließen, die darauf ausgerichtet sein können, eine hohe Indexdifferenz zwischen ihnen in die x-(gestreckte)Richtung zu erzeugen. Die praktischem Verarbeitungs- und Umweltstabilitätsbetrachtungen können den Satz verfügbarer Materialien auf diejenigen einschränken, die nach der Ausrichtung zwischen ihnen (in die x-Richtung) eine relativ kleine Brechungsindexdifferenz (das heißt, weniger als 0,15 Δn_x) aufweisen.
In diesem Dokument soll der Ausdruck "etwa" jede numerische Angabe einer Eigenschaft wie Wellenlänge, Brechungsindex, Verhältnisse, Gewichtsprozentangaben, Molprozentangaben modifizieren, jedoch ohne auf diese beschränkt zu sein. Zum Beispiel bedeutet eine Angabe von 500 nm für eine Wellenlänge etwa 500 nm. Der Ausdruck "Durchlassachse" bezieht sich auf die optische Achse der Transmission des Polarisators und entspricht der y-Achse oder Nichtstreckrichtung des Mehrschichtfilms. Der Ausdruck "Extinktionsachse" bezieht sich auf die Reflexionsachse des Polarisators und entspricht der x-Achse oder Streckrichtung des Mehrschichtfilms.
Der Ausdruck "Absorptionskante" bezieht sich im Allgemeinen auf die Wellenlänge, bei der das polymere Material im Wesentlichen opak wird. Eine genauere Definition ist die Wellenlänge, bei der die Transmission in Luft bei senkrechtem Einfall 10 % für einen 0,1 mm dicken Film beträgt. Jede einzelne Materialschicht in dem Mehrschichtfilm weist eine x-Richtung, eine y-Richtung und eine z-Richtung auf. Die x-Richtung steht für die Streckrichtung (auch bekannt als die "Querrichtung" oder "TD"), das heißt, die Richtung, in welcher der Film ausgerichtet ist. Die y-Richtung steht für eine Nichtstreckrichtung (auch bekannt als "Maschinenlaufrichtung" oder "MD"). Die z-Richtung steht für eine andere Nichtstreckrichtung und ist die Dickenrichtung der einzelnen Schicht.
Obwohl bei der Herstellung des Mehrschichtfilms in der Regel zwei Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes benutzt werden, wird innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung berücksichtigt, mehr als zwei Materialien zu benutzen. Wenngleich ein Mehrschichtfilm aus zwei Bestandteilen für die einfallende Lichtwelle ein Rechteckwellen-Indexprofil aufweist, brauchen die optischen sich wiederholenden Einheiten in dem Mehrschichtfilm keine Rechteckwelle aufzuweisen. Eine Vielzahl von Materialschichten kann benutzt werden, um ein beliebiges periodisches moduliertes Indexprofil entlang der x-Richtung zu konstruieren und gleichzeitig im Wesentlichen übereinstimmende Indizes entlang der y- und z-Richtung aufzuweisen. Als Alternative kann jedes beliebige kontinuierlich variierende Indexprofil wie zum Beispiel ein Rugate-Filter benutzt werden, um einen doppelbrechenden Polarisator herzustellen. Der kontinuierlich variierende Index kann auftreten, wenn sich die Materialien eines Zweikomponentensystems während der Verarbeitung miteinander vermischen. In ähnlicher Weise existiert ein kontinuierlich variierender Index in cholesterinischen Flüssigkristallfilmen.
Der Mehrschichtfilm der vorliegenden Erfindung muss nicht durch Coextrusion und Ausrichtung polymerer Materialien hergestellt werden, sondern kann doppelbrechende organische kristalline Schichten aufweisen, die durch Techniken konstruiert werden, die dem Stand der Technik entsprechen, wie zum Beispiel durch Epitaxialvakuumabscheidung.
Die Materialschichten des Mehrschichtfilms der vorliegenden Erfindung müssen keine exakt orthogonalen optischen Achsen aufweisen. Die Ausrichtung der Achsen kann um mehrere Grade von dem orthogonalen Zustand abweichen, zum Beispiel um bis zu 10 °.
Aufgrund seiner Zusammensetzung und Konstruktion weisen der erfinderische doppelbrechende Mehrschichtfilm und der resultierende PBS eine erweiterte Alterungsbeständigkeit auf, wenn sie einer großen Vielfalt von Lichtquellen ausgesetzt werden, die in einem Projektionssystem oder einer Anzeige benutzt werden. Eine typische Lichtquelle weist eine Lampe und einen Reflektor auf. Geeignete Lampen weisen Xenon, Glühlampen, Laser, Lichtemissionsdioden (LED), Metallhalogenid-Bogenlichtquellen und Hochdruck-Quecksilberlichtquellen auf. Solche Lichtquellen können Licht bei einer Wellenlänge im blauen und im nahen ultravioletten Bereich emittieren. Es ist bekannt, dass sich viele auf Polymeren basierende Filme schnell abbauen können, wenn sie solchen Wellenlängen ausgesetzt werden.
Der erfinderische Mehrschichtfilm weist aufgrund der geringen Differenz bezüglich der Werte des Brechungsindexes in der x-Richtung für die Materialschichten ein niedriges Kontrastverhältnis (das heißt, ein Kontrastverhältnis von weniger als 100:1) auf, wenn er in Luft oder in Prismen mit einem niedrigen Brechungsindex (das heißt, kleiner als 1,60) eingetaucht oder eingebettet wird. Das "Kontrastverhältnis" bezieht sich auf ein Verhältnis von zwei Transmissionswerten für Licht, deren Polarisationsebenen zu den zwei orthogonalen Achsen des Mehrschichtfilms parallel sind. Das Kontrastverhältnis hängt neben dem Film von der Natur des Strahls ab. Zum Beispiel kann ein Kontrastverhältnis für einen Lichtstrahl in einem Kegel von Licht, das über einen breiten Bereich von Winkeln verteilt ist, geringer sein als für einen Lichtstrahl, der über einen engen Kegel von Winkeln verteilt ist.
Wenn der Mehrschichtfilm vorteilhafterweise in ein Prisma mit hohem Index (das heißt, größer als 1,6 und kleiner als ein Index, der eine vollständige innere Reflexionsbedingung in dem Mehrschichtfilm erzeugen würde) eingetaucht oder eingebettet wird, erhöht sich das Kontrastverhältnis im Wesentlichen in einer Größenordnung von mehr als 100:1, vorzugsweise mehr als 300:1, mehr bevorzugt mehr als 1000:1, wenn über alle Strahle des einfallenden Lichtkegels der Mittelwert gebildet wird. In einem Aspekt bedeutet dieser Vorteil, dass in dem Mehrschichtfilm weniger Schichten erforderlich sein können, um das gewünschte Kontrastverhältnis zu erreichen. Im Allgemeinen kann die geringe Anzahl erforderlicher Schichten im Vergleich zu einem ähnlichen Film mit einer größeren Anzahl erforderlicher Schichten zu einem weniger komplizierten Herstellungsverfahren führen. Die Kombination des Mehrschichtfilms, der in dem Prisma mit hohem Index eingebettet ist, bringt einen verbesserten PBS hervor, der ausreichend alterungsbeständig ist, um einer typischen Lichtquelle standzuhalten, die in vielen Projektions- und Anzeigesystemen benutzt wird, und noch immer einen ausgezeichneten Kontrast bereitstellt. Der Index des Prismas wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass die höchsten Einfallswinkel hereinkommender Strahlen nahe bei dem kritischen Winkel für eine innere Gesamtreflexion (TIR) liegen, diesen jedoch nicht überschreiten.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung zusammenfassend einen PBS nach Anspruch 1 bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die kürzeste Wellenlänge zum Beleuchten des PBS 420 nm und die längste Wellenlänge 680 nm.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung richtet sich an ein optisches Gerät, aufweisend: (a) den oben beschriebenen PBS, wobei ein erster Weg durch den PBS für Licht in einem ersten Polarisationszustand definiert ist; und (b) mindestens einen Bildgenerator, der so angeordnet ist, dass er Licht zurück auf den Polarisationsstrahlenteiler reflektiert, wobei Teile des durch den mindestens einen Bildgenerator empfangenen Lichts polarisationsgedreht sind, wobei sich polarisationsgedrehtes Licht entlang eines zweiten Wegs von dem Bildgenerator und durch den PBS hindurch ausbreitet.
Eine wieder andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Projektionssystem, das eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht, Konditionierungsoptik zum Konditionieren des Lichts aus der Lichtquelle und einen Bildgebungskern aufweist, um dem konditionierten Licht aus der Konditionierungsoptik ein Bild einzuprägen, um Bildlicht zu bilden. Der Bildgebungskern weist den oben beschriebenen PBS und mindestens einen Bildgenerator auf.
Der vorliegende erfinderische PBS unterscheidet sich von dem kartesischen PBS, der in WO 00/70386 offenbart ist, insofern, als die vorliegende Erfindung zum ersten Mal Folgendes identifiziert: (1) den Bereich des Brechungsindexes, der für das Prisma benötigt wird, wenn Materialien mit einer relativ geringen Doppelbrechung benutzt werden, (2) die Wellenlängenbereiche der Absorptionskanten, die für einen angemessen stabilen polymeren PBS-Mehrschichtfilm erforderlich sind, und (3) verfügbare Materialkombinationen, welche stabil sind, wenn sie Licht im nahen UV-Bereich oder Blaulicht ausgesetzt werden.
Der vorliegende erfinderische PBS unterscheidet sich auch von dem PBS, der in US 5,912,762 offenbart ist. In dieser Patentschrift wird offenbart, dass transparente Substrate, das heißt, die Prismen, einen Brechungsindex aufweisen, der größer ist als der Brechungsindex jeder der Schichten mit niedrigem Brechungsindex.
Bei der vorliegenden Erfindung weisen die Prismen jedoch vorzugsweise einen Brechungsindex auf, der höher ist als sämtliche Brechungsindizes einer beliebigen optischen Schicht in dem Mehrschichtfilm, jedoch niedrig genug ist, um entlang der Durchlassachse des doppelbrechenden Mehrschichtfilm-Polarisators keine TIR-Bedingung zu erzeugen. Der Ausdruck "optische Schichten" meint diejenigen Schichten, die an der Reflexion und Transmission des einfallenden Lichts beteiligt sind. Die inneren Einfallswinkel bei den Mehrschichtgrenzflächen sollten hoch genug sein, damit die Reflexionskoeffizienten an den Grenzflächen bei jeder Schicht groß genug sind, damit x-polarisiertes Licht ein Extinktionsverhältnis erzeugen kann, das den erforderlichen Pegeln von 100:1, vorzugsweise 300:1, mehr bevorzugt 1000:1 entspricht. Der erforderliche Reflexionsgrad an den Grenzflächen für eine gegebene Lichtwellenlänge kann aus der Anzahl von Schichten in dem Mehrschichtfilm und der Schichtdickenverteilung berechnet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen weiter erläutert, in denen:
1 eine Querschnittsansicht eines beispielhaften doppelbrechenden Mehrschichtfilms 10 gemäß der Erfindung ist;
2 eine Übersicht von zwei Materialschichten in einem beispielhaften doppelbrechenden Mehrschichtfilm 10 gemäß der Erfindung ist;
3 eine Übersicht eines beispielhaften Polarisationsstrahlenteilers 20 gemäß der Erfindung ist;
4a und 4b Querschnittsansichten entlang der Linie 4-4 in 3 sind;
5 eine schematische Ansicht eines beispielhaften optischen Systems 40 ist, das in einem Projektionssystem gemäß einem Aspekt der Erfindung nützlich ist.
6 ein Schaubild ist, das die Filmdicke als eine Funktion der Filmposition nach einer einachsigen Ausrichtung darstellt; und
7 eine schematische Ansicht einer Projektionseinheit basierend auf einer Vielzahl von reflektierenden Bildern gemäß einem Aspekt der Erfindung ist.
Diese Figuren sind idealisiert, nicht maßstabsgetreu und sollen nur der Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend sein.
Ausführliche Beschreibung
1 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften doppelbrechenden Mehrschichtfilms 10, der abwechselnde Schichten einer ersten Materialschicht 12, die einen ersten Satz von Brechungsindizes n_12x, n_12y, n_12z aufweist, und eine zweite Materialschicht 14 enthält, die einen zweiten Satz von Brechungsindizes n_14x, n_14y, n_14z aufweist. 2 ist eine Übersicht, die nur zwei Schichten in einem doppelbrechenden Mehrschichtfilm 10 darstellt, wobei jede Schicht in der x-, y- und z-Richtung Brechungsindizes aufweist. 3 ist eine Übersicht eines PBS 20 mit einem ersten Prisma 22 und einem zweiten Prisma 24, die derart positioniert sind, dass sie im Wesentlichen einen Würfel bilden. Der doppelbrechende Mehrschichtfilm 10 ist entlang der Diagonalen des Würfels eingebettet, das heißt, zwischen die Hypotenusen der Prismen geklemmt.
4a ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 aus 3 und zeigt den Weg eines beispielhaften s-polarisierten einfallenden Lichtstrahls 30a in einem vereinfachten Film, der eine Schicht mit hohem Index und eine Schicht mit niedrigem Index aufweist. Wenngleich wirkliche Filme Hunderte von Schichten aufweisen, dient dieser vereinfachte Film als Beispiel für die Prinzipien des Betriebs des Polarisators. Der Mehrschichtfilm 10 reflektiert primär s-polarisiertes Licht und überträgt primär p-polarisiertes Licht. Während des Betriebs geht der einfallende s-polarisierte Lichtstrahl 30a aus der Luft ((n_Luft = 1,0) zu dem PBS 20, wobei er zuerst auf die Oberfläche 23 des Prismas 22 trifft. Dieser bestimmte Lichtstrahl trifft senkrecht auf die Oberfläche 23 und wird folglich in das Prisma 22 übertragen, ohne den Strahl 30a im Wesentlichen zu biegen. In den meisten Anwendungen fällt ein Kegel von Strahlen auf die Oberfläche 23. Bei der Oberfläche 23 wird ein Teil des einfallenden Lichts reflektiert (nicht dargestellt). Aufgrund der Position des Films 10 trifft der Strahl 30a auf die Schicht 12 in einem Winkel von 45 ° bezüglich der Senkrechten 13, und da sich der Strahl 30a bei der Transmission von einem Material mit hohem Index zu einem Material 12 mit niedrigem Index (n_{Prisma 22} > n₁₂) bewegt, wird er von der Senkrechten 13 weg gebogen. Während sich der Strahl 30a von Schicht 12 zu Schicht 14 ausbreitet, die einen noch niedrigeren Brechungsindex aufweist (das heißt, n₁₂ > n₁₄), wird er wieder von der Senkrechten 15 weg gebogen. Während sich der Strahl 30a von der Schicht 14 zu dem Prisma 24 ausbreitet, bewegt er sich von dem Material mit niedrigem Index zu einem Material mit hohem Index (das heißt, n_{Prisma 24} > n₁₄), biegt sich in Richtung der Senkrechten 17 und verlässt den PBS wie schematisch dargestellt. In der Praxis werden viele Schichtpaare benutzt und der Strahl 30a verringert sich stufenweise, während er den Film durchquert, der vorzugsweise den Großteil oder die Gesamtheit des Strahls 30a reflektiert. Obwohl n_Prisma vorzugsweise größer ist als n₁₂, kann es gleich oder etwas kleiner als n₁₂ sein, je nach der Größe von Δn_x, wie nachstehend beschrieben. Der Brechungsindex des Prismas sollte größer sein als der Brechungsindex der Schicht 14. Der gewählte Querschnitt und ankommende polarisierte Strahl 30a veranschaulichen nur die Reflexionsachse (das heißt, die Extinktionsrichtung) des PBS. Entlang der Extinktionsachse wird es immer abwechselnde Schichten niedriger und hoher Indizes geben.
Bei einer Grenzfläche aus dielektrischem Material nimmt der Fresnel-Brechungskoeffizient für s-polarisiertes Licht in Übereinstimmung mit dem Einfallswinkel zu. Das s-polarisierte Licht fühlt nur die Brechungsindizes eines Films auf gleicher Ebene und wird folglich nicht durch den z-Brechungsindex des Films beeinflusst. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen PBS höhere Inneneinfallswinkel bei den Schichtgrenzflächen entlang der Extinktionsachse des doppelbrechenden Mehrschichtfilms bereitzustellen, um die Fresnel-Brechungskoeffizienten entlang der Extinktionsachse zu maximieren und gleichzeitig eine Würfelform bereitzustellen, die in den meisten Projektionssystem aus Gründen der Kompaktheit bevorzugt wird. Solch ein Gegenstand kann durch Erhöhen des Brechungsindexes der Prismen entwickelt werden, aus welchen der Würfel besteht. Die Grenze des Prismaindexes wird durch die Notwendigkeit für eine hohe Transmission entlang der Durchlassachse des Mehrschichtfilms bestimmt, wie nachfolgend beschrieben werden wird.
4b ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 aus 3 und stellt den Weg eines beispielhaften p-polarisierten einfallenden Lichtstrahls 30b in einem vereinfachten Film der, der nur zwei Schichten aufweist. In diesem Fall fühlt der Strahl 30b die y- und z-Indizes der Schichten, wobei die Schichtmaterialien derart ausgewählt werden, dass die y- und z-Indizes für alle Schichten im Wesentlichen die gleichen sind. Bei der Oberfläche 23 wird ein Teil des einfallenden Lichts reflektiert (nicht dargestellt). Aufgrund der Position des Films 10 trifft der Strahl 30b auf die Schicht 12 in einem Winkel von 45 ° bezüglich der Senkrechten 13, und da sich der Strahl 30b bei der Transmission von einem Material mit hohem Index zu einem Material 12 mit niedrigerem Index (n_{Prisma 22} > n₁₂) bewegt, wird er von der Senkrechten 13 weg gebogen. Während sich der Strahl 30b von der Schicht 12 zu der Schicht 14 ausbreitet, liegt kein wesentlicher Richtungswechsel vor, da die Indizes der abwechselnden Schichten für die Polarisationsrichtung von Strahl 30b im Wesentlichen übereinstimmen. Während sich der Strahl 30b von der Schicht 14 zu dem Prisma 24 ausbreitet und sich von dem Material mit niedrigem Index zu einem Material mit hohem Index (das heißt, n_Prisma
24 > n₁₄) bewegt, biegt er sich in Richtung der Senkrechten 17 und verlässt den PBS wie schematisch dargestellt. Der dargestellt Ausbreitungswinkel in Schicht 12 und 14 für 4b ist der gleiche wie der Ausbreitungswinkel in Schicht 14 in 4a.
Die zwei Figuren stellen jedoch nur einen von drei möglichen Fällen für die Durchlassachse dar. Während sich die Schichtindizes entlang der Extinktionsachse (x-Achse) von hoch nach niedrig abwechseln, ist der Index entlang der Durchlassachse (y-Achse) im Wesentlichen der gleiche für alle Schichten und kann im Wesentlichen der gleiche niedrige oder hohe Indexwert sein oder ein bestimmter Zwischenwert sein, je nach dem, ob der Mehrschichtfilm (1) abwechselnde positive doppelbrechende und isotrope Schichten (bezeichnet als „Fall 1"), (2) abwechselnde negative doppelbrechende und isotrope Schichten (bezeichnet als „Fall 2") oder (3) abwechselnde negative und positive doppelbrechende Schichten (bezeichnet als „Fall 3") aufweist.
4a und 4b stellen Fall 1 dar, der zum Beispiel bei einem Mehrschichtfilm mit einachsig ausgerichtetem Polyethylenterephthalat (PET) und einem isotropen Material eintreten könnte. In diesem Fall liegt die optische Achse der PET-Schicht in der x-Richtung. Wenn die doppelbrechende Schicht ein negatives doppelbrechendes Material wie einachsig ausgerichtetes syndiotaktisches Polystyrol wäre, wäre die abwechselnde isotrope Schicht die Schicht mit hohem Index und der Index der Durchlassrichtung (y-Richtung) hätte den höheren Indexwert. Wenn der Mehrschichtfilm abwechselnde positive und negative doppelbrechende Materialien aufweist, würde der Index der y-Richtung einen Wert zwischen dem der niedrigen und hohen Indizes der x-Richtung aufweisen.
Es ist eine Vorraussetzung für den PBS, für die Durchlassachse hohe Transmissionswerte bereitzustellen. Aus diesem Grund sollte der Index der Prismen niedrig genug sein, damit der Ausbreitungswinkel, in 4a als die Winkel θ₂ and θ₄ dargestellt, nicht 90 ° erreicht oder überschreitet, das heißt, dass für die hereinkommenden Strahlen innerhalb des Einfallskegelwinkels keine TIR-Bedingung existiert. Hinsichtlich der Praxis sollten Ausbreitungswinkel, die sich 90 nähern, aus mehreren gründen ebenfalls vermieden werden. Zum Beispiel erhöht ein extrem hoher Ausbreitungswinkel entlang der Durchlassachse die Menge des Astigmatismus in einem Bild, das aus den verschiedenen Strahlen in einem Kegel einfallenden Lichts gebildet wird, wobei die Strahlen mit einem niedrigeren Winkel eine bedeutend andere seitliche Verlagerung aufweisen als die Strahlen mit einem hohen Einfallswinkel auf den Mehrschichtfilm. Extrem hohe Ausbreitungswinkel können auch die Absorptions- und Streuungsmenge der hereinkommenden Lichtstrahlen erhöhen.
Aus diesem Grund sollte die Notwendigkeit für die höchsten Ausbreitungswinkel entlang der x-Richtung durch die Notwendigkeit für mäßige Ausbreitungswinkel für die orthogonalen Polarisationswinkel ausgeglichen werden, die zu der y-Richtung parallel sind. Für den oben erwähnten Fall 1 sind die höchsten Ausbreitungswinkel für Strahlen, die in der x-Richtung polarisiert sind, auch die Ausbreitungswinkel für Strahlen, die entlang der y-Richtung polarisiert sind, und sollten als solche auf einen Bereich von 60 ° bis 80 ° eingeschränkt sein. Für PET mit einem x-Index von 1,65 und einem y-Index und z-Index von 1,55 liegt der Prismaindex vorzugsweise über 1,70 und mehr bevorzugt über 1,80, jedoch vorzugsweise unter etwa 1,90. Der Bereich akzeptabler Prismaindizes für einen gegebenen doppelbrechenden Mehrschichtfilm hängt von dem Wert des x-Indexdifferentials (Δn_x) und dem Kegelwinkel der einfallenden Strahlen ab. Die Ausbreitungswinkel können mit Hilfe des Snelliusschen Gesetzes berechnet werden. Die Transmissionswerte entlang der x-Richtung können mittels bekannter optischer Mehrschicht-Reflexionsalgorithmen berechnet werden.
Bezüglich des oben genannten Falls 2 entsprechen die Indizes der Schichten entlang der y-Achse dem höchsten Index in dem Mehrschichtfilm und der Ausbreitungswinkel für Strahlen, die zu der y-Achse parallel polarisiert sind, sind niedriger als diejenigen aus Fall 1. Solch eine Anordnung verringert die Menge des Astigmatismus oder ermöglicht alternativ die Verwendung sogar noch höherer Indizes für die Prismen, sogar bis zu dem Punkt eines TIR für Strahlen wie 30a, die zu der x-Richtung parallel polarisiert sind.
Ein PBS, der eine vollständige innere Reflexion aller Strahlen aufweist, die in der x-Richtung polarisiert sind, jedoch alle Strahlen überträgt, die in der y-Richtung polarisiert sind, wäre bei doppelbrechenden Materialien der korrekten Indizes möglich. Der Betrieb solch eines PBS wäre demjenigen eines Glan-Thompson-Polarisators ähnlich. Nur eine einzige doppelbrechende Schicht würde benötigt, jedoch müsste die Doppelbrechung sehr hoch, in der Größenordnung von oder größer als 0,5 sein, um bei 45 ° in einem Würfel zu funktionieren.
Jede der Komponenten, die zum Herstellen des erfinderischen PBS benutzt werden, und das Verfahren zum Zusammenbau des PBS werden nachstehend ausführlich erläutert.
Prisma
Das Prisma kann aus jedem beliebigen lichtdurchlässigen Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,60, mehr bevorzugt mindestens 1,70 und am meisten bevorzugt 1,80 gebildet werden. Das Prisma sollte jedoch einen Brechungsindex aufweisen, der geringer ist als einer, der einen vollständigen inneren Reflexionszustand erzeugen würde, das heißt, einen Zustand, bei dem die Ausbreitungswinkel 90 ° erreichen oder überschreiten. Solch ein Zustand kann mit Hilfe des Snelliusschen Gesetzes berechnet werden. Ein "lichtdurchlässiges" Material ist eines, das mindestens einen Teil einfallenden Lichts aus der Lichtquelle zur Transmission befähigt. In einigen anderen Anwendungen kann das einfallende Licht gefiltert werden, um unerwünschte Wellenlängen zu beseitigen. Geeignete Materialien zum Gebrauch als Prismen enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Keramik, Glas und Polymere. Glas ist als Untermenge von Keramik zu verstehen. Ein besonders nützliches Glas enthält ein Metalloxid wie Blei und solch ein Glas weist in der Regel einen Brechungsindex von mehr als 1,60 auf. Ein im Handel erhältliches Glas ist PBH 55, erhältlich von Ohara, mit einem Brechungsindex von 1,85 und 75 Gew.-% Bleioxid.
In einem Projektionssystem wie einem Vorder- oder Rückprojektionssystem werden in der Regel zwei im Wesentlichen rechtwinklige dreieckige Prismen benutzt, um im Wesentlichen einen Würfel zu bilden. In diesem Fall wird der PBS mittels eines Befestigungsmittels zwischen die Hypotenusen der zwei Prismen geklemmt, wie nachfolgend erläutert. Ein würfelförmiger PBS wird in den meisten Projektionssystemen bevorzugt, da er eine kompakte Gestaltung bereitstellt, das heißt, die Lichtquelle und andere Komponenten wie Filter können positioniert werden, um einen kleinen, leichten, tragbaren Projektor bereitzustellen. Für einige Systeme kann der würfelförmige PBS derart modifiziert werden, dass eine oder mehrere Flächen nicht quadratisch sind. Wenn nicht quadratische Flächen benutzt werden, sollte eine übereinstimmende parallele Fläche von der nächsten benachbarten Komponente wie dem Farbprisma oder der Projektionslinse bereitgestellt werden.
Obwohl ein Würfel eine bevorzugte Ausführungsform ist, können andere PBS-Formen benutzt werden. Zum Beispiel kann eine Kombination mehrerer Prismen zusammengebaut werden, um einen rechtwinkligen PBS bereitzustellen. Wie auch immer diese PBS-Form gestaltet ist, sie muss einen hohen Index aufweisen, sie benötigt einen doppelbrechenden Mehrschichtfilm, der als ein Polarisator fungiert, der darin eingebettet ist, und sie muss hohe innere Einfallswinkel für die Polarisationsstrahlen erzeugen, die parallel zu der x-Achse liegen, wie oben beschrieben.
Die Prismaabmessung und folglich die resultierende PBS-Abmessung hängen von der beabsichtigten Anwendung ab. In einem beispielhaften Frontprojektor ist der PBS ein Würfel von 40 mm Länge, Breite und Höhe mit einer Diagonalen von 57 mm, wenn eine kleine Hochdruck-Bogenlampe des Hg-Typs wie des UHP-Typs benutzt wird, die von Philips Corp. im Handel erhältlich ist, wobei ihr Strahl als ein F/2,2-Lichtkegel erzeugt wird und dem PBS-Würfel zum Gebrauch mit Bildgeneratoren mit einer Diagonalen von 0,78 Inch wie den SXGA-Auflösungsbildgeneratoren vorgelegt wird, die von Three-Five Systems erhältlich sind. Der optische Abstand f/# des Strahls (das heißt, die Summe der tatsächlichen Abstände dividiert durch den Brechungsindex für jede Abstandseinheit), der den Bildgenerator oder die Bildgeneratoren von dem PBS trennt, und die Bildgeneratorgröße sind einige Faktoren, welche die PBS-Größe bestimmen.
Mehrschichtfilm
Wie oben erläutert, weist der doppelbrechende Mehrschichtfilm mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex auf. Vorzugsweise sollten für die halbkristallinen Polymere die folgenden Bedingungen erfüllt werden, um einen nützlichen Film zu hervorzubringen. Die nachstehend aufgezählten Bedingungen sind bloß die Hauptbedingungen, die erfüllt werden müssen. Andere Bedingungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Gesamtfilmdicke, werden separat erläutert.
Eine Bedingung ist, dass der Brechungsindex in der y- und derjenige in der z-Richtung (Nichtstreckrichtungen) des ersten Materials n_1y and n_1z einander im Wesentlichen ähnlich sind (das heißt, innerhalb von 5 % zueinander) und jeweils zu den Brechungsindizes der y- und z-Richtung des zweiten Materials n_2y and n_2z im Wesentlichen ähnlich sind. Im Idealfall sind alle vier Indizes identisch, jedoch ist solch eine präzise Übereinstimmung in der Praxis oft schwierig zu erreichen. Ein Verfahren, das zum Anpassen der y- und z-Indizes innerhalb einer Schicht angewendet wird, ist das Verleihen einer genauen einachsigen Ausrichtung. Der Ausdruck "genaue einachsige Ausrichtung" bezieht sich auf das Strecken des Films in die x-Richtung, während der Film in der y- und z-Richtung spannungsfrei sein kann. Durch diese genaue einachsige Ausrichtung können die y- und z-Brechungsindizes in einer Schicht im Wesentlichen ähnlich sein. Wenn das zweite Material derart ausgewählt wird, dass es mit dem y-Index des ersten Materials übereinstimmt, müssen die z-Indizes in den zwei Schichten auch übereinstimmen, da die zweiten Materialschichten auch den gleichen Streckungsbedingungen ausgesetzt werden wie die erste Materialschicht.
In vielen praktischen Anwendungen ist je nach dem inneren Einfallswinkel eine geringe Nichtübereinstimmung des z-Indexes zwischen den Schichten akzeptabel. Die erlaubte Größe der Nichtübereinstimmung des z-Indexes zwischen den Schichten steht mit der Nichtübereinstimmung des x-Indexes in Beziehung, da der letztgenannte Wert die Anzahl der Schichten bestimmt, die in einem Mehrschichtfilm benötigt werden, um das gewünschte Reflexionsvermögen zu erzeugen. Im Idealfall sollten für den doppelbrechenden Mehrschichtfilm, der in ein Prisma mit hohem Index eingetaucht ist, Δn_y und Δn_z zwischen den verschiedenen Schichten null sein. In der Praxis ist es schwierig, einen Mehrschichtfilm zu erzeugen, bei dem Δn_y und Δn_z null sind. US-Patentschrift Nr. 5,882,774 beschreibt, wie die z-Indexdifferenz durch Manipulieren von Δn_y ausgeglichen werden kann. Eine gewisse Variation in Δn_y and Δn_z ist für die Praxis dieser Erfindung akzeptabel. Folglich beträgt das Verhältnis Δn_z÷Δn_x und das Verhältnis Δn_y÷Δn_x vorzugsweise weniger als 0,2, mehr bevorzugt weniger als 0,1 und am meisten bevorzugt weniger als 0,05. In ähnlicher Weise ist die Differenz zwischen den y- und z-Indizes einer einzigen Schicht im Idealfall null. Folglich sollte die Doppelbrechung innerhalb einer Schicht (n_y – n_z) im Vergleich zu Δn_x auch gering sein.
Folglich beträgt das Verhältnis (n_y – n_z)÷Δn_x vorzugsweise weniger als 0,2, mehr bevorzugt weniger als 0,1 und am meisten bevorzugt weniger als 0,05.
Eine andere Bedingung ist, dass das erste und das zweite Material als isotrope Materialien (das heißt, mit im Wesentlichen ähnlichen Brechungsindizes in der x-, y- und z-Richtung) beginnen und nach der einachsigen Ausrichtung mindestens eines der Materialien eine Doppelbrechung aufweist. Folglich gibt es drei mögliche Kombinationen: (1) das erste Material weist eine Doppelbrechung auf, während das zweite Material isotrop bleibt, (2) das erste Material bleibt isotrop, während das zweite Material eine Doppelbrechung aufweist, und (3) sowohl das erste als auch das zweite Material zeigen eine Doppelbrechung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material nach einer einachsigen Ausrichtung doppelbrechend und erfährt eine Erhöhung des Brechungsindexes entlang der gestreckten Richtung, während das zweite Material isotrop bleibt und die Brechungsindexdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Material in der Regel zwischen 0,15 und 0,20 in der Streckrichtung beträgt.
Eine weitere Bedingung ist, dass der erfinderische Mehrschichtfilm stabil sein sollte, das heißt, einen minimalen Abbau bei Lichteinwirkung zeigen sollte, wenn er für längere Zeiträume Wellenlängen ausgesetzt wird, die mit Licht im nahen UV-Bereich und Blaulicht assoziiert werden. Wenn der Mehrschichtfilm in einem beispielhaften Frontprojektor mit einem PBS-Würfel von 40 mm Länge, Breite und Höhe und mit einer Diagonalen von 57 mm benutzt wird, wenn eine kleine Hochdruck-Bogenlampe des Hg-Typs wie des UHP-Typs benutzt wird, die von Philips Corp. im Handel erhältlich ist, wobei ihr Strahl als ein F/2,2-Lichtkegel erzeugt wird und dem PBS-Würfel zum Gebrauch mit Bildgeneratoren mit einer Diagonalen von 0,78 Inch wie den SXGA-Auflösungsbildgeneratoren vorgelegt wird, die von Three-Five Systems erhältlich sind, und wenn Licht unter 420 nm mit scharfen Bandkantenfiltern herausgefiltert wird, sollte der Mehrschichtfilm vorzugsweise Betriebslebenszeiten von mindestens 1000 Stunden und mehr bevorzugt mindestens 2000 aufweisen. Der Mehrschichtfilm sollte auch eine geringe Trübung, eine geringe Schrumpfung über längere Zeiträume in der Gebrauchsumgebung und eine gute Transparenz aufweisen.
Aufgrund der oben beschriebenen Anforderungen sind sehr wenige Polymermaterialien zum Gebrauch verfügbar. Geeignete Polymermaterialien werden nachstehend beschrieben.
Materialauswahl
Der Mehrschichtfilm wird mit mindestens zwei unterschiedlichen Polymermaterialien konstruiert. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Mehrschichtfilm abwechselnde Schichten eines ersten Polymers und eines zweiten Polymers auf. Der Einfachheit halber wird die erste Materialschicht als die "Schicht mit hohem Index" bezeichnet, während die zweite Materialschicht als die „Schicht mit niedrigem Index" bezeichnet wird. Diese relativen Werte beziehen sich auf die Indizes, die entlang der x-Richtung des Mehrschichtfilms beobachtet werden. Wie erwähnt, sind nützliche Polymere zum Gebrauch als erste und zweite Schicht diejenigen, die für den Abbau aufgrund von Lichteinwirkung von Licht mit Wellenlängen im nahen UV-Bereich und Blaubereich des sichtbaren Spektrums nicht anfällig sind. Vorzugsweise sollten nützliche Polymere einen Bereich der Absorptionskanten von ≤360 und ≥750 nm aufweisen. Viele Polymere mit hohem Index wie Polyethylennaphthalat (PEN) weisen eine Absorptionskante im Bereich von 385 nm auf. Das Absorptionsende dieser Kante kann eine bedeutende Absorption in das sichtbare Spektrum bewirken. Für PEN beträgt das Absorptionsende für einen 130 μm dicken Probefilm 2,5 % bei einer Wellenlänge von 400 nm und fällt bei etwa 450 nm bis 500 nm im Wesentlichen auf null ab. Aus diesem Grund kann die Beleuchtung von PEN mit intensivem Blaulicht zu einem bedeutenden Abbau des Films führen, was ein starkes Vergilben des Polymers bewirkt.
Ein geeignetes und bevorzugtes Polymer zum Gebrauch als die Schicht mit hohem Index ist Polyethylenterephthalat (PET). Die Absorptionskante von PET ist 320 nm, was den Abbau aufgrund Lichteinwirkung bei Blaulicht im Wesentlichen beseitigt. Nach der einachsigen Ausrichtung weist der PET-Film einen Brechungsindex von 1,68 in der gestreckten Richtung (x-Richtung) und 1,54 in den Nichtstreckrichtungen (y- und z-Richtung) auf.
Es ist möglich, kleine Mengen PEN zu PET beizumischen, um es gegen Kristallinitätsveränderungen zu stabilisieren und den Brechungsindex für eine verbesserte optische Leistung im Falle der Benutzung von Prismen mit niedrigem Index zu erhöhen. Vorzugsweise weist die Beimischung des PENs und des PETs die Form eines umgeesterten Copolymers auf, das aus der In-Situ-Extrusion der zwei Polymere folgt. Es wurde beobachtet, dass diese geringen Beimischungen (in der Regel weniger als 50 Mol-% PEN) geringere Wellenlängen-Absorptionskanten aufweisen als reines PEN. Zum Beispiel weist ein Polyester mit 20 beigemischtem PEN im Vergleich zu 385 nm für reines PEN eine Absorptionskante bei 374 nm auf. Die Wellenlänge, bei der ein Film, der 20 Mol-% PEN in PET enthält, im Wesentlichen kein Licht absorbiert, beträgt, im Vergleich zu 450 nm für das reine PEN, 420 nm. Folglich stellt das als die Schicht mit hohem Index benutzte Material aus 80 Mol-% PET/20 Mol-% PEN für Anwendungen, in denen bei Wellenlängen von weniger als 420 nm im Wesentlichen kein Licht vorliegt, den Vorteil eines minimalen Abbaus bei Lichteinwirkung bereit.
Auf dem UV-Ende des Spektrums beträgt eine geeignete Absorptionskante der Materialschichten in dem Mehrschichtfilm und dem PBS vorzugsweise weniger als 380 nm, mehr bevorzugt weniger als 370 nm und sogar am meisten bevorzugt weniger als 360 nm. Auf dem IR-Ende des Spektrums beträgt eine geeignete Absorptionskante der Materialschichten in dem Mehrschichtfilm und dem PBS vorzugsweise mehr als 720 nm, mehr bevorzugt mehr als 730 nm und am meisten bevorzugt mehr als 740 nm.
Die folgenden Polymere sind zum Gebrauch als die Schicht mit niedrigem Index, wenn PET als die Schicht mit hohem Index benutzt wird, geeignet. Es ist wünschenswert, dass die Polymere mit niedrigem Index bei einer einachsigen Ausrichtung bei typischen PET-Durchsatztemperaturen isotrop bleiben Folglich weisen die Polymere mit niedrigem Index vorzugsweise eine Glasumwandlungstemperatur unter derjenigen von PET (das heißt, weniger als 80 °C) auf. Um isotrop zu bleiben, weisen diese Polymere vorzugsweise auch eine ausreichende Unregelmäßigkeit auf, um zu verhindern, dass sie während des Ausrichtungsprozesses und bei der Endbenutzungsanwendung kristallisieren. Eine sogar noch größere Unregelmäßigkeit der Polymerhauptkette als normalerweise erforderlich wäre, um die Polymerkristallisation zu verhindern, ist wünschenswert, wenn die Endbenutzungsanwendung über der Glasumwandlungstemperatur der Polymere liegt. Für die optische Leistungsfähigkeit des Mehrschichtfilms weisen diese Polymere vorzugsweise einen isotropen Brechungsindex im Bereich von 1,535 bis 1,555, mehr bevorzugt 1,540 bis 1,550 auf. Die folgende Beschreibung beschreibt geeignete Copolyester, die als Materialien mit niedrigem Brechungsindex nützlich sind, wenn PET als das Material mit hohem Brechungsindex benutzt wird.
Die Polymere mit niedrigem Brechungsindex weisen vorzugsweise die folgenden Eigenschaften auf: (1) Wärmestabilität bei PET-Schmelzverarbeitung, (2) UV-Stabilität oder UVA-Schützbarkeit, (3) eine hohe Klarheit (das heißt, eine hohe Transmission und niedrige Absorption), (4) rheologische Eigenschaften, die für ein stabiles Fließen während der Coextrusion nah genug bei PET liegen, (5) eine gute Haftung zwischen den Schichten, (6) eine niedrige Dispersion und (7) Ziehbarkeit (das heißt, die Fähigkeit, ausgerichtet zu werden) ohne Doppelbrechung.
Es ist entdeckt worden, dass Copolyester, die Terephthalat und Cyclohexandicarboxylat als Carboxylatcomonomer-Untereinheiten und Ethylenglykol, Cyclohexandimethanol und Trimethylolpropan als Glykolmonomer-Untereinheiten aufweisen, in den Mehrschichtfilmen, die PET als das Polymer mit hohem Index enthalten, als Polymere mit niedrigem Index besonders nützlich sind. Die Copolyester können mit Polyethylencyclohexandimethanolterephthalat (PCTG) vermischt werden, das von Eastman Chemical Co. erhältlich ist.
Verzweigte Comonomere wie Neopentylglykol (NPG) und 2-Butyl-2-Ethyl-1,3-Propandiol (BEDP) können für eine erhöhte Unregelmäßigkeit der Polymerhauptkette und eine reduzierte Polymerpackfähigkeit, um die Kristallisierung des Copolyesters zu unterdrücken, in den obigen Copolyester copolymerisiert werden. Es ist durch Studien der Kristallisationsgeschwindigkeit, die bei 90 ° bis 120 °C ausgeführt wurden, entdeckt worden, dass die NPG-haltigen und insbesondere die BEPD-haltigen Copolyester weit länger frei von Trübung und Kristallinität bleiben als die oben beschriebenen Copolyester ohne das Verzweigen von Comonomeren.
Geeignete Comonomere zum Gebrauch in Copolyester (coPET) oder dergleichen können des Diol- oder des Dicarbonsäure- oder Estertyps sein. Dicarbonsäurecomonomere enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf (1) Terephthalsäure, (2) Isophthalsäure, (3) Phthalsäure, (4) alle isomeren Naphthalendicarbonsäuren(2,6-, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,7-, and 2,8-), (5) Bibenzoesäuren wie 4,4'-Biphenyldicarbonsäure und ihre Isomere, Trans-4,4'-stilbendicarbonsäure und ihre Isomere, 4,4'-Diphenyletherdicarbonsäure und ihre Isomere, 4,4'-Diphenylsulfondicarbonsäure und ihre Isomere, 4,4'-Benzophenondicarbonsäure und ihre Isomere, (6) halogenierte aromatische Dicarbonsäuren wie 2-Chlorterephthalsäure und 2,5- Dichlorterephthalsäure, (7) andere substituierte aromatische Dicarbonsäuren wie tertiäre Butylisophthalsäure und natriumsulfonierte Isophthalsäure, (8) Cycloalkandicarbonsäuren wie 1,4-Cyclohexandicarbonsäure und ihre Isomere und 2,6-Decahydronaphthalendicarbonsäure und ihre Isomere, (9) bi- oder multizyklische Dicarbonsäuren wie die verschiedenen isomeren Norbornan- und Norbornendicarbonsäuren, Adamantandicarbonsäuren und Bicyclooctandicarbonsäuren, (10) Alkandicarbonsäuren wie Sebacinsäure, Adipinsäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Azelainsäure und Dodecandicarbonsäure und (11) sämtliche isomeren Dicarbonsäuren der aromatischen Kohlenwasserstoffe mit verschmolzener Ringstruktur (wie Inden, Anthracen, Pheneanthren, Benzonaphthen, Fluoren und dergleichen). Als Alternative können Alkylester dieser oben aufgezählten Dicarbonsäuren wie Dimethylterephthalat benutzt werden.
Geeignete Diolcomonomere enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf (1) lineare oder verzweigte Alkandiole oder Glykole wie Ethylenglykol, Prop andiole wie Trimethylenglykol, Butandiole wie Tetramethylenglykol, Pentandiole wie Neopentylglykol, Hexandiole, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol und höhere Diole, (2) Etherglykole wie Diethylenglykol, Triethylenglykol und Polyethylenglykol, (3) Ketten-Esterdiole wie 3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl-3-hydroxy-2,2-dimethylpropanoat, Cycloalkanglykole wie 1,4-Cyclohexandimethanol und ihre Isomere und 1,4-Cyclohexandiol und ihre Isomere, (4) bi- oder multizyklische Diole wie die verschiedenen isomeren Tricyclodecandimethanole, Norbornandimethanole, Norbornendimethanole und Bicyclooctandimethanole, (5) aromatische Glykole wie 1,4-Benzoldimethanol und ihre Isomere, 1,4-Benzoldiol und ihre Isomere, Bisphenole wie Bisphenol A, 2,2'-Dihydroxybiphenyl und ihre Isomere, 4,4'-Dihydroxymethylbiphenyl und ihre Isomere und 1,3-Bis(2-hydroxyethoxy)benzol und ihre Isomere und (6) niedrigere Alkylether oder Diether dieser Diole wie Dimethyl- oder Diethyldiole.
Tri- oder polyfunktionelle Comonomere, welche dienen können, um den Polyestermolekülen eine verzweigte Struktur zu verleihen, können auch benutzt werden. Sie können entweder des Carbonsäure-, Ester-, Hydroxy- oder Ethertyps sein. Beispiele enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Trimellithsäure und ihre Ester, Trimethylolpropan und Pentaerythritol.
Auch geeignet als Comonomere sind Monomere mit gemischter Funktionalität, enthaltend Hydroxycarbonsäuren wie Parahydroxybenzoesäure und 6-Hydroxy-2-naphthalencaronsäure und ihre Isomere und tri- oder polyfunktionelle Comonomere mit gemischter Funktionalität wie 5-Hydroxyisophthalsäure und dergleichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das coPET die folgenden Comonomere auf: 5 bis 45 Mol-% 1,4-Dimethylterephthalat, 5 bis 45 Mol-% 1,2-Ethandiol, 5 bis 45 Mol-% 1,4-Dimethylcyclohexandicarboxylat, 5 bis 45 Mol-% 1,4-Cyclohexandimethanol, 0,5 bis 5 Mol-% Trimethylolpropan, 0 bis 10 Mol-% Neopentylglykol und 0 bis 10 Mol-% 2-Butyl-2-ethyl-1,3-trimethylolpropandiol. Die Molprozentangaben (Mol-%) basieren auf der Comonomergesamtzusammensetzung.
Syndiotaktisches Polystyrol (sPS) kann auch als das Polymer mit niedrigem Index benutzt werden. Einachsig ausgerichtetes sPS ist negativ doppelbrechend und weist ein Brechungsindexdifferential von 0,08 bis 0,09 für sichtbares Licht auf. Entlang der x-Richtung wird das ausgerichtete sPS zu dem Material mit niedrigem Index, wobei ein geeignetes isotropes Material für die Schicht mit hohem Index benutzt werden kann. Der erforderliche Index für das isotrope Material liegt in der Ordnung von 1,62.
Andere Polymermaterialien können als die erste und die zweite Materialschicht benutzt werden, sofern die hierin erläuterten Kriterien erfüllt worden sind.
Verfahren zur Herstellung des Mehrschichtfilms
Der Mehrschichtfilm kann mit Hilfe eines Coextrusionsprozesses hergestellt werden und danach entweder in Reihe oder als ein getrennter Vorgang ausgerichtet werden. Der Mehrschichtfilm enthält in der Regel etwa 800 bis 1000 Schichten von Materialien mit abwechselnd hohem Index und niedrigem Index. In Kurzdarstellung weist der Coextrusionsprozess die folgenden Schritte auf.
Ein erster und ein zweiter Extruder liefern Schmelzströme des ersten und des zweiten Polymermaterials zu einem Zuführblock. US-Patentschrift Nr. 3,801,429 beschreibt einen beispielhaften und nützlichen Zuführblock. Der Zuführblock erzeugt optische abwechselnde Schichten eines ersten Materials und eines zweiten Materials. In einigen Ausführungsformen erzeugt der Zuführblock Schutzgrenzschichten (PBL), die aus dem ersten Material, dem zweiten Material oder einen anderen dritten Material sein können. Im Allgemeinen dienen die PBL dem Schutz der optischen Schichten, während der Mehrschichtfilm durch den Zuführblock verarbeitet wird, und dienen nicht als optische Schichten. Die PBL können beide Hauptoberflächen des Mehrschichtfilms oder nur eine Oberfläche schützen.
Nach Verlassen des Zuführblocks wird der Materialstrom durch einen Multiplikator geleitet. Im Allgemeinen spaltet der Multiplikator den Materialstrom in zwei Ströme und kombiniert sie durch Aufeinanderstapeln neu. Dieser Prozess verdoppelt die Anzahl der Schichten. Die US-Patentschriften Nr. 5.094,788 und 5,094,793 beschreiben einen beispielhaften und nützlichen Multiplikator. Mehr als ein Multiplikator kann benutzt werden. Der Multiplikator kann symmetrisch sein, was bedeutet, dass er den ankommenden Strom in gleiche Teile spaltet, oder asymmetrisch sein, was bedeutet, dass er den ankommenden Strom in ungleichmäßige Teile spaltet. Jeder Teil ist als ein Paket von Schichten bekannt. Das Volumenverhältnis ungleicher Pakete ist als das Multiplikatorverhältnis bekannt. Die Dicke jeder Schicht in dem ersten Paket wird durch dieses Multiplikatorverhältnis in dem zweiten Paket erhöht. Auf diese Weise kann der Wellenlängenbereich des Mehrschichtfilms erweitert werden, indem ein breiter Bereich von Schichtdickenwerten erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen fügt ein dritter Extruder nach dem Multiplikator äußere Polymerhautschichten zu dem Materialstrom hinzu. Die äußeren Hautschichten können Merkmale wie das Schützen des Mehrschichtfilms während der nachfolgenden Verarbeitung (zum Beispiel Minimieren der Möglichkeit des Verkratzens) und das Unterstützen des einachsigen Streckprozesses bereitstellen, die alle unten beschrieben werden. Hautschichten können aus dem ersten Material (hoher Index), dem zweiten Material (niedriger Index), dem dritten Material (PBL) oder einem anderen Polymer bestehen. Geeignete Polymere für Hautschichten enthalten PET, coPET, Polyethylen und Polypropylen (PP). Hautschichten sind keine optischen Schichten. Gegebenenfalls, und bei einer geeigneten Materialauswahl, so dass sich die Hautschicht nicht stark an die PBL bindet, können die Hautschichten von dem Endmehrschichtfilm vor der Anordnung in den Prismen entfernt werden.
Nach dem Multiplikator wird der Materialstrom durch eine Filmdüse geführt und das resultierende Extrudat wird auf ein Gussrad geleitet. In der Regel wird das Gussrad zum Beispiel mit gekühltem Wasser abgekühlt. In der Regel wird ein Hochspannungs-Befestigungssystem benutzt, um das Extrudat an dem Gussrad zu befestigen. Während das Extrudat auf dem Gussrad abkühlt, bildet sich der Mehrschichtfilm. Der resultierende Mehrschichtfilm enthält mindestens abwechselnde Schichten des ersten und des zweiten Materials (das heißt, die optischen Schichten). Wahlweise enthält der Mehrschichtfilm zusätzlich PBL und/oder äußere Hautschichten.
Um eine Ausrichtung der Gussbahn in die TD-Richtung zu erhalten, welche eine Entspannung (Zusammenziehen) in die MD-Richtung ermöglicht, müssen kleine Teile einzeln ausgerichtet werden, da es keinen im Handel erhältlichen Spannrahmen gibt, der ein Zusammenziehen einer kontinuierlichen Bahn in die MD ermöglicht. Die Gussbahnstücke können in einem im Handel erhältlichen Spannrahmen oder mittels eines spezialisierten Teileausrichters wie dem KARO IV von Bruckner German Technology, Deutschland, ausgerichtet werden.
Wie oben erwähnt, können die äußeren Hautschichten (der Einfachheit halber als „Häute" bezeichnet) viele Merkmale bereitstellen, insbesondere wenn sie während des Ausrichtprozesses benutzt werden. Aufgrund der zusätzlichen Filmdicke, welche die Häute bereitstellen, wird die Biegesteifheit des Films erhöht. Auf diese Weise können die Häute bei der Minimierung von Faltenbildung während des Streckprozesses helfen. Während der Nachbearbeitung, zum Beispiel während des Aufwickelns, bei der Lagerung und zukünftigen Umwandlungsschritten fungieren die Häute als eine Schutzschicht.
In einigen Ausführungsformen können die Häute für das Erreichen einer gleichmäßigen Filmdicke verantwortlich sein, was die optische Leistungsfähigkeit des Mehrschichtfilms beeinflussen kann. 6 stellt ein bestimmtes Beispiel dar, das unten in Beispiel 2 ausführlich beschrieben wird. Das Schaubild zeigt die Filmdicke als eine Funktion verschiedener Positionen entlang des Films entlang der gestreckten Richtung (MD) für einen Mehrschichtfilm, der mit Häuten (Kurve A) und ohne Häute (Kurve B) gestreckt wird. Ein Wert null auf der x-Achse gibt das Zentrum des Films an. Die Filmgesamtbreite in MD beträgt 10,5 cm für den Film aus Kurve B und etwa 9,0 cm für den Film aus Kurve A, was anzeigt, dass bestimmte Hautmaterialien bei dem Erhalt einer dimensionaleren Entspannung in die Nichtstreckrichtung helfen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Häute kristalline isotaktische Polypropylenhomopolymere oder mehr bevorzugt ein kristallines propylenhaltiges Copolymer. Der Schmelzpunkt des Hautschichtharzes beträgt 120 ° bis 160 °C, vorzugsweise 120 ° bis 150 °C und mehr bevorzugt 120 ° bis 140 °C gemäß der Messung mittels differentialer Scanningkalorimetrie (DSC). Das Hautschichtharz weist in der Regel einen Schmelzflussindex von 7 bis 18 g/10 Minuten, vorzugsweise 10 bis 14 g/10 Minuten auf, wie gemäß ASTM D1238-95 ("Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion Plastometer") bei einer Temperatur von 230 °C und einer Kraft von 21,6 N gemessen wird.
Das kristalline propylenhaltige Copolymer, das in den Hautschichten benutzt wird, enthält Copolymere von Propylen und Ethylen oder alpha-Olefin-Materialien mit zwischen 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, so dass der Propylengehalt des Copolymers größer als 90 Gew.-% ist. Ethylen-Propylen-Copolymere mit einem Ethylengehalt von 4 bis 7 Gew.-% werden besonders bevorzugt. Der Ausdruck "Copolymer" weist nicht nur das Copolymer auf, sondern auch Terpolymer und Polymere mit vier oder mehr Bestandteilpolymeren. Vorzugsweise ist das Copolymer ein statistisches Copolymer.
Das Hautschichtharz kann auch Zusatzstoffe und andere Bestandteile enthalten, die im Stand der Technik bekannt sind, wie Antioxidationsmittel, Stabilisierungsmittel, Neutralisationsmittel, Weichmacher, Farbstoffe, Schmiermittel, Verarbeitungshilfsmittel, Keimbildner, Stabilisierungsmittel für ultraviolettes Licht, antistatische Mittel und andere Mittel zur Modifizierung von Eigenschaften in einer Menge, die für jeden Fall wirksam ist.
Ein geeignetes Hautschichtharz ist ein statistisches Ethylen-Propylen-Copolymer mit einem Schmelzflussindex von 11 g/10 Minuten und einem Schmelzpunkt von 134 °C, das im Handel unter der Produktbezeichnung 8650 von Atofina Petrochemicals, Inc., Houston, Texas, erhältlich ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Benutzung eines propylenhaltigen Copolymers in den Hautschichten für das Erreichen eines Films mit geringer Trübung verantwortlich sein, wie gemäß ASTM D1003 ("Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics") gemessen wird. Nach dem Streckprozess werden die Hautschichten entfernt, wobei die Trübungswerte vorzugsweise unter 5 liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Häute von dem Mehrschichtfilm entfernt, bevor er in den PBS eingebaut wird. Durch Entfernen der Häute wird die Dicke des Endfilms vermindert, wodurch der unerwünschte Astigmatismus minimiert wird. 4b zeigt die Verlagerung des ankommenden Strahls 30b, während er durch den PBS geht. Da die Filmdicke abnimmt, nimmt auch die Verlagerung ab, wodurch der Astigmatismus minimiert wird.
Zusammenbau des PBS
Sobald der Mehrschichtfilm hergestellt ist, kann er in die Prismen mit hohem Brechungsindex eingebettet werden, um einen PBS hervorzubringen, der in dem folgenden Verfahren im Allgemeinen beschrieben wird.
Eine erste Menge Klebstoff wird abgegeben und auf einer ersten Seite des Mehrschichtfilms gleichmäßig verteilt, in der Regel während eine Saugträgerplatte den Film hält. Jeder beliebige Klebstoff kann benutzt werden, sofern sein Brechungsindex so nahe wie möglich bei demjenigen des Mehrschichtfilms in der Maschinenlaufrichtung (der Transmissions- oder y-Richtung) liegt. Die Reflexion aus der Grenzfläche zwischen der Hypotenuse des Prismas und dem Klebstoff kann durch die Benutzung einer Antireflexionsbeschichtung unterdrückt werden, jedoch kann die Reflexion aus der Grenzfläche zwischen dem Klebstoff und dem Film aufgrund der Schwierigkeit des Aufbringens solch einer Beschichtung auf den Polymerfilm nicht auf diese Weise gesteuert werden. Aus diesem Grund sollte der Indexunterschied zwischen dem Film und dem Klebstoff weniger als 0,05 und vorzugsweise weniger als 0,02 sein. Photoinitiatoren können zu dem Klebstoff hinzugefügt werden und machen ihn durch Licht härtbar. Mit dem freigelegten Klebstoff wird das erste Prisma darauf angeordnet, um eine Klebstoffdicke zu erreichen, die so gleichmäßig wie möglich ist. Durch das Abgeben eines gesteuerten Klebstoffvolumens in einem Muster und durch Benutzen einer gesteuerten Kraftmenge zum Anordnen des Prismas auf dem Film kann eine gleichmäßige Klebstoffdicke erreicht werden. Wenn der Klebstoff nass ist, weist er eine Dicke von 0,01 bis 0,1 mm, vorzugsweise etwa 0,05 mm auf. Der Klebstoff wird gehärtet, wodurch die erste Seite des Mehrschichtfilms an dem ersten Prisma befestigt wird. Wenn zu dem Klebstoff Photoinitiatoren hinzugefügt worden sind, wird die Lichtquelle, die zum Härten des Klebstoffs benutzt wird, parallel zu den freiliegenden Seiten der Prismen, das heißt, in einem Winkel von 45 ° zu dem Film, positioniert. Eine zweite Klebstoffmenge wird abgegeben und auf einer zweiten (nun freiliegenden) Seite des Mehrschichtfilms gleichmäßig verteilt. Das zweite Prisma wird darauf derart angeordnet, dass wieder eine gleichmäßige Klebstoffdicke vorliegt. Der zweite Teil des Klebstoffs wird dann gehärtet, um den PBS-Zusammenbau fertig zu stellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mehrschichtfilm etwas länger als die Hypotenusen der Prismen. Es wird auch bevorzugt, den PBS in einer Umgebung zusammenzubauen, die mit einem Feinstfilter (high efficiency particulate air = HEPA) versehen ist. Ein Fachmann kann einen automatisierten Prozess erdenken, um diesen Zusammenbauprozess zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Klebstoff zu 98 Gew.-% flüssiges Photopolymer, das im Handel unter der Produktnummer NOA61 (von Norland Company, Cranbury, New Jersey) erhältlich ist, und zu 2 Gew.-% Phosphinoxidinitiator auf, der im Handel als LUCRIN TPO-L (von BASF) erhältlich ist. Mit solch einem Klebstoff werden Lampen, die Lichter von etwa 400 nm emittieren, auf den freigelegten Seiten der Prismen angeordnet. Bei einer Nassdicke von 0,05 mm beträgt die Härtezeit 1 bis 2 Minuten. Nachdem der gesamte PBS zusammengebaut ist, kann er gegebenenfalls unter eine Stickstoffdecke mittels Halogenlampen für einen Zeitraum von zum Beispiel 10 Minuten nachgehärtet werden. Der PBS kann in einem Luftumwälzofen bei 45 °C 12 Stunden lang angeordnet werden, um die Haftung zwischen dem Mehrschichtfilm und den Prismen zu erhöhen.
Gegebenenfalls ist die Prismaoberflächen, auf welche der Film laminiert werden soll (in der Regel die Hypotenuse), oberflächenmodifiziert, um die Haftung zu erhöhen. Beispielhafte Oberflächenmodifikationen weisen die Korona-Behandlung (mit Luft, Stickstoff oder anderen angemessenen Gasen) und Plasmabehandlung auf. Gegebenenfalls kann mindestens eine der Oberflächen des Prismas mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet werden.
Ein Klebstoffbefestigungsmittel wie oben beschrieben ist ein beispielhaftes Befestigungsmittel. Andere Befestigungsmittel sind möglich.
Anwendungen
Der erfinderische Polarisationsstrahlenteiler findet als Komponente in einem optischen Abbildungssystem Anwendung. Der Ausdruck „optisches Abbildungssystem" weist Front- und Rückprojektionssysteme, Projektionsanzeigen, Head-Mounted-Displays (am Kopf angebrachte Anzeigen), virtuelle Anzeigen, Head-Up-Displays (Frontsichtanzeigen), optisches Computing, optische Korrelation und andere ähnliche Betrachtungs- und Anzeigesysteme auf.
5 stellt eine optische Anzeige oder Abbildungssystem 40 dar, das eine Lichtquelle 52 aufweist, die einen Lichtstrahl 54 bereitstellt. Die Lichtquelle 52 weist eine Lampe 51 und einen Reflektor 53 auf. Der Lichtstrahl 54 geht durch eine Beleuchtungsoptik 62, welche das Licht vorpolarisieren kann. Der Lichtstrahl 54 trifft dann auf PBS 50 auf, der den doppelbrechenden Mehrschichtfilm 64 aufweist, der in zwei Prismen 66 und 68 eingebettet ist, aus welchen der Würfel 50 besteht. Der Film 64 ist ausgerichtet, um s-polarisiertes Licht zu reflektieren. Der polarisierte Strahl 70 wird zu einem Farbteilerprisma/Farbkombiniererprisma 56 geleitet, das den polarisierten Strahl 70 in drei Unterstrahle 72, 74 und 76 teilt. Die drei Unterstrahle 72, 74 und 76 werden reflektiert und jeweils von rot-, grün- und blaureflektierenden Bildgeneratoren 82, 84 und 86 moduliert. Eine Steuerung, nicht dargestellt, kann mit den Bildgeneratoren 82, 84 und 86 verbunden werden, um ihren Betrieb zu steuern. In der Regel aktiviert die Steuerung unterschiedliche Pixel der Bildgeneratoren, um ein Bild in dem reflektierten Licht zu erzeugen. Die reflektierten und modulierten Unterstrahle werden durch den Kombinierer 56 zu kombinierten Strahlen 90 neu kombiniert. Die modulierten Komponenten der kombinierten Strahle 90 gehen durch den PBS 50 und werden als ein Bild von der Projektionslinse 92 projiziert. Die optische Anzeige 40 kann benutzt werden, um ein kompaktes Front- oder Rückprojektionssystem herzustellen.
Die Konditionierungsoptik 62 verwandelt die Eigenschaften des Lichts, das von der Quelle 52 emittiert wird, in Eigenschaften, die von dem Projektionssystem gewünscht werden. Zum Beispiel kann die Konditionierungsoptik 62 die Divergenz des Lichts, den Polarisationszustand des Lichts und das Spektrum des Lichts verändern. Die Konditionierungsoptik 62 kann zum Beispiel eine oder mehrere Linsen, einen Polarisationsumwandler, einen Vorpolarisator und/oder einen Filter aufweisen, um unerwünschtes ultraviolettes Licht oder Infrarotlicht zu entfernen. In einigen Ausführungsformen kann die Konditionierungsoptik 62 eine niedrige f-Zahl aufweisen, zum Beispiel gleich oder weniger als 2,5, um eine große Fraktion des Lichts aus der Lichtquelle 52 zu benutzen.
Eine andere Ausführungsform eines Projektionssystems 200 ist in 7 dargestellt. Das System benutzt eine Lichtquelle 210 wie eine Bogenlampe 211 mit einem gekrümmten Reflektor 213, der Licht zu der Beleuchtungsoptik 215 lenkt. In der dargestellten Ausführungsform weist die Konditionierungsoptik 215 eine Bündelungslinse 217, eine erste Mikrolinsenanordnung 219, eine zweite Mikrolinsenanordnung 221 und einen Kondensor 227. Zwischen der zweiten Mikrolinsenanordnung 221 und dem Kondensor 227 kann die Konditionierungsoptik 215 einen optionalen Polarisationsumwandler 223, zum Beispiel von der Art der Geffkcken-Ausführung aufweisen. Je nach der Umwandlungseffizienz des Polarisationsumwandlers 223 kann es vorteilhaft sein, einen optionalen Vorpolarisator 225 aufzuweisen, der dem Polarisationsumwandler 223 folgt. Das Paar Mikrolinsenanordnungen 219 und 221 empfängt nominal gebündeltes Licht aus der Bündelungslinse 217. Der Polarisationsumwandler 223 und der Vorpolarisator 225 polarisieren den Lichteinfall auf dem PBS 250 in dem gewünschten Polarisationszustand. Man wird zu schätzen wissen, dass die Beleuchtungsoptik mehr oder weniger optische Komponenten aufweisen kann als diejenigen, die für diese bestimmte Ausführungsform beschrieben worden sind. Die Mikrolinsenanordnungen 219 und 221 und der Kondensor 227 formen und homogenisieren das Licht, um die reflektierenden Bildgeneratoren 226, 228 und 230. gleichmäßig zu beleuchten. Der PBS 250 lenkt das s-polarisierte Licht zu den drei reflektierenden Bildgeneratoren 226, 228 und 230 um.
In einem System mit mehreren Bildgeneratoren trennt ein Farbprisma 236 das Licht in getrennte Farbbänder, die mit jedem Bildgenerator in Verbindung stehen. Für die dargestellte Konfiguration mit drei Bildgeneratoren trennt das Farbprisma 236 das Licht in der Regel in die primären Farbbänder: rot, grün und blau. Vermittlungslinsen wie die Feldlinsen 238, 240 und 242 können zwischen jeden Bildgenerator und das Farbprisma 236 eingefügt werden um die optische Antwort des Systems weiter zu optimieren. Die Bildgeneratoren 226, 228 und 230 modulieren den Polarisationszustand des Lichts bei Reflexion je nach der bestimmten Bildinformation auf variierende Grade. Das Farbprisma 236 kombiniert dann die roten, grünen und blauen Bilder neu und leitet das kombinierte Bildlicht zu dem PBS 250, der den Polarisationszustand des Bildes analysiert, indem er im Wesentlichen nur p-polarisiertes Licht leitet. Das s-polarisierte Licht wird zurück zu der Lichtquelle 212 geleitet. Das Licht, das durch den PBS 250 geht, wird durch das Projektionslinsensystem 234 gesammelt und kann nachfolgend auf einen Bildschirm (nicht dargestellt) zum Betrachten fokussiert werden. Ein optionaler Nachpolarisator 244 kann zwischen dem PBS 250 und dem Projektionslinsensystem 234 eingefügt werden. Man wird zu schätzen wissen, dass andere optische Konfigurationen mit einer Vielzahl von Bildgeneratoren benutzt werden können.
Beispiele
Die folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung unterschiedlicher Ausführungsformen und Details der Erfindung bereitgestellt. Obwohl die Beispiele diesem Zweck dienen, sollen die einzelnen Bestandteile und Mengen sowie andere Bedingungen und Einzelheiten nicht in einer Weise verstanden werden, in welcher der Schutzbereich dieser Erfindung unangemessen eingeschränkt würde. Sofern nicht anderweitig angegeben, sind alle Prozentangaben in Gewichtsprozent.
Bestimmung der Glasumwandlungstemperatur (T_g)
Wo in den unten erwähnten Vorbereitungsbeispielen anwendbar, wurde die T_g durch DSC gemäß ASTM D3418 mit einer Abtastgeschwindigkeit von 20 °C/Minute und durch die Entfernung des Wärmeverlaufs durch Entnehmen der zweiten wärme T_g gemessen.
Tabelle 1: Abkürzungen
Vorbereitungsbeispiel 1
Dieses Beispiel beschreibt die Synthese eines Copolyesters, welcher der Einfachheit halber als coPET-A bezeichnet wird, zum Gebrauch als die Schicht mit niedrigem Index in dem Mehrschichtfilm. Die Bestandteile, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden in einen Chargenreaktor geladen. Unter einem Druck von 0,20 MPa wurde diese Mischung auf 254 °C erwärmt, während Methanol entfernt wurde. Nachdem 45,5 kg Methanol entfernt worden sind, wurden 52 g Triethylphosphonacetat in den Reaktor geladen und danach wurde der Druck bei gleichzeitiger Erwärmung auf 285 °C schrittweise auf 133 Pa verringert.
Das Nebenprodukt der Kondensationsreaktion Ethylenglykol wurde kontinuierlich entfernt, bis ein Polymer mit einer Eigenviskosität von 0,84 dl/g hergestellt wurde, die in 60/40 Gew.-% Phenol/o-Dichlorbenzol gemessen wurde. Die folgende chemische Struktur beschreibt coPET-A.
Vorbereitungsbeispiel 2
Dieses Beispiel beschreibt die Synthese eines Copolyesters, welcher der Einfachheit halber als coPET-C bezeichnet wird, zum Gebrauch als die Schicht mit niedrigem Index in dem Mehrschichtfilm. Die Bestandteile, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden in einen Chargenreaktor geladen. Unter einem Druck von 0,20 MPa wurde diese Mischung auf 254 °C erwärmt, während Methanol entfernt wurde. Nachdem 4,1 kg Methanol entfernt worden sind, wurden 52 g Triethylphosphonacetat in den Reaktor geladen und danach wurde der Druck bei gleichzeitiger Erwärmung auf 285 °C schrittweise auf 133 Pa verringert.
Das Nebenprodukt der Kondensationsreaktion Ethylenglykol wurde kontinuierlich entfernt, bis ein Polymer mit einer Eigenviskosität von 0,82 dl/g hergestellt wurde, die in 60/40 Gew.-% Phenol/o-Dichlorbenzol gemessen wurde.
Vorbereitungsbeispiel 3
Dieses Beispiel beschreibt die Synthese eines Copolyesters, welcher der Einfachheit halber als coPET-D bezeichnet wird, zum Gebrauch als die Schicht mit niedrigem Index in dem Mehrschichtfilm. Die Bestandteile, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden in einen Chargenreaktor geladen. Unter einem Druck von 0,20 MPa wurde diese Mischung auf 254 °C erwärmt, während Methanol entfernt wurde. Nachdem 35,4 kg Methanol entfernt worden sind, wurden 57 g Triethylphosphonacetat in den Reaktor geladen und danach wurde der Druck bei gleichzeitiger Erwärmung auf 285 °C schrittweise auf 133 Pa verringert.
Das Nebenprodukt der Kondensationsreaktion Ethylenglykol wurde kontinuierlich entfernt, bis ein Polymer mit einer Eigenviskosität von 0,82 dl/g hergestellt wurde, die in 60/40 Gew.-% Phenol/o- Dichlorbenzol gemessen wurde.
Vorbereitungsbeispiel 4
Dieses Beispiel beschreibt die Synthese eines Copolyesters, welcher der Einfachheit halber als coPET-E bezeichnet wird, zum Gebrauch als die Schicht mit niedrigem Index in dem Mehrschichtfilm. Die Bestandteile, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden in einen Chargenreaktor geladen. Unter einem Druck von 0,20 MPa wurde diese Mischung auf 254 °C erwärmt, während Methanol entfernt wurde. Nachdem 33,2 kg Methanol entfernt worden sind, wurden 38 g Triethylphosphonacetat in den Reaktor geladen und danach wurde der Druck bei gleichzeitiger Erwärmung auf 285 °C schrittweise auf 133 Pa verringert.
Das Nebenprodukt der Kondensationsreaktion Ethylenglykol wurde kontinuierlich entfernt, bis ein Polymer mit einer Eigenviskosität von 0,81 dl/g hergestellt wurde, die in 60/40 Gew.-% Phenol/o-Dichlorbenzol gemessen wurde.
Vorbereitungsbeispiel 5
Ein coPET, das der Einfachheit halber als coPET-B bezeichnet wird, wurde mittels einer Mischung von 50/50 Gew.-% von coPET A und PCTG hergestellt. NMR und T_g-Daten waren für dieses Beispiel nicht verfügbar.
Tabelle 2: Bestandteile für ausgewählte Vorbereitungsbeispiele von coPET
Die obigen coPET-Beispiele wurden in einem Umluftofen bei verschiedenen Temperaturen geprüft, um gegebenenfalls den Trübungsgrad aufgrund von Kristallinität zu bestimmen. Jede Probe wurde 100 Stunden lang geprüft. Der Trübungsgrad wurde visuell mit den folgenden Abstufungen festgelegt: "keine", was eine Transmission von einfallendem Licht von mehr als 90 % bedeutet und eine sehr geringe oder nullnahe Trübung anzeigt, „gering", was eine Transmission von mehr als 75 % bedeutet und eine geringe Trübung anzeigt, „mittel", was eine Transmission von mehr als 50 % bedeutet und eine mittlere Trübung anzeigt, und „hoch", was eine Transmission von weniger als 25 bedeutet und eine hohe Trübung anzeigt. Alle Prozentangaben sind qualitativ. Nach dem Prüfen wurde jede Probe mit einer Kontrollprobe, das heißt, einer Probe, die in dem Ofen nicht ausgesetzt wurde, im Hinblick auf die Trübungsmenge verglichen. Die Trübungsdaten sind unten in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3: Trübungsgrad aufgrund Kristallinität, der sich nach 100 Stunden bei den folgenden Temperaturen entwickelte
Beispiel 1
Ein Mehrschichtfilm, der 896 Schichten enthielt, wurde durch einen Coextrusions- und Ausrichtungsprozess hergestellt, wobei PET das erste Material mit hohem Index war und coPET das zweite Material mit niedrigem Index war. Ein Zuführblockverfahren (wie das in US- Patentschrift 3,801,429 beschriebene) wurde angewendet, um etwa 224 Schichten mit einem Schichtdickenbereich zu erzeugen, der ausreichend war, um ein optisches Reflexionsband mit einer Brechungsbandbreite von 30 herzustellen. Ein ungefährer linearer Gradient in der Schichtdicke wurde für jedes Material durch den Zuführblock erzeugt, wobei das Verhältnis von der dicksten zu der dünnsten Schicht 1,30 betrug.
PET mit einer Eigenviskosität (IV) von 0,74 dl/g wurde von einem Extruder bei einer Geschwindigkeit von 56,8 kg/h zu dem Zuführblock geliefert und coPET-B (wie oben in Vorbereitungsbeispiel 5 beschrieben) wurde von einem anderen Extruder bei der gleichen Geschwindigkeit geliefert.
Diese Schmelzströme wurden zu dem Zuführblock gelenkt, um 224 abwechselnde Schichten von PET und coPET-B zu erzeugen, wobei die zwei äußersten Schichten aus coPET-B als die PBL durch den Zuführblock dienten. Die PBL waren viel dicker als die optischen Schichten, wobei erstere etwa 20 % des Gesamtschmelzstroms von coPET-B (10 % für jede Seite) enthielten.
Der Materialstrom wurde dann durch einen asymmetrischen Zweifachmultiplikator geleitet (wie in US-Patentschriften 5,094,788 und 5,094,793 beschrieben). Das Dickenverhältnis des Multiplikators betrug etwa 1,25:1. Jeder Satz von 224 Schichten weist das ungefähre Schichtdickenprofil auf, das von dem Zuführblock erzeugt wurde, wobei die Gesamtdicken-Skalierungsfaktoren durch den Multiplikator und die Filmextrusionsgeschwindigkeiten bestimmt werden. Der Materialstrom wird dann durch einen zweiten asymmetrischen Zweifachmultiplikator mit einem Multiplikatorverhältnis von etwa 1,55:1 geleitet.
Nach den Multiplikatoren wurden die äußersten Hautschichten aus Polypropylen (PP) (Atofina Petrochemicals, Inc., Produktnr. 8650) zu dem Schmelzstrom hinzugefügt. Das PP wurde einem dritten Extruder bei einer Geschwindigkeit von 28,6 kg/h zugeführt. Danach wurde der Materialstrom durch eine Filmdüse und auf ein wassergekühltes Gussrad geleitet. Die Einlasswassertemperatur auf dem Gussrad betrug 8 °C. Ein Hochspannungs-Befestigungssystem wurde benutzt, um das Extrudat an dem Gussrad zu befestigen. Der Befestigungsdraht war etwa 0,10 dick und eine Spannung von etwa 6,4 kV wurde angewendet. Der Befestigungsdraht wurde manuell von einem Anwender 3 bis 5 mm von der Bahn bei dem Kontaktpunkt mit dem Gussrad positioniert, um eine ebenmäßige Erscheinung für den resultierenden Mehrschichtfilm zu erhalten. Die Gussradgeschwindigkeit wurde für eine präzise Steuerung der Endfilmdicke eingestellt.
Der PP-Extruder und die damit verbundenen Schmelzprozessgeräte wurden bei 254 °C gehalten. Der PET- und der co-PET-B-Extruder, der Zuführblock, die Hautschichtmodule, der Multiplikator, die Düse und die damit verbundenen Schmelzprozessgeräte wurden bei 266 °C gehalten.
Eine Probe von 7 Inch mal 10 Inch (17,8 × 25,4 cm) des Mehrschichtfilms wurde zur einachsigen Streckung in einen standardgemäßen Filmspannrahmen geladen. Das Gussbahnstück wurde wie für kontinuierlich ausgerichtete Filme von den Spannrahmenklammern an den Kanten gepackt. Der Film in der Nähe der Klammern kann sich in der MD nicht zusammenziehen, da die Zwischenräume der Spannrahmenklammern festgelegt sind, da jedoch die Bahn an den Vorder- und Hinterkanten nicht begrenzt war, zog sie sich in der MD zusammen, wobei das Zusammenziehen umso stärker war, je größer der Abstand von den Klammern war. Wenn das Seitenverhältnis groß genug ist, ist das Zentrum der Probe dazu fähig, sich für eine genaue einachsige Ausrichtung vollständig zusammenzuziehen, das heißt, wenn das Zusammenziehen der Quadratwurzel des TD-Streckverhältnisses entsprach.
Die Probe wurde in die TD mit einem Ausgangsklammerabstand von 8 Inch (20,3 cm) auf einen Endklammerabstand von 56 Inch (142 cm) gestreckt, wobei sie danach bei der Strecktemperatur auf 51 Inch (129,5 cm) entspannt wurde. Die Streckung wurde bei einer Spannrahmentemperatur von 98,9 °C und bei einem Streckverhältnis von 6:1 und einer Streckgeschwindigkeit von 5 cm/Sek. ausgeführt. Die Ausgangs- und die Endteilgröße war aufgrund des ungestreckten Materials innerhalb der Klammern nicht die gleiche wie das Streckverhältnis (6:1).
Der einachsig ausgerichtete Mehrschichtfilm wurde in ein Teil von 39 mm mal 58 mm geschnitten. Dieses Teil wurde zwischen zwei 45 °-Glasprismen mit einem Brechungsindex von 1,85 laminiert, so dass der Film entlang der Hypotenuse lag. Jedes Prisma wies zwei Grundlinien von 40 mm mit einer Hypotenuse von 57 mm auf. Alle freigelegten Flächen des Prismas wurden vorher mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet.
Um für die Extinktion des PBS Versuchswerte zu erhalten, wurde der Film mit nur einem Bestandteil eines Epoxids aus zwei Bestandteilen laminiert, so dass die Bindung nicht dauerhaft war, um eine Wiederverwendung der Prismen zu ermöglichen.
Der resultierende PBS wurde in einem Perkin Elmer Lambda-19-Spektralphotometer (erhältlich von Perkin Elmer Instruments, Norwalk, CT) gemessen, wobei die Würfelfläche um –10 ° bezüglich des einfallenden Lichtstrahls ausgerichtet war. Der negative Winkel bezeichnete Einfallswinkel, die bezüglich des Films in dem Würfel weniger als 45 Grad betrugen. Für einen Würfel mit einem Index von 1,85 entsprechen –10 ° einem Einfallswinkel von 39,6 Grad auf den Film. Der Spektralphotometerstrahl wurde mit einem Glan-Thompson-Polarisator polarisiert, der derart ausgerichtet war, dass s-polarisiertes Licht auf den Film in dem Würfel einfiel. Die Messung erzeugte ein Extinktionsspektrum oder eine optische Dickte des PBS (log₁₀ der Transmission), wie in Schaubild 1 dargestellt. Die durchschnittliche Extinktion betrug etwa 3,0, was einem Kontrast von 1000:1 entspricht. In dem gleichen Schaubild wurde das Extinktionsspektrum eines unbearbeiteten Films in Luft bei senkrechtem Einfall dargestellt. Schaubild 1 zeigt eine bedeutende Zunahme der Extinktion für den in Luft gemessenen Film im Vergleich zu der Extinktion, die bei einem relativ kleinen Winkel in dem PBS erhalten wurde. Für einfallendes Licht bei –13 ° auf die PBS-Fläche oder 38 ° auf den Mehrschichtfilm nahm der Kontrast ab, lag jedoch immer noch über 300:1. Für einen senkrechten Einfall und positive Einfallswinkel auf die PBS-Fläche ist das Reflexionsvermögen theoretisch höher, jedoch wurde keine bedeutende Erhöhung auf dem Lambda-19-Instrument gemessen. Dieses Ergebnis kann auf der Restschicht von gestreutem Licht aus dem PBS-Film beruhen oder auf dem Rauschpegel des Spektralphotometers. In Schaubild bedeutet „s-Pol" s-polarisiert.
Die gemessene Trübung des Films nach der Entfernung der Häute betrug nur 1,4 % im Vergleich zu etwa 15 % in Beispiel 2 unten. Die Häute in diesem Beispiel weisen eine niedrige Schmelztemperatur (134 °C im Vergleich zu der Schmelztemperatur der Häute aus Beispiel 2) auf. Die Trübung wurde mit einem Haze-Gard-Plus-Instrument von BYK-Gardner, Columbia, MD, gemessen.
Die Schrumpfung betrug nach 15 Minuten bei 85 °C 0,13 %.
Schaubild 1
Beispiel 2
Dieses Beispiel erläutert einen 90/10-coPEN/PETG- Mehrschichtfilm mit und ohne PP-Häute. 6 zeigt einige der Vorteile der Benutzung von Hautschichten während der einachsigen Ausrichtung.
Ein PBS wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der folgenden Veränderungen. In dem Mehrschichtfilm war das Material mit hohem Index ein Copolymer von Polyethylennaphthalat und PET bei einem Gewichtsverhältnis von jeweils 90 zu 10 (der Einfachheit halber als 90/10-coPEN bezeichnet) und das Material mit niedrigem Index war PETG (Polyethylencyclohexandimethanolterephthalat), das im Handel bei Eastman Chemicals Company erhältlich ist.
Das 90/10-coPEN wurde von einem Extruder bei einer Geschwindigkeit von 39 kg/h und das PETG wurde von einem anderen Extruder bei einer Geschwindigkeit von 63 kg/h zu dem Zuführblock geliefert. Diese Schmelzströme wurden zu dem Zuführblock gelenkt, um die optischen coPEN- und PETG-Schichten zu erzeugen, wobei die zwei äußersten Schichten aus PETG als die PBL durch den Zuführblock dienten.
Nach den Multiplikatoren wurden die äußersten PP-Hautschichten (Atofina Petrochemicals Inc., Produktnr. 3652) mittels eines dritten Extruders bei einer Geschwindigkeit von 45,5 kg/h hinzugefügt.
Die Schmelzprozessgeräte wurden bei 266 °C gehalten.
Die Mehrschicht-Gussbahn, welche die optischen Schichten und die PETG-PBL enthielt, war 0,32 mm dick (ohne Haut). Die Hautschichten betrugen 0,038 mm auf jeder Seite. Die Mehrschicht-Gussbahnen mit Häuten und ohne Häute wurden in Proben von 10 Inch mal 10 Inch (25,4 cm × 25,4 cm) geschnitten und in einem Spannrahmen bei 138 °C mit einem Streckverhältnis von 6 zu 1 ausgerichtet. Die Auswirkung der Hautschichten auf die MD-Entspannung ist durch die Schaubilder in 6 dargestellt. Proben von 10 mal 10 Inch, die mit den Propylenhäuten gestreckt wurden, wiesen eine gleichmäßigere Filmdicke und eine MD-Endabmessung auf, die kleiner ist als die der Proben mit der gleichen Anfangsgröße, die jedoch ohne Häute gestreckt wurden. Das erhöhte Zusammenziehen stellt eine kleinere Differenz zwischen n_y und n_z in den doppelbrechenden Schichten bereit.
Die Proben wurden auch in Teile von 7 mal 10 Zoll geschnitten und mit den 7 Inch in die MD-Richtung in den Spannrahmen geführt. Die Proben ohne PP-Häute bildeten mit wenigen Ausnahmen Falten, wohingegen diejenigen mit den PP-Häuten flache Filmprüflinge hervorbrachten. Nach der Entfernung der Häute nach dem Strecken betrug die mit dem Haze-Gard Plus gemessene Trübung des Films etwa 15 %. Man nimmt an, dass der Großteil dieser Trübung auf der Oberflächenrauheit beruht, welche von den Häuten verliehen wird, wobei sie durch die Indexanpassung der äußeren Film-PBL und des Klebstoffs, der zum Laminieren des Films an den Prismen benutzt wird, bedeutend reduziert werden kann. Für die gleiche Indexanpassung kann jedoch eine viel geringere Trübung erhalten werden, wenn das Hautmaterial aus Beispiel 1 benutzt wird.
Die Schrumpfung betrug nach 15 Minuten bei 85 °C 0,13%.
Beispiel 3
Ein Mehrschichtfilm, der 896 Schichten enthielt, wurde durch ein Coextrusions- und Ausrichtungsverfahren hergestellt, wobei das umgeesterte Ergebnis der In-Situ-Extrusion des Zuführens der Mischung aus 20 Mol-% PEN und 80 Mol-% PET das erste Material mit hohem Index war und coPET-B das zweite Material mit niedrigem Index war. Ein Zuführblockverfahren (wie das in US-Patentschrift 3,801,429 beschriebene) wurde angewendet, um etwa 224 Schichten mit einem Schichtdickenbereich zu erzeugen, der ausreichend war, um ein optisches Reflexionsband mit einer Fraktionsbandbreite von 30% herzustellen. Ein ungefährer linearer Gradient in der Schichtdicke wurde für jedes Material durch den Zuführblock erzeugt, wobei das Verhältnis von der dicksten zu der dünnsten Schicht 1,30 betrug.
PET mit einer anfänglichen Eigenviskosität (IV) von 0,74 dl/g wurde bei einer Geschwindigkeit von 43,1 kg/h in einen Extruder gegeben und PEN mit einer anfänglichen Viskosität von 0,50 dl/g wurde gleichzeitig bei einer Geschwindigkeit von 13,7 kg/h in den gleichen Extruder gegeben. Die umgeesterte Mischung von PET und PEN wurde von diesem Extruder bei einer kombinierten Geschwindigkeit von 56,8 kg/h zu dem Zuführblock geliefert und coPET-B (wie oben in Vorbereitungsbeispiel 5 beschrieben) wurde von einem anderen Extruder 56,8 kg/h geliefert.
Diese Schmelzströme wurden zu dem Zuführblock gelenkt, um 224 abwechselnde Schichten einer umgeesterten Mischung von PET und PEN und coPET-B zu erzeugen, wobei die zwei äußersten Schichten aus coPET-B als die PBL durch den Zuführblock dienten. Die PBL waren viel dicker als die optischen Schichten, wobei erstere etwa 20 % des Gesamtschmelzstroms von coPET-B (10 % für jede Seite) enthielten.
Der Materialstrom wurde dann durch einen asymmetrischen Zweifachmultiplikator geleitet (wie in US-Patentschriften 5,094,788 und 5,094,793 beschrieben). Das Dickenverhältnis des Multiplikators betrug etwa 1,25:1. Jeder Satz von 224 Schichten weist das ungefähre Schichtdickenprofil auf, das von dem Zuführblock erzeugt wurde, wobei die Gesamtdicken-Skalierungsfaktoren durch den Multiplikator und die Filmextrusionsgeschwindigkeiten bestimmt werden. Der Materialstrom wird dann durch einen zweiten asymmetrischen Zweifachmultiplikator mit einem Multiplikatorverhältnis von etwa 1,55:1 geleitet.
Nach den Multiplikatoren wurden die äußersten Hautschichten aus Polypropylen (PP) (Atofina Petrochemicals, Inc., Produktnr. 3652) zu dem Schmelzstrom hinzugefügt. Das PP wurde einem dritten Extruder bei einer Geschwindigkeit von 28,6 kg/h zugeführt. Danach wurde der Materialstrom durch eine Filmdüse und auf ein wassergekühltes Gussrad geleitet. Die Einlasswassertemperatur auf dem Gussrad betrug 8 °C. Ein Hochspannungs-Befestigungssystem wurde benutzt, um das Extrudat an dem Gussrad zu befestigen. Der Befestigungsdraht war etwa 0,10 dick und eine Spannung von etwa 6,4 kV wurde angewendet. Der Befestigungsdraht wurde manuell von einem Anwender 3 bis 5 mm von der Bahn bei dem Kontaktpunkt mit dem Gussrad positioniert, um eine ebenmäßige Erscheinung für den resultierenden Mehrschichtfilm zu erhalten. Die Gussradgeschwindigkeit wurde für eine präzise Steuerung der Endfilmdicke eingestellt.
Der PP-Extruder und die damit verbundenen Schmelzprozessgeräte wurden bei 254 °C gehalten. Der PET/PEN- und der co-PET-B-Extruder, der Zuführblock, die Hautschichtmodule, der Multiplikator, die Düse und die damit verbundenen Schmelzprozessgeräte wurden bei 266 °C gehalten.
Eine Probe von 7 Inch mal 10 Inch (17,8 × 25,4 cm) des Mehrschichtfilms wurde zur einachsigen Streckung in einen standardgemäßen Filmspannrahmen geladen. Das Gussbahnstück wurde wie für kontinuierlich ausgerichtete Filme von den Spannrahmenklammern an den Kanten gepackt. Der Film in der Nähe der Klammern kann sich in der MD nicht zusammenziehen, da die Zwischenräume der Spannrahmenklammern festgelegt sind, da jedoch die Bahn an den Vorder- und Hinterkanten nicht begrenzt war, zog sie sich in der MD zusammen, wobei das Zusammenziehen umso stärker war, je größer der Abstand von den Klammern war. Wenn das Seitenverhältnis groß genug ist, ist das Zentrum der Probe dazu fähig, sich für eine genaue einachsige Ausrichtung vollständig zusammenzuziehen, das heißt, wenn das Zusammenziehen der Quadratwurzel des TD-Streckverhältnisses entsprach.
Die Probe wurde in die TD mit einem Ausgangsklammerabstand von 8 Inch (20,3 cm) auf einen Endklammerabstand von 56 Inch (142 cm) gestreckt, wobei sie danach bei der Strecktemperatur auf 51 Inch (129,5 cm) entspannt wurde. Die Streckung wurde bei einer Spannrahmentemperatur von 102,8 °C be einem nominalen Streckverhältnis von 6:1 und einer Streckgeschwindigkeit von 5 cm/Sek. ausgeführt. Das Endziehverhältnis betrug etwas 6,3 in den Mittelabschnitt des Teils aufgrund eines leicht geringeren Ziehens in der Nähe der Klammern, die auf 52 °C aktiv gekühlt waren.
Der einachsig ausgerichtete Mehrschichtfilm wurde in ein Teil von 39 mm mal 58 mm geschnitten. Dieses Teil wurde zwischen zwei 45 °-Glasprismen mit einem Brechungsindex von 1,85 laminiert, so dass der Film entlang der Hypotenuse lag. Jedes Prisma wies zwei Grundlinien von 40 mm mit einer Hypotenuse von 57 mm auf. Alle freigelegten Flächen des Prismas wurden vorher mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet.
Die optische Leistungsfähigkeit war derjenigen des Films aus Beispiel 1 ähnlich. Die Schrumpfung betrug nach 15 Minuten bei 85 °C 0,13 %.

Claims

Polarisationsstrahlenteiler, aufweisend: (a) einen doppelbrechenden Film (10) mit einer Durchgangsachse, wobei der doppelbrechende Film (10) mehrere Schichten aus mindestens einer ersten Materialschicht (12) und einer zweiten Materialschicht (14) aufweist, wobei jede Materialschicht eine erste Absorptionskante von weniger als 380 nm und eine zweite Absorptionskante größer als 720 nm aufweist, wobei die Absorptionskante als die Wellenlänge definiert ist, bei der die Transmission in Luft bei senkrechtem Einfall 10 % für einen 0,1 mm dicken Film beträgt, wobei mindestens eine der Materialschichten (12, 14) isotrop ist; und (b) mindestens ein Prisma (22, 24) mit einem Brechungsindex größer als 1,6.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1, aufweisend ein erstes rechtwinkliges Prisma (22) und ein zweites rechtwinkliges Prisma (24), wobei das erste rechtwinklige Prisma (22) und das zweite rechtwinklige Prisma (24) so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen einen Würfel bilden, und wobei ferner der doppelbrechende Film (10) zwischen dem ersten rechtwinkligen Prisma (22) und dem zweiten rechtwinkligen Prisma (24) so angeordnet ist, dass er entlang der Diagonalen des Würfels liegt.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1, wobei das Prisma (22, 24) aus Glas, Polymer oder Keramik ist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1, wobei die erste Materialschicht (12) ein Polymer ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat und einem umgeesterten Copolymer von Polyethylenterephthalat und Polyethylennaphthalat ist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 4, wobei das umgeesterte Copolymer von Polyethylenterephthalat und Polyethylennaphthalat, bezogen auf das gesamte erste Material, weniger als 50 Mol-% Polyethylennaphthalat enthält.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1, wobei das zweite Material (14) aus einer Gruppe bestehend aus Copolyester und syndiotaktischem Polystyrol ausgewählt ist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 6, wobei der Copolyester 1,4-Dimethylterephthalat, 1,2-Ethandiol, 1,4-Dimethylcyclohexandicarboxylat, 1,4-Cyclohexandimethanol und Trimethylolpropan aufweist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 7, wobei der Copolyester ferner Neopentylglykol und 2-Butyl-2-ethyl-1,3-propandiol aufweist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 8, wobei der Copolyester etwa 5 bis 45 Mol-% 1,4-Dimethylterephthalat, etwa 5 bis 45 Mol-% 1,2-Ethandiol, etwa 5 bis 45 Mol-% 1,4-Dimethylcyclohexandicarboxylat, etwa 5 bis 45 Mol-% 1,4-Cyclohexandimethanol, etwa 0,5 bis 5 Mol-% Trimethylolpropan, etwa 0 bis 10 Mol-% Neopentylglykol und etwa 0 bis 10 Mol-% 2-Butyl-2-ethyl-1,3-propandiol aufweist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 7, ferner aufweisend Polyethylencyclohexandimethanolterephthalat.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1 mit einem Kontrastverhältnis größer als etwa 300 zu 1.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1 mit einem Kontrastverhältnis größer als 1000 zu 1.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Befestigungsmittel, das zwischen dem Prisma (22, 24) und dem doppelbrechenden Film (10) angeordnet ist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 13, wobei das Befestigungsmittel ein Kleber mit einem Brechungsindex innerhalb von 0,05 Einheiten von demjenigen des Films in der Lichtdurchlassrichtung ist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 13, wobei das Befestigungsmittel ein Kleber mit einem Brechungsindex innerhalb von 0,02 Einheiten von demjenigen des Films in der Lichtdurchlassrichtung ist.
Polarisationsstrahlenteiler nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Materialschichten (12, 14) Doppelbrechung zeigt.
Optisches Gerät, aufweisend: (a) den Polarisationsstrahlenteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei ein erster Weg durch den Polarisationsstrahlenteiler (50) für Licht in einem ersten Polarisationszustand definiert ist, und (b) mindestens einen Bildgenerator, der so angeordnet ist, dass er Licht zurück auf den Polarisationsstrahlenteiler (50) reflektiert, wobei Teile des durch den mindestens einen Bildgenerator empfangenen Lichts polarisationsgedreht sind, wobei sich polarisationsgedrehtes Licht entlang eines zweiten Wegs von dem Bildgenerator und durch den Polarisationsstrahlenteiler hindurch ausbreitet.
Optisches Gerät nach Anspruch 17, ferner aufweisend eine Lichtquelle (52), um das Licht zu erzeugen, und Lichtkonditionierungsoptik, um das Licht zu konditionieren, bevor es den Polarisationsstrahlenteiler erreicht.
Optisches Gerät nach Anspruch 17, ferner aufweisend ein Projektionslinsensystem, um Bildlicht aus dem mindestens einen Bildgenerator zu projizieren.
Projektionssystem (200), aufweisend: (a) eine Lichtquelle (210), um Licht zu erzeugen; (b) Konditionierungsoptik (215), um Licht von der Lichtquelle (210) zu konditionieren; (c) einen Bildgebungskern, um dem konditionierten Licht aus der Konditionierungsoptik (215) ein Bild einzuprägen, um Bildlicht zu bilden, wobei der Bildgebungskern den Polarisationsstrahlenteiler (250) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und mindestens einen Bildgenerator aufweist, und (d) ein Projektionslinsensystem (234), um das Bildlicht aus dem Bildgebungskern zu projizieren.