DE69430323T2

DE69430323T2 - Optischer polarisator

Info

Publication number: DE69430323T2
Application number: DE69430323T
Authority: DE
Inventors: M. Jonza; J. Ouderkirk; A. Stover; F. Weber
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2014-12-21
Also published as: BR9408379A; JPH09507308A; KR100344364B1; DE69430323D1; KR960706646A; CA2179625C; EP1126292A3; EP1126292A2; EP0736187A1; IL112072A0; EP0736187B1; WO1995017691A1; JP3621415B2; ES2171182T3; CA2179625A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung ist ein verbesserter optischer Polarisator.

Hintergrund

Eine optisch polarisierende Folie wird in breitem Maße für eine die Blendung reduzierende Sonnenbrille, zur Erhöhung des optischen Kontrasts und in Flüssigkristallanzeigen (LCD) verwendet. Der am gebräuchlichsten verwendete Typ von Polarisator, der bei diesen Anwendungen verwendet wird, ist ein zweifarbiger (dichroitischer) Polarisator. Dichroitische Polarisatoren werden hergestellt, indem man einen Farbstoff in eine Polymerfolie einfügt, die in einer Richtung verstreckt ist. Dichroitische Polarisatoren können auch durch uniaxiales Verstrecken eines halbkristallinen Polymers wie Polyvinylalkohol, anschließendes Färben des Polymers mit einem Iodkomplex oder einem dichroitischen Farbstoff oder durch Beschichtung eines Polymers mit einem orientierten dichroitischen Farbstoff hergestellt werden. Diese Polarisatoren haben typischerweise ein Extinktionsverhältnis (das Durchlässigkeitsverhältnis von Licht, das senkrecht zu der Verstreckungsrichtung polarisiert wurde, zu demjenigen, das parallel zur Verstreckungsrichtung polarisiert wurde) von mehr als 500 : 1. Dichroitische Polarisatoren weisen normalerweise eine gewisse Absorption von Licht auf, das in der Orientierung mit hoher Durchlässigkeit polarisiert wurde. Verluste in dieser Orientierung betragen typischerweise 10 bis 20%.
Handelsübliche Polarisatoren verwenden Polyvinylalkohol als Polymermatrix für den Farbstoff, jedoch können andere Polymere verwendet werden. Das US Patent 4 756 953 beschreibt die Verwendung von Polyethylennaphthalat als Polymermatrix.
Reflektierende Polarisatoren mit niedrigem Profil in Folienform sind erhältlich, die Licht einer Polarisationsrichtung reflektieren und dasjenige der anderen durchlassen. Diese Polarisatoren sind beim Durchlassen von Licht der Polarisation mit hoher Durchlässigkeit häufig wirksamer. Dies ist auf die Verwendung eines nicht absorbierenden dielektrischen Stapels zur Lichtpolarisation zurückzuführen. Diese Polarisatoren haben häufig ein gleiches Reflexionsvermögen für Licht, das von beiden Seiten auf die Folie einfällt. Diese Typen von Polarisatoren haben häufig auch einige Defekte, wie Austritt von Licht durch lokalisierte Bereiche der Folie und ein unvollständiges Reflexionsvermögen der Polarisation hoher Extinktion über den Wellenlängenbereich von Bedeutung. Dieses Austreten von Licht und das unvollständige Reflexionsvermögen werden oft Farbenschillern (Irideszenz) genannt.
WO 94/11776 bezieht sich auf eine Strahlungsenergiekonservierungs-LCD- Anzeige, umfassend ein Filter, das vor einer Hintergrundbeleuchtung (backlight) angeordnet ist, um gefiltertes Lichtvorgegebener Frequenzen durchzulassen und Licht aus einem Band herauszureflektieren, anstatt es zu absorbieren. Der Filter schließt einen reflektierenden Polarisator zum Durchlassen eines Lichts, das eine erste Polarisation aufweist, und zur Reflexion von Licht, das eine zweite Polarisation aufweist, ein. EP 0 488 544 bezieht sich auf doppelbrechende Mehrschichten- Interferenz-Polarisatoren, bei denen ein nicht absorbierender dielektrischer Stapel zur Polarisation von Licht verwendet wird. DE-A-41 21 861 offenbart einen doppelbrechenden Interferenz-Polarisator, der eine hohe Helligkeit aufweist.
Eine Klassifizierung von Polarisatoren und eine Definition von Drahtgitter-Polarisatoren wird in E. Hecht/A. Zajac Handbook "Optics", 6. Aufl. 1980, Addison-Wesley Publishing Company, S. 225 to 230 bereitgestellt. Drahtgitter-Polarisatoren werden in G. Bird und M. Parrish, "The Wire Grid as a Near-Infrared Polarizer", J. Opt. Soc. of Am., Bd. 50, S. 886 bis 891, 1960 beschrieben.

Zusammenfassung

Ein reflektierender Polarisator und ein dichroitischer Polarisator werden kombiniert, um einen verbesserten optischen Polarisator bereitzustellen. Der reflektierende Polarisator enthält wenigstens ein doppelbrechendes Material. Der dichroitische Polarisator und der reflektierender Polarisator liegen in enger Nachbarschaft zueinander vor und sind vorzugsweise miteinander verbunden, damit der Luftspalt zwischen den Polarisatoren eliminiert wird. Die Kombination der zwei Polarisatoren stellt eine hohe Durchlässigkeit für Licht einer ersten Polarisation und ein hohes Reflexionsvermögen für Licht einer zweiten senkrechten Polarisation von der Seite des reflektierenden Polarisators des optischen Polarisators und eine hohe Durchlässigkeit für Licht der ersten Polarisation und eine hohe Absorption für Licht der zweiten, senkrechten Polarisation von der dichroitischen Polarisatorseite bereit. Das Farbenschillern, das in Transmission und beim Betrachten in Reflexion von der Seite des dichroitischen Polarisators gesehen wird, ist auch reduziert, verglichen mit dem alleinigen reflektierenden Polarisator. Diese Reduktion des Farbenschillerns ist nützlich, um das Aussehen der optischen Anzeigen, das Extinktionsverhältnis optischer Polarisatoren und die optische Gleichmäßigkeit einer Anzeige zu verbessern. Die Kombination der zwei Polarisatoren erzeugt eine Antireflexion auf der Seite des reflektierenden Polarisators in enger Nachbarschaft zu dem dichroitischen Polarisator.
Das erhöhte Extinktionsverhältnis und das geringe Reflexionsvermögen des vorliegenden Polarisators ermöglicht die Verwendung eines dichroitischen Polarisators mit einem geringeren Extinktionsverhältnis bei Anwendungen, die ein vorgegebenes Extinktionsverhältnis erfordern. Indem man das Extinktionsverhältnis reduziert, das für einen dichroitischen Polarisator benötigt wird, können die Absorptionsverluste in dem dichroitischen Polarisator für durchgelassene Strahlen reduziert werden. Somit hat der vorliegende optische Polarisator verbesserte Extinktionsverhältnisse in Transmission für Strahlen, die von einer beliebigen Seite des vorliegenden optischen Polarisators eintreten, eine geringe Reflexionsintensität für Strahlen, die teilweise durch den dichroitischen Polarisator durchgelassen werden, welche durch den reflektierenden Polarisator reflektiert werden, und geringere Absorptionsverluste, verglichen mit einem alleinigen dichroitischen Polarisator.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die verschiedenen Zwecke, Merkmale und Vorteile des vorliegenden optischen Polarisators werden besser verstanden, wenn man die folgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen liest und versteht, wobei:
Fig. 1 den vorliegenden optischen Polarisator zeigt, der einen reflektierenden Polarisator und einen dichroitischen Polarisator, der unmittelbar neben demselben angeordnet ist, einschließt;
Fig. 2 einen bevorzugten reflektierenden Mehrschichtenpolarisator zeigt, an den ein dichroitischer Polarisator geklebt ist;
Fig. 3 eine Ausführungsform einer Anzeige zeigt, in die ein reflektierender Polarisator und ein dichroitischer Polarisator eingebaut sind;
Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer Anzeige zeigt, in die ein reflektierender Polarisator und ein dichroitischer Polarisator eingebaut sind;
Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer Anzeige zeigt, in die zwei kombinierte reflektierende Polarisatoren und ein dichroitischer Polarisator eingebaut sind;
Fig. 6 eine Flüssigkristallanzeige zeigt, in die ein reflektierender Polarisator und ein dichroitischer Polarisator eingebaut sind;
Fig. 7 einen Zweischichtenstapel von Folien zeigt, die eine einzige Grenzfläche bilden;
die Fig. 8 und 9 Kurven des Reflexionsvermögens gegen Winkel für ein uniaxial doppelbrechendes System in einem Medium eines Index von 1,60 zeigen;
die Fig. 10 Kurven des Reflexionsvermögens gegen Winkel für ein uniaxial doppelbrechendes System in einem Medium eines Index von 1,0 zeigt;
die Fig. 11, 12 und 13 verschiedene Beziehungen zwischen In-der Ebene- Indizes und dem z-Index für ein uniaxial doppelbrechendes System zeigen;
Fig. 14 das außeraxiale Reflexionsvermögen gegen die Wellenlänge für zwei unterschiedliche uniaxial doppelbrechende Systeme zeigt;
Fig. 15 den Effekt des Einführens eines y-Index-Unterschieds in eine biaxial doppelbrechende Folie zeigt;
Fig. 16 den Effekt des Einführens eines z-Index-Unterschieds in eine biiaxial doppelbrechende Folie zeigt;
Fig. 17 ein Diagramm von Umrisslinien zeigt, das die Informationen aus den Fig. 10 und 11 zusammenfasst;
die Fig. 18 bis 23 die optische Leistungsfähigkeit von Mehrschichtenspiegeln zeigt, die in den Spiegel-Beispielen angegeben sind; und die Fig. 24 bis 27 die optische Leistungsfähigkeit von Mehrschichtenpolarisatoren zeigt, die in den Polarisator-Beispielen angegeben sind.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt einen optischen Polarisator 10, der zwei primäre Komponenten aufweist. Diese sind ein dichroitischer Polarisator 11 und ein reflektierender Polarisator 12. Die zwei Polarisatoren sind ausgerichtet, um eine maximale Durchlässigkeit bereitzustellen. Die Kombination der zwei Polarisatoren stellt eine hohe Durchlässigkeit für Licht einer ersten Polarisation und ein hohes Reflexionsvermögen für Licht einer zweiten, senkrechten Polarisation von der Seite des reflektierender Polarisators des optischen Polarisators und eine hohe Durchlässigkeit für Licht der ersten Polarisation und eine hohe Absorption für Licht der zweiten, senkrechten Polarisation von der dichroitischen Polarisatorseite bereit.
Bei der Anwendung werden die kombinierten Polarisatoren auf einer Seite oder beiden Seiten der nach außen stehenden Flächen beleuchtet. Der Strahl 13 ist von einer Polarisation, die vorzugsweise durch den reflektierenden Polarisator 12 reflektiert wird, um den Strahl 14 zu bilden. Licht des Strahls 13, das durch den reflektierenden Polarisator 12 durchgelassen wird, bildet den Strahl 15, der durch den dichroitischen Polarisator 11 geschwächt wird. Der Lichtstrahl 16, der senkrecht zu Strahl 13 polarisiert ist, wird vorzugsweise durch den reflektierenden Polarisator 12 durchgelassen und wird durch den dichroitischen Polarisator 11 leicht geschwächt. Strahl 17 weist eine Polarisation auf, die vorzugsweise durch den dichroitischen Polarisator 11 absorbiert wird und die auch vorzugsweise die gleiche Polarisation aufweist wie der Strahl 13. Der Anteil des Lichts von Strahl 17, der durch den dichroitischen Polarisator 11 durchgelassen wird, wird durch Reflexion weg vom reflektierenden Polarisator 12 weiter geschwächt, wobei der Strahl 18 gebildet wird, der weiterhin durch den dichroitischen Polarisator 11 absorbiert wird. Der Lichtstrahl 19, der senkrecht zum Strahl 17 polarisiert ist und der die gleiche Polarisation wie Strahl 16 aufweist, wird vorzugsweise sowohl durch den dichroitischen Polarisator als auch die reflektierenden Polarisatoren 11 bzw. 12 durchgelassen.
Der dichroitische Polarisator 11 liegt typischerweise in enger Nachbarschaft zu dem reflektierenden Polarisator 12 vor. Vorzugsweise sind sie miteinander verbunden, um den Luftspalt zwischen den Polarisatoren zu eliminieren, wie in Fig. 2 gezeigt wird.
Der bevorzugte und erläuternde reflektierende Polarisatorkörper 12, der in Fig. 2 gezeigt wird, besteht aus alternierenden Schichten (ABABA...) zweier unterschiedlicher polymerer Materialien. Diese werden als Material "(A)" und Material "(B)" in den Zeichnungen und in der Beschreibung bezeichnet. Die zwei Materialien werden zusammen extrudiert, und das sich ergebende Mehrschichten (ABABA...)- Material wird entlang einer Achse (X) verstreckt (5 : 1) und entlang der anderen Achse (Y) nicht merklich verstreckt (1 : 1). Die X-Achse wird als die "Verstreckungsrichtung bezeichnet, während die Y-Achse als "Quer"richtung bezeichnet wird.
Das Material (8) hat einen nominellen Brechungsindex (1,64 z. B.), der durch das Verstreckungsverfahren nicht wesentlich verändert wird. Das Material (A) hat die Eigenschaft, dass sein Brechungsindex durch das Verstreckungsverfahren verändert wird. Z. B. hat eine uniaxial verstreckte Folie des Materials (A) einen Brechungsindex (z. B. 1,88), der mit der Verstreckungsrichtung verbunden ist, und einen unterschiedlichen Brechungsindex (z. B. 1,64), der mit der Querrichtung verbunden ist. Per Definition ist der Brechungsindex, der mit der In-der-Ebene- Achse (eine Achse parallel zur Oberfläche der Folie) verbunden ist, der wirksame Brechungsindex für linear polarisiertes, einfallendes Licht, dessen Polarisationsebene parallel zu dieser Achse vorliegt.
Somit zeigt nach dem Verstrecken das Mehrschichtenstapel (ABABA...)-Material einen größen Brechungsindex-Unterschied zwischen Schichten (1,88 minus 1,64), der mit der Verstreckungsrichtung verbunden ist. Demgegenüber sind in der Querrichtung die assoziierten Brechungsindizes zwischen Schichten im Wesentlichen gleich (1,64 und 1,64 im Beispiel). Diese optischen Eigenschaften bewirken, dass das Mehrschichtenlaminat als reflektierender Polarisator wirkt, der die Polarisationskomponente des einfallenden Licht durchlässt, die in Bezug auf die Achse 22 korrekt orientiert wird. Die Achse 22 ist als die Durchlässigkeitsachse definiert. Das Licht, das aus dem reflektierenden Polarisatorkörper 12 austritt, wird als ein solches bezeichnet, dass eine erste Polarisationsorientierung aufweist.
Das Licht, das nicht durch den reflektierenden Polarisatorkörper 12 hindurchgeht, hat eine Polarisationsorientierung, die orthogonal oder senkrecht zur ersten Orientierung vorliegt. Licht, dass diese Polarisationsorientierung aufweist, erfährt den Indexunterschied, was eine Reflexion dieses Lichts ergibt. Dies definiert eine sogenannte "Extinktions"achse 24. Auf diese Weise lässt der reflektierende Polarisatorkörper 12 Licht durch, das eine ausgewählte Polarisation aufweist.
Die optische Leistungsfähigkeit des reflektierenden Polarisatorkörpers 12 hängt teilweise von der optischen Dicke der verschiedenen Schichten ab. Sowohl Konstruktionen dicker Folien als auch dünner Folien sind brauchbar. Wenn die Schicht optische Dicken aufweist, die viele Lichtwellenlängen lang sind, dann sind diese optischen Eigenschaften von Natur aus breitbandig. Wenn die Schichten eine optische Dicke von weniger als einer Lichtwellenlänge haben, dann kann die Verstärkung ausgenutzt werden, um die optische Leistungsfähigkeit des reflektierenden Polarisatorkörpers 12 bei ausgewählten Wellenlängen zu verbessern.
Die in den Beispielen beschriebene Herstellungsweise kann gleichmäßige Schichten erzeugen, die eine optische Dicke haben, welche geringer ist als die Lichtwellenlänge im sichtbaren Spektrum. Eine Verstärkung erfolgt, wenn Paare von Schichten (A, B) eine halbe Wellenlänge des einfallenden Lichts (A+B = λ/2) hinzufügen. Diese Halbe-Wellenlängen-Bedingung ergibt eine Schmalband-Verstärkung bei der beabsichtigten Wellenlänge. Eine optische Breiband-Leistungsfähigkeit kann erreicht werden, indem man mehrere Schmalbandstapel laminiert oder anderweitig koppelt. Z. B. kann eine erste Gruppe 38 von Schichten, welche die gleiche Dicke (A+B = λ/2) haben, auf eine zweite Gruppe 41, die eine unterschiedliche Dicke (A+B = λ'/2) hat, laminiert werden. Der Klarheit wegen wird nur eine kleine Anzahl von Schichten in Fig. 2 gezeigt, obwohl typischerweise Hunderte von Schichten (ABAB...) übereinander gestapelt werden können, um eine wirksame Breiband- Empfindlichkeit zu erreichen. Vorzugsweise sollte der reflektierende Polarisatorkörper 12 so konstruiert sein, dass er Licht in allen Winkeln und Wellenlängen von Bedeutung reflektiert.
Die Herstellung des Mehrschichtenstapels beinhaltet oft "Haut"schichten, die den Mehrschichtenstapel umgeben. Typischerweise besteht diese Hautschicht aus entweder aus Polymer "A" oder Polymer "B", und sie ist dicker als die Wellenlänge des Lichts.
Die optische Leistungsfähigkeit und Gleichmäßigkeit eines reflektierenden Polarisators kann durch Zugabe eines dichroitischen Polarisators unmittelbar neben wenigstens einer Seite des Mehrschichtenstapels oder durch Einbau eines dichroitischen Polarisators in wenigstens eine der Schichten in dem Mehrschichtenstapel verbessert werden. In einer solchen Konfiguration ist die Durchlässigkeitsachse 27 des dichroitischen Polarisators 11 vorzugsweise auf die Durchlässigkeitsachse 22 des reflektierenden Polarisators 12 ausgerichtet. Wenn der dichroitische Polarisator 11 sich auf einer Seite des reflektierenden Polarisators 12 befindet, wie in Fig. 1 gezeigt wird, wird die Reflexion des Lichtstrahls 17 auf der dichroitischen Polarisatorseite aufgrund der Schwächung des reflektierten Strahls 18 durch den dichroitischen Polarisator 11 reduziert, im Vergleich zu der Reflexion des Strahls 17 weg vom reflektierenden Polarisator 12 ohne dichroitischen Polarisator 11. Das Reflexionsvermögen des Strahls 13 weg vom reflektierenden Polarisator 12 wird durch den dichroitischen Polarisator 11 nicht wesentlich beeinflusst. Dadurch wird ein optischer Polarisator 10 gebildet, der auf wenigstens einer Seite reflexmindernd ist. Eine Antireflexion (Reflexionsminderung) auf einer Seite des optischen Polarisators 10 ist in Anzeigen brauchbar, insbesondere bei bestimmten Hintergrundbeleuchtungs (backlit)-Displays, bei denen die reflektierte Polarisation verwendet werden kann, um die Anzeigehelligkeit zu erhöhen, während die andere Seite - die Betrachtungsseite - des Polarisators kein Licht reflektieren muss. Das Farbenschillern, wie es in Transmission in beliebigen Richtungen gesehen wird, und das Farbenschillern, wenn es in Reflexion von der dichroitischen Polarisatorseite aus gesehen wird, wird durch die Zugabe des dichroitischen Polarisators 11 reduziert. Diese Reduktion des Farbenschillerns ist brauchbar, um das Aussehen der Anzeige, das Extinktionsverhältnis des Polarisators und die optische Gleichmäßigkeit der Anzeige zu verbessern.
Die Konfiguration der in Fig. 1 gezeigten dichroitischen und reflektierenden Polarisatoren erzeugt einen optischen Polarisator mit hoher Wirksamkeit. Die Kombination von dichroitischem Polarisator 11 mit dem reflektierenden Polarisator 12 ergibt einen optischen Polarisator 10, der ein höheres Extinktionsverhältnis für durchgelassenes Licht aufweist als derjenige, der unter alleiniger Verwendung des dichroitischen Polarisators hergestellt wird. Diese Konfiguration erzeugt auch ein geringes Reflexionsvermögen für Strahl 17 von der dichroitischen Polarisatorseite her aufgrund der Schwächung des reflektierten Strahls 18 durch den dichroitischen Polarisator 11. Für Anwendungen, bei denen ein gegebenes Extinktionsverhältnis und eine hohe Durchlässigkeit notwendig sind, ermöglichen das erhöhte Extinktionsverhältnis und das geringe Reflexionsvermögen des optischen Polarisators 10 die Verwendung eines dichroitischen Polarisators 11, der eine geringere Extinktion der ersten Polarisation aufweist, als eine solche, die man sonst verwenden könnte. Durch Verringerung der Extinktion, die für den dichroitischen Polarisator (11) notwendig ist, können die Absorptionsverluste im Polarisator 11 für die durchgelassenen Strahlen 16 und 19 reduziert werden. Somit hat der optische Polarisator 10 verbesserte Extinktionsverhältnisse in Transmission für das Strahlenpaar 17 und 19 und das Strahlenpaar 13 und 16, eine geringe Reflexionsintensität für den Strahl 18, der von dem reflektierenden Polarisator 12 wegreflektiert wird, und geringere Absorptionsverluste, als man sie unter alleiniger Verwendung eines dichroitischen Polarisators erreichten könnte. Die bevorzugte Extinktion für den dichroitischen Polarisator 11 zur Verwendung in Flüssigkristall-Displays ist 10 bis 99, 99%, mehr bevorzugt 50 bis 99%, mehr bevorzugt 60 bis 97% und am meisten bevorzugt 70 bis 95%. Die bevorzugte Extinktion für den reflektierenden Polarisator ist 20 bis 99, 99%, mehr bevorzugt 50 bis 99,9% und am meisten bevorzugt 90 bis 99%.
Reflektierende Polarisatoren können eine gewisse dielektrische Interferenz in der zweiten Polarisation bei entweder normalen oder anormalen Winkeln oder beiden haben. Diese Reflexion kann aufgrund des reflektierten Blendlichts und der Schwächung von durchgelassenem Licht der zweiten Polarisation Probleme ergeben. Ein wirksamer dichroitischer Polarisator, der - wie in Fig. 1 gezeigt wirdausgerichtet ist, schwächt nur geringfügig diese Reflexion. Bei bestimmten Anwendungen ist diese Reflexion annehmbar. Im allgemeinen hat der reflektierende Polarisator jedoch vorzugsweise eine minimale Reflexion in der zweiten Polarisation über den Bereich optischer Winkel, die in der Vorrichtung verwendet werden (nominell +/-45º für ein TFT- oder STN-Flüssigkristalldisplay). Im allgemeinen wird es bevorzugt, dass die Reflexion des reflektierenden Polarisators von linear polarisiertem Licht der zweiten Polarisation geringer als 20% ist, mehr bevorzugt geringer als 10% und am meisten bevorzugt geringer als 5%. Dieses Reflexionsvermögen ist der Durchschnittswert für den Wellenlängenbereich und den verwendeten Winkelbereich von Bedeutung für spezielle oder allgemeine Anwendungen. Es wird auch bevorzugt, dass das Reflexionsvermögen des reflektierenden Polarisators für linear polarisiertes Licht der ersten Polarisation über Winkel orthogonal zur Extinktionsachse in Bezug zur normalen Richtung beibehalten wird. Es wird bevorzugt, dass das Reflexionsvermögen der ersten Polarisation auf nicht weniger als 30% bei dem maximalen Winkel von Interesse reduziert wird, mehr bevorzugt 60% beträgt, und am meisten bevorzugt wird, dass das Reflexionsvermögen beibehalten wird oder bei anormalen Winkeln über den Winkelbereich von Interesse erhöht wird.
Die reflektierenden und dichroitischen Polarisatoren können verschiedene Kombinationen von Breitband- und Schmalband-Polarisatoren sein. Z. B. kann ein reflektierender Schmalband-Polarisator mit einem dichroitischen Polarisator mit einer Extinktion über den gleichen Bandbereich kombiniert werden. Diese Kombination kann verwendet werden, um Polarisatoren in den Rot-, Grün-, Blau-, Cyan-, Magenta- oder Gelb-Banden mit höherer Extinktion und überlegener Farbdefinition - verglichen mit einem gefärbten dichroitischen Polarisator- herzustellen. Andere Kombinationen schließen die Verwendung eines reflektierenden Breitband- Polarisators mit dichroitischen Polarisatoren mit ungleichmäßiger Extinktion im sichtbaren Spektrum ein. Z. B. haben bestimmte Polyvinylalkohol/Iod-Polarisatoren eine ausgezeichnete Extinktion im grünen und roten Teil des Spektrums und eine geringere im blauen Teil. Dieser Polarisator kann mit einem reflektierenden Breitband-Polarisator kombiniert werden, um eine gute Extinktion im blauen Wellenlängenbereich bereitzustellen. Eine ungleichmäßige optische Extinktion kann auch brauchbar sein, um die optische Leistungsfähigkeit der kombinierten Polarisatoren zu erhöhen. Z. B. kann die maximale radiometrische Durchlässigkeit aus der Kombination von reflektierenden und dichroitischen Polarisatoren mit minimalem Licht-Reflexionsvermögen erhalten werden, indem man einen dichroitischen Polarisator mit einer relativ hohen Absorption im grünen Bereich und einer geringeren Absorption im blauen und roten Bereich verwendet. Eine ungenügende Extinktion in dem reflektierenden Polarisator bei normalen und anormalen Winkeln kann auch durch eine Erhöhung der Extinktion des dichroitischen Polarisators in den notwendigen Spektralbereichen kompensiert werden. Z. B. kann ein reflektierender Polarisator, der eine ungenügende Extinktion für rotes Licht der zweiten Polarisation bei anormalen Winkeln aufweist, durch die Verwendung eines dichroitischen Polarisators mit relativ hoher Extinktion im roten Bereich kompensiert werden.
Der dichroitische Polarisator 11 kann in den optischen Polarisator 10 eingefügt werden, indem man den reflektierenden Polarisator und den dichroitischen Polarisator in dem gleichen optischen Pfad anordnet, oder indem man sie mit einem Klebstoff zusammenpresst. Der dichroitische Polarisator 11 kann mit dem reflektierenden Polarisator 12 vor der Orientierung verbunden werden, indem man wenigstens eine Schicht einer Mischung von dichroitischem Farbstoff und Polymer auf die gegossene Mehrschichtenfolie extrudiert oder an dieselbe laminiert, indem man einen dichroitische Farbstoff dem Polymerharz einer oder mehrerer der Hautschichten des reflektierenden Mehrschichtenpolarisators zufügt, oder indem man Harz einer oder mehrerer der Schichten in dem Mehrschichtenstapel zufügt. Mehrschichten-Extrusionstechniken erlauben es auch, die Verteilung des dichroitischen Farbstoffs in den einzelnen Schichten, die den optischen Stapel ausmachen, maßzuschneidern. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass der Farbstoff in Bereichen von größter Nützlichkeit angeordnet wird. Z. B. kann ein Farbstoff vorzugsweise in Bereichen maximaler oder minimaler "E"-Feld-Intensität in dem optischen Stapel konzentriert werden. Durch eine geeignete Auswahl des dichroitischen Farbstoffs und der Polymermatrix ergibt das Verstrecken der sich ergebenden Folie gleichzeitig den dichroitischen Polarisator und den reflektierenden Polarisator in der richtigen Orientierung.
Anthrachinon- und Azofarbstoffe sowie andere dichroitische Farbstoffmaterialien können als dichroitischer Farbstoff verwendet werden. Bei einigen Anwendungen braucht der Farbstoff nicht stark dichroitisch zu sein, wenn er orientiert ist. Bei Anwendungen, bei denen eine relativ hohe Absorption beider Polarisationen notwendig ist, z. B. -eine Sonnenbrille oder in Anzeigen, die eine reduzierte Blendung erfordern, können ein weniger dichroitischer Farbstoff oder ein nicht dichroitischer Farbstoff in roten Bereich verwendet werden.
Der dichroitische Polarisator 11 kann an eine Seite oder beide Seiten eines reflektierenden Polarisators angegliedert werden, indem man eine Lösung von Polyvinylalkohol auf die gegossene (nicht orientierte) Mehrschichtenfolie aufträgt und gleichzeitig den reflektierenden Mehrschichten-Polarisator und den dichroitischen Polarisator bildet. Die gegossene Folie kann vor dem Beschichten mit einer Haftgrundierung versehen werden, und zwar durch Lösungsbeschichtung auf eine anorganische oder polymere Primerschicht, durch Corona-Behandlung oder physikalische Behandlung. Ein geeigneter Primer auf Lösungsbasis für diese Anwendung sind wasserlösliche Copolyester, die üblicherweise zum Grundieren von Polyethylenterephthalatfolien verwendet werden, wie im US Patent 4 659 523 beschrieben wird. Die Polyvinylalkohol-Beschichtungslösung sollte zwischen 2 und 20 Gew.-% Polymer in Wasser enthalten; wobei die bevorzugte Konzentration zwischen 5 und 15 Gew.-% liegt. Der Polyvinylalkohol sollte einen Hydrolysegrad zwischen 95 und 100%, vorzugsweise zwischen 97 und 99,5% aufweisen. Das Beschichtungsgewicht sollte von 2 bis 80 g/m² reichen. Die gegossene, mit Polyvinylalkohol beschichtete Folie wird dann bei erhöhten Temperaturen verstreckt, um orientierten Polyvinylalkohol und den reflektierenden Mehrschichten- Polarisator auszubilden. Diese Temperatur liegt vorzugsweise über der Glasübergangstemperatur wenigstens einer der Komponenten des reflektierenden Mehrschichten-Polarisators. Im allgemeinen sollte die Temperatur zwischen 80 und 160 ºC, vorzugsweise zwischen 100 und 160 ºC liegen. Die Folie auf das 2fache bis 10fache ihrer ursprünglichen Größe verstreckt werden. Vorzugsweise wird die Folie auf das 3fache bis 6fache ihrer ursprünglichen Größe verstreckt. Die Folie kann sich in der Quer-Verstreckungsrichtung von der natürlichen Reduktion der Querverstreckung auf ihre ursprüngliche Größe entspannen (gleich der Quadratwurzel des Verstreckungsverhältnisses), die ihre aufgenötigt wurde (d. h. keine wesentliche Änderung in den Querverstreckungsmaßen). Die Folie kann in der Maschinenrichtung mit einer Längenorientierungsvorrichtung, in der Breite unter Verwendung eines Spannrahmens oder in diagonalen Winkeln verstreckt werden. Die orientierte Polyvinylalkohol-Beschichtung wird dann entweder mit Färbungslösungen auf Iodbasis, Färbungslösungen auf Farbstoffbasis oder Kombination der zwei Lösungen gefärbt und - falls es notwendig ist - mit geeigneten Lösungen, wie Borsäure und Borax in Wasser stabilisiert. Solche Färbungs- und Fixierungstechniken sind in der Technik bekannt. Nach dem Trocknen der Folie kann der dichroitische Polarisator geschützt werden, indem man auf klebende Weise daran eine Schutzfolie laminiert, wie Polymere auf Cellulosebasis, Acrylat-Polymere, Polycarbonat-Polymere, einen auf Lösung basierenden oder strahlungsgehärteten Klebstoff auf Acrylat-Basis oder nichtklebende Beschichtungen, Folien auf Polyethylenterephthalatbasis oder Polyesterbasis oder eine zusätzliche Folie aus reflektierender Polarisatorfolie. In Fällen, in denen der Zustand der polarisierten Lichtstrahlen, die von der dichroitischen Polarisatorseite her in den Polarisator 10 eintreten oder aus demselben austreten; nichtkritisch ist, können doppelbrechende Polymere, wie biaxial orientiertes Polyethylenterephthalat, als Schutzschicht verwendet werden.
Ein dichroitischer Polarisator, der zur Verwendung in der Erfindung geeignet ist, wird in den US Patenten 4 895 769 und 4 659 523 beschrieben. Die in diesen Patenten beschriebenen Polarisatoren können mit dem reflektierenden Polarisator kombiniert werden, indem man vorzugsweise die Polyvinylalkohol-Seite des Polarisators auf klebende Weise mit dem reflektierenden Polarisator verbindet. Der dichroitische Polarisator kann aus relativ dünnen Polyvinylalkohol-Schichten (d. h. weniger als 4,5 g/m²) bestehen. Dünne Schichten haben eine geringere Absorption der Polarisation senkrecht zu der Verstreckungsrichtung, sie haben aber dennoch eine gute Extinktion in der ersten Polarisation, wenn die Achse hoher Durchlässigkeit in Bezug auf die Achse hoher Durchlässigkeit eines reflektierenden Polarisators ausgerichtet ist. Dünne Schichten lassen sich auch schneller verarbeiten.
Andere optische Folien können für bestimmte Anwendungen an dem Polarisator 10 befestigt werden oder im optischen Pfad des Polarisators 10 verwendet werden. Beispiele dieser optischen Folien schließen die folgenden ein: kreisförmige oder elliptische Diffusoren, die die Polarisation entweder beibehalten oder randomisieren, hart beschichtete Folien, Entspiegelungsfolien, strukturierte Antiblendungsfolien, Kompensationsfolien oder -strukturen (die z. B. in Flüssigkristalldisplays verwendet werden) und optische Phasenverschieber, die üblicherweise verwendet werden, um lineares Licht in elliptisch oder kreisförmig polarisiertes Licht umzuwandeln.
Die bevorzugte Schicht "A" des reflektierenden Mehrschichten-Polarisators ist ein kristalliner Naphthalindicarbonsäurepolyester, wie Polyethylennaphthalat (PEN), und die bevorzugte Schicht "B" ist ein Copolyester von Naphthalindicarbonsäure und Terephthalsäure (CoPEN). PEN und ein Copolyester aus 70 Teilen Naphthalat/30 Teilen Terephthalat (CoPEN) können in Standard-Polyesterharzgefäßen unter Verwendung von Ethylenglycol als Diol hergestellt werden. Ein befriedigender, aus 204 Schichten bestehender Polarisator wurde durch Extrusion von PEN und CoPEN in einem 51-Schlitz-Beschickungsblock und anschließende Verwendung von Zweischichten-Verdopplungsvervielfältigern in Serie in Extrusion hergestellt. Die Vervielfältiger teilen das extrudierte Material, das aus dem Beschickungsblock austritt, in zwei Ströme halber Breite, dann stapeln sie die Ströme halber Breite übereinander. Solche Vervielfältiger sind in der Technik bekannt. Die Extrusion wurde bei etwa 295 Dc durchgeführt. PEN wies eine Grenzviskosität von 0,50 dl/g auf, und CoPEN wies eine Grenzviskosität von 0,60 dl/g auf. Die Extrusionsrate für das PEN-Material war 22,5 1b/h, Die Extrusionsrate für das CoPEN-Material war 16,5 1b/h. Die gegossene Bahn hatte eine Dicke von etwa 0,0038 inch und wurde mit einem Verhältnis von 5 : 1 uniaxial in der Längsrichtung verstreckt, wobei die Seiten bei einer Lufttemperatur von 140 0C während des Verstreckens gehalten wurden. Außer für die äußeren Hautschichten waren alle PEN/CoPEN-Schichtenpaare so konstruiert, dass sie eine optische Dicke einer 1/2 Wellenlänge für eine Designwellenlänge von 550 nm hatten.
Zwei 204-Schichten-Polarisatoren, die hergestellt wurden, wie oben beschrieben ist, wurden dann unter Verwendung eines Klebstoffs per Hand laminiert. Vorzugsweise sollte der Brechungsindex des Klebstoffs mit dem Brechungsindex der isotropen CoPEN-Schicht übereinstimmen.
Der Polarisator der Erfindung hat wenigstens einen dichroitischen Polarisatorbereich und einen reflektierenden Polarisatorbereich (wie in Fig. 1 gezeigt wird). Andere Kombinationen sind auch geeignet, einschließlich Polarisatoren, die entweder dichroitische/reflektierende/dichroitische Bereiche oder reflektierende/dichroitische/reflektierende Bereiche aufweisen.
Fig. 3 zeigt die Kombination aus reflektierendem Polarisator 12 und dichroitischem Polarisator 11, wie sie in einer Anzeige in Transmission verwendet wird. Der Flüssigkristallmodul 52 schaltet die Polarisation des durchgelassenen Lichts, das durch die Hintergrundbeleuchtung 54 bereitgestellt wird, durch einen konventionellen dichroitischen Polarisator 53. In diesem Modus führt der reflektierende Polarisator wenigstens einen Teil des Lichts der ersten Polarisation, das durch das Flüssigkristallmodul 52 geleitet wurde, zurück zur Hintergrundbeleuchtung. Dieses Licht kann durch die Hintergrundbeleuchtung rezirkuliert werden und zur Erhöhung der Helligkeit der Anzeige verwendet werden.
Fig. 4 zeigt die Verwendung der kombinierten Polarisatoren 11 und 12 als Rückseiten-Polarisator in einer Anzeige in Transmission. In diesem Modus kann der reflektierende Polarisator die Helligkeit einer Anzeige verstärken, indem er das Licht der ersten Polarisation, das durch den rückseitigen dichroitischem Polarisator in einer herkömmlichen Anzeige üblicherweise absorbiert werden würde, zurückführt.
Fig. 5 zeigt die kombinierten Polarisatoren 11 und 12, die sowohl als Vorderseiten- als auch als Rückseiten-Polarisatoren in einer Anzeige verwendet werden. Die in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigten Anzeigen können in einem transflektierendem Modus verwendet werden, indem man einen partiellen Reflektor zwischen der Hintergrundbeleuchtung und den rückseitigen Polarisator einbaut, und derselbe kann als reflektierende Anzeige verwendet werden, indem man die Hintergrundbeleuchtung durch einen reflektierenden Film ersetzt.
Die meisten Flüssigkristallmodule 52, wie solche, die in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt werden, schließen im allgemeinen eine dünne Schicht aus flüssigkristallinem Material ein, das sandwichartig zwischen zwei Glasschichten angeordnet ist. Um die Parallaxe zu minimieren, kann die in Fig. 6 gezeigte Konfiguration verwendet werden. Darin sind die kombinierten Polarisatoren 11 und 12 zwischen dem Flüssigkristall 56 und den Glasschichten 58 und 59 des Flüssigkristallmoduls 52 angeordnet. Indem man die kombinierten Polarisatoren auf diese Weise anordnet, wird die Parallaxe, die ansonsten in verschiedenen Graden in Abhängigkeit von der Dicke der Glasschichten eingeführt werden kann, eliminiert:

Beispiel 1

Der dichroitisch polarisierende Film der Polaroid Corporation, Modell Nr. HN-88, wurde gegen den reflektierenden Mehrschichten-Polarisator gelegt, der gebildet wurde, wie oben diskutiert wurde. Die Polarisatoren wurden für eine maximale Durchlässigkeit einer Polarisation ausgerichtet. Die Kombination des dichroitischen Polarisators und des reflektierenden Polarisators eliminierte das sichtbare Farbenschillern des reflektierenden, polarisierenden Films beim Betrachten in Transmission in allen Richtungen. Der dichroitische Polarisator eliminierte auch das reflektierte sichtbare Farbenschillern von dem reflektierenden Polarisator beim Betrachten durch den dichroitischen Polarisator. Dieses Beispiel zeigt, dass die Kombination eines dichroitischen Polarisators und eines reflektierenden Polarisator die Gleichmäßigkeit des reflektierenden Polarisators verbessert.

Beispiel 2

Das Reflexionsvermögen und die Durchlässigkeit des optischen Polarisators des Beispiels 1 wurden mit einem Lambda 9-Spektrophotometer bei 550 nm unter Verwendung eines Probenstrahls gemessen, der mit einem dichroitischen Polarisator von Melles-Grior, Modellnummer 03-FPG-009 polarisiert wurde. Die Messungen des Reflexionsvermögens erfolgten unter Verwendung einer Ulbrichtschen Kugel. Separate Messungen des Reflexionsvermögens erfolgten mit Proben, die zuerst mit einem weißen, diffusen Reflektor gestützt wurden und dann mit einer schwarzen Rückschicht versehen wurden. Die Durchlässigkeit der kombinierten Polarisatoren betrug 65,64%, nachdem sie in dem Spektrophotometer auf eine maximale Durchlässigkeit ausgerichtet wurden, und dann 0,05%, nachdem sie auf minimale Durchlässigkeit ausgerichtet wurden. Wenn der dichroitische Polarisator der Ulbrichtschen Kugel gegenübersteht und eine absorbierende Rückschicht verwendet wird, betrug das Reflexionsvermögen der kombinierten Polarisatoren 13,26%, nachdem sie auf eine maximale Durchlässigkeit ausgerichtet wurden, und 4,37%, nachdem sie auf minimale Durchlässigkeit ausgerichtet wurden. Das maximale und das minimale Reflexionsvermögen der kombinierten Polarisatoren war 99,22% bzw. 16,58%, wenn der reflektierende Polarisator der Ulbrichtschen Kugel gegenübersteht. Die obigen Messungen wurden mit einem weißen Reflexionsstandard hinter der Probe wiederholt. Das Reflexionsvermögen der kombinierten Polarisatoren, wobei der dichroitische Polarisator der Ulbrichtschen Kugel gegenübersteht, war 47, 47%, wenn dieselben auf ein maximales Reflexionsvermögen ausgerichtet wurden, und 4,41%, wenn dieselben auf ein minimales Reflexionsvermögen ausgerichtet wurden. Das maximale und das minimale Reflexionsvermögen der kombinierten Polarisatoren war 99,32% bzw. 36,73%, wenn der reflektierende Polarisator der Ulbrichtschen Kugel gegenübersteht. Dieses Beispiel zeigt, dass die Kombination der zwei Polarisatoren eine Seite des reflektierenden Polarisators auf wirksame Weise entspiegelt, ohne dass das Reflexionsvermögen der anderen Seite des reflektierenden Polarisators wesentlich beeinflusst wird.

Beispiel 3

Die Durchlässigkeit des dichroitisch polarisierenden Films der Polaroid Corporation, Modell Nr. HN-88 und des reflektierenden Polarisators des Beispiels 1 wurden bei 430 nm gemessen, wobei die im Beispiel 2 beschriebene Arbeitsweise verwendet wurde. Die Durchlässigkeit des dichroitischen Polarisators, wobei die Probe zu dem Probenstrahl über Kreuz polarisiert ist, war 0,63%. Die Durchlässigkeit des reflektierenden Polarisators war unter den gleichen Bedingungen 48%. Die Durchlässigkeit der Kombination der zwei Polarisatoren, die auf eine minimale Durchlässigkeit ausgerichtet wurden, war 0,31%. Dieses Beispiel zeigt, dass die Extinktion eines dichroitischen Polarisators erhöht werden kann, indem man einen reflektierenden Polarisator in einem optischen Pfad einschließt.
Obwohl der bevorzugte reflektierende Polarisatorkörper 12 als ein Mehrschichtenstapel polymerer Materialien beschrieben wurde, sollte klar sein, dass derselbe durch andere reflektierende Polarisatoren ersetzt werden könnte, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Andere reflektierende Polarisatoren schließen die folgenden ein: Cholesterin- Flüssigkristall-Polarisatoren, in denen ein optischer Phasenverschieber verwendet wird, der zwischen dem reflektierenden Polarisator und dem dichroitischen Polarisator angeordnet ist, geneigte optische prismatische und nichtprismatische Mehrschichten-Polarisatoren und Polarisatoren einer Beugung erster Ordnung.

Optisches Verhalten von Mehrschichtenstapeln

Das optische Verhalten eines Mehrschichtenstapels, wie eines solchen, der oben gezeigt wird, wird nun in allgemeinerer Form beschrieben. Der Mehrschichtenstapel kann Hunderte oder Tausende von Schichten einschließen, und jede Schicht kann aus einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Materialien bestehen. Die Eigenschaften, welche die Auswahl der Materialien für einen bestimmten Stapel bestimmen, hängen von der erwünschten optischen Leistungsfähigkeit des Stapels ab.
Der Stapel kann so viele Materialien enthalten, wie Schichten in dem Stapel vorliegen. Für eine einfache Herstellung enthalten bevorzugte optische Dünnfilmstapel nur einige wenige unterschiedliche Materialien. Zum Zwecke der Erläuterung werden in der vorliegenden Diskussion Mehrschichtenstapel beschrieben, die zwei Materialien einschließen.
Die Grenzen zwischen den Materialien oder chemisch identischen Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften können abrupt oder stufenförmig sein. Außer in einigen einfachen Fällen mit analytischen Lösungen wird die Analyse des letzteren Typs von schichtförmigen Medien mit kontinuierlich variierendem Index üblicherweise als eine sehr viel größere Anzahl von dünneneren gleichmäßigen Schichten behandelt, die abrupte Grenzen haben, aber nur eine kleine Änderung der Eigenschaften zwischen benachbarten Schichten aufweisen.
Das Reflexionsverhalten bei jedem Einfallswinkel - aus jeder Azimuthalrichtung - wird durch die Brechungsindizes in jeder Folienschicht des Folienstapels bestimmt. Wenn wird annehmen, dass alle Schichten in dem Folienstapel die gleichen Verfahrensbedingungen erhalten, dann brauchen wir nur eine einzige Grenzfläche eines Zweikomponentenstapels zu betrachten, um das Verhalten des gesamten Stapels als eine Winkelfunktion zu verstehen.
Um die Diskussion zu vereinfachen wird daher das optische Verhalten einer einzigen Grenzfläche beschrieben. Es gilt jedoch, dass ein tatsächlicher Mehrschichtenstapel gemäß den zwei hierin beschriebenen Prinzipien aus Hunderten oder Tausenden von Schichten hergestellt werden könnte. Um das optische Verhalten einer einzigen Grenzfläche, wie einer solchen, die in Fig. 7 gezeigt wird, zu beschreiben, wird das Reflexionsvermögen als Funktion des Einfallswinkels für s- und p-polarisiertes Licht für eine Einfallebene, die die z-Achse und eine optische In-der-Ebene-Achse einschließt, aufgetragen.
Fig. 7 zeigt aus zwei Materialien bestehen Folienschichten, die eine einzige Grenzfläche bilden, wobei beide in ein anisotropes Medium des Index n&sub0; eingetaucht sind. Der Vereinfachung halber bezieht sich die vorliegende Diskussion auf ein orthogonales Mehrschichten-Doppelbrechungssystem, wobei die optischen Achsen der beiden Materialien ausgerichtet sind und eine optische Achse (z) senkrecht zur Folienebene vorliegt, und die anderen optischen Achsen entlang der x- und der y- Achse vorliegen. Es gilt jedoch, dass die optischen Achsen nicht orthogonal zu sein brauchen und nicht orthogonale Systeme voll im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen. Es gilt ferner, dass die optischen Achsen auch nicht so ausgerichtet zu sein brauchen, das die Folienachsen in den beabsichtigten Bereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Die grundlegenden mathematischen Bausteine zur Berechnung der Optik beliebiger Stapel von Folien irgendeiner Dicke sind die bekannte Fresnel-Reflexions-und Durchlässigkeitskoeffizienten der einzelnen Foliengrenzflächen. Die Fresnel- Koeffizienten sagen die Größe des Reflexionsvermögens einer gegebenen Grenzfläche bei jedem Einfallswinkel mit separaten Formeln für s- und p-polarisiertes Licht voraus.
Das Reflexionsvermögen einer dielektrischen Grenzfläche variiert in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und ist bei isotropen Materialien für p- und s- polarisiertes Licht stark verschieden. Das Reflexionsminimum für p-polarisiertes Licht ist auf den sogenannten Brewster-Effekt zurückzuführen, und der Winkel, bei dem das Reflexionsvermögen gegen Null geht, wird als Brewster-Winkel bezeichnet.
Das Reflexionsverhalten eines beliebigen Folienstapels bei irgendeinem Einfallswinkel wird durch die dielektrischen Tensoren aller darin verwickelten Folien bestimmt. Eine allgemeine theoretische Behandlung dieses Themas wird in dem Text von R. M. A. Azzam und N. M. Bashara, "Ellipsometry and Polarized Light", veröffentlicht von North-Holland, 1987 gegeben. Die Ergebnisse ergeben sich direkt aus den allgemein bekannten Maxwell-Gleichungen.
Das Reflexionsvermögen für eine einzige Grenzfläche eines Systems wird durch Quadrieren des absoluten Werts der Reflexionskoeffizienten für p- und s-polarisiertes Licht berechnet, was in den Gleichungen 1 bzw. 2 angegeben ist. Die Gleichungen 1 und 2 gelten für uniaxiale orthogonale Systeme, wobei die Achsen der zwei Komponenten ausgerichtet sind.
wobei θ in dem isotropen Medium gemessen wird.
In einem uniaxial doppelbrechenden System ist n1x = n1y = r1o und n2x = n2y = n2o.
Für ein biaxial doppelbrechendes System gelten die Gleichungen 1 und 2 nur für Licht; dessen Polarisationsebene parallel zu der x-z-Ebene oder der y-z-Ebene vorliegt, wie in Fig. 7 definiert ist. So ist für ein biaxiales System für Licht, das in die x-z-Ebene einfällt, n1o = n1x und n2o = n2x in Gleichung 1 (für p-polarisiertes Licht) und n1o = n1y und n2o = n2y in Gleichung 2 (für s-polarisiertes Licht). Für Licht, das in die y-z-Ebene einfällt, ist n1o = n1y und n2o = n2y (für p-polarisiertes Licht) und n1o = n1x und n2o = n2y in Gleichung 2 (für s-polarisiertes Licht).
Die Gleichungen 1 und 2 zeigen, dass das Reflexionsvermögen von den Brechungsindizes in den x-, y- und z-Richtungen jedes Materials in dem Stapel abhängt. In einem isotropen Material sind alle drei Indizes gleich, somit nx = ny = nz. Die Beziehung zwischen nx, ny und nz bestimmt die optischen Eigenschaften des Materials. Unterschiedliche Beziehungen zwischen den drei Indizes führen zu den drei allgemeinen Kategorien von Materialien: isotrop, uniaxial doppelbrechend und biaxial doppelbrechend.
Eine uniaxial doppelbrechendes Material ist als ein solches definiert, in dem der Brechungsindex in einer Richtung von den Indizes in den anderen zwei Richtungen verschieden ist. In der vorliegenden Diskussion entspricht die Übereinkunft zur Beschreibung uniaxial doppelbrechender Systeme der Bedingung nx = ny ≠ nz. Die x- und y-Achsen werden als In-der-Ebene-Achsen definiert und die entsprechenden Indizes nx und ny werden als In-der-Ebene-Indizes bezeichnet.
Ein Verfahren zur Bildung eines uniaxial doppelbrechenden Systems ist das biaxiale Verstrecken eines polymeren Mehrschichtenstapels (der z. B. entlang zweier Dimensionen verstreckt wurde). Das biaxiale Verstrecken des Mehrschichtenstapels ergibt Unterschiede zwischen den Brechungsindizes benachbarter Schichten für Ebenen parallel zu beiden Achsen, so dass sich eine Reflexion von Licht in beiden Polarisationsebenen ergibt.
Ein uniaxial doppelbrechendes System kann entweder eine positive oder eine negative uniaxiale Doppelbrechung aufweisen. Eine positive uniaxiale Doppelbrechung erfolgt, wenn der z-Index größer ist als die In-der-Ebene-Indizes (nz > nx und ny). Eine negative uniaxiale Doppelbrechung erfolgt, wenn der z-Index geringer ist als die In-der-Ebene-Indizes (nz < nx und ny).
Ein biaxial doppelbrechendes Material ist als ein solches definiert, in dem die Brechungsindizes in allen drei Achsen unterschiedlich sind, z. B. nx ≠ ny ≠ nz. Wiederum werden die nx- und ny-Indizes als In-der-Ebene-Indizes bezeichnet. Ein biaxial doppelbrechendes System kann durch Verstrecken des Mehrschichtenstapels in einer Richtung hergestellt werden. Mit anderen Worten: der Stapel ist uniaxial verstreckt. In der vorliegenden Diskussion wird die x-Richtung als die Verstrecküngsrichtung für biaxial doppelbrechende Stapel bezeichnet.

Uniaxial doppelbrechende Systeme (Spieciel)

Die optischen Eigenschaften von uniaxial doppelbrechenden Systemen werden jetzt diskutiert. Wie oben diskutiert wurde, sind die allgemeinen Bedingungen für ein uniaxial doppelbrechendes Material nx = ny ≠ nz. Wenn somit jede Schicht 102 und 104 in Fig. 7 uniaxial doppelbrechend ist, ist n1x = n1y und n2x = n2y. In der vorliegenden Diskussion nehmen wir an, dass die Schicht 102 größere In-der- Ebene-Indizes hat als die Schicht 104 und somit n1 > n2 sowohl in der x-Richtung als auch der y-Richtung. Das optische Verhalten eines uniaxial doppelbrechenden Mehrschichtensystems kann durch Veränderung der Werte von n1z und n2z eingestellt werden, um unterschiedliche Grade positiver oder negativer Doppelbrechung einzuführen.
Die oben beschriebene Gleichung 1 kann verwendet werden, um das Reflexionsvermögen einer einzigen Grenzfläche in einem uniaxial doppelbrechenden System zu bestimmen, das aus zwei Schichten besteht, wie dasjenige, welches in Fig. 7 gezeigt wird. Es kann leicht gezeigt werden, dass die Gleichung 2 für s-polarisiertes Licht mit derjenigen des einfachsten Falls isotroper Folien (nx = ny = nz) identisch ist, so dass wir nur die Gleichung 1 zu untersuchen brauchen. Zum Zwecke der Erläuterung werden einige spezielle, obwohl allgemeine Werte für die Folienindizes genannt. Es sei n1x = n1y = 1,75; n1z = Variable, n2x = n2y = 1,50 und n2z = Variable. Um verschiedene mögliche Brewster-Winkel in diesem System zu erläutern, ist no = 1,60 für die umgebenden isotropen Medien.
Fig. 8 zeigt Kurven des Reflexionsvermögens gegen Winkel für p-polarisiertes Licht, das aus dem isotropen Medium auf die doppelbrechenden Schichten einfällt, für Fälle, in denen n1z zahlenmäßig größer ist als n2z oder demjenigen gleich ist (n1z ≥ n2z). Die in Fig. 8 gezeigten Kurven sind für die folgenden z-Index-Werte: a) n1z = 1,75, n2z = 1,50; b) n1z = 1,75, n2z = 1,57; c) n1z = 1,70, n2z = 1,60; d) n1z = 1,65, n2z = 1,60; e) n1z = 1,61, n2z = 1,60 und f) n1z = 1,60 = n2z. Wenn sich n1z n2z annähert - der Brewster-Winkel -, nimmt der Winkel, bei dem die Reflexion gegen Null geht, zu. Die Kurven a - e sind stark winkelabhängig. Wenn jedoch n1z = n2z (Kurve f), besteht keine Winkelabhängigkeit der Reflexion. Mit anderen Worten: das Reflexionsvermögen für die Kurve f ist für alle Einfallswinkel konstant. An diesem Punkt reduziert sich die Gleichung 1 auf die winkelunabhängige Form: (n2o - n1o)/(n2o + n1o). Wenn n1z = n2z, gibt es keinen Brewster-Effekt und es liegt ein konstantes Reflexionsvermögen für alle Einfallswinkel vor.
Fig. 9 zeigt Kurven des Reflexionsvermögens gegen den Einfallswinkel für Fälle, in denen n1z numerisch kleiner oder gleich n2z ist. Licht fällt vom isotropen Medium auf die doppelbrechenden Schichten ein. In diesen Fällen nimmt das Reflexionsvermögen gleichbleibend mit dem Einfallswinkel zu. Das ist das Verhalten, welches man für s-polarisiertes Licht beobachten würde. Die Kurve a in Fig. 9 zeigt den einzigen Fall für s-polarisiertes Licht. Die Kurven b - e zeigen Fälle für p-polarisiertes Licht für verschiedene Werte von n2 in der folgenden Reihenfolge: b) n1z = 1,50, n2z = 1; 60; c) n1z = 1,55, n2z = 1,60; d) n1z = 1,59, n2z = 1,60 und e) n1z = 1,60 = n2z. Wenn n1z = n2z (Kurve e) gibt es wiederum keinen Brewster-Effekt und es liegt ein konstantes Reflexionsvermögen für alle Einfallswinkel vor.
Fig. 10 zeigt die gleichen Fälle wie Fig. 8 und Fig. 9, aber für einen Index des Einfallmediums n&sub0; = 1,0 (Luft). Die Kurven in Fig. 10 sind für p-polarisiertes Licht an einer einzigen Grenzfläche eines positiven uniaxialen Materials mit Indizes n2x = n2y = 1,50, n2z = 1,60, und eines negativen uniaxial doppelbrechenden Materials mit n1x = n1y = 1,75 und Werten von n1z in der folgenden Reihenfolge - von oben nach unten - a) 1,50; b) 1,55; c) 1,59; d) 1,60; f) 1,61; g) 1,65; h) 1,79 und i) 1,75 aufgetragen. Wenn die Werte von n1z und n2z übereinstimmen (Kurve d) besteht wiederum - wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt wurde - keine Winkelabhängigkeit des Reflexionsvermögens.
Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen, dass die Überkreuzung von einem Verhaltenstyp zum anderen erfolgt, wenn der Index der z-Achse einer Folie gleich dem Index der z-Achse der anderen Folie ist. Dies gilt für verschiedene Kombinationen negativer und positiver, uniaxial doppelbrechender und isotroper Materialien. Andere Situationen treten ein, in denen der Brewster-Winkel zu größeren oder kleineren Winkeln verschoben ist.
Verschiedene mögliche Beziehungen zwischen In-der-Ebene-Indizes und z-Achsen- Indizes werden in den Fig. 11, 12 und 13 erläutert. Die vertikalen Achsen geben relative Werte von Indizes an, und die horizontalen Achsen werden verwendet, um die verschiedenen Bedingungen einfach zu trennen. Jede Figur beginnt links mit zwei isotropen Folien, wo der z-Index gleich den In-der-Ebene-Indizes ist. Schreitet man nach rechts fort, werden die In-der-Ebene-Indizes konstant gehalten und die verschiedenen z-Achsen-Indizes nehmen zu oder ab, was die relative Menge der positiven oder negativen Doppelbrechung anzeigt.
Der oben in Bezug auf die Fig. 8, 9 und 10 beschriebene Fall wird in Fig. 11 erläutert. Die In-der-Ebene-Indizes des Materials eins größer als die In-der-Ebene- Indizes des Materials zwei, Material eins hat eine negative Doppelbrechung (n1z ist kleiner als die In-der-Ebene-Indizes), und Material zwei hat eine positive Doppelbrechung (n2z ist größer als die In-der-Ebene-Indizes). Der Punkt, an dem der Brewster-Winkel verschwindet und das Reflexionsvermögen für alle Einfallswinkel konstant ist, liegt dort, wo die zwei z-Achsen-Indizes gleich sind. Dieser Punkt entspricht der Kurve f in Fig. 8, der Kurve e in Figur -9 oder der Kurve d in Fig. 10.
In Fig. 8 hat Material eins größere In-der-Ebene-Indizes als Material zwei, aber Material eins hat eine positive Doppelbrechung und Material zwei hat eine negative Doppelbrechung. In diesem Fall kann sich das Brewster-Minimum nur zu geringeren Winkelwerten verschieben.
Die beiden Fig. 11 und 12 gelten für die einschränkenden Fälle, bei denen eine der zwei Folien isotrop ist. Die zwei Fälle sind diejenigen, wenn Material eins isotrop ist und Material zwei eine positive Doppelbrechung aufweist, oder Material zwei isotrop ist und Material eins eine negative Doppelbrechung aufweist. Der Punkt, an dem kein Brewster-Effekt auftritt, ist derjenige, an dem der z-Achsen-Index des doppelbrechenden Materials gleich dem Index der isotropen Folie ist.
Ein anderer Fall ist derjenige, wenn beide Folien vom gleichen Typ sind, d. h. beide negativ oder beide positiv doppelbrechend. Fig. 13 zeigt den Fall, in dem beide Folien eine negative Doppelbrechung aufweisen. Es sollte jedoch verstanden werden, dass der Fall von zwei positiv doppelbrechenden Schichten analog dem Fall der zwei negativ doppelbrechenden Schichten ist, der in Fig. 13 gezeigt wird. Wie oben wird das Brewster-Minimum nur eliminiert, wenn ein z-Achsen-Index demjenigen der anderen Folie gleich ist oder ihn überschreitet.
Noch ein anderer Fall tritt ein, wenn die In-der-Ebene-Indizes der zwei Materialien gleich sind, der z-Achsen-Index aber verschieden ist. In diesem Fall, der eine Untergruppe aller drei in den Fig. 11 bis 13 gezeigten Fälle ist, tritt an keinem Winkel eine Reflexion für s-polarisiertes Licht auf, und das Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht nimmt mit Zunahme des Einfallswinkels in gleichbleibender Weise zu. Dieser Typ von Gegenstand hat ein zunehmendes Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht, wenn der Einfallswinkel zunimmt und ist für s-polarisiertes Licht durchlässig. Dieser Gegenstand kann dann als "p-Polarisator" bezeichnet werden.
Der Fachmann wird leicht erkennen, dass die oben beschriebenen Prinzipien, die das Verhalten von uniaxial doppelbrechenden Systemen beschreiben, angewendet werden können, um die erwünschten optischen Effekte für eine breite Vielfalt von Fällen zu bilden. Die Brechungsindizes der Schichten in dem Mehrschichtenstapel können manipuliert und maßgeschneidert werden, um Vorrichtungen herzustellen, welche die erwünschten optischen Eigenschaften aufweisen. Viele negative und positive, uniaxial doppelbrechende Systeme mit einer Vielfalt von In-der-Ebene- Indizes und z-Achsen-Indizes können gebildet werden und viele brauchbare Vorrichtungen können unter Verwendung der hierin beschriebenen Prinzipien konstruiert und hergestellt werden.

Biaxial doppelbrechende Systeme (Polarisatoren)

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 7 werden nun orthogonale, biaxial doppelbrechende Zweikomponentensysteme beschrieben. Wiederum kann das System viele Schichten haben, ein Verständnis des optischen Verhaltens des Stapels wird aber durch Untersuchung des optischen Verhaltens an der Grenzfläche erreicht.
Ein biaxial doppelbrechendes System kann so konstruiert werden, dass es ein hohes Reflexionsvermögen für Licht, dessen Polarisationsebene parallel zu einer Achse vorliegt, bei allen Einfallswinkeln ergibt, und das gleichzeitig ein geringes Reflexionsvermögen für Licht, dessen Polarisationsebene parallel zu der anderen Achse liegt, bei allen Einfallswinkeln aufweist. Als Ergebnis wirkt das biaxial doppelbrechende System als Polarisator, es lässt Licht einer Polarisation durch und reflektiert Licht der anderen Polarisation. Durch Steuerung der drei Brechungsindizes nx, ny und nz jeder Folie kann das erwünschte Polarisatorverhalten erhalten werden.
Der oben beschriebene, reflektierende Mehrschichten-Polarisator von PEN/coPEN ist ein Beispiel eines biaxial doppelbrechenden Systems. Es gilt jedoch, dass im allgemeinen die Materialien, die zur Konstruktion des Mehrschichtenstapels verwendet werden, nicht polymer zu sein brauchen. Alle Materialien, die unter die hierin beschriebenen allgemeinen Prinzipien fallen, könnten zur Konstruktion des Mehrschichtenstapels verwendet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 7 weisen wir zum Zwecke der Erläuterung die folgenden Werte den Folienindizes zu: n1x = 1,88, n1y = 1,64, n1z = Variable, n2x = 1,65, n2y = Variable, und n2z = Variable. Die x-Richtung wird als die Extinktionsrichtung bezeichnet, und die y-Richtung wird als die Durchlässigkeitsrichtung bezeichnet.
Die Gleichung 1 kann verwendet werden, um das Winkelverhalten des biaxial doppelbrechenden Systems für zwei wichtige Fälle von Licht mit einer Einfallsebene entweder in der Verstreckungsrichtung oder der Nicht-Verstreckungsrichtung vorherzusagen. Der Polarisator ist ein Spiegel in einer Polarisationsrichtung und ein Fenster in der anderen Richtung. In der Verstreckungsrichtung ergibt die große Index-Differenz von 1,88-1,65 = 0,23 in einem Mehrschichtenstapel mit Hunderten von Schichten sehr hohe Reflexionen für s-polarisiertes Licht. Für p-polarisiertes Licht hängt das Reflexionsvermögen bei verschiedenen Winkeln von dem n1z/n2z- Indexunterschied ab.
Bei den meisten Anwendungen hat der ideal reflektierende Polarisator ein hohes Reflexionsvermögen entlang einer Achse und ein Reflexionsvermögen von Null entlang der anderen Achse bei allen Einfallwinkeln. Wenn ein gewisses Reflexionsvermögen entlang der Durchlässigkeitsachse auftritt, und wenn dasselbe für unterschiedliche Wellenlängen verschieden ist, ist die Wirksamkeit des Polarisators reduziert und in das durchgelassene Licht wird eine Farbe eingeführt. Beide Effekte sind unerwünscht. Dies wird durch eine große Fehlanpassung des z-Index verursacht, selbst wenn die In-der-Ebene-y-Indizes angepasst sind. Das sich ergebende System hat ein großes Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht und ist stark durchlässig für s-polarisiertes Licht. Dieser Fall wurde oben in der Analyse der Spiegelfälle als "p-Polarisator" bezeichnet.
Fig. 14 zeigt das Reflexionsvermögen (aufgetragen als -Log [1-R]) bei 75º für p- polarisiertes Licht, dessen Einfallsebene in der Nicht-Verstreckungsrichtung liegt, für einen 800-Schicht-Stapel von PEN/coPEN. Das Reflexionsvermögen ist als Funktion der Wellenlänge über das sichtbare Spektrum (400 bis 700 nm) aufgetragen. Die relevanten Indizes für Kurve a bei 550 nm sind n1y = 1,64, n1z = 1,52, n2y = 1,64 und n2z = 1,63. Diese Modellstapel-Konstruktion ist eine Qualität einer einfachen linearen Dicke für Viertelwellenpaare, wobei jedes Paar 0,3% dicker ist als das vorhergehende Paar. Allen Schichten wurde ein statistischer Dickenfehler mit einer Gausschen Verteilung und einer Standardabweichung von 5% zugewiesen.
Die Kurve a zeigt ein hohes außeraxiales Reflexionsvermögen über das sichtbare Spektrum entlang der Durchlässigkeitsachse (die y-Achse), und diese unterschiedlichen Wellenlängen erleiden unterschiedliche Reflexionsgrade. Da das Spektrum gegenüber Schichtdickenfehlern und räumlichen Ungleichmäßigkeiten, wie Folienkaliber, empfindlich ist, ergibt dies ein biaxial doppelbrechendes System mit einem sehr ungleichmäßigen und "farbigen" Aussehen. Obwohl ein hoher Färbungsgrad für bestimmte Anwendungen erwünscht sein kann, ist es erwünscht, den Grad der außeraxialen Färbung zu steuern und dieselbe bei solchen Anwendungen zu minimieren, die ein gleichmäßiges Aussehen mit geringer Färbung erfordern, wie LCD-Displays oder andere Typen von Displays.
Wenn man den Folienstapel so konstruieren würde, dass das gleiche Reflexionsvermögen für alle Wellenlängen im Sichtbaren bereitgestellt wird, würde sich eine gleichmäßige, neutrale graue Reflexion ergeben. Dies würde jedoch eine beinahe perfekte Dickenkontrolle erfordern. Stattdessen können das außeraxiale Reflexionsvermögen und die außeraxiale Färbung minimiert werden, indem man eine Index- Fehlanpassung für die Indizes in der Nichtverstreckungsebene (n1y und n2y) einführt, die eine außeraxiale Brewster-Bedingung erzeugen, während das Reflexionsvermögen der s-Polarisation bei einem Minimum gehalten wird.
Fig. 15 untersucht die Auswirkung des Einführens einer y-Index-Fehlanpassung bei der Reduktion des außeraxialen Reflexionsvermögens entlang der Durchlässigkeitsachse eines biaxial doppelbrechenden Systems. Mit n1z = 1,52 und n2z = 1,63 (Δnz = 0,11) werden die folgenden Bedingungen für s-polarisiertes Licht aufgetragen: a) n1y = n2y = 1,64; b) n1y = 1,64, n2y = 1,62; c) n1y = 1,64, n2y = 1,66: Die Kurve a zeigt das Reflexionsvermögen, wenn die In-der-Ebene-Indizes n1y und n2y gleich sind. Die Kurve a hat ein Reflexionsminimum bei 0, sie steigt aber steil nach 200 an. Für die Kurve b ist n1y > n2y und das Reflexionsvermögen steigt schnell an. Kurve c, wenn n1y < n2y, hat eine Reflexionsminimum bei 38º, steigt aber danach steil an. Eine beträchtliche Reflexion erfolgt ebenso für s-polarisiertes Licht für n1y ≠ n2y, wie durch Kurve d gezeigt wird. Die Kurven a bis d von Fig. 15 zeigen, dass das Vorzeichen der y-Index-Fehlanpassung (n1y - n2y) gleich demjenigen der z-Index-Fehlanpassung (n1z - n2z) sein sollte, damit ein Brewster- Minimum existiert. Für den Fall von n1y = n2y, ist das Reflexionsvermögen für s- polarisiertes Licht bei allen Winkeln Null.
Durch Reduktion des z-Achsen-Index-Unterschieds zwischen Schichten kann das außeraxiale Reflexionsvermögen weiterhin reduziert werden. Wenn n1z = n2z, zeigt Fig. 10 an, dass die Extinktionsachse immer noch einen guten Reflexions- Gegenwinkel (off-angle) hat, wie dies beim normalen Einfallen der Fall ist, und keine Reflexion entlang der Nicht-Verstreckungsachse an einem beliebigen Winkel erfolgen würde, weil beide Indizes übereinstimmen (z. B. n1y = n2y und n1z = n2z).
Eine exakte Anpassung der zwei y-Indizes und der zwei z-Indizes ist in einigen Polymersystemen eventuell nicht möglich. Wenn die z-Achsen-Indizes in einer Polarisator-Konstruktion nicht angepasst sind, kann eine leichte Fehlanpassung für die In-der-Ebene-Indizes n1y und n2y erforderlich sein. Ein anderes Beispiel ist in Fig. 16 - wobei man annimmt, dass n1z = 1,56 und n2z = 1,60 (Δnz = 0,04) - mit den folgenden y-Indizes aufgetragen: a) n1y = 1,64, n2y = 1,65; b) n1y = 1,64, n2y = 1,63. Die Kurve c ist für s-polarisiertes Licht in allen Fällen. Die Kurve a, in der das Vorzeichen des y-Index-Fehlanpassung gleich demjenigen der z- Index-Fehlanpassung ist, ergibt das niedrigste Gegenwinkel (off-angle)-Reflexionsvermögen.
Das berechnete außeraxiale Reflexionsvermögen eines 800-Schichtenstapels von Folien bei einem 75º-Einfallswinkel unter den Bedingungen von Kurve a in Fig. 16 ist als Kurve b in Fig. 14 aufgetragen. Der Vergleich der Kurve b mit der Kurve a in Fig. 14 zeigt, dass dort ein weit geringeres außeraxiales Reflexionsvermögen und daher eine geringere wahrgenommene Färbung vorliegt, unter den in der Kurve b aufgetragenen Bedingungen. Die relevanten Indizes für Kurve b bei 550 nm sind n1y = 1,64, n1z = 1,56; n2y = 1,65, n2z = 1,60.
Fig. 17 zeigt ein Umrisslinien-Diagramm der Gleichung 1, welches das außeraxiale Reflexionsvermögen, welches in Bezug zu Fig. 7 diskutiert wurde, für p-polarisiertes Licht zusammenfasst. Die vier unabhängigen Indizes, die in der Nicht-Verstreckungsrichtung verwickelt sind, wurden auf zwei Index-Fehlanpassungen reduziert: Δnz und Δny. Das Diagramm ist ein Durchschnittswert von 6 Diagrammen bei verschiedenen Einfallswinkeln von 0º bis 75º in 15º-Inkrementen. Das Reflexionsvermögen reicht von 0,4 · 10&supmin;&sup4; für Umrisslinie a bis 4,0 · 10&supmin;&sup4; für Umrisslinie j, in konstanten Inkrementen von 0,4 · 10&supmin;&sup4; Die Diagramme zeigen, wie ein hohes Reflexionsvermögen, das durch eine Index-Fehlanpassung entlang einer optischen Achse verursacht wird, durch eine Fehlanpassung entlang der anderen Achse kompensiert werden kann.
Somit werden durch Reduktion der z-Achsen-Fehlanpassung zwischen Schichten eines biaxial doppelbrechenden Systems und/oder durch Einführen einer y-Achsen- Fehlanpassung, um einen Brewster-Effekt zu erzeugen, das außeraxiale Reflexionsvermögen und daher eine außeraxiale Färbung entlang der Durchlässigkeitsachse eines reflektierenden Mehrschichten-Polarisators minimiert.
Es sollte bemerkt werden, dass Schmalband-Polarisatoren, die über einen engen Wellenlängenbereich arbeiten, auch unter Verwendung der hierin beschriebenen Prinzipien konstruiert werden können. Diese können gebildet werden, um Polarisatoren in den roten, grünen, blauen, cyanfarbenen, magentafarbenen oder gelben Banden herzustellen.

Auswahl der Materialien und Verarbeitung

Nachdem die oben beschriebenen Konstruktionsbetrachtungen durchgeführt wurden, wird der durchschnittliche Fachmann leicht erkennen, dass eine breite Vielfalt von Materialien verwendet werden kann, um Mehrschichten-Spiegel oder -Polarisatoren gemäß der Erfindung herzustellen, wenn unter Bedingungen verarbeitet wird, die so ausgewählt sind, dass sich die erwünschten Brechungsindex-Beziehungen ergeben. Alles was erforderlich ist, besteht im allgemeinen darin, dass eines der Materialien im Vergleich zu dem zweiten Material einen unterschiedlichen Brechungsindex in einer ausgewählten Richtung hat. Dieser Unterschied kann auf vielfältige Weise erreicht werden, einschließlich des Verstreckens während oder nach der Folienherstellung (z. B. im Falle organischer Polymere), der Extrusion (z. B. im Falle flüssigkristalliner Materialien) oder der Beschichtung. Zusätzlich dazu wird es bevorzugt, dass die zwei Materialien ähnliche rheologische Eigenschaften aufweisen (z. B. Schmelzviskositäten), so dass sie gemeinsam extrudiert werden können.
Im allgemeinen können geeignete Kombinationen erreicht werden, indem man als erstes Material ein kristallines oder halbkristallines, organisches Polymer auswählt und als zweites Material ebenfalls ein organisches Polymer auswählt. Das zweite Material wiederum kann kristallin halbkristallin oder amorph sein oder eine Doppelbrechung aufweisen, die derjenigen des ersten Materials entgegengesetzt ist.
Spezielle Beispiele geeigneter Materialien schließen die folgenden ein: Polyethylennaphhthalat (PEN) und Isomere desselben (z. B. 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und 2,3- PEN), Polyalkylenterephthalate (z. B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und Poly-1,4-Cyclohexandimethylenterephthalat), Polyimide (z. B. Polyacrylimide), Polyetherimide, ataktisches Polystyrol, Polycarbonate, Polymethacrylate (z. B. Polyisobutylmethacrylat, Polypropylmethacrylat, Polyethylmethacrylat und Polymethylmethacrylat), Polyacrylate (z. B. Polybutylacrylat und Polymethylacrylat), Cellulosederivate (z. B. Ethylcellulose, Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetatbutyrat und Cellulosenitrat), Polyalkylenpolymere (z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polyisobutylen und Poly(4-methyl)penten), fluorierte Polymere (z. B. Perfluoralkoxy-Harze, Polytetrafluorethylen, fluorierte Ethylen- Propylen-Copolymere, Polyvinylidenfluorid und Polychlortrifluorethylen), chlorierte Polymere (z. B. Polyvinylidenchlorid und Polyvinylchlorid), Polysulfone, Polyethersulfone, Polyacrylnitril, Polyamide, Siliconharze, Epoxyharze, Polyvinylacetat, Polyetherimide, ionomere Harze, Elastomere (z. B. Polybutadien, Polyisopren und Neopren) und Polyurethane. Ebenfalls geeignet sind Copolymere, z. B. Copolymere von PEN (z. B. Copolymere von 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und/oder 2,3-Naphthalindicarbonsäure oder Ester derselben mit (a) Terephthalsäure oder Estern derselben, (b) Isophthalsäure oder Estern derselben, (c) Phthalsäure oder Estern derselben, (d) Alkanglycolen, (e) Cycloalkanglycolen (z. B. Cyclohexandimethanoldiol), (f) Alkandicarbonsäuren und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren (z. B. Cyclohexandicarbonsäure), Copolymere von Polyalkylenterphthalaten (z. B. Copolymere von Terephthalsäure oder Estern derselben mit (a) 2,3-Naphthalindicarbonsäure oder Estern derselben, (b) Isophthalsäure oder Estern derselben, (c) Phthalsäure oder Estern derselben, (d) Alkanglycolen, (e) Cycloalkanglycolen (z. B. Cyclohexandimethanoldiol), (f) Alkandicarbonsäuren und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren (z. B. Cyclohexandicarbonsäure) und/oder (g) Cycloalkandicarbonsäuren (z. B. Cyclohexandicarbonsäure), und Styrol-Copolymeren (z. B. Styrol-Butadien- Copolymere und Styrol- Acrylnitril-Copolymere), 4,4'-Bibenzoesäure und Ethylenglycol. Zusätzlich dazu kann jede einzelne Schicht Mischungen von zwei oder mehreren der oben beschriebenen Polymere oder Copolymere einschließen (z. B. Mischungen von SPS und ataktischem Polystyrol).
Besonders bevorzugte Kombinationen von Schichten im Falle von Polarisatoren schließen die folgenden ein: PEN/co-PEN, Polyethylenterephthalat (PET)/co-PEN, PEN/SPS, PET/SPS, PEN/Eastair und PET/Eastair, wobei "co-PEN" sich auf ein Copolymer oder ein Blend bezieht, das auf Napthalindicarbonsäure (wie oben beschrieben wurde) basiert, und Eastair Polycyclohexandimethylenterephthalat ist, das im Handel von Eastman Chemical Co. erhältlich ist.
Besonders bevorzugte Kombinationen von Schichten im Falle von Spiegeln schließen PET/Ecdel, PEN/Ecdel, PEN/SPS, PEN/THV, PEN/co-PET und PET/SPS ein, wobei "co-PET" sich auf ein Copolymer oder ein Blend bezieht, das auf Terephthalsäure (wie oben beschrieben wurde) bezieht, Ecdel ist thermoplastischer Polyester ist, der im Handel von Eastman Chemical Co. erhältlich ist, und THV ein Fluorpolymer ist, das im Handel von 3 M Co, erhältlich ist.
Die Anzahl der Schichten der Vorrichtung ist so ausgewählt, dass man die erwünschten optischen Eigenschaften erreicht, wobei man aus Gründen der Wirtschaftlichkeit das Minimum an Schichten verwendet. Sowohl im Falle von Polarisatoren als auch Spiegeln ist die Anzahl der Schichten vorzugsweise geringer als 10 000; mehr bevorzugt geringer als 5000 und (noch mehr bevorzugt) geringer als 2000.
Wie oben diskutiert wurde, wird die Fähigkeit zum Erreichen der erwünschten Beziehungen zwischen den verschiedenen Brechungsindizes (und somit der optischen Eigenschaften der Mehrschichten-Vorrichtung) durch die Verarbeitungsbedingungen beeinflusst, die verwendet werden, um die Mehrschichten-Vorrichtung herzustellen. Im Falle von organischen Polymeren, die durch Verstrecken orientiert werden können, werden die Vorrichtungen im allgemeinen so hergestellt, dass man die einzelnen Polymere coextrudiert, um eine Mehrschichtenfolie zu bilden, und anschließend die Folie durch Verstrecken bei einer bestimmten Temperatur orientiert, gegebenenfalls danach bei einer ausgewählten Temperatur thermofixiert. Alternativ dazu können die Extrusions- und Orientierungsnschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Im Falle von Polarisatoren wird die Folie im Wesentlichen in einer Richtung verstreckt (uniaxiale Orientierung), während im Fall von Spiegeln die Folie im Wesentlichen in zwei Richtungen verstreckt wird (biaxiale Orientierung).
Die Folie kann sich in der Quer-Verstreckungsrichtung von der natürlichen Reduktion der Querverstreckung auf ihre ursprüngliche Größe entspannen (gleich der Quadratwurzel des Verstreckungsverhältnisses), die ihre aufgenötigt wurde (d. h. keine wesentliche Änderung der Querverstreckungsmaße). Die Folie kann in der Maschinenrichtung, wie mit einer Längenorientierungsvorrichtung, in der Breite unter Verwendung eines Spannrahmens oder in diagonalen Winkeln verstreckt werden.
Die Vorverstreckungstemperatur, die Verstreckungstemperatur, das Verstreckungsverhältnis, die Wärmehärtungstemperatur, die Wärmehärtungszeit, die Wärmehärtungsrelaxation und die Entspannung von der Überkreuzverstreckung werden so ausgewählt, dass sich eine Mehrschichtenvorrichtung ergibt, welche die erwünschte Brechungsindex-Beziehung aufweist. Diese Variablen sind voneinander abhängig; so könnte z. B. eine relativ geringe Verstreckungsrate verwendet werden, wenn sie z. B. mit einer relativ niedrigen Verstreckungstemperatur gekoppelt wird. Dem Fachmann ist es klar, wie die geeignete Kombination dieser Variablen ausgewählt werden sollte, um die erwünschte Mehrschichten-Vorrichtung zu erreichen. Im allgemeinen jedoch wird ein Verstreckungsverhältnis von 1 : 2-10 (mehr bevorzugt von 1 : 3-7) im Falle von Polarisatoren bevorzugt. Im Falle von Spiegeln wird es bevorzugt, dass das Verstreckungsverhältnis entlang einer Achse im Bereich von 1 : 2-10 (mehr bevorzugt von 1 : 2-8 und am meisten bevorzugt von 1 : 3-7) liegt, und das Verstreckungsverhältnis entlang der zweiten Achse im Bereich von 1 : 0,5- 10 (mehr bevorzugt von 1 : 1-7 und am meisten bevorzugt von 1 : 3-6) liegt.
Geeignete Mehrschichten-Vorrichtungen können auch unter Verwendung von Techniken, wie Rotationsbeschichtung (so wie sie in Boese et al.,). Polym. Sci.: Part B, 30 : 1321 (1992) beschrieben wird) und Vakuum-Beschichtung hergestellt werden; wobei die letztere Technik im Falle von kristallinen, polymeren, organischen und anorganischen Materialien besonders brauchbar ist.
Die Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele beschrieben. Da die optische Absorption vernachlässigbar ist, ist in den Beispielen die Reflexion gleich 1 minus Durchlässigkeit (R = 1 - T).

Spiegel-Beispiele

PET: Ecdel 601

Eine coextrudierte Folie, die 601 Schichten enthält, wurde auf einer sequentiellen Flachfolie-Herstellungsstraße durch ein Coextrusionsverfahren hergestellt. Polyethylenterephthalat (PET) einer Grenzviskosität von 0,6 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 75 pounds/h geliefert, und Ecdel 9966 (ein thermoplastisches Elastomer, das von Eastman Chemical erhältlich ist) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 65 pounds/h geliefert. PET war eine der Hautschichten. Die Beschickungsblock-Methode (so wie sie im US Patent 3 801 429 beschrieben wird) wurde verwendet, um 151 Schichten zu erzeugen, die durch zwei Vervielfältiger geführt wurden, die ein Extrudat von 601 Schichten erzeugten. Das US Patent 3 565 985 beschreibt auf beispielhafte Weise Coextrusionsvervielfältiger. Die Bahn wurde mit einem Verstreckungsverhältnis von etwa 3,6 längsseitig orientiert, wobei die Bahntemperatur etwa 210 ºF betrug. Die Folie wurde anschließend in etwa 50 Sekunden auf etwa 235 ºF vorerwärmt und mit einem Verstreckungsverhältnis von etwa 4,0 mit einer Rate von etwa 6% pro Sekunde in der Querrichtung verstreckt. Dann wurde die Folie in einem Wärmerhärtungsofen, der auf 400 F eingestellt ist, um etwa 5% ihrer maximalen Breite entspannt. Die Dicke der fertigen Folie war 2,5 mil.
Die hergestellte, gegossene Bahn wies auf der Luftseite eine raue Textur auf und ergab eine Durchlässigkeit, wie in Fig. 18 gezeigt wird. Die prozentuale Durchlässigkeit für p-polarisiertes Licht bei einem Winkel von 60º (Kurve b) ist dem Wert bei einem normalen Einfall (Kurve a) ähnlich (mit einer Wellenlängenverschiebung).
Zum Vergleich zeigt eine Folie, die von Mearl Corporation - wahrscheinlich aus isotropen Materialien - hergestellt wird (siehe Fig. 19), einen deutlichen Verlust an Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht bei einem Winkel von 60º (Kurve b, verglichen mit Kurve a für normalen Einfall).

PET-Ecdel 151

Eine coextrudierte Folie, die 151 Schichten enthält, wurde auf einer sequentiellen Flachfolien-Herstellungsstraße durch ein Coextrusionsverfahren hergestellt. Polyethylenterephthalat (PET) einer Grenzviskosität von 0,6 dl/g (60 Gew.- Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 75 pounds/h geliefert, und Ecdel 9966 (ein thermoplastisches Elastomer, das von Eastman Chemical erhältlich ist) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 65 pounds/h geliefert. PET war eine der Hautschichten. Die Beschickungsblock-Methode wurde verwendet, um 151. Schichten zu erzeugen. Die Bahn wurde mit einem Verstreckungsverhältnis von etwa 3,5 längsseitig orientiert, wobei die Bahntemperatur etwa 210 ºF betrug. Die Folie wurde anschließend in etwa 12 Sekunden auf etwa 215 ºF lang vorerwärmt und mit einem Verstreckungsverhältnis von etwa 4,0 mit einer Rate von etwa 25% pro Sekunde in der Querrichtung verstreckt. Dann wurde die Folie in einem Wärmerhärtungsofen, der auf 400 ºF eingestellt ist, in etwa 6 Sekunden um etwa 5% ihrer maximalen Breite entspannt. Die Dicke der fertigen Folie war 0,6 mil.
Die Durchlässigkeit dieser Folie wird in Fig. 20 gezeigt. Die prozentuale Durchlässigkeit für p-polarisiertes Licht bei einem Winkel von 60º (Kurve b) ist dem Wert bei einem normalen Einfall (Kurve a) ähnlich (mit einer Wellenlängenverschiebung). Bei den gleichen Extrusionsbedingungen wurde die Bahngeschwindigkeit reduziert, um eine Infrarot-reflektierende Folie mit einer Dicke von etwa 0,8 mil herzustellen. Die Durchlässigkeit wird in Fig. 21 gezeigt (Kurve a bei normalem Einfall, Kurve b bei 60º).

PEN-Ecdel 225

Eine coextrudierte Folie, die 225 Schichten enthält, wurde durch Extrusion der gegossenen Bahn in einem Arbeitsgang und das anschließende Orientieren der Folie in einer Labor-Folienverstreckungsapparatur hergestellt. Polyethylennaphthalat (PEN) einer Grenzviskosität von 0,5 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 18 pounds/H geliefert, und Ecdel 9966 (ein thermoplastisches Elastomer, das von Eastman Chemical erhältlich ist) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 17 pounds/h geliefert. PEN war eine der Hautschichten. Die Beschickungsblock- Methode wurde verwendet, um 57 Schichten zu erzeugen, die durch zwei Vervielfältiger geleitet wurden, um ein Extrudat von 225 Schichten herzustellen. Die gegossene Bahn hatte eine Dicke von 12 mil und eine Breite von 12 inch. Die Bahn wurde später unter Verwendung einer Laborverstreckungsvorrichtung biaxial orientiert, in welcher ein Pantograph verwendet wird, um einen quadratischen Bereich der Folie zu greifen und gleichzeitig denselben in beiden Richtungen mit einer gleichmäßigen Rate zu verstrecken. 7,46 cm² der Bahn wurden in einer Verstreckungsvorrichtung bei etwa 100ºC angeordnet und in 60 Sekunden auf 130ºC erwärmt. Das Verstrecken begann dann mit 100%/s (bezogen auf die ursprünglichen Maße), bis die Probe auf etwa das 3,5fache · 3,5fache verstreckt war. Unmittelbar nach dem Verstrecken wurde die Probe gekühlt, indem Luft bei Raumtemperatur auf dieselbe geblasen wurde.
Fig. 22 zeigt die optische Empfindlichkeit dieser Mehrschichtenfolie (Kurve a bei normalem Einfall, Kurve b bei 60º). Es ist zu bemerken, dass die prozentuale Durchlässigkeit für p-polarisiertes Licht bei einem Winkel von 60º derjenigen bei einem normalen Einfall ähnlich ist (mit einer gewissen Wellenlängenverschiebung).

PEN:THV 500, 449

Eine coextrudierte Folie, die 449 Schichten enthält, wurde durch Extrusion der gegossenen Bahn in einem Arbeitsgang und das spätere Orientieren der Folie in einer Labor-Folienverstreckungsapparatur hergestellt. Polyethylennaphthalat (PEN) einer Grenzviskosität von 0,53 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 56 pounds/h geliefert, und THV 500 (ein Fluorpolymer, das von Minnesota Mining and Manufacturing Company erhältlich ist) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 11 pounds/h geliefert. PEN war eine der Hautschichten, und 50% des PEN lagen in beiden Hautschichten vor. Die Beschickungsblock-Methode wurde verwendet, um 57 Schichten zu erzeugen, die durch drei Vervielfältiger geleitet wurden, um ein Extrudat von 449 Schichten herzustellen. Die gegossene Bahn hatte eine Dicke von 20 mil und eine Breite von 12 inch. Die Bahn wurde danach unter Verwendung einer Laborverstreckungsvorrichtung biaxial orientiert, in welcher ein Pantograph verwendet wird, um einen quadratischen Bereich der Folie zu greifen und denselben gleichzeitig in beiden Richtungen mit einer gleichmäßigen Rate zu verstrecken. 7,46 cm² der Bahn wurden in einer Verstreckungsvorrichtung bei etwa 10000 angeordnet und in GO Sekunden auf 14000 erwärmt. Das Verstrecken begann dann mit 10%/s (bezogen auf die ursprünglichen Maße), bis die Probe auf etwa das 3,5fache · 3,5fache verstreckt war. Unmittelbar nach dem Verstrecken wurde die Probe gekühlt, indem Luft bei Raumtemperatur auf dieselbe geblasen wurde.
Fig. 23 zeigt die Durchlässigkeit dieser Mehrschichtenfolie. Wiederum zeigt Kurve a die Empfindlichkeit bei normalem Einfall, während die Kurbe b die Empfindlichkeit bei 60º zeigt.

Polarisator-Beispiel

PEN:CoPEN, 449-Low Color

Eine coextrudierte Folie, die 449 Schichten enthält, wurde durch Extrusion der gegossenen Bahn in einem Arbeitsgang und das anschließende Orientieren der Folie in einer Labor-Folienverstreckungsapparatur hergestellt. Polyethylennaphthalat (PEN) einer Grenzviskosität von 0,56 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 43 pounds/h geliefert, und CoPEN (70 Mol-% 2,6-NDC und 30 Mol-% DMT) mit einer Grenzviskosität von 0,52 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 25 pounds/h geliefert. PEN war eine der Hautschichten, und 40% des PEN lagen in zwei Hautschichten vor. Die Beschickungsblock-Methode wurde verwendet, um 57 Schichten zu erzeugen, die durch drei Vervielfältiger geleitet wurden, um ein Extrudat von 449 Schichten herzustellen. Die gegossene Bahn hatte eine Dicke von 10 mil und eine Breite von 12 inch. Die Bahn wurde später unter Verwendung einer Laborverstreckungsvorrichtung uniaxial orientiert, in welcher ein Pantograph verwendet wird, um einen quadratischen Bereich der Folie zu greifen und denselben in einer Richtung mit einer gleichmäßigen Rate zu verstrecken, während er in der anderen eingespannt ist. 7,46 cm² der Bahn wurden in einer Verstreckungsvorrichtung bei etwa 100ºC angeordnet und in 60 Sekunden auf 140ºC erwärmt. Das Verstrecken begann dann mit 10%/s (bezogen auf die ursprünglichen Maße), bis die Probe auf etwa das 5,5fache · 1fache verstreckt war. Unmittelbar nach dem Verstrecken wurde die Probe gekühlt, indem Luft bei Raumtemperatur auf dieselbe geblasen wurde.
Fig. 24 zeigt die Durchlässigkeit dieser Mehrschichtenfolie. Die Kurve a zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei normalem Einfall, Kurve b zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei einem Einfall von 60º und Kurve c zeigt die Durchlässigkeit von s-polarisiertem Licht bei normalem Einfall. Es ist die sehr hohe Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht sowohl bei normalem Einfall als auch bei einem Einfall von 60º (85-100%) zu bemerken. Die Durchlässigkeit ist für p-polarisiertes Licht bei 60º höher, weil die Luft/PEN-Grenzfläche einen Brewster-Winkel von beinahe 60º aufweist, so dass die Durchlässigkeit bei einem Einfall von 60º nahezu 100% ist. Es ist auch auf die hohe Extinktion von s- polarisiertem Licht im sichtbaren Bereich (400-700 nm) hinzuweisen, die durch Kurve c gezeigt wird.

PEN:CoPEN, 601-High Color

Eine coextrudierte Folie, die 601 Schichten enthält, wurde durch Extrusion der gegossenen Bahn hergestellt, und zwei Tage später wurde die Folie auf einem Spannrahmem orientiert, der von demjenigen verschieden ist, der in allen anderen Beispielen beschrieben wurde. Polyethylennaphthalat (PEN) einer Grenzviskosität von 0,5 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 75 pounds/h geliefert, und CoPEN (70 Mol-% 2,6-NDC und 30 Mol-% DMT) mit einer Grenzviskosität von 0,55 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 65 pounds/h geliefert. PEN war eine der Hautschichten. Die Beschickungsblock- Methode wurde verwendet, um 151 Schichten zu erzeugen, die durch zwei Vervielfältiger geleitet wurden, um ein Extrudat von 601 Schichten herzustellen. Das US Patent 3 565 985 beschreibt ähnliche Coextrusionsvervielfältiger. Das gesamte Verstrecken erfolgte in einem Spannrahmen. Die Folie wurde in etwa 20 Sekunden auf etwa 280 ºF vorerwärmt und mit einem Verstreckungsverhältnis von etwa 4, 4 bei einer Rate von etwa 6%/s in der Querrichtung verstreckt. Dann wurde die Folie in einem Wärmerhärtungsofen, der auf 460 ºF eingestellt ist, um etwa 2% ihrer maximalen Breite entspannt. Die Dicke der fertigen Folie war 1,8 mil.
Die Durchlässigkeit der Folie wird Fig. 25 gezeigt. Die Kurve a zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei normalem Einfall, Kurve b zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei einem Einfall von 60º und Kurve c zeigt die Durchlässigkeit von s-polarisiertem Licht bei normalem Einfall. Es wird auf die ungleichmäßige Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht sowohl bei normalem Einfall als auch bei einem Einfall von 60º hingewiesen. Es wird auch auf die ungleichmäßige Extinktion von s-polarisiertem Licht im sichtbaren Bereich (400 bis 700 nm), die durch Kurve c gezeigt wird, hingewiesen.

PEN:CoPEN, 449

Eine coextrudierte Folie, die 449 Schichten enthält, wurde durch Extrusion der gegossenen Bahn in einem Arbeitsgang und das spätere Orientieren der Folie in einer Labor-Folienverstreckungsapparatur hergestellt. Polyethylenterephthalat (PET) einer Grenzviskosität von 0,60 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 26 pounds/h geliefert, und CoPEN (70 Mol-% 2,6-NDC und 30 Mol-% DMT) mit einer Grenzviskosität von 0,53 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 24 pounds/h geliefert. PET war eine der Hautschichten. Die Beschickungsblock-Methode wurde verwendet, um 57 Schichten zu erzeugen, die durch drei Vervielfältiger geleitet wurden, um ein Extrudat von 449 Schichten herzustellen. Das US Patent 3 565 985 beschreibt ähnliche Coextrusionsvervielfältiger. Die gegossene Bahn hatte eine Dicke von 7,5 mil und eine Breite von 12 inch. Die Bahn wurde später unter Verwendung einer Laborverstreckungsvorrichtung uniaxial orientiert, in welcher ein Pantograph verwendet wird, um einen quadratischen Bereich der Folie zu greifen und denselben in einer Richtung mit einer gleichmäßigen Rate zu verstrecken, während er in der anderen eingespannt ist. 7,46 cm² der Bahn wurden in einer Verstreckungsvorrichtung bei etwa 100ºC angeordnet und in 60 Sekunden auf 120ºC erwärmt. Das Verstrecken begann dann mit 10%/s (bezogen auf die ursprünglichen Maße), bis die Probe auf etwa das 5,0fache · 1fache verstreckt war. Unmittelbar nach dem Verstrecken wurde die Probe gekühlt, indem Luft bei Raumtemperatur auf dieselbe geblasen wurde. Die Dicke der fertigen Folie betrug etwa 1,4 mil. Diese Folie hatte eine ausreichende Haftfähigkeit, um das Orientierungsverfahren ohne Delaminierung zu überleben.
Fig. 26 zeigt die Durchlässigkeit dieser Mehrschichtenfolie. Die Kurve a zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei normalem Einfall, Kurve b zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei einem Einfall von 60º und Kurve c zeigt die Durchlässigkeit von s-polarisiertem Licht bei normalem Einfall. Es ist auf die sehr hohe Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht sowohl bei normalem Einfall als auch bei einem Einfall von 60º (80-100%) hinzuweisen.

PEN:CoPEN 601

Eine coextrudierte Folie, die 601 Schichten enthält, wurde auf einer sequentiellen Flachfolien-Herstellungsstraße durch ein Coextrusionsverfahren hergestellt. Polyethylennaphthalat (PEN) einer Grenzviskosität von 0,54 dl/g (60 Gew.-% Phenol/40 Gew.-% Dichlorbenzol) wurde durch einen Extruder mit einer Rate von 75 pounds/h geliefert, und CoPEN wurde durch einen anderen Extruder mit einer Rate von 65 pounds/h geliefert. CoPEN war ein Copolymer aus 70 Mol-% 2,6- Naphthalindicarbonsäuremethylester, 15% Dimethylisophthalat und 15% Dimethylterephthalat mit Ethylenglycol. Die Beschickungsblock-Methode wurde verwendet, um 151 Schichten zu erzeugen. Der Beschickungsblock war so konstruiert, dass er eine Gradientenverteilung von Schichten mit einer Dickenzuteilung der optischen Schichten von 1,22 für PEN und 1,22 für CoPEN erzeugte. PEN- Hautschichten wurden an der Außenseite des optischen Stapels mit einer Gesamtdicke von 8% der coextrudierten Schichten coextrudiert. Der optische Stapel wurde durch zwei sequentielle Vervielfältiger vervielfältigt. Das nominelle Vervielfältigungsverhältnis der Vervielfältiger war 1, 2 bzw. 1,22. Die Folie wurde anschließend in etwa 40 Sekunden auf etwa 310 ºF vorerwärmt und mit einem Verstreckungsverhältnis von etwa 5,0 mit einer Rate von etwa 6%/s in der Querrichtung verstreckt. Die Dicke der fertigen Folie war etwa 2 mil.
Fig. 27 zeigt die Durchlässigkeit für diese Mehrschichtenfolie. Die Kurve a zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei normalem Einfall, Kurve b zeigt die Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht bei einem Einfall von 60º und Kurve c zeigt die Durchlässigkeit von s-polarisiertem Licht bei normalem Einfall. Es ist auf die sehr hohe Durchlässigkeit von p-polarisiertem Licht sowohl bei normalem Einfall als auch bei einem Einfall von 60º (80-100%) hinzuweisen. Es ist ebenfalls auf die sehr hohe Extinktion von s-polarisiertem Licht im sichtbaren Bereich (400 bis 700 nm), die durch die Kurve c gezeigt wird, hinzuweisen. Die Extinktion ist beinahe 100% zwischen 500 und 650 nm.
In solchen Beispielen, bei denen der 57-Schichten-Beschickungsblock verwendet wurde, wurden alle Schichten nur für eine optische Dicke (1/4 von 550 nm) konstruiert, aber die Extrusionsapparatur führt Abweichungen der Schichtdicken in dem gesamten Stapel ein, was eine ziemlich breitbandige, optische Empfindlichkeit ergibt. In Beispielen, die mit dem 151-Schichten-Beschickungsblock hergestellt wurden, ist der Beschickungsblock so konstruiert, dass er eine Verteilung von Schichtdicken bildet, um einen Teil des sichtbaren Spektrums abzudecken.
Asymmetrische Vervielfältiger wurden dann verwendet, um die Verteilung der Schichtdicken zu verbreitern, um den größten Teil des sichtbaren Spektrums abzudecken, wie in den US Patenten 5 094 788 und 5 094 793 beschrieben wird. Obwohl der vorliegende optische Polarisator unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird der Fachmann leicht erkennen, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und Änderungen bezüglich der Form und der Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Optischer Polarisator, umfassend: einen reflektierenden Polarisator (12), der wenigstens ein doppelbrechendes Material einschließt, welches Licht durchlässt, das eine erste Polarisation aufweist, und Licht reflektiert, das nicht die erste Polarisation aufweist; und einen zweifarbig (dichroitisch) absorbierenden Polarisator (11) in enger Nachbarschaft zu einer Seite des reflektierenden Polarisators (12), um auf der einen Seite des reflektierenden Polarisators (12) eine Antireflektion zu erzeugen.

2. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 1, worin der reflektierende Polarisator (12) eine erste Durchlässigkeitsachse aufweist, und worin der dichroitische Polarisator (11) eine zweite Durchlässigkeitsachse aufweist, und worin ferner die erste Durchlässigkeitsachse nach der zweiten Durchlässigkeitsachse ausgerichtet ist.

3. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 1, worin der reflektierende Polarisator (12) einen Mehrschichtenstapel von wenigstens zwei Materialien umfasst, von denen wenigstens eines doppelbrechend ist.

4. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 3, worin der dichroitische Polarisator (11) in wenigstens eine der Schichten in dem Mehrschichtenstapel eingefügt ist.

5. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 3, worin wenigstens eines der Materialien polymer ist.

6. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 5, worin das doppelbrechende, polymere Material ein Poly(ethylennaphthalat) ist.

7. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 6, worin der Mehrschichtenstapel alternierende Schichten von zwei polymeren Materialien umfasst.

8. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 7, worin die zwei polymeren Materialien keinen Unterschied des Brechungsindex für Licht (16, 19) der ersten Polarisation aufweisen, und welche weiterhin einen Unterschied des Brechungsindex für Licht (13, 17) aufweisen, das eine Polarisation senkrecht zur ersten Polarisation aufweist.

9. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 8, worin der Mehrschichtenstapel alternierende Schichten von Poly(ethylennaphthalat) und einem Copolyester eines Naphthalindicarbonsäurepolyesters umfasst.

10. Optischer Polarisator gemäß Anspruch 1, worin der dichroitische Polarisator (11) an den reflektierenden Polarisator (12) geklebt ist.

11. Anzeigevorrichtung, umfassend einen optischen Polarisator (10) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 und eine Lichtquelle, die so angeordnet ist, dass sie wenigstens eine nach außen gerichtete Fläche des optischen Polarisators beleuchtet.

12. Anzeigevorrichtung, umfassend einen Flüssigkristallmodul (52), eine Beleuchtung von unten ("backlight") (54) und den optischen Polarisator (11, 12) gemäß Anspruch 1 zwischen dem Flüssigkristallmodul (52) und der Beleuchtung von unten (54) mit dem zum Flüssigkristallmodul (52) hin gerichteten dichroitisch absorbierendem Polarisator (11), worin der dichroitisch absorbierende Polarisator (11) eine Antireflexion von einer Betrachterseite der Anzeige her bereitstellt.