DE69919204T2

DE69919204T2 - Mehrschichtiger reflektor mit verbessertem öffnungswinkel und selektiver durchlässigkeit

Info

Publication number: DE69919204T2
Application number: DE69919204T
Authority: DE
Inventors: J. Yaoqi LIU; A. Bruce NERAD; R. Laurence GILBERT; L. Robert BROTT; F. Michael WEBER; M. Kelly ROSCOE; A. John WHEATLEY
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: KR20040045043A; AU3373799A; JP2002530713A; JP4348016B2; EP1133705A1; CN1328647A; US6208466B1; WO2000031572A1; DE69919204D1; KR100703114B1; KR20010093109A; EP1133705B1; CN1135409C; KR100584052B1

Description

STAND DER TECHNIK
Diese Erfindung betrifft allgemein Mehrschichtreflektoren, und insbesondere dielektrische Mehrschichtreflektoren mit selektiver Durchlässigkeit.
Mehrschichtige dielektrische Reflektoren werden oft benutzt, um Abschnitte der elektromagnetischen Spektren zwischen Reflexion und Transmission zu unterteilen.
Mehrschichtige dielektrische Reflektoren verwenden typischerweise eine Anzahl von Schichten aus mindestens zwei Materialien im Inneren eines optischen Stapels.
Die verschiedenen Materialien weisen entlang mindestens einer Achse in der Ebene des Stapels Brechungsindizes auf, die unterschiedlich genug sind, um Licht an der Grenzfläche der Schichten im wesentlichen zu reflektieren. Je nach seiner beabsichtigten Anwendung kann ein dielektrischer Stapel aufgebaut sein, um große Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, spezifische Teile davon, eine Lichtpolarisierung usw. zu reflektieren.
Sie können auch aufgebaut sein, um Licht zu reflektieren, das in senkrechten und/oder streifenden Einfallswinkeln einfällt.
Ein mehrschichtiger dielektrischer Reflektortyp wird geformt, indem Dünnschichten aufeinanderfolgend auf ein Substrat aufgetragen werden. Mit diesem Ansatz kann die Dicke jeder einzelnen Schicht genau kontrolliert werden, um ein gewünschtes Reflexionsbandprofil zu erhalten. Ein anderer Ansatz zur Formung eines dielektrischen Reflektors verwendet gemeinschaftlich stranggepreßte Polymerschichten, um einen optischen Stapel zu formen. In jedem Reflektortyp trägt die Verwendung mehrerer Schichten dazu bei, die Leistung des resultierenden dielektrischen Reflektors zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein dielektrische Reflektoren, die auf selektive Weise behandelt sind, um die Durchlässigkeitseigenschaften des Reflektors zu verändern. Die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften des dielektrischen Reflektors können auf selektive Weise behandelt werden, zum Beispiel in lokalen Bereichen, indem die Oberflächen behandelt werden, um die Ausbreitungswinkel des Lichts, das an einer Oberfläche in den Reflektor eintritt, zu ändern, und den Lichtaustritt aus dem Reflektor an der gegenüberliegenden Oberfläche zuzulassen.
In einer Ausführungsform umfasst der Reflektor einen dielektrischen Stapel aus optischen Wiederholeinheiten, die mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes einschließen. Der Stapel weist einen kritischen Winkel auf, bei dem Licht, das sich im Stapel ausbreitet, an einer Grenzfläche des Stapels zur Luft der Totalreflexion unterzogen wird.
Eine erste Oberfläche, die mit dem dielektrischen Stapel optisch gekoppelt ist, ist auf selektive Weise behandelt, um mindestens einen Teil des auf die ersten Oberfläche einfallenden Lichts in einem Ausbreitungswinkel über dem Grenzwinkel in den dielektrischen Stapel zu koppeln. Eine zweite Oberfläche ist auf selektive Weise behandelt, um mindestens einen Teil des Lichts, das sich in einem Winkel ausbreitet im dielektrischen Stapel, der über dem Grenzwinkel liegt, aus dem Stapel zu koppeln. Der Kopplungswirkungsgrad zum Koppeln des Lichts mit einem Ausbreitungswinkel, der über dem Grenzwinkel liegt, in oder aus dem Stapel ist für verschiedene Bereiche auf mindestens einer Ober fläche des dielektrischen Stapels unterschiedlich.
Eine Anzahl von dielektrischen Reflektoren sind zur Verwendung mit den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung geeignet. Zu den geeigneten Reflektoren gehören polymerische mehrschichtige Spiegel und polarisierende Filme, aufgedampfte dielektrische Spiegel und dergleichen. Verschiedene Behandlungen können verwendet werden, um Licht auf selektive Weise in oder aus dem Stapel zu koppeln. Solche Reflektoren, die auf selektive Weise behandelt sind, können als Bestandteil einer Anzahl von nützlichen Gegenständen verwendet werden.
Zum Beispiel können gleichmäßig beleuchtete Zeichen hergestellt werden, wobei die Indizes auf dem Zeichen durch selektive Behandlung auf einer Seite des Zeichens geändert werden können.
Die obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung zielt nicht darauf ab, jede veranschaulichte Ausführungsform oder jede Implementierung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Diese Ausführungsformen werden in den Zeichnungen und in der folgenden ausführlichen Beschreibung anhand von Beispielen im Einzelnen erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 eine schematische Darstellung ist, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine andere schematische Darstellung ist, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
3A und 3B die Bandkantenverschiebung als eine Funktion der Änderung des Brechungsindexes des Einfallsmediums jeweils für p- und s-polarisiertes Licht zeigt;
4 eine Oberflächenbehandlung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Oberflächenbehandlung nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine Oberflächenbehandlung nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 das Reflexionsspektrum für einen Reflektor nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 noch eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 das Durchlässigkeitsspektrum eines Mehrschichtreflektors zeigt, der nach einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
13 das Durchlässigkeitsspektrum eines Mehrschichtreflektors zeigt, der nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
14 das Durchlässigkeitsspektrum eines weiteren Mehrschichtreflektors nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
15 das Durchlässigkeitsspektrum von Mehrschichtreflektoren zeigt, die nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurden;
16 das Durchlässigkeitsspektrum von Mehrschichtreflektoren mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
17 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
18 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
19 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
20 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
21 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
22 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
23 das Durchlässigkeitsspektrum eines anderen Mehrschichtreflektors zeigt, der einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend behandelt wurde;
24 die Streuungs- und Spiegelungseigenschaften nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
25 das Durchlässigkeitsspektrum unterschiedlich behandelter Reflektoren nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
26 eine Beziehung zwischen der Durchlässigkeit und der Behandlung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
27 ein Leuchtenraster nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
28A und 28B ein Lichtmodul nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf eine Anzahl von verschiedenen Mehrschichtreflektoren anwendbar und besonders für mehrschichtige dielektrische Spiegel und Polarisatoren geeignet. Auch wenn im folgenden spezifi sche Beispiele derartiger Reflektoren angeführt werden, um die Erläuterung verschiedener Aspekte der Erfindung zu erleichtern, ist die Erfindung nicht auf die Spezifika der Beispiele beschränkt.
Verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemäß kann die Lichtmenge, die durch einen mehrschichtigen dielektrischen Reflektor durchgelassen wird, selektiv erhöht werden. Ein mehrschichtiger dielektrischer Reflektor ist allgemein aus optischen Wiederholeinheiten aufgebaut, die die Grundbausteine eines dielektrischen Stapels bilden. Die optischen Wiederholeinheiten enthalten typischerweise zwei oder mehr Schichten aus mindestens einem Material mit einem hohem und einem niedrigen Brechungsindex. Mit diesen Bausteinen kann ein Mehrschichtreflektor ausgelegt werden, um Infrarot-, sichtbare oder ultraviolette Wellenlängen zu reflektieren, und eine oder beide (Wellenlängen) eines bestimmten orthogonalen Paars von Polarisationen des Lichts. Allgemein kann der Stapel aufgebaut werden, um Licht einer bestimmten Wellenlänge λ zu reflektieren, indem die optische Dicke der Schichten der folgenden Beziehung entsprechend eingestellt wird: λ = (2/M)*Dr,wobei M eine Ganzzahl ist, die für die Ordnung des reflektierten Lichts steht, und D_r die optische Dicke einer optischen Wiederholeinheit ist. Für die Reflexion erster Ordnung ist die optische Wiederholeinheit λ/2 dick. Bei einfachen ¼-Wellen-Stapeln ist jede Schicht gleich λ/4 (dick). Breitbandreflektoren können mehrfache ¼-Wellen-Stapel umfassen, einen Stapel mit einer kontinuierlichen Abstufung der Schichtdicke im ganzen Stapel, oder Kombinationen davon. Ein typischer Mehrschichtreflektor kann zudem nichtoptische Schichten einschließen. Zum Beispiel kann ein gemeinschaftlich stranggepreßter polymerischer dielektrischer Reflektor schützende Grenzschichten und/oder Hautschichten enthalten, die verwendet werden, um die Formung des Reflektorfilms zu erleichtern und den Reflektor zu schützen. Polymerische optische Stapel, die für die vorliegende Erfindung besonders geeignet sind, werden in der veröffentlichten PCT-Patentanmeldung WO 95/17303 mit dem Titel „Multilayer Optical Film" und der anhängigen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 09/006/591 mit dem Titel „Color Shifting Film" beschrieben. Auch wenn verschiedene Beispiele, die im folgenden beschrieben werden, ¼-Wellen-Stapel sind, beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf einfache ¼-Wellen-Stapel und ist allgemein auf jeden dielektrischen Stapel anwendbar, wie zum Beispiel auf computeroptimierte Stapel oder Stapel mit zufälliger Schichtdicke.
Die Reflexion, durch einen dielektrischen Stapel, von Licht einer bestimmten Wellenlänge ist zum Teil auch vom Ausbreitungswinkel durch den Stapel abhängig. Der Mehrschichtreflektor weist ein Reflexionsbandprofil (d. h., Bandzentrum und Bandkanten) für Licht auf, das sich in einem bestimmten Winkel im Stapel ausbreitet.
Dieses Bandprofil ändert sich, wenn der Ausbreitungswinkel im Stapel sich ändert. Der Ausbreitungswinkel im Stapel ist allgemein vom Einfallswinkel und von den Brechungsindizes der Materialien im Stapel und dem umgebenden Medium abhängig. Die Änderung in der Bandkante des Reflexionsbandprofils, wenn der Ausbreitungs winkel sich ändert, kann als eine winkelabhängige Verschiebung in der Bandkante des Stapels betrachtet werden. Bei den in Betracht kommenden Materialien verschiebt sich die Bandkante des Reflektors bei Licht mit Senkrechteinfall typischerweise auf etwa 80% ihres Werts für den Senkrechteinfall, wenn es mit streifendem Einfall in Luft betrachtet wird. Dielektrische Mehrfachschichten mit metallischen Komponenten weisen demgegenüber keine derart drastischen Verschiebungen auf.
Obwohl die meisten dielektrischen Stapel diskrete Schichten umfassen, ist ein vergleichbares Winkelverhalten bei Rugate-Filtern oder jedem Film vorhanden, der einen auf periodische, aber kontinuierliche Weise variierenden Index aufweist, der von der Tiefe im Film abhängig ist. Darüber hinaus können Materialien mit einer chiralen Struktur wie z. B. cholesterinische Flüssigkristalle, die zirkular polarisiertes Licht reflektieren, eine ähnliche vom Ausbreitungswinkel des Lichts abhängige Verschiebung der Bandkante aufweisen.
Allgemein weist jeder Bragg-Reflektor, der exotische Werkstoffe wie z. B. geordnete Stapel aus kugelförmigen Partikeln wie z. B. Opal enthält, diese Wirkung auf und ist in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Die Winkelabhängigkeit des Reflexionsbandprofils (d. h., die winkelabhängige Verschiebung der Bandkante) ergibt sich aus einer Änderung in der effektiven Schichtdicke.
Auch bei doppelbrechenden dielektrischen Schichten beeinflusst eine vom Einfallswinkel abhängige Änderung im effektiven Brechungsindex das Reflexionsbandprofil.
Der erstere dominiert stets, und das Reflexionsbandprofil verschiebt sich mit vom Senkrechteinfall zunehmendem Winkel zu kürzeren Wellenlängen hin, wenn positiv oder negativ doppelbrechende Materialien im Stapel verwendet werden. Obwohl die Gesamtweglänge durch eine gegebene Schicht mit dem Winkel zunimmt, ist die winkelabhängige Änderung in der Bandposition nicht von der winkelabhängigen Änderung in der Gesamtweglänge durch eine Schicht abhängig. Die Bandposition hängt vielmehr von der Differenz in der Weglänge zwischen den Lichtstrahlen ab, die von der Ober- und Unterseite einer gegeben Schicht reflektiert werden. Diese Wegdifferenz nimmt mit dem Einfallswinkel ab, wie durch die bekannte Formel n*d*cosθ angegeben, die benutzt wird, um die Wellenlänge λ zu berechnen, für welche eine gegebene Schicht als eine ¼λ dicke Schicht abgestimmt ist. Bei negative uniaxiale doppelbrechenden Schichten wie biaxial orientiertem PET und PEN nimmt der effektive Index n mit dem Einfallswinkel für p-polarisiertes Licht cosθ entsprechend ab, auch wenn letzteres schneller abnimmt. Bei Stapeln, die negativ uniaxial doppelbrechende Schichten enthalten, bewirkt die vom Einfallswinkel für p-polarisiertes Licht abhängige Abnahme im effektiven Index dieser Schicht, dass sich das Bandzentrum für p-polarisiertes Licht mit einer höheren Geschwindigkeit einfallswinkelabhängig verschiebt, als dies beim Bandzentrum für s-polarisiertes Licht der Fall ist. Die Bandbreite eines gegebenen Stop-Bands nimmt dem Einfallswinkel für s-polarisiertes Licht zu, während bei p-polarisiertem Licht die Bandbreite abhängig von den relativen Vorzeichen der Indexdifferentiale innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene (z-Achse) ab- oder zunehmen kann. In gewissen Fällen sind die Bandkanten für kürzere Wellenlängen (Blau-Bandkanten) für s- und p-polarisiertes Licht über alle Einfallswinkel hinweg gleichbleibend, während die Bandkanten für lange Wellenlängen (Rot-Bandkanten) sich abhängig vom Einfallswinkel trennen. Eine eingehende Erörterung dieses Themas ist in der oben angeführten anhängigen Patentanmeldung „Color Shifting Films" mit dem Aktenzeichen Nr. 09/006.591 zu finden.
Die obige Beschreibung beschreibt, wie die Bandkante des Reflexionsbandprofils sich winkelabhängig ändert.
Hierin bezieht sich die Bandkante allgemein auf den Bereich, in welchem der Mehrschichtreflektor von der wesentlichen Reflexion zur wesentlichen Durchlässigkeit wechselt. Dieser Bereich kann ziemlich scharf sein und als eine einzelne Wellenlänge beschrieben werden. In anderen Fällen kann der Übergang zwischen Reflexion und Durchlässigkeit allmählicher sein und in Form einer Zentrumswellenlänge und Bandbreite beschrieben werden.
In jedem Fall ist aber auf beiden Seiten der Bandkante ein wesentlicher Unterschied in der Reflexion und Durchlässigkeit vorhanden.
Für Licht einer gegebenen Wellenlänge kann die Bandkante eines dielektrischen Stapels auch als eine Funktion des Ausbreitungswinkels im dielektrischen Stapel behandelt werden. Wenn Licht der spezifischen Wellenlänge sich in zunehmenden Ausbreitungswinkeln (von einer Achse normal zur Grenzfläche der Wiederholungseinheiten gemessen) im Stapel ausbreitet, nähert sich das Licht der Bandkante. In einem Beispiel wird der Stapel für diese spezifische Wellenlänge des Lichts im Wesentlichen transparent, wenn die Ausbreitungswinkel hoch genug sind, wodurch diese spezifische Wellenlänge des Lichts und das Licht durch den Stapel durchgelassen wird. Für eine spezifische Wellenlänge des Lichts weist der Stapel daher einen zugehörigen Ausbreitungswinkel auf, unter welchem der Stapel das Licht im Wesentlichen reflektiert, und einen anderen Ausbreitungswinkel, über welchem der Stapel das Licht im Wesentlichen durchlässt. Dementsprechend kann in gewissen mehrschichtigen Stapeln jede Wellenlänge des Lichts einen entsprechenden Winkel aufweisen, unter welchem sie im Wesentlichen reflektiert wird, und einen entsprechenden Winkel, über welchem sie im Wesentlichen durchgelassen wird. Je schärfer die Bandkante ist, um so dichter liegen diese zwei Winkel für die zugehörige Wellenlänge zusammen.
Die obige Beschreibung beschreibt die Art und Weise, wie Licht einer bestimmten Wellenlänge in einem gegebenen Stapel mit zunehmendem Ausbreitungswinkel vom der Reflexion zur Transmission wechselt. Es ist anzumerken, dass bestimmte Wellenlängen des Lichts auch von einem durchgelassenen Zustand in einen reflektierten Zustand übergehen können, wenn die Bandkante im dielektrischen Stapel sich mit dem Ausbreitungswinkel verschiebt, Daher weist der Stapel für Licht dieser Wellenlängen einen zugehörigen Ausbreitungswinkel auf, über welchem der Stapel das Licht im wesentlichen reflektiert, und einen Ausbreitungswinkel, unter welchem der Stapel das Licht im Wesentlichen durchlässt.
Dementsprechend weist jede Wellenlänge des Lichts allgemein eine entsprechende Gruppe von Ausbreitungswinkeln auf, in welchen das Licht im Wesentlichen reflektiert wird, und eine andere Gruppe von Ausbrei tungswinkeln, in welchen das Licht im Wesentlichen durchgelassen wird. Welche von diesen zwei Gruppen von Ausbreitungswinkeln größer ist, ist vom Bandprofil des dielektrischen Stapels abhängig. Die größere beider Gruppen schließt, wie weiter unten ausführlicher beschrieben, einen Grenzwinkel ein, für welchen die selektive Behandlung der Oberflächen des dielektrischen Stapels benutzt werden kann, um Licht mit Ausbreitungswinkeln bei oder über dem Grenzwinkel in und aus dem Stapel zu koppeln.
Die Anwendung der obigen Überlegungen erlaubt die Konstruktion eines dielektrischen Stapels, der die gewünschte Reflexion und/oder Durchlässigkeit für eine gegebene Bandbreite des Lichts aufweist, das in einem vorgegebenen Winkelbereich auf den dielektrischen Stapel einfällt. Zum Beispiel kann ein Breitbandspiegel für den sichtbaren Bereich konstruiert werden, indem die Reflexionsbandbreite für Licht, das senkrecht zur Oberfläche einfällt, über das sichtbare Spektrum hinaus erweitert wird, um die Ausbreitungswinkelabhängigkeit der Reflexion durch den mehrschichtigen Stapel zu berücksichtigen. Es ist jedoch anzumerken, dass das Snelliussche Gesetz den Höchstausbreitungswinkel im dielektrischen Stapel für Licht begrenzt, das aus einem isotropen Medium auf eine plane Oberfläche einfällt. Um das volle sichtbare Spektrum in einem Spiegel zu umschließen, der Licht reflektiert, das in allen Winkeln einfällt, wird die Bandbreite so erweitert, dass der Spiegel Licht reflektiert, das einen Ausbreitungswinkel mit dem Höchstwinkel aufweist, der durch das Snelliussche Gesetz für die spezifischen Materialien, die im mehrschichtigen Stapel verwendet werden, zugelassen wird.
1 zeigt einen Abschnitt eines Reflektors 100. Die Abschnitte 101 und 107 der gegenüberliegenden Oberflächen 103 und 109 eines mehrschichtigen dielektrischen Stapels sind behandelt, um Licht in und/oder aus dem Stapel mit einem höheren Ausbreitungswinkel im Stapel zu koppeln. Der dielektrische Stapel 105 ist allgemein ein mehrschichtiger Stapel aus optischen Wiederholeinheiten, die ausgelegt sind, um ein gewünschtes Reflexionsbandprofil aufzuweisen. Der mehrschichtige dielektrische Stapel 105 kann jeder geeignete mehrschichtige Reflektor sein, der Schichten aus zwei oder mehr dielektrischen Materialien mit verwendet, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, einschließlich gemeinschaftlich stranggepresster polymerischer doppelbrechender Mehrschichtreflektoren, dielektrischer Reflektoren, die aufgedampft sind und aus organischen, anorganischen und/oder isotropen Materialien und dergleichen bestehen. Der Stapel 105 kann auch eine oder mehrere nichtoptische Schichten (d. h., Hautschichten, die die Oberflächen 103 und 109 des dielektrischen Reflektors 105 formen) umfassen. Der Begriff Stapel schließt auch jedes Material mit einer periodischen Variation im Index ein, die derart ist, dass es sich wie ein Bragg-Reflektor verhält.
Die Behandlungen, die auf die Oberflächen 103 und 109 aufgebracht werden, sind allgemein vorgesehen, um Licht, das im dielektrischen Stapel einen Ausbreitungswinkel θ_P aufweist, der größer ist als ein Winkel θ_r, der mit der Reflexionsbandkante des Stapels verknüpft ist, zwischen dem Stapel und dem umgebenden Medium zu koppeln. Wenn der dielektrische Reflektor zum Beispiel als ein Breitbandspiegel für sichtbares Licht aufgebaut ist, das in Luft aus allen Winkeln einfällt, entspricht der Reflexionswinkel θr dem Höchstwinkel, der durch das Snelliussche Gesetz im Stapel zugelassen wird, und der Winkel, in welchem die innere Totalreflexion (TIR) auftritt, tritt für Licht auf, das aus dem Stapel austritt. In diesem Fall koppeln die Oberflächenbehandlungen einen Teil des Lichts in einem Winkel, der größer ist als der, der durch das Snelliussche Gesetz zugelassen wird, an einer typischerweise planen Grenzfläche in den Stapel, und koppeln einen Teil des Lichts, das sich in einem Winkel im Stapel ausbreitet, der größer ist als der Winkel für die TIR, aus dem Stapel. In solch einem Fall muss die Behandlung allgemein so mit dem Stapel optisch verbunden sein, dass zwischen der Behandlung und dem optischen Stapel keine Grenzflächen zur Luft vorhanden sind.
Wie hierin beschrieben, beziehen sich die Begriffe plan, parallele Ebenen und die Bezugnahmen auf das Snelliussche Gesetz auf lokale Bereiche des Films, die als annähernd plan bezeichnet werden können. Einfallswinkel beziehen sich dann auf die lokale Tangentialebene. Deshalb sind solche Filme eingeschlossen, die eine einfache oder zusammengesetzte Krümmung aufweisen.
Zum Beispiel sind Filme, die auf einen Zylinder oder eine Kugel aufgetragen sind, oder mehrschichtige polymerische Filme, die zu einem Zylinder gerollt oder auf sonstige Weise (z. B. durch Thermoformen) zu komplexen Formen geformt sind, eingeschlossen.
In der Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht wird, wird die Lichtmenge, die durch den Reflektor 100 durchgelassen wird, erhöht, wo die Oberfläche behandelt wurde. Die Lichtmenge, die an den behandelten und unbehandelten Abschnitten der Oberflächen reflektiert wird, ist von der Art der Behandlung und vom Aufbau des Films abhängig. Allgemein ist es wünschenswert, dass der Unterschied in der Durchlässigkeit zwischen den behandelten und unbehandelten Abschnitten des Reflektors 100 groß genug ist, um einen ausgeprägten Kontrast zwischen beiden Regionen zu gewährleisten. Im Falle eines Breitbandspiegels für sichtbares Licht zum Beispiel ist im Wesentlichen kein durchgelassenes Licht zu beobachten, außer an den behandelten Abschnitten. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, kann eine Vielfalt von verschiedenen Oberflächenbehandlungen auf die Oberfläche aufgebracht werden, um die Ausbreitungs- und Austrittsflächenreflexionswinkel und die Lichtmenge zu ändern, die durch den Reflektor durchgelassen wird. In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, Licht durch die behandelten Abschnitte in allen Wellenlängen des einfallenden Lichts durchzulassen, das an unbehandelten Abschnitten der Oberfläche vom dielektrischen Stapel reflektiert wird. Dies wird erreicht, wenn die Oberflächenbehandlungen jede Wellenlänge des Lichts in einem Ausbreitungswinkel in und aus dem dielektrischen Stapel koppeln, der den Stapel für die Wellenlänge durchlässig macht.
Wie oben erwähnt, können nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Einfalls- und Austrittsflächen eines dielektrischen Reflektors behandelt werden, um Licht auf selektive Weise durch den Reflektor durchzulassen. Dadurch können verschiedene Behandlungen auf selektive Weise auf Abschnitte des dielektrischen Reflektors aufgebracht werden, um einen Kontrast zwischen behandelten und unbehandelten Ab schnitten des Reflektors zu erzeugen, oder zwischen Abschnitten des Reflektors, die unterschiedliche Behandlungen aufweisen. Zum Beispiel kann ein Spiegel hergestellt werden, der, von der Austrittsfläche aus gesehen, Licht nur an den behandelten Stellen durchlässt, oder Licht an unterschiedlich behandelten Abschnitten des Spiegels auf verschiedene Weise durchlässt. Die Lichtmenge, die selektiv durch einen Reflektor durchgelassen wird, ist zum Teil vom Wirkungsgrad abhängig, mit dem Licht in einem Ausbreitungswinkel im Stapel, der im Wesentlichen durchlässig ist, in und aus dem dielektrischen Stapel gekoppelt wird.
Durch Variieren des Kopplungswirkungsgrads verschiedener Stellen auf mindestens einer Oberfläche des Reflektors kann ein gewünschter Kontrast erhalten werden. Allgemein kann der Kopplungswirkungsgrad von nichtkoppelnd bis hochkoppelnd variiert werden. Zum Beispiel kann ein Reflektor, der sonst einen hohen Wirkungsgrad aufweist, wie der, der in der veröffentlichten PCT-Patentanmeldung WO 95/17303 mit dem Titel „Multilayer Optical Film" offenbart wird, auf selektive Weise behandelt werden, um eine signifikante Durchlässigkeit an den behandelten Abschnitten zu erlauben, indem Licht in einem Ausbreitungswinkel in und aus dem Reflektor gekoppelt wird, der durch das Snelliussche Gesetz zugelassenen für Licht übersteigt, das auf die unbehandelten Abschnitte der Oberfläche einfällt. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, können verschiedene Behandlungen auf verschiedene Abschnitte der Oberflächen aufgebracht werden, um zum Beispiel abgestuftere Kontrastunterschiede herzustellen, indem der Kopplungswirkungsgrad in diesen Bereichen variiert wird. Das Variieren des Kopplungswirkungsgrads kann auch verwendet werden, um eine gleichmäßige Durchlässigkeit durch einen nicht gleichmäßig beleuchteten Reflektor zu erhalten. Bestimmte Oberflächenbehandlungen oder Abschnitte davon können relativ leicht auf den dielektrischen Reflektor aufgebracht werden, was seine Vielseitigkeit erhöht. Zudem kann die Behandlung in gewissen Fällen entfernt werden, wodurch der Reflektor seine unbehandelten reflektiven Eigenschaften zurückerhält.
Wie oben beschrieben, erlaubt einem die effektive Verschiebung der Reflexionsbandkante eines dielektrischen Reflektors durch Vergrößern des Ausbreitungswinkels des Lichts im mehrschichtigen Stapel, Licht auf selektive Weise durch den mehrschichtigen Stapel durchzulassen. In gewissen dielektrischen Stapeln kann der Winkel, in welchem der Stapel für das einfallende Licht durchlässig wird, klein genug sein, um das Licht ohne Austrittsflächenbehandung aus dem Stapel auszulassen.
In vielen dielektrischen Stapeln, wie dem Breitbandspiegel für den sichtbaren Bereich, liegen die durchlässigen Ausbreitungswinkel über dem Grenzwinkel für die TIR an der planen Austrittsfläche des Stapels.
Damit das Licht aus dem Stapel austreten kann, wird daher auch die Austrittsfläche behandelt, um das Licht mit großem Winkel aus dem Stapel zu koppeln. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, können verschiedenen Oberflächenbehandlungen verwendet werden, um Licht mit großem Ausbreitungswinkel in und aus dem Stapel zu koppeln. Zum Beispiel kann Streulicht in einem Medium, das einen Brechungsindex aufweist, der dem Brechungsindex des Stapelmaterials (relativ zu Luft) näherkommt, verwendet werden, um das Licht in großen Winkeln in und aus dem Stapel zu koppeln. Auch strukturierte Oberflächen können verwendet werden, um den Winkel der Einfallsebene zu ändern.
Wenn das Einfallsflächen- und Austrittsflächenmedium den gleichen Brechungsindex aufweisen und im gleichen isotropischen Medium (Luft) eingetaucht sind, entspricht der Winkel für die TIR an der Austrittsfläche dem Höchstausbreitungswinkel im Einfallsflächenmedium, das durch das Snelliussche Gesetz zugelassen wird.
Daher können auch Behandlungen verwendet werden, die es einem Lichtstrahl erlauben, in einem größeren Winkel in den Stapel einzutreten, um dem Licht mit größerem Winkel an der Austrittsfläche den Austritt aus dem mehrschichtigen Stapel zu erlauben. Bei bestimmten dielektrischen Reflektoren ist es möglich, eine ganze Oberfläche zu behandeln, wobei Licht nur noch an den Abschnitten des Stapels ausgelassen wird, die auch auf der gegenüberliegenden Oberfläche behandelt sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf jeden dielektrischen oder Bragg-Reflektor anwendbar ist, sind die hierin beschriebenen Verfahren und Behandlungen besonders zur Verwendung mit gemeinschaftlich stranggepressten mehrschichtigen dielektrischen Reflektoren geeignet. Isotropische dielektrische Reflektoren sind typischerweise auf ein relativ dickes Substrat aufgetragen, das dazu neigt, den Effekt zu verringern (d. h., durch Licht, das aus den Seiten des Substrats austritt, wodurch die Deckungsgleichheit der Behandlung auf der gegenüberliegen Seite reduziert wird, usw.). Gemeinschaftlich stranggepresste Reflektoren erfordern jedoch kein separates Substrat.
Wie oben erwähnt, kann die Oberfläche eines Mehrschichtreflektors auf verschiedene Weise behandelt werden, um einen Teil des Lichts zwischen einem umgebenden Medium und dem Reflektor zu koppeln, wobei sich das gekoppelte Licht im Reflektor in einem Winkel ausbreitet, der den Reflektor für das Licht durchlässig macht. 2 veranschaulicht in schematischer Form zwei derartige Kopplungsbehandlungen. In 2 sind Abschnitte gegenüberliegender Oberflächen 203 und 205 eines Mehrschichtreflektors behandelt, um Licht mit großem Ausbreitungswinkel in und aus den Reflektor 201 zu koppeln. Es ist anzumerken, dass die Einfalls- und Austrittsflächen des Reflektors allgemein austauschbar sind. Der Einfachheit halber werden die zwei Oberflächen aber als Einfallsfläche 203 und Austrittsfläche 205 bezeichnet. Wie zu erkennen ist, variiert der Gesamtkopplungswirkungsgrad der beiden Oberflächen für verschiedene Regionen auf der Oberfläche.
Der Lichtstrahl 207 fällt auf einen unbehandelten Abschnitt der Einfallsfläche 203 ein. Das Licht breitet sich im mehrschichtigen Stapel in einem Höchstwinkel aus, der für Licht, das auf die Ebene der Einfallsfläche 203 einfällt, durch das Snelliussche Gesetz auferlegt wird. Im Falle eines Breitbandspiegels wird der Lichtstrahl 207 mit einem Wirkungsgrad reflektiert, der vom Aufbau des mehrschichtigen Stapels abhängt.
[TEXT FEHLT] mehrschichtigen Stapel. Wenn zum Beispiel ein gemeinschaftlich stranggepreßter mehrschichtiger Stapel mit hohem Wirkungsgrad verwendet wird, wie der, der in der vorgenannten veröffentlichten PCT-Patentanmeldung WO 95/17303 offenbart wird, tritt weniger als 1% des einfallenden Lichts durch die Austrittsfläche (Rückseite) 205 des Stapels aus. Der Lichtstrahl 209 fällt auf einen Abschnitt 211 der Einfallsfläche 203 ein, der behandelt ist, um das einfallende Licht in einem breiten Winkelbereich in den Mehrschichtreflektor vorwärtszustreuen. Ein Teil des Lichts weist trotz Streuung einen Ausbreitungswinkel im Stapel auf, der nicht größer ist als die Winkel, die durch das Snelliusschen Gesetz für Licht zugelassen wird, das auf die unbehandelten Abschnitte des Stapels einfällt. Dann wird dieses Licht in gleichem Maße vom Stapel reflektiert wie Licht, das auf den unbehandelten Abschnitt der Einfallsfläche 203 einfällt, ist aber diffuser in seiner Reflexion.
Ein anderer Abschnitt 215 des Lichtstrahls 209 wird in Winkeln gestreut, die über dem liegen, bei dem der Reflektor das Licht reflektiert. Dadurch koppelt die Streuung diesen Teil des einfallenden Lichts, die vom mehrschichtigen Stapel durchgelassen werden, auf effektive Weise in den Reflektor, in Winkeln. Wenn der Reflektor zum Beispiel ein Breitbandspiegel ist, entspricht der Höchstwinkel für die Reflexion dem Höchstwinkel, der durch das Snelliussche Gesetz für Licht zugelassen wird, das auf die Ebene der Oberfläche einfällt. In solch einem Fall werden die Strahlen mit größerem Winkel an der Austrittsfläche der TIR unterzogen, außer an den Abschnitten 217, wo auch die Rückseite behandelt ist, um das Licht mit großem Ausbreitungswinkel aus dem Stapel 201 zu koppeln. Wie zu ersehen ist, wird durch Variieren des Kopplungswirkungsgrads des Lichts mit großem Winkel entlang mindestens eine Oberfläche des Reflektors die Lichtmenge, die durch den Stapel 201 durchgelassen wird, in einigen Bereichen (d. h., Lichtstrahl 209) höher als in anderen (d. h., Lichtstrahl 207). Durch Steuerung der Anordnung und/oder des Kopplungswirkungsgrads der Oberflächenbehandlungen lassen sich die gewünschten Durchlässigkeitsprofile erhalten.
2 veranschaulicht auch die Verwendung von Brechungsoptiken, um Licht zwischen dem umgebenden Medium und dem reflektierenden Stapel 201 zu koppeln. Der Lichtstrahl 218 fällt auf einen Abschnitt 219 des mehrschichtigen Stapels 201 ein, der eine Oberflächenstruktur ausweist, die nicht parallel zur Ebene der optischen Schichten liegt. Der Lichtstrahl 218 wird durch die strukturierte Oberfläche auf eine Weise gebrochen, die das Licht in Winkeln, die größer sind als der, der durch das Snelliussche Gesetz zugelassen würde, wenn das Licht auf eine Fläche einfallen würde, die parallel zu den Schichten liegt, auf effektive Weise in den mehrschichtigen Stapel 201 koppelt. Die Austrittsfläche ist wieder behandelt, um die TIR zu verhindern und das Licht ohne Reflexion aus dem mehrschichtigen Stapel 218 zu koppeln. Im dargestellten Beispiel wird das Licht durch eine zweite Struktur 220, die auf der Austrittsfläche 205 aufgebracht ist, aus dem Stapel gekoppelt. Da die strukturierte Kopplungsbehandlung die Ausbreitungswinkel, in denen Licht in den Stapel gerichtet wird, genauer definiert, kann solch ein Ansatz verwendet werden, um mehr Licht in größeren Winkeln in und aus dem Stapel zu koppeln als eine Behandlung, die zum Beispiel auf diffuse Lichtstreuung beruht.
Wie die obigen Beispiele zeigen, weist ein typischer unbehandelter mehrschichtiger dielektrischer Reflektor eine direkte Beziehung zwischen dem Einfallswinkel von Licht und dem Ausbreitungswinkel im Stapel auf (die dem Snelliussche Gesetz unterworfen ist). Die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel und dem Ausbreitungswinkel kann durch Behandlung der Oberfläche verändert werden, um Licht mit höheren Ausbreitungswinkeln zwischen dem Stapel und dem umgebenden Medium zu koppeln (d. h. durch Streuen oder Brechen des Lichts). Die Oberflächenbehandlung kann in Form einer oder mehrerer zusätzlicher Schicht(en), die mit dem Stapel in optischem Kontakt sind, eine Textur, die auf die Oberfläche aufgebracht wird, und dergleichen vorliegen. Die Behandlung kann auch auf eine andere Schicht oder ein anderes Material aufgebracht werden, die mit der Oberfläche des optischen Stapels optisch verbunden ist (z. B., eine Hautschicht). Je größer der Index der Stapelschichten ist, um so weniger wird der Ausbreitungswinkel im Stapel eingeschränkt. Eine Schicht mit niedrigem Index, die zwischen einer streuenden Schicht und dem dielektrischen Spiegel liegt, kann den Höchstausbreitungswinkel im Stapel reduzieren.
Wie oben erwähnt, ist der Winkel, auf welchen der Ausbreitungswinkel erhöht werden muss, um durch den mehrschichtigen Stapel durchlässig zu werden, vom Aufbau des Stapels abhängig. Für jedes Dünnschicht-Stapeldesign mit einer gegebenen Rot-Bandkante bei Senkrechteinfall kann die einfallswinkelabhängige Position der Rot-Bandkante mit Hilfe von Dünnschichtmodellierungstechniken berechnet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Die Verschiebung der Bandkanten eines einfachen Viertelwellenstapels wird unten als veranschaulichendes Beispiel gezeigt. Das Stapeldesign, das verwendet wurde, um dieses Verhalten zu veranschaulichen, ist ein Viertelwellenstapel aus PEN (n_o = 1,75, n_c = 1,50) und PMMA (n = 1,5) mit einer Zentrumswellenlänge von 855 nm bei Senkrechteinfall. Die Bandkante für die lange Wellenlänge oder Rot-Bandkante liegt bei 900 nm bei Senkrechteinfall (0°). An der Grenze zum streifenden Einfall (90°) in Luft verschiebt sie sich auf 732 nm für s-polarisiertes Licht und 675 nm für p-polarisiertes Licht. Wenn der Index des Einfallsmediums erhöht wird, nimmt diese Verschiebung zu. Es werden Fälle sowohl für p-polarisiertes Licht als auch für s-polarisiertes Licht gezeigt, bei denen die größere Verschiebung für p-polarisiertes Licht auftritt. Wenn die Bandkante auf einen Wert unter 400 nm verschoben wird, wird der dielektrische Spiegel im Wesentlichen transparent und farblos. Im Falle einer scharfen Bandkante reicht eine Verschiebung auf unter 420 nm aus, um den Spiegel für den durchschnittlichen Betrachter im wesentlichen durchsichtig zu machen.
Die Graphen von 3A und 3B veranschaulichen, jeweils für p- und s-polarisiertes Licht, die voraussichtliche Position der Rot-Bandkante als eine Funktion des Einfallswinkels für eine Vielzahl von Einfallsmedien für den oben beschriebenen Viertelwellenstapel.
Das heißt, die Kurven 301 und 311 sind für einen Index des Einfallsmediums von 1,0 (Luft), die Kurven 302 und 312 für einen Index von 1,4, die Kurven 303 und 313 für einen Index von 1,5, die Kurven 304 und 314 für einen Index von 1,6 und die Kurven 305 und 315 für einen Index von 1,75.
Das Medium mit dem höchsten Index ergibt den kleinsten Winkel für die Transparenz, der in 3A etwa 50° für p-polarisiertes Licht ist. Dieses Band ist bei 50° für p-polarisiertes Licht nicht voll transparent, wie in 3B gezeigt, d. h., für die kürzeren Wellenlängen des sichtbaren Lichts tritt noch etwas Reflexion auf, da die Bandkante für kein Einfallsmedium unter 425 nm verschoben wird. Dadurch wird das durchgelassene Licht je nach Verschiebung der Bandkante eines gegebenen Stapels leicht gefärbt. Um die rote Bandkante ganz unter 400 nm zu verschieben, kann ein anderes Stapeldesign verwendet werden, wie z. B. andere Stapelindizes, oder das Ausgehen von einer kürzeren Rot-Bandkantenwellenlänge bei Senkrechteinfall.
Der obigen Anleitung entsprechend kann auf geeignete Weise eine Behandlung gewählt werden, bei der das Band bei mindestens einem Abschnitt aller Wellenlängen des einfallenden Lichts unter 400 nm verschoben wird, um den mehrschichtigen Stapel für das in größeren Winkeln gekoppelte Licht im Wesentlichen transparent zu machen.
Wenn der Index im Einfallsmedium erhöht wird, nimmt die winkelabhängige Wellenlängenverschiebung größer zu, und auch der Winkel, bei welchem die Bandkante für lange Wellenlängen auf unter 400 nm abfällt, wird kleiner.
Bei einen Einfallsmedium, das zum Beispiel einen Index von 1,5 aufweist, werden p-polarisierte Strahlen, die in einem Winkel größer als 64° gestreut werden, durch den dielektrischen Reflektor durchgelassen. Bei einem Index von 1,75 (in einem isotropischen Material) verkleinert sich der Winkel für p-polarisiertes Licht auf etwa 50°. Bei höheren Indizes in der Größenordnung von 4,0 zum Beispiel, verkleinert sich der Winkel auf unter 20°. Wenn streuende Partikel in einer Bindeschicht mit einem sehr hohen Brechungsindex verteilt sind, muss der Winkel, in dem ein Strahl gestreut wird, daher klein sein.
Tabelle I zeigt den Streuwinkel im Einfallsmedium, wobei die Bandkante für lange Wellenlängen eines einfachen Viertelwellenstapels, der bei Senkrechteinfall eine Zentrumswellenlänge von 855 nm und eine Bandkante für große Wellenlängen von 900 nm aufweist, auf Wellenlängen unter 400 nm verschoben wird.
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass kein Winkel im Einfallsmedium die Bandkante für s-polarisiertes Licht unter 400 nm verschiebt, während die Bandkante für p-polarisiertes Licht in vielen Fällen unter 400 nm verschoben wird. 3B ist zu entnehmen, dass die Bandkante für die s-polarisierte Komponente bei großen Winkeln auf etwa 430 nm verschoben werden kann, bei Einfallsmedien mit Indizes von 1,5 oder höher, wodurch mehrheitlich blaues Licht durch den Spiegel durchgelassen wird.
Es ist anzumerken, dass das Snelliussche Gesetz bei Luft als Einfallsmedium den Winkel in den optischen Schichten auf ein Maximum von etwa 35° in PEN, etwa 38° in CoPEN, und etwa 42° in PMMA begrenzt (Materialien, die zur Verwendung in gemeinschaftlich stranggepressten mehrschichtigen dielektrischen Reflektorfilmen gut geeignet sind). Diese Grenze, die durch das Snelliussche Gesetz auferlegt wird, schränkt die dielektrische Bandverschiebung auf etwa 25% ein. Wenn die verschobene Bandkante des Stapels zwischen etwa 400 und 700 nm liegt, erscheint der mehrschichtige Stapel farbig.
Durch Vergrößern des Ausbreitungswinkels der Lichtstrahlen im Inneren des mehrschichtigen Stapels kann die Bandverschiebung auf mehr als 50% erhöht werden.
Im Stapelmaterial mit niedrigem Index kann der Höchstausbreitungswinkel auf 90 Grad erhöht werden.
Dies ermöglicht es, ein Reflexionsband solcher Materialien, das normalerweise zwischen 400 nm und 900 nm liegt, ganz unter den sichtbaren Bereich zu verschieben, was einen hohen Durchlässigkeitsgrad und eine geringere Reflexion zur Folge hat. Die winkelabhängige Farbverschiebung und die Durchlässigkeit durch den mehrschichtigen Stapel können je nach Behandlung, die verwendet wird, um die Ausbreitungswinkel, die Bandposition und den Betrachtungswinkel zu erhöhen, verstärkt werden.
Wenn der Index des Einfallsmaterials größer ist als der niedrigste Index im Stapel, kann die Totalreflexion (TIR) im Inneren des Stapels auftreten, vor allem, wenn einige der Schichten mit niedrigem Index wesentlich dicker als eine ¼-Welle sind. Die TIR an der Grenzfläche zu einer Schicht mit niedrigem Index hindert das Licht daran, die Rückseite des Films zu erreichen, wo es durch eine geeignete Oberflächenbehandlung austreten könnte. Im Falle einer doppelbrechenden Oberflächenbehandlung wie zum Beispiel einer doppelbrechenden Hautschicht, die eine geometrisch strukturierte Oberfläche oder innere Streuzentren aufweist, können die TIR-Winkel für s-polarisiertes und p-polarisiertes Licht nicht identisch sein. In jedem Fall begrenzt aber allein schon das Auftreten der TIR im Inneren des Stapels das Ausmaß, in welchem die Bandkante für einen gegebenen Stapel verschoben werden kann. Je nach Design des optischem Stapels kann das Phänomen auftreten, dass allgemein als vereitelte innere Totalreflexion bekannt ist, das selbst dann erhebliche Lichtmengen durch den Stapel durchlässt, wenn der Winkel größer ist als der Grenzwinkel für die Schichten mit niedrigem Index. Eine Hauptanforderung solch eines Stapeldesigns ist, dass keine der Schichten mit niedrigem Index im Wesentlichen dicker als die Größenordnung einer ¼-Welle sein darf.
Auch wenn die obige Beschreibung hauptsächlich Licht betrifft, das durch eine Behandlung gestreut wird, die auf der Oberfläche des mehrschichtigen Stapels aufgebracht ist, ist anzumerken, dass die Erörterung auch für Lichtstrahlen gilt, die aufgrund der Oberflächenbrechung eine erhöhten Winkel im mehrschichtigen Stapel aufweisen. Bei großen Einfallswinkeln aus einem Medium mit hohem Index kann die Totalreflexion allgemein an der Grenzfläche eines Mediums mit niedrigerem Index auftreten. Wenn die Schicht mit niedrigem Index im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts eine kleine Dicke aufweist, kann die Totalreflexion vereitelt werden, und etwas Licht kann durch die Grenzfläche austreten. Es ist auch anzumerken, dass zwischen den optischen Schichten des mehrschichtigen Stapels und der Behandlung, die zum Ändern des Ausbreitungswinkels verwendet wird, Zwischenschichten vorgesehen werden können. Zum Beispiel können Hautschichten die optischen Schichten des mehrschichtigen Stapels umgeben. In diesem Fall ist die Brechungsindexdifferenz zwischen den Hautschichten und dem Material, das vorgesehen ist, um den Ausbreitungswinkel durch den Stapel zu ändern, zu berücksichtigen.
Wie oben erwähnt, können verschiedene Behandlungen auf die Oberflächen des dielektrischen Reflektors aufgebracht werden, um die Durchlässigkeit durch den Reflektor zu erhöhen. Typischerweise wird eine erhöhte Durchlässigkeit erhalten, wenn beide Seiten des Reflektors behandelt sind. Die Art der verwendeten Behandlung hat Einfluss auf die Menge der Durchlässigkeitserhöhung durch den Stapel. Die Behandlung kann als zusätzliche Schicht oder Beschichtung auf die Oberfläche des dielektrischen Reflektors aufgebracht werden oder in eine vorhandene Schicht des Reflektors integriert werden (z. B. Integration von diffundierenden Partikeln in Hautschichten, Schutzgrenzschichten usw.). Auch die Spektraleigenschaften der Oberflächenbehandlung können angepasst werden, zum Beispiel durch Integration eines farbigen Farbstoffs oder Pigments in die Oberflächenbehandlung. Die Behandlungen können mit einer Vielzahl von verschiedenen mehrschichtigen dielektrischen Reflektoren verwendet werden. Zum Beispiel kann eine erhöhte Durchlässigkeit für Licht, das andernfalls reflektiert würde, in Breitbandspiegeln für den sichtbaren Bereich, Schmalbandspiegeln, reflektierenden Polarisatoren und dergleichen erreicht werden. Verschiedene Oberflächenbehandlungen und Techniken werden im Folgenden beispielhaft und auf nicht einschränkende Weise beschrieben, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
4 zeigt einen Abschnitt eines Mehrschichtreflektors 401, der eine Oberfläche 403 aufweist, die mit einer Diffundierschicht 405 behandelt ist. Die Diffundierschicht 405 enthält eine Anzahl von Streuelementen 407, die in einem Binder 409 angeordnet sind. Die Diffundierschicht 405 streut das Licht, wenn es auf die Streuelemente 407 auftrifft. Die Streuelemente 407 und der Binder 409, sowie die Füllkonzentration und die Dicke, können gewählt werden, um im wesentlichen eine Vorwärtsstreuung des Licht in einem Winkel θ_P zu bewirken, der größer ist als der Höchstwinkel θ₁, der vom Mehrschichtreflektor 401 reflektiert wird. Auf diese Weise kann die Lichtmenge, die durch den Reflektor durchgelassen wird, wie oben beschrieben wesentlich erhöht werden. Wenn der Ausbreitungswinkel θ_P den Grenzwinkel für die TIR an der Austrittsfläche übersteigt, müssen die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche bei de behandelt werden, um den Austritt des Lichts aus dem Mehrschichtreflektor zu erlauben. Die Lichtdiffundierschicht 405 kann auf die Austrittsfläche aufgebracht werden, um Licht mit großem Winkel aus dem Stapel zu koppeln.
Allgemein kann eine große Vielfalt von Partikeln, die in einer durchgehenden Binder eingebettet sind, der als eine Schicht oder ein Film konfiguriert ist, zur Steuerung der Durchlässigkeit durch einen dielektrischen Reflektor verwendet werden. Licht, das auf solche Diffusoren einfällt, wird von diesen auf diffuse Weise durchgelassen und reflektiert. Es ist allgemein wünschenswert, dass die Diffundierschicht Licht primär in die Vorwärtshemisphäre streut (Durchlässigkeit), in Winkel, die stark vom Transmissionswinkel des Spiegels abweichen. Es ist jedoch anzumerken, dass solch ein Reflektor auch dazu neigt, einen Anteil des einfallenden Lichts in die Rückwärtshemisphäre zu streuen (Reflexion). Der Grad, in welchem einfallendes Licht vorwärtsgestreut (durchgelassen) und rückwärtsgestreut (reflektiert) wird, und die Verteilung der Winkel, in welchen das Licht gestreut wird, können gesteuert werden. Die Streucharakteristik der Diffundierschicht ist allgemein eine Funktion der Brechungsindexdifferenz zwischen den Partikeln und der Bindermatrix, der charakteristischen Größe des Partikel relativ zur Wellenlänge des Lichts, der Volumenfraktion der Partikel in der Schicht, der Dicke der streuenden Schicht und der Form der Partikel.
Durch Steuerung der verschiedenen Parameter kann die Menge des einfallenden Lichts, das in großen Winkeln durchgelassen wird, maximiert oder auf andere Weise an die gewünschten Niveaus angepasst werden. Typischerweise streut ein Partikel mit einer optischen Dicke nahe an der Wellenlänge des einfallenden Lichts das Licht stark, wenn die Indexdifferenz zwischen dem Partikel und dem Medium größer als 10% ist. Zum Beispiel dürfte eine Binderschicht, die einen Index von etwa 1,5 aufweist, mit Partikeln, die einen Index größer als etwa 1,65 oder kleiner als etwa 1,35 aufweisen, eine ausreichende Streuung gewährleisten. Es ist anzumerken, dass die Partikelgröße allgemein ebenso groß oder größer ist als die Größe der optischen Schichten. Daher werden die Streupartikel bevorzugt in separate Schichten integriert, da die Integration der Partikel in die optischen Schichten diese verzerren kann, wodurch die optische Kohärenz und das Reflexionsvermögen abnehmen.
In gewissen optischen Konstruktionen können die Partikel in einer nichtoptischen Schicht des mehrschichtigen optischen Reflektors integriert sein. Gemeinschaftlich stranggepresste mehrschichtige optische Filme zum Beispiel verwenden oft relativ dicke Hautschichten, die auf jeder Seite des optischen Stapels geformt sind. In einem Aspekt der Erfindung können Streupartikel in einer oder mehreren der Hautschichten integriert sein. In einem solchen Reflektor wird biaxial orientiertes PEN mit einem Index in der Ebene von 1,75 als Hautschicht verwendet, was auf einen Partikelindex von größer als 1,93 oder kleiner als 1,58 schließen lässt.
TiO₂-Partikel, die einen relativ großen Index von etwa 2,4 aufweisen, können benutzt werden. Auch SiO₂-Partikel mit einem Index von 1,5 dürften in solchen Häuten gut funktionieren. Der Index des Binders für die Streu schicht wird bevorzugt gewählt, um die gewünschten Streuvorgang und die Kopplung von Licht in den mehrschichtigen Film zu optimieren.
Wenn der Mehrschichtreflektor polarisationsabhängig ist, kann es auch wünschenswert sein, das Ausmaß zu steuern, in dem die Diffundierschicht die Polarisation des Lichts verändert. Es kann zum Beispiel wünschenswert sein, Licht, das im reflektierten Zustand von einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisator polarisiert ist, durch gewählte Abschnitte des Reflektors durchzulassen. Licht, das durch unbehandelte Abschnitte des polarisierenden Stapels durchgelassen wird, weist im Wesentlichen eine Polarisation auf (d. h., der Stapel wird die andere Polarisation im Wesentlichen reflektieren). Indem der reflektierende Polarisator wie hierin beschrieben auf selektive Weise behandelt wird, kann der Polarisator an den behandelten Stellen für beide Polarisationszustände des Lichts im wesentlichen durchlässig gemacht werden. In einer solchen Ausführungsform erscheint, auch wenn die behandelten und unbehandelten Abschnitte beide durchlässig erscheinen, der behandelte Abschnitt durchlässiger als die unbehandelten Abschnitte. Wenn die Polarisation für mindestens eine Polarisation gewahrt wird, können die verschiedenen Merkmale der behandelten und unbehandelten Regionen ferner beobachtet werden, indem der Film mit Hilfe von Polarisatoren betrachtet wird. In einer Ausführungsform kann dies genutzt werden, um zu prüfen, ob ein indextragendes Substrat tatsächlich aus einem mehrschichtigen dielektrischen Polarisator besteht. In einer anderen Ausführungsform wird der Polarisator so behandelt, dass er für den polarisierten Zustand, der normalerweise vom Polarisator reflektiert wird, partiell durchlässig wird, wobei der Durchlässigkeitsgrad so gewählt wird, dass er in der Größenordnung von 10 Prozent oder 20 Prozent liegt, wobei der durchgelassene Anteil seinen ursprünglichen polarisierten Zustand beibehält. Solche Artikel sind nützlich als Transreflektoren in LCD-Anzeigen, die sowohl die hintergrund- als auch die umgebungsbeleuchtete Ansicht der angezeigten Information gestatten. Sowohl streuende als auch brechende Behandlungen, die den polarisierten Zustand wahren, können auf den Polarisator aufgebracht werden. Allgemein verursachen brechende Behandlungen weniger Depolarisation als diffuse Streubehandlungen.
Lichtdiffuser, die aus kugelförmigen Partikeln in einem Binder bestehen, der eine kleine Indexdifferenz zum Index der Partikel aufweist, minimieren die Depolarisation des Lichts.
Wie oben erwähnt, kann eine Anzahl von geeigneten Oberflächenbehandlungen verwendet werden, um Licht in den mehrschichtigen Stapel hinein zu streuen. Der erhöhte Durchlässigkeitseffekt wurde beobachtet, indem während des Strangpressens Gleitpartikel in die Hautschichten eines gemeinschaftlichen stranggepressten mehrschichtigen Stapels integriert wurden, Spritzfarbe auf gegenüberliegende Seiten eines mehrschichtigen Stapels aufgetragen wurde, die Seiten des Stapels mit einem partikelhaltigen Binder beschichtet wurden, ein diffundierendes Band nach dem Strangpressen auf jede Oberfläche geklebt wurde, usw. Die Wirkung der verschiedenen Behandlungen kann kombiniert werden, da die gleiche Behandlung nicht auf jede Oberfläche aufgebracht sein muss. Da die erhöhte Durchlässigkeit typischerweise die Behandlung auf gegenüberliegenden Oberflächen erfor dert, ist es möglich, eine ganze Fläche (d. h., die Austrittsfläche) mit einem Diffuser zu behandeln, während eine selektive Behandlung auf die gegenüberliegende Oberfläche (d. h., die Einfallsseite) aufgebracht wird. Die Behandlung kann auch umkehrbar sein, indem mindestens eine der Behandlungen entfernt wird. Zum Beispiel kann ein Reflektor, der mit Farbe behandelt ist, die auf beide Seiten gespritzt ist, eine erhöhte Durchlässigkeit aufweisen, doch nach Verwendung eines Lösungsmittels, um jede Farbschicht zu entfernen, kehrt die Durchlässigkeit auf das Niveau zurück, das ohne die Oberflächenbehandlung erhalten wird.
Auch wenn die obige Erörterung sich auf diffundierende lose Partikel konzentriert, wird die erhöhte Durchlässigkeit in einem anderen Beispiel der Erfindung erhalten, indem die Lichteinfallsfläche behandelt wird, um einen Oberflächendiffuser zu formen. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, wo die Oberfläche 503 eines mehrschichtigen Stapels 501 behandelt ist, um einen Oberflächendiffuser 505 zu formen.
Die Prinzipien der erhöhten Durchlässigkeit, die aus der Oberflächendiffusion resultiert, sind die gleichen wie bei losen Diffusern. Die Textur des Oberflächendiffusers 505 kann verwendet werden, um Licht mit großen Ausbreitungswinkeln im Stapel zu koppeln (d. h., Winkel, die sonst in den Stapel hinein und/oder aus dem Stapel heraus reflektieren würden). Wenn die Textur der Oberfläche wesentlich größer ist als die Wellenlänge des Lichts, sind die Ausbreitungswinkel allgemein der geometrischen Optik unterworfen (d. h., das Snelliussche Gesetz gilt an jeder Grenzfläche, muss aber im Koordinatensystem senkrecht zur lokalen Fläche wirken).
Andernfalls, wenn die Textur des Oberflächendiffusers in der Größenordnung oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, werden die Ausbreitungswinkel durch Beugungseffekte bestimmt. Eine Vielzahl bekannter Verfahren kann angewandt werden, um einen Oberflächendiffuser auf dem Substrat zu formen. Zum Beispiel kann die Oberfläche zufällig aufgerauht werden (d. h., durch Sandstrahlen und Schleifmittel), durch Einprägen pseudo-zufällig aufgerauht werden usw., um lokale geometrische Variationen zu formen.
Wie oben erwähnt, erlaubt die Streuung von einfallenden Lichtstrahlen durch Partikel, die in einer Oberflächenschicht eingebettet sind, oder durch Abschleifen oder Texturieren der Oberflächenschicht Lichtstrahlen, den mehrschichtigen Stapel in Winkeln zu durchqueren, die größer sind als der Höchstwinkel, der vom Stapel reflektiert wird, und in Winkeln, die nicht durch das Snelliussche Gesetz für Oberflächen zugelassen werden, die plan zu den Schichten der optischen Wiederholeinheit liegen. Die Oberflächenstreuung ist darin vorteilhaft, dass sie eine hohe Indexänderung (d. h., Luft/Haut-Indexdifferential) gewährleistet. Die Verwendung einer Matrix mit streuenden Partikeln bietet erhebliche Anpassungsmöglichkeiten bezüglich der Dicke, Partikelgröße und Konzentration. Zum Beispiel weisen die verwendeten Partikel gewöhnlich eine endliche Grössenverteilung auf. Sie können so beschichtet sein, dass nur ein Streuungsereignis wahrscheinlich ist oder eine Mehrfachstreuung auftritt.
In den obigen zwei Fällen wurden lose Diffuser und Oberflächendiffuser verwendet, um Licht mit allgemein zufälligen Ausbreitungswinkeln in den mehrschichtigen Stapel zu lenken. Wie oben beschrieben und in 6 weiter veranschaulicht, kann die Lichtmenge, die durch einen mehrschichtigen Stapel 601 durchgelassen wird, genauer gesteuert werden, indem mikrostrukturierte Flächen 603 und 605 auf gewählte Abschnitte der Oberflächen 607 und 609 des mehrschichtigen Stapels 601 aufgebracht werden. Der Winkel θ_s, in Verbindung mit den Brechungsindizes des Materials der mikrostrukturierte Fläche 603 und des mehrschichtigen Stapels kann gewählt werden, um die Ausbreitungswinkel θ_P des Lichts durch den Stapel genauer zu spezifizieren. Die strukturierte Oberfläche kann durch Laminieren, mit einem optischen Klebstoff, eines strukturierten Films wie dem Optical Lighting Film (OLF) der Marke 3M, dem Front Extraction Tape (beide von der Firma 3M erhältlich) usw. auf dem mehrschichtigen Stapel aufgebracht werden, oder kann direkt (z. B. durch Einprägen) auf den äußeren Schutzschichten des Stapels integriert sein.
Der Index des strukturierten Materials wird gewählt, um Licht in großen Einfallswinkeln wirkungsvoll in die optischen Schichten zu koppeln. Auch wenn 6 eine strukturierte Oberfläche zeigt, die sowohl auf die Einfallsfläche als auch auf die Austrittsfläche des mehrschichtigen Stapels aufgebracht ist, ist anzumerken, dass verschiedene Behandlungen kombiniert werden können. Front Extraction Tape kann zum Beispiel sowohl mit der streuenden Behandlung als auch mit der geometrischen Behandlung verwendet werden, um großwinkelige Strahlen aus dem dielektrischen Stapel auszuleiten. Dieses Band weist trapezförmige Luftkerben auf, die wirken, um großwinkelige Strahlen aus einer Oberfläche auszuleiten, wo sie sonst der inneren Totalreflexion unterworfen würden.
Auch wenn die obige Beschreibung primär die selektive Behandlung eines Mehrschichtreflektors betrifft, um die Durchlässigkeit zu erhöhen, ist anzumerken, dass ähnliche Behandlungen auch verwendet werden können, um die Durchlässigkeit des Reflektors auf selektive Weise zu verringern. Wie in 7 dargestellt, kann das Reflexionsvermögen eines mehrschichtigen Stapels 701 verringert werden, indem eine Streubehandlung 703 auf die Einfallsfläche 705 und ein Absorber 707 auf die rückseitigen Oberfläche 709 aufgebracht wird. Allgemein kann jede der einfallseitigen Behandlungen, die hierin beschrieben wird, verwendet werden, um die Durchlässigkeit durch den mehrschichtigen Stapel 701 zu erhöhen.
Sobald der Ausbreitungswinkel vergrößert ist, verringert jede rückseitige Behandlung, die das Licht aus dem Film koppelt, wie hierin beschrieben, oder die das Licht absorbiert, das sonst von der Rückseite des Films totalreflektiert würde, die Gesamtreflexion durch den Stapel. Wenn zum Beispiel eine Behandlung auf die Einfallsfläche eines hochreflektierenden dielektrischen Spiegels (> 99% Reflexion) aufgebracht wird, kann selbst die Laminierung eines so reflektierenden Materials wie Aluminium das Gesamtreflexionsvermögen reduzieren. Dieses Phänomen wird in 8 veranschaulicht. Farbige Absorber, die auf diese Weise an die Austrittsfläche des Films aufgebracht werden, reduzieren das Reflexionsvermögen des Films nur für die Farben des Lichts, welche sie absorbieren, wobei sie dem Licht, das von der Verbundstruktur reflektiert wird, die Komplementärfarbe verleihen.
In 8 wurde die Einfallsseite eines mehrschichti gen Spiegels, der aus alternierenden Schichten aus biaxial orientiertem PEN (ordinärer Index oder Index in der Ebene von 1,75, außergewöhnlicher Index oder z-Index von 1,49) und PMMA (Index 1,49) aufgebaut ist, mit einer Beschichtung aus TiO₂-Kugeln (Index 2,4) behandelt, die in einem Binder mit einer Dicke von 5 Mikron und einem Index von 1,48 zerstreut waren. Die Kugelfüllung entsprach 5 Volumen-% des Binders. Kurve 801 stellt die Gesamtreflexion (%) des Lichts dar, das auf einen vorderseitig behandelten Spiegel ohne rückseitige Beschichtung einfällt. Kurve 802 stellt den mehrschichtigen Spiegel dar, der optisch mit Aluminium gekoppelt ist, das einen Brechungsindex von 1,5 aufweist. Kurve 803 stellt die Gesamtreflexion für den mehrschichtigen Spiegel mit schwarzer Farbschicht auf der Rückseite dar. Die Kurven stellen die Reflexion für senkrecht einfallendes Licht dar. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Reflektor, der Regionen mit hohem und niedrigem Reflexionsvermögen aufweist, bereitgestellt, indem ein schwarzer Absorber auf die Rückseite des Reflektors aufgebracht wird, und indem die einfallseitige Fläche auf selektive Weise behandelt wird, um die Lichtmenge zu erhöhen, die durch den Reflektor durchgelassen wird und von der rückseitigen Behandlung absorbiert wird.
In einigen der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, formten die Oberflächen des Mehrschichtreflektors eine Grenzfläche zur Luft. Es ist jedoch anzumerken, dass in anderen Fällen die Grenzfläche an der Oberfläche (behandelte oder unbehandelte Oberfläche) von einem Material umgeben sein kann, das einen anderen Index als Luft (d. h., n > 1,00) aufweisen kann. 9 zeigt eine andere Aus führungsform der vorliegenden Erfindung, die dazu dient, diese und andere Aspekte der Erfindung zu veranschaulichen. In 9 werden zwei mehrschichtige Stapel 901 und 903 gezeigt. Die mehrschichtigen Stapel sind durch eine Grenzschicht 905 getrennt. Die Grenzschicht 905 und die zwei mehrschichtigen Stapel 901 und 903 formen einen einheitlichen Aufbau. Die Grenzschicht 905 besteht aus einem allgemein transparenten Bindermaterial mit Streupartikeln 907, die darin verteilt sind. Die Grenzschicht 905 mit den eingebetteten Streupartikeln 907 dient als behandelte Oberfläche für den mehrschichtigen Stapel 903. Ein Abschnitt der Austrittsfläche 911 des zweiten mehrschichtigen Stapels 903 ist behandelt (im dargestellten Beispiel mit einem Diffuser), um dem Licht, das sich in einem Winkel durch den zweiten mehrschichtigen Stapel 903 ausbreitet, der über dem Grenzwinkel θ_c für die TIR liegt, den Austritt aus dem zweiten mehrschichtigen Stapel 903 zu erlauben.
In der Ausführungsform von 9 können die optischen Eigenschaften des ersten und zweiten mehrschichtigen Stapels ausgelegt sein, um verschiedene Durchlässigkeitswirkungen zu erreichen. Zum Beispiel kann der erste mehrschichtige Stapel 901 ausgelegt sein, um alles außer einem gewählten Wellenlängenband (z. B. eine bestimmte Farbe) zu reflektieren. Licht 913 und 915 im gewählten Wellenlängenband wird durch den ersten mehrschichtigen Stapel 901 in die Grenzschicht 905 durchgelassen. Mindestens ein Teil des Lichts 913 wird in einem Winkel in den zweiten mehrschichtigen Stapel 903 gestreut, der größer ist als der Winkel θ_c, der durch das Snelliussche Gesetz an der planen Oberfläche des ersten dielektrischen Stapels zugelassen wird. Wenn der zweite mehrschichtige Stapel 903 ein Breitbandspiegel ist, reflektiert der zweite mehrschichtige Stapel typischerweise Licht jeder Wellenlänge, das sich unter dem Grenzwinkel ausbreitet. Wo die Austrittsfläche 909 des zweiten mehrschichtigen Stapels unbehandelt ist, wird Licht, das sich in einem Winkel über θ_c ausbreitet, an der rückseitigen Oberfläche der TIR unterzogen. Die behandelten Abschnitte der Austrittsfläche 909 koppeln mindestens einen Teil des Lichts, das sich mit einem großen Winkel im mehrschichtigen Stapel ausbreitet, aus dem Stapel. Da die Spektraleigenschaften des Lichts, das in den zweiten Stapel eintritt, durch den ersten mehrschichtigen Stapel eingeschränkt sind, weist das Licht, das an den auf selektive Weise behandelten Abschnitten des zweiten mehrschichtigen Stapels austritt, eine besondere Spektralcharakteristik auf.
In einer anderen Ausführungsform von 9 kann das Licht von rechts auf den behandelten mehrschichtigen Spiegel 903 einfallen, und der mehrschichtige Stapel 901 kann ein reflektierender Polarisator wie z. B. DBEF sein, der von der Firma 3M erhältlich ist. Dadurch lässt der kombinierte Artikel nur Licht einer Polarisationsrichtung durch. Ferner kann aufgrund der Rückführungseigenschaften des DBEF in Verbindung mit einer diffusen Lichtquelle mehr als 50 Prozent des einfallenden Lichts in einer Polarisation durchgelassen werden.
Wie die obigen Beispiele zeigen, kann ein Mehrschichtreflektor auf verschiedene Weisen auf selektive Weise behandelt werden, um seine Durchlässigkeits- und Reflexionseigenschaften zu verändern. Überdies sind die Behandlungen typischerweise recht flexibel und billig.
Viele der Behandlungen können ohne besondere Ausrüstung aufgebracht werden. Dies erleichtert die Behandlung der Oberflächen am eventuellen Gebrauchsort des Reflektors.
In einer Ausführungsform ist die Erfindung besonders für Anwendungen geeignet, die eine maßgeschneiderte Reduktion im Reflexionsvermögen und/oder Erhöhung in der Durchlässigkeit in einem definierten Bereich erfordern. Bei vielen Behandlungen kann die veränderte Durchlässigkeits-/Reflexionswirkung zeitweilig auf verschiedene mehrschichtige dielektrische Reflektoren aufgebracht werden. Zum Beispiel machen lösliche Beschichtungen oder Schichten nicht das Verwenden und anschließende Entfernen einer permanenten Verbindung notwendig.
Wie zu ersehen ist, ist die vorliegende Erfindung zur Verwendung in vielen verschiedenen Anwendung geeignet.
Eine Anzahl solcher Anwendungen wird unten beschrieben.
In einer Anwendung können aufgebrachte Behandlungen auf gegenüberliegende Flächen eines hohlen Lichtleiters aufgebracht werden, um Licht aus dem Lichtleiter zu entziehen. 10 veranschaulicht die Anwendung verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung auf solche Lichtleiter. In 10 richtet eine Lichtquelle (nicht gezeigt) Licht 1001 in einen hohlen Lichtleiter 1003. Der Lichtleiter 1003 kann aus einem dielektrischen mehrschichtigen Spiegel mit einem hohen Wirkungsgrad (z. B. > 99% reflektierend) aufgebaut sein, wie z. B. dem, der in der vorgenannten veröffentlichten PCT-Patentanmeldung WO 95/17303 beschrieben wird. Das Licht 1001 breitet sich mit sehr geringem Verlust durch den Lichtleiter 1003 aus. Solche Lichtleiter können verwendet werden, um Licht über relativ lange Entfernungen zu leiten. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass relativ einfache Behandlungen 1005 und 1007 auf gegenüberliegende Seiten des Lichtleiters 1003 aufgebracht werden können, um Licht an gewünschten Stellen zu entziehen. Die aufgebrachten Behandlungen können jede der obigen Behandlungen sein, die hierin beschrieben wurden, oder eine Kombination daraus.
Obwohl in 10 die Behandlungen auf beiden Oberfläche an der spezifischen Stelle aufgebracht sind, an welcher, wie oben erwähnt, Licht entzogen werden soll, kann eine gesamte Oberfläche behandelt sein, während die Behandlung auf der anderen Oberfläche auf selektive Weise an den Stellen aufgebracht wird, an denen Licht austreten soll. Wenn eine diffundierende Behandlung verwendet wird, kann es vorzuziehen sein, die selektive Behandlung auf der Innenseite des Lichtleiters aufzubringen, um eine Verringerung in der Lichtleitleistung des Lichtleiters zu minimieren. Alternativ dazu kann ein diffuser Reflektor mit hohem Wirkungsgrad auf der Innenfläche aufgebracht werden. Solch ein diffuser Reflektor mit hohem Wirkungsgrad wird in der US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 08/957.558 und dem Titel „Diffuse Reflective Article" beschrieben. Auch strukturierte Oberflächen können verwendet werden, um Licht aus einem Lichtleiter zu entziehen. Zum Beispiel kann der Optical Lightning Film OLF der Marke 3M auf eine ober beide Seiten eines Mehrschichtreflektors aufgebracht werden, um Licht in und aus den gewählten Bereichen zu koppeln. Wo ein strukturiertes Oberflächenmaterial auf der Austrittsfläche verwendet wird, kann auch ein Diffuser verwendet werden, um das entzogene Licht aufgrund der gerichteten Beschaffenheit des aus dem Lichtleiter austretenden Lichts sichtbarer zu machen.
Die Form des Lichtleiters, der in 10 dargestellt ist, kann je nach der spezifischen Anwendung der Lichtleiters variieren. Zum Beispiel kann ein zylindrischer Lichtleiter verwendet werden, um primär Licht zu leiten. Auch ein keilförmiger Lichtleiter kann verwendet werden. In einem anderen Beispiel, das in 11 veranschaulicht wird, wird ein Kastenaufbau als Leuchtkasten 1100 verwendet, um ein Leuchtzeichen zu erzeugen. Der Leuchtkasten 1100 kann aus einem Standardleuchtkasten bestehen, der mit einem hochreflektierenden Mehrschichtreflektor (z. B. einem polymerischen mehrschichtigen Spiegel für den sichtbaren Bereich) ausgekleidet ist. Der Mehrschichtreflektor wird auch verwendet, um die Vorderseite des Leuchtkastens zu bedecken. Wenn beide Seiten des Reflektors behandelt sind (z. B. mit diffusen Beschichtungen), wird der Reflektor relativ durchlässig. Die Behandlung kann zum Beispiel durchgeführt werden, indem eine Seite des Reflektors ganz mit einer matten weißen Latexfarbe bedeckt wird, und die Rückseite mit einer Schablone beschriftet wird. Die diffuse Beschichtung und die Schablonenbeschriftung kann auf beiden Seiten aufgebracht sein.
Es ist anzumerken, dass der Leuchtkasten 1100 von 11 von einem Ende des Leuchtkastens aus beleuchtet wird. Da ein Teil der Beschriftung näher an der Lichtquelle liegt, neigt die Beschriftung dazu, unter gleichmäßigen Lichtentnahmebedingungen ungleichmäßige Beleuchtungseigenschaften aufzuweisen. Doch die Behandlung, die verwendet wird, um Licht durch den Mehrschichtreflektor zu entziehen, kann variiert werden, um ein gleichmäßiger beleuchtetes Zeichen zu erhalten. In einer Ausführungsform wird eine Behandlungsabstufung verwendet, um die Lichtmenge zu variieren, die in großen Winkeln in oder aus dem Reflektor gekoppelt (und folglich durch den Reflektor gelassen) wird. Indem der Kopplungswirkungsgrad mit zunehmender Entfernung der Behandlung von der Lichtquelle erhöht wird, kann ein gleichmäßigerer Lichtaustritt durch die Vorderseite des Zeichens erreicht werden. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem die Schablonenbeschriftung auf eine Oberfläche des Mehrschichtreflektors aufgebracht wird, und indem auf der anderen Oberfläche eine Behandlungsabstufung (z. B. durch Variieren der Farbstufen) angewandt wird. Der Grad der Behandlung kann von einem relativ niedrigen Grad in der Nähe der Lichtquelle bis zu einem relativ hohen Grad auf der anderen Seite des Leuchtkörpers variieren.
Eine Abstufung oder ein anderer variierter Behandlungsgrad kann auch in anderen Anwendungen angewandt werden, wo es wünschenswert ist, die relative Lichtmenge, die durch einen Mehrschichtreflektor durchgelassen wird, zu steuern. Dieser Effekt kann verwendet werden, um das Reflexionsvermögen oder die Durchlässigkeit in ausgewählten Bereichen des dielektrischen Reflektors genauer zu steuern. Die kann erreicht werden, indem die Oberfläche mit einem streuenden Pigment oder einer streuenden Farbe bedruckt wird, durch Aufrauhen oder Sandstrahlen jeder Oberfläche, Laminieren einer zweiten Schicht auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche, und dergleichen. Wo die gesamte Oberfläche zu behandeln ist, kann die Behandlung das Verteilen, während des Strangpressens, von Partikeln in die Hautschichten eines gemeinschaftlich stranggepressten mehrschichtigen Stapels einschließen, durch Verwendung unmischbarer Polymermischungen in Hautschichten, durch Beschichten der Oberflächen mit geeigneten Farben, und dergleichen.
Wie oben erwähnt, kann eine Seite des dielektrischen Reflektors auf der gesamten Fläche behandelt sein, und die zweite kann in ausgewählten Bereichen behandelt sein, wodurch das Problem deckungsgleicher Muster auf beiden Seiten entfällt. In solch einer Ausführungsform ist es wichtig, dass die Seite, die nur partiell behandelt ist, in den Bereichen, wo keine Erhöhung der Durchlässigkeit erwünscht ist, sauber und kratzerfrei gehalten wird. In gewissen Fällen kann es wünschenswert sein, den Reflektor auf Glas oder anderem kratzfesten Material zu laminieren, um die Haltbarkeit und die leichte Reinigung der freiliegenden Oberflächen zu erhöhen. Auch eine durchsichtige, kratzfeste Beschichtung kann aufgetragen werden.
Eine Vielzahl von anderen Oberflächenbehandlungen kann verwendet werden, um das auf den Spiegel einfallende Licht innerhalb des Stapels oder in den Hautschichten des Stapels in Winkel zu lenken, die den Grenzwinkel übersteigen. Eine generelle Klasse solcher Behandlungen sind Beugungsgitter, die durch Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, auf die Oberflächenschichten des Spiegels gedruckt werden können. Eine partielle Metallisierung wie für Glanzwinkelgitter kann verwendet werden. Auch Oberflächenhologramme können verwendet werden. Diese können als getrennte Schichten auf den Spiegelfilm laminiert werden, oder die Oberflächenholo gramme können direkt in die Haut oder andere vorhandene Beschichtung auf dem Spiegelfilm geprägt werden. Oberflächenhologramme können auch überzogen oder „versenkt" werden, solange das Material, das diese bedeckt, einen messbar abweichenden Brechungsindex hat.
Die Hautschicht oder andere Schichten, die zusätzlich auf den Spiegel aufgebracht werden, können auch volumetrische Regionen aus Material enthalten, das einen modulierten Brechungsindex aufweist, wie z. B. Volumenhologramme oder selbst kleine Stücke aus mehrschichtigen optischen Stapeln, die in einer durchsichtigen Binderschicht verteilt sind. Solche Stücke können anorganische oder polymerische mehrschichtige Stapel sein, oder beides. Diese verteilten Stücke können in einer Oberflächenschicht enthalten sein, die eine ebene Grenzfläche zur Luft aufweist, oder in Oberflächenschichten, die eine lokal unebene Grenzfläche zur Luft aufweisen. Der letztere Fall würde daher sowohl ein Linsenmittel als auch ein inneres Lichtumlenkmittel verwenden, um die Umlenkung des einfallenden Lichts in Winkel über dem Grenzwinkel des Spiegelkörpers durchzuführen.
Zusätzlich zu indexmodulierten Regionen in einer Oberflächenschicht können auch gewöhnliche Metallspiegelblättchen verwendet werden, um das eintretende Licht umzulenken. Solche Blättchen können freistehend sein (vor dem Eintauchen) oder können metallaufgedampfte Blättchen aus nichtmetallischen Materialien sein.
Aktive Behandlungen können erzeugt werden, zum Beispiel durch Umschalten des Streuungsgrads in einer Schicht, die mit dem dielektrischen Film gekoppelt ist. Durch Kombinieren einer polymerverteilten Flüssigkristall(PDLC)-Beschichtung mit geeigneten Elektroden, wie z. B. dem 3M Privacy Film, kann die Durchlässigkeit eines mehrschichtigen Stapels elektronisch gesteuert werden.
Zum Beispiel kann ein ganzer PDLC-Film auf den Reflektor laminiert werden, oder ein Reflektor kann mit einem transparenten Leiter beschichtet werden und als eine der PDLC-Elektroden verwendet werden. Ein anderes Verfahren zur aktiven Veränderung der Durchlässigkeit ist das Ändern der Kopplung zwischen der Behandlung und dem dielektrischen Spiegel. Ein selbsthaftender streuender Film kann mechanisch oder elektrostatisch mit dem Spiegel verbunden oder losgelöst werden, um eine steuerbare Durchlässigkeit zu erzeugen. Diese Techniken können in der verteilten Beleuchtung über Lichtleitungen oder in Werbeanzeigen und Zeichen nützlich sein, um den Effekt ein- und auszuschalten.
BEISPIEL 1
12 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum eines gemeinschaftlich stranggepreßten mehrschichtigen reflektierenden Spiegels, der alternierende Schichten aus biaxial orientiertem PEN und PMMA enthält. Der reflektierende Spiegel bestand allgemein aus einem optischen Stapel, der ausgelegt war, um sichtbares Licht, das diffus auf die Oberfläche des Spiegels einfällt, im wesentlichen zu reflektieren (d. h., um im wesentlichen sichtbares Licht zu reflektieren, das sich in Winkeln bis zum Höchstausbreitungswinkel, der durch das Snelliussche Gesetz an einer planen Oberfläche des Spiegels zugelassen wird, durch den Spiegel ausbreitet). Die Hautschichten des Spiegelfilms enthielten Titanoxid (TiO₂)-Partikel, die darin verteilt waren, um Licht in einem Winkel, der für den Stapel durchlässig ist, wirkungsvoll in den dielektrischen Stapel zu koppeln.
Das Durchlässigkeitsspektrum 1201 des Films mit diffundierenden Hautschichten wird in 12 gezeigt. Nach der Messung wurde eine Hautschicht des Films abgezogen.
Das resultierende Durchlässigkeitsspektrum 1203 wird auch in 12 gezeigt. Wie aus 12 hervorgeht, wies der auf beiden Oberflächen behandelte Film eine wesentlich höhere Durchlässigkeit auf. Das Durchlässigkeitsspektrum des Films mit nur einer behandelten Seite war im Wesentlichen gleich, unabhängig davon, ob das Licht auf die behandelte oder die unbehandelte Seite des Films einfiel.
Wie oben erwähnt, sind verschiedene Partikel als Streuelemente geeignet. Hydrierte Aluminiumoxidsilikat(Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O)-Partikel wurden zum Beispiel mit ähnlichen Ergebnissen erprobt. Partikel mit höherem Index ergaben allgemein die größte Gesamterhöhung in der Durchlässigkeit. Es ist auch anzumerken, wie in 12 gezeigt, dass durch einen dielektrischen Reflektor eine erhöhte Durchlässigkeit erhalten werden kann, während die feinen Spektraleigenschaften des Reflektors beibehalten werden. In diesem Fall ist die erhöhte Durchlässigkeit eine Funktion der Verschiebung der Grundlinie, ohne die anderen Charakterisika des Spiegels zu verändern.
BEISPIEL 2
13 veranschaulicht die erhöhten Durchlässigkeitseffekte durch einen anderen dielektrischen Reflektor, der aus einem optischen Breitband-Stapel des oben in Verbindung mit Beispiel 1 beschriebenen Typs (ohne Streupartikel in den Hautschichten) aufgebaut ist. In diesem Beispiel wurde Klebeband (3M Magic Mending Tape) verwendet, um die gegenüberliegenden Oberflächen des dielektrischen Reflektors zu behandeln, um Licht, das im dielektrischen Stapel große Ausbreitungswinkel aufweist, in und aus die Hautschichten zu koppeln. Das Durchlässigkeitsspektrum ist als Kurve 1301 dargestellt. Zum Vergleich wird auch das Spektrum 1303 für den Film gezeigt, der nur eine behandelte Seite aufwies. Wie aus 13 hervorgeht, erhöhte die derartige Behandlung jeder Seite des Mehrschichtreflektors den durchschnittlichen Durchlässigkeitsgrad im Band, ohne die spektralen Eigenschaften der Durchlässigkeitskurve zu ändern. Obwohl die Menge der Durchlässigkeitserhöhung relativ klein ist, war der zu beobachtende Kontrast zwischen den behandelten und unbehandelten Abschnitten des Reflektors deutlich. Andere Selbstklebebänder wie z. B. der 3M „ScotchCal Marking Film", der TiO₂-Partikel in einem klebenden Binder enthält, bewirkten eine größere Erhöhung der Durchlässigkeit.
BEISPIEL 3
14 veranschaulicht den erhöhten Durchlässigkeitseffekt, wenn beide Seiten eines dielektrischen Breitbandreflektors des oben beschriebenen Typs mit der Spritzfarbe „Plasti-knote Water Based Enamel 525 White Silk" behandelt wurden. 14 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für den Mehrschichtreflektor vor 1401 und nach 1403 der Behandlung der Oberflächen. Die sich ergebende Gesamtdurchlässigkeitskurve 1403 für den behandelten Film war so hoch wie 30% im kürzerwelligen IR-Bereich, unter der Bandkante des Films. Die erhöhte Durchlässigkeit wies eine Wellenlängenabhängigkeit auf, die einen Gelbstich bewirkte. Aufgrund des Pigments, das in der Farbe verwendet wurde, ist jenseits des effektiven Bands des Mehrschicht(reflektors) ein signifikantes Reflexionsvermögen im kürzerwelligen IR-Bereich vorhanden. Die Spitze zwischen 850 nm und 900 nm ist ein Artefakt des Messverfahrens und steht nicht mit der Behandlung des Films im Zusammenhang.
BEISPIEL 4
Das in 15 gezeigte Durchlässigkeitsspektrum veranschaulicht die Durchlässigkeit eines Breitband-Mehrschichtreflektors ohne Behandlung 1501 und mit beidseitiger Behandlung 1503 durch Abschleifen der Oberfläche mit Sandpapier, um eine streuende Oberfläche zu erzeugen. Die Schleifbehandlung wurde auf die Hautschichten des Films angewandt, um die Unterbrechung der optischen Schichten zu verhindern. Der Abrieb der Vorderseite verringert die Schärfe der Bandkante. Der Durchlässigkeitsgrad im gesamten sichtbaren (Spektrum) wird um etwa 8% erhöht. Eine ähnliche Änderung in der Bandkante wurde auch in einem Film beobachtet, der nur auf der Einfallsseite behandelt war. Mit nur einer behandelten Oberfläche wurde jedoch keine wesentliche Erhöhung der Durchlässigkeit im sichtbaren Spektrum beobachtet. Der Grad der Bandkantenverschiebung, der auf den Abrieb der Vorderseite zurückzuführen ist, weist darauf hin, dass eine erhebliche Lichtmenge in Ausbreitungswinkeln von mindestens 60° gestreut wurde.
BEISPIEL 5
Im vorigen Beispiel wurden allgemeine Zufallsstrukturen durch Abschleifen der Oberfläche eingearbeitet. Beispiel 5 veranschaulicht den erhöhten Durchlässigkeitseffekt, der erhalten werden kann, indem die Oberfläche mit einer geordneten Struktur behandelt wird. 16 zeigt die Durchlässigkeitsspektren, die mit gebündeltem Licht erhalten wurden, wenn strukturierte Oberflächen auf die Oberflächen eines mehrschichtigen Breitband-Stapels aufgebracht werden. Der mehrschichtige Stapel ist aus alternierenden Schichten aus PEN und PMMA aufgebaut, wobei der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Ebene des mehrschichtigen Stapels variiert. Die Filme mit strukturierter Oberfläche wurden mit einem optischen Klebstoff auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Mehrschichtreflektors laminiert. Es wurden verschiedene strukturierte Oberflächen erprobt, einschließlich des Optical Lighting Films (OLF) der Marke 3M, der aus Polycarbonatharz mit einem Index von 1,586 und mit einem Prismen(flächen)winkel von 45 Grad auf der Rückwand des Films gegossen wird.
Die mehrfachen, rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecksprismen auf der Oberfläche dieses Films sind angrenzend, wobei jedes Prisma etwa 0,36 mm breit, 0,18 mm hoch ist und auf der Länge des Films verläuft.
Auch andere strukturierte Kunststoffilme wurden auf die Verstärkung der Lichtdurchlässigkeit hin geprüft, einschließlich „V"-förmig abgeschrägter Glasfilme. Die abgeschrägten Glasfilme werden typischerweise am Umfang von Fensterscheiben aufgebracht und vorgesehen, um einer flachen Fensterscheibe die Erscheinung von Glas mit abgeschrägter Kante zu verleihen. Der abgeschrägte Glasfilm wies eine Vielzahl von Neigungen an verschie denen Bereichen des Films auf. Der höchste Grad der erhöhten Durchlässigkeit wurde bei Oberflächen beobachtet, die mit 3M OLF behandelt waren. Es ist anzumerken, dass die größte Erhöhung der Durchlässigkeit beobachtet wurde, wenn die Prismenstrukturen auf gegenüberliegenden Oberflächen parallel zueinander angeordnet wurden.
In 16 wird das Durchlässigkeitsspektrum für einen Mehrschichtreflektor gezeigt, der keine Behandlung aufweist, 1601, und für OLF-behandelte Oberflächen, wobei die mehrschichtige Stapeloberfläche in einem Spektralfotometer in verschiedenen Winkeln auf einen einfallenden gebündelten Strahl ausgerichtet wurde. Die Einfallsebene lag senkrecht zur Längsrichtung der OLF-Prismen, so dass Licht bei einem Einfallswinkel von 45° senkrecht auf die OLF-Prismenflächen einfiel. Die Spektren gelten für p-polarisiertes Licht. Spektrum 1603 ist für einen Einfallswinkel von 10°, 1605 von 20°, 1607 von 30°, 1609 von 40°, 1611 von 50°, 1613 von 60° und 1615 von 70°. Beim unbehandelten Film beträgt der Höchstwinkel im mehrschichtigen Stapel, von der Normalen aus gemessen, 42,1° in der PMMA-Schicht mit dem Index von 1,49. S-polarisiertes Licht durchquert die PEN-Schichten in einem Winkel von etwa 35°, angenommen, Indizes in der Ebene von etwa 1,75 vorausgesetzt, während p-polarisiertes Licht sich in einem leicht größeren Winkel ausbreitet, da der Index in der Richtung senkrecht zur Filmebene nur etwa 1,5 beträgt.
Auf dem Film, der mit OLF behandelt war, beginnen die Prismen bei Einfallswinkeln über 45° hinaus (d. h. mehr als senkrecht zu den Prismenflächen), aufeinander Schatten zu werfen, wobei nur die Spitzen der Prismen den Strahl auffangen. Sobald das Licht in diesen größe ren Winkeln innerhalb der Prismen ist, kann das Licht von der gegenüberliegenden Prismenfläche weg totalreflektiert werden und wird in einem anderen Winkel zum mehrschichtigen Stapel umgelenkt. Daher ist es schwierig, das ganze Licht mit extrem großen Winkeln in einen mehrschichtigen Stapel zu leiten, außer mit speziellen optischen Anordnungen. Je höher der Index des Kopplungsprismas ist, um so größer ist der Winkel in den Stapelschichten. Um mit der vorliegenden Erfindung eine hohe Durchlässigkeit durch einen mehrschichtigen Spiegel zu erreichen, sind bevorzugt Prismen mit dem höchsten verfügbaren Index zu verwenden.
Um die Reflexion von den gegenüberliegenden Flächen der Prismen zu vermeiden, kann ein einziges großes Prisma verwendet werden und das gesamte Licht in der Nähe der Basis des Prismas eingeleitet werden. Diese Anordnung kann nur in gewissen Anwendungen machbar sein. Bei einem einzigen rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecksprisma mit einem Index von 1,586, dessen Hypotenuse auf dem Filmstapel laminiert ist, kann das Licht mit einem Höchstwinkel von 71,47° (von der Normalen zu den Stapelschichten aus gemessen) in das Prisma eingeleitet werden. Das Snelliussche Gesetz gibt einen Höchstausbreitungswinkel in PEN-Schichten (Index 1,75) von 59,24° für s-polarisiertes Licht vor, jedoch einen imaginären Winkel in PMMA, der angibt, dass dieses Licht nach bei Auftreten einer PMMA-Schicht totalreflektiert wird. Doch, wie oben beschrieben, können gewisse mehrschichtige Stapeldesigns selbst dann wesentliche Lichtmengen durchlassen, wenn der Einfallswinkel größer als der TIR-Winkel für einige der Schichten ist. Wenn eine PMMA-Schicht im vorliegenden Beispiel mehr als mehrere Wellenlängen dick ist, wird das gesamte Licht an der Grenzschicht der TIR unterzogen.
Andere Mikrostrukturformen als rechtwinklige gleichschenklige Dreiecke, wie zum Beispiel die allgemeine Form, die in 6 gezeigt wird, können mit den geeigneten Winkeln ausgelegt werden, um im Wesentlichen die Gesamtheit eines gebündelten Lichtstrahls in großen Winkeln in den Stapel einzuleiten. Da alle texturierten Filme, die als Oberflächenbehandlung verwendet werden, das Licht in wesentlich größere Winkel als den des planen Films lenken, ist eine stark erhöhte Durchlässigkeit zu erwarten.
Die in 16 gezeigten Spektren gelten für p-polarisiertes Licht. Die Durchlässigkeitsgrade im sichtbaren (Spektrum) von 40% bis 60% gelten für Winkel von 60°. Der unbehandelte Reflektor weist eine Bandkante, bei normalem Einfallswinkel, von 830 nm auf. In einem unbehandelten mehrschichtigen Spiegel verschiebt sich Band auf nicht mehr als 650 nm. Es ist zu ersehen, daß der mit OLF behandelte Film bei einem Einfall von 60° eine Bandkante von 431 nm aufweist. Auch wenn dieses spezifische Beispiel Prismenstrukturen mit planen Prismenflächen und scharfen Spitzen verwendet, können auch gekrümmte Strukturen, Prismen mit verschiedenen geometrischen Formen, Lenslet-Arrays und dergleichen verwendet werden.
Geometrisch geformte Oberflächenbehandlungen müssen nicht auf Mikrostrukturen beschränkt sein. Zum Beispiel kann es bei freistehenden Filmen oder Filmen mit einem tragenden Substrat sinnvoll sein, einzelne transparente Gegenstände, z. B. Prismen, mit beiden Seiten eines Films optisch zu koppeln. Die einzelnen Gegenstände können deckungsgleich sein, sich partiell überlappen oder sich nicht mit allen gegenüberliegenden Oberflächen des Films überlappen. Licht kann durch mehrfache innere Reflexion, die durch TIR an den dazwischenliegenden unbehandelten Abschnitten des Films bewirkt wird, seitlich von einem behandelten Abschnitt der Oberfläche zu einem nichtüberlappenden behandelten Abschnitt der Oberfläche geleitet werden.
BEISPIEL 6
17 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum eines vakuumbedampften dielektrischen Standardreflektors (Melles-Griot Maxbrite/001). Der dielektrische Reflektor war auf ein Glassubstrat mit etwa 5 mm Dicke beschichtet.
Das Durchlässigkeitsspektrum veranschaulicht den Reflektor ohne jegliche Oberflächenbehandlung 1701, mit einer Seite 1702 und mit beiden Seiten 1703, die mit einer streuenden Farbe behandelt waren. Eine Oberflächenbehandlung wurde auf die Oberfläche des relativ dicken Substrats aufgebracht. Dies hatte eine Trennung einer behandelten Oberfläche vom dielektrischen Reflektor um eine Entfernung zur Folge, die der Dicke des Substrats entsprach. Aufgrund dieser Trennung trat ein Teil des gestreuten Lichts aus dem Sammelsystem aus (d. h., das Licht, das in den größten Winkeln gestreut wurde). Wie das Spektrum zeigt, erhöhte die Behandlung die Durchlässigkeit für sichtbares Licht durch den Spiegel um etwa 10%.
Wie in 17 gezeigt, liegt die Bandkante des unbehandelten dielektrischen Stapels bei etwa 800 nm.
Dieses Band macht einen Teil des sichtbares Lichts in Winkeln unter dem Grenzwinkel für die TIR durchlässig.
Mit nur einer behandelten Seite weist das Spektrum 1702 daher eine erhöhte Durchlässigkeit im roten Teil des Lichtspektrums auf. Dies ergibt sich aus der erhöhten Kopplung von Licht in großen Ausbreitungswinkeln (aber unter dem TIR-(Winkel)) im dielektrischen Stapel. Wenn eine Streubehandlung auf beiden Oberflächen des isotropen dielektrischen Spiegels aufgebracht wird, ist die erhöhte Durchlässigkeit im Ganzen normal (unbehandelt) reflektieren Abschnitt der Spektren klar ersichtlich.
BEISPIEL 7
Wie oben erwähnt, kann der Reflektor abgestimmt werden, im Licht in anderen als sichtbaren Wellenlängen zu reflektieren. 18 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für einen behandelten und unbehandelten IR-reflektierenden Film. Der IR-reflektierende Film war aus einem optischen Stapel aus 224 Schichten aus PEN und PMMA aufgebaut.
Wie durch die Kurve 1801 in 18 gezeigt, weist der unbehandelte Reflektor eine Reflexionsband für Licht zwischen etwa 850 und 1200 nm auf. Wenn der IR-Reflektor auf beiden Seiten mit einem Diffuser behandelt war, der TiO₂-Partikel enthielt, wurde die Durchlässigkeit in diesem Band um über 20% erhöht (Kurve 1802). Überdies war die Bandverschiebung, wie dem Spektrum zu entnehmen ist, groß genug, um die ganze Bandbreite des Reflexionsbands (350 nm) durch die großwinkelige Streuung, die durch den losen Diffuser erzeugt wurde, auszuwaschen.
BEISPIELE 8–12
Die Beispiele 8–12 veranschaulichen die Art und Weise, auf welche die selektive Behandlung verwendet werden kann, um die Lichtdurchlässigkeit durch einen reflektierenden Polarisator zu erhöhen. Wie oben erwähnt, kann die Durchlässigkeit von mehrschichtigen reflektierenden Polarisatoren wie für mehrschichtige Spiegel auf selektive Weise erhöht werden. Bei Polarisatoren ist die relevante induzierte Durchlässigkeit die für Licht, das seine Polarisationsrichtung entlang der Reflexionsachse (Löschachse) des Films aufweist. Bei Polarisatoren ist wohlbekannt, dass die Durchlässigkeit von Licht durch gekreuzte Polarisatoren auch durch jedes zwischen die gekreuzten Polarisatoren eingefügte Mittel induziert werden kann, welches das Licht depolarisiert. Demgegenüber kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um die Durchlässigkeit des polarisierten Lichts zur Reflexion (Löschung) durch den Polarisator zu steuern, ohne seinen polarisierten Zustand zu ändern.
Um solch eine Durchlässigkeit beobachten zu können, muss jeder Depolarisationseffekt sorgfältig gesteuert werden. Die über die Wellenlängenverschiebung des Reflexionsspektrums induzierte Durchlässigkeit kann mit Hilfe eines zusätzlichen (dritten) Polarisators beobachtet werden, als Analysator, um die Menge des durch den reflektierenden Polarisator austretenden polarisierten Lichts zu bestimmen, das sonst vom mehrschichtigen Film blockiert würde. Wie oben erwähnt, kann polarisiertes Licht wie bei Spiegeln mit einer Vielzahl von verschiedenen Behandlungen wie z. B. diffuse Beschichtungen, geometrisch strukturierte Oberflächen und dergleichen auf selektive Weise durch einen mehrschichtigen reflektierenden Polarisator durchgelassen werden.
Beispiel 8 veranschaulicht eine erhöhte Durchlässigkeit für Licht des polarisierten Zustands, der normalerweise von einem mehrschichtigen reflektierenden Polarisator reflektiert wird. In 19 zeigt die Kurve 1901 das Durchlässigkeitsspektrum für Licht im reflektierten polarisierten Zustand, das auf einen unbehandelten reflektierenden Polarisator einfällt. Kurve 1902 zeigt die Durchlässigkeit für Licht im reflektierten polarisierten Zustand durch den reflektierenden Polarisator, wobei beide Seiten des reflektierenden Polarisators mit einem polarisationserhaltenden Diffuser behandelt waren. Der Diffuser war diffuser Klebstoff des Typs, der in der PCT-Patentanmeldung Nr. WO 97/01610 beschrieben wird. Kurve 1903 zeigt den Durchlass des austretenden Lichts, wenn es durch einen Analysator (gekreuzter Polarisator) betrachtet wird. Wie zu ersehen ist, kann die erhöhte Durchlässigkeit von Licht im reflektierten polarisierten Zustand erreicht werden kann, ohne den polarisierten Zustand des Lichts erheblich zu ändern. Wo es nicht erforderlich ist, den polarisierten Zustand des Lichts beizubehalten, kann sogar eine noch größer Erhöhung der Durchlässigkeit erreicht werden.
Beispiel 9 veranschaulicht verschiedene Behandlungen eines mehrschichtigen reflektierenden Polarisators, der mit dem reflektierenden Polarisatorfilm DBEF vergleichbar ist, der von der Firma 3M angeboten wird. 20 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für einen solchen Film, der mit verschiedenen Diffuserbeschichtungen be handelt ist. Die Kurven 2001 und 2002 zeigen jeweils den Durchlass des beim Durchgang und in der Reflexionsrichtung polarisierten Lichts eines unbehandelten reflektierenden Polarisators. Die durchschnittlichen sichtbaren Durchlässigkeiten sind jeweils 87% und 2,7%. Kurve 2003 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für Licht, das in der Reflexionsrichtung polarisiert ist, wobei beide Seiten des Films mit einer Diffuserbeschichtung behandelt wurden. Die durchschnittliche Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich des doppelseitig beschichteten Films beträgt etwa 15,1%. Kurve 2004 zeigt die Durchlässigkeit für Licht, das in der Reflexionsrichtung polarisiert bleibt. Ein absorbierender Polarisator wurde als Analysator benutzt, um zu bestimmen, wieviel von dieser induzierten Durchlässigkeit auf Depolarisation zurückzuführen ist und welcher Prozentsatz auf den oben beschriebenen Spektralverschiebungseffekt zurückzuführen ist.
Der Diffuser, der zum Erhalt der Spektren von 20 verwendet wurde, bestand aus kugelförmigen Perlen mit 5 Mikron Durchmesser und einem Index von 1,46 in einer UV-ausgehärteten Polymermatrix mit einem Index von 1,595. Solch eine große Indexdifferenz sorgt für eine starke Streukörper. Wie in 20 gezeigt, bewirkt solch ein starker Streukörper auch eine Depolarisierung des Lichts. Der Diffuser war auf beiden Seiten mit einem UV-aushärtbaren Harz beschichtet, der mit 10 Gewichts-% der kugelförmigen Perlen geladen war. Ein dicker Diffuser mit einem kleineren Perlen/Matrix-Indexdifferential kann verwendet werden, um einen vergleichbaren Lichtaustritt mit weniger Depolarisation zu induzieren. Das Spektrum zeigt eine durchschnittliche Durchlässigkeit von mindestens 6,2% (eine Zunahme von mehr als 3,5%) an, unter Vernachlässigung jedes Effekts, der auf mögliche Oberflächenreflexionen aus dem Polarisator in größeren Winkeln zurückzuführen ist.
Beispiel 10 veranschaulicht einen anderen Polarisator mit erhöhter Durchlässigkeit. Ein größerer Lichtaustritt kann in einen reflektierenden Polarisator induziert werden, indem seine Oberflächen mit Beschichtungen behandelt werden, die Licht in größeren Winkel streuen, wie durch das Spektrum von 21 angezeigt.
Kurve 2101 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für Licht, das entlang der Reflexionsachse (Löschachse) des unbehandelten Films polarisiert ist. Kurve 2102 zeigt die Durchlässigkeit, wenn beide Seiten des Films mit einem Diffuser behandelt sind. In diesem Fall wurde der Film mit einem Diffuser behandelt, der ein UV-aushärtbares Harz aufwies, das mit 22 Gewichts-% sphärischen Perlen geladen war. Die durchschnittliche Durchlässigkeit eines doppelseitig beschichteten Films beträgt etwa 27%. Kurve 2103 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum, wenn nur eine Seite des Films beschichtet ist. In diesem Fall betrug die durchschnittliche Durchlässigkeit etwa 17%. Die Zunahme in der Durchlässigkeit des Films, der nur auf einer Seite beschichtet war, ist primär der Depolarisation zuzuschreiben.
Die Depolarisation des Lichts, die durch die diffuse Beschichtung erzeugt wird, kann in gewissen Anwendungen unerwünscht sein. In gewissen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Polarisationsintegrität zu wahren und zugleich bestimmte Anteile des polarisierten Lichts sowohl durchzulassen als auch zu reflektieren. Wie oben erwähnt, wird die Polarisation im wesentlichen beibe halten, wenn der mehrschichtige Film mit einer strukturierten Oberfläche behandelt wird, um Licht in Winkeln in den mehrschichtigen Stapeln einzuleiten, die über dem normalen Grenzwinkel liegen, der vom Snelliusschen Gesetz auferlegt wird. Beispiel 11 veranschaulicht solch eine Behandlung. In diesem Beispiel war ein mehrschichtiger reflektierender Polarisatorfilm des oben beschriebenen Typs mit einem strukturierten Optical Lighting Film (OLF) behandelt, der von der Firma 3M angeboten wird. Dieser Film weist den gleichen allgemeinen Aufbau wie der Brightness Enhancement Film (BEF) auf, der ebenfalls von der Firma 3M angeboten wird. Der OLF-Film wies eine Wiederholprismenteilung von etwa 178 μm auf. Die Prismennuten waren parallel zur Durchlassrichtung des reflektierenden Polarisationsfilms ausgerichtet. Dieser Film wurde im Spektralfotometer angeordnet, wobei die Durchlassrichtung vertikal ausgerichtet war. Der einfallende Strahl war horizontal polarisiert, um die Durchlässigkeit der Reflexionsachse (Löschachse) zu messen.
22 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum verschiedener Filme, die mit solchen Strukturfilmen behandelt waren. Die Kurven 2201 und 2202 zeigen die Durchlässigkeit des unbehandelten Films mit Licht, das mit 45 Grad auf den Film einfiel und jeweils entlang der Reflexionsachse (Löschachse) und der Durchlassachse polarisiert war. Kurve 2203 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für Licht, das entlang der Reflexionsachse polarisiert war und mit 45 Grad auf einen Film einfiel, dessen beide Seiten mit OLF behandelt waren. Wie in 22 gezeigt, verschiebt sich das Durchlässigkeitsspektrum für die Rotkante des Löschspektrums auf 600 nm verschoben, im Vergleich zu 730 nm für den Basisfilm.
Kurve 2204 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum für Licht, das entlang der Reflexionsachse polarisiert war und mit 60 Grad auf einen Film einfiel, dessen beide Seiten mit OLF behandelt waren. Es ist zu ersehen, dass die Verschiebung in der Rotkante größer ist. Die geringere Gesamtdurchlässigkeit ist primär auf die Schattenwurfeffekte von benachbarten Prismen zurückzuführen. Es ist anzumerken, dass der reflektierende Polarisator, der in den obigen Beispielen verwendet wurde, aus brechenden Materialien mit relativ hohem Index (d. h., PEN und CoPEN) bestand. Der hohe Index macht es schwierig, die Bandkante weit genug zu verschieben, um das sichtbare Spektrum abzudecken, wie oben ausführlicher beschrieben.
In Beispiel 12 wurden Hybridbehandlungen aus strukturierten Oberflächen und diffundierenden Beschichtungen verwendet, um einen erhöhten Durchlässigkeitseffekt zu erzeugen, während die Polarisation im wesentlichen beibehalten wird. Der reflektierende Polarisator war auf einer Seite durch Laminieren von OLF behandelt, und auf der gegenüberliegenden Seite war der Film durch Beschichtung der Oberfläche mit einem Diffuser behandelt, der eine 10%-Ladung aus sphärischen Perlen enthielt.
Das sich ergebende Durchlässigkeitsspektrum für bei 45 Grad einfallendes Licht, mit der OLF-Seite zur polarisierten Lichtquelle hin, wird durch Kurve 2205 gezeigt.
Der OLF leitet den Lichtstrahl in Winkeln über dem Grenzwinkel in den Polarisator, ohne das Licht zu depolarisieren. Die diffuse Beschichtung wirkt, um mindestens einen Teil des Lichts unter dem Grenzwinkel aus dem Film zu streuen.
In einer anderen Ausführungsform kann die diffundierende Behandlung, die auf eine oder beide Seiten des mehrschichtigen reflektierenden Polarisators aufgebracht wird, ein asymmetrischer oder polarisierender Diffuser sein, bevorzugt einer, der Licht hauptsächlich in die Vorwärtsrichtung streut. Viele derartige polarisierende Diffuser werden im Stand der Technik beschrieben.
BEISPIEL 13
Beispiel 13 veranschaulicht den Aufbau mit mehr als einem mehrschichtigen Stapel, der oben in Bezug auf 9 beschrieben wurde. Der erste Stapel ist ein gemeinschaftlich stranggepresster mehrschichtiger reflektierender Spiegel, der alternierende Schichten aus biaxial orientiertem PEN und PMMA des Typs enthält, der oben in Verbindung mit Beispiel 1 beschrieben wurde.
Kurve 2301 von 23 zeigt das Durchlässigkeitsspektrum des unbehandelten Spiegelfilms. Dieser Spiegelfilm war auf beiden Seiten durch Laminieren eines diffundierenden Films behandelt, wodurch sich das durch Kurve 2303 von 23 gezeigte Durchlässigkeitsspektrum ergab. Nach dem Laminieren der Diffuser wurde ein mehrschichtiger reflektierender Polarisatorfilm auf eine Seite laminiert. Das sich ergebende Durchlässigkeitsspektrum wird durch Kurve 2305 gezeigt.
Dieser polarisierende Film ist von der Firma 3M als Dual Brightness Enhancement Film (DBEF) erhältlich.
Solch ein polarisierender Film ist hocheffizient, lässt an die 100% des Lichts in einem polarisierten Zustand (unabhängig von Oberflächenreflexionen) durch und verliert nur einen kleinen Prozentsatz des orthogonalen polarisierten Zustands. Obwohl das durchgelassene Licht, das durch Kurve 2305 dargestellt wird, durch den polarisierenden Film polarisiert wird, wird das durchgelassene Licht des Artikels nach dem Laminieren des Polarisators nicht um 50% reduziert. Statt dessen wird die Durchlässigkeit nur um etwa 25% reduziert, wie dem Vergleich von Kurve 2303 mit Kurve 2305 zu entnehmen ist. Dies ergibt sich aus der Rückführung und Umwandlung des Lichts, das anfangs vom polarisierenden Film reflektiert wird. Beim ersten Einfall des Lichts auf den Polarisator wird etwa 50% vom Polarisator reflektiert und stark polarisiert. Das reflektierte polarisierte Licht wird depolarisiert und vom Spiegel und den diffundierenden Schichten zum Polarisator zurückgeleitet, wobei wieder 50% durchgelassen werden. Für einen gegebenen Lichtstrahl wiederholt sich dieser Vorgang, bis die Gesamtheit des Lichts durchgelassen, reflektiert oder absorbiert wurde. Das Endergebnis ist, dass das Rückführungsphänomen einen Durchlässigkeitsgewinn für polarisiertes Licht von etwa 50% gewährleistet.
Anwendungen dieser Erfindung, die die Entnahme von Licht für Raum- und Bürobeleuchtungssysteme einschließen, können aus der Verwendung von polarisiertem Licht mit geringerer Blendung Nutzen ziehen.
In einer anderen Ausführungsform kann der reflektierende Polarisator in diesem Beispiel ein diffuser reflektierender Polarisator des Typs sein, der in der US-Patentschrift Nr. 5.783.120 mit dem Titel „Methode for Making an Optical Film" beschrieben wird. Alternativ dazu, oder in Kombination mit diesem Aufbau, kann der diffundierende Film, der auf den Spiegelfilm aufgebracht wird, den gleichen diffusen reflektierenden Polarisator enthalten. Alternative Konstruktionen zu diesen und anderen Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, können auch die Verwendung von asymmetrischen Diffusern vom vorwärtsstreuenden Typ beinhalten. Die Asymmetrie kann in Form der Streuwinkels oder in der Polarisation vorliegen, oder beides.
BEISPIEL 14
Beispiel 14 veranschaulicht weitere Vorteile der Behandlung der Oberflächen eines Reflektors mit einer Abstufung. Ein dielektrischer Spiegel für den sichtbaren Bereich vom oben beschriebenen Typ wurde auf einer Seite auf einer Nenndeckfläche von 95% mit weißer, diffundierender Farbe und auf der gegenüberliegenden Seite in einer Vignette mit einer Abstufung von 95/5 bis 5/95 (bedruckt/unbedruckt) Nenndeckflächenmuster siebgedruckt. Vor der Beschichtung wies der Spiegelfilm für den sichtbaren Bereich bei Durchleuchtung ein dichroitisches Aussehen auf, das bei der Betrachtung mit fluoreszierenden Lichtquellen akzentuiert wurde. Nach der Behandlung änderte sich keine Farbe des Films, die bei Durchleuchtung zu beobachten war, abhängig vom Einfallswinkel. Die Absorption des bedruckten Film war akzeptabel gering und betrug etwa 3% bei 550 nm.
Das kontrollierte Streumuster erzeugte einen Film, der selbst von der Region des Films mit einer Deckung von 95% eine hohe Spiegelreflexion auswies. Selbst in die sen Bereichen mit hoher Punktdichte sind reflektierte Bilder leicht für das Auge erkennbar. Auf diese Weise wurde ein Film erzeugt, der eine akzeptable durchgelassene Farbe aufwies, die sich nicht wesentlich mit dem Winkel verschob, wies selbst unter fluoreszierendem Licht einen spiegelnden Charakter in der Reflexion auf, der die Erkennung von Bildern erlaubt, wobei er auch einen brauchbaren Durchlässigkeitsgrad aufwies (d. h., in der Größenordnung von 5–15%).
24 veranschaulicht die Arbeitsweise des bedruckten Films. In einem kleinen Maßstab reflektiert der behandelte Film 2401 einen Teil des Lichts, wie durch den Strahl 2403 angezeigt, spiegelnd von den unbehandelten Regionen des Films. Ein Teil des Lichts 2405, das auf behandelte Regionen des Films einfällt, wird auf diffuse Weise reflektiert 2406, während ein anderer Teil des Lichts 2405 auf diffuse Weise durchgelassen 2407 wird. Die räumliche Trennung zwischen dem spiegelnd reflektierten Licht und dem auf diffuse Weise reflektierten Licht ist in einem Makromaßstab allgemein nicht erkennbar. Dadurch weist der behandelte Film sowohl diffuse als auch spiegelnde Reflexionsmerkmale auf.
25 zeigt die Durchlässigkeitsspektren als eine Funktion der Wellenlänge des Lichts für bestimmte Abschnitte des Films, die verschiedene Behandlungsgrade aufweisen. Kurve 2501 zeigt die Lichtdurchlässigkeit durch einen Abschnitt des behandelten Films, dessen Fläche auf der Abstufungsseite des Films zu 94% bedeckt ist. Die Kurven 2502, 2503 und 2504 zeigen die Durchlässigkeit durch den Film an Abschnitten, an denen jeweils 75%, 58% und 33% des Films bedeckt sind. Mit zunehmender Deckfläche der Behandlung nimmt die Durch lässigkeit durch den Film zu, (und) das Spektrum als eine Funktion des Wellenlänge wird geglättet. Das glatte Spektrum ist besonders nützlich, wenn Bogenlichtquellen verwendet werden, da scharfe Spitzen im Spektrum eine zu beanstandende Farbe im durchgelassenen Licht erzeugen können. 26 zeigt die Durchlässigkeit von Licht bei 550 nm als eine Funktion der Flächendeckung.
Siebdruckbehandlungen sowie eine Anzahl von anderen Behandlungen, wie sie oben beschrieben wurden, können verschiedene nützliche Artikel bereitstellen. In vielen Anwendung ist es wünschenswert, den verlustbehafteten Spiegelfilm auf ein transparentes Substrat wie z. B. Polycarbonat zu kleben. Ein wohlbekanntes Problem in der Kunststoffindustrie ist, dass die Reaktion von Klebstoffen mit Polycarbonat eine Gasabgabe verursacht, was in laminierten Filmkonstruktionen physikalische und optische Fehler zur Folge hat führt.
Ein erfindungsgemäßer Ansatz verwendet einen punktweise aufgetragenen Klebstoff, um den Austritt des Gases zu gestatten, ohne dass ein Fehler erzeugt wird. Ein diffundierender Klebstoff erfüllt sowohl die Funktion, den Austritt des Reaktionsgases zuzulassen, als auch den Lichtdurchgang durch den Reflektor zu erleichtern.
Obwohl zahlreiche Anwendungen der auf selektive Weise behandelten Reflektoren nach dem Durchlesen der vorliegenden Anmeldung offenkundig werden, werden die folgenden nicht einschränkenden Beispiele angeführt.
Die vorliegende Erfindung ist auf zahlreiche Beleuchtungsanwendungen anwendbar. Zum Beispiel kann ein behandelter Film als durchlässiges Leuchtenraster für einen Leuchtkörper verwendet werden. Das Leuchtenraster kann die Eigenschaft aufweisen, dass es Licht sowohl durchlässt als auch reflektiert. Ein Vorteil solch eines Leuchtenrasters ist, dass die Decke gleichmäßiger beleuchtet wird als mit einem Leuchtenraster, der einen Spiegelreflektor verwendet. Die Spiegelreflexionskomponente der Leuchtenraster behält die Fähigkeit bei, die Abwärtslenkung des Lichts zu steuern.
Ein Leuchtenraster, der in 27 dargestellt ist, reflektiert einen Teil des Lichts von beiden Seiten spiegelnd, während er das Licht auf diffuse Weise durchlässt. Das Leuchtenraster in 27 umfasst zwei dielektrische Reflektoren 2701A und 2701B des oben beschriebenen Typs, die durch eine Diffusionsschicht 2703 getrennt sind. Die äußeren Oberflächen 2705A und 2705B der Reflektoren sind auf selektive Weise behandelt, um lokale Diffusionsregionen zu erhalten (z. B. durch Siebdruck wie oben beschrieben). Der kontrollierte Austritt durch einen dielektrischen Reflektor kann auch genutzt werden, um die Leuchtdichte eines Beleuchtungskörpers an die der Decke anzupassen, zum Beispiel über eine Hängelampe, wo Licht nach unten austritt. Bei bestimmten Typen von Leuchten kann es auch erwünscht sein, Licht nach oben oder zu den Seiten hin austreten zu lassen.
Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um dünne, effiziente Lichtmodule oder -zeichen herzustellen. Die Entnahme von Licht aus und durch einen Reflektor weist im Unterschied zu einem prismatischen Beleuchtungsfilm den Vorteil auf, dass sie in der Lage ist, das Zeichen aus zwei orthogonalen Richtungen zu beleuchten. Wie in 28A und 28B gezeigt, kann ein Leuchtkasten 2801 zwei orthogonale Lichtquellen 2803 und 2804, einen hochreflektierenden hinteren Reflektor und einen auf selektive Weise behandelten (z. B. durch Bedrucken der gegenüberliegenden Oberfläche) vorderen Reflektor 2807 aufweisen, um Licht in einer gewünschten Form durchzulassen. In einer Ausführungsform kann das zu beleuchtende Bild auf der Innenseite der Frontseite des Reflektors 2807 gedruckt sein. Eine geeignete Wahl der äußeren Punktdichte kann verwendet werden, um dem Lichtmodul oder Zeichen im ausgeschalteten Zustand ein halbmetallisches Aussehen zu verleihen.
Wie zu ersehen ist, können verschiedene Effekte verwendet werden, um ein unterschiedliches Aussehen bei Tage und bei Nacht zu erreichen. Zum Beispiel können Fahrzeugbleche oder Zierleisten (innen oder außen) hergestellt werden, die bei Tage metallisch erscheinen, doch in einer Farbe oder in einem Text leuchten, wenn sie bei Nacht hintergrundbeleuchtet werden. Auch Steuerhebel und Knöpfe können dieses Verfahren anwenden.
Auch wenn die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen und Beispiele beschrieben wurde, beschränkt sie sich nicht auf die Spezifika der Ausführungsformen und Beispiele. Statt dessen wird die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche voll abgedeckt.

Claims

Dielektrischer Reflektor (100), der aufweist: einen dielektrischen Stapel (105) aus optischen Wiederholeinheiten mit mindestens zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der Stapel einen Grenzwinkel (θr) aufweist, bei dem sich im Stapel ausbreitendes Licht an einer Grenzfläche des Stapels mit Luft eine innere Totalreflexion erfährt; eine erste Oberfläche (103), die optisch mit dem dielektrischen Stapel gekoppelt und selektiv behandelt (101) ist, um mindestens einen Teil von auf der ersten Oberfläche (103) auftreffendem Licht unter einem Ausbreitungswinkel über dem Grenzwinkel (θr) in den dielektrischen Stapel (105) zu koppeln; und eine zweite Oberfläche (109), die optisch mit dem dielektrischen Stapel gekoppelt und selektiv behandelt (107) ist, um mindestens einen Teil von sich im dielektrischen Stapel (105) ausbreitendem Licht unter einem Winkel über dem Grenzwinkel (θr) aus dem Stapel (105) auszukoppeln, wobei ein Kopplungswirkungsgrad von mindestens der ersten oder der zweiten Oberfläche zum Koppeln von Licht mit einem Ausbreitungswinkel über dem Grenzwinkel (θr) in den Stapel oder aus dem Stapel heraus in verschiedenen Bereichen des dielektrischen Stapels (105) unterschiedlich ist.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der ersten oder der zweiten Oberfläche eine abgestufte Behandlung aufweist, so daß sich der Kopplungswirkungsgrad entlang einer Ebene der ersten oder der zweiten Oberfläche ändert.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei der dielektrische Stapel Schichten aus mindestens zwei polymeren Materialien aufweist, wobei mindestens ein polymeres Material eine verformungsinduzierte Doppelbrechung aufweist.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der ersten oder der zweiten Oberfläche behandelt ist, um Licht zu streuen.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der ersten oder der zweiten Oberfläche strukturiert ist, um Licht zu brechen.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil von gegenüberliegenden Stellen der ersten und zweiten Oberfläche behandelt ist, um Licht zu streuen.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil gegenüberliegender Stellen der ersten und zweiten Oberfläche mit einer Behandlung behandelt ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus strukturierten Oberflächen, Beugungsgittern, Flächenhologrammen und Volumenhologramm.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei der dielektrische Reflektor einen Spiegel aufweist.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 8, wobei der Spiegel ein Reflexionsband aufweist, das sichtbares Licht im wesentlichen reflektiert.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 8, wobei der Spiegel ein Reflexionsband aufweist, das Infrarotlicht im wesentlichen reflektiert und sichtbares Licht durchläßt.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei mindestens die erste oder die zweite Oberfläche über einer Graphik entsprechenden Gebieten behandelt ist.
Lichtmodul oder Zeichen, in das der dielektrische Reflektor nach Anspruch 11 integriert ist.
Lichtmodul oder Zeichen nach Anspruch 12, weiterhin mit einer Lichtquelle und mit einem hocheffizienten Spiegel, der angeordnet ist, um Licht von der Lichtquelle zum dielektrischen Reflektor zu reflektieren.
Lichtmodul oder Zeichen nach Anspruch 12, wobei der dielektrische Reflektor in Übereinstimmung mit der Graphik auf beiden Oberflächen behandelt ist.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 11, wobei die Behandlung mindestens der ersten oder der zweiten Oberfläche entfernbar ist.
Dielektrischer Reflektor nach Anspruch 1, wobei der dielektrische Reflektor einen reflektierenden Polarisator aufweist.
Selektiv durchlässiger Reflektor (100), der aufweist: einen dielektrischen Stapel (105) aus optischen Wiederholeinheiten mit mindestens zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der dielektrische Stapel so ausgelegt ist, daß er Licht einer vorbestimmten Wellenlänge im wesentlichen reflektiert, wenn sich das Licht im Film unter einem Ausbreitungswinkel innerhalb einer ersten Gruppe von Winkeln ausbreitet, und das Licht im wesentlichen durchläßt, wenn sich das Licht in dem Film unter einem Ausbreitungswinkel innerhalb einer zweiten Gruppe von Winkeln ausbreitet, wobei die erste Gruppe oder die zweite Gruppe von Winkeln Winkel über einem Grenzwinkel (θr) aufweist; eine erste Oberfläche (103), die optisch mit dem dielektrischen Stapel (105) gekoppelt und selektiv behandelt (101) ist, um mindestens einen Teil des Lichts bei der vorbestimmten Wellenlänge mit einem Ausbreitungswinkel im dielektrischen Stapel (105) über dem Grenzwinkel (θr) zwischen dem dielektrischen Stapel (105) und einem die erste Oberfläche (103) umgebenden Medium zu koppeln; und eine zweite Oberfläche (109), die selektiv behandelt (107) ist, um mindestens einen Teil von Licht mit einem Ausbreitungswinkel in dem dielektrischen Stapel über dem kritischen Winkel (θr) zwischen dem dielektrischen Stapel (105) und einem die zweite Oberfläche (109) umgebenden Medium zu koppeln, wobei ein Kopplungswirkungsgrad mindestens der ersten oder der zweiten Oberfläche zum Koppeln von Licht mit einem Ausbreitungswinkel in dem dielektrischen Stapel, der über dem Grenzwinkel (θr) liegt, in verschiedenen Bereichen des dielektrischen Stapels (105) unterschiedlich ist.
Selektiv durchlässiger Reflektor (100), der aufweist: einen dielektrischen Stapel (105) aus optischen Wiederholeinheiten mit mindestens zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der dielektrische Stapel (105) eine erste Reflexionskennlinie für Licht einer bestimmten Wellenlänge, das sich im Stapel mit einem geringeren Ausbreitungswinkel als ein erster Winkel ausbreitet, und eine zweite Reflexionskennlinie für Licht der bestimmten Wellenlänge aufweist, das sich im Stapel mit einem größeren Ausbreitungswinkel als ein zweiter Winkel ausbreitet, wobei der zweite Winkel (θr) größer oder gleich dem ersten Winkel ist; eine erste Oberfläche (103), die optisch mit dem dielektrischen Stapel (105) gekoppelt und selektiv behandelt (101) ist, um mindestens einen Teil des Lichts mit der bestimmten Wellenlänge mit einem Ausbreitungswinkel in dem dielektrischen Stapel über dem zweiten Winkel (θr) in den dielektrischen Stapel (105) zu koppeln; und eine zweite Oberfläche (109), die selektiv behandelt (107) ist, um mindestens einen Teil des Lichts mit der bestimmten Wellenlänge, das sich in dem Stapel (105) mit einem Ausbreitungswinkel über dem zweiten Winkel (θr) ausbreitet, aus dem Stapel (105) auszukoppeln, wobei ein Kopplungswirkungsgrad mindestens der ersten oder der zweiten Oberfläche in verschiedenen Bereichen des dielektrischen Stapels (105) unterschiedlich ist.
Optischer Film (100), der aufweist: einen mehrschichtigen Stapel (105) aus dielektrischen Materialien, der Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes entlang mindestens einer Achse in der Ebene des Films aufweist, wobei die Schichten aufeinanderfolgende parallele Ebenen bilden, wobei der mehrschichtige Stapel (105) von einer ersten Oberflächenschicht mit einem Brechungsindex n₁ und einer zweiten Oberflächenschicht begrenzt ist; eine Eingabeschicht (101), die auf mindestens einem Teil der ersten Oberflächenschicht angeordnet ist, um mindestens einen Teil des auf die Eingabeschicht auftreffenden Lichts unter einem Transmissionswinkel θ_t, gemessen von einer Achse senkrecht zur Ebene der ersten Oberflächenschicht in die erste Oberflächenschicht zu lenken, wobei der Transmissionswinkel die folgende Beziehung erfüllt: θt > sin–1(1/n1);und eine Ausgabeschicht (107), die auf mindestens einem Teil der zweiten Oberflächenschicht angeordnet ist, damit mindestens ein Teil des durch den mehrschichtigen Stapel (105) mit dem Transmissionswinkel θ_t durchgelassenen Lichts den optischen Film (100) durch die Ausgabeschicht (107) verlassen kann, wobei ein Kopplungswirkungsgrad mindestens der ersten oder der zweiten Oberflächenschicht zum Koppeln von Licht in den Stapel hinein oder aus dem Stapel heraus mit einem Ausbreitungswinkel über dem Transmissionswinkel θ_t in verschiedenen Bereichen des dielektrischen Stapels unterschiedlich ist.
Selektiv durchlässiger Reflektor (100), der aufweist: einen mehrschichtigen dielektrischen Stapel (105) mit einer ersten Oberfläche (103) und einer zweiten Oberfläche (109), wobei der dielektrische Stapel (105) Licht innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite im wesentlichen reflektiert, wobei eine Bandkante der Bandbreite durch einen größten Ausbreitungswinkel (θr) durch den dielektrischen Stapel für direkt auf der ersten Oberfläche (103) auftreffendes Licht definiert ist; eine Eingabeschicht (101), die auf mindestens einem Teil der ersten Oberfläche (103) ausgebildet ist, damit Licht innerhalb der vorbestimmten Bandbreite unter einem Ausbreitungswinkel, der über dem größten Winkel (θr) liegt, in den dielektrischen Stapel (105) eintreten kann; und eine Ausgabeschicht (107), die auf mindestens einem Teil der zweiten Oberfläche (109) ausgebildet ist, um eine innere Totalreflexion des Lichts zu verhindern, das sich unter dem Ausbreitungswinkel, der den größten Winkel (θr) übersteigt, durch den dielektrischen Spiegel (100) ausbreitet, so daß Licht selektiv an Stellen durch den Spiegel (100) durchgelassen wird, die der Eingabe- und Ausgabeschicht entsprechen, wobei ein Kopplungswirkungsgrad mindestens der ersten oder der zweiten Oberfläche in verschiedenen Bereichen des dielektrischen Stapels unterschiedlich ist.