ES2272710T3 - Pelicula multicapa birrefrigente para divisor de haz de polarizacion. - Google Patents

Abstract

Un divisor del haz de polarización que comprende: (a) una película (10) birrefringente con un eje de paso, comprendiendo la película (10) birrefringente multicapas de al menos una primera capa (12) de material y una segunda capa (14) de material, teniendo cada capa de material un primer borde de absorción menor que 380 nm y un segundo borde de absorción mayor que 720 nm, estando definido el borde de absorción a la longitud de onda a que la transmisión, en aire a incidencia normal, es 10% para una película de 0, 1 mm de espesor, en el que al menos una de las capas (12, 14) de material es isotrópica y (b) al menos un prisma (22, 24) con un índice de refracción mayor que 1, 6.

Description

Película multicapa birrefringente para divisor de haz de polarización.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un divisor del haz de polarización útil, entre otras aplicaciones, en un sistema de proyección. En particular, el divisor del haz de polarización combina un prisma de índice de refracción relativamente alto con una película multicapa birrefringente. La película multicapa funciona como un polarizador y contiene al menos dos materiales diferentes, al menos uno de los cuales presenta birrefringencia después de orientación uniaxial. La película multicapa se selecciona de manera que sea estable a la luz del ultravioleta cercano y del azul.

Antecedentes

Para sistemas de proyección que usan los imager de pantalla de cristal líquido reflectante (LCD, por sus siglas en inglés), un trayecto de la luz doblado donde el haz de luz de iluminación y la imagen proyectada comparten el mismo espacio físico entre un divisor del haz de polarización (PBS, por sus siglas en inglés) y un imager, ofrece un diseño compacto. Los imager de LCD más reflectantes se rotan por polarización, es decir, la luz polarizada es bien transmitida con su estado de polarización sustancialmente no modificado para el estado más oscuro o transmitida con su estado de polarización rotado para proporcionar una escala de grises deseada. Así, un haz de luz polarizada se usa en general como el haz de entrada. El uso de un PBS ofrece un diseño atractivo debido a que puede funcionar polarizando el haz de entrada y doblando el trayecto de la luz.

Un PBS es un componente óptico que divide rayos de luz incidente en un primer componente de polarización (transmitido) y un segundo componente de polarización (reflejado). Un PBS común es el polarizador de MacNeille que diferencia entre luz polarizada s y p (patente de EE.UU. 2.480.731). En un polarizador de MacNeille, la polarización s se refleja y, por un estrecho intervalo de ángulos cerca del ángulo de Brewster, la polarización p es en su mayor parte transmitida. El componente p corresponde a luz polarizada en el plano de incidencia. El componente s corresponde a luz polarizada perpendicular al plano de incidencia. El plano de incidencia quiere decir un plano definido por un rayo de luz reflejado y una normal a la superficie que se refleja.

Algunos expertos en la materia han ideado otros tipos de PBS. Por ejemplo, en la patente de EE.UU. 5.912.762 (Li et al.) se describe un dispositivo de polarización de película fina que se puede usar en un PBS. El dispositivo presenta primer y segundo substratos de transmisión de la luz en forma de prismas y una pluralidad de capas de película fina dispuestas entre los prismas. Las capas de película fina comprenden capas de alto índice de refracción y capas de bajo índice de refracción, teniendo las capas de alto índice de refracción uno o más índices de refracción diferentes y teniendo las capas de bajo índice de refracción uno o más índices de refracción diferentes. Los substratos de transmisión de la luz presentan un índice de refracción mayor que el índice de refracción de cada una de las capas de bajo índice de refracción. Los prismas están conformados de manera que se permita que la luz incidente choque con las capas de película fina en una pluralidad de ángulos mayores que o iguales al ángulo crítico (es decir, el ángulo que genera condiciones de reflexión interna total) para el índice de refracción más alto de las capas de índice de refracción bajo. Como el polarizador de MacNeille, el polarizador en la patente de EE.UU. 5.912.762 distingue entre luz polarizada s y p, aunque en la última, la luz polarizada s es transmitida y la luz polarizada p es reflejada.

Como otro ejemplo, en la patente internacional WO 00/70386, en la Figura 1, se describe un elemento (50) PBS Cartesiano que incluye una película (52) birrefringente multicapa revestida de un cubo (54) de vidrio y orientada de manera que refleje la luz incidente con polarización en x (es decir, aproximadamente polarización s). Véase la página 11, líneas 9 a 11. La notación en la publicación de patente internacional WO 00/70386 es diferente en que se dice que la polarización y es aproximada a la polarización s. Para rayos de luz incidente en un gran ángulo cónico, el PBS Cartesiano ha demostrado proporcionar un contraste mayor que un PBS que distinga sólo sobre la base de polarización s frente a polarización p.

La tecnología discutida hasta aquí, aunque describe PBS útiles usando películas multicapa, puede no ser muy apta para su uso en un sistema de proyección. En dicho sistema, el PBS experimenta típicamente alta intensidad de luz a partir de un amplio intervalo de longitudes de onda posiblemente durante largos periodos de tiempo. Aunque las películas multicapa de base inorgánica de la patente de EE.UU. 2.480.731 y la patente de EE.UU. 5.912.762 pueden ser estables a la luz del azul de alta intensidad, presentan deficiencias en la realización angular necesaria en sistemas de número f bajo. Lo que se necesita para avanzar en la técnica es un PBS a base de película multicapa que presente la durabilidad para resistir la fuente de luz y proporcionar simultáneamente contraste para luz incidente en grandes ángulos cónicos a fin de que la imagen resultante de un sistema de proyección, cuando sea vista por un observador, aparezca brillante, intensa, clara y posea colores frescos.

En la patente de EE.UU. A-5 882 774 se describe la construcción de pilas multicapa para las cuales el ángulo de Brewster es muy grande o no existente sustancialmente igualando los índices de refracción en la dirección del espesor de capas adyacentes.

En la patente de EE.UU. A-4 525 413 se describen dispositivos ópticos que incluyen un polímero birrefringente altamente orientado molecularmente, incluyendo los dispositivos de polímeros orientados molecularmente comprendiendo unidades recurrentes que presentan una distribución de alta densidad electrónica alrededor de los ejes largos del polímero y las unidades recurrentes de los mismos.

En la patente europea EP-A-0 492 636 se describen un dispositivo de iluminación de polarización y un proyector que tiene el mismo.

Sumario

Se pueden fabricar divisores del haz de polarización a partir de películas multicapa poliméricas birrefringentes, como se describe en la patente de EE.UU. 5.962.114. Aunque muchos polímeros presentan una alta transparencia a la luz visible, muchos presentan picos de absorción fuertes en la región del ultravioleta cercano (UV). Como resultado, se puede prolongar una cola de absorción en la porción visible del espectro. Aunque el porcentaje de luz absorbida puede ser bajo, la energía absorbida en un haz de luz intenso puede dar como resultado sobrecalentamiento de la película conduciendo a degradación inducida térmicamente del polímero, degradación inducida por la luz o ambas. Para algunos polímeros de alto índice de refracción, la cola de absorción en la región del azul es suficientemente fuerte para impartir un color amarillo a la película. Un parámetro clave en la selección de los polímeros para un PBS multicapa estable para sistemas de proyección de alta intensidad es la proximidad de sus bordes de absorción al espectro visible.

La presente invención proporciona un PBS que combina al menos un prisma de índice de refracción alto (es decir, mayor que n = 1,60) con una película multicapa birrefringente (a veces referida como "película multicapa" por conveniencia). La película multicapa funciona como un polarizador. Contiene capas de material alternas que son estables cuando se exponen a longitudes de onda asociadas con la luz del UV cercano y la luz del azul. Estas capas de material se eligen basándose en su espectro de absorción dentro del espectro visible y de la posición de los bordes de absorción en el UV e infrarrojo (IR).

En el extremo del UV del espectro, los bordes de absorción de las capas de material en la película multicapa son preferiblemente al menos 40 nm menores que, más preferiblemente 50 nm menores que, lo más preferiblemente 60 nm menores que la longitud de onda más corta que ilumina el PBS. Para pantallas de proyección en color, se puede rechazar luz del azul por debajo de 420 nm sin que afecte sustancialmente al equilibrio del color o brillo de la pantalla. Así en una realización preferida, la longitud de onda más corta que ilumina el PBS es 420 nm. Dependiendo de la fuente de luz, la longitud de onda menor preferida puede ser más corta, tal como 410 nm, o algo mayor, tal como 430 nm. En el extremo IR del espectro, los bordes de absorción para las capas de material en la película multicapa son al menos preferiblemente 40 nm mayores que, más preferiblemente 50 nm mayores que, lo más preferiblemente 60 nm mayores que la longitud de onda más larga que ilumina el PBS. Estas consideraciones pueden excluir algunas combinaciones de materiales que puedan estar orientadas a producir una alta diferencia en los índices de refracción entre ellos en la dirección x (estirado). Consideraciones prácticas de elaboración y estabilidad medioambiental pueden restringir la serie de materiales disponibles a los que presentan una diferencia de índices de refracción relativamente pequeña (es decir, menor que 0,15 \Deltan_{x}) entre ellos (en la dirección x) después de orien-
tación.

En este documento, la terminología "aproximadamente" se supone que modifica cada referencia numérica de una propiedad tal como, pero no limitándose a, longitud de onda, índice de refracción, relaciones, porcentajes en peso, porcentajes en moles. Por ejemplo, una referencia de 500 nm para longitud de onda quiere decir aproximadamente 500 nm. La terminología "eje de paso" quiere decir el eje óptico de transmisión del polarizador y corresponde al eje de las y o dirección de no estiramiento de la película multicapa. La terminología "eje de extinción" quiere decir el eje de reflexión del polarizador y corresponde al eje de las x o dirección de estiramiento de la película multicapa.

La terminología "borde de absorción" quiere decir generalmente la longitud de onda a la que el material polimérico llega a ser sustancialmente opaco. Una definición más precisa es la longitud de onda a que la transmisión, en aire a incidencia normal, es el 10% para una película de 0,1 mm de espesor. Cada capa de material individual en la película multicapa presenta una dirección x, una dirección y y una dirección z. La dirección x representa la dirección de estiramiento (también conocida como la "dirección transversal" o "DT"), es decir, la dirección en que está orientada la película. La dirección y representa una dirección de no estiramiento (también conocida como "dirección de la máquina" o "DM"). La dirección z representa otra dirección de no estiramiento y es en la dirección del espesor de la capa individual.

Aunque se usan típicamente dos capas de índices de refracción diferentes en la elaboración de la película multicapa, está dentro del alcance de esta invención usar más de dos materiales. Mientras una película multicapa de dos componentes presenta un perfil de índice de onda cuadrado para la onda de luz incidente, las unidades repetitivas ópticas en la película multicapa no requieren presentar una onda cuadrada. Se pueden usar capas de material múltiples para construir cualquier perfil de índice modulado periódico a lo largo de la dirección x aunque con índices sustancialmente igualados a lo largo de las direcciones y y z. Alternativamente, se puede usar cualquier perfil de índice continuamente variable tal como, por ej., un filtro de tipo rugate, para fabricar un polarizador birrefringente. El índice continuamente variable puede tener lugar cuando los materiales de un sistema de dos componentes se interdifundan durante la elaboración. Similarmente, un índice continuamente variable existe en películas de cristal líquido
colestéricas.

La película multicapa de la presente invención no requiere que se fabrique por coextrusión y orientación de materiales poliméricos, pero puede comprender capas cristalinas orgánicas birrefringentes que estén construidas por técnicas conocidas en la materia tales como, por ej., deposición a vacío epitaxial.

Las capas de material de la película multicapa de la presente invención no requieren tener ejes ópticos estrictamente ortogonales. La orientación de los ejes puede variar por varios grados desde la condición ortogonal, por ej., hasta 10º.

Debido a su composición y construcción, la película multicapa birrefringente inventiva y el PBS resultante presentan durabilidad prolongada cuando se exponen a la amplia variedad de fuentes de luz usadas en un sistema de proyección o una pantalla. Una fuente de luz típica incluye una lámpara y un reflector. Las lámparas adecuadas incluyen: xenón, incandescente, láser, diodo emisor de luz (LED, por sus siglas en inglés), fuente de luz de arco de haluro de metal y fuente de luz de mercurio de alta presión. Dichas fuentes de luz pueden emitir luz en la longitud de onda del azul y el ultravioleta cercano. Se sabe que muchas películas de base polimérica se pueden degradar rápidamente cuando se exponen a dichas longitudes de onda.

La película multicapa inventiva, cuando está inmersa o embutida en aire o prisma de bajo índice de refracción (es decir, menor que 1,60), presenta una relación de contraste baja (es decir, una relación de contraste menor que 100:1) debido a la baja diferencia en los valores del índice de refracción en la dirección x para las capas de material. La "relación de contraste" quiere decir una relación de dos valores de transmisión para la luz que presentan los planos de polarización paralelos a los dos ejes ortogonales de la película multicapa. La relación de contraste dependerá de la naturaleza del haz además de la película. Por ejemplo, la relación de contraste para un haz de luz en un cono de luz distribuido por un amplio intervalo de ángulos puede ser menor que para un haz de luz distribuido por un estrecho cono de ángulos.

Ventajosamente, cuando se sumerge o embute la película multicapa en un prisma de índice alto (es decir, mayor que 1,6 y menor que un índice que crearía condición de reflexión interna total en la película multicapa), la relación de contraste se incrementa sustancialmente en el orden de mayor que 100:1, preferiblemente mayor que 300:1, más preferiblemente mayor que 1.000:1, cuando se promedian todos los rayos del cono incidente de luz. En un aspecto, esta ventaja quiere decir que se pueden requerir menos capas en la película multicapa para conseguir la relación de contraste deseada. En general, el menor número de capas requerido puede conducir a un proceso de fabricación menos complicado cuando se compara con una película similar con un número mayor de capas requerido. La combinación de la película multicapa embutida en el prisma de índice alto produce un PBS mejorado suficientemente duradero para resistir una fuente de luz típica usada en muchos sistemas de proyección y de presentación en pantalla y proporciona aún excelente contraste. El índice del prisma se selecciona preferiblemente de manera que los ángulos de incidencia más altos de los rayos entrantes estén cerca de, pero no superando, el ángulo crítico para reflexión interna total (TIR, por sus siglas en inglés).

Así, en resumen, la presente invención proporciona un PBS como se define en la reivindicación 1. En una realización preferida, la longitud de onda más corta para iluminar el PBS es 420 nm y la longitud de onda más larga es 680 nm.

Otra realización de la invención se refiere a un dispositivo óptico que comprende: (a) el PBS descrito anteriormente, definiéndose un primer trayecto por el PBS para luz en un primer estado de polarización y (b) al menos un imager dispuesto para reflejar luz de vuelta al divisor del haz de polarización, porciones de luz recibidas por al menos un imager estando rotada la polarización, propagándose la luz rotada de polarización por un segundo trayecto desde el imager y por el PBS.

Aún otra realización de la invención se refiere a un sistema de proyección que incluye una fuente de luz para generar luz, óptica condicionadora para condicionar la luz de la fuente de luz y un núcleo de formación de imágenes para imponer en la imagen en luz condicionada de la óptica condicionadora para formar luz de la imagen. El núcleo de formación de imagen incluye un PBS descrito anteriormente y al menos un imager.

El PBS inventivo presente difiere del PBS Cartesiano descrito en la patente internacional WO 00/70386 en que la presente invención identifica por primera vez: (1) el intervalo de índice de refracción necesario para el prisma cuando se están usando materiales de birrefringencia relativamente baja, (2) los intervalos de longitud de onda de los bordes de absorción requeridos para una película multicapa de PBS polimérica adecuadamente estable y (3) combinaciones de materiales disponibles que presentan estabilidad cuando se exponen a la luz del UV cercano y del azul.

El PBS inventivo presente también difiere del PBS descrito en la patente de EE.UU. 5.912.762. En esa patente, se describe que los substratos transparentes, es decir, los prismas, presentan un índice de refracción mayor que el índice de refracción de cada una de las capas de índice de refracción bajo.

Con la presente invención, por otra parte, los prismas presentan preferiblemente un índice de refracción mayor que cualquiera de los índices de refracción de cualquier capa óptica en la película multicapa, pero suficientemente bajo de manera que no se produzca una condición de TIR por el eje de paso del polarizador de película multicapa birrefringente. La terminología "capas ópticas" quiere decir las capas que participan en la reflexión y transmisión de la luz incidente. Los ángulos de incidencia internos en las interfases multicapa deberían ser suficientemente altos a fin de que los coeficientes de reflectancia interfacial en cada capa sean suficientemente grandes para que la luz polarizada en x produzca un coeficiente de extinción que satisfaga los niveles requeridos de 100:1, preferiblemente 300:1, más preferiblemente 1.000:1. El nivel requerido de reflectancia interfacial para una longitud de onda dada se puede calcular a partir del número de capas en la película multicapa y la distribución de espesor de la capa.

Breve descripción de los dibujos

La invención se explicará además con referencia a los dibujos, en los que:

La Fig. 1 es una vista transversal de una película (10) multicapa birrefringente ilustrativa de acuerdo con la invención;

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de dos capas de material en una película (10) multicapa birrefringente ilustrativa de acuerdo con la invención;

La Fig. 3 es una vista en perspectiva de un divisor (20) del haz de polarización, ilustrativo, de acuerdo con la invención;

Las Fig. 4a y Fig. 4b son vistas transversales tomadas a lo largo de la línea 4-4 en la Fig. 3;

La Fig. 5 es una vista esquemática de un sistema (40) óptico ilustrativo útil en un sistema de proyección de acuerdo con un aspecto de la invención;

La Fig. 6 es una gráfica que representa el espesor de la película como una función de la posición de la película después de orientación uniaxial y

La Fig. 7 es una vista esquemática de una unidad de proyección basada en múltiples imágenes reflectantes de acuerdo con un aspecto de la invención.

Estas figuras están idealizadas, no son a escala y se desea que sean meramente ilustrativas y no limitantes.

Descripción detallada

La Fig. 1 es una vista transversal de una película (10) multicapa, birrefringente, ilustrativa, que contiene capas alternas de una primera capa (12) de material con una primera serie de índices de refracción n_{12x}, n_{12y}, n_{12z} y una segunda capa (14) de material con una segunda serie de índices de refracción, n_{14x}, n_{14}y y n_{14z}. La Fig. 2 es una vista en perspectiva que muestra sólo dos capas en una película 10 multicapa birrefringente, teniendo cada capa índices de refracción en las direcciones x, y y z. La Fig. 3 es una vista en perspectiva de un PBS 20 con un primer prisma (22) y un segundo prisma (24) colocados de manera que se forme sustancialmente un cubo. La película (10) multicapa birrefringente se embute por la diagonal del cubo, es decir, se intercala entre las hipotenusas de los prismas.

La Fig. 4a es una vista transversal a lo largo de la línea 4-4 de la Fig. 3 que muestra el trayecto de un rayo (30a) de luz incidente polarizada s, ilustrativo, en una película simplificada que comprende una capa de índice alto y una capa de índice bajo. Mientras las películas reales comprenden cientos de capas, esta película simplificada ejemplifica los principios de funcionamiento del polarizador. La película (10) multicapa refleja principalmente luz polarizada s y transmite principalmente luz polarizada p. En funcionamiento, el rayo (30a) de luz polarizada s incidente se desplaza desde el aire (n_{aire} = 1,0) al PBS (20) por la primera superficie (23) de choque del prisma (22). Este rayo de luz particular choca perpendicular a la superficie (23) y así se transmite al prisma (22) sin inclinación sustancialmente del rayo (30a). En la mayoría de las aplicaciones, un cono de rayos será incidente en la superficie (23). En la superficie (23), una porción de la luz incidente es reflejada (no mostrado). Debido a la posición de la película (10), el rayo (30a) choca con la capa (12) a 45º de la normal (13) y debido a que el rayo (30a) se desplaza desde un material de alto índice a un material (12) de índice inferior (n_{prisma 22} > n_{12}), a medida que se transmite, se refracta lejos de la normal (13). A medida que se propaga el rayo (30a) desde la capa (12) a la capa (14), teniendo aún un índice de refracción menor (es decir, n_{12} > n_{l4}), de nuevo se refracta lejos de la normal (15). A medida que el rayo (30a) se propaga fuera de la capa (14) al prisma (24), se desplaza desde el material de índice de refracción bajo a un material de índice de refracción alto (es decir, n_{prisma 24} > n_{14}), se refracta hacia la normal (17) y sale del PBS como se muestra esquemáticamente. En la práctica, se usan muchos pares de capas y el rayo (30a) disminuye gradualmente a medida que atraviesa la película, que refleja preferiblemente la mayoría o todo el rayo (30a). Aunque n_{prisma} es preferiblemente mayor que n_{12}, puede ser igual a o ligeramente menor que n_{12}, dependiendo de la magnitud de \Deltan_{x}, como se describe a continuación. El índice de refracción del prisma debería ser mayor que el índice de refracción de la capa (14). La sección transversal elegida y el rayo (30a) polarizado entrante sólo ilustran el eje de reflexión (es decir, la dirección de extinción) del PBS. A lo largo del eje de extinción siempre habrá capas alternas de índices de refracción bajos y
altos.

En cualquier interfase de material dieléctrico, el coeficiente de reflexión de Fresnel para luz polarizada s se incrementa monotónicamente con el ángulo de incidencia. La luz polarizada s sólo detecta los índices de refracción en el plano de una película y así no se ve afectada por el índice de refracción en z de la película. Un objetivo de la presente invención es proporcionar un PBS con ángulos de incidencia interiores altos en las interfases de la capa a lo largo del eje de extinción de la película multicapa birrefringente de manera que se maximicen los coeficientes de reflexión de Fresnel a lo largo del eje de extinción y proporcionar simultáneamente una conformación de cubo, que se prefiere en la mayoría de los sistemas de proyección para compacidad. Dicho artículo se puede idear incrementando el índice de refracción de los prismas que forman el cubo. El límite del índice de refracción del prisma se determina por la necesidad de transmisión alta a lo largo del eje de paso del polarizador de película multicapa, como se describe a continuación.

La Fig. 4b es una vista transversal a lo largo de la línea 4-4 de la Fig. 3 que muestra el trayecto de un rayo (30b) de luz incidente polarizada p, ilustrativo, en una película simplificada que comprende sólo dos capas. En este caso, el rayo (30b) detecta los índices y y z de las capas, habiéndose seleccionado los materiales de las capas a fin de que los índices y y z sean sustancialmente los mismos para todas las capas. En la superficie (23), se refleja una porción de la luz incidente (no mostrado). Debido a la posición de la película (10), el rayo (30b) choca con la capa (12) a 45º para la normal (13) y debido a que el rayo (30b) se desplaza desde un material de índice de refracción alto a un material (12) de índice de refracción menor (n_{prisma} 22 > n_{12}), a medida que se transmite, se refracta lejos de la normal (13). A medida que se propaga el rayo (30b) desde la capa (12) a la capa (14), no hay cambio sustancial en la dirección debido a que los índices de las capas alternas se igualan sustancialmente para la dirección de polarización del rayo (30b). A medida que se propaga el rayo (30b) fuera de la capa (14) al prisma (24) y se desplaza desde un material de índice de refracción bajo a un material de índice de refracción alto (es decir, n_{prisma 24} > n_{14}), se refracta hacia la normal (17) y sale del PBS, como se muestra esquemáticamente. El ángulo de propagación ilustrado en las capas (12) y (14) para la Fig. 4b es el mismo que el ángulo de propagación en la capa (14) en la Fig. 4a.

Las dos figuras, sin embargo, ilustran sólo uno de tres posibles casos para el eje de paso. Mientras los índices de las capas a lo largo del eje de extinción (x) alternarán de alto a bajo, el índice a lo largo del eje de paso (y) será sustancialmente el mismo para todas las capas y puede ser bien el mismo valor de índice de refracción bajo o alto o de algún valor intermedio, dependiendo de si la película multicapa presenta: (1) capas birrefringentes e isotrópicas positivas alternas (referido como "caso 1"), (2) capas birrefringentes e isotrópicas negativas alternas (referido como "caso 2") o (3) capas birrefringentes, negativas y positivas, alternas (referido como "caso 3").

Las Fig. 4a y 4b ilustran el caso 1, que podía tener lugar con, por ej., una película multicapa con poli(tereftalato de etileno) (PET) orientado uniaxialmente y un material isotrópico. En este caso el eje óptico de la capa de PET está en la dirección x. Si la capa birrefringente fuera un material birrefringente negativo tal como poliestireno sindiotáctico orientado uniaxialmente, entonces la capa isotrópica alterna sería la capa de índice de refracción alto y el índice de refracción de la dirección (y) de paso tendría el valor del índice de refracción más alto. Si la película multicapa presenta materiales birrefringentes positivos y negativos alternos, el índice en la dirección y tendría un valor intermedio al de los índices en la dirección x bajo y alto.

Un requerimiento para el PBS es proporcionar valores de transmisión altos para el eje de paso. Por esta razón, el índice de los prismas debería ser suficientemente bajo que el ángulo de propagación, ilustrado como ángulos \theta_{2} y \theta_{4} en la Fig. 4a, no se aproxime o exceda el de 90º, es decir, que no existe una condición de TIR para los rayos entrantes dentro del ángulo cónico incidente. Como una cuestión práctica, los ángulos de propagación que se aproximan a 90º también se tienen que evitar por diversas razones. Por ejemplo, un ángulo de propagación extremadamente alto a lo largo del eje de paso incrementará la cantidad de astigmatismo en una imagen formada a partir de los diversos rayos en un cono de luz incidente, teniendo los rayos de menor ángulo un desplazamiento lateral considerablemente diferente que los rayos con un ángulo de incidencia mayor a la película multicapa. Los ángulos de propagación extremadamente altos también pueden incrementar la cantidad de absorción y dispersión de los rayos de luz entrantes.

Por lo tanto, la necesidad de los ángulos de propagación más altos a lo largo de la dirección x se debería equilibrar por la necesidad de ángulos de propagación moderados para los rayos de polarización ortogonales que son paralelos a la dirección y. Para el caso 1 anterior, los ángulos de propagación más altos para rayos polarizados en la dirección x también son los ángulos de propagación para rayos polarizados a lo largo de la dirección y y como tales se deberían limitar a un intervalo de aproximadamente 60º a 80º. Para PET con un índice x de 1,65 e índices y y z de 1,55, el índice del prisma está preferiblemente por encima de 1,70 y más preferiblemente por encima de 1,80, pero preferiblemente menor que aproximadamente 1,90. El intervalo de índices de prisma aceptables para una película multicapa birrefringente dada depende del valor del índice diferencial de x (\Deltan_{x}) y el ángulo cónico de los rayos incidentes. Los ángulos de propagación se pueden calcular usando la ley de Snell. Los valores de transmisión a lo largo de la dirección x se pueden calcular usando algoritmos de reflexión multicapa, ópticos, conocidos.

Con respecto al caso 2 anterior, los índices de las capas a lo largo del eje y igualan el índice más alto en la película multicapa y el ángulo de propagación para rayos polarizados paralelos al eje y será menor que el del caso 1. Tal disposición disminuirá la cantidad de astigmatismo o alternativamente, permitirá el uso de índices incluso más altos para los prismas, incluso hasta el punto de TIR para rayos tales como (30a) que están polarizados paralelos a la dirección x.

Sería posible un PBS que presente reflexión interna total de todos los rayos polarizados en la dirección x, pero transmita todos los rayos polarizados en la dirección y, dando materiales birrefringentes de los índices correctos. El funcionamiento de dicho PBS sería similar al de un polarizador Glan-Thompson. Sólo se necesitaría una única capa birrefringente, pero para que funcione a 45º en un cubo, la birrefringencia tendría que ser muy alta, del orden de o mayor que 0,5.

Cada uno de los componentes usados para fabricar el PBS inventivo y el método de montaje del PBS se discuten a continuación en detalle.

Prisma

El prisma se puede construir de cualquier material transmisivo a la luz con un índice de refracción de al menos 1,60, más preferiblemente al menos 1,70 y lo más preferiblemente al menos 1,80. El prisma, sin embargo, debería tener un índice de refracción menor que el que crearía una condición de reflexión interna total, es decir, una condición donde el ángulo de propagación se aproxime o exceda el de 90º. Dicha condición se puede calcular usando la ley de Snell. Un material "transmisivo a la luz" es uno que permite al menos que una porción de luz incidente, a partir de la fuente de luz, se transmita. En algunas aplicaciones, se puede filtrar la luz incidente para eliminar las longitudes de onda no deseables. Los materiales adecuados para uso como prismas incluyen, pero no están limitados a cerámica, vidrio y polímeros. Se entiende que el vidrio es un subconjunto de la cerámica. Un vidrio particularmente útil contiene un óxido metálico tal como plomo y dicho vidrio presenta típicamente índice de refracción mayor que 1,60. Un vidrio comercialmente disponible es PBH 55, disponible en Ohara, con un índice de refracción de 1,85 y presenta óxido de plomo al 75% en peso.

En un sistema de proyección, tal como un sistema de protección frontal o posterior, típicamente se usarán dos prismas triangulares de ángulo sustancialmente recto para formar sustancialmente un cubo. En este caso, el PBS se intercala entre las hipotenusas de los dos prismas usando un medio de unión, como se discute a continuación. Se prefiere un PBS con forma de cubo en la mayoría de los sistemas de proyección debido a que proporciona un diseño compacto, es decir, la fuente de luz y otros componentes, tales como filtros, se pueden colocar de manera que proporcionen un proyector portátil, ligero, pequeño. Para algunos sistemas, el PBS con forma de cubo se podía modificar de manera que una o más caras no fuera cuadrada. Si no se usan caras cuadradas, se debería proporcionar una cara paralela semejante, por el siguiente componente adyacente tal como el prisma de color o la lente de proyección.

Aunque un cubo es una realización preferida, se pueden usar otras conformaciones de PBS. Por ejemplo, se puede montar una combinación de varios prismas para proporcionar un PBS rectangular. Cualquiera que sea la conformación del PBS, es necesario que sea de alto índice de refracción, se necesita una película multicapa birrefringente que actúe como un polarizador embutido en ella y se necesita producir ángulos de incidencia internos altos para los rayos de polarización paralelos al eje x, como se describió anteriormente.

La dimensión del prisma y así la dimensión del PBS resultante depende de la aplicación deseada. En un proyector frontal ilustrativo, el PBS es un cubo de 40 mm de longitud, anchura y altura, con una diagonal de 57 mm cuando se usa una lámpara de tipo arco de Hg de alta presión, pequeña, tal como el tipo UHP vendido comercialmente por Philips Corp., con su haz preparado como un cono de luz de F/2,2 y presentado al cubo de PBS para uso con los imager diagonales de 1,98 cm (0,78 pulgadas), tales como los imager de resolución SXGA disponibles en Three-Five Systems. El f/# del haz, la distancia óptica (es decir, la suma de las distancias reales dividido por el índice de refracción para cada unidad de distancia) que separa el(los) imager del PBS y el tamaño del imager son algunos factores que determinan el tamaño del PBS.

Película multicapa

Como se discutió anteriormente, la película multicapa birrefringente presenta al menos dos materiales de diferente índice de refracción. Preferiblemente, para polímeros semicristalinos, se deberían satisfacer las siguientes condiciones para producir una película útil. Las condiciones enumeradas a continuación son meramente las condiciones principales que se requiere que se satisfagan. Otras condiciones, incluyendo pero no limitándose a espesor de película total, se discuten aparte.

Una condición es que el índice de refracción en las direcciones y y z (no direcciones de estiramiento) del primer material, n_{1y} y n_{1z}, sean sustancialmente similares entre sí (es decir, dentro del 5% uno de otro) y sustancialmente similares a los índices de refracción de las direcciones y y z del segundo material, n_{2y} y n_{2z} respectivamente. Idealmente, estos cuatro índices son idénticos pero dicha similitud precisa es con frecuencia difícil de conseguir en la práctica. Un método usado para igualar los índices y y z dentro de una capa es impartir una verdadera orientación uniaxial. La expresión "verdadera orientación uniaxial" quiere decir estirar la película en la dirección x mientras se permite que la película se relaje en las direcciones y y z. Los índices de refracción y y z pueden ser sustancialmente similares en una capa dada por la verdadera orientación uniaxial. Cuando se elige el segundo material de manera que se iguale el índice y del primer material, los índices z en las dos capas también se deben igualar debido a que las capas del segundo material también están sometidas a las mismas condiciones de estiramiento que la capa de primer
material.

En muchas aplicaciones prácticas, es aceptable un pequeño desajuste del índice z entre las capas, dependiendo del ángulo de incidencia interno. La magnitud permitida del desajuste del índice z entre las capas es relativo al desajuste del índice x debido a que el último valor determina el número de capas necesario en una película multicapa para producir la reflectancia deseada. Idealmente, para la película multicapa birrefringente sumergida en un prisma de índice alto, el \Deltan_{y} e \Deltan_{z} entre las diversas capas debería ser cero. En la práctica, es difícil producir una película multicapa donde \Deltan_{y} e \Deltan_{z} sean cero. En la patente de EE.UU. Nº 5.882.774 se describe cómo compensar la diferencia de índices z por la manipulación del \Deltan_{y}. Alguna variación en \Deltan_{y} e \Deltan_{z} es aceptable para la práctica de esta invención. Así, la relación \Deltan_{z}\textdiv\Deltan_{x} y la relación \Deltan_{y}\textdiv\Deltan_{x} son preferiblemente menores que 0,2, más preferiblemente menores que 0,1 y lo más preferiblemente menores que 0,05. Similarmente, la diferencia entre los índices y y z de una única capa es idealmente cero. Así la birrefringencia dentro de una capa (n_{y}-n_{z}) también debería ser pequeña comparado con \Deltan_{x}. Así, la relación (n_{y}-n_{z})\textdiv\Deltan_{x} es preferiblemente menor que 0,2, más preferiblemente menor que 0,1 y lo más preferiblemente menor que 0,05.

Otra condición es que los materiales primero y segundo empiecen como materiales isotrópicos (es decir, con índices de refracción sustancialmente similares en las direcciones x, y y z) y después de orientación uniaxial, al menos uno de los materiales presenta birrefringencia. Así, hay tres posibles combinaciones: (1) el primer material presenta birrefringencia mientras que el segundo material permanece isotrópico, (2) el primer material permanece isotrópico mientras el segundo material presenta birrefringencia y (3) tanto el primero como el segundo presentan birrefringencia. En una realización preferida, después de orientación uniaxial, el primer material es birrefringente y experimenta un incremento en el índice de refracción a lo largo de la dirección de estiramiento mientras el segundo material permanece isotrópico y la diferencia de índices de refracción entre el primer y el segundo material está típicamente entre 0,15 y 0,20 en la dirección de estiramiento.

Aún otra condición es que la película multicapa inventiva debería ser estable, es decir, mostrar mínima fotodegradación, cuando se expone durante largos periodos de tiempo a longitudes de onda asociadas con luz del UV cercano y del azul. Cuando se usa en un proyector frontal ilustrativo, con un cubo de PBS de 40 mm de longitud y anchura y diagonal de 57 mm cuando se usa una lámpara de tipo arco de Hg de alta presión, pequeña, tal como el tipo UHP vendido comercialmente por Philips Corp., con su haz preparado como un cono de luz de F/2,2 y presentado al cubo de PBS para uso con los imager de diagonal de 1,98 cm (0,78 pulgadas), tales como los imager de resolución SXGA disponibles en Three-Five Systems y con luz por debajo de 420 nm filtrada con filtros de bordes de banda bruscos, la película multicapa debería tener preferiblemente duraciones de la vida de al menos 1.000 horas y más preferiblemente de al menos 2.000 horas. La película multicapa también debería presentar baja turbidez, bajo encogimiento durante periodos de tiempo prolongados en el entorno de uso y buena transparencia.

Debido a los requerimientos descritos anteriormente, muy pocos materiales poliméricos están disponibles para uso. A continuación se discuten materiales poliméricos adecuados.

Selección de materiales

La película multicapa se construye con al menos dos materiales poliméricos diferentes. En una realización preferida, la película multicapa presenta capas alternas de un primer polímero y un segundo polímero. Por conveniencia, la capa de primer material se refiere como la "capa de alto índice" mientras la capa de segundo material se refiere como la "capa de bajo índice". Estos valores relativos se refieren a los índices observados a lo largo de la dirección x de la película multicapa. Como se ha indicado, los polímeros útiles, para uso como primera o segunda capas, son los que no son susceptibles de fotodegradación a la luz con longitudes de onda en la región del ultravioleta cercano y del azul del espectro visible. Preferiblemente, los polímeros útiles deberían tener un intervalo de bordes de absorción \leq 360 y \geq 750 nm. Muchos polímeros de alto índice, tales como poli(naftalato de etileno) (PEN), presentan un borde de absorción en el intervalo de 385 nm. La cola de absorción desde este borde puede causar absorción significativa en el espectro visible. Para PEN, la cola de absorción para una película de muestra de 130 \mum de espesor es 2,5% a longitud de onda de 400 nm y cae a sustancialmente cero a alrededor de 450 nm a 500 nm. Por esta razón la iluminación de PEN con luz del azul intensa puede conducir a degradación significativa de la película, causando un intenso amarilleamiento del polímero.

Un polímero adecuado y preferido para uso como la capa de alto índice es poli(tereftalato de etileno) (PET). El borde de absorción del PET es 320 nm, que elimina esencialmente la fotodegradación con luz del azul. Después de orientación uniaxial, la película de PET presenta un índice de refracción de 1,68 en la dirección (x) de estiramiento y 1,54 en las direcciones de no estiramiento (y y z).

Es posible mezclar pequeñas cantidades de PEN con PET para estabilizar contra cambios de cristalinidad e incrementar el índice de refracción para realización óptica mejorada en el caso en que se usen prismas de índice inferior. Preferiblemente, la mezcla del PEN y el PET es la forma de un copolímero transesterificado que resulta de la extrusión in situ de los dos polímeros. Se ha observado que estas pequeñas mezclas (típicamente menores que 50% en moles de PEN) tienen bordes de absorción de menor longitud de onda que PEN puro. Por ejemplo, un poliéster con PEN mezclado al 20% presenta un borde de absorción a 374 nm comparado con 385 nm para PEN puro. La longitud de onda donde una película que contiene 20% en moles de PEN en PET no absorbe sustancialmente luz, es 420 mm comparado con 450 nm para el PEN puro. Así, para aplicación donde no esté presente sustancialmente luz a longitudes de onda menores que 420 nm, el material de 80% en moles de PET/20% en moles de PEN, usado como la capa de alto índice proporciona la ventaja de fotodegradación mínima.

En el extremo UV del espectro, un borde de absorción adecuado de las capas de material en la película multicapa y el PBS es preferiblemente a menos de 380 nm, más preferiblemente menos de 370 nm e incluso lo más preferiblemente menos de 360 nm. En el extremo IR del espectro, un borde de absorción adecuado de capas de material en la película multicapa y el PBS es preferiblemente mayor que 720 nm, más preferiblemente mayor que 730 nm y lo más preferiblemente mayor que 740 nm.

Los polímeros adecuados para uso como la capa de bajo índice cuando se usa PET como la capa de alto índice son como sigue. Es deseable para los polímeros de bajo índice que permanezcan isotrópicos en orientación uniaxial a temperaturas de estirado de PET típicas. Así, los polímeros de bajo índice presentan preferiblemente una temperatura de transición vítrea por debajo de la de PET (es decir, menos de 80ºC). Para que permanezcan isotrópicos, estos polímeros también presentan preferiblemente suficiente irregularidad para evitar que cristalicen durante el proceso de orientación y en la aplicación de uso final. Incluso se desea mayor irregularidad de la cadena principal del polímero de lo que normalmente se requiere para evitar la cristalización del polímero cuando la aplicación de uso final está por encima de la temperatura de transición vítrea de los polímeros. Para realización óptica de la película multicapa, estos polímeros presentan preferiblemente un índice de refracción isotrópico en el intervalo de 1,535 a 1,555, más preferiblemente 1,540 a 1,550. La descripción a continuación describe copoliésteres adecuados útiles como materiales de índice de refracción bajo cuando se usa PET como el material de índice de refracción alto.

Los polímeros de bajo índice de refracción presentan preferiblemente las siguientes propiedades: (1) estabilidad térmica en el procedimiento de fusión de PET, (2) estable al UV o capaz de protegerse de UVA, (3) alta transparencia (es decir, alta transmisión y baja absorción), (4) propiedades reológicas suficientemente cercanas a PET para flujo estable durante la coextrusión, (5) buena adhesión entre capas con PET, (6) baja dispersión y (7) aptitud para ser estirado (es decir, la capacidad para ser orientado) sin birrefringencia.

Se ha descubierto que los copoliésteres que comprenden tereftalato y dicarboxilato de ciclohexano como subunidades de comonómero de carboxilato y etilenglicol, ciclohexanodimetanol y trimetilolpropano como subunidades de comonómero de glicol son particularmente útiles como películas multicapa poliméricas de bajo índice que contienen PET como el polímero de alto índice. Los copoliésteres se pueden haber mezclado con poli(tereftalato de etilenciclohexanodimetanol) (PCTG), disponible en Eastman Chemical Co.

Los comonómeros ramificados tales como neopentilglicol (NPG) y 2-butil 2-etil 1,3-propanodiol (BEPD) se pueden copolimerizar en el anterior copoliéster para irregularidad de la cadena principal del polímero incrementada y capacidad de empaquetamiento del polímero reducida para suprimir la cristalización del copoliéster. Se ha descubierto, por estudios de velocidad de cristalización llevados a cabo a 90º a 120ºC, que los copoliésteres que contienen NPG y especialmente BEPD permanecen libres de turbidez y cristalinidad más tiempo que los copoliésteres descritos anteriormente sin los comonómeros ramificados.

Los comonómeros adecuados para uso en copoliéster (coPET) o similares pueden ser del tipo diol o ácido dicarboxílico o éster. Los comonómeros de ácido dicarboxílico incluyen pero no están limitados a: (1) ácido tereftálico, (2) ácido isoftálico, (3) ácido ftálico, (4) todos los ácidos naftalenodicarboxílicos isómeros (2,6-, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,7- y 2,8-), (5) ácidos bibenzoicos tales como: ácido 4,4'-bifenildicarboxílico y sus isómeros, ácido trans-4,4'-estilbenodicarboxílico y sus isómeros, ácido dicarboxílico del 4,4'-difenil éter y sus isómeros, ácido 4,4'-difenilsulfonadicarboxílico y sus isómeros, ácido 4,4'-benzofenonadicarboxílico y sus isómeros, (6) ácidos dicarboxílicos aromáticos halogenados tales como ácido 2-clorotereftálico y ácido 2,5-diclorotereftálico, (7) otros ácidos dicarboxílicos aromáticos sustituidos tales como ácido terc-butilisoftálico y ácido isoftálico sulfonado sódico, (8) ácidos cicloalcanodicarboxílicos tales como ácido 1,4-ciclohexanodicarboxílico y sus isómeros y ácido 2,6-decahidronaftalenodicarboxílico y sus isómeros, (9) ácidos dicarboxílicos bi- o multicíclicos tales como los diversos ácidos dicarboxílicos de norbornano y norborneno isómeros, ácidos adamantanodicarboxílicos y ácidos biciclo-octanodicarboxílicos, (10) ácidos alcanodicarboxílicos tales como: ácido sebácico, ácido adípico, ácido oxálico, ácido malónico, ácido succínico, ácido glutárico, ácido azelaico y ácido dodecanodicarboxílico y (11) cualquiera de los ácidos dicarboxílicos isómeros de los hidrocarburos aromáticos de anillo condensado (tales como: indeno, antraceno, fenantreno, benzonafteno, fluoreno y similares). Alternativamente, se pueden usar los ésteres alquílicos de estos ácidos dicarboxílicos enumerados anteriormente, tales como tereftalato de dimetilo.

Los comonómeros de diol adecuados incluyen pero no están limitados a: (1) alcanodioles o glicoles lineales o ramificados tales como etilenglicol, propanodioles tales como trimetilenglicol, butanodioles tales como tetrametilenglicol, pentanodioles tales como neopentilglicol, hexanodioles, 2,2,4-trimetil-1,3-pentanodiol y dioles superiores, (2) éter glicoles tales como dietilenglicol, trietilenglicol y polietilenglicol, (3) dioles de éster de cadena tales como propanoato de 3-hidroxi-2,2-dimetilpropil-3-hidroxi-2,2-dimetilo, cicloalcanoglicoles tales como 1,4-ciclohexanodimetanol y sus isómeros y 1,4-ciclohexanodiol y sus isómeros, (4) dioles bi- o multicíclicos tales como los diversos triciclodecanodimetanoles isómeros, norbornanodimetanoles, norbornenodimetanoles y biciclo-octanodimetanoles, (5) glicoles aromáticos tales como 1,4-bencenodimetanol y sus isómeros, 1,4-bencenodiol y sus isómeros, bisfenoles tales como bisfenol A, 2,2'-dihidroxibifenilo y sus isómeros, 4,4'-dihidroximetilbifenilo y sus isómeros y 1,3-bis(2-hidroxietoxi)benceno y sus isómeros y (6) éteres o diéteres de alquilo inferior de estos dioles, tales como dimetil o dietil-
dioles.

También se pueden usar comonómeros tri- o polifuncionales, que puedan servir para impartir una estructura ramificada a las moléculas de poliéster. Pueden ser de cualquiera de los tipos de ácido carboxílico, éster, hidroxi o éter. Los ejemplos incluyen, pero no están limitados a, ácido trimelítico y sus ésteres, trimetilolpropano y pentaeritritol.

También son adecuados como comonómeros los monómeros de funcionalidad mixta, incluyendo ácidos hidroxicarboxílicos tales como ácido parahidroxibenzoico y ácido 6-hidroxi-2-naftalenocarboxílico y sus isómeros y comonómeros tri- o polifuncionales de funcionalidad mixta tales como ácido 5-hidroxiisoftálico y similares.

En una realización preferida, el coPET comprende los siguientes comonómeros: 5 a 45% en moles de tereftalato de 1,4-dimetilo, 5 a 45% en moles de 1,2-etanodiol, 5 a 45% en moles de dicarboxilato de 1,4-dimetilciclohexano, 5 a 45% en moles de 1,4-ciclohexanodimetanol, 0,5 a 5% en moles de trimetilolpropano, 0 a 10% en moles de neopentilglicol y 0 a 10% en moles de 2-butil 2-etil 1,3 trimetilolpropanodiol. Los porcentajes en moles (% en moles) están basados en la composición de comonómero total.

También se puede usar poliestireno sindiotáctico (sPS) como el polímero de bajo índice. El sPS orientado uniaxialmente es negativamente birrefringente y presenta un diferencial de índice de refracción de 0,08 a 0,09 para luz visible. A lo largo de la dirección x, el sPS orientado llega a ser el material de índice bajo y se puede usar un material isotrópico adecuado para la capa de alto índice. El índice requerido para el material isotrópico es del orden de 1,62.

Se pueden usar otros materiales poliméricos como primera y segunda capas de material mientras se hayan satisfecho los criterios discutidos en la presente memoria.

Método para preparar película multicapa

La película multicapa se puede preparar usando un procedimiento de coextrusión y orientación después bien en línea o como una operación aparte. La película multicapa contiene típicamente aproximadamente 800 a 1.000 capas de materiales de índice alto y de índice bajo alternos. En resumen, el procedimiento de coextrusión implica las siguientes etapas.

Un primer y segundo extrusor suministran corrientes de masa fundida del primer y segundo material polimérico a un bloque de distribución de capas para coextrusión. En la patente de EE.UU. Nº 3.801.429 se describe un bloque de distribución de capas para coextrusión ejemplar y útil. El bloque de distribución de capas para coextrusión crea capas ópticas del primer material y segundo material alternos. En algunas realizaciones, el bloque de distribución de capas para coextrusión crea capas límite protectoras (PBL, por sus siglas en inglés), que pueden ser del primer material, el segundo material o un tercer material diferente. En general, las PBL actúan protegiendo las capas ópticas ya que la película multicapa se elabora por el bloque de distribución de capas para coextrusión y no actúan como capas ópticas. Las PBL podían proteger tanto las superficies principales de la película multicapa como justo una superficie.

Después de abandonar el bloque de distribución de capas para coextrusión, la corriente de material se hace pasar por un multiplicador. En general, el multiplicador divide la corriente de material en dos corrientes y las recombina apilando una sobre otra. Este procedimiento dobla el número total de capas. En la patente de EE.UU. Nº 5.094.788 y 5.094.793 se describen multiplicadores ejemplares y útiles. Se puede usar más de un multiplicador. El multiplicador puede ser simétrico, queriendo decir que divide la corriente entrante en porciones iguales o asimétrico, queriendo decir que divide la corriente entrante en porciones desiguales. Cada porción se conoce como un paquete de capas. La relación volumétrica de paquetes desiguales se conoce como la relación del multiplicador. El espesor de cada capa en el primer paquete se incrementa en el segundo paquete por esta relación del multiplicador. De esta manera, el intervalo de longitud de onda de la película multicapa se puede extender creando un intervalo más amplio de valores de espesores de capa.

En algunas realizaciones, después del multiplicador, un tercer extrusor añade capas superficiales poliméricas fuera a la corriente de material. Las capas superficiales fuera pueden proporcionar características tales como proteger la película multicapa durante el procedimiento posterior (por ej., posibilidad minimizada de rayado) y ayudar en el procedimiento de estiramiento uniaxial, todo lo cual se describe a continuación. Las capas superficiales podían ser del primer material (alto índice), segundo material (bajo índice), tercer material (PBL) o un polímero diferente. Los polímeros adecuados para capas superficiales incluyen: PET, coPET, polietileno y polipropileno (PP). Las capas superficiales no son capas ópticas. Si se desea y con la selección de materiales adecuados de manera que la capa superficial no se una fuertemente al PBL, las capas superficiales se pueden retirar de la película multicapa final antes del montaje en los prismas.

Después del multiplicador, se hace pasar la corriente de material por una boquilla para película y se dirige la mezcla extruida resultante sobre una mesa giratoria para fundir. Típicamente, la mesa giratoria para fundir se deja enfriar, por ej., con agua fría. Típicamente, se usa un sistema de fijación de alto voltaje para fijar la mezcla extruida en la mesa giratoria para fundir. A medida que la mezcla extruida se enfría en la mesa giratoria para fundir, se forma la película multicapa. La película multicapa resultante contiene al menos capas alternas de primer y segundo material (es decir, las capas ópticas). Opcionalmente, la película multicapa contiene adicionalmente PBL y/o capas superficiales
fuera.

Para obtener una orientación de la banda fundida en la dirección DT que permita la relajación (contracción) en la dirección DM, se deben orientar individualmente pequeños trozos ya que no hay rama tensora comercialmente disponible que permita la contracción de una banda continua en la DM. Los trozos de banda fundida se pueden orientar en una rama tensora comercial o usando orientadores de partes especializados tales como el KARO IV de Bruckner German Technology, Alemania.

Como se indicó anteriormente, las capas superficiales exteriores (referido como "capas exteriores" por conveniencia) pueden proporcionar muchas características, especialmente cuando se usan durante el procedimiento de orientación. Debido al espesor de película añadido que proporcionan las capas exteriores, se incrementa la rigidez a la inclinación de la película. De esta manera, las capas exteriores pueden ayudar a minimizar el arrugamiento durante el procedimiento de estiramiento. Durante el posprocedimiento, por ej., durante el ovillado, en almacenamiento y etapas de conversión futuras, las capas exteriores actúan como una capa protectora.

En algunas realizaciones, las capas exteriores pueden ser responsables de conseguir espesor de película uniforme, que pueda afectar a la realización óptica de la película multicapa. La Fig. 6 ilustra un ejemplo particular, descrito en detalle a continuación en el Ejemplo 2. La gráfica muestra el espesor de película como una función de diversas posiciones a lo largo de la película a lo largo de la dirección de estiramiento (DM) para una película multicapa estirada con capas exteriores (curva A) y sin capas exteriores (curva B). Un valor de cero en el eje de las x indica el centro de la película. La anchura total de la película, en DM, es 10,5 cm para la película de curva B y aproximadamente 9,0 cm para la película de curva A, indicando que ciertos materiales superficiales pueden ayudar a obtener más relajación dimensional en la dirección de no estiramiento.

En una realización preferida, las capas exteriores contienen homopolímeros de polipropileno isotáctico cristalino o más preferiblemente, un copolímero que contiene propileno cristalino. El punto de fusión de la resina de capa superficial es 120º a 160ºC, preferiblemente 120º a 150ºC y más preferiblemente 120º a 140ºC de acuerdo con medición de calorimetría diferencial de barrido (DSC, por sus siglas en inglés). La resina de la capa superficial presenta típicamente un índice de flujo de fusión de 7 a 18 g/10 minutos, preferiblemente 10 a 14 g/10 minutos cuando se mide de acuerdo con ASTM D1238-95 ("Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion Plastometer") a una temperatura de 230ºC y una fuerza de 21,6 N.

El copolímero que contiene propileno cristalino usado en las capas superficiales incluye copolímeros de propileno y etileno o materiales de alfa-olefina que tienen entre 4 y 10 átomos de carbono, de manera que el contenido en propileno del copolímero es mayor que 90% en peso. Los copolímeros de etileno y propileno que tienen un contenido en etileno de 4 a 7% en peso son particularmente preferidos. La terminología "copolímero" incluye no sólo el copolímero, sino también terpolímero y polímeros de cuatro o más polímeros componentes. Preferiblemente, el copolímero es un copolímero aleatorio.

La resina de la capa superficial puede incluir también aditivos y otros componentes como se conoce en la técnica tales como: antioxidantes, estabilizantes, neutralizantes, plastificantes, colorantes, lubricantes, agentes auxiliares de elaboración, agentes de nucleación, agentes estabilizantes a la luz ultravioleta, dispositivo para descargar la electricidad estática y otros modificadores de las propiedades en una cantidad eficaz para cada caso.

Una resina de la capa superficial adecuada es una resina de copolímero aleatorio de etileno y propileno con un índice de flujo de fusión de 11 g/10 minutos y un punto de fusión de 134ºC, comercialmente disponible bajo la denominación del producto 8650 de Atofina Petrochemicals, Inc., Houston, TX.

En algunas realizaciones, el uso de un copolímero que contenga propileno en las capas superficiales puede ser responsable de conseguir una película con baja turbidez, cuando se mide de acuerdo con ASTM D1003 ("Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics"). Después del procedimiento de estiramiento, se retiran las capas superficiales y los valores de turbidez son preferiblemente menores que 5%.

En una realización preferida, las capas exteriores se retiran de la película multicapa antes de que se monten en el PBS. Retirando las capas exteriores, el espesor de la película final se reduce, minimizando de ese modo el astigmatismo no deseable. La Fig. 4b muestra el desplazamiento del rayo 30b entrante a medida que se desplaza por el PBS. A medida que disminuye el espesor de la película, el desplazamiento también disminuye minimizando de ese modo el astigmatismo.

Montaje de PBS

Una vez fabricada, la película multicapa se puede embutir en los prismas de alto índice de refracción para producir un PBS, como se describe generalmente en el siguiente método.

Se dispensa una primera cantidad de adhesivo y se distribuye uniformemente a un primer lado de la película multicapa mientras típicamente un soporte de mantenimiento a vacío soporta la película. Se puede usar cualquier adhesivo mientras su índice de refracción se encuentre tan próximo como sea posible al de la película multicapa en la dirección de la máquina (la transmisión o y dirección). La reflexión desde la interfase entre la hipotenusa del prisma y el adhesivo se puede suprimir por el uso de un recubrimiento antireflectante, pero la reflexión desde la interfase entre el adhesivo y la película no se puede controlar de esta manera debido a la dificultad de aplicar dicho recubrimiento a la película polimérica. Por esta razón, la diferencia de índice entre la película y el adhesivo debería ser menor que 0,05 y preferiblemente menor que 0,02. Se pueden añadir fotoiniciadores al adhesivo haciéndolo curable a la luz. Con el adhesivo expuesto, se dispone el primer prisma en los mismos de manera que se consiga un espesor de adhesivo tan uniforme como sea posible. Dispensar un volumen controlado de adhesivo en un patrón y usar una cantidad controlada de fuerza para colocar el prisma sobre la película puede conseguir espesor de adhesivo uniforme. El adhesivo, cuando está húmedo, tiene un espesor de 0,01 a 0,1 mm, preferiblemente aproximadamente 0,05 mm. El adhesivo se cura asegurando el primer lado de la película multicapa al primer prisma. Si se habían añadido fotoiniciadores al adhesivo, las fuentes de luz usadas para curar el adhesivo se colocan paralelas a los lados expuestos de los prismas, es decir, a 45º a la película. Se dispensa una segunda cantidad de adhesivo y se distribuye uniformemente sobre un segundo lado (ahora expuesto) de la película multicapa. El segundo prisma está dispuesto en la misma de manera que de nuevo, haya espesor de adhesivo uniforme. La segunda porción de adhesivo se cura después para terminar el montaje del PBS. En una realización preferida, la película multicapa es ligeramente más larga en longitud que las hipotenusas de los prismas. También se prefiere montar el PBS en un entorno equipado con filtración de aire particulado de alta eficacia (HEPA, por sus siglas en inglés). Un experto en la materia puede idear un procedimiento automatizado para llevar a cabo este procedimiento de montaje.

En una realización preferida, el adhesivo comprende 98 partes en peso de fotopolímero líquido, comercialmente disponible como producto número NOA61 (de Norland Company, Cranbury, Nueva Jersey) y 2 partes en peso de iniciador de óxido de fosfina, comercialmente disponible como LUCRIN TPO-L (de BASF). Con dicho adhesivo, las lámparas que emiten luces de aproximadamente 400 nm se colocan en los lados expuestos de los prismas. A un espesor húmedo de 0,05 mm, el tiempo de curado es I a 2 minutos. Después de que esté montado el PBS completo, si se desea, se puede curar con posterioridad en una atmósfera de nitrógeno usando lámparas de halógeno durante un periodo de tiempo, por ej., 10 minutos. El PBS se puede colocar en una estufa de aire forzado a 45ºC, durante 12 horas, para incrementar la adhesión entre la película multicapa y los prismas.

Si se desea, la superficie del prisma en que se tiene que laminar la película (típicamente la hipotenusa) se modifica superficialmente para incrementar la adhesión. Las modificaciones de superficie ejemplares incluyen tratamiento corona (con aire, nitrógeno u otros gases apropiados) y tratamiento de plasma. Si se desea, al menos una de las superficies del prisma puede estar recubierta de antireflectante.

Un medio de unión de adhesivo como se describió anteriormente es un medio de unión ejemplar. Son posibles otros medios de unión.

Aplicaciones

El divisor del haz de polarización inventivo encuentra utilidad como componente en un sistema óptico de formación de imágenes. La terminología "sistema óptico de formación de imágenes" incluye sistemas de proyección frontal y posterior, pantallas de proyección, visualizadores en forma de visor, visualizadores virtuales, presentaciones visuales de cabeza levantada, informática óptica, correlación óptica y otros similares de visualización y de presentación, ópticos, similares.

La Fig. 5 ilustra un sistema (40) de presentación óptica o de formación de imágenes que incluye una fuente (52) de luz que proporciona un haz (54) de luz. La fuente (52) de luz incluye una lámpara (51) y un reflector (53). El haz (54) de luz se hace pasar por la óptica (62) de iluminación que puede polarizar previamente la luz. El haz (54) de luz después choca con el PBS (50), que incluye la película (64) multicapa birrefringente embutida en dos prismas (66) y (68) que forman el cubo (50). La película (64) está orientada de manera que refleje luz polarizada s. El haz (70) polarizado se dirige hacia un prisma (56) divisor/combinador de color que divide el haz (70) polarizado en tres subhaces (72), (74), y (76). Los tres subhaces (72), (74), y (76) se reflejan y se modulan a los imager (82), (84), y (86) reflectantes del rojo, verde y azul, respectivamente. Un controlador, no mostrado, puede estar acoplado a los imager (82), (84), y (86), para controlar su funcionamiento. Típicamente, el controlador activa diferentes píxel de los imager para crear una imagen en la luz reflejada. Los subhaces reflejados y modulados se recombinan por el combinador (56) en haces (90) combinados. Los componentes modulados de los haces (90) combinados se hacen pasar por PBS (50) y se proyectan como una imagen por la lente (92) de proyección. La pantalla (40) óptica se puede usar para fabricar un sistema de proyección frontal o posterior compacto.

La óptica (62) condicionadora cambia las características de la luz emitida por la fuente (52) a las características que se desean por el sistema de proyección. Por ejemplo, la óptica (62) condicionadora puede modificar la divergencia de la luz, el estado de polarización de la luz y el espectro de la luz. La óptica (62) condicionadora puede incluir por ejemplo, una o más lentes, un convertidor de polarización, un prepolarizador y/o un filtro para retirar luz ultravioleta o infrarroja no deseada. En algunas realizaciones, la óptica (62) condicionadora puede tener un número f bajo, por ejemplo igual a o menor que 2,5, para usar una fracción grande de la luz de la fuente (52) de luz.

Otra realización de un sistema (200) de proyección se ilustra en la Fig. 7. El sistema usa una fuente (210) de luz tal como una lámpara (211) de arco con un reflector (213) curvado que dirige la luz hacia la óptica (215) de iluminación. En la realización ilustrada, la óptica (215) condicionadora incluye una lente (217) colimadora, una primera disposición (219) de lentillas, una segunda disposición (221) de lentillas y una lente (227) de condensación. Entre la segunda disposición (221) de lentillas y la lente (227) de condensación, la óptica (215) condicionadora puede incluir un convertidor (223) de polarización opcional, por ejemplo del diseño del tipo Gefflccken. Dependiendo de la eficacia de conversión del convertidor (223) de polarización, puede ser ventajoso incluir un prepolarizador (225) opcional siguiendo al convertidor (223) de polarización. El par de disposiciones (219) y (221) de lentillas recibe luz colimada nominalmente desde la lente (217) colimadora. El convertidor (223) de polarización y el prepolarizador (225) polarizan la luz incidente en el PBS (250) en el estado de polarización deseado. Se apreciará que la óptica de iluminación puede incluir más o menos componentes ópticos que los descritos para esta realización particular. Las disposiciones (219) y (221) de lentillas y la lente (227) de condensación conforman y homogeneizan la luz para iluminar los imager (226), (228) y (230) reflectantes uniformemente. El PBS (250) redirige la luz polarizada s hacia los tres imager (226), (228) y (230) reflectantes.

En un sistema imager múltiple, un prisma (236) de color separa la luz en bandas de color separadas asociadas con cada imager. Para la configuración de tres imager ilustrada, el prisma (236) de color separa típicamente la luz en bandas de colores primarios: rojo, verde y azul. Las lentes que intervienen tales como los objetivos (238), (240) y (242), se pueden insertar entre cada imager y el prisma (236) de color para optimizar además la respuesta óptica del sistema. Los imager (226), (228) y (230) modulan el estado de polarización de la luz en la reflexión a diversos grados, dependiendo de la información de la imagen particular. El prisma (236) de color recombina después las imágenes del rojo, el verde y el azul y hace pasar la luz de la imagen combinada al PBS (250), que analiza el estado de polarización de la imagen haciendo pasar sólo sustancialmente luz polarizada p. La luz polarizada s se vuelve a redirigir a la fuente (212) de luz. La luz que se hace pasar por el PBS (250) se recoge por el sistema (234) de lentes de proyección y se puede enfocar con posterioridad en una pantalla (no mostrado) para visualización. Se puede insertar un pospolarizador (244) opcional entre el PBS (250) y el sistema (234) de lentes de proyección. Se apreciará que se pueden usar otras configuraciones ópticas con los imager múltiples.

Ejemplos

Los siguientes ejemplos se proporcionan para ilustrar diferentes realizaciones y detalles de la invención. Aunque los ejemplos sirven este propósito, los ingredientes y las cantidades particulares usadas así como otras condiciones y detalles no se tienen que interpretar de manera que limiten excesivamente el alcance de esta invención. A menos que se especifique de otro modo, todos los porcentajes son en porcentaje en peso.

Determinación de la Temperatura de Transición Vítrea (T_{g})

Cuando sea aplicable en los ejemplos preparatorios a continuación, la T_{g} se midió por DSC de acuerdo con ASTM D3418 con una velocidad de barrido de 20ºC/minuto y eliminación de la historia térmica tomando la segunda T_{g} de calor.

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TABLA 1 Abreviaturas

Abreviatura Química	Descripción Química
BEPD	2-butil 2-etil 1,3-propanodiol
CHDM	1,4-ciclohexanodimetanol
DMCD	dicarboxilato de 1,4-dimetilciclohexano
DMT	tereftalato de 1,4-dimetilo
EG	1,2-etanodiol
NPG	neopentilglicol
TMP	trimetilolpropano
PCTG	poli(tereftalato de etilenciclohexanodimetanol)

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Ejemplo Preparatorio 1

Este ejemplo describe la síntesis de un copoliéster, convenientemente etiquetado como coPET-A, para uso como la capa de índice bajo en la película multicapa. Los componentes enumerados en la Tabla 2 se cargaron en un reactor discontinuo. A la presión de 0,20 MPa, esta mezcla se calentó a 254ºC mientras se retiraba metanol. Después de retirar 45,5 kg de metanol, se cargaron 52 g de fosfonoacetato de trietilo al reactor y después se redujo gradualmente la presión a 133 Pa mientras se calentaba a 285ºC.

El subproducto de la reacción de condensación, etilenglicol, se retiró continuamente hasta que se produjo un polímero con una viscosidad intrínseca de 0,84 dl/g, cuando se mide en fenol/o-diclorobenceno al 60/40% en peso. La estructura química a continuación es descriptiva de coPET-A.

1

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Ejemplo Preparatorio 2

Este ejemplo describe la síntesis de un copoliéster, convenientemente etiquetado como coPET-C, para uso como la capa de índice bajo en la película multicapa. Los componentes enumerados en la Tabla 2 se cargaron en un reactor discontinuo. A la presión de 0,20 MPa, esta mezcla se calentó a 254ºC mientras se retiraba metanol. Después de retirar 4,1 kg de metanol, se cargaron 52 g de fosfonoacetato de trietilo al reactor y después se redujo gradualmente la presión a 133 Pa mientras se calentaba a 285ºC.

El subproducto de la reacción de condensación, etilenglicol, se retiró continuamente hasta que se produjo un
polímero con una viscosidad intrínseca de 0,82 dl/g, cuando se mide en fenol/o-diclorobenceno al 60/40% en
peso.

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Ejemplo Preparatorio 3

Este ejemplo describe la síntesis de un copoliéster, convenientemente etiquetado como coPET-D, para uso como la capa de índice bajo en la película multicapa. Los componentes enumerados en la Tabla 2 se cargaron en un reactor discontinuo. A la presión de 0,20 MPa, esta mezcla se calentó a 254ºC mientras se retiraba metanol. Después de retirar 35,4 kg de metanol, se cargaron 57 g de fosfonoacetato de trietilo al reactor y después se redujo gradualmente la presión a 133 Pa mientras se calentaba a 285ºC.

El subproducto de la reacción de condensación, etilenglicol, se retiró continuamente hasta que se produjo un
polímero con una viscosidad intrínseca de 0,82 dl/g, cuando se mide en fenol/o-diclorobenceno al 60/40% en
peso.

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Ejemplo Preparatorio 4

Este ejemplo describe la síntesis de un copoliéster, convenientemente etiquetado como coPET-E, para uso como la capa de índice bajo en la película multicapa. Los componentes enumerados en la Tabla 2 se cargaron en un reactor discontinuo. A la presión de 0,20 MPa, esta mezcla se calentó a 254ºC mientras se retiraba metanol. Después de retirar 33,2 kg de metanol, se cargaron 38 g de fosfonoacetato de trietilo al reactor y después se redujo gradualmente la presión a 133 Pa mientras se calentaba a 285ºC.

El subproducto de la reacción de condensación, etilenglicol, se retiró continuamente hasta que se produjo un
polímero con una viscosidad intrínseca de 0,81 dl/g, cuando se mide en fenol/o-diclorobenceno al 60/40% en
peso.

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Ejemplo Preparatorio 5

Un coPET, convenientemente etiquetado como coPET-B, se preparó usando una mezcla de coPET A y PCTG al 50/50 en peso. Los datos de RMN y T_{g} no estuvieron disponibles para este ejemplo.

TABLA 2 Componentes para los Ejemplos Preparatorios Seleccionados de coPET

2

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Los ejemplos de coPET anteriores se ensayaron en una estufa de convección de aire forzado a diversas temperaturas para determinar el nivel de turbidez, si lo había, debido a cristalinidad. Cada muestra se ensayó durante 100 horas. El nivel de turbidez se determinó visualmente, significando "ninguna" mayor que transmisión de luz incidente del 90%, indicando turbidez muy baja o cerca de cero, significando "baja" mayor que transmisión del 75%, indicando turbidez baja, significando "media" mayor que transmisión del 50%, indicando turbidez media y significando "alta" menor que transmisión del 25%, indicando turbidez alta. Todos los porcentajes fueron cualitativos. Después de ensayar, se comparó cada muestra con una muestra de control, es decir, una muestra que no se había expuesto en la estufa, para la determinación cualitativa de la cantidad de turbidez. Los datos de turbidez se muestran en la Tabla 3 a continuación.

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TABLA 3 Nivel de turbidez debido a cristalinidad desarrollada después de 100 horas a las siguientes temperaturas

Muestra de CoPET	80ºC	90ºC	100ºC	110ºC	120ºC
CoPET-A	ninguna	ninguna	baja	baja	baja
CoPET-B	ninguna	baja	media	alta	alta

TABLA 3 (continuación)

Muestra de CoPET	80ºC	90ºC	100ºC	110ºC	120ºC
CoPET-C	ninguna	baja	media	alta	alta
CoPET-D	ninguna	ninguna	ninguna	baja	baja
CoPET-E	ninguna	ninguna	ninguna	ninguna	ninguna

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Ejemplo 1

Se preparó una película multicapa que contenía 896 capas vía un procedimiento de coextrusión y orientación donde PET fue el primer material de índice de refracción alto y coPET fue el segundo material de índice de refracción bajo. Se usó un método para bloque de distribución de capas para coextrusión (tal como el descrito por la patente de EE.UU. 3.801.429) para generar aproximadamente 224 capas con un intervalo de espesor de capas suficiente para producir una banda de reflexión óptica con un ancho de banda parcial de 30%. Se produjo un gradiente lineal aproximado en el espesor de la capa por el bloque de distribución de capas para coextrusión para cada material siendo la relación de capas más gruesas a más finas 1,30.

Se suministró PET con una viscosidad intrínseca (VI) de 0,74 dl/g al bloque de distribución de capas para coextrusión por un extrusor a un régimen de 56,8 kg/h y se suministró coPET-B (como se describe en el Ejemplo Preparatorio 5 anterior) por otro extrusor al mismo régimen.

Estas corrientes de masa fundida se dirigieron al bloque de distribución de capas para coextrusión para crear 224 capas alternas de PET y coPET-B sirviendo las dos capas exteriores de coPET-B como las PBL por el bloque de distribución de capas para coextrusión. Las PBL fueron mucho más espesas que las capas ópticas, conteniendo las primeras aproximadamente 20% del caudal de masa fundida total del coPET-B (10% para cada lado).

La corriente de material se hizo pasar después por un multiplicador dos veces asimétrico (como se describe en la patente de EE.UU. 5.094.788 y 5.094.793). La relación de espesor del multiplicador fue aproximadamente 1,25:1. Cada serie de 224 capas tenía el perfil de espesor de capa aproximado creado por el bloque de distribución de capas para coextrusión, con factores de escala de espesor total determinados por el multiplicador y los regímenes de extrusión de película. Se hizo pasar después la corriente de material por un segundo multiplicador dos veces asimétrico con una relación del multiplicador de aproximadamente 1,55:1.

Después de los multiplicadores, se añadieron capas superficiales exteriores de polipropileno (PP) (Atofina Petrochemicals, Inc., producto nº. 8.650) a la corriente de masa fundida. El PP se alimentó a un tercer extrusor a un régimen de 28,6 kg/hora. Después la corriente de material se hizo pasar por una boquilla de película y en una mesa giratoria para fundir enfriada por agua. La temperatura del agua de entrada en la mesa giratoria para fundir fue 8ºC. Se usó un sistema de fijación de alto voltaje para fijar la mezcla extruida a la mesa giratoria para fundir. El hilo de fijación tenía aproximadamente 0,10 mm de espesor y se aplicó un voltaje de aproximadamente 6,4 kV. El hilo de fijación se colocó manualmente por un operador 3 a 5 mm desde la banda en el punto de contacto con la mesa giratoria para fundir para obtener un aspecto liso para la película multicapa resultante. La velocidad de la mesa giratoria para fundir se ajustó para el control preciso del espesor final de la película.

El extrusor de PP y el equipo del procedimiento de fusión asociado se mantuvieron a 254ºC. Los extrusores de PET y coPET-B, el bloque de distribución de capas para coextrusión, los módulos de capas superficiales, multiplicador, boquilla y equipo del procedimiento de fusión asociado se mantuvieron a 266ºC.

Una muestra de 7 pulgadas por 10 pulgadas (17,8 x 25,4 cm) de la película multicapa se alimentó en una rama tensora de películas clásica para estiramiento uniaxial. El trozo de banda fundida se sujetó por las abrazaderas de la rama tensora en los bordes como para películas orientadas continuamente. La película cerca de las abrazaderas no se pudo contraer en la DM debido a que el espaciamiento entre las abrazaderas de la rama tensora era fijo, sino debido a que la banda no estaba restringida en los bordes anterior y posterior, se contrajo en la DM, siendo la contracción mayor cuanto mayor la distancia desde las abrazaderas. Con relaciones entre dimensiones suficientemente grandes, el centro de la muestra fue capaz de contraerse completamente para una verdadera orientación uniaxial, es decir, en el caso de que la contracción fuera igual a la raíz cuadrada de la relación de estiramiento DT.

La muestra se estiró en la DT con una distancia de las abrazaderas inicial de 8 pulgadas (20,3 cm) a una distancia de las abrazaderas final de 56 pulgadas (142 cm) después se permitió que se relajara, a la temperatura de estiramiento, a 51 pulgadas (129,5 cm). El estiramiento se hizo a una temperatura de la rama tensora de 98,9ºC a una relación de estiramiento de 6:1 y un régimen de estiramiento de 5 cm/s. El tamaño de la parte inicial y final no fue el mismo que la relación de estiramiento (6:1) debido al material no estirado dentro de las abrazaderas.

La película multicapa orientada uniaxialmente se cortó en una parte de 39 mm por 58 mm. Esta parte se laminó entre dos prismas de vidrio de 45º de índice de refracción 1,85 de manera que la película estuviera a lo largo de la hipotenusa. Cada prisma tenía dos bases de 40 mm con una hipotenusa de 57 mm. Todas las superficies expuestas de los prismas se recubrieron previamente con un recubrimiento antireflectante.

Para obtener valores experimentales para la extinción del PBS, se laminó la película con sólo un componente de una resina epoxídica de dos componentes de manera que el enlace no fuera permanente, para permitir la reutilización de los prismas.

El PBS resultante se midió en un espectrofotómetro Perkin Elmer Lambda-19 (disponible en Perkin Elmer Instruments, Norwalk, CT) con la cara del cubo orientada a -10º al haz de luz incidente. El ángulo negativo se refería a ángulos de incidencia menores que 45 grados a la película en el cubo. Para un cubo de índice 1,85, -10º correspondía a un ángulo de incidencia de 39,6º en la película. El haz del espectrofotómetro se polarizó con un polarizador Glan-Thompson, orientado de manera que la luz polarizada s fuera incidente en la película en el cubo. La medición generó un espectro de extinción o densidad óptica del PBS (-log_{10} de la transmisión), como se muestra en el Gráfico 1. La extinción media fue aproximadamente 3,0, correspondiendo a un contraste de 1.000:1. El espectro de extinción se representó gráficamente en el mismo gráfico, de una película sola en aire a incidencia normal. El Gráfico 1 mostró un incremento significativo en la extinción para la película medida en aire cuando se compara con la extinción obtenida a un ángulo relativamente bajo en el PBS. Para luz incidente a -13º a la cara del PBS o 38º a la película multicapa, el contraste disminuyó pero aún estuvo por encima de 300:I. Para incidencia normal y ángulos de incidencia positivos en la cara de PBS, la reflectividad de la película es teóricamente mayor pero no se midió incremento significativo en el instrumento Lambda-19. Este resultado puede ser debido al nivel residual de luz dispersada de la película de PBS o del nivel de ruido del espectrofotómetro. En el Gráfico 1 a continuación, "pol-s" quiere decir polarizado s.

La turbidez medida de la película después de la eliminación de las capas exteriores fue sólo 1,4%, comparado con aproximadamente 15% en el ejemplo 2 a continuación. Las capas exteriores usadas en este ejemplo presentan una baja temperatura de fusión (134 ºC, comparado con la temperatura de fusión de las capas exteriores del ejemplo 2. La turbidez se midió con el instrumento Haze-Gard Plus de BYK-Gardner, Columbia, DM.

GRÁFICO 1

3

El encogimiento fue del 0,13% después de 15 minutos a 85ºC.

Ejemplo 2

Este ejemplo ejemplifica una película multicapa de coPEN/PETG 90/10 con y sin capas exteriores de PP. La Fig. 6 muestra algunas de las ventajas de usar capas superficiales durante la orientación uniaxial.

Se preparó un PBS de acuerdo con el Ejemplo 1 excepto por los siguientes cambios. En la película multicapa, el material de índice de refracción alto fue un copolímero de poli(naptalato de etileno) y PET en una relación en peso de 90 a 10 respectivamente (referido como coPEN 90/10 por conveniencia) y el material de índice bajo fue PETG poli(tereftalato de etilenciclohexanodimetanol) comercialmente disponible en Eastman Chemicals Company.

El coPEN 90/10 se suministró al bloque de distribución de capas para coextrusión por un extrusor a un régimen de 39 kg/h y el PETG se suministró por otro extrusor a un régimen de 63 kg/h. Estas corrientes de masa fundida se dirigieron al bloque de distribución de capas para coextrusión para crear las capas ópticas de coPEN y PETG sirviendo las dos capas exteriores de PETG como las PBL por el bloque de distribución de capas para coextrusión.

Después de los multiplicadores, se añadieron capas superficiales exteriores de PP (Atofina Petrochemicals Inc., producto nº. 3.652) usando un tercer extrusor a un régimen de 45,5 kg/h.

El equipo del procedimiento de fusión se mantuvo a 266ºC.

La banda fundida multicapa que contenía las capas ópticas y PETG PBL tenía 0,32 mm de espesor (sin capa exterior). Las capas exteriores tenían 0,038 mm en cada lado. Las bandas fundidas multicapa con capas exteriores y sin capas exteriores se cortaron en muestras de 10 pulgadas por 10 pulgadas (25,4 cm x 25,4 cm) y se orientaron en una rama tensora a 138ºC con una relación de estiramiento de 6 a 1. El efecto de las capas superficiales en la relajación DM se ilustra por los gráficos en la Fig. 6. Una muestra de 10 por 10 pulgadas (25,4 cm x 25,4 cm) estirada con las capas exteriores de propileno presentó un espesor de película más uniforme y una dimensión final DM que era menor que el de las muestras del mismo tamaño de partida pero estiradas sin capas exteriores. La contracción incrementada proporciona una diferencia menor entre n_{y} y n_{z} en las capas birrefringentes.

También se cortaron muestras a 17,8 x 25,4 cm (7 por 10 pulgadas) y se alimentaron en la rama tensora con los 17,8 cm (7 pulgadas) en la dirección DM. Las muestras sin capas exteriores de PP se arrugaron con pocas excepciones, mientras las que tenían capas superficiales de PP produjeron muestras de película plana. Después de la eliminación de las capas exteriores después de estiramiento, la turbidez medida de la película fue aproximadamente 15%, medido con el Haze-Gard Plus. Se cree que la mayor parte de esta turbidez se debe a la rugosidad superficial impartida por las capas exteriores y se puede reducir enormemente vía la igualación del índice de las PBL externas de la película y el adhesivo usado para laminar la película a los prismas. Para la misma igualación del índice, sin embargo, se puede obtener una turbidez mucho menor usando el material superficial del ejemplo 1.

El encogimiento fue 0,13% después de 15 minutos a 85ºC.

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Ejemplo 3

Una película multicapa que contenía 896 capas se preparó vía un procedimiento de coextrusión y orientación en que el resultado transesterificado de la extrusión in situ de la alimentación de una mezcla de PEN al 20% en moles y PET al 80% en moles fue el primer material de alto índice de refracción y coPET B fue el segundo material de índice bajo. Se usó un método para el bloque de distribución de capas para coextrusión (tal como el descrito por la patente de EE.UU. 3.801.429) para generar aproximadamente 224 capas con un intervalo de espesor de capa suficiente para producir una banda de reflexión óptica con un ancho de banda parcial de 30%. Un gradiente lineal aproximado en espesor de capa se produjo por el bloque de distribución de capas para coextrusión para cada material siendo la relación de las capas más espesas a las más finas 1,30.

Se alimentó PET con una viscosidad intrínseca inicial (VI) de 0,74 dl/g, a un extrusor al régimen de 43,1 kg/h y se alimentó simultáneamente PEN con una viscosidad intrínseca inicial de 0,50 dl/g en el mismo extrusor al régimen de 13,7 kg/h. La mezcla contracción de PET y PEN se suministró al bloque de distribución de capas para coextrusión por este extrusor a un régimen combinado de 56,8 kg/h y se suministró coPET-B (como se describió en el Ejemplo Preparatorio 5 anteriormente) por otro extrusor a 56,8 kg/h.

Estas corrientes de masa fundida se dirigieron al bloque de distribución de capas para coextrusión para crear 224 capas alternas de una mezcla transesterificada de PET y PEN y coPET-B sirviendo las dos capas exteriores de coPET-B como las PBL por el bloque de distribución de capas para coextrusión. Las PBL fueron mucho más espesas que las capas ópticas, conteniendo las primeras aproximadamente 20% del caudal total de masa fundida del coPET-B (10% para cada lado).

La corriente de material se hizo pasar después por un multiplicador dos veces asimétrico (como se describe en la patente de EE.UU. 5.094.788 y 5.094.793). La relación de espesor del multiplicador fue aproximadamente 1,25:1. Cada serie de 224 capas tenía el perfil de espesores de capa aproximado creado por el bloque de distribución de capas para coextrusión, con factores de escala de espesores totales determinados por el multiplicador y los regímenes de extrusión de película. La corriente de material se hizo pasar después por un segundo multiplicador dos veces asimétrico con una relación del multiplicador de aproximadamente 1,55:1.

Después de los multiplicadores, se añadieron capas superficiales externas de polipropileno (PP) (Atofina Petrochemicals, Inc., producto nº. 3.652) a la corriente de masa fundida. El PP se alimentó a un tercer extrusor a un régimen de 28,6 kg/hora. Después la corriente de material se hizo pasar por una boquilla para película y en una mesa giratoria para fundir enfriada por agua. La temperatura del agua de entrada en la mesa giratoria para fundir fue 8ºC. Se usó un sistema de fijación de alto voltaje para fijar la mezcla extruida a la mesa giratoria para fundir. El hilo de fijación tenía aproximadamente 0,10 mm de espesor y se aplicó un voltaje de aproximadamente 6,4 kV. El hilo de fijación se colocó manualmente por un operador 3 a 5 mm desde la banda al punto de contacto a la mesa giratoria para fundir para obtener un aspecto liso para la película multicapa resultante. La velocidad de la mesa giratoria para fundir se ajustó para el control preciso del espesor final de la película.

El extrusor de PP y el equipo del procedimiento de fusión asociado se mantuvieron a 254ºC. Los extrusores de PET/PEN y coPET-B, el bloque de distribución de capas para coextrusión, los módulos de capas superficiales, multiplicador, boquilla y equipo del procedimiento de fusión asociado se mantuvieron a 266ºC.

Una muestra de 7 pulgadas por 10 pulgadas (17,8 x 25,4 cm) de la película multicapa se alimentó en una rama tensora de película clásica para estiramiento uniaxial. El trozo de banda fundida se sujetó por las abrazaderas de la rama tensora en los bordes como para películas orientadas continuamente. La película cerca de las abrazaderas no se podía contraer en la DM debido a que el espaciamiento entre las abrazaderas de la rama tensora era fijo, sino debido a que la banda no estaba restringida en los bordes anterior y posterior, se contrajo en la DM, siendo la contracción más grande cuanto mayor la distancia desde las abrazaderas. Con relaciones entre dimensiones suficientemente grandes, el centro de la muestra fue capaz de contraerse completamente para una verdadera orientación uniaxial, es decir, en el caso de que la contracción fuera igual a la raíz cuadrada de la relación de estiramiento DT.

La muestra se estiró en la DT con una distancia de las abrazaderas inicial de 8 pulgadas (20,3 cm) a una distancia de las abrazaderas final de 56 pulgadas (142 cm) después se permitió que se relajara, a la temperatura de estiramiento, a 51 pulgadas (129,5 cm). El estiramiento se hizo a una temperatura de la rama tensora de 102,8ºC a una relación de estiramiento nominal de 6:1 y un régimen de estiramiento de 5 cm/s. La relación de estirado final fue aproximadamente 6,3 en la porción central de la parte debido al ligeramente menor estiramiento cerca de las abrazaderas, enfriadas activamente a 52ºC.

La película multicapa orientada uniaxialmente se cortó en una parte de 39 mm por 58 mm. Esta parte se laminó entre dos prismas de vidrio de 45º de índice de refracción 1,85 de manera que la película estuviera a lo largo de la hipotenusa. Cada prisma tenía dos bases de 40 mm con una hipotenusa de 57 mm. Todas las superficies expuestas de los prismas se recubrieron previamente con un recubrimiento antireflectante.

La realización óptica fue similar a la de la película del ejemplo 1. El encogimiento fue 0,13% después de 15 minutos a 85ºC.

Claims (20)

1. Un divisor del haz de polarización que comprende:

(a)

una película (10) birrefringente con un eje de paso, comprendiendo la película (10) birrefringente multicapas de al menos una primera capa (12) de material y una segunda capa (14) de material, teniendo cada capa de material un primer borde de absorción menor que 380 nm y un segundo borde de absorción mayor que 720 nm, estando definido el borde de absorción a la longitud de onda a que la transmisión, en aire a incidencia normal, es 10% para una película de 0,1 mm de espesor, en el que al menos una de las capas (12,14) de material es isotrópica y

(b)

al menos un prisma (22,24) con un índice de refracción mayor que 1,6,

2. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, que comprende un primer prisma (22) de ángulo recto y un segundo prisma (24) de ángulo recto, en el que el primer prisma (22) de ángulo recto y el segundo prisma (24) de ángulo recto, se colocan de manera que se forme sustancialmente un cubo, y en el que además la película (10) birrefringente se coloca entre el primer prisma (22) de ángulo recto y el segundo prisma (24) de ángulo recto de manera que esté a lo largo de la diagonal del cubo.

3. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, en el que el prisma (22,24) es vidrio, polímero o cerámica

4. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, en el que la primera capa de material es un polímero (12) seleccionado de un grupo que consiste en poli(tereftalato de etileno) y un copolímero transesterificado de poli(tereftalato de etileno) y poli(naptalato de etileno).

5. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 4, en el que el copolímero transesterificado de poli(tereftalato de etileno) y poli(naptalato de etileno) contiene menos del 50% en moles de poli(naptalato de etileno), basado en el primer material total.

6. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, en el que el segundo material (14) se selecciona de un grupo que consiste en copoliéster y poliestireno sindiotáctico.

7. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 6, en el que el copoliéster comprende: tereftalato de 1,4-dimetilo, 1,2-etanodiol, dicarboxilato de 1,4-dimetilciclohexano, 1,4-ciclohexanodimetanol y trimetilolpropano.

8. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 7, en el que el copoliéster comprende además neopentilglicol y 2-butil 2-etil 1,3-propanodiol.

9. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 8, en el que el copoliéster comprende aproximadamente 5 a 45% en moles de tereftalato de 1,4-dimetilo, aproximadamente 5 a 45% en moles de 1,2-etanodiol, aproximadamente 5 a 45% en moles de dicarboxilato de 1,4-dimetilciclohexano, aproximadamente 5 a 45% en moles de 1,4-ciclohexanodimetanol, aproximadamente 0,5 a 5% en moles de trimetilolpropano, aproximadamente 0 a 10% en moles de neopentilglicol y aproximadamente 0 a 10% en moles de 2-butil 2-etil 1,3-propanodiol.

10. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 7, que comprende además poli(tereftalato de etilenciclohexanodimetanol).

11. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, con una relación de contraste mayor que aproximadamente 300 a 1.

12. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, con una relación de contraste mayor que 1.000 a 1.

13. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, que comprende además un medio de unión dispuesto entre el prisma (22,24) y la película (10) birrefringente.

14. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 13, en el que el medio de unión es un adhesivo con un índice de refracción dentro de 0,05 unidades del de la película en la dirección de transmisión de la luz.

15. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 13, en el que el medio de unión es un adhesivo con un índice de refracción dentro de 0,02 unidades del de la película en la dirección de transmisión de la luz.

16. El divisor del haz de polarización según la reivindicación 1, en el que al menos una de las capas (12,14) de material presenta birrefringencia.

17. Un dispositivo óptico, que comprende:

(a)

el divisor (50) del haz de polarización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, definiéndose un primer trayecto por el divisor (50) del haz de polarización para luz en un primer estado de polarización y

(b)

al menos un imager dispuesto para reflejar luz de vuelta al divisor (50) del haz de polarización, porciones de luz recibidas por al menos un imager que se rotan por polarización, luz rotada por polarización que se propaga a lo largo de un segundo trayecto desde el imager y por el divisor del haz de polarización.

18. El dispositivo óptico según la reivindicación 17, que comprende además una fuente (52) de luz para generar la luz y la óptica condicionadora de la luz para condicionar la luz antes de alcanzar el divisor del haz de polarización.

19. El dispositivo óptico según la reivindicación 17, que comprende además un sistema de lentes de proyección para proyectar luz de imagen desde al menos un imager.

20. Un sistema (200) de proyección, que comprende:

(a)

una fuente (210) de luz para generar luz;

(b)

óptica (215) condicionadora para condicionar la luz desde la fuente (210) de luz;

(c)

un núcleo de formación de imágenes para imponer en la imagen en la luz condicionada desde la óptica (215) condicionadora para formar luz de imagen, incluyendo el núcleo de formación de imagen el divisor (250) del haz de polarización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 y al menos un imager y

(d)

un sistema (234) de lentes de proyección para proyectar la luz de imagen desde el núcleo de formación de imágenes.