TWI570447B - 廣角鏡系統 - Google Patents

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TWI570447B
TWI570447B TW096111429A TW96111429A TWI570447B TW I570447 B TWI570447 B TW I570447B TW 096111429 A TW096111429 A TW 096111429A TW 96111429 A TW96111429 A TW 96111429A TW I570447 B TWI570447 B TW I570447B
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法蘭西斯 瑋伯 麥克
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３Ｍ新設資產公司
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Description

廣角鏡系統
本發明係關於鏡系統，且係關於使用薄膜干涉堆疊之鏡系統。
許多需要高反射率鏡之光學產品及設備為高反射率目的而使用薄膜干涉堆疊。此等堆疊可節省製造成本，且可經設計以提供在一所要的波長帶(諸如人可見波長光譜或指定光源之輸出光譜或指定偵測器之敏感光譜)上之高反射率。該等堆疊亦可提供在入射光之角度範圍上之反射率。通常可在一特定波長下或甚至在關注之整個波長範圍上(對於法向入射光及對於中等入射角)達成極佳之反射率。此效能通常較佳適用於意欲之最終使用應用。
然而，若應用或系統亦需要在極限入射角下之高反射率，則此堆疊可能無法提供該效能。在一特定波長下之干涉堆疊之反射率可歸因於以下兩個因素而在此等極限角下降級：(1)堆疊中之相鄰微層之間的每一介電質/介電質界面之反射率(對於光之p偏振分量)隨漸增之入射角而減少至布魯斯特(Brewster)角下之最小值零；及(2)自幾何觀點來看，歸因於由堆疊中之相鄰界面所產生的光之子波之間的光徑差的相移變得如此接近π/2弧度，使得即使連同大量微層之累積效應及擴展之厚度梯度一起，相長干涉仍不足以產生可接受之反射。因素(2)可藉由以下說法來不同地表示：當入射角增加時，堆疊之反射帶朝更短的光學波長偏移；及在極限入射角下，反射帶偏移如此之遠以致其不再覆蓋關注之整個波長範圍，或甚至偏移如此之遠以致其不再覆蓋關注之波長範圍的任一部分。關於因素(1)，美國專利5,882,774(Jonza等人)及科學(Science)287,2365(2000年3月31日)，Weber等人之期刊發表文(journal publication)"Giant Birefringent Optics"教示如何藉由使用堆疊中之至少某些雙折射微層及藉由選擇相鄰微層之折射率，以使得減少、消除或甚至顛倒隨入射角增加而減少p偏振光之反射率的通常行為(使用各向同性微層所展示的)來解決此問題。舉例而言，此等參考文獻教示如何可藉由適當選擇折射率來消除布魯斯特角。然而，此方法不解決因素(2)。在許多狀況下，因素(2)無法藉由簡單地添加更多層以擴展反射帶來解決。
申請者已認識到對可在入射角之更大範圍上反射光，以防止因素(1)及(2)不適當地降級反射率之鏡系統的需要。此等鏡系統可(例如)在其中多層干涉堆疊與前表面漫射結構(諸如含有漫射微粒或其他漫射元件之前表面塗層)組合在一起的狀況下係理想的。漫射元件可在多層堆疊中在所有方向上散射光，包括將會歸因於因素(1)及/或(2)而傳播至多層堆疊之後主表面或背面的極限入射角。若背面為平坦、光滑、清潔並暴露於空氣，則此光由全內反射(TIR)來朝向多層堆疊之前表面反射，從而保持鏡系統之高反射率。另一方面，若背面被擦傷或與吸收材料(例如支撐部件、扣件、油脂、墨水或灰塵)接觸，則此光被吸收，從而降低系統反射率。舉例而言，在多層干涉堆疊之正面塗覆有一光漫射層的鏡系統中，將一片雙面膠帶貼至多層干涉堆疊之背面可使一灰色或其他加深的區域(在尺寸及形狀方面對應於該片膠帶至堆疊之接觸區域)變得在鏡系統之正面可見。若膠帶與諸如不透明塑膠支撐物或吸收墨水之更強吸收性材料接觸或用其替代，則自正面觀察者之觀點來看，該區域可變得甚至更黑。
當基於多層干涉堆疊之複合鏡展現局部減少之背面反射率時，在正面處可見之變暗區域歸因於因素(2)與鏡背面處之全內反射的局部損失之組合而出現。漫射元件使某一散射光以充分高之入射角進入鏡，使得該光(例如，歸因於在高入射角下鏡反射帶上的偏移)在關注之波長下不會充分地被反射。此光改為到達鏡背面並經由局部更小之反射區域自鏡中通過。其間，到達具有保持平坦、光滑、清潔及曝露於空氣的鏡背面之相鄰區域的光經歷全內反射。在此等相鄰區域處之不同反射率使得當自鏡之正面觀察鏡時一變暗區域變得可見。
因此，存在對可在入射角之更廣範圍上反射光之鏡系統的需要。亦存在對即使在鏡背面區域處之反射率局部減少，仍可均勻反射自正面入射之光之鏡系統的需要。此等需要不限於可見波長鏡，且對於關注之其他波長範圍可出現此等需要。
因此，本申請案揭示一複合鏡系統，其包括形成一薄膜干涉堆疊或形成多個堆疊之複數個微層。此等微層具有經選擇以在關注之波長範圍上及在如在對應於微層中之一者的參考媒介中所量測的關注之角度範圍上反射光的折射率及厚度。本文中將此後者範圍稱為關注之微層角度範圍。該系統亦包括一耦接至該等微層之光學厚層。該光學厚層具有一中間折射率，其大於空氣但小於微層之折射率。該鏡系統亦包括一以"超臨界傳播角"將光射入鏡系統中(例如，射入光學厚層中並由此射入微層中，或射入光學厚層內並由此射入微層中)之組件。下文進一步論述超臨界傳播角之概念，但是其通常指代在任何非空氣媒介之層(諸如，光學厚層或微層)中的傳播角，該等傳播角比可由自空氣經由平坦並平行於此層之表面將光射入層中而達成的角更傾斜。光學厚層用來將關注之波長範圍內的射入之光限制於關注之微層角度範圍，或使在關注之波長範圍內或在關注之微層角度範圍外的射入之光在光學厚層之嵌入界面處全內反射。此等揭示之鏡系統通常不僅能對於法向入射光提供高反射率而且能對於以極限入射角(包括超臨界入射角)傳播經過薄膜干涉堆疊、中間折射率之光學厚層及用於以超臨界傳播角射入光的組件之組合的光提供高反射率。
本申請案亦揭示一種鏡系統，其包含：複數個微層；一光學厚層，其耦接至該等微層；及一或多個結構，其將光射入該等光學厚層及該等微層中，包括將以大體上為90°之角在光學厚層中傳播的光射入該等光學厚層及該等微層中。該等微層通常垂直於一參考軸，且具有經選擇以在關注之波長範圍上及在關注之微層角度範圍上大體上反射光的折射率及厚度。該光學厚層具有一大於空氣折射率但小於微層之折射率的折射率。該關注之角度範圍擴展至在對應於該等微層之一者之角的參考媒介中所量測之角θ amax ，且參考媒介中之θ amax 對應於光學厚層中之一大體上90度之傳播角。
本申請案亦揭示一種鏡系統，其包含：複數個微層，其折射率及厚度在關注之波長範圍上及在關注之微層角度範圍上反射光；一光學厚層，其耦接至該等微層並具有一大於空氣但小於該等微層之折射率的折射率；及一或多個漫射元件，其在該光學厚層中或耦接至光學厚層，其中該等微層之反射帶充分遠地擴展至近紅外區中，使得即使一鏡背面區域處之反射率局部減少，該鏡系統對於一人類觀察者而言仍似乎均勻地反射可見光。
自下文[實施方式]將瞭解本申請案之此等及其他態樣。然而，絕不應將上述[發明內容]解譯為對所主張之標的物之限制，該標的物僅由附加申請專利範圍界定，可在申請進行期間對附加申請專利範圍進行修正。
對於此[實施方式]來說，術語"空氣"可指代在標準溫度及壓力下或在其他溫度或壓力下的地球大氣，且甚至可指代真空。本文中忽略此等媒介之折射率之間的細小差別，且假定折射率實質上為1.0。亦對於此[實施方式]來說，使用以下術語：n min －在關注之波長或波長範圍下，堆疊中之微層中之任一者沿任一軸的最小折射率。
a,b－用於薄膜堆疊之光學材料，或由此等材料組成之微層，其中a具有沿至少一軸之折射率n min ，且b具有沿至少一軸之大於n min 的折射率；b材料通常亦具有堆疊中之最大折射率(沿任一軸)。此並非意謂將膜堆疊限於僅兩個不同類型之微層；該堆疊亦可包括非"a"及"b"之光學材料。
i－另一光學材料，或由此材料組成之層或其他本體，具有一在空氣之折射率(n＝1)與堆疊之最小折射率(n＝n min )之間的中間折射率n i 。
c－另一光學材料，或由此材料組成之層或其他本體，其沿任一軸之折射率大於n i ，且通常大體上大於n i 及n min 。在某些狀況下，"c"材料可為"a"材料或"b"材料。
n x －在關注之波長或波長範圍下，給定材料或層x(x＝a、b、c或i)之折射率。若材料為雙折射的，則n x 可為沿一特定軸(例如，沿x、y或z軸)之折射率或可為對應於在給定方向上傳播之特定偏振狀態(例如，對應於s或p偏振光，或左手或右手圓偏振光)的有效折射率。
關注之波長範圍－通常可見或近可見光(例如，400－700 nm波長)、近紅外光(例如，700－1000 nm、700－1400 nm或700－5000 nm，而選擇此等範圍中之一者有時取決於所使用之偵測器或透射媒介)，或可見與近紅外光兩者。其他範圍亦可用作關注之波長範圍。舉例而言，若鏡系統用於一具有一窄帶發射器(諸如一LED或雷射器)之系統，則關注之波長範圍可相對較窄(例如，100 nm、50 nm、10 nm或更少)。若將鏡系統用於諸如用於液晶顯示器(LCD)設備或其他顯示器之背光的發光系統，則關注之波長範圍可較寬(例如，400－800 nm、400－900 nm、400－1000 nm、400－1200 nm、400－1400 nm、400－1600 nm或400－1700 nm)；出於在下文中更詳細進行解釋之原因，此等範圍延伸超過可見光。
θ x －在媒介 x 中傳播之光線的角度，在媒介 x 中相對於一垂直於媒介 x 或垂直於媒介 x 之表面的軸而量測。
θ xc －媒介 x 之臨界角，亦即，在媒介 x 中量測之入射角，對應於該入射角，光以掠射角(90°)折射至一相鄰空氣媒介中。請注意，第二下標"c"代表"臨界"，且不應與光學材料"c"混淆，光學材料"c"可作為第一下標出現。
θ xlim －媒介 x 之類似於臨界角的極限角，但其中相鄰媒介不為空氣。因此，θ xlim 為在媒介 x 中量測之入射角，對應於該入射角，光以掠射角(90°)折射至一相鄰非空氣媒介中。
θ amax －媒介"a"中量測之最大光傳播角，對應於該傳播角，薄膜堆疊提供在關注之波長範圍上之適當的反射率。此角度為許多因素之函數，該等因素諸如：所意欲應用中的所需要之或目標反射率；及堆疊設計之細節，例如微層之總數、微層堆疊之厚度梯度、微層之間的折射率差等。
現參看圖1，可見：在示意橫截面中，存在浸入折射率n 0 ＝1之空氣媒介中的薄膜干涉堆疊10。出於參考之目的，亦展示笛卡兒x－y－z座標系統。特定波長之光12以角θ 0 入射於堆疊上，與堆疊相互作用而產生一反射束12a及一透射束12b。
堆疊通常包括數十、數百、或數千個微層14a、14b，該等微層14a、14b分別由配置成干涉堆疊(例如，四分之一波長堆疊)的光學材料a、b組成。光學材料a、b可為已知用於干涉堆疊之任何適當材料，不論是無機物(諸如，TiO 2 、SiO 2 、CaF或其他習知材料)或是有機物，例如，聚合物(聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯酸系材料及其他習知材料)。堆疊可具有全無機、全有機或混合無機/有機構造。在開始，為易於解釋，論述其中微層為各向同性的狀況，但是結果可易於延伸至雙折射微層。雙折射微層可用於對稱反射系統(其大體相等地反射任何偏振的法向入射光)或用於不對稱反射系統(其對於一偏振之法向入射光具有高反射率而對於一正交偏振之法向入射光具有較低反射率)。
微層具有為光之波長之若干分之一的光學厚度(實體厚度乘以折射率)。該等微層以稱為光學重複單元(ORU)之重複樣式配置，例如，其中ORU之光學厚度為所關注之波長範圍內的光之波長的一半。此等薄層使得決定堆疊之波長相關反射及透射特性的光之相長或相消干涉成為可能。堆疊10之ORU為層對ab，但其他已知配置亦係可能的，諸如美國專利第5,103,337號(Schrenk等人)、第3,247,392號(Thelen)、第5,360,659號(Arends等人)及第7,019,905號(Weber)中所論述之配置。若需要，則可將厚度梯度(其中ORU之光學厚度沿堆疊之厚度維度變化)併入於堆疊中以加寬反射帶。堆疊10無需在其整個範圍上為平坦或平面的，但可根據需要而成形、模製或壓印成非平面形狀。然而，至少局部地(如圖1中所示之堆疊的部分)，可將微層稱為大體上平行於該局部x－y座標平面配置或延伸。因此，局部z軸垂直於微層，並垂直於相鄰微層之間的每一界面。
為了說明簡單起見，圖1中僅繪示入射光12之折射部分，但讀者將瞭解：在微層之界面處亦產生反射光之子波，且彼等子波之相干疊加產生反射束12a。當入射光12照射堆疊10時，其自空氣中之θ 0 角折射至微層14a中之θ a 角。自彼處，當其進入微層14b時，其甚至進一步朝向表面法線(其平行於z軸)彎曲，從而達成一傳播角θ b 。在交替a、b層中的更多次折射後，光顯現為透射束12b，亦應將其理解為透射穿過堆疊10之所有子波的相干疊加。
現考慮改變入射光之方向的效應。若對入射光之方向沒有限制，例如，若吾人在空氣中自所有方向照射堆疊，則入射角θ 0 在0°至90°之範圍內，或在0至π/2弧度之範圍內。微層中之光傳播角亦改變，但因為不同折射率，其不外掠(sweep out)π/2半角。實情為，其外掠半角θ ac (對於層14a)及半角θ bc (對於層14b)。此在圖2a－c之角圖中以圖形方式來展示。在圖2a中，弧20(具有π/2之半角)表示來自空氣媒介的所有傳播方向。此等傳播方向實際上在三維空間中形成一半球，且圖2a展示在y－z平面中之半球的截面。如圖2b中展示，經過折射，在空氣中之此入射角範圍轉變成在光學材料a中之更窄的入射角範圍。在該圖式中，實線弧22a(其半角為臨界角θ ac )表示在層14a中之射入光的所有傳播方向。可將臨界角θ ac 計算為sin －1 (1/n a )。虛線弧22b表示大於θ ac 之傳播角θ a ，本文中稱為超臨界傳播角。因此，超臨界傳播方向或角通常指代在任何非空氣媒介之層(諸如，光學厚層或微層)中之比藉由將光自空氣經過平坦並平行於此層之表面射入至該層中而可達成的角更傾斜之傳播角。由於此恰為圖1中之狀況(光自空氣中之所有角經過平坦並平行於所討論之微層14a的表面射入至堆疊10中)，因此沒有光以此等超臨界角在微層14a中傳播，且因此將弧22b展示為虛線而非實線。
圖2c之角圖類似於圖2b之角圖，但對應於在更高折射率微層14b中傳播之光。實線弧24a(其半角為臨界角θ bc (等於sin －1 (1/n b )))表示層14b中之射入光的所有傳播方向。虛線弧24b表示大於θ bc 之傳播角，亦即，微層14b中之超臨界角。在使用圖1之空氣射入配置的狀況下，沒有光以此等超臨界角傳播。
圖3展示諸如圖1之堆疊10的薄膜堆疊之理想反射率特徵的圖表。曲線30展示法向入射(亦即，θ 0 ＝θ a ＝θ b ＝0)下堆疊之反射率。一般熟習薄膜設計技術者可易於選擇適當折射率之交替材料、堆疊上之微層厚度輪廓及微層總數以提供一具有所示特徵的堆疊：一貫穿可見區域31延伸並延伸至近紅外區中之具有尖銳的左帶邊緣及右帶邊緣並具有至少貫穿至少70%，80%，或90%或更多的可見區域(且對於某些應用，亦貫穿近紅外區)的高平均反射率的反射帶。例如，參考3M公司出售的Vikuiti TM 增強式鏡面反射器(ESR)膜，其使用雙折射多層堆疊。亦參考可藉由將諸如Vikuiti TM ESR膜之雙折射多層堆疊層壓為一反射帶進一步擴展至紅外區中的薄膜堆疊而製成的改良膜，如下文在實例中所論述。
當入射角自0°增加時，與上文所論述之因素(1)及(2)相關的兩個效應開始出現。第一，與s偏振光(垂直於入射平面偏振)相比，對於p偏振光(在入射平面中偏振)，微層之間的界面之反射率係不同的，從而導致將法向入射反射帶分裂成對應於p偏振光之第一反射帶32a及一對應於s偏振光之不同的第二反射帶32b。在其中僅在薄膜堆疊中使用各向同性材料的狀況下，對應於p偏振光之反射帶的峰值反射率隨入射角增加而單調減少直至達到布魯斯特角為止，在該角度處，p偏振光之反射率變為零。第二，兩反射帶32a、32b皆歸因於上文結合因素(2)所論述之相位偏移效應而偏移至較短波長。當入射角進一步增加時，反射帶繼續偏移至較短波長(由對應於p偏振光之第一反射帶34a及對應於s偏振光之第二反射帶34b所示)。請注意，儘管隨著入射角接近布魯斯特角，p偏振光之峰值反射率減少，但是s偏振光之峰值反射率隨入射角之增加而增加。
關於因素(1)，美國專利第5,882,774號(Jonza等人)展示如何可減少、消除或顛倒隨入射角之增加而p偏振光之反射率的下降。簡而言之，將雙折射材料用於膜堆疊，使得將相鄰微層之間沿z軸之折射率不匹配控制為較小(例如，一半或四分之一或更小)或為零或相對於沿平面內(x或y)軸之折射率不匹配在符號上相反。零或近零量值的z指數不匹配產生微層之間的界面，該等界面對於p偏振光之反射率為常數或接近常數，其為入射角的函數。與平面內指數差相比具有相反極性之z指數不匹配產生對於p偏振光之反射率隨入射角的增加而增加的界面，s偏振光之狀況同樣如此。使用諸如此之教示，可易於製造保持對於s偏振光與p偏振光之高峰值反射率的薄膜堆疊。
然而，如上文所提及，保持對於所有偏振之高反射率界面對當入射角增加時停止反射帶偏移至愈來愈短波長(亦即，因素(2)的現象)很少起作用或不起作用。事實上，使用雙折射材料來擴大或消除布魯斯特角可加速波長隨角度的偏移。最終，在某一角下，反射帶不再覆蓋所關注之波長範圍，且在該光譜範圍內之反射率下降至一可接受之程度或目標以下。此角稱為θ amax 。其在堆疊媒介a中被評估或量測。
自設計觀點來看，可藉由添加愈來愈多之微層至薄膜堆疊設計且將層厚度輪廓擴大為包括更大光學厚度之層而將θ amax 增加至更高角度。但對於合理高的目標反射率值，θ amax 無法以任何有限微層數目達到90°。
在某些狀況下，調整多層堆疊中之相鄰微層之間的z指數不匹配以使在相應界面處之布魯斯特角簡單地擴大至更接近90度(相對於僅具有各向同性微層之多層堆疊)，而非調整z指數不匹配以完全消除布魯斯特角可能係足夠的。舉例而言，媒介"a"中量測之布魯斯特角大於θ amax 可能係足夠的。
亦應注意：甚至對於利用z指數不匹配技術以達成高界面p偏振反射率的薄膜堆疊，在高入射角下的s反射帶與p反射帶具有不同形狀，且具有不同頻寬，因為其左帶邊緣及右帶邊緣不隨入射角的改變而偏移相同量。s反射帶與p反射帶之間的差對於接近90°之超臨界角θ a 最明顯。通常，p偏振反射帶窄於s反射帶，且隨著θ a 增加，p反射帶之右帶邊緣將在s反射帶移動前在給定關注之波長上移動。換言之，即使堆疊為p偏振光之高界面反射率而設計，但隨θ a 增加，在關注之波長或波長範圍下反射率之第一主降落通常將由於p偏振光之反射帶偏移至較短波長而發生，但是在此角下的s偏振光之反射率可在關注之波長或波長範圍下保持較高。
在一模型化實例中，評估具有550個微層的雙折射四分之一波長薄膜堆疊。"a"層分別具有沿x軸之為1.49的折射率、沿y軸之為1.49的折射率及沿z軸之為1.49的折射率，其代表633 nm下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光學材料的特徵。此等折射率產生約為42°之臨界角θ ac 。"b"層分別具有沿x軸之為1.75的折射率、沿y軸之為1.75的折射率及沿z軸之為1.49的折射率，其代表在633 nm下定向聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)光學材料的特徵。模型亦考慮PMMA及PEN材料之實際分散。在一適當層厚度梯度情況下，堆疊之法向入射反射帶可自約400 nm擴展至約1600 nm。反射帶在對應於自0°至約65°之傳播角θ a 的可見區域上保持約99%的平均反射率。超過約65°，p反射帶之偏移係造成平均反射率急劇下降的原因。因此對於99%之目標平均反射率，θ amax 為約65°。
圖4圖示平均反射率對媒介"a"中之傳播角θ a 的理想表示，且含有咸信對於特定類型堆疊來說為準確的定性特徵。假定反射率係在所有偏振狀態上及在關注之波長範圍上求平均值。曲線40繪示雙折射堆疊之反射率，該雙折射堆疊具有在相鄰微層之間的大體z指數匹配，其類似於上文描述之550個層堆疊。曲線42繪示完全各向同性堆疊之反射率，該各向同性堆疊具有類似大量數目之微層及一類似的法向入射反射帶。兩曲線40、42皆在法向入射下及對應於θ a 之中間值具有高反射率。而且，兩曲線皆在接近超臨界角θ amax(2) 時急轉下降。接近此角θ amax(2) 使得帶偏移至較短波長導致反射帶移動超出關注之波長範圍。曲線40歸因於其良好的傾斜角p偏振反射率而在範圍0 θ a θ amax(2) 上保持相對較高之反射率。相反，曲線42則在該範圍上的反射率降級，且歸因於布魯斯特角效應而在角θ amax(1) 處降至目標平均反射率41之下。曲線40在角θ amax(2) 處穿過目標反射率41。請注意，若在不改變薄膜堆疊設計的情況下選擇較高的目標平均反射率41，則θ amax(1) 及θ amax(2) 將偏移至較小的角，且若選擇較低的目標平均反射率41，則θ amax(1) 及θ amax(2) 將偏移至較大的角。目標平均反射率之選擇很大程度上取決於所意欲之鏡射的應用，但典型值包括90%、95%、96%、97%、98%及99%。
現將注意力轉至圖5－8以對可用於在堆疊中射入超臨界傳播之光的各種結構及若設計者僅使用一習知薄膜堆疊來實現反射功能則可能出現的問題進行論述。通常不將該等結構(諸如稜鏡、光導、漫射微粒(例如，散射體)或粗糙化或微結構化表面)僅提供用於將超臨界光射入堆疊中的目的。實情為，超臨界光射入為結構在意欲之最終使用應用中執行之功能的結果。
在圖5中，由具有折射率n c 之光學材料"c"製成的稜鏡50光學耦接至一薄膜堆疊52(較佳與該薄膜堆疊52密切光學接觸)，薄膜堆疊52進而包括由光學材料"a"及"b"組成之微層。光學材料c可與材料a或b相同，但n c 不小於n min (n min 為堆疊中之微層的最小折射率)。稜鏡50實體上可大或可小，可沿垂直於圖之軸線性延伸，或形狀可為錐形，且可為一陣列類似或不同稜鏡中之一者。稜鏡表面無需為平坦的或規則的，且可使用任何適當稜鏡角。舉例而言，可使用體現於Vikuiti TM 亮度增強膜(BEF)產品線或3M TM Scotchlite TM 反射材料產品線(兩者由3M公司出售)中的稜鏡幾何形狀中之任一者。
膜堆疊52可類似於先前描述之膜堆疊10。堆疊52較佳包括數十、數百或數千個微層，該等微層可配置成於一單個堆疊或封包中，或配置於由光學厚保護邊界層(PBL)隔開的多個堆疊或封包中。微層之數目及其厚度及折射率係經選擇以提供在關注之波長範圍上及在傳播角θ a 之範圍上的大於一目標平均反射率的平均反射率，傳播角θ a 之範圍包括超臨界角並擴大至最大角θ amax ，其中0 θ ac θ amax 90°。堆疊52亦可在其外部主要表面處包括光學厚表層。在此方面，若一層之光學厚度約為關注之波長範圍的平均波長或更大則將其稱為在光學上較厚。較佳地，光學厚度為此平均波長之至少10倍、50倍或100倍。亦請注意，倘若任何表層或PBL不具有小於n min (堆疊中之微層的最小折射率)之任何折射率，便可將其認為是薄膜堆疊之一部分。通常，任何表層或PBL包含用於該等微層之材料a、b中之一者。膜堆疊52可為完全聚合的，且可由共擠壓製程及較佳亦由一拉伸製程而製成以在微層中產生一適當量的雙折射來如上文所論述增強界面p偏振反射率。或者，膜堆疊52可包括或限於無機材料，且可由真空蒸發技術而製成。參考美國專利第6,590,707號(Weber)的關於可利用無機材料並形成雙折射之雙折射薄膜堆疊的教示。若將膜堆疊52與稜鏡50分開製造，則可用光學黏著劑或其他適當材料之光學薄或厚層將膜堆疊52層壓至稜鏡50。
來自發射關注之波長範圍內之光的光源54的光在稜鏡表面56處撞擊稜鏡50，其中該稜鏡表面56實質上相對於膜堆疊52為傾斜的。該光折射至稜鏡50中並接著撞擊在堆疊52上。由於稜鏡表面56之傾斜及稜鏡之折射率n c ，光能夠以大於臨界角θ ac 之角(亦即，以超臨界角)在堆疊52中傳播。如上文所解釋，堆疊52令人滿意地反射以在θ a ＝0與θ a ＝θ amax 之間的角(包括某些超臨界角θ ac θ a θ amax )傳播的關注之光。然而，堆疊52不令人滿意地反射以對應於θ a >θ amax 的其他超臨界角(本文中稱為極限傳播角或極限入射角)傳播之光。此光傳播經過整個堆疊52直至其到達堆疊之外部主表面52a(圖5中展示)。若表面52a為平坦、光滑、清潔並曝露於空氣，則此光將在表面52a處經歷全內反射(TIR)，且將往回傳播經過堆疊52並如同其已如同以較小極限入射角(0 θ a θ amax )傳播的其他光一樣被反射進入稜鏡50。然而，表面52(或其之一部分)可為油脂的、髒的、擦傷的或另外與另一材料，例如，不論是一安裝架、支撐部件、基板或是塗層接觸。圖5中以干擾58示意性地描繪表面52a之此等干擾，且表面52a之此等干擾表示表面52a中之局部減少反射率的區域。因此，不論干擾58位於何處，以極限傳播角傳播之光將經由表面52a退出堆疊52，並在該位置處降低反射率。在圖式中將透射經過堆疊或經由該堆疊洩漏之光標記為59。
在圖6中，稜鏡50由光導60替代，且光源54包括一反射器54a以有助於使光更有效地穿過光導60之側表面60a射入光導60中。光導由光學材料"c"製成(上文所描述)，且光學耦接至薄膜堆疊52(上文亦有描述)。光導可為任何所要尺寸或形狀，且可為均勻厚度或遞減厚度。光導可(例如)適合用於行動電話、膝上型電腦、電視或其他應用中之液晶顯示器(LCD)的背光。提取特徵62提供於前表面上或提供於光導上或光導中之其他地方，其已知為將光引導出光導而朝向液晶面板或待照明之其他組件。
因為光經由側表面60a射入光導60中，所以光可以高入射角在光導中及亦在堆疊52中傳播。如上文所解釋，堆疊令人滿意地反射在關注之波長範圍內之以0 θ a θ amax 角傳播的任何光，但不令人滿意地反射以極限傳播角傳播之光。堆疊之外部主表面52a上的局部干擾58使此光59經由表面52a退出堆疊52，再次降低該位置處之反射率。
在圖7中，光導60由含有分散於折射率為n c 之基質材料中的漫射微粒72之光學組件70替代。微粒72可為任何所要類型或組態，不論是組份、尺寸、分佈或是在其他方面，只要其大體上散射光。組件70可為一相對較薄或較厚之層，或為一更複雜結構。舉例而言，組件70可為一表層。組件70亦可為一黏接層，諸如壓敏黏著劑或其他黏著劑。來自光源54之光可自空氣媒介進入組件70中，但歸因於微粒72，光被散射且在組件70中在基本上所有方向上傳播。此光接著自所有角度撞擊在堆疊52上。該堆疊令人滿意地反射在關注之波長範圍內的以0 θ a θ amax 角傳播的任何光，但不令人滿意地反射以極限傳播角傳播之光。堆疊之外部主表面52a上之局部干擾58使此光經由表面52a退出堆疊52，從而降低該位置處之反射率。
在圖8中，光學組件70由一具有紋理、粗糙、微結構或其他不光滑表面80a的光學組件80替代。表面80a可簡單地如同亞光毛面一樣的粗糙，或可微複製有精確的幾何圖案，或可含有形成諸如全息圖之繞射元件的細微刻面。光學組件80包含折射率為n c 之光學材料"c"。不光滑表面80a折射、繞射或以其他方式散射來自可在空氣媒介中之光源54的光，使得光以高入射角在光學組件80中傳播。堆疊52光學耦接至組件80，且來自組件80之光自所有角度(或至少在超臨界角之範圍上)撞擊在堆疊上。該堆疊令人滿意地反射在關注之波長範圍內的以0 θ a θ amax 角傳播的任何光，但不令人滿意地反射以極限傳播角傳播之光。堆疊之外部主表面52a上之局部干擾58導致此光59經由表面52a退出堆疊52，從而降低該位置處之反射率。
讀者將瞭解：圖5－8中所示之用於在堆疊中射入超臨界傳播之光的結構僅為例示性的，且不應將其認為係限制性的。此外，該等結構可以任何方式組合，諸如在稜鏡中併入漫射微粒或在光導上併入一不光滑表面。
為了提供一可反射以極限傳播角傳播之光而不在堆疊之外表面上之局部干擾處或在鏡系統之另一外表面處經歷光損失的鏡系統，圖9－11介紹一光學厚層94，其包含光學材料"i"，該光學材料"i"具有一在空氣折射率與堆疊中之微層之最小折射率(n min )之間的中間折射率n i 。例示性低指數材料(視對於薄膜堆疊中之材料的選擇而定)包括諸如氟化鎂、氟化鈣、矽石、矽膠之無機材料及諸如含氟聚合物及聚矽氧之有機膜形成材料。氣凝膠材料係特別適用的，因為其可達成約1.2或更小(或甚至約1.1或更小)之極低的有效折射率。氣凝膠係藉由對包含填充溶劑之膠態二氧化矽結構單元的凝膠進行高溫及壓力臨界點乾燥而製成。所得材料為低緻密多微孔媒介。視多層堆疊中之微層之折射率而定，在某些狀況下，可對光學厚層使用更高折射率材料，例如，折射率為約1.5或更小、1.4或更小或1.3或更小。光學厚層較佳為至少約1微米厚，或至少約2微米厚以避免受抑之全內反射的現象發生。
在圖9中，鏡系統90包括上文描述之薄膜堆疊52，以及光學材料"c"之第一層92及光學材料"i"之光學厚層94。第一層92可為元件50、60、70或80之任一者或其組合。其可為光學上厚的、光學上薄的、微觀的、宏觀的、有機的(例如，聚合的)或無機的。使用上述機構中之任一機構，光以超臨界傳播角在層92中傳播，且在例示性實施例中在所有傳播角上傳播。圖9a展示在層92中傳播之光的角圖，其中整個半圓弧100表示在材料c中以所有入射角θ c 行進的光。圖9a亦展示材料c之臨界角θ cc 以及極限角θ clim 。在材料c中以極限角θ clim 傳播之光以掠入射折射至層94之較低折射率材料"i"中。因此，以大於θ clim 之角在層92中傳播的光在層92接觸層94之嵌入表面94a處全部在內部被反射。圖9中以光線96來繪示此光。其他在層92中傳播之光折射至層94中且在整個角度範圍(由圖9b之半圓弧102來繪示)上在層94中傳播。請注意，在層94中傳播之光包括以大於媒介"i"中之臨界角θ ic 之角傳播的光。
較佳地，將層94之折射率n i 選擇為堆疊52設計之函數，使得在媒介"i"中以掠入射θ i ＝90°傳播之光以角θ a θ amax 折射至堆疊之媒介"a"中。此條件確保在媒介"i"中以超臨界角及甚至以極限角傳播的光以可令人滿意地由堆疊反射(以目標平均反射率或更高，且在關注之波長範圍內)的角折射至材料"a"的層中。類似地，在材料"a"中以角θ a >θ amax 傳播並碰撞與材料"i"之界面的任何光將在此界面處全部在內部被反射。
在對材料"i"進行此選擇的情況下，自層94碰撞在堆疊52上之在關注之波長範圍內的所有光由堆疊反射，其中大體上沒有光到達外部主表面52a。圖9c以弧104a(0 θ a θ amax )展示在堆疊中之微層之"a"材料中傳播的光，而弧104b展示沒有以更高角傳播之光。圖9展示由堆疊52反射的漸進增高之入射角的光98a、98b、98c。來自層92之某一光在層94之嵌入表面處由TIR反射，且來自層92之剩餘光由堆疊52反射，而不允許任何光到達表面52a。因此，不同於圖5－8之鏡系統，圖9之鏡系統90對鏡系統之外表面(亦即，表面52a)處之任何干擾不敏感。然而，鏡系統90可經由堆疊52與光學厚層94之組合以所有角以至少目標平均反射率反射光。因此，鏡系統90提供一在關注之波長範圍上的"不洩漏鏡(non－leaky mirror)"。
圖10展示一類似於系統90之鏡系統110，但其中改變堆疊52之置放，使得其夾於層92、94之間。此處又是，光以超臨界傳播角在層92中傳播，且在例示性實施例中在所有傳播角上傳播光。圖10a展示在層92中傳播之光的角圖，其中整個半圓弧114表示在材料c中以所有入射角θ c (包括大於θ cc 之超臨界角)行進的光。此光接著碰撞堆疊52，包括其材料"a"及"c"之微層。法向入射光112a及某一傾斜入射光112b由堆疊112習知地反射，因為其以0至θ amax 之範圍內的角θ a 折射至光學材料"a"中。然而，剩餘光以極限傳播角折射至材料"a"中，且不令人滿意地由堆疊來反射。參看圖10b，其中弧116繪示以包括大於θ amax 之角的所有入射角θ a 在材料"a"中傳播的光。幸運地是，層94具有一在嵌入表面94a處全部在內部反射諸如光112c之極限傳播光的折射率n i 。此光往回行進經過堆疊52並進入層92中。自上方入射於層94上之所有光在表面94a處被反射，且圖10c中之弧118展示沒有光在層94中傳播。置放於層94之底部主表面上之任何干擾58將不影響鏡系統110之反射率，因為層94厚的足以避免穿過其中的任何衰逝波。因此，鏡系統110亦提供一在關注之波長範圍內的"不洩漏鏡"。
圖11展示一類似於圖9之系統90的鏡系統120，但其中已消除層92且其中將上述以超臨界角射入光之結構中的任一者併入中間折射率材料"i"的光學厚層94中。因此，光由所揭示之技術中之任一技術射入層94中，使得光在材料"i"中以所有角θ i 傳播。此由圖11a中之弧124展示。歸因於材料"i"之選擇及上文所論述之材料的折射率n i ，將此光之全部在角0 θ a θ amax 之範圍上折射至材料"a"之微層中，從而確保堆疊52令人滿意地反射此光之全部，而不論是法向入射(122a)或是以任何角傾斜入射(122b、122c)。圖11b之弧126a展示以範圍自法向入射至超臨界的角傳播之光，但弧126b展示沒有超過θ a ＝θ amax 的光傳播。
如同鏡系統90，沒有光到達鏡系統120之後外表面52a，所以此外表面上存在或置放的任何干擾將不影響鏡系統120之反射率。同時，鏡系統120在很寬範圍的入射角上反射光。鏡系統120提供一在關注之波長範圍上之"不洩漏鏡"。
在前文論述中，已描述可執行將光以超臨界傳播角射入材料"i"之光學厚層中以及薄膜干涉堆疊之微層中之指定功能的各種結構。此等結構中之一者為精細光散射微粒。當此等散射體用於為給定應用提供漫射(亦即，光散射)時，可根據需要調整各種因素以控制複合鏡特徵。舉例而言，微粒之尺寸、折射率、濃度及分佈可改變，同樣此等微粒位於其中的層(例如，表層、黏接層或其他層)之厚度可改變。另一所揭示之結構為一經成形以界定由表面處之折射而散射或偏轉光的突起及/或凹陷的表面。(此表面可為一可層壓至薄膜堆疊之層的一部分，或可直接將其壓印至(例如)薄膜堆疊之正面上的表層或塗層中)。在此狀況下，多種因素亦可用於控制複合鏡特徵(諸如突起/凹陷元件之折射率、形狀、尺寸及表面覆蓋率)及其他表面拓樸性質。不論結構化表面、散射微粒或是二者，此等結構之構造細節可經調整以產生所要的光散射或偏轉量。舉例而言，散射可足夠強以提供一大體上朗伯分佈(Lambertian distribution)，或散射可較弱。同樣，構造細節可經調整以視所意欲之應用而定產生在較佳角或角度範圍下之散射。
因此，前文描述使得能夠製造具有廣角反射率的各種鏡系統。一種此類鏡系統涉及漫反射鏡，其在浸入任何折射率之媒介中時在所有入射角下具有高度反射性。此等鏡系統即使在鏡背面區域處之反射率局部減少的情況下仍可均勻地反射光。
現將在以下說明性實例中描述例示性實施例，其中除非另有陳述，否則所有部分及百分比皆以重量計。
實例1
一擴展帶鏡膜堆疊藉由使用光學黏著劑將由定向PEN及PMMA製成的兩個多層鏡層壓在一起而製成。第一鏡由使用倍增器(multiplier)及兩個各根據美國專利第6,783,349號(Neavin等人)中所描述之方法的具有265層的封包形成的530層PEN/PMMA製成，以提供一具有一自約400 nm擴展至約1000 nm之反射帶(對於法向入射非偏振光)的可見及近紅外鏡。第二鏡經類似地製造但僅含有265層PEN/PMMA之一個封包以提供一具有約1000 nm至1700 nm之反射帶的紅外鏡。每一鏡在適當條件下經雙軸拉伸以提供PEN材料約1.75之大體上相等的平面內折射率(在633 nm下量測)及約1.49之z軸折射率的雙折射，而PMMA材料保持約1.49之折射率的大體上各向同性。光學黏著劑為可自3M Company,St.Paul,Minnesota購得的3M TM 光學清晰層壓黏著劑8141(Optically Clear Laminating Adhesive 8141)，其為1.0密耳(25微米)厚的丙烯酸壓敏黏著劑(在633 nm下折射率約為1.4742)。所得寬頻層壓鏡膜堆疊具有在法向入射下為約400 nm至1700 nm的反射帶。對於傾斜入射，層壓堆疊對於在PMMA材料(此處命名為材料"a")中量測的傳播角θ a 在0°至約65°之範圍內的光保持高反射率。隨著θ a 開始超過約65°，p偏振光之帶邊緣開始自近紅外波長移動至可見波長中，從而使得鏡系統之反射率迅速下降。迅速反射率下降在可見光譜之長波長端(約700 nm)處開始並隨θ a 增加而在可見光譜上進行至較短波長。圖12中之曲線A為在空氣中之法向入射(對應於θ a ＝0)下，層壓鏡之所量測之光譜透射率的圖表，且曲線B為在空氣中之60°入射(對應於θ a 35.5°)下，p偏振光之透射率的圖表。使用關係R＋T 100%可自圖表中確定反射率值，其中R為反射百分比且T為在給定波長下之透射百分比。
此層壓鏡設備的關注之波長範圍為可見波長區域，約為400－700 nm。關注之微層角度範圍(在其上提供足夠平均反射率)為對應於θ a 之約0至65°，而上限為對應於θ amax 之約65°。
藉由以下方式製造含氟聚合物漫射層。擠壓THV－500 TM 含氟聚合物樹脂(Dyneon LLC,St.Paul,Minnesota)且使用標準膜製造裝置將其鑄成為一2密耳(約0.05 mm)厚的膜。該膜含有通常用於白漆之類型的約2重量%之二氧化鈦粉末。該粉末經化合成重量百分比約為35%的THV之獨立母體混合物。接著將母體混合物樹脂之片粒摻混入清晰THV樹脂，使得最終重量百分比為約2%。THV含氟聚合物之折射率為約1.35，其低於鏡層片中之PEN與PMMA微層之折射率並高於空氣之折射率。使用關係式n a *sinθ amax ＝n i *sinθ imax ，此折射率產生在THV含氟聚合物材料中的約90°的傳播角θ imax (其對應於PMMA材料中之θ amax )，此視θ amax 之準確值、THV含氟聚合物之實際折射率n i 及PMMA材料之實際折射率n a 而定。參數θ imax 為在媒介"i"中量測的最大光傳播角，對於該最大光傳播角，薄膜堆疊提供在關注之波長範圍上的足夠反射率。θ imax 根據斯奈耳定律(Snell's law)與θ amax 相關。θ imax 90°之重要性在於此對應於幾乎平行於THV層之平面在THV材料中行進的光，且其意謂在THV材料中以任何及所有可能傾角傳播之光將由鏡層片充分地反射。
使用用於層壓兩個多層鏡之相同光學黏著劑將所得漫射體膜層壓至鏡積層之正面。所得為具有漫反射性質及寬帶(複合)干涉堆疊的鏡系統。藉由將來自Sanford TM 永久標號器(Sanford TM permanent marker)的黑墨水塗至後多層鏡的曝露背面上的有限區域或區而在鏡系統之背面上建立減少之反射率的局部區域。
接著量測反射率。除非另外說明，否則使用Lambda 19光譜光度計、一累計球及為參考目的使用一NIST校準之朗伯白色漫反射器(NIST calibrated Lambertian white diffuse reflector)來量測反射率。所量測的每一波長之光為法向入射於給定樣本之一有限部分上的光，且藉由累計球來收集所有此等自該樣本反射之光(在立體角之半球上，因此包括鏡面反射光與漫反射光)以計算反射率百分比。
在圖13中，曲線A描繪以此方式量測之對應於寬頻鏡膜堆疊自身(亦即，沒有前漫射層及沒有塗至背面之黑墨水的兩個層壓多層鏡)的反射率。曲線B為整個鏡系統之反射率圖，鏡系統包括寬頻鏡與含氟聚合物漫射層。曲線B係在鏡系統之正面(其相應背面不具有塗至其的黑墨水)上的一位置處量測。曲線C類似於曲線B，但其係在整個鏡系統之正面(其相應背面完全由上文所提及之黑墨水塗覆)上量測。如圖13中所示，曲線A、B及C皆表明在可見光譜上之高反射率。添加黑背襯層至曲線B之鏡系統不會顯著減少可見光譜反射率。
當人類觀察者自正面僅觀察寬頻鏡膜堆疊(圖13，曲線A)時，該鏡為發光的且提供鏡面反射。當人類觀察者自正面觀察僅塗覆有含氟聚合物漫射層(圖13，曲線B)及塗覆有含氟聚合物漫射層與黑背襯(圖13，曲線C)之鏡區域時，兩鏡區域皆提供漫反射。自正面看，曲線B及曲線C鏡區域係無法區分的，且必需翻轉鏡系統，以觀察黑背襯位於何處。
比較實例1
建構一類似於實例1之鏡系統的鏡系統，但其中省略第二多層鏡(其法向入射反射帶自約1000 nm擴展至1700 nm)。亦即，僅使用由530層PEN/PMMA製造並具有一自約400 nm擴展至約1000 nm之法向入射反射帶的第一鏡。將實例1之漫射膜塗至此第一多層鏡之正面，且將實例1之黑墨水塗至背面之部分。以相同方式量測反射率。
歸因於唯獨第一鏡之與實例1之鏡積層相比之反射帶的減少的譜寬度，故此比較實例1之θ amax 的值實質上小於實例1之65°值，且漫射膜之相應θ imax 實質上小於90°。此意謂：漫射膜中之傾斜傳播光之一顯著部分將不會由此比較實例1之多層鏡充分地反射。
圖14中之曲線A描繪第一多層鏡自身之反射率。曲線B描繪一包含第一多層鏡堆疊及塗至正面的含氟聚合物漫射層(但沒有塗至背面的黑墨水)之鏡系統的反射率。曲線C類似於曲線B但其中鏡系統之背面包括黑墨水層。如圖14中所示，添加一黑背襯層至漫射鏡系統使得可見光譜反射率顯著減少。
當人類觀察者觀察時，曲線A鏡為發光的，提供鏡面反射，且看起來像實例1之未經塗覆寬頻鏡膜堆疊(圖13，曲線A)。曲線B及曲線C鏡區域提供漫反射。當自正面觀察時，曲線C區域明顯比曲線B區域黑，且不必翻轉鏡以區分兩個區域。
比較實例2
建構一類似於實例1之鏡系統的鏡系統，但其中用一不同漫射膜替代基於THV之漫射膜。在此比較實例2中，藉由將一層白色3M TM Scotchcal TM 3635－70漫射膜(可購自3M公司，St.Paul,Minnesota)塗至實例1之寬頻鏡膜堆疊之正面而製成一替代鏡系統。此漫射膜具有約60%之光透射率，且含有分散於聚氯乙烯(1.54之各向同性折射率)基質中之二氧化鈦微粒。Scotchcal TM 產品亦包括一接觸聚氯乙烯漫射層之清晰壓敏黏接層。此黏接層用於將聚氯乙烯漫射膜黏著至寬頻鏡膜堆疊之正面。Scotchcal TM 產品(包括黏接層與漫射層)之厚度為約3密耳(約75微米)。
藉由將漫射層之折射率自約1.35增加至1.54，此比較實例2之漫射媒介嚴格來講不再為"中間物"，因為其折射率超過多層反射器中之PMMA微層的折射率。此外，折射率之增加將極限值θ imax 自實例1之約90°降低至約61°。此再次意謂在漫射膜中傾斜傳播之光的一顯著部分將不會由此比較實例2之多層鏡充分地反射。
圖15中之曲線A描繪此鏡膜堆疊自身之反射率，其與圖12之曲線A相同。曲線B描繪替代鏡系統之反射率，該替代鏡系統包括塗至寬頻鏡膜堆疊之正面的Scothcal TM 漫射層，但沒有塗至相應背面之黑墨水。曲線C類似於曲線B，但其中已將黑墨水塗至對應於鏡系統之正面測試區域的曝露之背面。如圖15中所示，添加黑背襯層至曲線B鏡使得可見光譜反射率顯著減少。
當人類觀察者觀察時，曲線C區域顯著比曲線B區域黑(對於比較實例1鏡系統之相應(曲線C)區域的狀況更是如此)，且不必翻轉鏡以區分兩個區域。
比較實例3
建構一類似於比較實例2之鏡系統的鏡系統，但其中省略第二多層鏡(其法向入射反射帶自約1000 nm擴展至1700 nm)。亦即，僅使用由530層PEN/PMMA製成且具有一自約400 nm擴展至約1000 nm之法向入射反射帶的第一鏡。使用所提供之清晰壓敏黏接層將比較實例2之Scotchcal TM 漫射層塗至第一多層鏡之正面，且將實例1之黑墨水塗至背面之所選部分。
如吾人在比較實例1中所論述，與實例1之(層壓)干涉堆疊相比，藉由消除第二多層鏡，吾人已減少薄膜干涉堆疊反射帶之譜寬度。因此，此比較實例3之θ amax 的值實質上小於實例1之65°值，從而將值θ imax 減少至實質上小於90°。此處相對於比較實例1之另一困難在於：吾人亦已將漫射層之折射率自約1.35增加至1.54，此又進一步減少θ imax 之值，從而使得漫射膜中之傾斜傳播之光的一甚至更大部分不會由多層鏡來充分地反射。
圖16中之曲線A描繪第一鏡膜堆疊自身之反射率，其與圖14中之曲線A相同。曲線B描繪具有塗至第一鏡膜之正面的Scotchcal TM 漫射層之鏡系統的反射率。曲線C類似於曲線B，但其中將黑墨水塗至鏡系統之相應背面。如圖16中所示，添加一黑背襯層至曲線B鏡使得可見光譜反射率顯著減少。
當人類觀察者觀察時，曲線C區域顯著比曲線B區域黑(對於比較實例1及比較實例2鏡之相應區域的狀況更是如此)，且不必翻轉鏡以區分兩個區域。
所揭示之鏡系統之至少某些實施例可提供以下特徵組合：(1)高正面反射率，包括對應於干涉反射器之微層中之超臨界傳播角的高傾斜光的反射率，甚至在其中(2)鏡系統之背面之某些或全部與吸收材料或在背面處產生減少之反射率的其他媒介接觸的狀況下。此等特徵可在需要將鏡系統在其背面處附接至其他組件且需要非常高並均勻之正面反射率的應用中係有利的。舉例而言，上文中所描述之漫反射鏡系統中之任一者可固定至完全附接至鏡系統之背面的壁或其他支撐結構，而不必使用會妨礙鏡系統之前反射表面的任何附接機構。此外，此可在不降級鏡系統之正面反射率的情況下甚至在與背面上之附接區域或點直接相對的區域上實現。
可得益於此設計能力之一應用或最終使用為用於標誌或顯示器(包括但不限於液晶顯示(LCD)設備)的背光腔室。背光之結構壁(包括(例如)一較大的背表面及較小的側表面)可由具有良好結構特性但較差光學特性之材料(諸如射出成形塑膠或彎曲薄片金屬)來製造。接著，可專門地藉由附接至鏡系統之背面而將如本文中所描述之漫反射鏡系統(至少自正面來看具有極佳光學特性但其可具有較差結構特性(例如，較差之剛度))固定至結構組件，而很少或不妨礙正面且很少或不使與附著點相關聯的正面反射率降級，使得背光腔室之反射率最大化。
除非另有陳述，否則應將用於本說明書及申請專利範圍中之表示特徵尺寸、數量及物理特性的所有數目理解為由術語"約"來修飾。因此，除非另有陳述，否則前述說明書及附加申請專利範圍中闡述之數字參數為近似值，該等近似值可視熟習此項技術者使用本文中所揭示之教示所尋求獲得的所要特性而改變。
熟習此項技術者將顯而易見本發明之各種修改及更改而在不偏離本發明，且應瞭解，本發明不限於本文中所闡述之說明性實施例。
10．．．薄膜干涉堆疊
12．．．入射光
12a．．．反射束
12b．．．透射束
14a、14b．．．微層
20．．．弧
22a、24a．．．實線弧
22b、24b．．．虛線弧
30．．．曲線
31．．．可見區域
32a、34a．．．第一反射帶
32b、34b．．．第二反射帶
40．．．曲線
41．．．目標平均反射率
42．．．曲線
50．．．稜鏡
52．．．薄膜堆疊
52a．．．外部主表面
54．．．光源
54a．．．反射器
56．．．稜鏡表面
58．．．局部干擾
59．．．光
60．．．光導
60a．．．光導60之側表面
62．．．提取特徵
70．．．光學組件
72．．．微粒
80．．．表面
80a．．．不光滑表面
90、110、120．．．鏡系統
92．．．第一層
94．．．光學厚層
94a．．．嵌入表面
96．．．光線
98a、98b、98c．．．光
100．．．半圓弧
102．．．半圓弧
104a、104b．．．弧
112a．．．法向入射光
112b．．．傾斜入射光
112c．．．光
114．．．半圓弧
116、118．．．弧
122a．．．法向入射
122b、122c．．．傾斜入射
124、126a、126b．．．弧
A、B、C．．．曲線
a、b．．．材料
c．．．材料
I．．．材料
n 0 ．．．折射率
n c ．．．折射率
n i ．．．折射率
TIR．．．全內反射
x、y、z．．．座標軸
θ 0 ．．．入射角
θ a ．．．傳播角
θ ac ．．．臨界角
θ alim ．．．極限角
θ amax ．．．最大光傳播角
θ amax(1) 、θ amax(2) ．．．超臨界角
θ b ．．．傳播角
θ bc ．．．臨界角
θ cc ．．．臨界角
θ clim ．．．極限角
θ ic ．．．臨界角
圖1為自空氣傾斜入射於具有材料"a"與"b"之交替微層的薄膜干涉堆疊上之光的示意橫截面圖；圖2a－c為展示在圖1之各種媒介中行進的光之可能傳播角之範圍的角圖：圖2a針對空氣媒介中之光，圖2b針對堆疊之"a"微層中之光，而圖2c針對堆疊之"b"微層中之光；圖3為反射率對波長的圖表，用繪製之若干理想曲線表示在法向入射下及在若干入射斜角下各向同性薄膜堆疊之反射帶；圖4描繪對應於不同鏡系統組態之平均反射率對堆疊之"a"微層中之傳播角(θ a )的理想圖表，其中反射率對應於在關注之波長(或波長範圍上求平均值)下的光，且在所有偏振狀態上求平均值；圖5為具有耦接至一可以超臨界角將光射入堆疊中之結構之薄膜堆疊的鏡系統的示意側視圖；圖6－8繪示具有可以超臨界角將光射入堆疊中之替代結構的鏡系統；圖9為包括薄膜堆疊及中間折射率之光學厚層的廣角鏡系統的示意橫截面圖，其中中間折射率之光學厚層限制堆疊中之光的傳播角，且亦使以超過堆疊之能力的極限入射角傳播的光在光學厚層之嵌入界面處全內反射；圖9a－c為展示在圖9之各種媒介中行進之光的傳播角之範圍的角圖：圖9a針對射入層("c")中之光，圖9b針於光學厚的中間折射率層("i")中的光，且圖9c針於堆疊之最低折射率"a"微層中的光；圖10為另一廣角鏡系統之示意橫截面圖，且圖10a－c為展示在圖10之各種媒介中行進之光的傳播角之範圍的角圖；圖11為又一廣角鏡系統之示意橫截面圖，且圖11a－b為展示在圖11之各種媒介中行進之光的傳播角之範圍的角圖；及圖12－16為展示實例中論述之各種鏡系統之光譜透射率或反射率的圖表。
52．．．薄膜堆疊
52a．．．外部主表面
90．．．鏡系統
92．．．第一層
94．．．光學厚層
94a．．．嵌入表面
96．．．光線
98a、98b、98c．．．光
n c ．．．折射率
n i ．．．折射率
TIR．．．全內反射

Claims (7)

  1. 一種鏡系統，其包含：一包含複數個微層之薄膜堆疊，該等微層通常垂直於一參考軸而平放並具有經選擇以實質上在一關注之波長範圍上及在一關注之微層角度範圍上反射光之折射率及厚度；一光學厚層，其耦接至該等微層並具有一大於空氣折射率但小於該等微層之該等折射率的折射率ni；及一或多個結構，其將光射入該光學厚層及該等微層中，包括將以一相對於該參考軸實質上為90°之角在該光學厚層中傳播的光射入該光學厚層及該等微層中；其中ni經選擇以使得以一相對於該參考軸實質上為90°之角在該光學厚層中傳播的光以一為θamax的角度折射入該複數個微層之參考媒介中。
  2. 如請求項1之鏡系統，其中該或該等結構包括分散於該光學厚層中之散射體。
  3. 如請求項1之鏡系統，其中該或該等結構包括該光學厚層之一不光滑表面。
  4. 如請求項1之鏡系統，其中該等微層之該等折射率係經選擇以消除相鄰微層之間的界面處之布魯斯特角(Brewster's angle)。
  5. 如請求項1之鏡系統，其中該等微層之一法向入射反射帶自約400nm延伸至至少約1600nm。
  6. 如請求項1之鏡系統，其中該光學厚層係一位於一用於 一顯示器的背光模組(backlight)中之光導。
  7. 如請求項1之鏡系統，其中該等微層之反射帶充分遠地延伸至近紅外區中，使得即使一鏡背面區域處之反射率局部減少，該鏡系統對於一人類觀察者而言仍呈現為可均勻地反射可見光。
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