專利名稱：反射式偏振顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種改進(jìn)型光學(xué)顯示器。
背景技術(shù)：
光學(xué)顯示器被廣泛地用于便攜式計算機(jī)，手持式計算器，數(shù)字式手表等。常見的液晶(LC)顯示器是此種光學(xué)顯示器的一個普通例子。傳統(tǒng)的液晶顯示器在一對吸收偏振片之間安裝液晶和電極矩陣。在這種液晶顯示器中，液晶部份靠施加電場來改變其光學(xué)狀態(tài)。該過程產(chǎn)生以偏振光顯示信息“像素”(“pixel”)所必需的對比度。
因此，傳統(tǒng)液晶顯示器包括前偏振片和后偏振片。一般，這類偏振片采用二向性染料，該染料對一種偏振取向光的吸收比與其對垂直的偏振取向光的吸收更強(qiáng)。通常，前偏振片透射軸與后偏振片的透射軸“相交”。交角可從零度直至九十度角變化。液晶，前偏振片和后偏振片共同組成液晶顯示片組件。
液晶顯示器可依據(jù)照明源分類。“反射”式顯示器是用“前部”進(jìn)入顯示器的環(huán)境光來照明。一般在液晶顯示器組件“后面”放置擦亮的鋁反射器，這種反射表面將光返回到液晶顯示器組件而維持入射到反射表面上的光的偏振取向。
在環(huán)境光線強(qiáng)度不是以觀看的應(yīng)用場合下，通常用“背光”組件來替代擦亮鋁表面。典型的背光組件包括光腔(optical cavity)和燈，或者產(chǎn)生光的其它結(jié)構(gòu)。這種在環(huán)境光及背光條件下可視的顯示被稱為“傳輸反射”(“transflective”)。傳輸反射式顯示的一個問題是典型背光不能象傳統(tǒng)擦亮的鋁表面一樣有效反射。而且，背光對光線偏振作用有隨機(jī)性，進(jìn)一步降低了提供給照明液晶顯示器的光量。因此，在環(huán)境光線下觀察時，背光補(bǔ)加到液晶顯示器使顯示亮度更弱。
為此，需要一種在環(huán)境照明和背光照明條件下均能夠有足夠亮度和對比度的顯示器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明光學(xué)的顯示器包括三個基本單元。第一單元是反射式偏振片。該反射式偏振片位于液晶顯示器組合件和光腔之間，這兩者分別構(gòu)成第二和第三單元。
附圖概述這些圖描述了本發(fā)明代表性和說明性的實例。同一引用的數(shù)字在整個若干張圖中表示相同結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明光學(xué)顯示器剖面圖；圖2是本發(fā)明作為例證的光學(xué)顯示器剖面圖；圖3是本發(fā)明作為例證的光學(xué)顯示器剖面圖；圖4是本發(fā)明反射式偏振片的放大剖面圖；圖5是反射式偏振片性能曲線圖；圖6是本發(fā)明亮度提高的光學(xué)顯示器示意圖；圖7是亮度增強(qiáng)器的工作說明示意圖；圖8是亮度增強(qiáng)器的工作曲線圖；圖9是作為例證的光學(xué)顯示器的剖面圖；圖10是作為作證的光學(xué)顯示器的剖面圖；圖11是作為例證的光學(xué)顯示器剖面圖；圖12是試驗結(jié)果曲線圖；圖13是作為例證的光學(xué)顯示器剖面圖；圖14是亮度增強(qiáng)反射式偏振片的剖面圖；圖15示出了形成單一界面的兩層“疊層”膜；圖16和17是在介質(zhì)系數(shù)內(nèi)為1.60的單軸雙折射系統(tǒng)的反射率比角度的曲線；圖18是在介質(zhì)系數(shù)為10的單軸雙折射系統(tǒng)的反射率比角度的曲線；圖19，20和21是單軸雙折射系統(tǒng)在面內(nèi)(in-plane)折射率和Z-折射率之間的各種關(guān)系；圖22顯示出兩種不同單軸雙折射系統(tǒng)的離軸反射率比波長關(guān)系；圖23示出了在雙軸雙折射膜中引入Y-折射率差的效果；圖24示出了在雙軸雙折射膜中引入Z-折射率差的效果；圖25是將圖18和19的信息相加得到的等值曲面圖；圖26～31示出了在鏡面實施例中得到的多層鏡面的光學(xué)性能；和圖32～35示出了在偏振片實施例中給出的多層鏡面光學(xué)性能。
本發(fā)明的實施例圖1是包括三個主要部件的作為例證的光學(xué)顯示器10的示意圖。這些部件包括圖示成液晶顯示組件16的偏振顯示模件，反射偏振片12和光腔24。
該圖中所示的液晶顯示組件16是由反射偏振片12和光腔24提供的偏振光照明。
由光線60描述的入射到顯示器10上的環(huán)境光線穿過液晶顯示器模件16和反射偏振片12，射到光腔27的漫反射面37上。光線62表示光線被漫反射面37反射到反射偏振片12。
光線64表示從光腔24內(nèi)部射出的光。該光線也射向反射偏振片12，而且穿過漫反射面37。光線62和光線64表示兩種偏振狀態(tài)(a，b)。
圖2是有三層液晶顯示器組件15的光學(xué)顯示器11的示意圖，該組件包括前偏振片18，液晶20和后偏振片23。在這實施例中，光腔24是邊緣照明背光(edge lit backliyht)，它包括反射燈外殼32內(nèi)的燈30。來自燈30的光線耦合到光導(dǎo)34，該光線在光導(dǎo)34上傳播，直至它遇到漫反射結(jié)構(gòu)，如光點(diǎn)36。將這些斷續(xù)排列的光點(diǎn)調(diào)整到得到燈光，并使這光線射向液晶顯示模件15上。進(jìn)入光腔24的環(huán)境光線可以射到光點(diǎn)上，或者也可能穿過光點(diǎn)之間間隙區(qū)域從光導(dǎo)中逸出。該漫反射層39位于光導(dǎo)34之下，以便截斷和反射這些光線。一般來講，可用光束38說明從光腔24出射的所有光線。這些光束入射至反射偏振片12上，該偏振片透過稱為“a”的第一偏振反向的光線，有效地反射具有正交偏振取向(b)的光線。因此，反射偏振片12透過光束42表示的一定數(shù)量光線，大量剩余光線按光束40所示的形式反射。優(yōu)選的反射偏振片材料是高效率的，所以在反射偏振片12內(nèi)的吸收所引起的總衰減很低(1％數(shù)量級)。這部分損失光可用光束44表示。被反射偏振片12反射的偏振狀態(tài)(b)的光線再進(jìn)入光腔24，該光射到漫反射結(jié)構(gòu)，如光點(diǎn)36，或射到漫反射層39。漫反射面起到把光腔24反射出的光的偏振狀態(tài)打亂的作用。路徑38描述了這種再循環(huán)和打亂(隨機(jī))過程。這種光腔24并不是一種理想反射器，光束46表示出由于散射和吸收在光腔中引起的光損耗。這種衰減也是較低的(20％數(shù)量級)。由光腔24和反射偏振片12相結(jié)合實現(xiàn)多重再循環(huán)，形成了將狀態(tài)(b)光轉(zhuǎn)換成狀態(tài)(a)光的有效機(jī)制，最終傳輸給觀看者。
這種過程有效性取決于本發(fā)明披露的反射偏振片表現(xiàn)出的低吸收率多個漫反射面的高反射率和打亂特性。圖2中，用光點(diǎn)36表示的斷續(xù)層以及漫反射連續(xù)層39可由氧化鈦顏料組成。值得一提的是，漫反射面37(如圖1所示)可由透明表面結(jié)構(gòu)聚碳酸酯組成。將這種材料以圖2所示的結(jié)構(gòu)置于光導(dǎo)34之上，使入射光隨機(jī)化。特殊的和最優(yōu)化結(jié)構(gòu)隨完成的光學(xué)顯示器的特定用途而變化。
一般來講，這種系統(tǒng)的增益取決于反射偏振體12和光腔24的效率。符合入射光偏振隨機(jī)化要求的高反射光腔24以及衰減很低的反射偏振片12，是最佳化的性能。
圖3是包括前偏振片18和液晶20的雙層液晶顯示器組件17為例證的光學(xué)顯示器14示意圖。該實施方案中，光腔24包括場致發(fā)光板21。這種傳統(tǒng)場致發(fā)光板21涂上磷材料19，當(dāng)電子撞擊時產(chǎn)生光，而且當(dāng)入射光照射時也產(chǎn)生漫反射。通常，場致發(fā)光顯示器是“粒狀的”，這是因為磷涂層的效率有變化。然而，由反射偏振片12返回的光線具有使光輻射“均勻化”傾向，改善了由光學(xué)顯示器14顯現(xiàn)出的亮度的總體勻稱性。在所示的光學(xué)顯示器14中，液晶顯示組件17不存在偏振片。在這種光學(xué)顯示器14中，反射偏振片12起到圖2上光學(xué)顯示器11所示的后偏振片23通常相關(guān)的功能。
圖4是反射偏振片12的部分透視圖。該圖包括描述反射偏振片12所指定的X，Y和Z方向的坐標(biāo)系統(tǒng)13。
所示的反射偏振片12是由兩種不同的聚合材料的交替層(ABABA…)組成。這些交替層在全部附圖和說明中被稱為材料“A”和材料“B”。這兩種材料擠壓在一起，所得到的多層(ABABA…)材料沿一個軸(X軸)拉伸(5∶1)，沿另一軸(Y)無明顯拉伸(1∶1)。X軸指“拉伸”方向，Y軸指“橫向”方向。
(B)材料的名義折射率(舉例來講n＝1.64)基本上不隨拉伸過程而改變。
(A)材料具有受拉伸過程改變折射率的特性。舉例來講，(A)材料的單軸拉伸薄片具有與拉伸方向相關(guān)的折射率(如n＝1.88)，而與橫方向相關(guān)的折射率為不同的折射率(如n＝1.64)。按照定義，與面內(nèi)軸相關(guān)的折射率(與膜表面相平行的軸)是面偏振入射光的有效折射率，這種入射光偏振面平行于軸。
因此，拉伸后，多層層疊(ABABA…)材料在與拉伸方向有關(guān)的層與層之間出現(xiàn)較大的折射率差(delta n＝1.88-1.64＝0.24)。而在橫方向上，層與層之間的有關(guān)折射率基本上相同(delta n＝1.64-1.64＝0.0)。這些光學(xué)特性引起多層層疊物起反射偏振片的作用，與軸22完全相同取向的入射光的偏振光透過。該軸定義為透射軸22，如圖4所示。從反射偏振片12出射的光線被認(rèn)定為具有第一偏振取向(a)的光。
不穿過反射偏振片12的光具有與第一種取向(a)不同的偏振取向(b)。呈現(xiàn)出這種偏振取向(b)的光會遇到導(dǎo)致這種光反射的折射率差。這被定義為圖4中軸25所示的所謂“吸光”軸。這樣一來，反射偏振片12通過具有選擇性偏振(a)的光。
實施例優(yōu)選“A”層是晶狀萘二羧酸聚酯，如聚萘二酸乙二醇酯(PEN)，優(yōu)選“B”層是萘二羧酸和對苯二酸或異鉈酸的共聚酯(CoPEN)。采用乙二醇作二醇，在標(biāo)準(zhǔn)聚酯樹脂釜中，可合成出PEN和70％萘二酸酯/30％對苯二酸酯共聚物(CoPEN)。在51槽給料塊中擠壓PEN和CoPEN，再在雙層合疊倍增器中連續(xù)擠壓，可制成令人滿意的204層偏振片。該倍增器將引出給料塊的擠壓材料分成兩條半寬度流體，再在彼此頂部堆列半寬度流體。此種倍增器在該技術(shù)領(lǐng)域中是熟知的。在約295℃下進(jìn)行擠壓。PEN特性粘度是0.50dl/g，CoPEN特性粘度是0.60dl/g。PEN材料擠壓速率22.5lb/hr，CoPEN擠壓速率16.5lb/hr。鑄網(wǎng)厚度約0.0038英寸，縱向單軸拉伸為5∶1，在拉伸過程中，側(cè)面的氣溫保持在140℃。除外皮層之外，對于設(shè)定波長550nm時，設(shè)計出所有一對層為1/2波長的光學(xué)厚度。
采用粘合劑，手工層疊如上所述的雙片204層偏振片。粘合劑折射率最好與各向同性CoPEN層的折射率匹配。
反射偏振片12的光學(xué)性能部分取決于各層的光學(xué)厚度。厚膜和薄膜結(jié)構(gòu)均有用。倘若層面出現(xiàn)多種波長的光長(light long)的光路，則反射偏振片12的光學(xué)性質(zhì)是固有寬帶。如果層面光學(xué)厚度低于光波長，則可利用相長干涉，以改進(jìn)選定波長的反射偏振片12的光學(xué)性能。
實施例中所述的制造步驟可加工均勻薄層，其光學(xué)厚度低于可見光譜區(qū)的光波長。如果薄層組(A，B)的光學(xué)厚度增加到入射光波長的一半(A+B＝lambda/2)，則會發(fā)生相長干涉。這種半波長條件導(dǎo)致在設(shè)定波長處的狹譜帶相長干涉。用層壓或者其它組合成多重狹譜帶堆列，可達(dá)到寬帶光學(xué)性能。舉例來講，把具有相同厚度的第一組37薄層(A+B＝lambda/2)層壓到具有不同厚度的第二組35(A+B＝lambda prime/2)。為了清晰起見，圖4中僅表示少量薄層，一般可以把數(shù)百層(ABAB…)相互層疊起來，達(dá)到有效寬帶響應(yīng)。最好將反射偏振片設(shè)計成在有價值的所有角度和波長上反射光。
盡管探討了作為例子的多層結(jié)構(gòu)的反射偏振片僅包含兩種材料的交替薄層，應(yīng)當(dāng)理解，反射偏振片12可取許多形式。舉例來講，可將附加類型薄層包納入多層結(jié)構(gòu)之中。而且在極限情況下，反射偏振片可包含一對的層(AB)，其中之一被拉伸。而且，可將二向色性偏振片直接粘合到反射偏振片12。
光腔24另一重要性質(zhì)是，與光腔相關(guān)的偏振隨機(jī)化過程也改變了入射光的方向。一般來講，大量光線退出光腔離軸。因此，在反射偏振片中此種光線路程超過接近正常光線的光程長度。這種效應(yīng)使該系統(tǒng)光學(xué)性能最佳。實施例中所述的反射偏振片12能使寬帶透射成為適應(yīng)離軸射線所要求的更長波長。圖5表出的軌跡31說明在寬范圍波長上的透射率超過80％。軌跡33表示在大部分可見光譜區(qū)的有效寬帶反射率。最佳反射率軌跡可擴(kuò)展到紅外區(qū)，并從約400nm擴(kuò)展到800nm。
在另一實施方案中，可利用亮度增強(qiáng)膜提高顯示器表現(xiàn)出的亮度。圖6表示具有三種基本單元的光學(xué)顯示器164。這些單元是光學(xué)顯示器模件142、亮度增強(qiáng)反射偏振片110和光腔140。完整的光學(xué)顯示器164一般在觀看者146所視的平面圖為平面矩形，截面較薄，三個基本組件彼此十分靠近。
使用時，顯示模件142是由亮度增強(qiáng)反射偏振片110和光腔140處理過的光束照明。這兩個組件一起使偏振光進(jìn)入有一角度的圖示的視區(qū)136。該光線通過顯示器模件142進(jìn)入觀看者146。這種顯示器模件142一般以像素顯示信息。通過一個像素的偏移光透射通過電控制液晶材料雙折射來調(diào)制。這就調(diào)制了光線偏振狀態(tài)，影響到形成顯示模件142一部分的第二偏振層的相對吸收。
圖中表示出兩種照明源。第一種是由光線162表示的室光。該光線穿過顯示模件142和亮度增強(qiáng)反射偏振片110，入射到光腔140。光腔反射光線165表示的光。第二光源可以是光線163表示的在光腔內(nèi)產(chǎn)生的。如果光腔40是背光，則主要照明源是在光腔140內(nèi)產(chǎn)生，這種光學(xué)顯示被稱為“背亮”(bcecklit)。如若主要照明源是由光線162和光線165表示的室光，則將光學(xué)顯示稱為“反射”或“被動顯示”。如果在室光和光腔產(chǎn)生的光下觀看到這種顯示，這種顯示稱為“傳輸反射”。本發(fā)明用于這種顯示類型的每一種方式。
不管光線來源如何，亮度增強(qiáng)反射偏振片110和光腔140一起共同使光線“再循環(huán)”，以致于最大數(shù)量光線被適當(dāng)?shù)仄?，進(jìn)入視區(qū)136。
一般來講，亮度增強(qiáng)反射偏振片110包括兩個單元。第一個是反射偏振體116，將特定偏振光透入到視區(qū)136。第二單元是光學(xué)結(jié)構(gòu)層113，它限定了視區(qū)136邊界。
光腔140除了與亮度增強(qiáng)反射偏振片110相互作用之外，還起著幾種功能，重要參數(shù)是對入射光的高反射值以及光腔140改變?nèi)肷涔夥较蚝推竦哪芰?。常?guī)的光腔滿足這些要求。
對任何光學(xué)系統(tǒng)來講，反射率、損耗和透射率之和一定等于100％光。吸收成為此種損耗的主要原因。在本發(fā)明中，亮度增強(qiáng)反射偏振片110對某些光線的吸收很低，反射率很高。因此，不能直接進(jìn)入視區(qū)136的光線被有效地傳遞到光腔140，在該光腔中改變這種光線，并且從具有適當(dāng)特性的光腔中射出，對視區(qū)136的光線有貢獻(xiàn)。
關(guān)于光學(xué)顯示器164，系統(tǒng)總增益取決于光腔140反射率和亮度增強(qiáng)反射偏振片110反射率的乘積。低吸收光腔，并且這光腔具有高反射率的后表面，再配這光腔能改變來自亮度增強(qiáng)反射偏振片110入射光的方向及偏振狀態(tài)，則該發(fā)明最為有效。應(yīng)當(dāng)注意，為了這些目的，這種光腔可用諸如丙烯酸類衍生物的透明介電材料填充。
盡管優(yōu)選的結(jié)構(gòu)表面112起著幾何光學(xué)的功能，但眾所周知，可將衍射或全息光學(xué)單元設(shè)計成有效模份成由幾何光學(xué)呈現(xiàn)出的光發(fā)射性質(zhì)。因而，可將術(shù)語結(jié)構(gòu)性表面112理解成將光線限定于較狹視區(qū)136的幾何和衍射光學(xué)系統(tǒng)。
圖7是起著本發(fā)明亮度增強(qiáng)器作用的條紋面N材料的放大圖。如前所述，條紋面材料218具有光滑面220和條紋表面222。在較佳實施方案中，條紋面222包括多個三角棱鏡。在較佳實施方案中，此類棱鏡是完全等邊棱鏡，棱鏡峰角范圍從70度到110度，這對本發(fā)明起到不同程度的效果。條紋面材料218可以是折射率大于空氣折射率的任何一種透明材料，但是一般來講，折射率較高的材料的效果更佳。聚碳酸酯折射率為1.586，已經(jīng)證實這種材料很有效。為了敘述本發(fā)明，設(shè)定條紋面222的棱鏡角為90度，設(shè)定條紋面材料218是聚碳酸酯。但可改用其它的條紋性表面材料。增指出過，對稱立方角薄片會產(chǎn)生優(yōu)良的效果。
圖8說明了條紋面材料218的作用。圖8的曲線圖具有兩條軸226和228。這些軸表示光線與垂直于光滑面220所形成的角度。具體地說，軸226表示光線方向投射到平行于條紋面222上的線性延伸的結(jié)構(gòu)的平面時，光線所形成的角度。同樣，軸228表示，當(dāng)光線方向投射到垂直于條紋面222上的線性延伸的結(jié)構(gòu)的平面時，光線與垂直于光滑面220所形成的角度。因此，在圖8曲線圖的原點(diǎn)標(biāo)記為零度，用它來表示垂直射到光滑面220的光線。可見，圖8劃分成區(qū)域230，232和234。落到區(qū)域230的角度的光線進(jìn)入條紋面材料218，但是被條紋面222全部內(nèi)反射，以致于第二次穿過光滑面220再進(jìn)入光腔。以落到區(qū)域232和234的角度射到光滑面220的光線將穿過，但是與法線不同角度而折射。由表示聚碳酸酯性能的圖8可知，以小于94度的角度垂直射到光滑面220的任何光線將被反射。
再回到圖7，該圖表示出四條典型的光線。第一條光線236以掠射角接近光滑面220，即對法線角度接近90度。如果光線236射到條紋面材料218，光線與垂直于表面220所形成角度是89.9度，則光線被折射，以致于當(dāng)它穿越條紋面材料218時，就與法線形成39.1度的角。一旦到達(dá)條紋面222時，就再次被折射。由于條紋面222上的結(jié)構(gòu)，它將被折射，以致于再度與條紋面222的法線形成更小角度。在該實施例中，形成35.6度角。
光線238以更接近于截止角(cut off angle)的角度接近光滑面220。當(dāng)光線通過光滑面220時，它也被折射，但折射程度更低些。若光線238以與光滑面220法線成10度的角度接近光滑面220時，它從與光滑面220法線形成37.7度的角度的條紋面222射出，但是它在那條法線另一側(cè)。
光線240以低于截止角的角度接近，它被條紋面222完全內(nèi)反射兩次，再返回到光腔內(nèi)。
最后，光線242以類似于光線238角度接近于光滑面220，但是從位置上講，它完全被條紋面上的一條棱鏡完全內(nèi)反射，但是它不被第二條反射。因此，光線以與光滑面220的法線更大的角度射出。由于此種反射僅發(fā)生于這么一種關(guān)系，該光線以形成到射到的一邊的較大入射的方向傳輸。這種棱鏡對此光線提供很小截面。除此以外，許多這些光線再進(jìn)入下一棱鏡，再返回到顯示器210。
圖7中未列出第5種光線。這是一組被光滑面220反射的光線，并不射到條紋面材料218。此類光線只不過與那些被反射回光腔中的其它光線合在一起。由這種探討可知，沒有條紋面材料218的光線將以對顯示軸較大角度從顯示器射出，在把顯示軸當(dāng)作光滑面220的法線時，該光線再指向接近該軸的方向。少量光以與該軸成大角度射出。因此，我們可以講，以此預(yù)定角度大的入射角，通過光滑面220進(jìn)入條紋面材料218的光線射到比輸入光楔更窄的輸出光楔，以比預(yù)定角度小的入射角，通過光滑面220進(jìn)入條紋面的大部分光線將會反射回光腔。
反射回光腔的光射向漫反射器。被反射的光返回到條紋表面材料218，一般來講，它與第一次形成的角相比有差別。再重復(fù)這種過程，更多光線再射向更小光楔。本發(fā)明關(guān)鍵之處在于，條紋面材料218必須能以第一預(yù)定組角度反射落在表面的光，并能穿過，但不是折射，光線按第二預(yù)定角度射到表面，其中第二組角度中的角度大于第一組角度中的角度，第二組角度的光線折射到比輸入光楔更窄的輸出光楔。在這種描述中，第一組和第二組角度是相對于垂直于顯示表面，即液晶的顯示軸。
圖9表示不存在亮度增強(qiáng)反射偏振片110的部分光學(xué)顯示器164的示意圖，使之可與無亮度增強(qiáng)反射偏振片110的性能對比。一般來講，用光束148描述從光腔140單元區(qū)域發(fā)出的光線，這種光線隨機(jī)偏振，存在光學(xué)狀態(tài)(a)，(b)、(c)和(d)。大致上這種光的一半是狀態(tài)(b)和(d)光，這些光被形成部分顯示模件42的二向色性吸收偏振片150吸收，剩余部分光為狀態(tài)(a)和(c)，這些光通過二向色性吸收偏振片150。用光束152描述從顯示模件42射出的光，這部分光包括(a)和(c)狀態(tài)光。雖然狀態(tài)(a)的光射向觀看者146，但狀態(tài)(c)的光不是。二向色性吸收偏振片150吸收剩余的具有(b)和(d)狀態(tài)的光。因此，實際上，由光腔140提供的僅約四分之一光對觀看者146所觀看的顯示亮度有貢獻(xiàn)。
亮度增強(qiáng)器能更有效利用由光腔140所提供的光線。如用光束154描述的同樣單位數(shù)量的光射向亮度增強(qiáng)反射偏振片110，大約四分之一的光((a)狀態(tài)光)在第一次穿過時穿過亮度增強(qiáng)反射偏振片110。這種光有正確的偏振，與二向色性吸收偏振片150透射軸一致，用光束161描述這種光。然而，剩余的具有(b)，(c)和(d)狀態(tài)的光被亮度增強(qiáng)反射偏振片110反射回光腔中。這種光的某些部分被光腔140按照方向和偏振，隨機(jī)化成(a)狀態(tài)。因而，如光束157所表示的以狀態(tài)(a)、(b)、(c)和(d)從光腔射出。然后再循環(huán)的狀態(tài)(a)加到光束160表示的原始透射光上。因此，光束160和光束161表示的總光量由于“再循環(huán)”而增加。因為，僅與二向色性吸收偏振片150(狀態(tài)(a))正確匹配的偏振光才能穿過亮度增強(qiáng)反射偏振片110，所以如光束163表示的從顯示器將發(fā)射出更多的光射向觀看者146。此外，因為狀態(tài)(b)和(d)光被亮度增強(qiáng)反射偏振片110所反射，被二向色性吸收偏振片150吸收的光很少。其結(jié)果是，光束163表示的從顯示器發(fā)射的光量比光束152表示的光量還高70％。
圖10示出了光學(xué)顯示器170。光學(xué)顯示模件142包括液晶矩陣147，它置于前偏振片149和后偏振片150之間。在該實施方案中，光學(xué)條紋層用縫隙171與反射偏振體116隔開。縫隙171對不要的(a)狀態(tài)光反射。在顯示器170中，光腔140是背光型，它包括在燈反射器173中的燈172。來自燈172的光進(jìn)入光導(dǎo)174，并且傳輸直到遇到諸如光點(diǎn)176的漫反射表面。盡管要求這些光點(diǎn)不連續(xù)排列，以便有效地從光導(dǎo)174中取得光，但斷續(xù)表面可能不足于完全使光再循環(huán)。因而，最好在不連續(xù)表面之下放置連續(xù)的漫反射表面175，以便有助于再循環(huán)過程。
圖11示出了光學(xué)顯示器179，其中光學(xué)條紋層113和條紋面112是獨(dú)立單元，靠近但并是直接加到反射偏振體116。這兩組單元加上縫隙181，構(gòu)成亮度增強(qiáng)反射偏振片110。使用時，光腔140提供顯示用光，還起著對從亮度增強(qiáng)反射偏振片110返回的光的偏振和方向進(jìn)行取向的作用。光室140包括場致發(fā)光板139，它的磷涂層起著漫反射表面137的作用。該實施方案的亮度增強(qiáng)反射偏振片110和圖10偏振片之間一個差別是，以超過臨界角134的角度接近條紋面112的光線。不管其偏振狀態(tài)如何，通過全內(nèi)射返回到光腔134內(nèi)。另一個差別是，由光學(xué)條紋層113透射出的光以接近直角方式穿過反射偏振片。再一個差異涉及到在光學(xué)模件中有一個前偏振器而沒有后偏振器。在這些實施方案中，背光是主光源，不需要在靠近亮度增強(qiáng)反射偏振片并置一個吸收偏振片，就可達(dá)到適當(dāng)?shù)膶Ρ榷取?br> 圖12示出了用標(biāo)準(zhǔn)場致熒光產(chǎn)生的背光的亮度增強(qiáng)反射偏振片材料樣品的試驗結(jié)果。在使入射光的方向和偏振取向隨機(jī)化方面，場致熒光產(chǎn)生的背光滿足對光腔提出的上述要求。為了提供比較的基礎(chǔ)，曲線162示出僅有二向色性偏振器而無亮度增強(qiáng)反射偏振體時供顯示的光透射。曲線164表示光強(qiáng)度對顯示的Y-Z平面的光線角分布，該顯示器包括結(jié)構(gòu)中帶有反射偏振片的亮度增強(qiáng)反射偏振體，和作為貼近層的條紋面如同圖12所示及前面所述的。曲線164示出了把軸上(on-axis)亮度單獨(dú)與二向色性偏振片相比增加了約60％。而且，在60度離軸處觀看亮度約降低50％。
在另一個實施例中，采用標(biāo)準(zhǔn)背光，在沿垂直于觀看面的顯示器上測得在二向色性偏振片上亮度增加100％，該顯示器是有帶有反射偏振體的亮度增強(qiáng)反射偏振片和作為貼近層的條紋面，如圖4所示及上述的描述。反射偏振器單獨(dú)使亮度提高30％，而條紋面也提高亮度70％，因此對于軸上觀看時的總亮度增加100％。
在這兩個實施例之間亮度增加的差異主要是由于用了不同光腔。圖12的曲線是用場致熒光產(chǎn)生的背光得到的，而后實施例取標(biāo)準(zhǔn)背光。每種類型光腔的反射和哀減影響可以達(dá)到的總亮度的增加。
采用圖13所示的另一種優(yōu)選顯示結(jié)構(gòu)，可二維控制從亮度增強(qiáng)反射偏振片射出的光線。有兩種光學(xué)條紋層113和182，每一層分別有條紋面112和184，彼此之間前后緊連，并靠近反射偏振片116。這三個單元構(gòu)成亮度增強(qiáng)反射偏振片110。盡管在圖13中，這兩個光學(xué)條紋層置于反射偏振片116之下，但應(yīng)理解為，反射偏振片116也可以置于光學(xué)條紋層112及182之間，或者置于其下，這不脫離發(fā)明范圍。將條紋面112和184的取向軸相交，以達(dá)到兩維控制。這些軸可以90度角取向，或者以大于90度的其它角度取向，這取決于顯示應(yīng)用及相關(guān)偏振要求。
實施中，第一個條紋層在Y，Z平面產(chǎn)生約70度視區(qū)，在X，Z平面產(chǎn)生110度視區(qū)。第一光學(xué)條紋層182逸出的光成為第二光學(xué)條紋層113的光源，它的條紋面112的向軸與光學(xué)條紋層182的條紋面184的取向軸不同。如若兩種光學(xué)條紋層113和184的軸以90度取向，舉例來講，光學(xué)條紋層182對X、Z平面的110度角之內(nèi)的光起作用，再把X、Z平面的視角壓縮至低于70角的更狹范圍，因而進(jìn)一步增強(qiáng)亮度。
圖14是單獨(dú)表示的亮度增強(qiáng)反射偏振片110的示意性透視圖。為了便于表述本發(fā)明結(jié)構(gòu)，該圖并不按比例畫出。圖14之中包括限定X，Y和Z方向的座標(biāo)系統(tǒng)118，在本發(fā)明描述提到這些方向。
由圖14可知，亮度增強(qiáng)反射偏振片110包括具有條紋面112的光學(xué)條紋層113。圖14中，這種光學(xué)條紋層113被復(fù)制于澆鑄在反射偏振片116之上的聚合物層上?？捎酶鞣N將兩片膜結(jié)合在一起的眾所周知技術(shù)形成圖14中所示的單元結(jié)構(gòu)，如熱層壓或澆鑄，以及讓條紋面材料在反射偏振片上老化，如美國專利5,175,030所述，其中反射偏振片在該過程之中起著基片的作用。為此，可將反射偏振片和亮度增強(qiáng)器是單元的說法理解為，這些單元彼此之間粘合。
在圖14中所示的優(yōu)選的作為例證的條紋面112是棱鏡陣列，用棱鏡114表示。每個棱鏡具有沿X方向延伸的峰脊。在YZ平面中，每個棱鏡114截面是等邊三角形，每個棱鏡頂角為120。盡管棱鏡陣列是較佳的，且可以改變成特殊的棱鏡幾何結(jié)構(gòu)和頂角120，以便滿足應(yīng)用的特殊要求。圖14所示的棱鏡陣列，在要求將逸出光學(xué)顯示器的光線局限到圖6所示的較狹視區(qū)136內(nèi)時，尤其有用。然而，凡要求其它視角時，光學(xué)條紋層113可取其它形式。盡管優(yōu)選的條紋面112起著幾何光學(xué)的作用，但眾所周知，可設(shè)計成衍射或全息光學(xué)單元，以便有效地模仿由幾何光學(xué)顯示出的光線發(fā)射性質(zhì)。因此，應(yīng)該將術(shù)語條紋面112理解為描述將光線限制于較狹視區(qū)136(圖6)的幾何學(xué)和衍射光學(xué)系統(tǒng)。一般而言，由于棱鏡陣列的固有偏振特性，當(dāng)棱鏡軸平行于反射偏振片被拉伸的方向時，將達(dá)到最優(yōu)化性能。
多層疊壓的光學(xué)性能下面將用更一般化說法來描述上述圖4中所示的多層疊層的光學(xué)性能。多層疊層可以包含數(shù)百層或數(shù)千層，每層可由任何多種不同的材料組成。決定特定疊層所選用材料的特征取決于疊層所要求光學(xué)特性。
疊層可包含如同疊層內(nèi)的層一樣多的多種材料。為了便于加工，優(yōu)選光學(xué)薄膜疊層僅包含幾種不同材料。為了說明起見，目前的探討將描述包括兩種材料的多層疊層。
材料或者具有不同物理性質(zhì)但化學(xué)上相同的材料之間的邊界可以是突變的或漸變的。除了分析解釋某些簡單情況之外，通常將對具有指數(shù)連續(xù)改變的后一種類型的分層解介質(zhì)的分析看作具有突變的邊界的大量較薄的均勻?qū)?，但在相鄰層之間的性質(zhì)僅有微小變化。
從任何方位角方向出發(fā)，由膜疊層的每一膜層的折射率決定了任意入射角的反射特征。倘若我們假設(shè)，膜疊層的所有層受到相同加工條件，則我們僅需了解兩組疊層的單個界面，就可理解全部疊層特性與角度關(guān)系。
因此，為使討論簡化起見，將敘述單個界面的光學(xué)性能。然而，應(yīng)該理解，按照本發(fā)明所述的原理，實際多層疊壓可由數(shù)百層或數(shù)千層組成。為了敘述單個界面的光學(xué)性能，如圖15所示的界面，對包括Z-軸和一條面內(nèi)光軸的入射面來講，畫出反射率對S和P的偏振片的入射角關(guān)系。
圖15示出了構(gòu)成單界面的兩種材料膜層，這兩層浸于折射率n。的各向同性介質(zhì)之中。為了簡化說明起見，本討論針對正交多層雙折射系統(tǒng)，兩種材料光軸對準(zhǔn)，一條光軸(Z)垂直于膜平面，另外光軸沿X軸和Y軸。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，光軸不必正交，非正交系統(tǒng)完全歸屬于本發(fā)明精神及范疇之內(nèi)。而且還應(yīng)理解到，光軸也不必與膜軸對準(zhǔn)，這也屬于本發(fā)明延伸范疇之內(nèi)。
計算任意厚度任意疊層膜光學(xué)的基本數(shù)學(xué)積木塊是眾所周知的單一膜界面的Fresnel反射和傳輸系數(shù)。Fresnel系數(shù)預(yù)測任意入射角時特定界面的反射率大小，對S和P偏振光有各自公式。
介電界面的反射率隨入射角函數(shù)變化，對各向同性材料來講，P和S偏振光的反射率有明顯不同。P偏振光的最低反射率是由于所謂的Brewster效應(yīng)引起的，反射達(dá)到零時的角度被稱為Brewster角。
在任何入射角時的任意膜疊層的反射性能是由所包含的全部膜的介電張量(dlelectrlc tersor)所決定。1987年，由North-Holland出版的“Ellipsometry and Polavized Light”(橢圓對稱和偏振光)(作者R.M.A.Azzam和N.M.Bashara)列出該題目的一般性理論論述。其結(jié)果從通用的眾所周知的Maxwell方程直接得到。
將分別由方程1和2得到的P和偏振光的反射系數(shù)絕對值求平方，計算出系統(tǒng)的單界面的反射率。方程1和2對于兩組軸對準(zhǔn)的單軸正交系統(tǒng)有效。1)rpp=n2z*n2o(n1z2-no2sin2θ-n1z*n1o(nz2-no2sin2θ)n2z*n2o(n1z2-no2sin2θ)+(1z*n1o(n2z2-no2sin2θ]]>2)rss=(n1o2-no2sin2θ)-(n2o2-no2sin2θ)(n1o2-No2sin2θ)+(n2o2-no2sin2θ)]]>其中θ是在各向同性介質(zhì)中測得的。
在單軸雙折射系統(tǒng)中，n1x＝n1y＝n1o，n2x＝n2y＝n2o。
在雙軸雙折射系統(tǒng)中，僅當(dāng)光偏振面平行于由圖15所限定的x-Z或y-Z平面，方程1和2才有效。因此，在雙軸系絲中，就x-Z平面的入射光，方程1中n1o＝n1x，n2o＝n2x(對P偏振光)，方程2中n1o＝n1y，n2o＝n2y(對S偏振光)。對于y-Z平面的入射光，方程1中n1o＝n1y，n2o＝n2y(對P偏振光方程2中，n1o＝n1x，n2o＝n2x(對S偏振光)。
方程1和2表示，反射率取決于疊層的每種材料在x，y和z方向上的折射率。各向同性材料的所有三種折射率都相同，因此nx＝ny＝nz。nx，ny和nZ之間的相互關(guān)系決定了材料光學(xué)特性。三種折射率之間不同關(guān)系導(dǎo)致材料的三類常見種類各向同性、單軸雙折射和雙軸雙折射。
將單軸雙折射材料限定于下述材料其一個方向的折射率不同于其它兩個方向的折射率。就現(xiàn)在討論而言，描述單軸雙折射系統(tǒng)約定為nx＝ny≠nz條件。x和y軸限定于面內(nèi)軸，各自的折射率nx和ny是指面內(nèi)折射率。
得到單軸雙折射系統(tǒng)的一種方法是雙軸拉伸聚合物多層疊層(即沿兩維拉伸)。多層疊層的雙軸拉伸導(dǎo)致平行于兩軸的平面的連接層的折射率之間的差異，因而兩個偏振面的光反射。
單軸雙折射材料可能具有或者正向或者負(fù)向單軸雙折射。當(dāng)Z-折射率高于面內(nèi)折射率(nz＞nx和ny)時，產(chǎn)生正向單軸雙折射。當(dāng)Z-折射率低于面內(nèi)折射率(nz＜nx和ny)，產(chǎn)生負(fù)向單軸雙折射。
雙軸雙折射材料限定于下述材料所有三軸的折射率不相同，即nx≠ny≠nz。而且，nx和ny折射率是指面內(nèi)折射率。在一個方向上拉伸多層疊層可產(chǎn)生雙軸雙折射系統(tǒng)。換言之，單軸拉伸疊層。就本發(fā)明討論來講，將x軸方向作為雙軸雙折射疊層的拉伸方向。單軸雙折射系統(tǒng)(反射鏡)下面討論單軸雙折射系統(tǒng)光學(xué)特性。如上所述，單軸雙折射材料的一般條件是nx＝ny≠nz。因此，如果圖15中每層102和104是單軸雙折射，則n1x＝n1y和n2x＝n2y。為現(xiàn)在討論起見，設(shè)定層102面內(nèi)折射率大于層104面內(nèi)折射率，因此x和y方向的n1＞n2。為了引入不同程度的正或負(fù)雙折射，通過改變n1z和n2z值來調(diào)節(jié)單軸雙折射多層系統(tǒng)的光學(xué)性能。
可用上述方程1來確定如圖15所示的由雙層組成的單軸雙折射系統(tǒng)的單界面反射率。對S偏振光來講，簡單地顯示方程2成等于各向同性膜簡單情況方程(nz＝ny＝nz)，因此我們僅需驗定方程1。為了說明起見，設(shè)定膜折射率為特殊值，盡管其值很普通。令n1x＝n1y＝1.75，n12＝變量，n2x＝n2y＝1.50，及n2z＝變量。為了解釋本系統(tǒng)中各種可能的Brewster角，周圍各向同性介質(zhì)n0＝1.60。
圖16表示從各向同性介質(zhì)到雙折射層對P-偏振入射光的反射比率與角度曲線，該情況時n1z數(shù)值對大于或等于n2z(n1z≥n2z)。圖16中所示曲線為下述Z-折射率數(shù)值a)n1z＝1.75，n2z＝1.50；b)n1z＝1.75，n2z＝1.57；c)n1z＝1.70，n2z＝1.60；d)n1z＝1.65，n2z＝1.60；e)n1z＝1.61，n2z＝1.60；f)n1z＝1.60＝n2z。當(dāng)n1z接近于n2z時，反射率為零的Brewster角增加，曲線a-e與角度相關(guān)性強(qiáng)。然而，當(dāng)n1z＝n2z(曲線f)，角度與反射率沒有關(guān)聯(lián)。換言之，曲線f的反射率對所有入射角是相同的。在該點(diǎn)，方程1簡化成與角度無關(guān)的形式(n2o-n1o)/(n2o+n1o)。當(dāng)n1z＝n2z，不存在Brewster效應(yīng)，且對于所有入射角具有恒定不變的反射率。
圖17示出了反射率對入射角的曲線，其中n1z的數(shù)值小于或等于n2z。光線從各向同性介質(zhì)入射到雙折射層。在這些情況下，反射率隨入射角單調(diào)增加。對S-偏振光能觀察到此現(xiàn)象。圖17中的曲線表示s偏振光的一種情況。曲線b-e表示p偏振光對不同nz數(shù)值的情況，其次序如下b)n1z＝1.50，n2z＝1.60；c)n1z＝1.55，n2z＝1.60；d)n1z＝1.59，n2z＝1.60；和e)n1z＝1.60＝n2z。而且，當(dāng)n1z＝n2z(曲線e)時，不存在brewster效應(yīng)，對所有入射角具有相同反射率。
圖18示出了與圖16和圖17相同的情況，但是對入射介質(zhì)(空氣)的折射率no＝1.0。圖18中曲線是在折射率n2x＝n2y＝1.50，n2z＝1.60的正向單軸材料的單界面處，以及n1x＝n1y＝1.75的負(fù)向單軸材料的界面處的P偏振光，并且n1z數(shù)值次序從上到下為a)1.50；b)1.55；c)1.59；d)1.60；f)1.61；g)1.65；h)1.70；和i)1.75。而且，如圖16和17中所示，當(dāng)n1z和n2z值匹配時(曲線d)，角度與反射率無關(guān)聯(lián)。
圖16，17和18表示，當(dāng)一種膜Z軸折射率等于另一種膜Z軸折射率時，從一種類型性能跨越到另一種類型性能。這適用于一正向和負(fù)向單軸雙折射和各向同性材料的幾種結(jié)合情況。在其它場合下，Brewster角偏移到更大或更小角度。
圖19，20和21表示在面內(nèi)折射率和Z-軸折射率之間光學(xué)可能的相互關(guān)系。垂直軸表示折射率相對值，水平軸用于只將各種條件分隔開。每張圖從左側(cè)開始有兩片各向同性膜，其中Z-折射率等于面內(nèi)折射率。當(dāng)向右移動時，面內(nèi)折射率保持常數(shù)，各種Z軸折射率增加或降低，說明正向或負(fù)向雙折射的相對量。
圖19說明有關(guān)圖16，17和18的上述情況。材料一的面內(nèi)折射率大于材料二的面內(nèi)折射率，材料一具有負(fù)雙折射(n1z小于面內(nèi)折射率)，材料二具有正雙折射(n2z大于面內(nèi)折射率)。Brewster角消失并且對于所有入射角的反射率相同的這一點(diǎn)是在兩種Z軸折射率相等處。該點(diǎn)相應(yīng)于圖16中曲線f、圖17中曲線e或圖18中曲線d。
圖16中，材料一的面內(nèi)折射率大于材料二的面內(nèi)折射率，但材料一具有正雙折射，材料二具有負(fù)雙折射。在這種情況下，Brewster最低值可移至更低角度值。
對于兩種膜之一是各向同性的極限情況下，圖19和20都有效。這兩種情況是材料一為各向同性并且材料二為正雙折射，或者材料二為各向同性并且材料二為負(fù)雙折射。處于Brewster效應(yīng)不存在的點(diǎn)是在雙折射材料Z-軸折射率等于各向同性膜折射率處。
另一種情況是兩種膜為相同類型，即均為負(fù)雙折射或者均為正雙折射。圖21表示貳種膜具有負(fù)雙折射。而且，應(yīng)該理解到，兩種正雙折射層情況類似于圖21中所示的兩種負(fù)雙折射層情況。如同前，僅當(dāng)一種Z軸折射率等于或超過另一種膜折射率時，消除了Brew-ster最低值。
還發(fā)生一種情況兩種材料面內(nèi)折射率相等，但Z軸折射率不同。在這種情況下，即圖19-21所示的一組所有三種情況，任意角的S-偏振光不發(fā)生反射，對P偏振光的反射率隨入射角增加而單調(diào)性增加。這種類型的成品隨入射角增加，增加了P偏振光的反射率，并且對S偏振光是透明的。這種成品被稱作為“P-偏振器”。
該領(lǐng)域熟知者易于認(rèn)識到，可以應(yīng)用上述的單軸雙折射系統(tǒng)性能的原理，產(chǎn)生不同環(huán)境下的所希望的光學(xué)效應(yīng)?？梢钥刂贫鄬盈B層中薄層的折射率，經(jīng)過修正，得到所需光學(xué)性質(zhì)的器件(裝置)。用各種面內(nèi)和Z軸折射率，可產(chǎn)生許多負(fù)和正單軸雙折射系統(tǒng)，采用此外所述原理可以設(shè)計和加工許多有用的裝置。
雙軸雙折射系統(tǒng)(偏振器)再次參照圖15，現(xiàn)在敘述兩組正交雙軸雙折射系統(tǒng)。而且，這種系統(tǒng)可具有許多層，但通過研究一個界面處的光學(xué)性能，可以理解疊層的光學(xué)性能。
可以把雙軸雙折射系統(tǒng)設(shè)計成對于所有入射角而言使與一條軸平行的偏振面上的光具有高反射率，并且在所有入射角情況下，同時使與另一條軸平行的偏振面上的光具有低反射率。因此，雙軸雙折射系統(tǒng)作為一種偏振器，透射一種偏振光，反射另一種偏振光。控制每種膜的三種折射率nx，ny和nz，可以得到所要求的偏振器性能。
上述PEN/CoPEN多層反射偏振片是雙軸雙折射系統(tǒng)的一個實施例。然而，應(yīng)該理解到，一般來講，用于制作多層疊層的材料并不需要是聚合物。此處所述的基本原理范圍內(nèi)的任何材料可用于加工多層疊層。
再參照圖15，為了解釋起見，我們設(shè)定，膜折射率為下述數(shù)值n1x＝1.88，n1y＝1.64，n1z＝變量，n2x＝1.65，n2y＝變量，n2z＝變量。將X方向稱作消光方向，將Y方向稱作透射方向。
可用方程1預(yù)測兩種重要的情況下光線的雙軸雙折射系統(tǒng)的性能，即入射面或者是拉伸方向或者是非拉伸方向。該偏振片在一個偏振方向為反射鏡，在另一方向為窗口。在拉伸方向，有幾百層的多層疊層內(nèi)的高折射率差1.88-1.65＝0.23，使得對S偏振光產(chǎn)生很高反射率，對P偏振光來講，不同角度的反射率取決于n1z/n2z折射率差。
在大多數(shù)應(yīng)用中，理想反射偏振片在所有入射角時沿一條軸有高反射，沿另一條軸具有零反射。如果沿透透射軸發(fā)生一些反射，而且對不同波長反射率不同，就降低了偏振片的效率，將顏色引入透過的光中。兩種效應(yīng)均不希望發(fā)生。這是由高Z折射率不匹配引起的，即使面內(nèi)Y折射率是匹配的。因此所產(chǎn)生的系統(tǒng)對p有高反射率，對s偏振光是高度透明的。這種情況就是上述分析反射鏡的“p偏振器”的情況。
圖22示出了對于800層PEN/CoPEN疊層，偏振光在70°時的反射率(以log[1-R]作圖)，入射光平面在非拉伸方向內(nèi)。反射率以可見光區(qū)(400-700mm)波長為函數(shù)作圖。曲線a在550nm的相關(guān)折射率為n1y＝1.64，n1z＝1.52，n2y＝1.64和n2z＝1.63。典型疊層設(shè)計對于四分之一波長對是簡單線性厚度梯度，其中每一對比前一對厚0.3％。將所有層選定為具有高斯分布和5％標(biāo)準(zhǔn)偏差的隨意厚度誤差。
曲線a表示沿透射軸(Y軸)在可見光區(qū)上有高的離軸反射率，不同波長具有不同反射率。由于譜圖對層厚誤差和空間不均性很敏感，如膜厚度，這造成很不均稱并且表現(xiàn)出“多色”的雙軸雙折射體系統(tǒng)。盡管某些應(yīng)用要求深度顏色，它要求控制離軸顏色并對于要求表現(xiàn)出均勻淺色的一類應(yīng)用使顏色降至最低，如液晶顯示器或其它類型顯示器。
如果將疊層設(shè)計成提供對所有可見光波長具有相同反射率，就可得到均勻中性本色反射。然而，這就要求幾乎準(zhǔn)確地控制厚度。相反，在非拉伸面內(nèi)折射率(n1y和n2y)中引入折射率誤匹配，產(chǎn)生Brewster條件的偏離軸，可以減少離軸反射部及離軸顏色，同時保持s偏振反射率為最低值。
圖23是降低沿著雙軸雙折射系統(tǒng)透射軸的離軸反射比時，引入y折射率不匹配的效果。當(dāng)n1z＝1.52和n2z＝1.63(△nz＝0.11)時，對p偏振光給出下述條件a)n1y＝n2y＝1.64；b)n1y＝1.64，n2y＝1.62；c)n1y＝1.64，n2y＝1.66。曲線a示出了面內(nèi)折射率n1y和n2y相等情況下的反射率。曲線a在零度時的反射最低，但在20°后陡然上升。對曲線b，n1y＞n2y，反射率迅速上升。曲線C的n1y＜n2y，在38°時反射最小，但隨后突然上升。如曲線d所示對于n1y≠n2y的s偏振光，也會同樣發(fā)生相當(dāng)數(shù)量的反射。圖23的曲線a-d說明，為了使Brewster降低到最小，y軸折射率不匹配(n1y-n2y)符號與Z軸不匹配(n1z-n2z)符號應(yīng)當(dāng)相同。在n1y＝n2y情況下，s偏振光的反射比在所有角度都為零。
通過降低層之間Z軸折射率差，可再降低離軸反射率。如果n1z等于n2z，圖18說明，當(dāng)在垂線上射入射，消光軸仍具有很高離角反射率，沿著非拉伸軸的任意角，不發(fā)生反射，因為兩種折射率是一致的(如，n1y＝n2y和n1z＝n2z)。
在某些聚合物體系中，兩種y折射率和兩種Z折射率不可能精確匹配。如果Z軸折射率在偏振器結(jié)構(gòu)中不匹配，對面內(nèi)折射率n1y和n2y可以要求輕度不匹配。圖24畫出另一實施例，假定n1z＝1.56和n2z＝1.60(△nz＝0.04)，y軸折射率如下1)n1y＝1.64，n2y＝1.65；b)n1y＝1.64，n2y＝1.63。曲線C是任何情況下的s偏振光。y折射率不匹配符號與Z軸折射率不匹配符號相同的曲線a的離角反射率最低。
圖24中曲線a條件的75°入射角時，800層計算得到的疊層膜的離軸反射性畫在圖22中曲線b。對此圖22中曲線b和曲線a說明，存在極少離軸反射率，因此，出現(xiàn)很淺可視色，這就是曲線b所示情況。在550nm處曲線b的相對折射率為n1y＝1.64，n1z＝1.56，n2y＝1.65和n2z＝1.60。
圖25表示方程1等值圖，它總結(jié)了圖15有關(guān)p偏振光討論中的離軸反射率。非拉伸方向涉及的四種獨(dú)立折射率被減小到兩種折射率不匹配值△nz和△ny。該圖是從0°到75°按15°增量的各種入射角四條曲線的平均。反射率范圍從等值線a的0.4×10-4到等值線j的4.0×10-4，恒定增量是0.4×10-4。這些曲線說明，沿著一條軸的不匹配的折射率所引起的高反射比，如何可用沿另一條軸不匹配來補(bǔ)償。
因此，通過減少雙軸雙折射系統(tǒng)的層之間的的Z軸折射率不匹配性，和/或通過引入y軸折射率不匹配性，以產(chǎn)生Brewster效應(yīng)，可以使沿著多層反射偏振器的透射軸和離軸反射率，以及離軸顏色最小。
還應(yīng)當(dāng)指出，利用此處所述的原理，也可以設(shè)計出在狹波范圍內(nèi)起作用的狹譜帶偏振器?？梢灾瞥僧a(chǎn)生紅、綠、藍(lán)、藍(lán)青、絳紅，或者黃色的偏振器。
材料選擇和加工隨著確立起上述設(shè)計思路，一個普通技術(shù)員容易理解到，可以采用品種繁多材料，在各種選定條件下加工，得到所要求的折射率相關(guān)性，制成本發(fā)明的多層反射鏡或偏振片。一般來講，全部要求是，一種材料與第二種材料對比，在選定方向上具有不同折射率?？捎枚喾N方式達(dá)到這種差異，包括在成膜期或成膜后拉伸(如在有機(jī)聚合物情況下)，擠壓(如，在液晶材料情況下)，或者涂層。此外，兩種材料最好具有類似流變性(如熔融粘度)，以致可將其共擠壓。
一般而言，通過選擇可達(dá)到適當(dāng)組合，如選擇晶體或半晶體有機(jī)聚合物作為第一種材料，以及有機(jī)聚合物作為第二種材料。反過來，第二種材料可以是晶體，半晶體，或無定形物，或者它的雙折射性與第一種材料相反。
適宜的聚合物的具體例子包括聚萘二酸乙二醇酯(PEN)以及它的異構(gòu)體(如2，6-，1，4-，1，5-，2，7-2，3-PEN)，聚亞烷基對苯二酸酯類(如聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚對苯二甲酸丁二醇酯，聚-1，4-環(huán)己基二亞甲基萘二酸酯)，聚酰亞胺(如聚丙烯酸亞酰胺)，聚醚亞酰胺，無規(guī)聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸酯(如聚異丁基甲基丙烯酸酯，聚丙基甲基丙烯酸酯，聚乙基甲基丙烯酸酯，和聚甲基甲基丙烯酸酯)，聚丙烯酸酯(如聚丁基丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯)，纖維素衍生物(如乙基纖維素，纖維素醋酸酯，纖維素丙酸酯，纖維素醋酸酯丁酸酯，和纖維素硝酸酯)，聚烯烴聚合物(如聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚異丁烯，和聚(4-甲基)戊烯)，氟代聚合物(如聚四氟烷氧樹脂，聚四氟乙烯，氟代乙烯丙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，聚氯三氟乙烯)，氯代聚合物(如聚偏二氯乙烯和聚氯乙烯)，聚砜，聚醚砜，聚丙烯腈，聚酰胺，硅酮樹脂，環(huán)氧樹脂，聚醋酸乙烯酯，聚醚-酰胺，離子鍵樹脂，彈性體(如聚丁二烯，聚戊烯和氯丁二烯樹膠)和聚氨基甲酸酯。還有一些合適的共聚物，如PEN(如2，6-，1，4-，1，5-2，7-和/或2，3-萘二甲酸，或者這類酯的共聚物)，與下述形成共聚物；(a)對苯二酸或它的酯；(b)間苯二酸或它的酯；(c)苯二酸或它的酯，(d)烷烴二元醇；(e)環(huán)烷烴二元醇(如環(huán)己烷二甲醇)；(f)烷烴二羧酸；和/或(g)環(huán)烷烴二羧酸(如環(huán)己烷二羧酸)，聚亞烷基對苯二酸酯與下述化合物的共聚物(如對苯二酸或者它的酯共聚物)(a)萘二羧酸或其酯類；(b)間苯二酸或其酯類；(c)苯二酸或其酯類；(d)烷烴二元醇；(e)環(huán)烷烴二元醇(如環(huán)己烷二甲醇)；(f)烷烴二羧酸；和/或(g)環(huán)烷烴二羧酸(如環(huán)己烷二羧酸)，和苯乙烯共聚物(如苯乙烯-丁二烯共聚物和苯乙烯-丙烯腈共聚物)，4，4′-聯(lián)苯甲酸和乙二醇。此外，每個獨(dú)立層可包括兩種或多種上述聚合物或共聚物的共混物(如SPS和無規(guī)聚乙烯共混物)。
偏振器情況下，特別優(yōu)選的組合層包括PEN/CoPEN，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)/Co-PEN，PEN/SPS，PET/SPS，PEN/Eastair，和PET/Eastair，其中“Co-PEN”指依據(jù)萘二羧酸的共聚物或共混物(如上所述)，Eastair是聚環(huán)己烷二亞甲基對苯二甲酸酯，商品來自Fastman Chemical公司。
反射鏡情況下，特別優(yōu)選的組合層包括PET/Ecdel，PEN/Ecdel，Pen/sps，PEN/THV，PEN/Co-PET，和PET/SPS，其中“C0-PET”指依據(jù)苯二甲酸的共聚物或共混物(如上所述)，Ecdel是熱塑性聚酯，商品來自Eastman Chemical公司，THV是氟聚合物，商品來自3M公司。
從經(jīng)濟(jì)原因考慮，選擇裝置中的層數(shù)采用最低數(shù)目層來達(dá)到所要求光學(xué)性質(zhì)。在偏振器和反射鏡情況下，層數(shù)最好少于10000，更好是層數(shù)少于5000，及(甚至更好是)低于2000。
如上所述，制備多層裝置所采用的加工條件將影響達(dá)到各種折射率(也就是多層裝置光學(xué)性質(zhì))之間所要求的相互關(guān)系的能力。在可采用拉伸來取向的有機(jī)聚合物中，通常采取下述步驟制造裝置共擠壓各個聚合物以形成多層膜，然后在選定的溫度下拉伸使膜取向，接著在選定溫度下熱定形。另外一種方式是，可同時進(jìn)行擠壓和取向步驟。在偏振器情況下，基本上在一個方向上拉伸膜(單軸取向)，而在反射鏡的情況下，主要在兩個方向上拉伸膜(雙軸取向)。
由于交叉拉伸(等于拉伸率的平方根)的自然減小受到約束(即，在交叉拉伸量上基本上無變化)，膜的大小可以在交叉拉伸方向上縮短。正如在長度取向一樣，該膜可在機(jī)器方向上可用拉幅機(jī)對寬拉伸，或者對角拉伸。
選擇拉伸前溫度、拉伸溫度、拉伸速率、拉伸比、熱定形溫度、熱定形時間、熱定形弛豫和交替拉伸弛豫，就可得到所要求折射率關(guān)系的多層裝置。這些變量相互有關(guān)；因此，舉例來講，如果配上較低拉伸溫度，可用較低拉伸速率。顯然，該技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員知道如何選擇適當(dāng)?shù)倪@幾種變量組合來制成所需的多層裝置。然而，一般而言，在偏振器情況下，優(yōu)選拉伸比為1∶2-10(更合適的是1∶3-7)。在反射鏡情況下，較好的是沿一條軸拉伸率在1∶2-10的范圍內(nèi)(更好是1∶2-8，最好是1∶3-7)，沿另一條軸拉伸率在1∶-0.5-10的范圍(更好是1∶1-7；最好是1∶3-6)。
采用如紡?fù)?如Boese等報道，J.Polym.Sci.，Part B301321(1992))，技術(shù)也可制作合適的多層裝置，后一技術(shù)對于晶體聚合有機(jī)物和無機(jī)材料特別有用。
現(xiàn)在通過下述實施例敘述本發(fā)明。在實施例中，由于光吸收可忽略不計，分射等于1減透射(R＝1-T)。
反射鏡實施例PETEcdel，601在一條順序平膜生產(chǎn)線上通過共擠壓過程加工成含601層的共擠壓膜。用一擠壓機(jī)以每小時75磅速率傳送特性粘度為0.6dl/g的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)(60％重量苯酚/40％重量二氯苯)，用另一擠壓機(jī)以每小時65磅速率傳送Ecdel 9966(Eastman Chemi-cal提供的熱塑彈性體)。PET在皮層上。采用給料塊方法(如美國專利號3,801,429所述)產(chǎn)生151層，該層穿過兩個倍增器生產(chǎn)601層擠壓物。美國專利號3,565,985敘述了典型的共擠壓倍增器。網(wǎng)膜在長度上拉伸，拉伸比約3.6，網(wǎng)膜溫度約210°F。接著把膜預(yù)熱至約235°F約50秒鐘，在橫向方向上拉伸，拉伸比約40，速率約每秒6％。在設(shè)定成400°F的熱定型烘箱中，再將該膜縮短約最大寬度的5％。完成的膜厚度是2.5密爾。
所產(chǎn)生的澆鑄網(wǎng)膜的空氣側(cè)構(gòu)造是粗糙的，它提供如圖26所示的透射。在60°角度的p偏振光的透射的百分比(曲線b)類似于垂直入射的值(曲線a)(波長偏移)。
為比較起見，用Mearl公司制成的膜，假設(shè)這種膜是各向同性材料(見圖27)，該膜在60°角時對p偏振光有明顯衰減(曲線b，對于垂線入射時的曲線a，兩者相比)。PETEcdel，151在一條順序平膜制造線上通過共擠壓過程加工成含601層的共擠壓模。用一擠壓機(jī)以每小時75磅速率傳送特性粘度為0.6gl/g的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)(60％重量苯酚/40％重量二氯苯)，用另一擠壓機(jī)以每小時65磅速率傳送Ecdel 9966(Eastman Chemi-cal提供的熱塑彈性體)。PET在皮層上。采用給料塊方法產(chǎn)生151層。從長度上拉伸網(wǎng)膜，拉伸比約3.5，網(wǎng)膜溫度約210°F。接著對膜預(yù)熱至約215°F約12秒鐘，在橫向方向上拉伸，拉伸比約4.0，速率約每秒25％。在400°F的熱定形烘箱中約6秒鐘內(nèi)使膜縮短約最大寬度的5％。完成的膜厚度約0.6密爾。
圖28表示該膜透射性。60°角p偏振光的透射百分比(曲線b)類似于帶有波長位移的垂直入射的值(曲線a)，在相同擠壓條件下，減慢網(wǎng)速度，制成紅外反射膜，厚度約0.8密爾。圖29表示了這種透射(垂直入射的曲線a，60度角的曲線b)。PENEcdel，225在一次操作中，用擠壓鑄網(wǎng)，得到含225層的共擠壓膜，然后在實驗室的膜拉伸裝置中對該膜進(jìn)行取向。用一擠壓機(jī)以每小時18磅速率傳送特性粘度為0.5dl/g的聚萘二酸乙二醇酯(PEN)(60％重量苯酚/60％重量二氯苯)，用另一擠壓機(jī)以每小時17磅速率傳送Ecdel 9966(Eastman Chemical提供的熱塑彈性體)。PEN在皮層上。用給料塊方法產(chǎn)生57層，它穿過兩個倍增器，產(chǎn)生225層擠壓物。澆鑄網(wǎng)膜厚度12密爾，寬12時。然后利用實驗室拉伸裝置對網(wǎng)膜進(jìn)行雙軸取向，該拉伸裝置采用縮放儀(pantograph)抓住膜的方形截面，同時以均勻速率在兩個方向上拉伸膜。將7.46cm的方形網(wǎng)膜在約100℃時裝載于拉伸機(jī)，60秒鐘內(nèi)加熱至130℃。接著以100％/秒拉伸(以原始尺寸為基礎(chǔ))，直至樣品拉伸至約3.5×3.5。拉伸后立即用室溫空氣吹掃樣品，冷卻拉伸樣品。
圖30示出了這種多層膜的光學(xué)響應(yīng)(垂直入射的曲線a，60度的曲線b)。注意，60°角度的偏振光的透射百分比類似于垂直入射的透射百分比(帶有一些波長位移)。PENTHV 500，449在一次操作中，擠壓澆鑄網(wǎng)，得到含有449層的共擠壓膜，隨后在實驗室拉伸裝置中對該膜進(jìn)行取向。用一擠壓機(jī)以每小時56磅速率傳送特性粘度為0.53dl/g的聚萘二甲酸乙二醇酯(60％重量苯酚/60％重量二氯苯)，用另一擠壓機(jī)以每小時11磅速率傳送THV500(Minnesota Mining and Manufacturing公司提供的氟聚合物)。PEN在皮層上，在兩皮層中有50％PEN。用給料塊方法制成57層，它通過三個培增器，制成449層擠壓物。澆鑄網(wǎng)膜厚度為20密爾，寬度為12時。利用一種實驗室拉伸裝置再對網(wǎng)膜進(jìn)行雙軸取，該裝置利用一縮放機(jī)抓住方形截面膜，同時在兩個方向上以均勻速率拉伸。將7.46cm的方形網(wǎng)膜在約100℃下裝載于拉伸機(jī)上，在60秒內(nèi)加熱至140℃。開始以10％/秒拉伸(以原始尺寸為基礎(chǔ))，直至樣品拉伸至約3.5×3.5。拉伸后立即用室溫空氣對樣品吹掃，冷卻拉伸的樣品。
圖31示出了這種多層膜透射。而且，曲線a表示垂直入射時的響應(yīng)，曲線b表示60度時的響應(yīng)。
偏振器實施例PENCoPEN，449-淺色在一次操作中，擠壓澆鑄膜，制成包含449層的共擠壓膜，然而在實驗室膜拉伸裝置對膜取向。用擠壓機(jī)以每小時43磅速率傳送特性粘度為0.56dl/g的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)(60％重量苯酚/40％重量二氯苯)，用另一擠壓機(jī)以每小時25磅速率傳送特性粘度為0.52dl/光腔的CoPEN(70％摩爾2，6NDC和32％摩爾DMT)(60％重量苯酚/40％二氯苯中)。PEN在皮層中，在兩個皮層中有40％PEN。用給料塊方法產(chǎn)生57層，它通過三個倍增器，產(chǎn)生449層擠壓物。澆鑄網(wǎng)膜厚度為10密爾，寬度為12時。利用實驗室拉伸裝置再單軸取向這個網(wǎng)膜，該裝置采用縮放機(jī)抓住方形截面膜，在一個方向上拉伸，同時另一方向以均勻速率壓制。將7.46cm方形網(wǎng)約在約100℃時加載于拉伸機(jī)，于60秒內(nèi)加熱至140℃。再以10％/秒拉伸(以原始尺寸為基礎(chǔ))，直至樣品拉伸至約5.5×1。拉伸后立即用室溫空氣吹掃樣品，冷卻拉伸的樣品。
圖32示出這種多層膜的透射。曲線a表示在垂直入射的P偏振光透射，曲線b表示60°入射的SP偏振光的透射。注意，p偏振光在垂直和60°入射時的透射很高(85-100％)。在60°時對p偏振光的透射較高，這是因為空氣/PEN界面具有接近60°的Brewster角，所以在60°入射時透射幾乎為100％。還要指出，曲線C表示出的可見光區(qū)(400傾斜700nm)s偏振光的消光很高。PENCoPEN，601-深色同擠壓網(wǎng)方式制成包含601層的共擠壓膜，兩天后，用不同于所有其它實施例的另外一種拉幅機(jī)對膜取向。用一個擠壓機(jī)以每小時75磅速率傳送特性粘度為0.5dl/g(60％重量苯酚/40％重量二氯苯)聚萘二酸乙二醇酯(PEN)，用另一擠壓機(jī)以每小時65磅速率傳送特性粘度0.55dl/g的CoPEN(70％摩爾2，6NDC和30％摩爾DMT)(60％重量苯酚/40％重量二氯苯)。PEN在皮層上。采用送料塊方法制成151層，讓它通過兩倍增器，得到601層擠壓物。美國專利號3,565,985描述了類似的共擠壓倍增器。所有拉伸在拉幅機(jī)上進(jìn)行。膜于約20秒鐘內(nèi)預(yù)熱至約280°F，在橫向方向上拉伸，拉伸比約4.4，速率約每秒6％。在460°F熱定型烘箱中，使膜縮短其最大寬度的2％。
圖33示出了膜透射。曲線a表示垂直入射時p偏振光透射，曲線b表示60°入射時p偏振光的透射。垂直入射和60°入射時，p偏振光非勻稱透射。還要提一下，用曲線c表示的可見光區(qū)范圍(400-700mm)的s偏振光非勻稱消光。PETCoPEN，449在一次操作中，擠壓澆鑄網(wǎng)制成含449層的共擠壓膜，然后在實驗室膜拉伸裝置上取向該膜。用一擠壓機(jī)以每小時26磅速率傳送特性粘度為0.60dl/g的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)(60％重量苯酚/40％重量二氯苯)，用另一擠壓機(jī)以每是24磅速率傳送特性粘度為0.53dl/g的CoPEN(70％摩爾2，6NDC和30％摩爾DMT)(60％重量苯酚/40％二氯苯)。PET在皮層上。采用給料塊方法制成57層，讓它通過三個倍增器，制成449層擠壓物。美國專利號3,565,985描述了類似的共擠壓倍增器。澆網(wǎng)厚度為7.5密爾，寬度為12時。用實驗室拉伸裝置再單軸取向網(wǎng)，該裝置用一個縮放機(jī)夾住方形截面膜，沿一個方向拉伸，另一方向上以均勻速率壓制。將7.46cm的方形網(wǎng)膜在約100℃時加載于拉伸機(jī)，在60秒內(nèi)加熱至120。再開始以10％秒拉伸(依據(jù)原始尺寸)，直至樣品拉伸至約5.0×1。拉伸后立即用室溫空氣對樣品吹掃，冷卻樣品。完成的薄膜厚度約為1.4密爾。該膜具有足夠粘性，在取向過程后不會脫離。
圖34示出了這種多層膜透射。曲線a表示垂直入射時的p偏振光透射，曲線b表示60°角入射時的p偏振光透射，曲線c表示垂直入射時的s偏振光透射。在垂直和60°入射時p偏振光具有很高的透射性(80～100％)。PENCoPEN，601在順序平膜制造線上通過共擠壓過程制成包含601層的共擠壓膜。用一擠壓機(jī)以每小時75磅的速率傳送特性粘度為0.54dl/g(60％苯酚/40％重量二氯苯)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，用另一擠壓機(jī)以每小時65磅速率傳送CoPEN。CoPEN是70％摩爾2，6萘二羧酸甲酯、15％間苯二甲酸二甲酯和15％對苯二甲酸二甲酯與乙二醇的共聚物。用給料塊方法制成151層。把給料塊設(shè)計成產(chǎn)生層的梯度分布，PEN的光學(xué)層厚度量是1.22，CoPEN為1.22。共擠壓的PEN皮層于光學(xué)疊層的外側(cè)，占共壓層總厚度的8％。用兩個順序倍增器倍增光學(xué)疊層。培增器的標(biāo)稱倍增比分別為1.2和1.22。接著于約40秒內(nèi)將膜預(yù)熱至310°F，在橫向方向上拉伸，拉伸比約5.0，速率約每秒6％。完成的膜厚約2密爾。
圖35示出這種多層膜透射。曲線a表示垂直入射時p偏振光的透射，曲線b表示60°角入射時p偏振光透射，曲線c表示垂直入射時s偏振光的透射。垂直和60°角入射時，p偏振光的透射很高(80～100％)。也要提一下，用曲線c表示的可見光區(qū)(400-700nm)s偏振光消光很高。在500～650mm之間消光幾乎100％。
采用57層給料塊的實施例時，將所有層設(shè)計成僅一種光學(xué)厚度(550nm的1/4)，但是擠壓設(shè)備在整個疊層中會產(chǎn)生層厚度偏差，導(dǎo)致相當(dāng)寬的光學(xué)響應(yīng)。對于151層給料塊的實施例，把給料塊設(shè)計成層厚度分布以覆蓋部分可見光譜區(qū)。然后用不對稱倍增器，加寬層厚度分布，覆蓋大部分可見光譜，這一點(diǎn)如美國專利號5,094,788和5,094,793所述。
上述有關(guān)多層膜光學(xué)性能的原理和實施例可應(yīng)用于圖1-3，6，9-11或13所示的任何顯示結(jié)構(gòu)。在圖1-3所示的顯示器中，反射偏振片于液晶顯示板和光腔之間，可用深色偏振片。深色偏振片在大角度并不能均勻透射光，造成不均勻外觀和“顏色”離軸。然而，對于要求高度平行光束的應(yīng)用中，則深色反射偏振片的離軸性能不重要。
另一方面，在把漫反射器置于反射偏振片和液晶顯示板之間的應(yīng)用中，要求大角度淺色偏振片。在這中結(jié)構(gòu)中，漫反射器的作用是將從反射偏振片來的到漫射器上的光入射的方向隨機(jī)化。如果反射偏振片是深色，則由反射偏振片產(chǎn)生的某些離軸顏色再度被漫反射器射到法線上。這是極其不希望的，因為這可能引起法線視角處不均勻的顯示。因此，在將漫反射器置于反射偏振器和液晶顯示板之間的顯示器中，最好是淺色廣角偏振器。
圖1～3所示的顯示器的淺色廣角偏振器的另一優(yōu)點(diǎn)是，不僅在垂直入射角上，而且在很高的離軸角上，均反射不要的偏振光。這就會使光再度隨機(jī)化和再循環(huán)，使顯示系統(tǒng)的亮度增益進(jìn)一步提高。
對于圖9和10所示的顯示結(jié)構(gòu)，亮度增強(qiáng)反射偏振片置于液晶顯示板和光腔之間。在這些結(jié)構(gòu)中，最好是淺色和廣角反射偏振片。這是由于條紋面材料的光束轉(zhuǎn)彎效應(yīng)(beam turing effect)引起的。這種效應(yīng)可以用圖7描述。對于亮度增強(qiáng)反射偏振片，光線首先穿過反射偏振元件。因此，具有較大離軸角度的關(guān)系，諸如圖7所示的光束236穿過反射偏振元件，再射到條紋面材料的218光滑面上。圖7說明條紋面材料218起著光束轉(zhuǎn)彎透鏡作用，當(dāng)光束從材料的條紋面?zhèn)纫莩鰰r，再次將光束236射向法線。因此，對于亮度增強(qiáng)反射偏振器來講，最好用淺色廣角反射偏振片，因為否則的話其它不要的色光將再次射向垂直觀看的觀看者的視角。采用廣角淺色反射偏振片，可以在垂直視角時維持均勻顯示。
從上述對圖23～25的討論，尤其是對圖24的討論來看，亮度增強(qiáng)反射偏振片可能是有益的，在遠(yuǎn)離法線的一些角度時，通過引入Brewster效應(yīng)，降低了離軸顏色。如上所述，通過在多層反射偏振片的層與層之間引入y軸折射率不匹配，并降低層之間的Z軸折射率的不匹配，就可達(dá)到這一點(diǎn)。因此，通過引入y軸折射率不匹配和降低Z軸折射率不匹配(由于這種性能，再依據(jù)對圖23-25的圖示和描述，可以被調(diào)整)，將條紋面材料棱鏡角度(賦于它各自光學(xué)性能，如在圖7和8所示的90°條紋面材料)調(diào)整到所要求的能調(diào)整的離軸顏色性能，就可達(dá)到亮度增強(qiáng)反射偏振片的任何要求組合。
在圖11所示的顯示結(jié)構(gòu)中，反射偏振片置于條紋亮度增強(qiáng)膜和液晶顯示板之間。在這種結(jié)構(gòu)中，對反射偏振片的約束并不受深色或淺色所限制。這是由于條紋面材料的光束轉(zhuǎn)變效應(yīng)引起的。由于條紋面材料將光射向法線，在非常大的角度時并不透射光(舉例來講，參見圖8)，則沒有必要要求淺色廣角反射偏振片，因為這種反射偏振片在這種結(jié)構(gòu)中并不會觀察到任何廣角度的光。在圖13的顯示器中這種效應(yīng)更明顯，該圖中兩塊相交的條紋面材料置于這種反射偏振片之后。這造成入射在反射偏振片上的光兩維對準(zhǔn)。
已經(jīng)根據(jù)所示例子敘述了本發(fā)明，可以對這些實施例作各種修改，但這并不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)顯示器，包括一液晶模件；一光腔，它被置于靠近上述液晶模件，所述光腔使射到其內(nèi)的表面上的入射光的偏振取向隨機(jī)化；一位于所述液晶模件和所述光腔之間的反射偏振片，由所述光腔照明，以透射具有第一種偏振取向的光，對并把不具有所述第一偏振取向的光反射到所述光腔。
2.一種光學(xué)顯示器，包括一前偏振片；一后偏振片；位于所述前偏振片和所述后偏振片之間的一液晶矩陣；透射具有第一偏振取向的光的反射偏振片；一光腔，改變?nèi)肷涞剿龉馇坏谋砻嫔系墓獾钠裥裕龉馇晃挥诳拷龇瓷淦衿?，以將光線通過所述反射偏振片射到所述液晶矩陣上。
3.一種光學(xué)顯示器，包括一前偏振器；一液晶矩陣，位于靠近所述前偏振器；一反射偏振片，透射具有第一偏振取向的光；一光腔，改變?nèi)肷涞剿龉馇粌?nèi)的面上的光的偏振性，所述光腔放置于靠近所述反射偏振片，以將光線穿過所述反射偏振片射到所述液晶矩陣上。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述反射偏振片包括一層已拉伸的聚合材料。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述反射偏振片包含多層疊層的聚合材料層對，每對上述材料層在各層之間，對與第一方向相關(guān)的偏振光表現(xiàn)出折射率差異，在層之間對與所述第一方向正交的第二方向相關(guān)的偏振光表現(xiàn)出基本上不存在折射率差。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述反射偏振片包括交替的PEN和CoPEN層對。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述反射偏振器包括交替的PEN和CoPEN層對，其中每對PEN和CoPEN層顯示出對在氣波長約從400nm至800nm的光的光學(xué)厚度基本上為半波長。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述光腔包含具有漫反射面的場致熒光板。
9.如權(quán)利要求1所述的共振器，其特征在于，所述顯示器具有垂直于所述液晶模件的軸，所述顯示器還包括條紋面材料，使在與所述軸形成的第一組預(yù)選定角度內(nèi)進(jìn)入所述條紋面材料的光反射出，使在與所述軸形成的第二組預(yù)選定角度之內(nèi)進(jìn)入所述條紋面材料光折射，以致于在所述第二組角度內(nèi)的大部分光形成的輸出光楔比其相關(guān)的輸入光楔更窄，所述第二角度內(nèi)的所述角大于所述第一組角度的所述角。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述條紋面材料具有一光滑面和一條紋，所述條紋上具有多個三角棱鏡。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述三角棱鏡包括范圍從70度到110度的角度。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)顯示器，其特征在于，所述三角棱鏡包括幾乎等于90度的角。
全文摘要
本發(fā)明敘述了一種多層反射偏振器(12)。該偏振器單元置于光腔(24)和液晶顯示模件(16)之間，形成光學(xué)顯示器。反射偏振器將一些光反射到光腔(24)中，在光腔中光被隨機(jī)化，并可以經(jīng)精確偏振，從顯示器中射出。
文檔編號G02B5/30GK1138379SQ94194568
公開日1996年12月18日 申請日期1994年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月21日
發(fā)明者安德魯·J·烏德柯卡, 邁克·F·韋伯, 雅姆·M·約薩, 卡爾·A·斯托弗, 桑福德·Jr·科布, 戴維·L·沃特曼, 奧利斯特·Jr本森 申請人:美國3M公司