用于宽的可见红外覆盖的具有重叠谐波的多层叠堆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开除了别的之外涉及多层光学膜，其反射和透射特性大部分由微层叠堆内的 界面所反射的光的构造和相消干涉所确定。本公开还涉及组装此类光学膜的制品和系统， 以及制造和使用此类膜的方法。
【背景技术】
[0002] 多层光学膜为已知的。此类膜可包括大量由不同的透光材料形成的薄层，该层称 为微层，这是因为它们足够薄以使得光学膜的反射和透射特性在很大程度上取决于从层界 面反射的光的相长干涉和相消干涉。根据各个微层所具有的双折射（如果有的话）的值和 相邻微层的相对折射率差值并且另外根据其他设计特性，可将多层光学膜制备成具有这样 的反射和透射特性：其可（例如）在一些情况下被表征为反射型偏振器，而在其他情况下被 表征为反射镜。
[0003] 由多个微层构成的反射偏振器为人们所知已有一段时间，所述多个微层的面内折 射率被选择成提供沿着面内阻光轴的相邻微层之间的显著折射率失配和沿着面内透光轴 的相邻微层之间的显著折射率匹配，并且具有足够数量的层以确保对于沿一个主方向（称 为阻光轴）偏振的垂直入射光具有高反射率、同时对于沿正交主方向（称为透光轴）偏振 的垂直入射光保持低反射率和高透射率。参见（如）以下美国专利：3,610, 729 (Rogers)、 4, 446, 305 (Rogers 等人）和 5, 486, 949 (Schrenk 等人）。
[0004] 近来，3M公司的研究人员已经指出此类膜沿垂直于膜的方向（即z轴）的层对层 折射率特性的重要性，并且已表明这些特性如何对膜在斜入射角下的反射率和透射率起重 要作用。参见（如）美国专利5,882,774(J〇nza等人）。除了别的以外，Jonza等人教导 了 ：如何定制相邻微层之间的z轴折射率失配（简称为z折射率失配或Δηζ)以便于构造 布鲁斯特角（Ρ偏振光在界面处的反射率变为零的角度）非常大或不存在的多层叠堆。这 继而允许构造这样的多层反射镜和偏振器：其P偏振光的界面反射率随着入射角增加而缓 慢减小，或与入射角无关，或随着入射角偏离法向而增大。因此，可以获得在宽带宽对s偏 振光和P偏振光均具有高反射率的多层膜（对于反射镜以任何入射方向，对于偏振片以选 定的方向）。
[0005] -些多层光学膜被设计用于窄带操作（即，在窄波长范围上），而其他多层光学膜 被设计用于在宽波长范围上使用，例如，在基本上整个可见光或明度光谱、或者（例如）外 加近红外波长的可见光或明度波长范围上。在宽带反射器中，微层布置成光学重复单元，其 中光学重复单元的光学厚度值从膜的第一侧面增加到膜的第二侧面。这种层厚度的布置称 为梯度层厚度分布。通常，不利的是，不管是在垂直入射光下，还是对于倾斜入射光，这种宽 带反射器向系统赋予显著的彩色（非白色）外观。当该多层光学膜在光谱的可见部分上具 有不均一的透射或反射特性时会产生彩色外观。就共挤出的聚合物多层光学膜而言，这种 不均一性通常归因于该多层光学膜的层厚度分布相对于目标分布的不良控制。为了避免彩 色问题，聚合物多层光学膜通常被设计为提供沿其主轴的极低反射率和高透射率（如，对 于以透射观察的反射偏振器的透光轴）或者极高反射率和低透射率（如，对于反射偏振器 的阻光轴或对于以反射观察的反射镜膜的任何面内轴）。然而，在一些情况下，中间量的反 射和透射是可取的。解决这种部分反射/部分透射膜中的彩色问题的一种方法为利用具有 精心定制的层厚分布的仅单个微层分组或叠堆来提供这种膜并且在不使用层倍增器装置 的情况下来制造这种膜，由此实现对层厚分布的最大控制和在可见光波长范围上的透射率 或反射率的相应最小光谱波动。
[0006] 也已经知道定制多层光学膜以在光谱的红外光部分提供高反射率。这种膜通常设 计成在红外光波长的第1阶反射带提供高反射率并且抑制高阶反射，从而避免光谱可见光 部分的反射。参见（如）以下美国专利：3,247,392〇1^1611)、5，103,337(3(*代1^等人）、 5, 360, 659 (Arends 等人）以及 7, 019, 905 (Weber) 〇
【发明内容】
[0007] 除了别的之外，本公开描述多层光学膜和膜主体，在所述多层光学膜和膜主体内， 给定连续微层叠堆在正常入射角或一些设计入射角下提供至少第1阶反射带和第2阶反射 带，并且在一些情况下也提供第3阶反射带。其中，第2阶反射带与第1阶反射带和第3阶 反射带中的一者或两者重叠，从而提供覆盖可见波长和红外波长的至少一部分的单条宽反 射带。就镜子而言，单条宽反射带可能与垂直偏振状态相关联，或者就偏振镜而言，单条宽 反射带可能只与一个偏振态相关联。为了澄清并精确定义如下概念，诸如给定的反射带与 另一反射带是否"重叠"或"基本重叠"，给定的反射带是否"不同于"另一反射带（即并未 基本重叠，或在光谱上分离），或者甚至给定的反射带是否存在，我们将出于本申请的目的 在下面详细讨论本申请中的"反射带"的意思。出于本申请的目的，这些详细讨论同样也限 定（单个）反射带的相关光谱特性，诸如它的短波长带边缘、长波长带边缘及其反射能力。
[0008] 出于本申请的目的，可见光的波长范围假定为380nm到720nm，红外波长范围假定 为720nm到至少2000nm。此外，近紫外光（近UV)波长范围假定为300nm到380nm。
[0009] 本申请还公开了包括被布置成光学重复单元的微层叠堆的多层光学膜和相关制 品。在设计入射角下，该叠堆提供第1阶反射带和第2阶反射带，以及可选的第3阶反射 带。第1阶反射带至少部分地设置在720nm到2000nm的波长范围内。第2阶反射带至少 部分地设置在380nm到720nm的波长范围内。第2阶反射带与第1阶反射带和第3阶反射 带中的至少一者基本上重叠，形成单条宽反射带。在一些情况下，第2阶反射带部分地设置 在300nm到380nm的近UV光波长范围，并且如果存在第3阶反射带，它也可部分地设置在 近UV光波长范围内。
[0010] 第2阶反射带可基本与第1阶反射带相重叠，使得单条宽反射带内包括第1阶和 第2阶反射带。第2阶反射带可与第1阶反射带重叠。第1阶和第2阶反射带可具有基本 相等的反射率，例如，它们可具有相差可小于10%分数值的平均反射率。可选地，第1阶和 第2阶反射带具有基本不同的反射率，例如，它们可具有相差可大于10%分数值的平均反 射率。在一些情况下，该叠堆可不提供第3阶反射带。
[0011] 在其他情况下，该叠堆可提供第3阶反射带。第3阶反射带可部分地设置在300nm 到380nm的波长范围内。第2阶反射带可基本与第3阶反射带重叠，使得单条宽反射带包 括第2阶和第3阶反射带。第2阶反射带可与第3阶反射带重叠。第2阶反射带可不与第 1阶反射带基本重叠，使得单条宽反射带不包括第1阶反射带。第2阶和第3阶反射带具有 基本相等的反射率，例如，它们的平均反射率的差值可小于10%分数值。可选地，第2阶和 第3阶反射带具有基本不同的反射率，例如，它们可具有差值可大于10%分数值的平均反 射率。第2阶反射带可覆盖380nm到720nm的波长范围内的至少100nm。单条宽反射带的 反射率中可有阶跃变化，叠堆的微层可以平滑改变的ORU厚度分布为特征。第2阶反射带 可部分地设置在300nm到380nm的波长范围内。
[0012] 例如，如果第2阶反射带与例如第1阶反射带实际上不重叠但是十分接近于基本 重叠，那么第2阶反射带可具有长波长带边缘，该长波长带边缘的波长λ 与第1阶反射 带的短波长带边缘Asist不同但相差不超过λ S1;J^ 5%。同样，如果第2阶反射带与第3 阶反射带实际上没有重叠但是十分接近于基本重叠，那么第2阶反射带可具有短波长带边 缘，该短波长带边缘的波长Xs2nd与第3阶反射带的长波长带边缘λ 不同但相差不超过 λ 5^的5%。我们使用的术语"基本重叠"等包括如下两种情形：一，两条反射带实际重叠 的情形，即，一条带的长或短波长带边缘落在另一条带的长和短波长带边缘之间；二，两条 带（由各自的带边缘确定）不实际重叠，而是有以上所述的5%容差。
[0013] 设计入射角可以是正常的入射角，也可以是所需的其他入射角。膜可以是偏振镜 或包括偏振镜，第1阶、第2阶和第3阶反射带可只与两个垂直偏振状态中的一个相关联。 另选地，膜可以是镜子或包括镜子，第1阶、第2阶和第3阶反射带可与两个垂直偏振状态 相关联。
[0014] 本文也讨论了相关方法、系统和制品。
[0015] 本申请的这些方面和其他方面通过下文的【具体实施方式】将显而易见。然而，在任 何情况下都不应将上述
【发明内容】
理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅由所附权利 要求书限定，并且在审查期间可进行修改。
【附图说明】
[0016] 结合附图可有助于更全面地理解本发明，其中：
[0017] 图1是多层光学膜的示例性光学重复单元（ORU)的示意性透视图；
[0018] 图2是多层光学膜的一部分的示意性透视图，该视图示出了一个微层分组或微层 叠堆和多个ORU ;
[0019] 图3是形成一组ORU的微层叠堆的层厚度分布的一个理想化代表；
[0020] 图4是诸如图3中的微层叠堆可产生的各种谐波反射带的理想化示意图，具体视 微层叠堆的设计细节而定；
[0021] 图5A是作为微层叠堆f比率函数的相对反射能力的曲线图；
[0022] 图5B是作为微层叠堆f比率函数的相对傅立叶系数幅度的曲线图；
[0023] 图6A是显示由f比率为0. 5的微层叠堆产生的谐波反射带（多至第4阶）的理 想化示意图；
[0024] 图6B是类似于图6A的理想化示意图，但微层叠堆的f比率为1/3或2/3 ;
[0025] 图7是具有一个微层叠堆的多层光学膜的示意透视图；
[0026] 图8是具有两个不同微层叠堆的多层光学膜制品的示意透视图；
[0027] 图9A是反射率与波长的理想化图，示出了如何通过0. 25的f比率和适当定制的 层厚度分布使来自给定微层叠堆的不同谐波反射带（尤其包括第2阶反射带）重叠；
[0028] 图9B是类似于图9A的理想化图，但示出了重叠谐波带如何产生覆盖可见波长和 红外波长的至少一部分的单条宽反射带；
[0029] 图IOA是类似于图9B的理想化图，但其中叠堆的f比率变成了 0. 33,使得第2阶 反射带的反射率与第1阶反射带的反射率显著不同，并且没有产生第3阶反射带；
[0030] 图IOB是类似于图IOA的理想化图，但示出了重叠谐波带如何产生覆盖可见波长 和红外波长的至少一部分的单条宽反射带；
[0031] 图IlA是类似于图9A和IOA的理想化图，但其中叠堆假定为具有不同ORU厚度梯 度且f比率为0. 59,使得第2阶反射带与第3阶反射带基本重叠但不与第1阶反射带重叠；
[0032] 图IlB是类似于图IlA的理想化图，但示出了重叠的第2阶和第3阶反射带（以 及第4阶反射带）如何产生覆盖可见波长和红外波长的至少一部分的单条宽反射带；
[0033] 图12是类似于图5A相对反射能力与f比率的图，但该图包括显示如何通过使用 谐波反射带的组合（如第1阶和第2阶反射带，或第1阶、第2阶和第3阶反射带）来增强 相对反射能力的附加曲线；
[0034] 图13是模型化的第一微层叠堆的层厚度分布图，该第一叠堆的f比率为0. 25,该 图包含一个代表叠堆内ORU光学厚度的曲线，以及可用于确定叠堆总反射率的哪个部分随 不同高阶谐波改变的相关曲线；
[0035] 图14A是第一微层叠堆的计算光谱反射率或模型化光谱反射率的图，其中使用一 种方法分开描绘和识别由第一微层叠堆产生的第1阶、第2阶和第3阶反射带；
[0036] 图14B是第一微层叠堆的计算总光谱反射率或模型化总光谱反射率的图，不考虑 单独的谐波识别；
[0037] 图15A是比较第一微层叠堆的模型化光谱反射率与第一对比微层叠堆的模型化 光谱反射率的图，其中第一对比微层叠堆的反射带没有明显的第2阶组分并且几乎完全由 第1阶谐波产生；
[0038] 图15B是比较第一微层叠堆的ORU厚度分布与第一对比微层叠堆的ORU厚度分布 的层厚度分布图；
[0039] 除了图中标绘的两个点代表第一微层叠堆和第一对比微层叠堆的操作以外，图 15C与图12基本相同；
[0040] 图16A是第二模型化微层叠堆的计算光谱反射率或模型化光谱反射率的图，该第 二模型化叠堆类似于第一模型化叠堆，但其f比率为〇. 33,并且其中使用我们的方法来分 开描绘和识别由第二模型化叠堆产生的第1阶和第2阶反射带；
[0041] 图16B是第二模型化叠堆的计算总光谱反射率或模型化总光谱反射率的图，其中 不考虑单独的谐波识别；
[0042] 图16C是一个类似于图16B的图，不过示出的是f比率从0. 33变化成0. 36时第 二模型化叠堆的计算总光谱反射率或模型化总光谱反射率如何变化；
[0043] 图17是模型化的第三微层叠堆的层厚度分布图，该第三模型化叠堆的f比率为 0. 59,该图包含一个代表叠堆内ORU光学厚度的曲线，以及可用于确定叠堆总反射率的哪 个部分随不同高阶谐波改变的相关曲线；
[0044] 图18A是第三模型化叠堆的计算光谱反射率或模型化光谱反射率的图，其中使用 我们的方法分开描绘和识别由第三模型化叠堆产生的第1阶、第2阶和第3阶反射带；
[0045] 图18B是第三模型化叠堆的计算总光谱反射率或模型化总光谱反射率的图，其中 不考虑单独的谐波识别；
[0046] 图19是具有两个变迹光学分组或叠堆的微层光学膜的层厚度分布图，其中两个 变迹光学分组或叠堆中包括本文中称为第二对比叠堆的微层叠堆；
[0047] 图20是从图19的第二对比叠堆和另一个微层叠堆得到的透射光谱的图；
[0048] 图21是第二微层叠堆的计算总光谱反射率或模型化总光谱反射率的图，其中使 用我们的方法分开描绘和识别由第二对比叠堆产生的第1阶和第2阶反射带；
[0049] 本文示出的示意图未必按比例绘制，然而除非另外指明，否则假定本文的图具有 准确的尺寸。附图中使用的类似标号是指类似元件。
【具体实施方式】
[0050] 如上所述，我们在这里公开的尤其是光学制品，诸如多层光学膜和膜组合物，其中 至少一个微层叠堆或分组在设计入射角提供多谐波反射带，包括第2阶反射带和第1阶反 射带，并且第2阶反射带与第1阶反射带和/或第3阶反射带（如果第3阶反射带存在） 重叠或基本重叠，从而提供覆盖可见波长和红外波长的至少一部分的单条宽反射带。本公 开中给定叠堆反射带之间提供的关系和不同叠堆反射带之间提供的关系，依赖于对于什么 是反射带和它的部分属性特征是什么，具体地讲，即反射带的相对界限或边缘的光谱位置 的清楚和精确的定义。出于本公开的目的，这种定义在下面会随着光学重复单元（ORU)、多 层叠堆和谐波反射的讨论进一步提供。
[0051] 在一些情况下，本公开的光学膜构造可提供宽带局部反射器的带内透射和反射 光的平滑光谱。宽带局部反射器基本上消除了带内振铃，提供带内透射和反射光的平 滑光谱。已经发现的是，具有变迹梯度厚度分布的宽带局部反射器光学膜减少或基本 上消除带内光谱振铃，并相应地减少或基本上消除非期望的彩色。使用变迹技术可终 止梯度层厚度分布，使得光谱特征最小化，例如进一步在2013年3月15日提交的美国 专利 I3/844,664 "Multilayer Stack Combinations With Interleaved Overlapping Harmonics for Wide Visible-Infrared Coverage"(用于宽可视红外覆盖的具有间叶层状 重叠谐波的多层叠堆组合物）中描述的光谱振铃（该光谱特征在一些应用中是不可取的）， 该专利以引用方式并入本文。
[0052] 出于本文所示和所述的附图的目的，为了简单起见，假定多层光学膜主体在膜主 体的平面内不具有空间变化。因此，假定给定膜主体的光谱反射和透射特性与膜上被测量 的定位或位置（如，（X，y)坐标）无关。然而，一般来讲，根据已知的膜设计、处理和后处理 技术，任何公开的膜主体都可制成在膜主体的平面内具有空间变化的形式。
[0053] 现在参见图1，其示出了多层光学膜的示例性光学重复单元（ORU)的示意透视图。 图1仅示出多层光学膜100的两个层，该光学膜可包