專利名稱：采用多層光學(xué)薄膜的光波導(dǎo)的制作方法
本申請(qǐng)涉及一種光波導(dǎo)，它采用一高反射的多層光學(xué)薄膜，使得出射光是高效的、均勻的散射光。
現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)包含有許多為了能夠控制向一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)離光源的地區(qū)發(fā)射而控制光沿著光波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠▽?dǎo)。美國(guó)專利4,750,798示例了一種現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)。
這種現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)有一主要的反射內(nèi)表面，因此，當(dāng)光從波導(dǎo)的一端進(jìn)入向波導(dǎo)的另一端前進(jìn)時(shí)，光被波導(dǎo)的內(nèi)壁反射。在許多應(yīng)用中，光波導(dǎo)被設(shè)計(jì)成以控制的方式輸出光，這樣要求每單位長(zhǎng)度從波導(dǎo)內(nèi)發(fā)出的光的量沿整個(gè)光波導(dǎo)的長(zhǎng)度或者沿每一光波導(dǎo)光發(fā)射部分的整個(gè)的長(zhǎng)度是可以接受地均勻的。
美國(guó)專利4,984,144(Cobb,Jr.等人)公開了一棱鏡折射光學(xué)薄膜(以下稱為“棱鏡光波導(dǎo)壁材料”)。它可以從3 M公司以“光學(xué)薄膜”產(chǎn)品號(hào)2300或2301來取得。它已經(jīng)被用于制造許多這種現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)。這種現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)的一般目的是把光從一點(diǎn)光源向一區(qū)域發(fā)射光從而有效、均勻地照射此一區(qū)域。一般來說，其目的是最大化光沿著光波導(dǎo)傳輸和光從光波導(dǎo)發(fā)射出來的效率，同時(shí)最小化明暗變化。由棱鏡光波導(dǎo)壁材料制成的光波導(dǎo)能夠以相對(duì)于光強(qiáng)小的明暗變化向大的面積發(fā)射均勻的光。這種光波導(dǎo)制造相對(duì)簡(jiǎn)單、便宜，應(yīng)用廣泛。
在大多數(shù)這種現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)中，棱鏡光波導(dǎo)壁材料形成一導(dǎo)管。一出射裝置置于導(dǎo)管內(nèi)。從光源發(fā)出的光線進(jìn)入此導(dǎo)管，被內(nèi)壁材料反射并被引導(dǎo)沿著此導(dǎo)管前進(jìn)。但是，某些碰著出射裝置的光線以這樣一種方式被反射使得它們能夠穿過棱鏡光波導(dǎo)壁材料。然而，這種類型的光波導(dǎo)在從波導(dǎo)中提取出散射光的效率相對(duì)較低。這是因?yàn)楣饩€在從所期望的波導(dǎo)的發(fā)光部分發(fā)射出去前一般都被包在棱鏡光波導(dǎo)壁材料外的一反射層反射了多次。用目前已有的材料制成的光波導(dǎo)。每一次這樣的反射將導(dǎo)致大約5％到10％的吸收損失。目前已有的光波導(dǎo)大約有凈25％的光被吸收損失掉，而沒有從波導(dǎo)中發(fā)射出去。也就是說種用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制成的現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)的出射效率大約只有75％。
用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制成的光波導(dǎo)的出射效率可用一種從波導(dǎo)中提取光的替代技術(shù)來提高。特別地，不在棱鏡光波導(dǎo)壁材料內(nèi)置放一出射裝置，而是在光從波導(dǎo)出射的部分的壁材料上提供一些小孔，或是此部分的壁材料用另外方法處理。用這種設(shè)計(jì)，光在發(fā)射出去前將經(jīng)歷較少的反射，因此出射效率更高。一般只有5％的光被吸收損失，因此出射效率大約為95％。這比前例的75％比起來要好得多。一個(gè)另外的好處是在某些應(yīng)用中要求出射光具有好的方向性，如照射非常窄的空間時(shí)所要求的那樣。采用這種替代的出射技術(shù)可很方便的獲得這種方向性。
盡管這種前述的替代的出射技術(shù)有這些優(yōu)點(diǎn)，但是它并沒有得到廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)閮蓚€(gè)原因第一，根據(jù)這種技術(shù)制造的光波導(dǎo)一般被認(rèn)為沒有實(shí)際的吸引力。例如，光發(fā)射表面可感覺到光強(qiáng)度分布不均勻，有些地方太亮了。第二，設(shè)計(jì)和制造使用這種替代出射技術(shù)的光波導(dǎo)要困難得多。這種設(shè)計(jì)典型地包括一種遞次求近法工序，這將造成大量的昂貴的棱鏡光波導(dǎo)壁材料的不可避免的被毀壞。制造這種方案的光波導(dǎo)需要復(fù)雜的技術(shù)來優(yōu)化棱鏡光波導(dǎo)壁材料表面的出射效率。
本發(fā)明通過利用新發(fā)明的多層光學(xué)薄膜材料的特性可克服前述的這些問題。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種光波導(dǎo)，它具有由多層第一和第二基本不吸收的縱向鏡面反射材料制成的不發(fā)光部分。每一層的折射率都不同于緊挨著的鄰近層的折射率，因此所有的層綜合起來具有高縱向鏡面反射率。此光波導(dǎo)同時(shí)還具有一由棱鏡光波導(dǎo)壁材料制成的光發(fā)射部分，一基本不吸收的光散射裝置置于不發(fā)光部分內(nèi)，與光發(fā)射部分相對(duì)著。
此用來制作波導(dǎo)的不發(fā)光部分的多層材料也可以是每一層都有應(yīng)力感應(yīng)的雙折射特性，在所有層的取向從單軸到雙軸的范圍內(nèi)，各層綜合起來都具有雙折射特性，并具有高的縱向鏡面反射率。另一種方案是，這些薄膜材料可以是第一和第二基本不吸收的聚合物，這些聚合物在成分上不一樣，因此各層綜合起來具有高的縱向鏡面反射率。
此光波導(dǎo)的截面可以是基本不變的，也可沿著波導(dǎo)變小。在這兩種情況下，光散射裝置的寬度都可沿著波導(dǎo)的長(zhǎng)度增加而增加。
更有利的是，一低吸收透鏡可置于波導(dǎo)的光發(fā)射部分外面。透鏡的光透射特性可隨波長(zhǎng)、偏振、角度變化而變化，或是隨它們的綜合效果變化。


圖1是說明一用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)的截面圖，它包括一光出射裝置。
圖2是說明一用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)的截面圖，它在光出射區(qū)域的內(nèi)壁材料上打了一些小孔。
圖3是一放大了的，說明一多層光學(xué)薄膜材料的兩層結(jié)構(gòu)的斜透射圖。
圖4是一放大了的，說明一由至少兩層不同材料交變制成的多層光學(xué)薄膜材料的其中幾層的斜透射圖。
圖5和圖6是說明根據(jù)本發(fā)明用多層光學(xué)薄膜材料制成的光波導(dǎo)的截面圖。
圖1是一典型的用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的現(xiàn)有技術(shù)光波導(dǎo)10的截面圖。一用來保護(hù)光波導(dǎo)10的內(nèi)部組件的外套的上部一般是不透明部分12，下部是一透明部分14。一全反射薄膜16被置于緊挨著不透明外套部分12的內(nèi)部，它用來反射沿波導(dǎo)傳播的光，要不然光將射在不透明外套部分12上。一用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的導(dǎo)管18被放在薄膜16內(nèi)，它用來引導(dǎo)從光源(未畫出)發(fā)射出來的光沿波導(dǎo)10縱向傳播。一全出射薄膜20置于導(dǎo)管18的內(nèi)部，差不多是在它頂部，此薄膜使得反射至其上的光穿過導(dǎo)管18從透明外套部分14出射。
一般來說，為了使得沿著波導(dǎo)所輸出的光是均勻的，出射薄膜的寬度沿著波導(dǎo)10變化，雖然事實(shí)上導(dǎo)管18內(nèi)的光的強(qiáng)度實(shí)際上是沿著波導(dǎo)變化的。為了獲得所需的均勻的輸出光，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可毫不困難地為某一特定的光波導(dǎo)調(diào)整出射薄膜的寬度。
圖1中所說明的光波導(dǎo)的各組件的尺寸在不同的應(yīng)用中為了適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需要，例如光波導(dǎo)的長(zhǎng)度、光源的性質(zhì)、或所需的光輸出方式，可發(fā)生顯著的變化。光波導(dǎo)的截面的形狀也可不是圓的；各種各樣的形狀如橢圓和方形都經(jīng)常被采用。
以下的一般說明描述了所有這種用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的光波導(dǎo)的特性，圖1是個(gè)例子。從導(dǎo)管18一端進(jìn)入的光沿著波導(dǎo)向另一端傳播，在這里光將碰著一端面反射鏡(未畫出)，它將把光又反射向光源。當(dāng)光被端面反射鏡來回反射時(shí)，由于出射薄膜20的散射的結(jié)果基本上所有的光都從波導(dǎo)10內(nèi)出來。更具體地，每一束光線都被導(dǎo)管18內(nèi)反射，直到碰著出射薄膜20。大多數(shù)射向出射薄膜20的光線被散射向?qū)嶋H上透明的導(dǎo)管18。正如上面解釋的，由于光線在從波導(dǎo)中散射出來之前經(jīng)歷過全反射薄膜16的多次的反射，這導(dǎo)致吸收損失，因此這種類型的光波導(dǎo)從波導(dǎo)內(nèi)獲取散射光的效率相對(duì)較低。
圖2說明的是前述的為了提高用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的光波導(dǎo)的出射效率的現(xiàn)有技術(shù)。如同光波導(dǎo)10一樣，光波導(dǎo)22具有一保護(hù)外套，它的上部是不透明部分24，下部是一透明部分26。一全反射薄膜28，一用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制作的導(dǎo)管30。在光從波導(dǎo)22射出部分的導(dǎo)管30上提供一些小孔32。光束從波導(dǎo)22通過孔32發(fā)射出去前一般將經(jīng)歷較少的反射，正如前面解釋的，其出射效率一般要比波導(dǎo)10更高。
為了幫助那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解運(yùn)用多層光學(xué)薄膜制造光波導(dǎo)的有利之處，下面給出一個(gè)此薄膜的簡(jiǎn)要說明。制造此薄膜的優(yōu)點(diǎn)、特性在國(guó)際專利WO 95/17303文獻(xiàn)中描述過。多層光學(xué)薄膜是很有用的，例如，可做高效率的反射鏡或偏光器。下面給出一相對(duì)簡(jiǎn)要的此薄膜的特性的描述，接下來是對(duì)根據(jù)本發(fā)明使用多層光學(xué)薄膜的光波導(dǎo)的一具體實(shí)施例的說明。
圖3展示了一多層堆100的兩層，并且指出了每一層的三個(gè)方向的折射率。102層的折射率是η1X、η1Y和η1Z,104層的折射率是η2X、η2Y和η2Z。在薄膜堆中每一薄膜層與其它各層的折射率的關(guān)系決定了多層堆的任意角度、任意方位入射的反射特性。在國(guó)際專利說明書WO 95/17303文獻(xiàn)中描述的原理和設(shè)計(jì)方面的考慮能夠被用來生產(chǎn)在各種情況和應(yīng)用下具有所需的光效應(yīng)的多層堆。可通過對(duì)多層堆里的層折射率的控制和調(diào)整來產(chǎn)生所要的光特性。
圖4描繪了一本發(fā)明的多層光學(xué)薄膜的例子，它包括具有至少兩種材料A和B的交替層的多層堆100。至少有一種材料，例如A，具有應(yīng)力感應(yīng)雙折射特性，因此材料的折射率受到薄膜被拉伸方向的拉伸處理的影響。在拉伸前，兩種材料的折射率可以是一樣的。假如在X方向拉伸薄膜堆，將增加材料A的拉伸方向的折射率。這種單獨(dú)(一個(gè)方向)的拉伸將導(dǎo)致兩層的拉伸方向的折射率差(ΔηX)。這種層之間的折射率差會(huì)導(dǎo)致在由拉伸方向確定的平面(也就是X-Z平面)偏振的光被反射。如果在Y方向沒有拉伸，在Y方向?qū)]有折射率差(也就是ΔηY=0)，因此Y-Z平面的偏振光將透射過去。因此在一個(gè)方向拉伸將導(dǎo)致一多層反射偏振器。
如果雙軸地拉伸薄膜，也就是說，在X和Y方向上都拉伸，將在兩個(gè)方向都產(chǎn)生折射率差。因此X-Z平面和Y-Z平面的偏振光都將被反射。因此一雙軸地拉伸的多層堆起到一反射鏡的作用。通過從單軸到雙軸的不同的拉伸多層堆，可得到一對(duì)不同偏振方向的平面偏振入射光具有不同反射率的薄膜。因此多層堆可被用來制成反射偏振器、反射鏡或部分反射鏡，這取決于用戶應(yīng)用的要求。
為了使偏離主軸的入射光和正入射光都獲得高的反射，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Z方向的折射率差(也就是說ΔηZ)非常重要。從理論上說，對(duì)于反射鏡和偏振器，Z方向的匹配折射率(也就是說ΔηZ=0)將保證斜入射光的高反射性(對(duì)于反射鏡是兩個(gè)偏振方向，對(duì)于偏振器是反射偏振方向)。然而，對(duì)于那些Z方向折射率匹配不可能的偏振器，可操作Y方向的折射率差來保證斜入射光的反射率最大。在這種情況下，Y方向的折射率差的符號(hào)最好與Z方向的折射率差的符號(hào)相匹配。
本發(fā)明所用的多層光學(xué)薄膜對(duì)入射光的吸收相當(dāng)?shù)停缜懊嫠?，?duì)正入射光和斜入射光具有高反射性。根據(jù)本發(fā)明制造的多層光學(xué)薄膜具有一很大的布魯斯特角(對(duì)任何層面的入射光的反射為零的角度)或者沒有布魯斯特角。相反的是，已有的多層聚合物薄膜層面上具有相對(duì)較小的布魯斯特角，這導(dǎo)致光的透射和/或所不期望的虹彩現(xiàn)象。根據(jù)本發(fā)明制造的多層光學(xué)薄膜使得可以制造出P偏振光的反射隨著入射角的增大而緩慢地減小、與入射角無(wú)關(guān)或是隨著相對(duì)于法向的入射角的增大而增大的反射鏡和偏振器。結(jié)果，多層堆可在一寬的帶寬和寬范圍的角度中對(duì)S和P偏振光都具有高的反射性。
重新來看圖4，此多層堆100可包括幾十、幾百或幾千層，每一層都可用不同的材料來做。對(duì)于一個(gè)特定的堆材料的選擇取決于所需的堆的光性能。堆可以包括與層數(shù)相同數(shù)目的材料。為簡(jiǎn)化制造過程，光學(xué)薄膜堆可包含幾種材料。
優(yōu)選的多層堆由低/高折射率層對(duì)組成，此低/高反射率層對(duì)合起來的光學(xué)厚度是所需反射的帶寬的中心波長(zhǎng)的1/2。此薄膜堆通常被稱為四分之一波長(zhǎng)堆。對(duì)于與可見光和近紅外波長(zhǎng)有關(guān)的多層光學(xué)薄膜，四分之一波長(zhǎng)堆的設(shè)計(jì)導(dǎo)致多層堆中的每一層具有不超過0.5微米的平均厚度。
在需要反射薄膜(也就是反射鏡)的那些應(yīng)用中，對(duì)于每一偏振態(tài)和入射平面光的所期望的平均透射取決于打算如何使用反射薄膜。一種方法是雙軸地拉伸一多層堆，它的低/高折射率層對(duì)的高折射率層是雙折射材料制作的。對(duì)于高反射效率的反射薄膜，正入射時(shí)在整個(gè)可見光波段(400-700nm)每一拉伸方向的平均透射率應(yīng)小于10％(反射率大于90％)，最好小于5％(反射率大于95％)，更好小于2％(反射率大于98％)，更加好小于1％(反射率小于99％)。在400-700nm范圍內(nèi)相對(duì)于法向的入射角度為60度的光的平均透射率應(yīng)小于20％(反射率大于80％)，最好小于10％(反射率大于90％)，更好小于5％(反射率大于95％)，更加好小于2％(反射率小于98％)，更加好小于1％(反射率小于99％)。
同時(shí)，在某些應(yīng)用中可能需要非對(duì)稱的反射薄膜。在這種情下，在整個(gè)可見光波段(400-700nm)或是在可見光波段和近紅外波段(也就是400-850nm)的范圍內(nèi)，沿某一拉伸方向的平均透射率可以小于例如50％，而沿另一個(gè)拉伸方向的平均透射率可以小于20％。
多層光學(xué)薄膜也可被用來設(shè)計(jì)反射偏振器。一種得到多層反射偏振器的方法是單軸地拉伸一多層堆。所得到的反射偏振器在一寬范圍的入射角度內(nèi)，對(duì)于偏振面與一主軸(拉伸方向)平行的光具有高的反射率，而同時(shí)對(duì)偏振面與一另主軸(非拉伸方向)平行的光具有低的反射率和高的透射率。通過控制每一薄膜的三個(gè)方向的折射率ηX、ηY和ηZ的大小，可獲得所需的偏振器特性。
在許多應(yīng)用中，理想的反射偏振器在所有的入射角度內(nèi)沿一主軸(也稱為消光軸)具有高反射率，沿另一主軸(也稱為透射軸)是零反射。對(duì)于偏振器的透射軸，一般要求在所感興趣的帶寬和所的感興趣入射角度范圍內(nèi)，最大化偏振軸方向的偏振光的透射。
對(duì)于一偏振器的正入射，在可見光波段(400-700nm、帶寬300nm)范圍，傳輸軸方向的平均透射要求至少達(dá)到50％，好一些的大于70％，更好一些的大于85％，更加好的大于90％。對(duì)于一偏振器的偏離法線方向60度的入射(沿傳輸軸對(duì)P偏振光的測(cè)量)，在400-700nm范圍，傳輸軸方向的平均透射要求至少達(dá)到50％，好一些的大于70％，更好一些的大于80％，更加好的大于90％。
對(duì)于一多層反射偏振器在法線方向的入射，在可見光波段(400-700nm、帶寬300nm)范圍，消光軸方向的平均透射要求小于50％，好一些的要求小于30％，更好的小于15％，更加好的小于5％。對(duì)于偏離法線方向60度(沿傳輸軸對(duì)P偏振光的測(cè)量)的入射，在400-700nm范圍，消光軸方向的平均透射要求小于50％，好一些的小于30％，更好一些的小于15％，更加好的小于5％。
對(duì)于某些應(yīng)用，對(duì)于偏振面平行于傳輸軸的P偏振光在非法向角度具有高反射性是更加優(yōu)選的。在偏離法線至少20度的角度上，對(duì)于沿傳輸軸偏振的光的平均反射率應(yīng)當(dāng)大于20％。
另外，盡管在這里分別討論了反射偏振薄膜和非對(duì)稱反射薄膜，應(yīng)當(dāng)明白，反射基本上所有的入射光的兩種或更多的這種薄膜可被提供(只要它們根據(jù)各自的情況正確定位)。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的多層光學(xué)薄膜在反光系統(tǒng)中被用來作為反射鏡時(shí)，這種結(jié)構(gòu)是非常典型的。
如果沿傳輸軸存在一些反射的話，偏振器在偏離法線的角度的效率將降低。如果沿傳輸軸的反射對(duì)不同的波長(zhǎng)不一樣的話，顏色將被引入透射光。一種計(jì)算顏色的方法是計(jì)算在某一選定的角度的透射率均方根值或是在所感興趣的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的各角度的透射率的均方根值。顏色均方根的百分比CRMs由以下公式?jīng)Q定，CRMS=∫λ1λ2((T-T-)2)1/2dλT-]]>在這里范圍λ1到λ2是波長(zhǎng)范圍，或是感興趣的帶寬，T是沿傳輸軸的透射率，T是在感興趣的帶寬沿傳輸軸的平均透射率。對(duì)于要求低顏色的偏振器應(yīng)用，顏色均方根值在至少偏離法線方向30度的角度上，更好的應(yīng)至少角度偏離法線方向45度上，更好的應(yīng)至少偏離法線方向60度上小于10％，好一些的小于8％，更好一些的小于3.5％，更加好的小于2％。
更好的是，把一反射偏振器在整個(gè)感興趣的波段的所需的沿傳輸軸方向的顏色均方根值和所需的沿消光軸的反射率的大小結(jié)合起來。對(duì)于具有可見光波段(400-700nm，或帶寬300nm)的偏振器，沿消光軸正入射光的平均透射率較合意的為小于40％，更合意的為小于25％，較好為小于15％，更好為小于5％和進(jìn)一步更好為小于2％。
根據(jù)上面提及的國(guó)際申請(qǐng)WO 95/17303文獻(xiàn)中描述的設(shè)計(jì)考慮，普通技術(shù)人員可以理解，可使用大量的材料來生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的多層反射薄膜或是偏振器，這些材料需在為獲得所需要的折射率關(guān)系所選擇的條件下進(jìn)行處理。所需的折射率之間的關(guān)系可通過各種方法來得到，包括薄膜形成的過程中和形成后的拉伸(例如，在有機(jī)聚合物情況下)、擠壓(例如，在液態(tài)晶體材料情況下)。另外，如果這兩種材料具有相似的流變的特性(例如，粘度)將更有利的，這使得它們可以被一起擠出。對(duì)材料的選擇和處理?xiàng)l件的描述在上面提及的國(guó)際申請(qǐng)WO 95/17303中可以被找到。
目前已有的棱鏡光波導(dǎo)壁材料對(duì)于落入材料的可接受的角度范圍的入射光的反射率大約是98％，并且對(duì)于落入所述角度范圍之外的入射光是高透射的。相比之下，可做出具有比目前已有最好的棱鏡光波導(dǎo)壁材料更高反射率的多層光學(xué)薄膜，并且對(duì)于所有入射角度的光都保持高反射率。因此，如果沒有必要從導(dǎo)管發(fā)射光的話，多層光學(xué)薄膜更適合于作為棱鏡光波導(dǎo)壁材料的代替品來制做引導(dǎo)光從一端到另一端的傳播的導(dǎo)管。
多層光學(xué)薄膜也可被用來制造光可以有效出射的光波導(dǎo)。首先考慮圖5，它描繪了根據(jù)本發(fā)明的用多層光學(xué)薄膜制造的一光波導(dǎo)34。光波導(dǎo)34與圖2的光波導(dǎo)22相似，除了那個(gè)棱鏡光波導(dǎo)壁材料的導(dǎo)管30被用多層光學(xué)薄膜制造的導(dǎo)管36所代替。全反射薄膜28在波段34中并不需要，因?yàn)閷?shí)際上幾乎沒有光穿過高反射的多層光學(xué)薄膜36射向不透明外套38。多層光學(xué)薄膜36中的光出射孔40處于光將被射出的透明外套41的區(qū)域上。
盡管波導(dǎo)34提供更好的出射效率，它還是受制于影響波導(dǎo)22的一些問題。出射孔40減損了波導(dǎo)34的外表；并且，設(shè)計(jì)和制造具有要求的尺寸和方式的出射孔(它必須以對(duì)每一特殊的設(shè)計(jì)都是唯一的方式來沿著波導(dǎo)34的長(zhǎng)度變化)是困難的。以前的關(guān)于圖2的光波導(dǎo)實(shí)例的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明圖5的設(shè)計(jì)是不很成功的。
現(xiàn)在考慮圖6，它描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)用多層光學(xué)薄膜制造的實(shí)例(優(yōu)選的)的光波導(dǎo)42。光波導(dǎo)42與圖1的光波導(dǎo)10相似，除了那個(gè)棱鏡光波導(dǎo)壁材料的導(dǎo)管18被混合的導(dǎo)管44所代替，它相鄰于不透明外套部分46的部分是用多層光學(xué)薄膜制造的，并且它相鄰于透明外套部分50的部分是用棱鏡光波導(dǎo)壁材料制造的。一塊全反射薄膜52置于導(dǎo)管44中，基本上是處在導(dǎo)管的頂部，它用來以材料48反射入射光回波導(dǎo)42內(nèi)的角度范圍以外的角度向棱鏡光波導(dǎo)壁材料48方向散射光束。這些散射光從棱鏡光波導(dǎo)壁材料48中穿過并且從透明外套部分50透射出去。全反射表面在波導(dǎo)34中并不需要，因?yàn)閷?shí)際上幾乎沒有光穿過高反射的多層光學(xué)薄膜44射向不透明外套46。
光波導(dǎo)42保留了光波導(dǎo)10的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)很大程度上減小了出射效率損失的問題，這是因?yàn)槎鄬庸鈱W(xué)薄膜44以非常低的吸收損失沿波導(dǎo)42反射光。一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)是，此多層光學(xué)薄膜44可被固定在不透明外套46上。例如，多層光學(xué)薄膜44可以被固定在一張可做成所需的光波導(dǎo)的形狀的金屬基底上，此金屬基底構(gòu)成不透明部分46。
使用此多層光學(xué)薄膜44的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，波導(dǎo)42的最大縱橫比將多少有些增大，這是由于多層光學(xué)薄膜44的高反射率的原因。另外，光源的準(zhǔn)直質(zhì)量可不要求那么嚴(yán)格，因?yàn)槎鄬庸鈱W(xué)薄膜44具有一寬的可接受角度范圍。
在實(shí)施本發(fā)明的光波導(dǎo)中使用的多層光學(xué)薄膜的一個(gè)重要的特性是此薄膜是縱向鏡面光反射器。這里所用的詞“縱向鏡面光反射器”是指這樣的一種材料，其對(duì)于入射光和反射光的單位方向矢量的Z分量部分基本上相等，在這里Z方向是平行于材料表面的方向，同時(shí)也是光波導(dǎo)的尺寸最長(zhǎng)的方向。那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，縱向鏡面材料實(shí)際上并不是必須是鏡面的，但是，所有的鏡面的材料必須是縱向鏡面的。這種區(qū)分是很重要的，因?yàn)樵谀承┣闆r中使用并不是鏡面的縱向鏡面材料可能會(huì)更加有利，這樣的話它們將引起橫向散射或者是一些其它的對(duì)光束的橫向運(yùn)動(dòng)的修正。鏡面材料反射光束時(shí)只改變?nèi)肷涔馐噶糠较虼怪庇诜瓷洳牧媳砻娴牟糠?，光束的其它矢量的部分保持不變?？v向鏡面的反射材料反射光束時(shí)只有入射光矢量方向平行于反射材料表面的部分不發(fā)生變化，光束的其它的矢量方向部分可能被散射。
用來制造出射薄膜20、52的現(xiàn)有技術(shù)材料吸收大約5％到10％的入射光。特別地，吸收損失存在于當(dāng)光首次被出射器散射時(shí)，如果散射光沒有立即從光波導(dǎo)中射出而是被內(nèi)反射的話，它接下來將再次被出射器散射，從而再次引起吸收損失。當(dāng)光源離波導(dǎo)的距離增加時(shí)，后一種效應(yīng)變得非常顯著，因?yàn)樵谶@些距離時(shí)出射器的寬度將必須相當(dāng)大。
盡管這種問題總是存在，以前并沒許多動(dòng)力去解決它，因?yàn)榭紤]到制造光波導(dǎo)所用的棱鏡光波導(dǎo)壁材料的吸收損失，它對(duì)整個(gè)的光波導(dǎo)的效率并沒有很大的影響。但是，隨著高反射的多層光學(xué)薄膜技術(shù)的引入，這個(gè)問題變得更加顯著起來。
使用目前最好的材料(大約5％的吸收)來做出射器52，光波導(dǎo)42的出射效率大約是85％。如果出射器52的反射率為99.5％，出射效率將增到95％。因此，結(jié)合使用一非常高效的出射器和多層光學(xué)薄膜技術(shù)將使得外表質(zhì)量感覺美觀的光波導(dǎo)10(圖1)和光波導(dǎo)22(圖2)的高效率能夠結(jié)合在一起。
出射器52本身并不需要是高反射的，因?yàn)樗梢员环胖迷诟叻瓷涞亩鄬庸鈱W(xué)薄膜44內(nèi)表面上。出射器52僅需要能夠散射入射光，它可通過用一單一結(jié)構(gòu)化的空氣-聚合物分界面(single textured air-polymerinterface)來實(shí)現(xiàn)。所需要的是聚合物和安裝粘合劑應(yīng)是非吸收性的。同時(shí)還要求用來制造出射器的材料可容易地被通過手工和電動(dòng)切割設(shè)備處理和切割。
典型地光波導(dǎo)42的橫截面沿波導(dǎo)基本不變。因?yàn)榭捎玫墓庋刂▽?dǎo)縱向長(zhǎng)度增加而減少，出射器52被做成逐漸變寬狀，在遠(yuǎn)離光源的方向上，隨著波導(dǎo)長(zhǎng)度的增加而增加它的寬度。另一方法是，或同時(shí)，波導(dǎo)的橫截面本身被做成隨著波導(dǎo)的長(zhǎng)度逐漸變細(xì)狀。
本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵特征是此光波導(dǎo)42構(gòu)成一高純反射的光學(xué)腔。特別是，與以前的光波導(dǎo)設(shè)計(jì)相比，如果光束射向此波導(dǎo)的光發(fā)射部分，很大一部分那些光束將被重新發(fā)射。為了以更好的方式控制發(fā)射光，可在光發(fā)射外套部分50外面放置一特制的薄膜透鏡54，這使得這個(gè)特征更加有效。透鏡54最好具有一低的光吸收特性；并且具有一隨波長(zhǎng)、偏振、角度或是它們的綜合情況變化的光透射特性。用這種方法使得反射被重新被光波導(dǎo)42循環(huán)利用，而不是同現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)一樣被吸收損失掉。
很明顯，根據(jù)前述的公開，對(duì)于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中，在不離開此發(fā)明的精髓和范圍的情況下，進(jìn)行許多修正和改變是可能的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)根據(jù)以下權(quán)利要求定義的條款所限定。
權(quán)利要求
1．一種光波導(dǎo)(42)，在橫截面上包括一不發(fā)光部分(44)，一發(fā)光部分(48)和一基本不吸收光散射裝置(52)，其特征在于(a)上述的不發(fā)光部分(44)由多層組成(ⅰ)一第一基本不吸收的、縱向鏡面的光反射器；(ⅱ)一第二基本不吸收的、縱向鏡面的光反射器；每一上述的層具有選定的折射率，不同于緊挨著的上述的每一上述層的折射率，因此上述的多層綜合起來具有高縱向鏡面反射率；(b)上述的發(fā)光部分(48)包括棱鏡光波導(dǎo)壁材料；(c)上述的基本不吸收光散射裝置(52)放置于不發(fā)光部分(44)內(nèi)，與上述的發(fā)光部分(48)相對(duì)著。
2．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中(a)上述的光波導(dǎo)的橫截面沿波導(dǎo)的縱向是基本不變的；(b)上述的光散射裝置(52)的寬度隨上述的波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度的增加而增加。
3．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中(a)上述的光波導(dǎo)的橫截面是隨著上述波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度的增加而減小的；(b)上述的光散射裝置(52)的寬度隨上述的波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度增加而增加。
4．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，還包括一置于上述發(fā)光部分外面的透鏡(54)，所述透鏡特征在于(a)低光吸收；(b)光透射率隨著以下一個(gè)或多個(gè)條件變化(ⅰ)波長(zhǎng)；(ⅱ)偏振；和(ⅲ)角度。
5．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，還包括一不透明外套(46)包著并固定于上述的不發(fā)光部分(44)。
6．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中上述的光散射裝置(52)包括一不吸收、單一結(jié)構(gòu)化的空氣-聚合物分界面，用一不吸收粘合劑固定在不發(fā)光部分(44)上。
7．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中上述的每一層具有不超過0.5微米的厚度。
8．一種光波導(dǎo)(42)，在橫截面上包括一不發(fā)光部分(44)，一發(fā)光部分(48)和一基本不吸收的光散射裝置(52)，其特征在于(a)上述的不發(fā)光部分(44)包括第一和第二基本不吸收的聚合物層，上述的第一和第二基本不吸收的聚合物具有不同的成分，使得上述的各層綜合起來具有高縱向鏡面反射率；(b)上述的發(fā)光部分(48)包括棱鏡光波導(dǎo)壁材料；(c)上述的基本不吸收的光散射裝置(52)放置于不發(fā)光部分(44)內(nèi)，與上述的發(fā)光部分(48)相對(duì)著。
9．如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，其中(a)上述的光波導(dǎo)的橫截面沿波導(dǎo)的縱向是基本不變的；(b)上述的光散射裝置(52)的寬度隨上述的波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度增加而增加。
10．如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，其中(a)上述的光波導(dǎo)的橫截面是隨著上述波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度的增加而減小的；(b)上述的光散射裝置(52)的寬度隨上述的波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度增加而增加。
11．如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，另外還包括一置于上述發(fā)光部分外面的透鏡(54)，所述透鏡的特征在于(a)低光吸收；(b)光透射率隨著以下一個(gè)或多個(gè)條件變化(ⅰ)波長(zhǎng)；(ⅱ)偏振；和(ⅲ)角度。
12．如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，另外還包括一不透明外套(46)包著并固定于上述的不發(fā)光部分(44)。
13．如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，其中上述的光散射裝置(52)包括一不吸收、單一結(jié)構(gòu)化的空氣-聚合物分界面，用不吸收的粘合劑固定在不發(fā)光部分上。
14．如權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，其中上述的每一層具有不超過0.5微米的厚度。
15．一種光波導(dǎo)(42)，在橫截面上包括一不發(fā)光部分(44)，一發(fā)光部分(48)和一基本不吸收光的散射裝置(52)，其特征在于(a)上述的不發(fā)光部分(44)由多層組成(ⅰ)一第一基本不吸收的縱向鏡面反射器；(ⅱ)一第二基本不吸收的縱向鏡面反射器；上述的每一層都具有應(yīng)力感應(yīng)的雙折射特性，這樣上述的多層在所述層從單軸到雙軸定向的范圍內(nèi)都有雙折射特性，并且上述的多層綜合起來具有高縱向鏡面反射率；(b)上述的發(fā)光部分(48)包括棱鏡光波導(dǎo)壁材料；(c)上述的基本不吸收光的散射裝置(52)放置于不發(fā)光部分(44)內(nèi)，與上述的發(fā)光部分(48)相對(duì)著。
16．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，其中(a)上述的光波導(dǎo)的橫截面沿波導(dǎo)的縱向是基本不變的；(b)上述的光散射裝置(52)的寬度隨上述的波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度增加而增加。
17．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，其中(a)上述的光波導(dǎo)的橫截面是隨著上述波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度的增加而減小的；(b)上述的光散射裝置(52)的寬度隨上述的波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度增加而增加。
18．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，另外還包括一置于上述發(fā)光部分外面的透鏡(54)，所述透鏡的特征在于(a)低光吸收；(b)光透射率隨著以下一個(gè)或多個(gè)條件變化(ⅰ)波長(zhǎng)；(ⅱ)偏振；和(ⅲ)角度。
19．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，另外還包括一不透明外套(46)包著并固定于上述的不發(fā)光部分(44)。
20．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，其中上述的光散射裝置(52)包括一不吸收、單一結(jié)構(gòu)化的空氣-聚合物分界面，用一不吸收粘合劑固定在不發(fā)光部分(44)上。
21．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)，其中上述的每一層具有不超過0.5微米的厚度。
全文摘要
一種光波導(dǎo)(42),它具有由多層第一和第二基本不吸收的縱向鏡面反射材料制成的不發(fā)光部分(44)。每一層的折射率都不同于緊挨著的鄰近層的折射率,因此所有的層綜合起來具有高縱向鏡面反射率。此光波導(dǎo)同時(shí)還具有一由棱鏡光波導(dǎo)壁材料制成的光發(fā)射部分(48),一基本不吸收光散射裝置(52)置于不發(fā)光部分(44)內(nèi),與光發(fā)射部分(48)相對(duì)著。
文檔編號(hào)G02B5/28GK1218556SQ97193258
公開日1999年6月2日 申請(qǐng)日期1997年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月22日
發(fā)明者洛恩·A·懷特黑德 申請(qǐng)人:不列顛哥倫比亞大學(xué)