[发明专利]高漫射低吸收光学材料及其制备与使用方法

说明书

本申请是1995年1月6日提出、待审查的美国专利申请08／369，850号的部分继续申请。

本发明涉及用来反射和透射光的表面，尤其是涉及从其表面或通过其表面反射和透射均匀漫射光能的材料。

在各种要求光能从表面接近完全地反射并提供均匀分布的光的用途中，要使用特殊的光反射面。虽然良好的镜面可对可见光提供接近于完全的反射，但只有对以等于入射角的角度由表面反射出来的光能才是这样。对于许多用途而言，重要的是从表面反射的光具有均匀的分布。这种性质称为漫射式或“朗伯”反射。例如用来放映幻灯片或电影的投影幕，必须具有高反射率，而且在充分宽的范围内具有光漫射／分布，从而使大部分观众可看到清晰的图象。许多反射幕使用玻璃珠或类似材料的复盖层以帮助反射，在限定的投影范围内(例如离中心线约20°的范围内)提供优良的反射率，而在该限定的投影范围以外，则反射率显著减小。这些屏幕在限定的范围以内可提供良好的图景，而且不容易受杂散光源的干扰，这些杂散光源是指垂直投射至屏幕的主要光源以外的光源。为了在更宽的限定范围内得到更好的图景，可用经过褪光处理的屏幕有效地对全体观众提供更均匀的光分布。虽然对于屏幕在暗室中的大多数应用来说并不是非常重要，屏幕吸收或透射的光应尽可能地少，以便为观众提供最强的反射图象。

在许多其它用途中，反射率更为重要。例如，在电子设备所用的显示装置中(如仪器面板、手提计算机屏幕、液晶显示器(LCD)等)，不论是依赖于补充光(如背射光)或环境光，都要求其背部表面具有良好的漫反射性，以尽量提高图象质量。对于用电池供电的设备中的背射光显示器，反射率特别重要，因为较好的反射率直接与要求较小的光源从而较低的功率相连系。

激光器或光学测试设备结构中所用壳体中的高反射材料是要求更高的用途。由于这类设备的效率直接依赖于其有效地处理光能的能力，因此最重要的是用具有极高反射率和优良漫射性的材料构建这类设备。

相反地，也有一些应用中要求光有效地透射通过一种材料。这些应用的例子包括某些漫射滤光器，后投影屏幕，透反射显示器(transfiective displays)等。对于大多数反射和透射光的材料来说，还存在一个吸收分量。在同时需要反射和透射的场合，光能的吸收是不合要求的，因为它导致光能的浪费。

在后投影屏幕的情况下，屏幕置于光源与观众之间。这些屏幕以透射性替代反射性，而保持高度的漫射性。重复一下，为了尽量增大光能输出，重要的是屏幕材料吸收的光尽可能地少。

另一类要求权衡透射性与反射性关系的应用是某些航空电子学的透射反射LCD显示器。在这些透反射(既反射又透射的显示器)中采用一个反射片，它利用环境光向LCD显示器提供光。在这情况下，当环境光不足以照亮LCD显示器时，就要使用背射光。这背射光是通过反射片提供的；反射片必须同时具有反射性和透射性。在这些条件下，希望具有漫反射性和漫透射性，而不希望具有吸收性。

使用漫反射材料的另一类应用是作为太阳能集光器或光电池中的漫射体。由于太阳能驱动的装置一般利用300-2200纳米(nm)范围的阳光，本发明所具有的漫射性质与低吸收率是特别适合的。如美国专利4，571，448(A．M．Barnett)所述，通过装上具有漫射结构的反射性背表面，可使光电池的效率提高。在这些应用中，最好能提供在整个300-2200纳米太阳光谱范围内反射效率进一步提高的材料。

由于反射材料有许多不同的用途，因此存在许多市售的具有各种漫反射性质的产品也就不奇怪了。在本发明以前，已知的具有优良漫反射性的最好材料，是在美国专利4，912，720中所描述的并由Labsphere，Inc．，North Sutton，NH以商标SPECTRALON出售的材料。这种材料包含轻度压实的聚四氟乙烯颗粒，其中的空隙体积约为30-50％，并烧结成较硬的粘聚的块，以保持这些空隙体积。使用美国专利4，912，720所指出的技术，据说这种材料可得到非常高的可见光漫反射特性，与以前的反射材料相比，反射率由97％提高至99％以上。

尽管SPECTRALON材料具有所报导的优点，但它在许多方面是很不足的。首先，这种产品是一种较硬的材料块，必须小心地切割或加工成所需的形状和尺寸。这就严重限制了这种材料所能使用的方式和场合，并大大增加了在许多用途中使用这种材料的成本，尤其是在需要非平面形状的场合。因此，当在各种光反射应用中需要柔顺的材料时，显然SPECTRALON材料不能提供这种性质。此外，额外的加工过程产生了另一个污染源，而污染可能有损于其反射性质。