DE69713755T2

DE69713755T2 - Nichtpolarisierenden strahlteilen

Info

Publication number: DE69713755T2
Application number: DE69713755T
Authority: DE
Inventors: J. Ouderkirk; A. Stover; F. Weber
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2017-03-01
Also published as: EP0890120A1; CA2249610A1; EP0890120B1; BR9708360A; DE69713755D1; ES2179306T3; WO1997036195A1; JP2000508081A; US5808798A; CA2249610C; AU2060397A

Description

Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtpolarisierenden Strahlteiler der einen optischen Mehrschichtstapel aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Strahlteiler werden in optischen Systemen weithin verwendet, um einen einzigen optischen Strahl in zwei Wege zu teilen. Optische Systeme können Bildabtastungs- und Verarbeitungsvorrichtungen und optische Meßgeräte, wie etwa Mikroskope und Spektralphotometer, umfassen. Oft ist erforderlich, daß in optischen Systemen verwendete Strahlteiler über eine große Bandbreite eine spektral nahezu neutrale und nichtpolarisierende Antwort haben. Mit anderen Worten soll der Polarisationszustand des einfallenden Flusses erhalten bleiben, nachdem er mit dem Strahlteiler wechselwirkt. Außerdem ist es wünschenswert, daß bei Farbsystemen nach der Farbtrennung scharfe Bandkanten erhalten bleiben, um die Farbreinheit und Auflösung des bildformenden Strahls zu erhalten.
Strahlteiler für optische Abbildungssysteme nehmen im allgemeinen die Form einer zusammenhängenden Oberfläche an, welche teilweise reflektierend und teilweise transmittierend ist. Insbesondere können derartige Strahlteiler einen auf ein Substrat beschichteten Film aus mehreren isotropen anorganischen Schichten aufweisen, in dem die Schichten aus sich abwechselnden Materialien mit als niedrig (L), mittel (M) und/oder hoch (H) bezeichneten Brechungsindizes gefertigt sind. Zum Beispiel wird ein mehrschichtiger Strahlteiler so beschrieben, daß er Schichten aus drei verschiedenen Materialien hat, die in einem sich wiederholenden Muster aus (MHML)-Stapeln angeordnet sind (A. Thelen, Appil Opt., Bd. 15, S. 2983, 1976). Diese Stapel sind jedoch nur nichtpolarisierend, wenn sie in einem Glaswürfel plaziert sind. Für geringe Kosten und einfache Herstellung sind die meisten nichtpolarisierenden Strahlteiler nur Zweikomponenten-(LH)- Stapel auf ebenen Substraten.
Derartige Strahlteiler werden konstruiert, indem 1) ihre Schichtdicken und 2) Materialien mit speziellen Brechungsindizes spezifiziert werden, um den gewünschten Reflexionsgrad, die gewünschte Bandbreite und nichtpolarisierende Antwort des Strahlteilers zu erreichen. Der Strahlteiler ist im allgemeinen fähig, so eingestellt zu werden, daß er in nur einem Einfallswinkel nichtpolarisierend ist. Diese Strahlteiler sind im allgemeinen nur für ausgerichtetes Licht nützlich. Außerdem kann die nichtpolarisierende Antwort nur über eine schmale spektrale Bandbreite (200 nm oder weniger) erzielbar sein, was für optische Breitbandsysteme, wie etwa für die, die das gesamte sichtbare Spektrum verwenden, nicht praktikabel ist. Es ist auch schwierig, mit einem derartigen isotropen Stapel scharfe Bandkanten herzustellen, weil die Wellenlängenpositionen der Bandkanten von reflektiertem s- und p-polarisierten Licht gewöhnlich ziemlich unterschiedlich sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt einen nichtpolarisierenden Strahlteiler zur Verfügung, der den Polarisationszustand von einfallendem Licht mit jeder beliebigen Bandbreite in jedem Einfallswinkel innerhalb eines gewünschten Bereichs aufrecht erhält. Der Strahlteiler kann somit ausgerichtete oder nicht ausgerichtete Strahlen in Schmalband- oder Breitbandanwendungen aufnehmen. Das von dem nichtpolarisierenden Strahlteiler dieser Erfindung geteilte Licht zeigt sowohl in seinen reflektierten als auch transmittierten Komponenten scharfe Bandkanten, was den Strahlteiler zum Beispiel in reflektierenden Farbtrennsystemen besonders nützlich macht.
Der nichtpolarisierende Strahlteiler weist einen vielschichtigen Stapel mit zwei Hauptoberflächen auf. Der mehrschichtige Stapel umfaßt abwechselnd Schichten aus einem ersten und einen zweiten Material, wobei die Schichten jeweils eine x-Richtung und eine y-Richtung, die eine x-y- Ebene bilden, und eine zur x-y-Ebene senkrechte z-Richtung haben. Die ersten Materialschichten sind uniaxial doppelbrechend und haben in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n1(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n1(z). Die Differenz zwischen diesen Brechungsindizes n1(x,y) - n1(z) ist mindestens 0,05. Die zweiten Materialschichten haben in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n2(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n2(z). Die zweiten Materialschichten können wahlweise optisch uniaxial doppelbrechend oder sie können isotrop sein. Der Strahlteiler zeigt Brechungsindexbeziehungen derart, daß n1(x,y) größer als n2(x,y) ist (n1(x,y) > n2(x,y)) und n1(z) kleiner oder gleich n2(z) ist (n1(z) ≤ n2(z)). Am besten ist n1(x,y) gleich n2(z) (n1(x,y) = n2(z)) und n2(x,y) ist gleich n1(z) (n2(x,y) = n1(z)). Bevorzugt ist die Differenz zwischen n1(x,y) und n2(x,y) (als Δn(x,y) bezeichnet) mindestens 0,05.
Der Strahlteiler dieser Erfindung zeigt die folgende nichtpolarisierende Antwort auf einen einfallenden Lichtstrahl, der eine Nutzbandbreite, eine p-polarisierte Komponente und eine s-polarisierte Komponente hat: Wenn der einfallende Strahl in jedem beliebigen Einfallswinkel θ innerhalb eines Bereichs auf eine Hauptoberfläche des Strahlteilers trifft, zeigt der Strahlteiler für die p-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen Reflexionsgrad Rp und für die s-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen Reflexionsgrad Rs derart, dass sich Rp und Rs um weniger als 25%, bevorzugt 10% und stärker bevorzugt 5% unterscheiden, wenn Oberflächenreflexionen ausgeschlossen sind. Rp und Rs sind Durchschnittswerte über die Nutzbandbreite des einfallenden Strahls. Mit anderen Worten wird eine gegen den - Einfallswinkel gezeichnete Reflexionsgradkurve für p-polarisiertes Licht für alle Einfallswinkel innerhalb eine s spezifizierten Bereichs eng mit der gleichen Kurve für s-polarisiertes Licht übereinstimmen. Wie hier verwendet, bezieht sich "Nutzbandbreite" auf den Teil des einfallenden Strahlspektrums, über den eine nichtpolarisierende Antwort erwünscht ist. Das Gesamtspektrum des einfallenden Strahls kann breiter als die Nutzbandbreite sein.
Für die Zwecke dieser Erfindung wird Licht als elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich mit Wellenlängen im Bereich von etwa 0,3 Mikrometer (um) bis etwa 15 um definiert. Die Größe der Bandbreite des einfallenden Lichtstrahls ist als die Differenz zwischen den größten und kleinsten in dem Strahl enthaltenden Wellenlängen definiert. Der Strahlteiler dieser Erfindung ist zur Verwendung mit Licht mit vielen Bandbreitengrößen geeignet. Die Größe der Bandbreite ist für viele Anwendungen mindestens etwa 25 nm und liegt für Breitbandanwendungen im allgemeinen im Bereich von 100 bis 400 nm. Die Größe des Einfallswinkelbereichs ist als die Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Werten in dem Bereich definiert. Beispiele für Nutzbereiche umfassen Größen von 15º oder mehr (wie etwa der von 30º bis 60º reichende Bereich oder der von 0º bis 70º reichende Bereich). Der gewünschte Bereich hängt von den Einschränkungen der Anwendung oder der Anwendungen ab, in denen der Strahlteiler verwendet werden soll.
Der Strahlteiler kann ferner eine antireflektierende Behandlung auf einer oder beiden Oberflächen des mehrschichtigen Stapels umfassen, um Oberflächenreflexionen zu verringern. Der mehrschichtige Stapel kann wahlweise auch auf einem transparenten Substrat angeordnet werden. In einer Ausführungsform ist das erste Material ein Polymer, das durch positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung gekennzeichnet ist, das zweite Material ist ein Polymer, und der Stapel wurde biaxial in die x-Richtung und die y-Richtung gedehnt. Die Eigenschaft dehnungsinduzierte Doppelbrechung in einem Material wird als eine Brechungsindexänderung definiert, die sich aus an das Material angelegter Spannung (wie etwa Dehnung) ergibt. Die Indexänderung tritt in der Richtung auf, entlang der die Spannung angelegt wird. Für die Zwecke dieser Erfindung ist die Indexänderung dauerhaft (d. h. verschwindet nicht, nachdem die Spannung entfernt wird). Ein Polymer mit positiver dehnungsinduzierter Doppelbrechung erzeugt nach dem biaxialen Dehnen einen Film mit negativer uniaxialer Doppelbrechung. Das zweite Material kann positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung, negative dehnungsinduzierte Doppelbrechung (das Gegenteil von positiver dehnungsinduzierter Doppelbrechung) zeigen, oder es kann keine dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigen und somit isotrop bleiben. Das erste Material ist bevorzugt Polyethylennaphthalat (PEN). Das zweite Material kann ein halbkristallines oder amorphes Polymermaterial sein und ist bevorzugt syndiotaktisches Polystyrol (sPS).
In einer anderen Ausführungsform weist der Strahlteiler einen mehrschichtigen Stapel auf, in dem das Mittel der optischen Dicken der Schichten geringer als 5/4 mal der mittleren Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls (5/4 λ) ist. Bevorzugt hat jede Schicht eine optische Dicke von weniger als 5/4 λ und ist typischerweise in der Nähe eines 1/4 λ-Werts. Auf dies wird im allgemeinen als ein Dünnfilmstapel Bezug genommen. Bevorzugt werden die Schichtdicken des mehrschichtigen Stapels verändert, so daß der Strahlteiler über die gewünschte Bandbreite nichtpolarisierend ist. Ein Computerprogramm kann verwendet werden, um die Schichtdicken in dem Stapel auf die maximale optische Leistung zu optimieren.
In einer anderen Ausführungsform weist der Stahlteiler einen mehrschichtigen Stapel auf, in dem das Mittel der optischen Dicken der Schichten mindestens 5/4 mal der mittleren Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls (5/4 λ) ist. Bevorzugt hat jede Schicht eine optische Dicke von mindestens 5/4 λ. Auf diesen Aufbau wird im allgemeinen als ein Dickfilmstapel Bezug genommen. Der Strahlteiler weist mindestens 10 Schichten, bevorzugt im Bereich von 10 bis 1000 Schichten auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der nichtpolarisierende Strahlteiler einen mehrschichtigen Stapel wie oben beschrieben auf, welcher abwechselnd Schichten aus PEN und sPS enthält. Die PEN-Schichten haben in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n1(xy) im Bereich von etwa 1,73 bis etwa 1,77 und in der z-Richtung einen Brechungsindex n1(z) im Bereich von etwa 1,48 bis etwa 1,52. Die sPS-Schichten haben in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n2(x,y) im Bereich von etwa 1,55 bis etwa 1,59 und in der z-Richtung einen Brechungsindex n2(z) im Bereich von etwa 1,60 bis etwa 1,64. Diese Brechungsindizes sind alle bei 580 nm gemessen. Wenn ein einfallender Strahl mit einer Nutzbandbreite für eine ausgewählte Anwendung in einem beliebigen Einfallswinkel θ im Bereich von etwa 0º bis etwa 60º auf eine Hauptoberfläche des Strahlteilers trifft, zeigt der Strahlteiler mittlere Reflexionsgrade Rp und Rs, wie weiter oben beschrieben, wobei Rp und Rs sich um weniger als 10% unterscheiden.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines nichtpolarisierenden Strahlteilers, einschließlich der Schritte Koextrudieren eines vielschichtigen Bogens aus abwechselnden Schichten aus einem ersten Material und einem zweiten Material zur Verfügung, wobei die Schichten jeweils eine x-Richtung und eine y-Richtung, welche eine x-y-Ebene bilden, und eine zu der x-y-Ebene senkrechte z- Achse haben. In dem auf diese Weise gebildeten mehrschichtigen Bogen haben die ersten Materialschichten in der x-y- Ebene einen Brechungsindex n1(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n1(z), und die zweiten Materialschichten haben in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n2(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n2(z). Das erste Material wird so ausgewählt, daß es eine positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigt. Das zweite Material kann wahlweise dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigen oder kann keine dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigen. Der mehrschichtige Bogen wird dann biaxial in die x-Richtung und die y-Richtung gedehnt, bis ein mehrschichtiger Stapel mit den Brechungsindexbeziehungen n1(xy) > n2(x,y) und n1(z) < n2(z) gebildet wird. In dem Stapel sind die ersten Materialschichten derart uniaxial doppelbrechend, daß n1(x,y) - n1(z) ≥ 0,05. Die zweiten Materialschichten können auch uniaxial doppelbrechend sein, oder sie können isotrop sein. Der sich ergebende Strahlteiler zeigt die weiter oben beschriebene nichtpolarisierende Antwort.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines nichtpolarisierenden Strahlteilers der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 und 3 sind graphische Ansichten des Reflexionsgrads gegen den Einfallswinkel für eine einzelne Grenzfläche von zwei Materialien in einem Medium mit dem Index 1,60.
Fig. 4 und 5 bilden verschiedene mögliche Beziehungen zwischen den Indizes in der x-y-Ebene und der z-Richtung für zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien ab.
Fig. 6a ist ein Konturdiagramm von n2(z) gegen n2(x,y) auf der Grundlage der Gleichungen 1 und 2, wobei Rs = Rp angenommen wird.
Fig. 6b ist eine graphische Ansicht des berechneten Reflexionsgrads gegen den Einfallswinkel für s- und p- polarisiertes Licht in einem Medium mit dem Index 1,0 an einer einzelnen Grenzfläche des Materials A und des Materials B, die durch einen Punkt Y in Fig. 6a definiert ist.
Fig. 7 ist eine graphische Ansicht des berechneten Reflexionsgrads gegen den Einfallswinkel für s- und p- polarisiertes Licht in einem Medium mit dem Index 1,60 an einer einzelnen Grenzfläche des Materials A und des Materials B, die durch einen Punkt Y in Fig. 6a definiert ist.
Fig. 8 ist eine graphische Ansicht des berechneten Reflexionsgrads gegen, die Anzahl der Schichten für s- und p-polarisiertes Licht bei θ = 45º in einem Luftmedium für einen mehrschichtigen Stapel aus den Materialien A und B mit Schichtdicken größer als 5/4 λ.
Fig. 9 ist eine graphische Ansicht, des gemessenen Transmissionsgrads von s- und p-polarisiertem Licht bei θ = 45º für den 241-schichtigen Strahlteiler von Beispiel 1.
Fig. 10 ist eine graphische Ansicht des gemessenen Transmissionsgrads von s- und p-polarisiertem Licht bei θ = 70º für den 241-schichtigen Strahlteiler von Beispiel 1.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Zeichnung eines Teils eines nichtpolarisierenden Strahlteilers 10 dieser Erfindung, der in ein isotropes Medium (nicht gezeigt) mit einem Brechungsindex n&sub0; getaucht ist. Der nichtpolarisierende Strahlteiler weist einen mehrschichtigen ebenen Stapel 11 aus abwechselnden Schichten aus einem ersten Material und einem zweiten Material auf. Auf die ersten und zweiten Materialien wird in der Zeichnung und Beschreibung jeweils als Material "A" und Material "B" Bezug genommen. Der mehrschichtige Stapel hat zwei Hauptoberflächen, die jeweils parallel zu der Ebene der Schichten sind. Die Figur umfaßt ein Koordinatensystem 12, das eine x-Richtung und eine y-Richtung definiert, welche zusammen eine x-y- Ebene bilden, die parallel zu der Ebene der Schichten ist, und eine zu der x-y-Ebene senkrechte z-Richtung. Jedoch ist es nicht notwendig, daß die optischen Achsen des Films exakt parallel zu den x-, y- und z-Koordinatenachsen sind, um geeignete Artikel herzustellen.
Jede der Schichten aus dem Material A ist uniaxial doppelbrechend. Die Schichten aus dem Material B können auch uniaxial doppelbrechend sein, oder sie können isotrop sein. Die das Material A aufweisenden Schichten haben in der x-y- Ebene einen Brechungsindex n1(xy) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n1(z). Die Differenz zwischen n1(xy) und n1(z), die den Grad der Doppelbrechung in den Schichten aus dem Material A anzeigt, ist mindestens 0,05. Entsprechend haben die das Material B aufweisenden Schichten in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n2 (x,y) und in der z- Richtung einen Brechungsindex n2(z). Wenn die Schichten aus dem Material B eine positive uniaxiale Doppelbrechung haben, dann ist n2(z) - n2(x,y) ≥ 0,05. In dem Fall, in dem die Schichten aus dem Material B isotrop sind, ist n2(xy) der gleiche wie n2(z). Ein isotropes Material ist eines, bei dem der Brechungsindex sich in jeder der drei Dimensionen um weniger als 0,01 von dem Index in jeder der beiden restlichen Dimensionen unterscheidet. Die Indizes in der x- y-Ebene n1(x,y) und n2(x,y) sind jeweils als etwa gleichmäßig mit einer Abweichung von weniger als etwa 1% in jeder Richtung innerhalb der x-y-Ebene definiert. Der weiter oben beschriebene mehrschichtige Stapel ist ferner gekennzeichnet durch Brechungsindexbeziehungen derart, daß n1(x,y) größer als n2(x,y) ist (n1(x,y) > n2(x,y)) und n1(z) kleiner oder gleich n2(z) ist (n1(z) ≤ n2(z)).
In Fig. 1 ist ein beispielhafter zu teilender Strahl 14 gezeigt, der in einem Einfallswinkel θ auf eine Hauptoberfläche des nichtpolarisierenden Strahlteilers 10 trifft. Ein Teil des Lichtstrahls 14 wird von dem Strahlteiler 10 reflektiert, um den reflektierten Strahl 16 zu bilden. Die Strahlen 14 und 16 bilden zusammen eine Einfallsebene. Wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist, können die Strahlen 14 und 16 jeweils eine s-polarisierte Komponente, die senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert ist, und einen p-polarisierte Komponente, die parallel zur Einfallsebene linear polarisiert ist, aufweisen. Der Strahl 14 kann unpolarisiert sein, wobei die s- und p-polarisierten Komponenten die gleiche Größe haben, oder der Strahl kann polarisiert sein, so daß die s- und p-polarisierten Komponenten ungleiche Größe haben. Auf das Größenverhältnis der s- und p-polarisierten Komponenten wird als der "Polarisationszustand" des Strahls Bezug genommen. Der Teil des Strahls 14, der von dem Strahlteiler 10 nicht reflektiert wird, wird entweder transmittiert oder in dem Strahlteiler absorbiert. "Nichtpolarisierend" bedeutet hinsichtlich des Strahlteilers dieser Erfindung, daß ein einfallender Strahl mit einer Nutzbandbreite, der in jedem beliebigen Einfallswinkel θ innerhalb eines gewünschten Bereichs auf eine Hauptoberfläche des Strahlteilers trifft, für die p-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen mittleren Reflexionsgrad Rp und für die s-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen mittleren Reflexionsgrad Rs zeigt, so daß Rp und Rs sich um weniger als 25%, bevorzugt um weniger als 10%, stärker bevorzugt um weniger als 5% unterscheiden, wenn Oberflächenreflexionen ausgeschlossen sind. Mit anderen Worten können wir sagen, daß der Polarisationszustand des einfallenden Strahls erhalten bleibt. "Reflexionsgrad" bezeichnet den Bruchteil des einfallenden Lichtflusses, der reflektiert wird, angegeben als ein Wert im Bereich von 0 bis 1. Rs und Rp sind Mittelwerte über die Nutzbandbreite des einfallenden Strahls.
Die Bandbreite des einfallenden Strahl ist je nach Anwendung unterschiedlich. Die Nutzbandbreite kann die gleiche Größe wie die tatsächliche Bandbreite haben, oder sie kann kleiner sein. Ein Laser kann eine Bandbreitengröße von nur wenigen Nanometern haben, aber in den meisten anderen Anwendungen ist die Bandbreitengröße mindestens etwa 25 nm. Licht mit einer Bandbreitengröße im Bereich von 100 bis 400 nm findet man typischerweise in Breitbandanwendungen. Der Strahlteiler dieser Erfindung ist geeignet für Licht mit Wellenlängen im Infrarot- und im sichtbaren Bereich, d. h. von etwa 0,3 um bis etwa 15 um. Der Bereich des Einfallswinkels (θ), über den der Strahlteiler nichtpolarisierend ist (was bedeutet, daß Licht in jedem Winkel innerhalb des Bereichs eine nichtpolarisierende Antwort erzeugt) kann der maximale Bereich sein, der sich von 0º (senkrechter Einfall) bis nahezu 90º (streifender Winkel) erstreckt, wenngleich ein derartig großer Bereich nicht gewünscht oder notwendig sein kann. Zum Beispiel sind sehr hohe Einfallswinkel physikalisch unpraktisch, wenn ein Strahlteiler in einem optischen System angeordnet wird. Außerdem bleibt das Reflexions-Transmissions-Verhältnis des Strahlteilers nicht konstant, wenn sich der Einfallswinkel innerhalb des Bereichs ändert und kann außerhalb der Konstruktionsspezifikationen streuen. Ein wünschenswerter Bereich kann daher kleiner als die maximale Größe sein, während er immer noch groß genug ist, um Flexibilität beim Positionieren des nichtpolarisierenden Strahlteilers in einem optischen System und beim Aufnehmen eines nichtausgerichteten Strahls zu liefern. Die Größe des Einfallswinkelbereichs kann so klein wie 0º sein (was einen einzigen Wert für θ anzeigt), ist aber bevorzugt mindestens 10º, um Strahlen aufzunehmen, die nicht stark ausgerichtet sind. Beispiele für geeignete Bereiche umfassen einen Bereich, der sich von 0º bis 70º erstreckt, oder einen kleineren Bereich, der sich von 30º bis 60º erstreckt.
Ein besonders nützlicher Strahlteiler dieser Erfindung ist für einen einfallenden Strahl mit einer Bandbreite, die das sichtbare Spektrum (das sich von etwa 400 nm bis etwa 700 nm erstreckt) abdeckt, und eine Größe des Einfallswinkelbereichs zwischen 15º und 25º nichtpolarisierend. Ein derartiger Strahlteiler könnte einen Einfallswinkelbereich haben, der sich zum Beispiel von 35º bis 55º erstreckt.
Das Verhalten dieses uniaxial doppelbrechenden Stapels ist eine Verbesserung gegenüber dem von mehrschichtigen Stapeln aus isotropen Materialien (bei denen die den x-, y- und z-Richtungen entsprechenden Brechungsindizes etwa gleich sind). In derartigen isotropen Stapeln ist der Reflexionsgrad von s-polarisiertem Licht bei einer gegebenen Wellenlänge im allgemeinen unterschiedlich zu dem Reflexionsgrad von p-polarisiertem Licht, und ihre Reflexionsgrade ändern sich unabhängig voneinander mit dem Einfallswinkel. Mit anderen Worten wird ein isotroper Stapel den Polarisationszustand eines einfallenden Lichtstrahls im allgemeinen nicht erhalten und zeigt deshalb keine nichtpolarisierende Antwort. In den Fällen, in denen ein isotroper Stapel nichtpolarisierend ist, gilt die nichtpolarisierende Wirkung nur für einen schmalen Einfallswinkelbereich.
Mit Bezug auf diese Erfindung sind die Reflexionskoeffizienten von p- und s-polarisiertem Licht (rpp und rss) für eine einzige Grenzfläche zwischen Schichten aus dem Material A und dem Material B bei einer gegebenen Wellenlänge jeweils durch die Gleichungen 1 und 2 gegeben.
Der Reflexionsgrad für jede Polarisation Rp oder Rs wird berechnet, indem der Absolutwert des entsprechenden Reflexionskoeffizienten quadriert wird. In den obigen Gleichungen ist θ der in einem äußeren isotropen Medium mit dem Index n&sub0; gemessene Einfallswinkel. Es ist zu erkennen, daß Gleichung 2 in der Hinsicht äquivalent zur Standard-Reflexionskoeffizientengleichung für isotrope Materialien ist, daß n1(z) und n2(z) den Reflexionsgrad von s-polarisiertem Licht nicht beeinflussen. Im Gegensatz dazu können n1(z) und n2(z) den Reflexionsgrad von p-polarisiertem Licht an einer einzelnen Grenzfläche erheblich beeinflussen.
Gleichung 1 kann verwendet werden, um die Wirkung von verschiedenen Brechungsindexbeziehungen auf den Reflexionsgrad von p-polarisiertem Licht an einer einzelnen Grenzfläche eines uniaxial doppelbrechenden 2-Schicht-Systems darzustellen, wie in den Diagrammen von Fig. 2 und 3 gezeigt. Für die Darstellungszwecke in diesen Figuren sind den Brechungsindizes folgende repräsentative Werte zugeordnet: n1(x,y) = 1,75, n2(x,y) = 1,50, und das isotrope Medium, welches das System umgibt, hat einen Wert von n&sub0; = 1,60. Fig. 2 zeigt Kurven für den Reflexionsgrad gegen den Einfallswinkel für p-polarisiertes Licht, das von dem isotropen Medium auf die doppelbrechenden Schichten einfällt für Fälle, in denen n1(z) numerisch größer oder gleich n2(z) ist (n1(z) ≥ n2(z)). Die mit (a) bis (f) bezeichneten Kurven in Fig. 2 sind für die folgenden z-Indexwerte: (a) n1(z) = 1,75, n2(z) = 1,50; (b) n1(z) = 1,75, n2(z) = 1,57; (c) n1(z) = 1,70, n2(z) = 1,60; (d) n1(z) = 1,65, n2(z) = 1,60; (e) n1(z) = 1,61, n2(z) = 1,60; (f) n1(z) = 1,60 = n2(z). Wenn n1(z) sich n2(z)annähert, nimmt der Brewsterwinkel (der Winkel, bei dem der Reflexionsgrad von p-polarisiertem Licht auf null fällt) zu. Wenn jedoch n1(z) = n2(z) (Kurve (f)), verschwindet der Brewsterwinkeleffekt, und es gibt einen konstanten Reflexionsgrad für alle Einfallswinkel.
Fig. 3 zeigt Kurven für den Reflexionsgrad gegen den Einfallswinkel für Grenzflächen, bei denen n1(z) numerisch kleiner oder gleich n2(z) ist (n1(z) ≤ n2(z)). Um des Vergleichs Willen stellt die Kurve (a) s-polarisiertes Licht dar und zeigt die charakteristische Form einer Kurve, die gemäß Gleichung 2 berechnet wurde. Die Kurven (b)-(e) zeigen p-polarisiertes Lichtverhalten für verschiedene Werte von n(z) in der folgenden Reihenfolge: (b) n1(z) = 1,50, n2(z) = 1,60; (c) n1(z) = 1,55, n2(z) = 1,60; (d) n1(z) = 1,59, n2(z) = 1,60; und (e) n1(z) = 1,60 = n2(z). Wiederum gibt es keinen Brewsterwinkeleffekt, wenn n1(z) = n2(z) (Kurve (e)), und es gibt einen konstanten Reflexionsgrad für alle Einfallswinkel. Für die Kurven (b)-(d) nimmt der Reflexionsgrad von p-polarisiertem Licht mit dem Einfallswinkel monoton zu. Es wird kein Brewsterwinkelminimum wie in Fig. 2 beobachtet. Statt dessen imitieren die Kurven die Reflexionsgrad-Antwort von in Kurve (a) gezeigtem s-polarisiertem Licht.
Verschiedene Beziehungen zwischen Brechungsindizes für die x-y-Ebene und die z-Richtung sind in Fig. 4 und 5 für mögliche Paarungen aus einem Material A und einem Material B dargestellt (kein einzelnes Materialpaar zeigt alle der dargestellten Bedingungen). Die vertikalen Achsen zeigen Relativwerte von Brechungsindizes an, und die horizontalen Achsen werden verwendet, um die Antworten auf die verschiedenen Beziehungen zu unterscheiden. Jede Figur beginnt links (im Bereich 1) mit zwei isotropen Filmen, wobei die Indizes in z-Richtung und die Indizes in der x-y-Ebene gleich sind (die Linien sind zur Deutlichkeit getrennt). Während man nach rechts durch die Bereiche II und III fortschreitet, werden die Indizes in der x-y-Ebene konstant gehalten und die Indizes in der z-Richtung nehmen zu oder ab, was den relativen Betrag positiver oder negativer Doppelbrechung in den entsprechenden Materialien anzeigt.
Der weiter oben mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Fall ist durch den Bereich II in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Indizes in der x-y-Ebene des Materials A sind größer als die Indizes in der x-y-Ebene des Materials B. Außerdem hat das Material A eine negative Doppelbrechung (n1(z) < n1(x,y)), das Material B hat eine positive Doppelbrechung (n2(z) > n2(x,y)), und n1(z) ist größer als n2(z). Der Punkt, an dem das Brewsterwinkelminimum verschwindet und der Reflexionsgrad für alle Einfallswinkel konstant ist, ist da, wo n1(z) gleich n2(Z) wird. Dieser Punkt entspricht der Kurve (f) in Fig. 2 und der Kurve (e) in Fig. 3. Rechts von diesem Punkt, im Bereich III, nimmt die Doppelbrechung sowohl für Material A als auch für B zu, und n1(z) ist nun kleiner als n2(z). In diesem Bereich sind die Reflexionsgradkurven für p-polarisiertes Licht ähnlich denen für s-polarisiertes Licht (das kein Brewsterwinkelminimum hat), wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn das Material A ausreichend negativ doppelbrechend ist, kann n1(z) bis zu dem Punkt abnehmen, an dem n1(z) gleich n2(Z) ist. Ebenso kann n2(z) bis zu dem Punkt zunehmen, an dem er gleich n1(X,Y) ist, wenn das Material B ausreichend positiv doppelbrechend ist. Dieser Fall, der ganz rechts in Fig. 4 gezeigt ist, wird durch die Gleichungen 3a und 3b beschrieben:
(3a) n1(z) = n2(x,y)
(3b) n2(z) = n1(x,y)
Wenn die Gleichungen 3a und 3b in die Gleichung 1 eingesetzt werden und Gleichung 1 mit Gleichung 2 kombiniert wird, erkennen wir, daß rpp = rss. Wenn die durch Gleichung 3a und 3b beschriebenen Beziehungen mit der Auswahl von hinreichend doppelbrechenden Materialien erfüllt werden können, ist der Reflexionsgrad von s- und p-polarisiertem Licht (Rs und Rp) daher für alle Einfallswinkel identisch. Dies ist der Optimalfall einer perfekt nichtpolarisierenden Antwort an einer einzelnen Grenzfläche.
Es kann jedoch schwierig sein, Materialien mit ausreichender Doppelbrechung zu finden, so daß n1(z) gleich n2(x,y) und insbesondere daß n2(z) gleich n1(x,y) ist. Statt dessen können Materialien mit geringerer Doppelbrechung verwendet werden müssen. Dieser Fall ist ganz rechts in Fig. 5 dargestellt, wobei n2(z) um einen Betrag Δn&sub2; kleiner als n1(x,y) ist und n1(z) um einen Betrag Δn&sub1; kleiner als n2(x,y) ist. Glücklicherweise gibt es einen Brechungsindexbereich, über den Rs und Rp sich über einen breiten Einfallswinkelbereich um weniger als 25% unterscheiden. Tatsächlich kann Δn&sub2; größer als Δn&sub1; sein (was bedeutet, daß das Material B weniger doppelbrechend ist als das Material A), während immer noch eine ausreichende Übereinstimmung zwischen Rs und Rp hergestellt wird. Die Brechungsindizes, die benötigt werden, um einen nichtpolarisierenden Strahlteiler dieser Erfindung herzustellen, können empirisch auf der Grundlage der Gleichungen 1 und 2 gefunden werden. Man wählt zuerst ein Material mit einer relativ hohen Doppelbrechung und hohem Index in x-y-Ebene als das Material A aus. Mit bekannten Werten für n1(x,y) und n1(z) und festgelegten Werten für n&sub0; und θ, wird ein Konturdiagramm von n2(x,y) gegen n2(z) für den Fall erzeugt, daß die Gleichungen 1 und 2 quadriert werden und zueinander gleich gesetzt werden ( rss ² = rpp ² oder Rs = Rp). Derartige Zeichnungen können einfach unter Verwendung von im Handel erhältlicher mathematischer Software erzeugt werden. Man kann dann die Zeichnung verwenden, um ein Material B mit wünschenswerten n2(x,y)- und n2(z)-Werten auszuwählen, welche sich an einem Punkt auf der Zeichnung schneiden.
Ein Beispiel für eine derartige Zeichnung ist in Fig. 6a gezeigt. Das Material A wird hypothetisch als Polyethylennaphthalat (PEN) ausgewählt, und die Variablen werden wie folgt bestimmt: n1(x,y) = 1,75, n1(z) = 1,49, θ = 60º und n&sub0; = 1,0 (die n1(x,y)- und n1(z)-Werte sind unter Verwendung von PEN erreichbar). Es ist aus dieser Zeichnung offensichtlich, daß das Material B mit einem Index von etwa 1,60 isotrop sein kann, wie durch den Punkt X auf der Zeichnung gezeigt. Um eine größere Brechungsindexdifferenz Δn(x,y) relativ zu dem Material A zu erreichen (d. h., daß man n2(x,y) kleiner als den des isotropen Materials auswählt), ist zu erkennen, daß das Material B eine positive uniaxiale Doppelbrechung (n2(z) > n2(x,y)) haben muß, wie durch Punkt Y auf der Zeichnung (in dem n2(x,y) = 1,58 und n2(z) = 1,621) gezeigt. Die Indizes sind sehr ähnlich denen von syndiotaktischem Penystyrol (sPS). Der Index n2(x,y) kann auch größer als der des isotropen Materials ausgewählt werden, wobei das Material B in diesen Fall eine negative uniaxiale Doppelbrechung hätte. Die Nützlichkeit dieses Materials wäre jedoch begrenzt, da ein relativ hoher n2(x,y) bedeutet, daß die Indexdifferenz Δn(x,y) relativ klein ist. Ein zu kleiner Wert von Δn(x,y) führt dazu, daß der Reflexionsgrad der Grenzfläche unannehmbar niedrig ist.
Wenn die Materialien A und B einmal auf die weiter oben beschriebene Weise ausgewählt wurden, können Kurven für die Reflexionsgrade Rs und Rp als Funktion des Einfallswinkels (θ) erzeugt werden, um zu bestimmen, wie gut die Reflexionsgrade für einen Bereich Δθ um das bestimmte θ herum passen. Zum Beispiel zeigt Fig. 6b Reflexionsgradkurven für eine Grenzfläche zwischen dem Material A und dem Material B, abgebildet bei Punkt Y in Fig. 6a, in einem Einfallsmedium mit einem Index n&sub0; = 1,0. Rp bzw. Rs, die durch die Linien 18 bzw. 19 abgebildet sind, sind bei θ = 60º gleich und unterscheiden sich im Bereich von 0º bis 70º um weniger als 2%.
Eine Wellenlängenänderung des Lichts beeinflußt die nichtpolarisierende Antwort der Grenzfläche. Zum Beispiel ergibt das Materialpaar von Fig. 6b bei etwa 700 nm und θ = 60º Rs gleich Rp. Bei 400 nm nimmt n1(x,y) jedoch derart zu, daß die Reflexionsgradkurven sich verschieben und Rs und Rp nicht mehr gleich sind. Für eine Breitbandanwendung, bei der Rs und Rp über einen Wellenlängenbereich nahezu gleich sein müssen, kann das Material A angepaßt werden, um n1(x,y) zu verringern, ohne n1(z) merklich zu vergrößern. Zum Beispiel kann das ursprünglich als Material A ausgewählte Material (PEN) mit einem anderen Material, wie etwa PET, gemischt werden. Alternativ kann ein Copolymer auf der Basis von Naphthalendikarbonsäure oder Terepthalsäure hergestellt werden. Tatsächlich kann das Material A derart formuliert werden, daß Rs bei der Wellenlänge in der Mitte des interessierenden Bands gleich Rp ist, wobei für einen gegebenen Einfallswinkel Rs bei kürzeren Wellenlängen ein wenig größer als Rp und Rs bei längeren Wellenlängen ein wenig geringer als Rp ist.
Das Einfallsmedium beeinflußt auch die nichtpolarisierende Antwort an der Grenzfläche. In Fig. 7 sind die Kurven 22 und 23 für den Reflexionsgrad gegen den Einfallswinkel für das gleiche Materialpaar wie in Fig. 6b, aber in einem Einfallsmedium mit höherem Index (n&sub0; = 1,60) gezeigt. Es ist zu erkennen, daß Rp (Kurve 22) für Einfallswinkel größer als etwa 45º größer als Rs (Kurve 23) ist.
Auf der Grundlage der Gleichungen 1 und 2 und der weiter oben beschriebenen Abbildungen haben wir entdeckt, daß die Kurven für den Reflexionsgrad gegen den Einfallswinkel für s- und p-polarisiertes Licht an einer einzelnen Grenzfläche für alle Einfallswinkel in einem gewünschten Bereich für eine gegebene Lichtwellenlänge eng zueinander passen, wenn gewisse Brechungsindexbeziehungen erfüllt sind. Mit "passen" ist gemeint, daß sich die Reflexionsgrade Rs und Rp um weniger als 25% unterscheiden. Im allgemeinen müssen die Beziehungen n1(x,y) > n2(x,y) und n1(z) ≤ n2(z) erfüllt werden. Am besten zeigt die Grenzfläche die Beziehungen n1(x,y) = n2(z) und n2(x,y) = n1(z) (d. h. Δn&sub1; = 0 und Δn&sub2; = 0), was zu einer perfekt nichtpolarisierenden Antwort bei allen Einfallswinkeln führt. Wenn eine derartig perfekte Antwort nicht erreicht werden kann, können unter Verwendung von Zeichnungen wie denen in Fig. 6a und 6b zweckmäßige Indexkombinationen bestimmt werden.
Unter Verwendung der durch die Gleichungen 1 und 2 für eine einzelne Grenzfläche gelieferten Daten haben wir entdeckt, daß ein wirklich nichtpolarisierender Strahlteiler mit einer Vielzahl derartiger Grenzflächen (in der Form eines vielschichtigen Stapels ausabwechselnden Schichten aus den Materialien A und B), um den Gesamtreflexionsgrad zu erhöhen, unter Verwendung der gleichen Brechungsindexbeziehungen konstruiert werden kann. Die nichtpolarisierende Antwort, gekennzeichnet durch abgestimmte Reflexionsgradkurven, ist bei einer gegebenen Wellenlänge innerhalb eines spezifizierten Einfallswinkelbereichs unabhängig vom Einfallswinkel. Diese Reflexionsgradkurven verschieben sich jedoch, wie mit Bezug auf Fig. 6b beschrieben, für Licht mit verschiedenen Wellenlängen. Wenn die Materialien A und B mit der Wellenlänge verschiedene Dispersionsbeziehungen zeigen, kann der Reflexionsgrad des s- und p-polarisierten Lichts in dem Strahlteiler nicht mehr abgestimmt werden. Dispersion ist als die Brechungsindexänderung eines Materials mit der Wellenlänge definiert. Es ist insbesondere in Breitbandanwendungen wichtig, diese Dispersionseffekte zu berücksichtigen. Dies kann auf eine Art bewerkstelligt werden, indem die mehrschichtige Stapelkonstruktion unter Verwendung von wohlbekannten computergestützten Verfahren optimiert wird.
Der mehrschichtige Stapel von Fig. 1 kann wahlweise an einem transparenten Substrat (nicht gezeigt) befestigt werden, um dem Strahlteiler zusätzliche Steifheit oder Maßstabilität zu verleihen. Das Substrat kann jedes geeignete steife Material, das nichtpolarisierend und optisch transparent ist, wie etwa Glas oder Polykarbonat, sein. Der mehrschichtige Stapel kann an das Substrat laminiert, unter Verwendung eines optisch inaktiven Klebstoffs an das Substrat geklebt, mechanisch an dem Substrat befestigt oder unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens, das die nichtpolarisierende Antwort des Strahlteilers nicht stört, befestigt werden.
Da Oberflächenreflexionen erheblich zu dem Gesamtreflexionsgrad des Strahlteilers beitragen können, wird bevorzugt, daß der mehrschichtige Stapel von Fig. 1 eine Antireflexionsbehandlung, wie etwa eine auf mindestens einer Hauptoberfläche abgelagerte antireflexive Beschichtung 17 hat, um Oberflächenreflexionen zu verringern. Derartige Antireflexionsbehandlungen sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt und umfassen vakuumbeschichtete Filme, Solgel-Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen, wie etwa Plasmaätzen.
In vielen Anwendungen wirkt der nichtpolarisierende Strahlteiler dieser Erfindung bevorzugt als ein Teilspiegel oder Filter, so daß ein Teil des einfallenden Lichts jedes Polarisationszustands transmittiert wird und der Rest im wesentlichen reflektiert wird. Der mittlere Transmissionsgrad für einen nichtpolarisierenden Strahlteiler dieser Erfindung hängt von der Anwendung ab, in der der Strahlteiler verwendet wird. Im allgemeinen werden Strahlteiler so konstruiert, daß sie über eine bestimmte Bandbreite einen gewissen mittleren Transmissionsgrad ergeben. Zum Beispiel würde ein 50 : 50-Strahlteiler dieser Erfindung, der für die Verwendung im sichtbaren Spektrum (400 nm-700 nm) konstruiert ist, über eine Bandbreite von 300 nm 50% Transmission und 50% Reflexion liefern. Es ist wichtig zu beachten, daß das Transmissions-Reflexions-Verhältnis des Strahlteilers sich ändert, wenn der Einfallswinkel (θ) geändert wird, obwohl der Strahlteiler nichtpolarisierend bleibt. Die von dem Strahlteiler absorbierte Lichtmenge ist bevorzugt geringer als 1%.
In einer Ausführungsform wird ein nichtpolarisierender Strahlteiler, der einen mehrschichtigen Stapel wie weiter oben beschrieben aufweist, hergestellt, indem die Materialien A und B in einen Bogen mit der gewünschten Anzahl von Schichten geformt werden und der Bogen biaxial in die x- Richtung und die y-Richtung gedehnt wird, bis ein Stapel aus Schichten gebildet wird, der die weiter oben beschriebenen Brechungsindexbeziehungen hat. Die Dehnungsverhältnisse in der x- und y-Richtung sind nicht notwendigerweise gleich, sondern werden so gewählt, daß in der x-y-Ebene ein gleichmäßiger Brechungsindex geliefert wird. "Dehnungsverhältnis" ist als die Abmessung nach der Dehnung geteilt durch die Abmessung vor der Dehnung definiert. Die Dehnungsverhältnisse können gewählt werden, um n1(x,y), n2(x,y), n1(z) und/oder n2(z) so einzustellen, daß die Indizes die gewünschte Beziehung erfüllen, um die Kurven für den Reflexionsgrad gegen den Einfallswinkel der s- und p-polarisierten Komponenten in Übereinstimmung zu bringen.
In dieser Ausführungsform wird der mehrschichtige Bogen in die x- und y-Richtung gedehnt, so daß in der x-y- Ebene die Brechungsindexdifferenz zwischen benachbarten Schichten (definiert als Δn(x,y) = n1(x,y) - n2(x,y)) für jede beliebige Achse in der x-y-Ebene im wesentlichen gleich ist. Diese wesentliche optische Eigenschaft bewirkt, daß der mehrschichtige Stapel als ein Spiegel wirkt, der für einen gegebenen Einfallswinkel in jedem beliebigen Azimutwinkel um die z-Achse gleichmäßig reflektiert. Die Indexdifferenz Δn(x,y) ist mindestens 0,05, stärker bevorzugt mindestens 0,1 und noch stärker bevorzugt mindestens 0,15.
Das Material A ist ein Polymer, das so ausgewählt wird, daß es positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigt oder sein Brechungsindex nach dem Dehnen in der Dehnungsrichtung zunimmt. Das Material B ist ein Polymer, das negative dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigen kann (nach dem Dehnen eine Brechungsindexabnahme in der Dehnungsrichtung), oder es kann keine dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigen. Weniger bevorzugt kann das Material B positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigen, wenngleich in diesem Fall der Wert, von Δn(x,y) verringert wird. Nach dem Dehnen hat jede der Schichten, die das Material A aufweist, in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n1(x,y), der größer als der zur z-Richtung gehörende Brechungsindex n1(z) ist. Die Schichten aus dem Material B können in z-Richtung einen Index haben, der entweder größer oder kleiner als der Index in x-y-Richtung ist (n2(z) > n2(x,y) oder n2(z) < n2(x,y)), oder die Schichten können isotrop sein (n2(z) = n2(x,y)).
Das optische Verhalten und die Konstruktion derartiger mehrschichtiger Stapel ist in der ebenfalls offenen Patentanmeldung des Anmelders mit der US-Seriennummer 08/402 041 und dem Titel "Optical Film", eingereicht am 10. März 1995, detaillierter beschrieben.
Im allgemeinen kann das Material A aus einem Polymermaterial, wie etwa einem Naphthalendikarbonsäurepolyester oder Polyethylennaphthalat (PEN) und ihren Isomeren (z. B. 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und 2,3-PEN) ausgewählt werden. Das Material A kann auch aus anderen halbkristallinen Polymermaterialien, wie etwa Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylenisophthalat (PEI), CoPEN, CoPET und Copolymeren von PEI ausgewählt werden. Wie es hier verwendet wird, bezieht sich CoPEN auf eines der folgenden: 1) ein copolymerisiertes Reaktionsprodukt aus einem Naphthalendikarbonsäuremonomer und anderen geeigneten Monomeren, wie etwa Isophthal-, Terephthal- oder 4-4'-Bibenzoesäure oder ihren Estern, wie etwa Dimethylterephthalat, oder 2) eine umgeesterte Extrusionsmischung aus zwei oder mehr Polymeren, wobei mindestens ein Bestandteil ein Homopolymer oder ein Copolymer auf der Basis von Naphthalendikarbonsäure ist und andere Bestandteile andere Polyester oder Polykarbonate, wie etwa PET, sind. Wie es hier verwendet wird, bezieht sich CoPET auf ein Copolymer oder eine Mischung auf der Basis von Terephthalsäure. Das Material B kann ein halbkristallines oder amorphes Polymermaterial mit einem relativ niedrigen Brechungsindex in der x-y-Ebene sein (n2(x,y) kleiner als oder gleich etwa 1,60), wie etwa syndiotaktisches Penystyrol (sPS), das von der Dow Chemical Company im Handel erhältlich ist; ataktisches Penystyrol (aPS), das ebenfalls von der Dow Chemical Company erhältlich ist; 2-Polyvinylnaphthalen, Polymethylmethakrylat (PMMA); Eastar, das mit Glykol modifiziertes Polyzyklohexandimethylenterephthalat ist, das von der Eastman Chemical Co. im Handel erhältlich ist; Ecdel, ein thermoplastischer Polyester, der von der Eastman Chemical Co. im Handel erhältlich ist; und Polykarbonat, wie etwa das in US-A-5 278 694, Beispiel 4, beschriebene isotrope Copolykarbonat. Andere möglicherweise nützliche Materialien sind gewisse Isomere von PEN, die positiv uniaxial doppelbrechend sein können (1-4, 2-4, 1-3, 2-3 und 1-5). Die Materialien A und B werden bevorzugt derart gewählt, daß sie ähnliche rheologische Eigenschaften (z. B. Schmelzviskositäten) und optimale Dehnungstemperaturen haben, so daß sie praktisch koextrudiert und biaxial gedehnt werden können. Die optimale Dehnungstemperatur ist als die Temperatur definiert, bei der ein gegebenes Material das gewünschte Maß an dehnungsinduzierter Doppelbrechung zeigt. Insbesondere bevorzugte Kombinationen aus den Materialien A und B umfassen PEN/PMMA, CoPEN/sPS, PEN/Polykarbonat, CoPEN/Polykarbonat, PET/Ecdel, PEN/Ecdel, PEN/sPS, PEN/CoPET und PET/sPS.
In einer anderen Ausführungsform weist der nichtpolarisierende Strahlteiler dieser Erfindung einen mehrschichtigen Stapel aus sich abwechselnden Schichten aus den Materialien A und B, welche die weiter oben beschriebenen Brechungsindexbeziehungen erfüllen, auf, wobei die mittlere optische Dicke der Schichten in dem Stapel weniger als 5/4 mal der mittleren Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts ist (5/4 λ). Bevorzugt hat jede Schicht eine optische Dicke von weniger als 5/4 λ. Die optische Dicke (nd) ist als der Brechungsindex (n) multipliziert mit der Materialdicke (d) definiert. Eine Schicht aus dem Material A bildet mit einer benachbarten Schicht aus dem Material B ein Schichtpaar. Bevorzugt ist die mittlere optische Dicke der Schichtpaare in dem Stapel etwa λ/2. Die Anzahl der Schichtpaare in dem Stapel hängt von dem gewünschten Transmissions-Reflexions-Verhältnis und der Bandbreite des Lichts ab, das verwendet werden soll. Wenn der Einfallswinkel verändert wird, zeigen die Reflexionsbänder eines mehrschichtigen Dünnfilmstapels aus den zwei Materialien für s- und p-polarisiertes Licht nur dann gleiche Wellenlängenverschiebungen, wenn für die Mate rialien A und B die Gleichungen 3a und 3b erfüllt sind. Äußerst genaue und gleichmäßige Schichtdicken sind in dieser Ausführungsform erforderlich, um einen gleichmäßigen Reflexionsgrad über die Oberfläche des Strahlteilers und über die bestimmte Bandbreite zu erreichen.
Der mehrschichtige Stapel aus Schichtpaaren in dieser Ausführungsform wird gewöhnlich mit einer Computeroptimierungsroutine konstruiert, nachdem geeignete Materialien ausgewählt und Leistungsziele festgelegt wurden. Die Computeroptimierung kann mögliche unerwünschte Effekte aufgrund von Dispersion und Intrabandinterferenzen in Breitbandanwendungen korrigieren. Die Computeroptimierung kann auch verwendet werden, um die nichtpolarisierende Antwort eines Stapels aus zwei Materialien zu verbessern, deren Indizes die Gleichungen 3a und 3b nicht genau erfüllen. Um die Computeroptimierung zu benutzen, wird eine Startkonstruktion in ein Computerprogramm eingegeben, welches einzelne Schichtdicken anpaßt, um die beste optische Antwort mit minimaler Abweichung von Zielpunkten zu erreichen. Zwei mögliche Ansätze für Startkonstruktionen umfassen den Kombinationsstapel und den abgestuften Stapel. Einer oder beide diese Ansätze können in die letztendliche Stapelkonstruktion eingearbeitet werden.
In dem Kombinationsstapelansatz umfaßt der mehrschichtige Stapel ein oder mehrere Abschnitte von Schichtpaaren. Jeder Abschnitt soll Licht mit einer bestimmten Bandbreite reflektieren, indem Schichtpaare mit einer gemeinsamen Dicke von jeweils etwa der Hälfte der zentralen Wellenlänge des von diesem Abschnitt reflektierten Lichtbands eingebaut werden. Die Kombination von Abschnitten mit verschiedenen Schichtpaardicken soll es dem nichtpolarisierenden Strahlteiler dieser Erfindung ermöglichen, über Bandbreiten mit einer Größe von 2000 nm eine nichtpolarisierende Antwort zu zeigen.
In dem abgestuften Stapelansatz weist der mehrschichtige Stapel eine Reihe von benachbarten Schichtpaaren aus den Materialien A und B auf. Die Dicke der Schichtpaare nimmt durch den Stapel entlang eines Gradienten allmählich zu. Der Bereich der Dicken in dem Stapel (von dem dünnsten Schichtpaar an einem Ende zum dicksten Schichtpaar am anderen Ende) wird so gewählt, daß der nichtpolarisierende Strahlteiler Licht mit einer gewünschten Gesamtbandweite reflektiert. Ein Beispiel für eine abgestufte Stapel-Startkonstruktion könnte etwa 45 Schichtpaare umfassen, die PEN und sPS aufweisen und eine abgestufte Dicke im Bereich von 150 nm bis 450 nm haben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der nichtpolarisierende Strahlteiler einen mehrschichtigen Stapel aus abwechselnden Schichten aus den Materialien A und B auf, in welchen die mittlere optische Dicke der Schichten in dem Stapel mindestens 5/4 mal der mittleren Wellenlänge des Lichts ist, das reflektiert werden soll (5/4 λ). Bevorzugt hat jede Schicht eine optische Dicke von mindestens 5/4 λ. Dieser Ansatz ergibt, was als ein optischer "Tellerstapel"-Stapel oder Dickfilmstapel bekannt ist. Der Reflexionsgrad eines derartigen Stapels ist niedriger als für einen Viertelwellenstapel, welcher konstruktive Interferenz benutzt, aber das Verhälthis von Rs und Rp, die reflektiert werden, ist nur durch Materialeigenschaften bestimmt und kann durch die Schichtdicke nicht wesentlich beeinflußt werden. Der Strahlteiler kann deshalb für Herstellungszwecke einfacher und wirtschaftlicher machbar sein. Ein derartiger Stapel hat keine wellenlängenselektive Wirkung. Der Stapel hat mindestens 10 Schichten und bevorzugt im Bereich von 10 bis 1000 Schichten. Der Reflexionsgrad des Stapels für eine gegebene Wellenlänge ist durch die folgende Gleichung gegeben:
(4) R = Kr²/[1 + (K - 1)r²]
wobei K die Anzahl der Schichten und r der Reflexionskoeffizient ist, wie er durch die Gleichungen 1 und 2 für p- und s-polarisiertes Licht bei einer gegebenen Wellenlänge jeweils gegeben ist. Diese Gleichung gilt für jeden Einfallswinkel, vorausgesetzt der Wert von r ist für diesen Winkel bestimmt. Für Veranschaulichungszwecke wurden die Werte von r für s- und p-polarisiertes Licht bei θ = 45º in einem Luftmedium unter Verwendung eines hypothetischen Materialpaars berechnet, wobei n1(x,y) = 1,74, n1(z) = 1,49, n2(x,y) = 1,57 und n2(z) = 1,62 (Indexwerte sind ähnlich denen für ein PEN/sPS-Paar). R wurde für eine Anzahl von Werten für K berechnet, wobei die Annahme gemacht wurde, daß zwischen Schichten keine Luftspalte vorhanden sind. Wie in Fig. 8 gezeigt, scheinen die Reflexionsgradkurven 24 und 26 für s- und p-polarisiertes Licht jeweils nahezu identisch zu sein. Um den Strahlteiler mit einem Reflexionsgrad von 0,5 oder höher herzustellen, ist ein Stapel von mindestens 250 Schichten erforderlich. Zum Beispiel wäre eine 250-Schicht- PEN/sPS-Stapel mit einzelnen Schichten mit 0,5 Pn Materialdicke 125 um dick. Diese Dicke liegt innerhalb den Möglichkeiten der meisten biaxialen Filmdehnungsvorrichtungen. Ein derartiger Stapel hätte Schichtdicken von mindestens 5/4 λ für Licht im Wellenlängenbereich von 400-700 nm. Im allgemeinen führen dickere Schichten zu verringertem Schillern. Wenn ein gewünschter Stapel zu übermäßig dick für das biaxiale Dehnen ist, könnten mehrere dünnere Stapel mit zum Beispiel 100 Schichten einzeln gedehnt und dann aneinander geklebt werden, um eine ähnliche Antwort zu erreichen. In dieser Ausführungsform können Dispersionseffekte nicht, wie bei einem optischen Dünnfilm-Interferenzstapel, durch die Computeroptimierung von Schichtdicken korrigiert werden. Statt dessen kann man einen Stapel auf der Basis der Wellenlänge in der Mitte der interessierenden Bandbreite auswählen, um die Abweichung zwischen Rs und Rp über das Band zu minimieren. Wenn die Dispersionseffekte über diese Bandbreite nicht zu groß sind, dann kann ein nichtpolarisierender Breitband-Strahlteiler sehr einfach und günstig hergestellt werden.
In einem anderen Ansatz zu dieser Ausführungsform sind alle Schichten aus entweder dem Material A oder dem Material B dünn (weniger als 1/4 λ, bevorzugt weniger als 1/8 λ), während die Schichten aus dem anderen Material dick sind (größer als 5/4 λ). Die dünnen Schichten sollten für alle Wellenlängen in der interessierenden Bandbreite erheblich kleiner als 1/4 λ sein, um Schwankungen des Reflexionsgrads aufgrund von Dickenfehlern zu vermeiden. Der sich ergebende Stapel hat abwechselnd dünne und dicke Schichten mit vergrößertem Reflexionsgrad. Derartige abwechselnde Dick-Dünn-Stapel sind in US-A-5 122 906 beschrieben.
Der nichtpolarisierende Strahlteiler dieser Erfindung wird auf eine Art hergestellt, indem das Material A und das Material B koextrudiert werden, um einen mehrschichtigen Bogen oder eine Gießbahn zu bilden, und der Bogen dann entsprechend auf dem Fachgebiet wohlbekannten Verfahren ausgerichtet wird, indem der Bogen bei einer ausgewählten Temperatur im wesentlichen in eine Richtung gedehnt wird und bei einer ausgewählten Temperatur in eine zur ersten Richtung senkrechten Richtung gedehnt wird. Dem Dehnen kann wahlweise eine Wärmestabilisierung bei einer ausgewählten Temperatur folgen. Typischerweise wird der Bogen zuerst zum Beispiel mit einem Längsausrichter in der Bearbeitungsrichtung gedehnt und dann zum Beispiel mit einem Spannrahmen in der senkrechten Richtung gedehnt. Alternativ kann der Bogen gleichzeitig in den beiden Richtungen gedehnt werden, wobei eine biaxiale Simultandehnungsvorrichtung verwendet wird. Der Gießbogen kann statt dessen verfahrensunabhängig bzw. Off-Line in beiden Richtungen gleichzeitig gedehnt werden, wobei eine Filmdehnungsvorrichtung in Laborgröße verwendet wird, oder der Bogen kann unter Verwendung anderer Filmdehnungsverfahren gedehnt werden. Die Vordehnungstemperatur, die Dehnungstemperatur, die Dehnungsgeschwindigkeit, das Dehnungsverhältnis, die Wärmestabilisierungstemperatur und die Wärmestabilisierungszeit werden so ausgewählt, daß sie einen mehrschichtigen Stapel mit den gewünschten Brechungsindexbeziehungen ergeben. Diese Variablen sind voneinander abhängig; somit könnte zum Beispiel eine relativ niedrige Dehnungsgeschwindigkeit verwendet werden, wenn sie mit einer relativ niedrigen Dehnungstemperatur verbunden wird. Es ist für jemanden mit gewöhnlichen Kenntnissen klar, wie die geeignete Kombination dieser Variablen auszuwählen ist, um den gewünschten mehrschichtigen Stapel für die gewählten Materialien zu erhalten. Zum Beispiel ist das Dehnungsverhältnis für ein PEN/sPS-Materialpaar in jeder Richtung bevorzugt im Bereich von 2 : 1 bis 7 : 1 und besser im Bereich 4 : 1 bis 6 : 1.
Die Konstruktion eines nichtpolarisierenden Strahlteilers dieser Erfindung ist typischerweise ein iteratives Verfahren, in dem das Material A und das Material B so gewählt werden, daß sie im allgemeinen korrekte Brechungsindexbeziehungen, wie mit Bezug auf das Konturdiagramm in Fig. 6a beschrieben, zeigen. Ein Bogen aus sich abwechselnden Schichten aus den Materialien A und B wird dann mit Schichtdicken koextrudiert, die durch Computeroptimierung vorbestimmt werden können, und biaxial gedehnt. Der sich ergebende Stapel kann über die gewünschte Bandbreite bei mehreren Einfallswinkeln auf den Prozentsatz an Transmission (T) analysiert werden, wobei ein Gerät, wie etwa ein Spektrophotometer verwendet wird. Der Reflexionsgrad (R) wird als R = 1 - T/100 bestimmt (Die Absorption wird als vernachlässigbar angenommen.). Wenn die sich ergebenden Spektren zeigen, daß die Reflexionsgrade der s- und p-polarisierten Komponenten in dem gewünschten Einfallswinkelbereich nicht eng aufeinander ausgerichtet sind, kann es notwendig sein, die Dehnungsbedingungen anzupassen, um die relativen Werte von n1(z), n2(z), n1(x,y) und n2(x,y) zu erhöhen oder zu erniedrigen.
Der fertige Stapel kann mit einer Antireflexionsbehandlung auf einer oder beiden Hauptoberflächen versehen werden, um Oberflächenreflexionen zu verringern, und der Stapel kann wahlweise an einem transparenten Substrat befestigt werden, um dem nichtpolarisierenden Strahlteiler auf eine bereits beschriebene Weise Steifheit und Haltbarkeit zu verleihen.
Obwohl biaxiales Dehnen eines koextrudierten mehrschichtigen Bogens ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines nichtpolarisierenden Strahlteilers gemäß dieser Erfindung ist, können auch andere Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Stapels aus uniaxial doppelbrechenden Schichten verwendet werden. Zum Beispiel ist das Wachsen von doppelbrechenden mehrschichtigen kristallinen organischen Halbleiterstrukturen, die abwechselnde Schichten aus 3,4,9,10-Peryientetrakarbondianhydrid (PTCDA) und 3,4,7,8- Naphthalentetrakarbondianhydrid (NTCDA) aufweisen, in "Quasi-epitaxial growth of organic multiple quantum well structures by organic molecular beam deposition", So, F. F. et al., Appl. Phys. Lett., 56(7), Seite 674-676, Februar 1990, beschrieben.
Die Erfindung wird durch die Beispiele, die folgen, weiter erläutert. Alle Messungen sind ungefähr.

Beispiel 1

Ein nichtpolarisierender Strahlteiler der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt, indem in einem Arbeitsschritt eine Gießbahn extrudiert wurde und die Bahn später in einer Dehnungsvorrichtung mit Laborgröße biaxial ausgerichtet wurde.
Eine 241-schichtige Bahn wurde unter Verwendung eines 61-schlitzigen Zuführungsblocks und zweier Vervielfacher koextrudiert. Die Verwendung derartiger Vervielfacher ist in US-A-3 565 985 beschrieben. Polyethylennaphthalat (PEN) mit einer intrinsischen Viskosität von 0,56 dl/g (in einem Lösungsmittel aus 60 : 40-Gewichtsprozent Phenol : Dichlorbenzen) wurde von einer Fließpresse mit einem Durchsatz von 12 kg pro Stunde geliefert, und syndiotaktisches Penystyrol (sPS) mit einem mittleren Molekulargewicht von 200000 wurde von einer anderen Fließpresse mit einem Durchsatz von 10 kg pro Stunde geliefert. Dicke Hautschichten aus PEN wurden mit gleicher Dicke mit einem Gesamtdurchsatz von 4 kg pro Stunde zwischen dem letzten Vervielfacher und der Düse zugegeben. Die Gießbahn war etwa 508 Mikrometer (um) dick und 29 cm breit.
Die Gießbahn wurde biaxial ausgerichtet, wobei eine Dehnungsvorrichtung mit Laborgröße verwendet wurde, in der die vier Ränder eines Bahnstücks gegriffen werden und die Bahn gleichzeitig in der Bearbeitungsrichtung und in der Querrichtung gedehnt wird. Die Bahnprobe war etwa 7,5 cm mal 7,5 cm. Die Bahnprobe wurde bei etwa 100ºC auf die Dehnungsvorrichtung gelegt und in 60 Sekunden auf 130ºC erhitzt. Die Probe wurde dann mit einer Geschwindigkeit von etwa 10% pro Sekunde sowohl in der Bearbeitungs- als auch in der Querrichtung auf ein Dehnungsverhältnis von etwa 4,4 : 1 gedehnt. Sofort nach dem Dehnen wurde die Probe gekühlt, indem Luft mit Raumtemperatur auf sie geblasen wurde. Die Probe wurde nicht wärmestabilisiert. Der sich ergebende Film hatte 241 Schichten, die zwischen PEN und sPS abwechselten. Die äußeren Schichten waren sehr dick, aber die mittlere Dicke der 239 inneren Schichten war etwa 80 nm.
Die Leistungsfähigkeit des Films wurde durch Messung der Transmissionsgradprozentsätze von s- und p-polarisiertem Licht bei θ = 0º, 45º und 70º in Luft bestimmt, wobei ein Spektrophotometer im Wellenlängenbereich von 400- 900 nm verwendet wurde. θ = 0º ist das gleiche wie senkrechter Einfall. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 und 10 gezeigt. In Fig. 9 ist der Lichttransmissionsgrad bei θ = 0º durch die Linie 27 dargestellt. Die Linie 28 stellt den Transmissionsgrad von s-polarisiertem Licht bei θ = 45º dar, während die Linie 30 den Transmissionsgrad von p-polarisiertem Licht bei θ = 45º darstellt. Daten bei 70º Einfallswinkel sind in Fig. 10 durch die Linie 34 für p-polarisiertes Licht und durch die Linie 32 für s-polarisiertes Licht dargestellt. Mehrere spektrale Merkmale sind in den Daten offensichtlich. Reflexionsgradspitzen für p-polarisiertes Licht verschieben sich mehr ins Blaue als die Spitzen für s- polarisiertes Licht, wenn der Einfallswinkel zunimmt. Die Breite der s-polarisierten Lichtspitzen nimmt mehr als die für p-polarisiertes Licht zu. Im allgemeinen nimmt der Transmissionsgrad mit dem Winkel für s-polarisiertes Licht stärker ab als für p-polarisiertes Licht. Eine verringerte Breite der Spitzen und ein höherer Transmissionsgrad für p- polarisiertes Licht bedeuten, daß der Reflexionskoeffizient rpp von Gleichung 1 nicht schnell mit θ zunimmt wie es rss aus Gleichung 2 tut. Wir glauben, daß die Gießbahn für den in diesem Beispiel hergestellten Strahlteiler nicht unter den richtigen Bedingungen gedehnt wurde, um eine optimale Doppelbrechung der Schichten zu liefern. Als eine Folge ist es möglich, daß n1(z) nicht wirklich klein genug war, um entweder bei θ = 45º oder θ = 70º den gleichen Reflexionsgrad für s- und p-Polarisationen zu ergeben. Es wird erwartet, daß eine weitere Optimierung des Dehnungsverhältnisses, der Dehnungstemperatur und/oder der Wärmestabilisierung des gedehnten Stapels die Reflexionsgradübereinstimmung verbessern würde.
Die in Fig. 9 und 10 erkannte größere Blauverschiebung der Spitzen für p-polarisiertes Licht liegt an der im Vergleich zum PEN-Material geringeren Doppelbrechung des sPS-Materials. Nur gleiche und entgegengesetzte Doppelbrechungswerte in den beiden Materialien erzeugen nahezu gleiche Wellenlängenverschiebungen für die Spektren von s- und p-polarisiertem Licht.

Claims

1. Nichtpolarisierender Strahlteiler (10), der aufweist: einen mehrschichtigen Stapel (11) mit zwei Hauptoberflächen, wobei der mehrschichtige Stapel (11) abwechselnd Schichten aus einem ersten Material (A) und einem zweiten Material (B) aufweist, wobei jede der Schichten eine x-Richtung und eine y-Richtung, die eine x-y-Ebene bilden, und eine zu der x-y-Ebene senkrechte z-Richtung hat, wobei die Schichten aus, dem ersten Material in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n1(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n1(z) haben, wobei die Schichten aus dem ersten Material derart uniaxial doppelbrechend sind, daß n1(x,y) - n1(z) ≥ 0,05, wobei die Schichten aus dem zweiten Material in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n2(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n2(z) haben, wobei n1(x,y) ≥ n2(x,y) und n1(z) < n2(z), wobei n1(x,y) im wesentlichen gleich n2(z) ist, n2(x,y) im wesentlichen gleich n1(z) ist und n1(x,y) sich von n2(x,y) über eine Nutzbandbreite von mindestens 25 nm derart unterscheidet, daß ein einfallender Lichtstrahl, der in jedem beliebigen Einfallswinkel θ innerhalb eines Einfallswinkelbereichs von 30º bis 60º in Luft auf eine Hauptoberfläche des mehrschichtigen Stapels trifft und eine p-polarisierte Komponente und eine s-polarisierte Komponente hat, an jeder Grenzfläche des ersten und zweiten Materials für die p- polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen mittleren Reflexionsgrad Rp und für die s-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen mittleren Reflexionsgrad Rs zeigt, welche sich für jeden Einfallswinkel innerhalb des Bereichs um weniger als 10% unterscheiden.

2. Strahlteiler nach Anspruch 1, wobei die Nutzbandbreite des Strahlteilers das sichtbare Spektrum abdeckt.

3. Strahlteiler nach Anspruch 1, der ferner ein transparentes Substrat aufweist, wobei der mehrschichtige Stapel auf dem Substrat angeordnet ist.

4. Strahlteiler nach Anspruch 1, der ferner eine Antireflexionsbehandlung auf mindestens einer Hauptoberfläche des mehrschichtigen Stapels aufweist.

5. Strahlteiler nach Anspruch 1, wobei das erste Material ein Polymer ist, das positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigt, und der Stapel biaxial in der x-Richtung und der y-Richtung gedehnt wurde.

6. Strahlteiler nach Anspruch 5, wobei das erste Material ein Polymer aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus PEN, PET, PEI, CoPEN, CoPET und Copolymeren von PEI besteht.

7. Strahlteiler nach Anspruch 5, wobei das zweite Material ein Polymer aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus sPS, PMMA, Polykarbonat, Copolykarbonat, aPS, mit Glykol modifiziertem Polyzyklohexandimethylenterephthalat, Polyester und 2-Polyvinylnaphthalen besteht.

8. Verfahren zur Herstellung eines nichtpolarisierenden Strahlteilers (10), das aufweist:

Koextrudieren eines mehrschichtigen Bogens aus sich abwechselnden Schichten aus einem ersten Material (A) und einem zweiten Material (B), wobei jede der Schichten eine x- Richtung und eine y-Richtung, die eine x-y-Ebene bilden, und eine zu der x-y-Ebene senkrechte z-Richtung hat, wobei die Schichten aus dem ersten Material in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n1(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n1(z) haben und die Schichten aus dem zweiten Material in der x-y-Ebene einen Brechungsindex n2(x,y) und in der z-Richtung einen Brechungsindex n2(Z) haben, wobei das erste Material positive dehnungsinduzierte Doppelbrechung zeigt; und

biaxiales Dehnen des Bogens in der x-Richtung und der y-Richtung, bis ein mehrschichtiger Stapel mit zwei Hauptoberflächen gebildet wird, wobei die Schichten aus dem ersten Material uniaxial doppelbrechend sind, so daß n1(x,y) - n1(z) ≥ 0,05, wobei n1(x,y) > n2(x,y) und n1(z) < n2(z), n1(x,y) im wesentlichen gleich n2(z) ist, n2(x,y) im wesentlichen gleich n1(z) ist und n1(x,y) sich von n2(x,y) über eine Nutzbandbreite von mindestens 25 nm derart unterscheidet, daß ein einfallender Strahl, der in jedem beliebigen Einfallswinkel θ innerhalb eines Einfallswinkelbereichs von 30º bis 60º in Luft auf eine Hauptoberfläche des mehrschichtigen Stapels trifft und eine p-polarisierte Komponente und eine s-polarisierte Komponente hat, an jeder Grenzfläche des ersten und zweiten Materials für die p-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen mittleren Reflexionsgrad Rp und für die s-polarisierte Komponente des einfallenden Strahls einen mittleren Reflexionsgrad Rs zeigt, welche sich für jeden Einfallswinkel innerhalb des Bereichs über eine Nutzbandbreite von mindestens 25 nm um weniger als 10% unterscheiden.