具体实施方式

除了在本披露中明确地和清楚地定义的范围之外或除非特定背景另外要求不同的含义，否则本文使用的词语或术语具有其在本披露的领域中的普通、平常的含义。

如果在本披露和可以通过援引并入的一个或多个专利或其他文件中的词语或术语的使用上存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。

不定冠词“一个(种)(a/an)”是指一个或多于一个的由该冠词介绍的部件、零件或步骤。

每当披露具有下限和上限的程度或测量结果的数值范围时，还旨在具体地披露落入所述范围内的任何数和任何范围。例如，每一个取值范围(呈“从a至b”、或“从约a至约b”、或“从约a至b”、“从大约a至b”以及任何类似表述的形式，其中“a”和“b”代表程度或测量结果的数值)应被理解为阐明了涵盖于更广泛的值范围内并且包括值“a”和“b”本身的每一个数和范围。

术语如“第一”、“第二”、“第三”等可以被任是指定并且仅旨在区分除此之外在性质、结构、功能或作用方面相似或相对应的两个或更多个部件、零件或步骤。例如，词语“第一”和“第二”不用于其他目的并且不是该名称或对其后的名称的描述或描述性术语的一部分。仅仅使用术语“第一”不要求存在任何“第二”类似的或对应的部件、零件或步骤。类似地，仅仅使用词语“第二”不要求存在任何“第一”或“第三”类似的或对应的部件、零件或步骤。进一步，应理解的是，仅仅使用术语“第一”不要求要素或步骤是任何顺序中的正好第一个，而是仅仅要求它是这些要素或步骤中的至少一个。类似地，仅仅使用术语“第一”和“第二”不一定要求任何顺序。因此，仅仅使用这类术语不排除在“第一”与“第二”要素或步骤之间的中间要素或步骤等等。

“连续”材料是指一段具有某种或多种特性的相对较长、稳定、持续、未断裂或不间断的材料。“连续的”(或“连续地”)过程是指没有中断、间隙、异常或反转的过程。

“圆锥形”是指具有外表面的圆锥体形状。

“圆柱形”是指具有笔直平行侧和圆形或椭圆形截面；具有外表面的圆柱体的形状或形式。

“膜”通常用于包括片材、薄片、网、带、膜、箔纸、杆、细丝和线形式的任何材料。

“截头圆锥形”是指尖端被去除的圆锥体，例如具有带有窄端部的圆锥体的形状，或者尖端被去除或截去的圆锥体的形状。具有其顶点被平面切除的区域的圆锥体被称为截头圆锥体。

本文中，“梯度”用于是指从眼科镜片的一个部分到另一个部分的任何光学特征(比如偏振效率或透射率)的变化。本文所述的梯度典型地是逐渐的、平滑的和连续的。然而，无论是平滑的还是不平滑的，这种梯度也可以是离散的和/或递增的。

本文中，术语“镜片”用于是指有机或无机玻璃镜片、优选是有机镜片，该镜片包括具有一个或多个表面的镜片基材，该一个或多个表面可以涂覆有一个或多个具有不同性质的涂层。如本文使用的，“镜片毛坯”是指具有已知基弧的透明介质(没有焦度)，被光学实验室用来生产具有处方焦度的成品眼镜镜片；它用于单光镜片、双焦点镜片和三焦点镜片、以及渐进式多焦点镜片(PAL)。在非限定方面，本发明的方法可以用于制备透明的和非透明的(例如，不透明的)制品和装置。

短语“有机溶剂”是指用于当前实施例中的具有适合的表面张力、密度、和/或在水中的不混溶性特性的任何烃基液体。示例性有机溶剂包括脂肪族和芳香族烃(例如，醚、石油醚、戊烷、己烷、己烷类、庚烷、庚烷类、辛烷、苯、甲苯、二甲苯等、或其混合物、或醇类溶剂等)。

本文描述了根据本披露原理构造的制造光学制品的光学膜的方法和系统。本文使用的光学制品和方法可以用于任何类型的眼科镜片。在特定实施例中，本文生产的光学制品可以用于太阳镜的镜片或用于防晒目的。这种镜片可以是平光的或者可以具有矫正焦度。眼科镜片可以是偏振镜片。眼科制品可以由塑料光学基底形成，其是镜片基材或镜片毛坯。基材可以是疏水基材或亲水基材。不限于理论，本发明还包括光学装置和制造光学装置的方法。光学装置可以包括能够产生、操控、或测量电磁辐射的任何装置，例如，相机、遮阳板、双目镜、显微镜、望远镜、激光器等。在某些实例中，光学装置可以包含光学制品，比如眼科制品或镜片。

“拉伸”是指使物体更长或更宽而不会撕裂或破坏它。

参考图1，展示了用于加工光学膜的系统46。该系统包括多个用于输送膜3的辊12、以及以装配线形式相继定位的多个槽14。在此图示中，辊总体上被展示为具有相同的形状或设计，但是可以想到其他形状或设计，比如本文所述的形状或设计。此外，辊可以具有不同的圆柱体半径尺寸。每个槽14都包含用于浸没光学膜3的各种湿溶液。在每个槽14的一部分内定位有至少一个辊12。辊12可以相对于彼此和要处理的膜3被定位成各种配置。

系统46用于加工膜，必然包含至少一种二向色性染料的PVA膜。可以使用其他处理方法加工、拉伸以及可选地处理PVA膜，之后可以将其用于光学制品中，比如眼科镜片、更具体地是太阳镜片。用聚乙烯醇(PVA)和二向色性染料制造光偏光膜的结构和材料还可以包括美国专利号4,859,039、4,992,218、5,051,309、5,071,906、5,326,507、5,582,916和6,113,811中披露的那些。这些专利的披露了用于生产偏振元件和偏振层的材料、工艺和结构的全部内容并入本文。在这种情况下，使用透明的PVA膜3(Kuraray Poval PVA膜，可从Kuraray股份有限公司购买)。该膜具有约75微米的厚度。然而，在本发明的范围内可以考虑其他膜。

用于制备PVA偏振膜的加工步骤如下，并且如步骤1至8所示：(1)提供透明的PVA膜3，特别是至少包含增塑剂材料的PVA膜。可以可选地将PVA膜干燥，然后浸泡在水中。可以将膜3浸泡在第一槽中，随后浸泡在第二槽中。此过程包括(2)在水浴中使透明的PVA膜3膨胀以去除增塑剂。膜3在所有尺寸上都膨胀约30％。该过程包括当膜3行进通过每组辊12时用“湿溶液”进一步喷洒或浸泡膜的至少一部分。每个槽包括浴，该浴具有定位于每个浴的出口处的至少一个喷头，以包含从每个槽离开的任何带出物(例如，污染物、颜料)。在该过程期间，PVA膜吸收了水，使膜在室温下软化为可拉伸的。在一些情况下，如果PVA膜不是均匀且顺序膨胀的，则可能会发生膨胀和拉伸程度的变化。在这种情况下，可选地可以向膜3施加小的均匀力，以帮助确保均匀的伸长率和均匀性，并且避免在膜中形成褶皱。

然后，该过程进一步包括(3)将PVA膜浸泡在水浴中以去除杂质。更具体地，将PVA膜在25℃的水中浸泡5分钟，直到膜包含约70％-85％的水，以便使其柔软和有弹性。然而，浸泡时间可以取决于槽中的跨距长度和膜速度。在一些实施例中，在此步骤期间，可选地可以去除水溶性增塑剂，或可选地可以预先吸附添加剂。此过程产生了透明的偏振PVA膜3，该膜由于其水饱和度高而是柔软的，并且使得更容易将附加组分(染料、交联剂等)掺入膜中，并且使膜更容易进给通过系统46以进行进一步加工。

该过程进一步包括(4)将PVA膜浸泡在包含二向色性溶液的槽中加热的二向色性染料浴中。升高或降低定位于包含二向色性溶液的槽的一部分内的中心辊，以控制膜在槽中所行进的路径长度，并且因此影响膜在槽中花费的时间。染色步骤是通过将染料吸附或沉积到定向聚乙烯醇膜的聚合物链上而进行的。在其他实施例中，此步骤可以在拉伸步骤之前、同时或之后执行。取决于槽中的辊之间的距离或跨距长度和装配线的整体速度，将膜在约30℃与约60℃之间、优选在约40℃与约50℃之间、最优选在45℃下的温度时染色4分钟。

在染色步骤之后，该过程进一步包括(5)用25℃的水漂洗浴来漂洗PVA膜2分钟，以在漂洗槽中漂洗过量的染料。对染料槽5进行加热以将染料保持在溶液中。然后，该过程进一步包括(6)将PVA膜浸没并浸泡在硼酸交联剂浴中，同时在交联剂槽/主拉伸槽中拉伸膜。硼酸交联槽6被加热。加热染料溶液和硼酸溶液有助于减少或防止溶液的沉淀。在另一个实施例中，该方法可以进一步包括过滤染料和/或硼酸溶液以减少或防止槽中的染料和硼酸的沉淀和重结晶。膜的加热有助于减少PVA聚合物膜主体基质的结晶度，因此膜可以在主体聚合物分子主链之间的自由体积区域中拉伸得更多并接受更多的染料客分子。PVA结晶区域在冷却和干燥时会重新形成。

硼酸交联剂溶液在水中的浓度在约1％与约5％之间、更具体地约为2％。特别是，硼酸交联剂溶液在室温时的最大溶解度为～5％。在约20℃与约40℃之间的温度、更优选在约30℃的温度，将膜浸泡在硼酸溶液中1-5分钟、优选约2分钟。执行硼浸泡步骤以改善对热、水和有机溶剂的耐受性，通过在PVA链之间形成交叉桥连来提高热稳定性，并且与染料分子形成螯合化合物以使得膜稳定。在此示例中，在硼酸浸泡处理期间拉伸膜。在其他实施例中，此步骤可以在拉伸PVA膜之前、同时或之后执行。尽管使用了硼酸，但也可以使用其他包括过渡金属的金属化合物，例如硼砂、乙二醛和戊二醛。可以使用第四周期过渡金属(比如铬、锰、钴、镍、铜和锌)的金属盐(比如醋酸盐、硝酸盐和硫酸盐)。可以使用包括以下任何一种的金属溶液：四水合醋酸锰(II)、二水合醋酸锰(III)、六水合硝酸锰(II)、五水合硫酸锰(II)、四水合醋酸钴(II)、六水合硝酸钴(II)、七水合硫酸钴(II)、四水合醋酸镍(II)、六水合硝酸镍(II)、六水合硫酸镍(II)、醋酸锌(II)、硫酸锌(II)、九水合硝酸铬(III)、一水合醋酸铜(II)、三水合硝酸铜(II)、以及五水合硫酸铜(II)。可以单独地使用这些金属中的任何一种，并且替代性地，可以组合地使用多种类型的这种化合物。

在使用图1所示的辊系统的过程期间，辊的张力拉伸湿膜3。随着膜从该组件的上游侧72前进到下游侧85，辊12的速度在槽之间逐渐地增加(参见下表1)。“上游辊”辊在本文中被描述为更靠近系统线46的起点的辊，即从在过程步骤2至4中使用的辊开始，而下游辊是在步骤5至7中使用的辊。例如，为了适应由于膜所有尺寸都膨胀而导致的PVA膜的额外长度，与槽2中的辊速度相比，槽3中的辊速度更快。与上游辊相比，下游辊具有更高的速度。

表1

在这种模式下，将膜放置在包含湿溶液的槽14(图1)的顶部部分中。槽的顶部部分是最靠近在槽上方空气的部分，而底部部分是最靠近槽的底表面的部分。膜3的拉伸是在槽14的底部部分进行的，即浸没在槽14底部的两个辊之间的距离或跨距长度。膜3的最大拉伸量发生在交联(硼酸)槽6中，随后在染料槽4中发生膜3的拉伸。因此，该方法进一步包括递增地增加系统46的至少一组从动轧辊的速度或切向速度，以适应拉伸的膜3。更具体地，该方法进一步包括递增地增加至少一个下游轧辊的速度，使得其与至少一个上游轧辊相比具有更快的速度或切向速度。本文所述的圆锥形辊的切向速度或辊速度是这种辊的直径的函数。切向速度(米/分钟)是使用辊直径×rpm来计算的。运动中的圆柱形辊仅有一个速度，而运动中的圆锥形或截头圆锥形辊的速度则随着圆锥形辊的辊直径的增加而增加，这将在下面更详细地描述。

然后该方法包括(7)将膜3在25℃的水浴中漂洗2分钟以漂洗掉过量的硼酸。然后在对流干燥器或干燥炉16中进行(8)干燥膜3的步骤。将PVA膜在约70℃或更高的温度干燥、优选在约90℃至约120℃之间的温度干燥1至120分钟、优选地3至40分钟、并且最优选在约80℃的温度干燥15分钟，同时维持膜处于拉伸状态。为了防止过度加热，立即去除从PVA膜中蒸发的水分以加速蒸发。PVA膜的耐热性取决于其水分含量。此方法允许干燥PVA膜，同时抑制温度升高。

在膜干燥之后，可选地然后可以使用具有TAC(PC、丙烯酸、COC或其他)膜的层压膜26使膜通过层压过程。可选地可以将粘合剂20添加到PVA膜3中或与其结合，随后在固化炉24中进一步固化。进一步，可选地可以将附加的至少一个保护衬垫33(如果尚未存在于TAC膜上)添加到膜的至少一部分上以产生最终的光学膜产品18，然后可以将其用于光学制品，例如眼科镜片。然后可以将膜卷绕到辊上，例如图8中所示的辊。可选地，该过程可以包括对膜进行染料浸渍以添加梯度着色、颜色或光致变色剂，或可选地进一步拉伸膜。在一方面，可以通过层压在两个透明保护膜之间来保护膜3。为了实现这点，可以使用粘合剂层来将透明保护膜或片材层压到偏振膜3的表面上。可以使用的透明保护层选自透明树脂，比如三乙酰纤维素(TAC)、乙酸丁酸纤维素(CAB)、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、聚氯乙烯、聚酰胺和聚甲基丙烯酸甲酯。

拉伸步骤-“纯拉伸模式”

本文披露的发明集中于步骤(6)：PVA膜的拉伸。参考图2A和图2B，在US 2012/0327512和US 2547736中描述了在本领域中被称为“纯拉伸模式”的常规膜拉伸过程，两者均通过援引并入本文。当“跨距长度”(两个拉伸辊之间的距离)足够大以产生应变硬化时，就可以实现“纯拉伸”，但是可能无法在所有拉伸过程中实现。在连续拉伸过程中，PVA膜会在膜在槽之间行进时被少量拉伸，然后在炉中被干燥。膜的最大拉伸发生在“D-拉伸过程”部分，如图2B所示，其中三对圆柱形轧辊(用于2阶段拉伸)被展示(但也可以使用两对圆柱形轧辊)。在“纯拉伸模式”中，膜通过一对多组间隔开的从动夹辊48对在其纵向方向上纵向且连续地拉伸，从而具有相反的张力。在这种方法中，仅在膜拉伸过程中使用圆柱形辊。一组轧辊48中的一个轧辊的拉力中的一个拉力典型地比另一对轧辊具有更大的量级，以在膜经受拉伸和/或变形时在纵向上连续地拉动和移动膜。

通过拉动膜穿过两组间隔开的旋转辊48来连续且纵向地拉伸膜，每组包括至少两个压在一起的可旋转安装的夹辊或轧辊，膜被夹持在这些夹辊或轧辊之间。通过使辊在设备的输出端或下游端处以比在输入端或上游端处更大的圆周速度旋转，来设置拉伸所需的相反的拉力。因此，一片膜可以在一组输入轧辊与一组输出轧辊之间经受拉伸。由于每组中的辊之间的压力接触，每个可自由旋转的辊将以与那个组中的从动辊基本上相同的圆周速度来旋转。在一个实施例中，聚乙烯(PET)载体可以用于将PVA膜拉伸降至20微米(用于薄型电子显示器应用)。然而，对于在比如偏振镜片等眼科镜片中使用的膜，载体不是必需的。尽管未展示，但用于驱动输入与输出辊48的装置可以包括伺服电机或可驱动地连接至齿轮箱的动力输入轴的其他原动机。齿轮箱上的动力输出轴可以通过传动链和合适的链轮可驱动地连接至输入辊。齿轮箱的动力输出轴可以被布置成以合适的速度差旋转，以便为输入与输出辊提供所需的速度比。

使用截头圆锥形辊的纯拉伸

参考图3A至图3C，与本领域中已知的“纯拉伸模式”相反，在申请人的纯拉伸系统中，在拉伸步骤6期间，将圆柱形辊12的在装配线的槽14中的至少一部分替换为基本上圆锥形或截头圆锥形轧辊90、900，如图3A所示。圆锥形或截头圆锥形辊的半径从最靠近顶点49的第一半径连续地且逐渐地增加到距顶点49最远的第二半径，其中第二半径大于第一半径。特别地，每个圆锥形辊具有从约150mm到约500mm的逐渐增加的半径，或者大致地，拉伸比是圆锥形辊半径的比率(R_大/R_小)。圆形圆锥体的“底半径”是其底58的半径或圆锥体的半径。术语“基本上圆锥形”和“截头圆锥形”在本文中可互换使用。每个圆锥形辊90具有顶点49和顶角，使得圆锥形辊的圆锥半径允许生产具有从一个膜边缘处的最小值到另一膜边缘处的最大值的所期望膜拉伸比(“SR”)(以下定义)梯度的光学膜，如本文所述。

在图1所示的拉伸过程的步骤6期间使用了在图3B和图3C中所展示的系统。如上所述，此辊系统170定位于槽14的一部分内并且包括至少一对圆柱形轧辊100、1000和至少两个基本上圆锥形/截头圆锥形轧辊90、900。更具体地，本文用于拉伸PVA膜的纯拉伸过程包括一种系统，该系统包括在系统的左侧或上游侧72上的至少两个圆柱形辊和在系统的下游侧85上的至少两个基本上圆锥形辊或截头圆锥形辊，如图3B和图3C所示。

在一方面，一次可以拉伸一个以上的光学膜3。替代地，可以将具有大宽度的单个膜在纵向上切割或切开几个小的段或道，并且可以独立地拉伸每个段或道。如图3B所示，可以将单个光学膜放置在膜道A至E的每个膜道中，使得将每个膜被拉伸成具有不同的拉伸比。可以将一个或多个光学膜3进给到包括一个或多个辊的系统170中，每个辊具有一定的半径r1。在一个实施例中，每个膜3或被切成多个道的膜3分别被放置在膜道A至E中。标记为A到E的道和直径增加的圆柱形辊部段仅是说明性辅助，如以0.25为增量从1-2的SR。网、辊和SR在实践中是连续的。如紧挨着圆柱形辊100、1000所述的，每个膜3被拉伸使得其具有在1到2范围内的一定数值的拉伸比。在另一方面，单个光学膜3可以在道A至E上拉伸。拉伸比越高，则该片膜越长，如图所示。

如图3A和图3B所示，第一和第二供给或输入辊100、1000可以是基本上圆柱形的，将未拉伸的光学膜3放置在该第一和第二供给或输入辊上。对于小型机器，每个圆柱形辊的直径为约150mm至约450mm，对于大型机器，最高达约900mm。特别是，对于小型实验室规模单元，典型地膜宽度是约150mm，对于大型商用机器，则最高达约1-2米。大多数商用挤出膜宽约0.5m到超过2m。可以将较宽的未拉伸膜切割或切成较小直径的卷。每个辊100、1000具有周向外表面，该周向外表面被配置成允许膜3沿着辊100、1000的周向内表面朝辊100的方向(由箭头所示)旋转。

如图3B和图3C所示，在拉伸通过圆柱形辊100、1000之后，然后将(多个)光学膜3提供给至少两个基本上圆锥形或截头圆锥形辊90、900。这种配置可以被认为是混合型拉伸机，结合了纯拉伸模式和间隙拉伸模式。膜3沿第一方向卷绕在辊90上，然后沿与第一方向相反的第二方向卷绕在圆锥形辊900上。在此实施例中，轧辊100、1000与90、900之间的平均距离可以是在1-2米之间。

在图3B中，膜3从上游过程进入轧辊组件。典型地，一个或多个膜(通常只有一个膜)可以进入如图3C所示的轧辊。圆锥形辊90、900以比圆锥形辊更高的rpm旋转并且拉动和拉伸膜3。图3B展示了单个膜3，该单个膜的宽度从道A到E延伸。轧辊100、1000用于保持膜并防止膜在被轧辊90、900拉动时滑移。作为视觉辅助，在图中绘制了膜3的道，展示了由于压辊90、900的不同直径区段而产生的不同拉动长度(拉伸比)。较大直径的辊区段将比较小直径的区段拉动(拉伸)膜更多。

在另一个方面，宽的单个膜3可以进入轧辊100、1000，在这里膜被切成几个较小的宽度。用于切开膜的切开刀具可以位于轧辊组件前方或作为其一部分。在此实施例中，每隔一个道(例如A、C、E)由单独的圆锥形轧辊90、900组件拉伸。圆锥形轧辊由较小的辊区段组成，这些辊区段的宽度仅与所切成的膜道相同。像以前一样，每个道都与较小的轧辊的直径成比例地被拉伸。

膜3的拉伸比随着辊的圆锥形直径而连续变化。如果膜3包含碘、二向色性染料或另一种可对齐染料，则可以生产出偏振效率从圆锥形辊的较小半径到较大半径增加的梯度偏振膜。在纯拉伸模式下，在进入每个槽时每个膜的宽度与在离开每个槽时的膜宽度之比等于进入每个槽的膜厚度与从每个槽出去的膜厚度之比。对于光学膜应用，与其他拉伸方式相比，纯拉伸方式是更优选的。

本文所述的辊可以被制造或由比如硅树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、ABS树脂、氟碳树脂或聚甲基戊烯树脂等树脂制成。辊也可以通过镀上树脂而获得。替代地，辊可以由通过将各种金属粉末与树脂混合而获得的材料制成。替代地，本文描述的辊可以由比如铝、黄铜或钢等金属构成。金属辊是优选的，因为金属辊显示出优异的耐热性和机械强度，适用于连续生产和精密模制，很少划伤，显示出对聚合生热的高耐久性，并且很少变形。

在等体积、“纯拉伸过程”中(体积恒定拉伸)：膜的长度(L)×宽度(W)×厚度(T)＝λL·W)/(λ^0.5)·T/(λ^0.5)，其中λ是拉伸比(SR)。如果完全不拉伸光学膜3，则拉伸比为1。在拉伸过程中，使用至少一个圆锥形或截头圆锥形辊90、900来连续且非对称地拉伸PVA膜，每个辊具有范围从r1到r2逐渐增加的半径，同时浸泡在硼酸浴中以产生偏振膜。随着膜3的拉伸，膜的颜色强度得以维持，而膜的厚度减小了1/(λ^0.5)，由此使膜的颜色显得更浅(比尔定律)。应注意的是，根据比尔定律(吸光度λ_max＝log(I₀/I)＝ε_λmaxc·l)，膜的颜色强度随厚度而变化。

在示例性实施例中，可以将PVA膜3拉伸至其原始长度和宽度的约4倍，并且将其厚度减小至原始厚度的约50％，即约38微米。

在一方面，可以将膜3拉伸成具有在1与4之间的拉伸比，优选地在2与3.8之间、优选地小于3.5、更优选地约3.3的拉伸比，同时具有在约90％到100％之间的偏振效率(PE)。

偏振效率与染料分子(二向色性染料或碘)的吸收性组分与PVA分子主链在拉伸方向上的对齐程度有关，并且通过测量平行(T_║)和垂直(T_┴)于膜拉伸方向的光谱透射率来确定，并且使用公式PE＝((T_┴-T_║)/(T_║+T_┴))^0.5来计算。在另一个实施例中，偏振膜可以具有2的拉伸比和在约40％到约50％之间的偏振效率。应注意的是，人眼无法感知小于50％的偏振效率。

膜在膜的宽度(W)上的拉伸程度与由圆锥形轧辊90、900产生的张力差成正比，该张力差是圆锥形辊的长度(直径)上的切向速度差的结果。膜3优选地在基本上平坦或基本上平面的位置时被拉伸并且在由移动辊施加的拉伸力下移动，使得其纵轴(在图3B中也由“L”表示)与输入辊100、1000和输出辊90、900基本上成直角。膜的拉伸也可以通过本文所述的过程发生，即使膜3以基本上片状材料的形式没有维持在基本上平坦或基本上平面的状态并且即使其可能会折叠、起皱或折皱。

在一个实施例中，可以将包含非二向色性染料的PVA膜拉伸至3的拉伸比，但是非二向色性染料将不会与PVA膜中的PVA分子对齐，因此偏振效率将在这种情况下为0，并且因此膜将不会是偏振的。

混合辊系统

在又一个实施例中，可以使用混合辊系统来拉伸膜3，其中拉伸辊的形状可以是部分圆柱形的和部分圆锥形的或截头圆锥形的。这将允许膜3在辊的圆柱形部分上均匀地拉伸并且在辊的圆锥形或截头圆锥形区段上非对称地拉伸。例如，辊的50％是圆锥形的，而50％是圆柱形的，则在辊的圆柱形部分的外表面上卷起的膜将具有在SR＝1(未拉伸)至SR＝1'之间的任何拉伸比。SR＝1'可以是从SR＝1(未拉伸)最高到SR＝3或4，并且使用圆锥形辊部分的拉伸比将是SR＝1'到SR＝2'。例如，如果SR 1'＝SR 1，则膜的一半是未拉伸的。如果SR 2'＝SR 3，则PE是99％。这使得能够生产在眼科镜片的下半部或下部部分没有PE的眼科镜片，并且镜片的上半部或顶部部分从中间的0％的PE增加到在镜片顶部处99％的PE。

对于具有恒定半径r_cy1的圆柱形轧辊(标准条件)，角速度为且切向速度是恒定的：

对于半径从r₁增加到r₂(例如r₂＝3·r₁)的圆锥形轧辊，圆周从2π·r₁增加到2π·r₂(例如，取代即三倍于圆周)及其切向速度从 连续地增加到(例如，取代 即三倍于切向速度)。

膜3的延伸(拉伸)比(λ·＝·x_最终/x_初始))随圆锥形辊的直径而连续地变化，并且如果膜3包含碘、二向色性染料或其他可对齐的染料，则梯度偏振膜，其偏振效率从圆锥形轧辊的较小半径到较大半径增加。由于顶部较薄，因此使用较大的半径可能会允许从可以由厚度梯度形成的膜楔反射，从而将光向上引导。

在膜3被拉伸之后，所拉伸的膜3的长度在其整个宽度上变化，因此所拉伸的膜3在被拉伸之后必须被圆锥形或截头圆锥形辊输送和卷绕，以便防止膜纬向晃荡和形成松散卷绕的膜卷。替代地，可以将膜卷绕在如下所述的膜卷绕装置(图8)中。

纯拉伸模式-梯度拉伸

在另一个示例性实施例中，“纯拉伸”模式可以用于特别是使用梯度拉伸来拉伸PVA膜。如上面的步骤中所述，此过程包括浸泡、膨胀、染色和交联PVA膜。用于拉伸PVA膜3的辊系统(未展示)由第一对轧辊100、1000(其在辊系统的左侧或“上游”侧上是基本上圆柱形的)、第二对轧辊90、900(其在第一对轧辊的右边是基本上圆锥形的)、以及(如果要进行进一步的膜拉伸的话在第二对轧辊的右边)第三对基本上圆锥形辊(未展示)组成。在此实施例中，在第一对基本上圆柱形辊之后，所有下游辊都是基本上圆锥形的，包括位于炉中的辊。在拉伸之前，膜3将是第一长度。在拉伸之后，膜将具有第二长度，该第二长度是第一长度的长度的一半。例如，在拉伸之前，所使用的PVA膜的宽度可以约为1米。在PVA膜3被拉伸之后，其宽度为半米，拉伸比＞3.3。在纯拉伸模式下，在膜的拉伸期间和之后，膜宽度与膜厚度的比率保持恒定。对于恒定的W/T纯拉伸，因为膜宽度受到限制，间隙拉伸的拉伸比会增加。

间隙拉伸模式

参考图4A和图4B，展示了用于拉伸PVA膜的辊系统的另一个实施例。此实施例被称为“间隙拉伸模式”。在此实施例中，第一和第二圆柱形辊13、61用作用于接收膜3的送入辊。第一圆柱形辊具有第一直径，并且第二圆柱形辊61具有大于第一辊13的第二直径。辊可以是任何尺寸。然而，由于典型组件中的空间限制，较小的辊更好。当辊15拉动和拉伸膜时，辊13防止辊61上的膜沿下游方向滑动。在一方面，将类似的辊定位在辊15上，以防止膜沿上游方向滑动。第一和第二辊13、61被定位得彼此靠近，以允许光学膜3在膜拉伸过程期间同时且连续地与两个辊接触。随着PVA膜3被拉伸，PVA膜3的分子变得更均匀地对齐并基本上偏振。

PVA膜中的聚合物的拉伸还允许光学膜中的二向色性染料的对齐。如果包含至少一种二向色性染料的PVA膜保持未拉伸，则其将不具有偏振效应。为生产在一个区段(即，当由配戴者戴着时，更靠近配戴者的额头的顶部或上部部分)但不在第二区段(即，当由配戴者相对于配戴者的面部配戴时，背离配戴者的额头的下部部分)中偏振的眼科镜片，在镜片中使用的光学膜的两个区段的拉伸比必须是不同的。

在此间隙拉伸模式实施例中，具有短间隙拉伸条件的MDO(机器方向取向)多级式机器可以用于在基本上圆柱形辊61与基本上圆锥形或截头圆锥形辊15之间的窄间隙(即，几毫米到几厘米)中来拉伸膜。此窄间隙是重要的，因为它影响应变率。高应变速率将导致膜破裂，因为聚合物链无法定向得足够快。短间隙拉伸条件是指这种条件包括干燥的半结晶膜，这些半结晶膜由构成MDO单元的辊堆加热。拉伸后的膜3辊在圆锥形辊的外表面上的切向速度随着辊的直径而增加。切向速度的增加成比例地增加了膜的拉伸比，并且如果膜包含二向色性染料，则会形成梯度偏振膜。可以使用本文所述的纯拉伸拉伸过程，在长间隙拉伸条件的情况下，并且使用在浸没在离子交联溶液中时所拉伸的水增塑PVA膜来生产偏振膜。长间隙拉伸条件包括一米(几米)长度间隙。

当膜3沿箭头指示的方向穿过圆柱形辊时，膜3可以被拉伸，使得其拉伸比大于1。然后，膜3在辊13下面穿过，使得其卷绕在辊13的外表面上，之后其沿箭头的方向卷绕在辊61的外表面上，并在其沿相反的方向卷绕在辊13的外表面上时，保持在1的拉伸比。膜穿过拉伸间隙73，然后被送到圆锥形辊15的下面，使得将其卷绕在圆锥形辊15的外表面上。拉伸间隙是圆柱形辊61与圆锥形辊15之间的间隙。膜的第一部分35被圆锥形辊的第一部分拉伸，该第一部分的直径大于圆锥形辊的其余部分的直径。由于锥形辊的形状，光学膜被拉伸膜原始长度的1到3倍。如图所示，膜的第一部分35被拉伸成具有在2与3之间的拉伸比，而膜的第二部分47保持在1的拉伸比。在间隙拉伸方法中，光学膜在被送到拉伸设备之前，可以是最终拉伸后的膜的50％。如果期望最终拉伸比为4的膜，则在使用间隙拉伸模式进入拉伸阶段之前，第一部分的初始拉伸比将是2。

梯度拉伸

在另一个实施例中，可以将膜3拉伸成具有梯度拉伸。在此实施例中，光学膜具有对应于膜的上部的第一区段35和第一边缘21。光学膜还具有对应于如上所述的膜的下部的膜的第二区段47、以及第二边缘65。从在膜的宽度上恒定的色调开始，梯度拉伸过程生产的膜在膜边缘处较薄且颜色较浅，与相反的边缘相比，拉伸程度更大。因此，膜的偏振效率朝向较浅的色调增加。从非对称着色的膜开始，使用类似于US 2015/0261011中所述的连续膜着色过程，本发明的梯度拉伸工艺可以生产沿着膜较深着色侧拉伸得更薄的膜。较薄、较深的色调的颜色强度将与较厚、较浅的色调的强度相匹配，以产生恒定的着色膜。梯度偏振效率随拉伸度的增加而增加，即膜的较薄侧。

在又一个实施例中，可以制备偏振膜，其在膜的一个边缘上具有2的拉伸比，并且在膜的另一相反边缘上具有3的拉伸比。具有这些特征的膜可以通过使用本文所述的非对称膜拉伸设备和过程来制备，从未拉伸的膜(拉伸比为1)开始，然后将膜的一个边缘拉伸最高达2的拉伸比，以及另一边缘达到3的拉伸比。替代地，可以使用标准膜拉伸机器生产这种类型的膜，该标准膜拉伸机器包括圆柱形辊，并将膜均匀拉伸至2的拉伸比。接下来，可以使用本文所述的设备和过程来连续地和非对称地拉伸具有2的均匀拉伸比的此膜，以仅拉伸膜的一个边缘最高达3拉伸比。在此实施例中，膜的相反边缘没有附加的拉伸，并且保持2的拉伸比预拉伸。

间隙拉伸模式-MDO

参考图5，展示了辊系统45，其中PVA膜(或其他可偏振膜)可以以a)间隙拉伸模式：标准工业MDO或b)间隙拉伸模式：梯度MDO来拉伸。如果在此过程中使用的辊是基本上圆锥形的，则会产生梯度。在间隙拉伸模式下，标准工业MDO方法，PVA膜离开辊筒系统时被均匀地拉伸。在间隙拉伸模式下，梯度MDO，当未拉伸的PVA膜在离开圆柱形辊系统(最近的辊44)时被非对称拉伸，该圆柱形辊系统使用了用于拉伸PVA膜的圆锥形或截头圆锥形辊。辊定位于在基本上水平的平面中。在间隙拉伸模式过程期间，当PVA膜从第一厚度变为第二厚度时，PVA膜3的宽度保持恒定，其中第二厚度小于第一厚度。在间隙拉伸模式下，与在纯拉伸模式下使用的系统相比，在辊系统中的辊之间的距离要短得多。与纯拉伸方式相比，间隙拉伸法生产的PVA膜具有不同的宽厚比。在间隙拉伸模式下，宽度与厚度之比不是恒定的或增加的，而不管在辊系统中是使用基本上圆锥形辊还是基本上圆柱形辊来拉伸PVA膜，并且不管是否使用了电机拉伸。

在间隙拉伸模式下：标准MDO中，将膜3卷绕在10个大的基本上圆柱形辊(附图标记为32至44)上。在此系统中，使用五轧辊系统(在机器的顶部53上的(F，G，H)对和在机器的底部54上的I、J对)来防止膜3在拉伸期间滑动。拉伸发生在辊37与38之间的间隙71中。此实施例包括四个温度区：区1(辊32、34、36)预热，区2：阶段1拉伸(辊37、38)，区3：阶段2拉伸(40，41)：和阶段4：后拉伸退火辊(42，43，44)。

间隙拉伸模式：梯度MDO

在间隙拉伸模式-梯度MDO过程中，膜3相继卷绕在前四个圆柱形较大辊(32，34，36，37)和圆柱形轧辊F和G上。在此实施例中，较大辊38、40、41、42、43、44是圆锥形或截头圆锥形，轧辊H、I和J也是如此。较小直径的圆锥形辊定位于设备45的操作员侧，而较大直径的圆锥形辊定位于电机侧。操作员侧是指操作员可触及的机器前方，而机器的后侧是容纳机械和电气部件的位置。在图5中，电机位于壳体柜的顶部。在此实施例中，所有下游辊(即38至44)是基本上圆锥形的或截头圆锥形的。与上述标准MDO设计相反，机器45的配置可以不在水平面中。该方法可以进一步包括沿第一方向将膜3卷绕在辊100上，然后沿与第一方向相反的第二方向将膜卷绕在辊1000上。

分批工艺

参考图6A至图6C，展示了用于拉伸光学膜的另一个实施例，称为“分批工艺”。在此实施例中，该方法进一步包括预拉伸具有SR＝1的未拉伸的光学膜3(图6A)，然后将其使用一个或多个圆锥形或截头圆锥形辊15由拉伸系统的辊15来拉伸(图6B)，同时将片材在辊15上方拉动并且同时地围绕固定的圆锥形模具辊进行热成型。

在又一个实施例(未展示)中，膜3可以通过圆锥形辊在其中心处沿着枢轴点拉伸，该圆锥形辊基本上在膜的中心。枢转点可以沿着膜3的中心的长度延伸。与圆锥形辊的更窄部分相比，膜3在其被圆锥形辊的较宽区段拉伸时的拉伸更大。因此，当从其更窄的端部观看辊15时，在一些情况下，与膜的离观看者更远的区段相比，被拉伸得更靠近观看者的膜将被拉伸较少或根本不被拉伸。

图6B是类似于成角度的圆柱体的静态装置，该成角度的圆柱体与两侧被夹紧的静止水平膜接触。成角度的圆柱体被升高通过膜，并首先接触膜的一侧，并且在膜的各区段与圆柱体接触时拉伸膜。作为替代方案，中心圆柱体可以在膜的一侧具有枢轴关节，而第二侧被升高以产生梯度拉伸(第二侧具有较高的SR)。

在另一个实施例中，图6B所示的装置可以被定位成与Intron拉伸测试仪相似，不同之处在于用于固定膜3的夹具相对于彼此成一定角度定位。夹具之间的角度用于设定从膜的第一侧到第二侧的拉伸梯度(经由初始膜长度)。在一方面，夹具可以定位于膜的两侧上以固定膜。在此实施例中，膜的一侧将具有1X的未拉伸长度，而另一侧可以具有3X的拉伸长度(即，如果夹具相对于彼此成大角度定位)。如果在夹具附加移动了2X使得膜附加延伸了2X之后停止了延伸，则膜的短侧的长度应为3X，并且另一侧的长度应为5X。因此，膜的“较短”侧将具有3/1的拉伸比(SR＝3)，并且膜的较长侧将具有5/3的SR(SR＝1.67)。

在这些成角度的圆柱体和成角度的Instron夹具实施例中，膜可以被拉伸，但是在膜的整个长度和宽度上拉伸可能是不均匀的。在这些实施例中，膜将必须一次拉伸一个。辊15的半径范围是第一半径r1到第二半径r2。在通过圆锥形辊15拉伸膜3之前，膜3的第一部分35和膜47的第二部分各自具有1拉伸比。在通过圆锥形辊15拉伸膜3期间，膜的第一部分35被拉伸使得其具有在2到3之间的拉伸比，并且膜的第二部分47具有1拉伸比(图6C)。随着光学膜被拉伸，分子对齐的量增加，并且拉伸比从膜的第一边缘65到膜3的第二边缘21增加。偏振膜3的第一部分35可以具有最高达4、更具体地在3到4之间的最终拉伸比，并且偏振效率最高达约99％。光学膜3的第二区段47具有较低的拉伸比，例如低于3，并且偏振效率在约0％与约50％之间。

如图6C所示，被拉伸之前，膜可以在膜的“上游”侧72上具有1拉伸比，在膜的中间区段23中具有在1到3之间的拉伸比，并且在膜3的下游侧85上具有1拉伸比(其中维持1拉伸比)。

替代地，如本文所述，可以使用分批工艺在基本上圆锥形(或拱形)的表面上形成单个膜片，以产生梯度拉伸膜，其中拉伸后的膜从圆锥体的较大直径到较小直径具有3-4倍更大的拉伸。

连续工艺

参考图7A和图7B，展示了示例性辊系统17，该辊系统可以在连续拉伸过程中使用。辊系统包括具有框架5的设备，各种辊10被固定至该框架。如上所述，可以将框架浸入比如硼酸浴的浴中。目前用于光学目的拉伸PVA膜的方法仅包括使用圆柱形辊。在图7A所示的实施例中，该系统包括九个圆柱形辊。每个圆柱形辊可以具有多个独立的圆柱形段，使得圆柱形辊一端的段将旋转得快于同一辊的相反端的段，以适应膜的不同膜切向速度。本领域普通技术人员可以想到不同的辊配置，包括增加轧辊系统以防止膜滑移和张力隔离。在此实施例中，所有的辊都是基本上圆锥形的，以便将膜输送通过这部分辊。尽管未示出，但此实施例还必须包括至少一个轧辊，该轧辊可以类似于MDO单元(中间间隙拉伸装置)用于拉动膜。在此实施例中，膜被连续地拉伸，但是可以不具有最终均匀的梯度拉伸。

在此实施例中，可以将膜3拉动过一系列或多个圆锥形辊10，从而允许圆锥形几何形状来拉伸和成形膜3。在此实施例中，所有辊的形状是基本上圆锥形或截头圆锥形(从膜解开单元到重绕单元)，因为膜3的拉伸侧比未拉伸侧行进更长的距离。在此实施例中，需要一组轧辊(未示出)以防止在被重绕单元接收之前膜滑移和张力隔离。在膜3已经被多个辊10拉伸之后，可以使用圆锥形芯以比在拉伸过程中使用的张力低的张力进行膜的重新卷绕。

在此“连续”过程中，与下游侧85相比，膜3在上游侧72上以更慢的速率被拉伸。将PVA膜以约1m/min连续地送到上游侧72上的送入辊中。膜以约3m/min从下游侧85连续地离开。在拉伸PVA膜之后，其在膜的第一部分35中可以具有3拉伸比，而在膜47的第二部分中具有1拉伸比，如图7B所示。

在此实施例中，圆锥形辊在其最宽点处的直径是圆柱形辊的直径(d_cyl.)的三倍。当每个圆锥形辊完成第一次旋转时，圆锥形辊完成的旋转距离为π·3d_cyl(1转)。因此，在膜被拉伸之后，在膜的端部67处的拉伸边缘21最终比在膜的端部55处的未拉伸边缘21长，而在端部55、67处的未拉伸边缘65保持相同的长度。在拉伸之后，边缘21与边缘65之间的长度差异需要圆锥形重卷芯或薄饼式重卷单元(图8)。膜的第一部分35被拉伸得比膜3的第二部分47更多。

如图7B所示，光学膜3可以被拉伸，使得整个膜3在圆锥形辊10上被拉伸之后，在膜的第一部分35中具有在2到3之间的拉伸比，而在膜的第二部分47中具有1拉伸比(图7B)。在拉伸光学膜3期间和之后，偏振效率从膜3的第二部分47的第二边缘65到第一部分35的第一边缘21增加。在拉伸过程中，在整个膜中维持相同的颜色强度，由此产生梯度偏振膜。可以通过光谱仪(即，Hunter或类似的商用装置)来测量颜色强度。在拉伸膜并将其放入眼科镜片之后，可以可选地对镜片进行着色。在一方面，该产品可以被着色成具有梯度色调。“分批”和“连续”方法都不能在整个膜宽度上产生均匀的拉伸。这些方法还不允许在膜的整个宽度上进行张力控制，或不允许在不使用附加的圆锥形轧辊的情况下向膜施加高拉伸力的能力。

其他实施例

在另一个实施例中，可以生产光学膜3，其在膜的第二部分47的第二边缘65处具有2拉伸比，而在膜的第一部分35的第一边缘21处具有3拉伸比。可以通过使用本文所述的非对称膜拉伸设备和方法来生产这种类型的膜。为了开始该过程，使用拉伸比为1的未拉伸膜。第二部分47的第二边缘65被拉伸最高达2拉伸比，并且第一部分35的第一边缘21被拉伸最高达3拉伸比。

替代地，为了生产上述相同的膜，可以使用仅包括圆柱形辊的标准膜拉伸设备来将膜均匀地拉伸至2拉伸比。因此，该方法包括提供拉伸比为2的光学膜，其中光学膜包括具有第一边缘21的第一部分35和具有第二边缘65的第二部分47。接下来，本文所述的非对称系统和方法可以用于仅将所提供的膜的第一边缘21均匀地拉伸最高达3拉伸比。因此，第一边缘21具有3拉伸比，而第二边缘65没有额外的拉伸并且保持在2拉伸比。

膜卷绕装置

参考图8，在膜3被连续且非对称的拉伸之后，拉伸后的膜的长度在其整个宽度上变化，因此拉伸后的膜必须被基本上圆锥形或截头圆锥形辊输送和卷绕，以便防止膜纬向晃荡并形成松散卷绕的膜卷。除了将梯度拉伸膜卷绕或收集在锥形辊上之外，还可以使用膜卷绕装置来卷绕或收集一侧比另一侧更长的非对称膜3。膜卷绕装置(“薄饼式卷绕机”)包括具有中心轴线的中心圆柱体25。中心圆柱体25被固定在基座56上。膜卷绕装置进一步包括圆锥形搁置轧辊39，其具有用于保持膜的最小拉伸部分47的第一端75和用于保持膜的最大拉伸部分35的另一端86，与已经卷绕在基部56上的已经收集的膜3接触。圆锥形辊39可沿顺时针方向旋转，如图所示。如图所示，基部56可沿顺时针方向旋转。膜卷绕装置允许拉伸后的膜3围绕中心轴线平坦地卷绕，因为膜的较短的、未拉伸的边缘将卷绕得比较长的、拉伸后的边缘(其将卷绕得距此轴更远)更靠近中心轴线。

使用本文所述的连续非对称方法生产的眼科镜片可以具有合法的驱动品质，例如，具有在8％与85％之间、更具体地在8％与18％之间的透射率(％T)。透射率描述穿过镜片的光的总强度，典型地表示为与入射到镜片上的初始光量相比的百分比。具有高透射量的镜片仅吸收低水平的光，从而允许高比例的光强度透射通过镜片，这使得它们对于太阳镜镜片而言不是很有用。透射率很低的镜片将吸收非常多的光，从而使镜片变暗以致几乎不可能透视。通过本文所述的连续非对称方法生产的镜片的偏振效率将在膜的拉伸部分(高达99％)较高(即具有最高达3或4的拉伸比)，而在镜片的非拉伸部分(约0％)较低(其中拉伸比为1)。最后，镜片本身可以被附加地着色成具有均匀的％T(具有梯度偏振效率)。除了在此披露的发明可以用于改善光学制品例如眼科镜片之外，在此披露的发明还可以用于光学工业以外的许多应用，例如，用于其他类型的涂层的电光应用。

以上披露的具体示例仅是说明性的，因为本发明可以按受益于本文传授内容的本领域技术人员显而易知的不同但是等效的方式来修改和实施。因此明显的是以上披露的具体说明性示例可以改变或修改并且所有这些变化形式被认为在本发明的范围内。根据所披露的要素或步骤的各种要素或步骤能够以要素或步骤顺序的不同组合或子组合来有利地组合或一起实施以便增加可以从本发明获得的效率和益处。应理解，除非另外明确说明，否则以上实施例中的一个或多个可以与其他实施例中的一个或多个组合。本文适当地说明性地披露的本发明可以在缺少未具体披露或要求的任何要素或步骤的情况下实施。