JP4091978B2 - 明るさを強化した反射偏光子 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は改良された光学表示装置である。
背景
光学表示装置は、ラップトップコンピュータ、手持ち計算器、ディジタル時計等に広く使用されている。よく見かける液晶（ＬＣ）表示装置はこのような光学表示装置のありふれた例である。従来のＬＣ表示装置は、１対の吸収偏光子の間の液晶と電極マトリクスの位置を示す。ＬＣ表示装置では、液晶の部分が電界の印加によって変更される光学状態を有する。このプロセスは、偏光内の情報の「画素」を表示するのに必要なコントラストを発生する。
この理由により、伝統的なＬＣ表示装置は前方偏光子と後方偏光子を備える。典型的に、これらの偏光子は、一偏光配向の光をその直角偏光配向の光よりも強く吸収するダイクロイック染料を使用する。一般に、前方偏光子の透過軸は後方偏光子の透過軸と「交差」する。その交差角は０度から９０度まで変動し得る。液晶、前方偏光子と後方偏光子は、一緒にＬＣＤ組立物を構成する。
ＬＣ表示装置は、照明源に基づいて分類することができる。「反射」表示装置は、表示装置に「前方」から入る周囲光によって照明される。典型的に、磨いたアルミニウム反射器がＬＣＤ組立物の「後」に置かれる。この反射面が、反射面に入射する光の偏光配向を維持しつつ、光をＬＣＤ組立物に戻す。
周囲光の強度が観察するのに不十分である用途において、磨いたアルミニウム反射面を「バックライト」組立物に代えることは普通である。典型的なバックライト組立物は、光共振器とランプ又は光を発生する他の構造物を備える。周囲光及びバックライトの両方の条件下で観察を意図した表示装置は、「トランスフレクティブ（ｔｒａｎｓｆｌｅｃｔｉｖｅ）」と呼ばれる。トランスフレクティブ表示装置の問題点は、典型的なバックライトは伝統的な磨いたアルミニウム面ほど効率的な反射器ではない点である。又、バックライトは、光の偏光をランダム化すると共に、更に、ＬＣ表示装置を照明するのに得られる光量を減少する。その結果、ＬＣ表示装置にバックライトを追加して周囲光下で観察する時、その表示をより少なく明るくする。
従って、周囲およびバックライトの両方の照明下で適当な明るさとコントラストを発生し得る表示装置への必要性がある。
摘要
本発明の光学装置は３個の基本的要素を備える。第１の要素は反射偏光子である。この反射偏光子は、夫々が第２と第３の要素から成る液晶表示装置（ＬＣＤ）組立物と光共振器の間に配置される。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の代表的で例証的な実施形態を描く。いくつかの図を通じて、同一の参照番号は同一の構造を指す。
図１は本発明に係る光学表示装置の概略断面図であり、
図２は本発明に係る例証的な光学表示装置の概略断面図であり、
図３は本発明に係る例証的な光学表示装置の概略断面図であり、
図４は本発明の反射偏光子の誇張した断面図であり、
図５は反射偏光子の性能のグラフであり、
図６は本発明に係る明るさを強化した光学表示装置の略図であり、
図７は明るさ強化装置の操作を示す線図であり、
図８は明るさ強化装置の操作を示すグラフであり、
図９は例証的な光学表示装置の概略断面図であり、
図１０は例証的な光学表示装置の概略断面図であり、
図１１は例証的な光学表示装置の概略断面図であり、
図１２は試験結果のグラフであり、
図１３は例証的な光学表示装置の概略断面図であり、
図１４は明るさ強化型反射偏光子の概略断面図であり、
図１５は単一界面を形成するフィルムの２層堆積を示し、
図１６と図１７は屈折率１．６０の媒質における一軸複屈折系の角度曲線対する反射能を示し、
図１８は屈折率１．０の媒質における一軸複屈折系の角度曲線対する反射能を示し、
図１９、図２０と図２１は一軸複屈折系用の平面内屈折率とｚ屈折率の間の各種の関係を示し、
図２２は２個の異なる一軸複屈折系用の波長に対する偏心反射能を示し、
図２３は二軸複屈折フィルムにおいてｙ屈折率の相違を生じる効果を示し、
図２４は二軸複屈折フィルムにおいてｚ屈折率の相違を生じる効果を示し、
図２５は図１８と図１９からの情報を要約する輪郭プロットを示し、
図２６乃至図３１は鏡の例に挙げられた多層鏡の光学性能を示し、
図３２乃至図３５は偏光子の例に挙げられた多層偏光子の光学性能を示す。
詳細な説明
図１は３個の主要部品を含む例証的な光学表示装置１０の略図である。これらは、ＬＣＤ組立物１６として図示された偏光表示モジュール、反射偏光子１２と光共振器２４を含む。
この図に示されたＬＣＤ組立物１６は、反射偏光子１２と光共振器２４によって与えられる偏光によって照明される。光線６０によって表された表示装置１０に入射する周囲光は、ＬＣＤモジュール１６と反射偏光子１２を横切って、光共振器２４の拡散反射面３７に当たる。光線６２は、反射偏光子１２に向けて拡散反射面３７によって反射された光を描く。
光共振器２４内から発する光は光線６４によって描かれる。この光も反射偏光子に指向されて拡散反射面３７を通過する。光線６２と６４は共に、偏光状態（ａ，ｂ）を示す光を有する。
図２は、前方偏光子１８、液晶２０と後方偏光子２３を含む３層ＬＣＤ組立物１５を有する概略光学表示装置を示す。この実施形態において、光共振器２４はバックライトで照明される端部であり、バックライトは、反射ランプハウジング３２内のランプ３０を含む。ランプ３０からの光は導光器３４につながれ、そこでスポット３６等の拡散反射構造物に当たるまで伝搬される。スポットのこの不連続アレイは、ランプ光を引出してＬＣＤモジュール１５の方へ指向させるように構成されている。光共振器２４に入る周囲光は、スポットに当たるか又はスポット間の隙間領域を介して導光器から離れる。拡散反射層３９が、このような光線を遮断して反射する。一般に、光共振器２４から発するすべての光線は光線束３８によって描かれる。（ａ）と呼ぶ第１偏光配向を有する光を透過して、その垂直偏光配向（ｂ）を有する光を効果的に反射する反射偏光子１２に、この光線束が入射する。その結果、光線束４２で描かれた少量の光が反射偏光子１２を透過する一方、大量の残りの光が光線束４０で示されるように反射される。好ましい反射偏光子材料は極めて効率的で、反射偏光子１２内の吸収による全損失は１％程度と非常に低い。この失われたひかりは光線束４４で描かれる。偏光状態（ｂ）を有して反射偏光子１２で反射された光は、光共振器２４に再び入って、そこでスポット３６等の拡散反射構造物又は拡散反射層３９に当たる。拡散反射面は、光共振器２４によって反射された光の偏光状態をランダム化するように働く。この再循環とランダム化のプロセスは路４８で描かれる。光共振器２４は完全な反射器ではなく、散乱と吸収による共振器内の光損失は光線束４６によって描かれる。これらの損失も２０％程度と低い。光共振器２４と反射偏光子１２の組合せによってもたらされる多重再循環は、光を状態（ｂ）から状態（ａ）に変換して観察者へ最終伝送する効率的を構成する。
このプロセスの有効性は、ここに開示した反射偏光子によって示される低吸収、高い反射能と多くの拡散反射面によって示されるランダム化性に依存する。図２において、スポット３６で示される非連続層と拡散反射連続層３９は共に、チタン酸化物着色材料で形成してもよい。図１に示された拡散反射面３７は透明な表面模様付ポリカーボネートで形成できる。図２に表された構成において入射光をランダム化するために、この材料を導光器３４の上に配置し得る。特定の最適な構成は、完成された光学表示装置の特別の用途に依存するだろう。
一般に、系のゲインは反射偏光子本体１２と光共振器２４の両方の効率に依存する。性能は、入射光の偏光のランダム化の条件に合致した高反射光共振器２４と、損失が非常に低い反射偏光子１２とによって最大となる。
図３は、前方偏光子１８と液晶２０を含む２層ＬＣＤ組立物１７を有する概略光学表示装置１４を示す。この実施形態において、光共振器２４はＥＬパネル２１を含む。伝統的なＥＬパネル２１は、電子が当たると光を発生すると共に入射光が当たると拡散反射的な燐光物質材料１９で被覆されている。普通、燐光物質被覆に関連した効率の変動のために、ＥＬ表示は「粒状」である。しかしながら、反射偏光子１２によって戻された光は、光放射を均質化すると共に、光学表示装置１４によって示される照明の全一様性を改善する傾向を有する。例証的な光学表示装置１４において、ＬＣＤ組立物１７は後方偏光子を欠く。この光学表示装置において、反射偏光子１２は、図２の光学表示装置１１に示された後方偏光子２３に通常関連した機能を果たす。
図４は、反射偏光子１２の一部の概略斜視図である。図は、反射偏光子１２の説明で言及するＸ、ＹとＺ方向を定義する座標系１３を含む。
例証的な反射偏光子１２は、２個の異なる高分子材料の交互の層（ＡＢＡＢＡ・・・）から成る。これらは、図面及び説明を通じて材料「（Ａ）」と材料「（Ｂ）」と呼ばれる。２個の材料は共に押出されて、結果としての多層（ＡＢＡＢＡ・・・）材料は、一軸（Ｘ）に沿っては５：１に延伸されるが、他の軸（Ｙ）に沿っては１：１と大きくは延伸されない。Ｘ軸は「延伸」方向と呼ばれる一方、Ｙ軸は「横」方向と呼ばれる。
材料「（Ｂ）」は、延伸プロセスによって大幅には変更はされない呼び屈折率（例えば、ｎ＝１．６４）を有する。
材料「（Ａ）」は、延伸プロセスによって変更される屈折率を有する特性を持つ。例えば、材料「（Ａ）」の一軸延伸シートは、延伸方向に関連したある屈折率（例えば、ｎ＝１．８８）と横方向に関連した異なる屈折率（例えば、ｎ＝１．６４）を有するだろう。定義として、平面内軸（フィルムの表面に平行な軸）に関連した屈折率とは、偏光平面がその軸に平行な入射平面偏光用の有効屈折率である。
従って、延伸後、材料の多層堆積（ＡＢＡＢＡ・・・）は、延伸方向に関連する層間の大きな屈折率差（デルタｎ＝１．８８−１．６４＝０．２４）を示す。又、横方向では、層間の関連した屈折率は実質的に同じ（デルタｎ＝１．６４−１．６４＝０．０）である。これらの光学的特性により、多層ラミネートが、軸２２に対して正確に配向された入射光の偏光成分を透過する反射偏光子として機能せしめられる。この軸は、透過軸２４として定義されると共に図４に示される。反射偏光子１２から発する光は、第１偏光配向（ａ）を有すると呼ばれる。
反射偏光子１２を通過しない光は、第１配向（ａ）と異なる偏光配向（ｂ）を有する。この偏光配向（ｂ）を示す光は、この光の反射に終わる屈折率差に出会うだろう。これは、図４に軸２５として示されたいわゆる「吸光」軸を定義する。このように、反射偏光子１２は、選択された偏光（ａ）を有する光を通す。
例
好ましい層「Ａ」は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の結晶性ナフタレンジカルボン酸ポリエステルであり、好ましい層「Ｂ」は、ナフタレンジカルボン酸とテレフタル酸又はアイソタル酸のコポリエステル（ｃｏＰＥＮ）である。ＰＥＮと７０ナフタレート／３０テレフタレート共重合体（ｃｏＰＥＮ）は、グリコールをジオールとして使用する標準ポリエステル樹脂反応がまで合成することができる。ＰＥＮとｃｏＰＥＮを５１個のスロットのフィードブロックに押出して、次に、押出しにおいて２層ダブルマルチプライヤを連続して使用することにより、満足な２０４層の偏光子が作られた。マルチプライヤは、フィードブロックを出る押出された材料を２個の半分幅流れに分割して、次に、半分幅流れを互いの上部に堆積する。このようなマルチプライヤは業界において公知である。押出しは、約２９５℃で行われた。ＰＥＮは０．５０ｄｌ／ｇの極限粘度数を示し、ｃｏＰＥＮは０．６０ｄｌ／ｇの極限粘度数を示した。ＰＥＮ材料の押出し速度は２２．５ｌｂ／ｈｒであり、ｃｏＰＥＮの押出し速度は１６．５ｌｂ／ｈｒであった。注型されたウェブは、厚さが約０．００３８インチであると共に、長手方向に５：１の比で一軸延伸され、その側面が延伸中に１４０℃の空気温度で抑制された。外部スキン層を除いて、全ての層の対は５５０ｎｍの設計波長に対して１／２波長光学厚さであるように設計された。
上述のように作られた２個の２０４層の偏光子は、次に接着剤を使用して手動積層された。接着剤の屈折率は等方性ｃｏＰＥＮ層の屈折率と合致することが好ましい。
反射偏光子１２の光学性能は各種の層の光学厚さに部分的に依存する。厚膜構造と薄膜構造は共に有用である。もし層が多くの光波長分の長さである光路を示すなら、反射偏光子１２の光学的性質は固有的に拡大される。もし層が光波長よりも小さい光学厚さを有するなら、選択された波長の反射偏光子１２の光学性能を改良するために構造的干渉を利用することができる。
例に記載された製造手順は、可視スペクトルに渡り光波長より小さい光学厚さを有する一様な層を生産することができる。もし対の層（Ａ、Ｂ）の光学厚さが入射光の半波長に加わる（Ａ＋Ｂ＝ラムダ／２）なら、構造的干渉が発生する。この半波長状態は、設計波長における狭帯域構造的干渉に終わる。拡大された光学性能は、多重狭帯域堆積を積層するか、又は別に連結することによって得ることができる。例えば、同じ厚さ（Ａ＋Ｂ＝ラムダ／２）を有する層の第１群３７を、異なる厚さ（Ａ＋Ｂ＝ラムダプライム／２）を有する第２群３５に積層することができる。効率的な拡大された応答を得るには典型的に数百個の層（ＡＢＡＢ・・・）が堆積されるけれども、明確さのために、ほんの少数の層が図４に示されている。好ましくは、反射偏光子１２は、問題となる全ての角度及び波長で光を反射するように設計されるべきである。
反射偏光子１２は、２個だけの材料の交互の層を含む典型的な多層構造で説明されてきたけれども、反射偏光子１２は多数の形状を取り得ることを理解すべきである。例えば、追加の型式の層を多層構造に含めてもよい。又、限定的な場合には、反射偏光子は、その内の１個が延伸される１対の層（ＡＢ）を含んでもよい。更に、ダイクロイック偏光子を反射偏光子１２に直接接着できる。
光共振器２４の別の重要な性質は、共振器に関連した偏光ランダム化プロセスが入射光の方向を変更もするという事実である。一般に、かなりの量の光が光共振器偏心から出る。その結果、反射偏光子の中のこのような光の路は、近似垂直光の路長よりも長い。系の光学性能を最適化するために、この効果を利用しなければならない。図５は、広い波長範囲に渡り８０％を越える透過率を示すトレース３１を図示する。トレース３３は、可視スペクトルの大部分に渡る効率的な広帯域反射能を示す。最適反射能トレースは、赤外に入って、約４００ｎｍから約８００ｎｍまで延在する。
別の実施形態において、表示装置の見かけの明るさは明るさ強化フィルムを使用することによって増加できる。図６は３個の主要部品を有する光学表示装置１６４を図示する。これらは、光学表示モジュール１４２、明るさ強化型反射偏光子１１０と光共振器１４０である。典型的に、完全な光学表示装置１６４は、観察者１４６が見るように平面視において平坦で矩形であり、３個の主要部品を互いに近接させた時、断面において比較的に薄い。
使用において、表示モジュール１４２は、明るさ強化型反射偏光子１１０と光共振器１４０によって処理された光によって照明される。これらの２個の部品は、一緒に、角度で概略的に図示した観察ゾーン１３６に偏光を指向する。この光は、表示モジュール１４２を介して観察者１４６に指向される。表示モジュール１４２は、典型的に表示情報を画素として表示する。画素に対する偏光透過は、液晶材料の複屈折の電気制御によって変調される。これは、光の偏光状態を変調して、表示モジュール１４２の一部を形成する第２偏光子層によるその相対吸収に影響する。
図には２個の照明源が示されている。その第１は光線１６２で表された周囲光である。この光は、表示モジュール１４２と明るさ強化型反射偏光子１１０を通過して、光共振器１４０に入射する。光共振器はこの光を光線１６５で示すように反射する。第２の光源は、光線１６３で描かれるように、光共振器自身の内部で発生されるかも知れない。もし光共振器１４０がバックライトであるなら、主照明源は光共振器１４０内部に発生すると共に、光学表示装置は「バックライトを受けている」と呼ばれる。もし主照明源が光線１６２と光線１６で表される周囲光なら、光学表示装置は「反射的」又は「受動的」と呼ばれる。もし表示装置が、周囲光と共振器発生の光の両方の下で観察されるなら、表示装置は「トランスフレクティブ」と呼ばれる。本発明はこれらの表示装置型式の各々において有用である。
光の源に拘わらず、明るさ強化型反射偏光子１１０と光共振器１４０は協働して、最大量の光が適当に偏光されて観察ゾーン１３６に閉込められるように光を「再循環する」。
一般に、明るさ強化型反射偏光子１１０は２個の部材を含む。その第１は、特定の偏光の光を観察ゾーン１３６に透過する反射偏光子本体１１６である。第２の部材は、観察ゾーン１３６の境界を定める光学構造層１１３である。
共振器１４０はいくつかの機能を果たすが、明るさ強化型反射偏光子１１０とのその相互作用に関する重要なパラメータは、入射光に対する高反射率値と、入射光の方向と偏光の両方を変更する光共振器４０の能力である。従来の光共振器はこれらの要件を満たす。
どの光学系に対しても、反射能、損失と透過率の合計は１００に等しくならねばならない。吸収度はこの損失の主な原因であろう。本発明において、明るさ強化型反射偏光子１１０は、ある光に対して非常に低い吸光度と高い反射能を有する。結果として、観察ゾーン１３６に直接流入されない光は、効率的に光共振器１４０に移送され、そこで変更されたり、観察ゾーン１３６における光に貢献する適当な特質を有して共振器から発したりする。
光学表示装置１６４の関係で、系の全ゲインは、光共振器１４０の反射能と明るさ強化型反射偏光子１４０の反射能の積に依存する。本発明は、明るさ強化型反射偏光子１１０からの入射光の方向と偏光状態を変更する能力と調和した高反射能の裏面を有する低吸収光共振器と使用する時、最も効果的である。これらの目的のために、光共振器に、アクリル等の透明誘電体を充填してもよいことを注目すべきである。
好ましい構造面１１２は幾何学的光学素子として機能するけれども、回折的またはホログラフ的な光学部材を、幾何学的光学素子の示す光指向性を効果的に模倣するように設計してもよいことがよく知られている。従って、構造面１１２という用語は、光を比較的狭い観察ゾーン１３６に閉込める幾何学的及び回折的の両方の光学系を記述するものと理解すべきである。
図７は、本発明において明るさ強化装置として働く構造面材料の拡大図である。前述したように、構造面材料２１８は、平滑側２２０と構造側２２２を有する。好ましい実施形態において、構造側２２２は複数の三角形のプリズムを含む。好ましい実施形態において、このようなプリズムは直角２等辺プリズムであるが、７０度から１１０度の範囲のピーク角を有するプリズムが、本発明において変動する有効性の程度で働く。構造面材料２１８は、屈折率が空気のそれよりは大きいどんな透明材料でもよいが、一般に、より高い屈折率を有する材料がより良好な結果を生む。１．５８６の屈折率を有するポリカーボネートが非常に効率的に働くことが判明した。本発明の説明の目的のために、構造面２２２上のプリズムは９０度の交角を有すると仮定され、構造面材料２１８はポリカーボネートであると仮定される。代りに、他の構造面材料を使用してもよい。対称的立方体コーナーシートが優秀な結果を生むことが示された。
図８は構造面材料２１８の動作を図示する。図８は２本の軸２２６と２２８を有するグラフである。これらの軸は、光線が平滑面２２０への法線に対してなす角度を表す。特に、軸２２６は、光線の方向が構造面２２２上の構造の直線部に平行な平面に投影される時に光線がなす角度を表す。同様に、軸２２８は、光線の方向が構造面２２２上の構造の直線部に垂直な平面に投影される時に光線が平滑面２２０への法線に対してなす角度を表す。このようにして、平滑面２２０に垂直に当たる光線は、図８のグラフにおいて０度と記した原点で表される。明らかに、図８は領域２３０、２３２と２３４に分割される。領域２３０内に入る角度で当たる光は、構造面材料２１８に入るが、全て構造面２２２で内部反射されて、平滑面２２０を２回目に通過して光共振器に再突入する。領域２３２又は２３４に入る角度で平滑面２２０に当たる光線は、透過されるが法線に対して異なる角度で屈折される。ポリカーボネートの性能を表す図８から理解されるように、法線に対して９．４度より小さい角度で平滑面２２０に当たるどんな光線も反射される。
図７に戻ると、４本の典型的な光線が図示されている。第１の光線２３６は、視射角、即ち、法線に対して９０度に接近する角度で平滑面２２０に接近する。もし光線２３６が、構造面材料２１８に当たる時に面２２０への法線に対して８９．９度の角度をなすなら、それは、構造面材料２１８を通過する間、法線に対して３９．１度の角度をなすように屈折される。構造面２２２に到達すると、それは再び屈折される。構造面２２２上の構造のために、それは、構造面２２０への法線に対してより小さい角度をなすように屈折される。例において、それは３５．６度の角度をなす。
光線２３８は、保護角に極めて近い角度で平滑面２２０に接近する。それも、平滑面２２０を通過する時に屈折されるが、その程度はより低い。もし光線２３８が、平滑面２２０への法線に対して１０度の角度で平滑面２２０に接近するなら、それは、平滑面２２０への法線に対して３７．７度の角度で、しかし、法線の反対側で構造面２２２から発する。
光線２４０は、保護角よりも小さい角度で接近するが、全て構造面２２２によって２度内部反射されて、光共振器の内部に戻される。
最後に、光線２４２は、光線２３８に類似した角度で、しかし、構造面２２２上のプリズムの他方側でなくて一方側で全て内部反射される位置で平滑面２２０に接近する。その結果、それは平滑面２２０への法線に対して大きな角度で発する。このような反射は、当たる側に対して大入射角を形成する方向に移動する光線に起こるだけだから、プリズムはこのような光線に対して非常に小さい断面を提供する。更に、これらの光線の多くは、次のプリズムに再突入して表示装置２１０に戻される。
第５の種類の光線は図７に図示されていない。これは、平滑面２２０によって反射されると共に構造面材料２１８に入らない組の光線である。このような光線は、光共振器へ反射で戻される他の光線に単に加わるだけである。この説明から理解されるように、構造面材料２１８が無ければ、平滑面２２０への法線に設定された表示装置の軸に対して大きな角度で表示装置から発するような光は、その軸により近い方向に再指向される。少量の光が軸に対して大きな角度で指向される。このように、所定角度よりも大きい入射角で平滑面２２０から構造面材料２１８に入る光は、入力くさびよりも狭い出力くさびに指向される一方、所定角度よりも小さい入射角で平滑面２２０から構造面材料１８に入る光歯、光共振器へ反射で戻される。
光共振器に反射で戻される光は拡散反射器に当たる。反射された光は構造面材料２１８へ戻って、一般に最初とは異なる角度をなす。それから、光のより多くがより小さいくさびに再指向されるようにプロセスが繰返される。本発明の鍵となる局面は、構造面材料２１８が、第１所定群の角度でそれに当たる光を反射すると共に、第２所定群の角度でそれに当たる光を通過及び屈折させることができなければならないことである。ここで、第２群の角度は第１群の角度よりも大きく、且つ、第２群の角度の光は、入力くさびよりも狭い出力くさびに屈折される。本説明において、第１群及び第２群の角度は、表示面、即ち、液晶に垂直な表示装置の軸に対するものである。
図９は、明るさ強化型反射偏光子１１０の無い性能の比較ができるように、明るさ強化型反射偏光子１１０の無い概略の光学表示装置１６４の一部を図示する。一般に、光線束１４８で描かれた光共振器１４０の単位面積から発する光は、ランダムに偏光されて存在する光学状態（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）を有する。この光の約半分である状態（ｂ）と（ｄ）の光が、表示モジュール１４２の一部を形成するダイクロイック吸収偏光子１５０によって吸収される。残りの状態（ａ）と（ｃ）の光はダイクロイック吸収偏光子１５０を通過する。従って、光線束１５２で描かれた表示モジュール１４２から発する光は、状態（ａ）と（ｃ）の光を含む。状態（ａ）の光は観察者１４６に指向されているけれども、状態（ｃ）の光はそうではない。残りの状態（ｂ）と（ｄ）の光はダイクロイック吸収偏光子１５０によって吸収される。それ故、光共振器１４０によって供給される光の約１／４だけが、観察者１４６に見られる表示の明るさに実際上貢献することになる。
明るさ強化装置は、光共振器１４０によって得られる光をより効率的に利用するために働く。もし光線束１５４で描かれた同じ単位量の光が明るさ強化型反射偏光子１１０に指向されるなら、約１／４の光（状態（ａ）の光）が、最初の通過で明るさ強化型反射偏光子１１０を通過する。この光は、ダイクロイック吸収偏光子１５０の透過軸の合致する正確な偏光を有すると共に、光線束１６１で描かれる。しかしながら、残りの状態（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）を有する光は明るさ強化型反射偏光子１１０によって光共振器へ反射して戻される。この光のある部分は、方向と偏光に関して、光共振器１４０によって状態（ａ）にランダム化される。このようにして、この光は、光線束１５７で描かれるように、状態（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）を持って光共振器から発する。状態（ａ）の再循環された光は、次に、光線束１６０で描かれるように最初に透過した光に追加される。このようにして、光線束１６０と光線束１６１で描かれる光の総量は「再循環」によって増加する。ダイクロイック吸収偏光子１５０の透過軸に合致する正確な偏光（状態（ａ））の光だけが明るさ強化型反射偏光子１１０を通過するので、光線束６３で描かれた表示装置から発射される光のより多くは観察者１４６に指向される。更に、状態（ｂ）と（ｄ）の光は明るさ強化型反射偏光子１１０によって反射されるので、非常に僅かもダイクロイック吸収偏光子１５０によって吸収されない。その結果の表示では、表示装置から発する光線束１６３で描かれる光の量が光線束１５２で示される光の量よりも７０％明るい。
図１０は光学表示装置１７０を図示する。光学表示モジュール１４２は、前方偏光子１４９と後方偏光子１５０の間に配置された液晶マトリクス１４７を含む。この実施形態において、光学構造層１１３は反射偏光子本体１１６から空隙１７１によって分離される。空隙１７１は望ましくない状態（ａ）の光線の反射を起こす。表示装置において、光共振器１４０は、ランプ反射器１７３内にランプ１７０を含むバックライトである。ランプ１７２からの光は、導光器１７４に入って、スポット１７６等の拡散反射面に当たるまで移動する。このようなスポットの非連続アレイは導光器１７４から光を効果的に抽出する必要があるけれども、断続面は光を十分に再循環するには充分ではないかも知れない。従って、再循環プロセスにおいて補助するために非連続面の下に連続拡散反射面１７５を配置することが好ましい。
図１１は、光学構造層１１３と構造面１１２が近接しているが、反射偏光子本体１１６に直接当接されない別個の部材である光学表示装置を図示する。これらの２個の部品は、一緒に空隙１８１と共に明るさ強化型反射偏光子１１０を形成する。使用中、光共振器１４０は、表示装置のための光を供給すると共に、明るさ強化型反射偏光子１１０から戻された光の偏光及び方向を再配向するように働く。光共振器１４０は、拡散反射面１３７として働く燐光物質被覆を有するＥＬパネル１３９を含む。本実施形態の明るさ強化型反射偏光子１１０と図１０のそれとの一つの違いは、臨界角１３４よりも大きい角度で構造面１１２に接近する光が、その偏光状態に拘わり無く全内部反射によって光共振器に戻される点である。別の違いは、光学構造層１１３によって透過された光が垂直近似角度で反射偏光子１１６を通過することである。更に別の違いは、表示モジュール１４３における前方偏光子１４９の存在と後方偏光子の欠如に関する。バックライトが主要光源である実施形態において、明るさ強化型反射偏光子に隣接並置した吸収偏光子を使用せずに、適当なコントラストを得ることができる。
図１２は、標準ＥＬバックライトと取った明るさ強化型反射偏光子材料のサンプルの試験結果を図示する。入射光の方向と偏光配向のランダム化に関して、ＥＬバックライトは、光共振器用に前記した要件を満たした。比較の基礎を与えるために、曲線１６２は、明るさ強化型反射偏光子本体が無くダイクロイック偏光子だけを有する表示装置に対する光透過を示す。曲線１６４は、反射偏光子本体と図１２に関して図示及び上記したような近接層としての構造面を有する構成において明るさ強化型反射偏光子本体を含む表示装置のＹ−Ｚ平面での光の角度分布に対する光強度を表す。曲線１６４は、ダイクロイック偏光子だけに比べて約６０％の同軸明るさ増加が得られることを示す。又、６０度の偏心において、約５０％の明るさ減少が観察される。
標準バックライトを使用する更に別の例において、反射偏光子本体と図１１に関して図示及び上記したような近接層としての構造面を有する明るさ強化型反射偏光子で、ダイクロイック偏光子だけに対して１００％の明るさ増加が観察面に対する表示装置法線に沿って測定された。反射偏光子だけが３０％の明るさ増加を生じる一方、構造面だけは７０％の明るさ増加を生じたので、結果的に、同軸観察に対して１００％の全明るさ増加となった。
これら２個の例の間の明るさ増加の違いは、使用されている光共振器の違いに大きく基づく。図１２の曲線がＥＬバックライトで取られたのに対し、後者の例は標準バックライトで取られた。各型式の光共振器の反射率と損失が、得られる全明るさ増加に影響する。
明るさ強化型反射偏光子本体を出る光線の２次元制御を、図１３に図示された交互の好ましい構成１９２を使用して行うことができる。そこで、夫々が構造面１１２と１８４を有する２個の光学構造層１１３と１８２が、互いに近接していると共に、反射偏光子本体１１６に近接する。これらの３個の部材は明るさ強化型反射偏光子本体１００を構成する。図１３においては、２個の光学構造層が反射偏光子本体１１６の下に図示されているけれども、反射偏光子本体１１６を、本発明の範囲から逸脱すること無しに、光学構造層１１２と１８２の間又は下に配置できることを理解すべきである。２次元制御は、構造面１１２と１８４の配向の軸を交差することによって行われる。軸は、表示用途及び関連する偏光要件に応じて、９０度又は９０度よりも大きい他の角度に配向し得る。
作用において、第１光学構造層は、ＹＺ平面において約７０度、又、ＸＺ平面において１１０度の観察ゾーンに帰着する。第１光学構造層１８２を出る光は、次に、第２光学構造層１１３用の源となり、その構造面１１２は、光学構造層１８２の構造面１８４とは異なる配向軸を有する。もし２個の光学構造層１１３と１８４の軸が、例えば、９０度に配向されているなら、光学構造層１８２は、ＸＺ平面の１１０度内の光に作用すると共に、ＸＺ平面内の視角を７０度よりも小さい狭い範囲に圧縮して、明るさを更に増す。
図１４は、分離して示した明るさ強化型反射偏光子１１０の概略斜視図である。この図は、本発明の構造の説明を容易にするために尺度通りに描かれていない。図１４は、とりわけ、本発明の説明において言及されるＸ、ＹとＺ方向を定める座標系１１８を含む。
図１４に示すように、明るさ強化型反射偏光子１１０は、構造面１１２を有する光学構造層１１３を含む。図１４において、この光学構造層１１３は、反射偏光子本体１１６に注型された重合体層上に形成され、好ましい一体構造物になる。図１４に示されているような一体構造物は、加熱積層等で２枚のフィルムを止着したり、又は、米国特許第５、１７５、０３０号に記載されているようなプロセスにおいて反射偏光子が基板として働くように、構造面材料を反射偏光子上に注型及び硬化する各種の公知の手法で形成できる。この目的のために、反射偏光子と明るさ強化装置が一体であるとの記述は、それらが互いに接着されていることを意味すると理解すべきである。
図１４に示された好ましい例示的な構造面１１２は、典型的にはプリズム１１４であるプリズムのアレイである。各プリズムは、Ｘ方向に延在する頂部の稜を有する。ＹＺ平面において、各プリズム１１４は、プリズムの頂角１２０が９０度である２等辺三角形の断面を有する。プリズムのアレイが好ましいけれども、用途の特定の要件に合致するために、特定のプリズム形状と頂角１２０を変更してもよい。図１４に示したようなプリズムのアレイは、光学表示装置を出る光を図６に示すような比較的に狭い観察ゾーン１３６に閉込めることが望ましい場合に特に有用である。しかしながら、他の視角が望ましい場合は、光学構造面１１３は他の形状を取り得る。好ましい構造面１１２は幾何学的光学素子として機能するけれども、回折的またはホログラフ的光学部材を、幾何学的光学素子が示す光指向性を効果的に模倣するように設計してもよいことがよく知られている。従って、構造面１１２という用語は、光を比較的に狭い観察ゾーン１３６（図６）に閉込める幾何学的光学系及び回折的光学系の両方を記述するものと理解すべきである。一般的に、プリズムのアレイの固有偏光性のため、プリズムの軸が反射偏光子の延在する方向に平行に走る時に最適性能が得られる。
多層堆積の光学挙動
図４に示されるような多層堆積の光学挙動を、ここにより一般的な用語で説明する。多層堆積は数百又は数千の層を含んでよく、各層を多数の異なる材料のどれで作ってもよい。特定の堆積用の材料の選択を決定する特性は、堆積の望ましい光学性能に依存する。
堆積は、堆積内の層の数だけ多くの材料を含有してもよい。製造を容易にするために、好ましい光学薄膜堆積は数個の異なる材料しか含有しない。例示の目的のため、本説明は、２個の材料を含む多層堆積を記述する。
材料又は異なる物性を有する化学的に同等な材料の間の境界は急であったり、徐々であり得る。分析的な解を有するいくつかの単純な場合を除いて、連続的に変動する屈折率を有する後者の型式の成層媒質の分析は、通常、急な境界を有するが、近傍層間の性質の変化が小さいはるかにより多数のより薄い一様な層として取扱われる。
いかなる方位角方向からのいかなる入射角における反射率挙動は、フィルム堆積の各フィルム層における屈折率によって決定される。フィルム堆積内の全ての層が同じプロセス条件を受けると仮定すれば、全堆積の挙動を角度の関数として理解するのに、２成分堆積の単一の界面を見るだけでよい。
従って、説明を簡単にするために、単一の界面の光学挙動を説明する。しかしながら、ここで説明された原理に基づく実際の多層堆積は数百又は数千の層で作ることができることを理解すべきである。図１５に示したもののような単一界面の光学挙動を説明するために、ｚ軸と１個の平面内光軸を含む入射面に対するｓ及びｐ偏光の入射角の関数としての反射能がプロットされる。
図１５は、屈折率ｎｏの等方性媒質に両方が浸された、単一界面を形成する２材料フィルム層を示す。例示を簡単にするために、本説明は、２材料の光軸が心合せされ、又、一つの光軸（ｚ）がフィルム平面に垂直であり、他の光軸がｘ及びｙ軸に沿っている直交多層複屈折系に向けられる。しかしながら、光軸は直交である必要はなく、非直交系も十分に本発明の精神と範囲内であることを理解すべきである。更に、本発明の意図する範囲内に収まるために、光軸もフィルム軸と心合せされる必要はないことを理解すべきである。
いかなる厚さのフィルムのいかなる堆積の光学素子を計算するための基礎的なビルディングブロックは、よく知られたフレネル反射と個々のフィルム界面の透過係数である。フレネル係数は、いかなる入射角における所定の界面の反射能の大きさをｓ及びｐ偏光に対する別個の式で予測する。
誘導体界面の反射能は、入射角の関数として変動すると共に、等方性材料に対しては、ｐ及びｓ偏光で大きく異なる。ｐ偏光に対する反射能最小は、いわゆるブリュスター効果に基づき、反射率がゼロになる角度はブリュスター角と呼ばれる。
いかなる入射角におけるいかなるフィルム堆積の反射率挙動は、全ての関連するフィルムの誘電体テンソルによって決定される。この話題の一般的な理論的取扱いは、１９８７年にノース・ホランドによって発行された「楕円偏光と偏光」のアール・エム・エー・アザーム（Ｒ．Ｍ．Ａ．Ａｚｚａｍ）とエヌ・エム・バシャラ（Ｎ．Ｍ．Ｂａｓｈｒａ）による本文に与えられている。その結果は、世界中によく知られたマックスウェルの式から直接由来する。
系の単一界面の反射能は、夫々が式１と２によって与えられるｐとｓ偏光の反射係数の絶対値を二乗することによって計算される。式１と２は、２成分の軸が心合せされた一軸直交系に対して有効である。
１）Γｐｐ＝｛ｎ２ｚ×ｎ２ｏ√（ｎ１ｚ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）−ｎ１ｚ×ｎ１ｏ√（ｎ２ｚ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）｝／｛ｎ２ｚ×ｎ２ｏ√（ｎ１ｚ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）＋ｎ１ｚ×ｎ１ｏ√（ｎ２ｚ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）｝
２）Γｓｓ＝｛√（ｎ１ｏ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）−√（ｎ２ｏ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）｝／｛√（ｎ１ｏ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）＋√（ｎ２ｏ²−ｎｏ²ｓｉｎ²Θ）｝
ここで、Θは等方性媒質内で測定されている。
一軸複屈折系では、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙ＝ｎ１ｏ、且つ、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙ＝ｎ２ｏである。二軸複屈折系では、式１と２は、図１５に定義されているように、偏光平面がｘ−ｚ又はｙ−ｚ平面に平行な光だけに有効である。従って、二軸系では、ｘ−ｚ平面に入射する光に対して、ｐ偏光用の式１で、ｎ１ｏ＝ｎ１ｘ、且つ、ｎ２ｏ＝ｎ２ｘであり、又、ｓ偏光用の式２で、ｎ１ｏ＝ｎ１ｙ、且つ、ｎ２ｏ＝ｎ２ｙである。ｙ−ｚ平面に入射する光に対して、ｐ偏光用の式１において、ｎ１ｏ＝ｎ１ｙ、且つ、ｎ２ｏ＝ｎ２ｙであり、又、ｓ偏光用の式２において、ｎ１ｏ＝ｎ１ｘ、且つ、ｎ２ｏ＝ｎ２ｘである。
式１と２は、反射能が堆積内の各材料のｘ、ｙとｚ方向の屈折率に依存することを示す。等方性材料において、全ての３個の屈折率は等しく、従って、ｎｘ＝ｎｙ＝ｎｚとなる。ｎｘ、ｎｙとｎｚの間の関係は材料の光学特性を決定する。３個の屈折率の間の異なる関係は、材料の３個の一般的な種類、即ち、等方性、一軸複屈折及び二軸複屈折につながる。
一軸複屈折材料は、一方向の屈折率が他の２方向の屈折率と異なるものと定義される。本説明の目的のために、一軸複屈折系を記載するための規定は、ｎｘ＝ｎｙ≠ｎｚという条件のためである。ｘ及びｙ軸は平面内軸と定義され、夫々の屈折率ｎｘとｎｙは平面内屈折率とよばれる。
一軸複屈折系を作る一方法は、重合体多層堆積を二軸で延伸、例えば、２次元に沿って延伸することである。多層堆積の二軸延伸は、両軸に平行な平面に対する隣接する層の屈折率の間の違いに帰着し、従って、両偏光平面内の光の反射に帰着する。
一軸複屈折材料は、正又は負の一軸複屈折を有する。正の一軸複屈折は、ｚ屈折率が平面内屈折率より大きい、即ち、ｎｚ＞ｎｘ、且つ、ｎｚ＞ｎｙの時生じる。負の一軸複屈折は、ｚ屈折率が平面内屈折率よりも小さい、即ち、ｎｚ＜ｎｘ、且つ、ｎｚ＜ｎｙの時生じる。
二軸複屈折材料は、全ての３個の軸における屈折率が異なる、例えば、ｎｘ≠ｎｙ≠ｎｚであるものと定義される。再び、ｎｘとｎｙ屈折率は平面内屈折率と呼ばれる。二軸複屈折系は、多層堆積を一方向に延伸することによって作ることができる。換言すれば、堆積が一軸に延伸される。本説明の目的ために、ｘ方向は二軸複屈折堆積の延伸方向と呼ばれる。
一軸複屈折系（鏡）
一軸複屈折系の光学的性質を説明する。上述したように、一軸複屈折材料の一般的条件はｎｘ＝ｎｙ≠ｎｚである。従って、もし図１５の各層１０２と１０４が一軸複屈折であるなら、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙ、且つ、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙである。本説明の目的のために、層１０２は層１０４よりも大きい平面内屈折率を有し、従って、ｘとｙ方向の両方でｎ１＞ｎ２である。一軸複屈折多層系の光学的挙動は、ｎ１ｚとｎ２ｚの値を変動して、正又は負の複屈折の異なるレベルを導入することにより、調整できる。
式１は、図１５に示すような２層から成る一軸複屈折系の単一界面の反射能を決定する。ｓ偏光用の式２は、等方性フィルム（ｎｘ＝ｎｙ＝ｎｚ）の単純な場合であることが容易に示されるから、式１を調べるだけでよい。例示の目的のために、フィルム屈折率のいくつかの一般的であるけれども特定の値を付与する。ｎ１ｘ＝ｎ１ｙ＝１．７５、ｎ１ｚ＝可変、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙ＝１．５０、且つ、ｎ２ｚ＝可変であるとする。この系の各種の起こり得るブリュスター角を例示するために、回りの等方性媒質に対してｎｏ＝１．６０であるとする。
図１６は、ｎ１ｚがｎ２ｚより大きいか又は等しい（ｎ１ｚ≧ｎ２ｚ）場合において、等方性媒質から複屈折層に入射するｐ偏光の角度に対する反射能の曲線を示す。図１６に示された曲線は、以下のｚ屈折率値、ａ）ｎ１ｚ＝１．７５、ｎ２ｚ＝１．５０、ｂ）ｎ１ｚ＝１．７５、ｎ２ｚ＝１．５７、ｃ）ｎ１ｚ＝１．７０、ｎ２ｚ＝１．６０、ｄ）ｎ１ｚ＝１．６５、ｎ２ｚ＝１．６０、ｅ）ｎ１ｚ＝１．６１、ｎ２ｚ＝１．６０とｆ）ｎ１ｚ＝１．６０＝ｎ２ｚに対するものである。ｎ１ｚがｎ２ｚに接近するにつれて、反射能がゼロになる角度であるブリュスター角が増加する。曲線ａ−ｅは強く角度に依存している。しかしながら、ｎ１ｚ＝ｎ２ｚ（曲線ｆ）である時、反射能に角度依存は無い。換言すれば、曲線ｆの反射能は全ての入射角に対して一定である。その点において、式１は、角度依存型式（ｎ２ｏ−ｎ１ｏ）／（ｎ２ｏ＋ｎ１ｏ）に至る。ｎ１ｚ＝ｎ２ｚの時、ブリュスター効果は無く、全ての入射角に対して一定の反射能がある。
図１７は、ｎ１ｚが数値的にｎ２ｚより大きい又は等しい場合における入射角に対する反射能の曲線を示す。光は等方性媒質から複屈折層に入射する。これらの場合、反射能は入射角と共に単調に増加する。これは、ｓ偏光に観察されるような挙動である。図１７の曲線ａはｓ偏光の単一の場合を示す。曲線ｂ−ｅは、ｎｚの各種の値が以下の順、ｂ）ｎ１ｚ＝１．５０、ｎ２ｚ＝１．６０、ｃ）ｎ１ｚ＝１．５５、ｎ２ｚ＝１．６０、ｄ）ｎ１ｚ＝１．５９、ｎ２ｚ＝１．６０とｅ）ｎ１ｚ＝１．６０＝ｎ２ｚであるｐ偏光の場合を示す。再び、ｎ１ｚ＝ｎ２ｚ（曲線ｅ）である時、ブリュスター効果は無く、全ての入射角に対して一定の反射能がある。
図１８は、図１６と図１７と同じであるが、屈折率ｎｏ＝１．０（空気）の入射媒質である場合を示す。図１８の曲線は、屈折率がｎ２ｘ＝ｎ２ｙ＝１．５０でｎ２ｚ＝１．６０である正の一軸材料と、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙ＝１．７５で、更に、ｎ１ｚの値が上から下に以下の順、ａ）１．５０、ｂ）１．５５、ｃ）１．５９、ｄ）１．６０、ｆ）１．６１、ｇ）１．６５、ｈ）１．７０とｉ）１．７５である負の一軸複屈折材料の単一界面におけるｐ偏光に対してプロットされる。再び、図１６と図１７に示したように、ｎ１ｚとｎ２ｚの値が合致している（曲線ｄ）、反射能に角度依存は無い。
図１６、図１７と図１８は、一方のフィルムのｚ軸屈折率が他方のフィルムのｚ軸屈折率と等しい時、一つの型式の挙動から別への転換が起こる。これは、負及び正の一軸複屈折材料と等方性材料の幾つかの組合せに当てはまる。ブリュスター角がより大きい又はより小さい角度に移行する他の状況が起こる。
平面内屈折率とｚ軸屈折率の間の各種の起こり得る関係が図１９、図２０と図２１に図示されている。垂直軸は屈折率の相対値を示し、水平軸は各種の条件を単に分離するのに使われている。各図は、左側でｚ屈折率が平面内屈折率と等しい２枚の等方性フィルムで始まる。右側へ行くと、平面内屈折率は一定に保たれ、又、各種のｚ軸は増減して、正又は負の複屈折の相対量を示す。
図１６、１７と１８に関して上述した場合が図１９に図示されている。材料１の平面内屈折率は材料２の平面内屈折率より大きく、材料２は正の複屈折を有する（ｎ２ｚは平面内屈折率よりも大きい）。ブリュスター角が消えて反射能が全ての入射角に対して一定である点は、２個のｚ軸屈折率が等しい所である。この点は、図１６の曲線ｆ、図１７の曲線ｅと図１８の曲線ｄに対応する。
図１６において、材料１は材料２よりも大きな平面内屈折率を有するが、材料１は正の複屈折を有し、又、材料２は負の複屈折を有する。この場合、ブリュスター最小は角度のより低い値に移行できるだけである。
図１９と図２０は、２枚のフィルムの一方が等方性である限定された場合に有効である。２つの場合では、材料１が等方性で材料２が正の複屈折を有し、又は、材料２が等方性で材料１が負の複屈折を有する。ブリュスター効果が無い点は、複屈折材料のｚ軸屈折率が等方性フィルムの屈折率に等しい所である。
別の場合では、両方のフィルムが同じ型式、即ち、両方が負の複屈折又は両方が正の複屈折である。図２１は、両方のフィルムが負の複屈折を有する場合を示す。しかしながら、２個の正の複屈折層の場合は図２１に示した２個の負の複屈折層の場合に類似していることを理解すべきである。前と同様に、一方のｚ軸屈折率が他方のフィルムのそれに等しいか又は交差するだけで、ブリュスター効果が消去される。
２個の平面内屈折率が等しいがｚ軸屈折率が異なる更に別の場合が生じる。図１９−２１に示された全ての３つの場合の部分集合であるこの場合、ｓ偏光に対してはいかなる角度においても反射が起こらず、ｐ偏光に対する反射能は入射角が増加するにつれて単調に増加する。この型式の品物は、入射角が増加するにつれてｐ偏光の反射能が増加すると共に、ｓ偏光に対して透明である。この品物は、それ故、「ｓ偏光子」と呼ぶことができる。
当業者は、一軸複屈折系の挙動を記述する上記の原理を、広い範囲の状況に望ましい光学的効果を創造するために適用できることを理解すべきである。望ましい光学的性質を有する装置を生産するために、多層堆積内の層の屈折率を操作及び調整できる。多くの負及正の一軸複屈折系を各種の平面内及びｚ軸屈折率で作ることができ、又、多くの有用な装置を、ここに記載した原理を使って、設計及び製作できる。
二軸複屈折系（偏光子）
再び図１５を参照して、２成分直交二軸複屈折系を説明する。再び、系は多くの層を有することができるが、堆積の光学的挙動の理解は、一界面における光学的挙動を調べることによって達成される。
二軸複屈折系は、全ての入射角に対して一軸に平行な偏光平面を有する光に対する高い反射能を与えると同時に、全ての入射角に対して他方の軸に平行な偏光平面を有する光に対する低い反射能を有するように設計できる。その結果、二軸複屈折系は偏光子として働き、一方の偏光の光を透過すると共に、他方の偏光の光を反射する。各フィルムの３個の屈折率ｎｘ、ｎｙとｎｚを制御することによって、望ましい偏光子挙動を得ることができる。
前記したＰＥＮ／ｃｏＰＥＮの多層反射偏光子は二軸複屈折系の一例である。しかしながら、一般に、多層堆積を造るために使用される材料は重合体である必要は無い。ここに記載した一般的原理に収まるいかなる材料も多層堆積を造るのに使用することができる。
図１５に再び参照して、例示の目的のために以下の値、ｎ１ｘ＝１．８８、ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ１ｚ＝可変、ｎ２ｘ＝１．６５、ｎ２ｙ＝可変とｎ２ｚ＝可変をフィルム屈折率に割当てる。ｘ方向は吸光方向、又、ｙ方向は透過方向を呼ばれる。
式１は、入射平面が延伸方向又は非延伸方向にある光の２つの重要な場合についての二軸複屈折系の角度挙動を予測するのに使用できる。偏光子は、一偏光方向には鏡であり、他の方向には窓である。延伸方向において、数百の層を有する多層堆積における大屈折率差１．８８−１．６５＝０．２３がｓ偏光に対する非常に高い反射能を生じる。ｐ偏光に対し、各種の角度における反射率は、ｎ１ｚ／ｎ２ｚ屈折率差に依存する。
殆どの用途において、理想的な反射偏光子は、全ての入射角において、一軸に沿って高い反射率を、又、他方の軸に沿ってゼロ反射率を有する。もし透過軸に沿ってなんらかの反射能が生じ、又、それが各種の波長に対して異なる場合、偏光子の効率が低下すると共に、色が透過光に導入される。両方の効果は望ましくない。これは、平面内ｙ屈折率が合致していても、ｚ屈折率の大きな不一致によって引起こされる。この結果としての系は、ｐに対して大きな反射能を有すると共に、ｓ偏光に対して極めて透明である。この場合は、鏡の場合の上記分析において「ｐ偏光子」と呼ばれる。
図２２は、ＰＥＮ／ｃｏＰＥＮの８００層堆積に対して、非延伸方向における入射平面を有するｐ偏光の７５°における反射能（−Ｌｏｇ［１−Ｒ］としてプロット）を示す。反射能は、可視スペクトル（４００−７００ｎｍ）に渡り波長の関数としてプロットされる。５５０ｎｍにおける曲線ａの関連屈折率は、ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ１ｚ＝１．５２、ｎ２ｙ＝１．６４とｎ２ｚ＝１．６３である。モデル堆積設計は、各対が前の対よりも０．３％厚い１／４波対に対する単純な線状厚さグレードである。全ての層には、ガウス分布と５％の標準偏差のランダム厚さ誤差が付与される。
曲線ａは、透過軸（ｙ軸）に沿った可視スペクトルを渡る高偏心反射能を示すと共に、異なる波長が異なる反射能レベルを経験することを示す。スペクトルは層厚誤差とフィルムキャリパー等の空間の非一様性に感度が高いので、これは、極めて非一様で色彩に富んだ外観を有する二軸複屈折系を与える。ある用途では高度の色が望ましいけれども、ＬＣＤ表示装置や他の型式の表示装置等の一様で低い色の外観を必要とする用途には偏心色の程度を制御及び最小化することが望ましい。
もしフィルム堆積が全ての可視波長に対して同じ反射能を与えるように設計されているならば、一様で中間の灰色反射が生じる。しかしながら、これは殆ど完全な厚さ制御を必要とする。代りに、ｓ偏光反射能を最小に保つ一方で、ブリュスター状態偏心を造る非延伸平面内屈折率に屈折率不一致を導入することによって、偏心反射能と偏心色を最小化できる。
図２３は、二軸複屈折系の透過軸に沿った偏心反射能を減少する時にｙ軸屈折率不一致を導入する効果を調べる。ｎ１ｚ＝１．５２とｎ２ｚ＝１．６３（Δｎｚ＝０．１１）で、ｐ偏光に対して以下の条件、ａ）ｎ１ｙ＝ｎ２ｙ＝１．６４、ｂ）ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ２ｙ＝１．６２とｃ）ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ２ｙ＝１．６６がプロットされる。曲線ａは、平面内屈折率ｎ１ｙとｎ２ｙが等しい反射能を示す。曲線ａは、０°で反射率が最小となるが、２０°の後急勾配で立上がる。ｎ１ｙ＞ｎ２ｙである曲線ｂでは、反射率が急に増加する。ｎ１ｙ＜ｎ２ｙである曲線ｃは、３８°で反射率が最小となるが、その後急勾配で立上がる。曲線で示すように、ｎ１ｙ≠ｎ２ｙであるｓ偏光に対しても相当の反射が生じる。図２３の曲線ａ−ｄは、ブリュスター最小が存在するには、ｙ屈折率不一致（ｎ１ｙ−ｎ２ｙ）の符号がｚ屈折率不一致（ｎ１ｚ−ｎ２ｚ）と同じであるべきであることを示す。ｎ１ｙ＝ｎ２ｙの場合だけ、ｓ偏光の反射能は全ての角度においてゼロである。
層間のｚ軸屈折率差を減少するために、偏心反射能を更に減少できる。もしｎ１ｚがｎ２ｚに等しいなら、図１８は、吸光軸が垂直入射のように高反射能ずれ角を有すると共に、両方の屈折率が合致している（例えば、ｎ１ｙ＝ｎ２ｙ、且つ、ｎ１ｚ＝ｎ２ｚ）ので、いかなる角度においても非延伸軸に沿って反射が生じないことを示す。
いくつかの重合体系では２個のｙ屈折率と２個のｚインッデックスの正確な合致が可能でないかも知れない。もしｚ軸屈折率が偏光子構造において合致していないと、平面内屈折率ｎ１ｙとｎ２ｙに対して少しの不一致が必要になるかも知れない。別の例が、ｎ１ｚ＝１．５６でｎ２ｚ＝１．６０（Δｎｚ＝０．０４）で、以下のｙインッデックス、ａ）ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ２ｙ＝１．６５とｂ）ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ２ｙ＝１．６３を仮定する図２４にプロットされている。曲線ｃは各場合におけるｓ偏光にたいするものである。ｙ屈折率の不一致の符号がｚ屈折率不一致と同じである曲線ａは、最低ずれ角反射能に帰着する。
図２４の曲線ａの条件下に７５°の入射角におけるフィルムの８００層堆積の計算された偏心反射率が図２２に曲線ｂとしてプロットされている。図２２における曲線ｂと曲線ａの比較は、曲線ｂにプロットされた条件に対して、偏心反射率がはるかに小さく、従って、知覚する色がより低いことを示す。５５０ｎｍにおける曲線ｂの関連屈折率は、ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ１ｚ＝１．５６、ｎ２ｙ＝１．６５でｎ２ｚ＝１．６０である。
図２５は、図１５に関してｐ偏光に対して述べた偏心反射能を要約する式１の輪郭プロットを示す。非延伸方向に関連する４個の独立屈折率は、２個の屈折率不一致ΔｎｚとΔｎｙに減少されている。プロットは、１５度の増分で０°から７５°までの各種の入射角における平均６個のプロットである。反射能は、０．４×１０^-4の一定増分で曲線ａの０．４×１０^-4から曲線ｊの４．０×１０^-4に及ぶ。プロットは、一光軸に沿う屈折率不一致に起因する高反射能を他方の軸に沿う不一致によってどのように相殺し得るかを示す。
従って、二軸複屈折系の層間のｚ屈折率の不一致を減少すること及び／又はブリュスター効果を生じるためにｙ屈折率の不一致を導入することによって、偏心反射能と、故に、偏心色が多層反射偏光子の透過軸に沿って最小化される。
狭い波長範囲内で働く狭帯域偏光子は、ここに記載した原理を使って設計することもできることを注目すべきである。これらは、例えば、赤、緑、青、シアン、マジェンタ又は黄の帯域で偏光子を生産するようにもできる。
材料選択と処理
上記の設計思想を確立すれば、当業者は、望ましい屈折率関係を生じるように選択された条件下に処理する時に本発明に係る多層の鏡又は偏光子を形成するのに広範囲の材料を使用できることを容易に理解するだろう。一般に、必要な全ては、材料の一方が、第２の材料と比べて選択された方向において異なる屈折率を有することである。この差は、例えば、有機重合体の場合のようにフィルム形成中又は後の延伸、例えば、液体結晶質の場合のように押出し又は被覆を含む各種の方法で得ることができる。更に、２個の材料は、同時押出しできるように、同様な流動学的性質（例えば、溶融粘度）を有することが好ましい。
一般に、第１の材料として結晶性又は半結晶質有機重合体を、第２の材料として有機重合体を選択することによって、適当な組合せを得ることができる。次に、第２の材料は、結晶性、半結晶質又は非晶質でよく、又は、第１の材料と反対の複屈折を有してもよい。
適当な材料の特定の例は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）とその異性体（例えば、２，６−、１，４−、１，５−、２，７−及び２，３−ＰＥＮ）、ポリアルキレンテレフタレート（例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート及びポリー１，４−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート）、ポリイミド樹脂（例えば、ポリアクリルイミド）、ポリエーテルイミド、アタクチックポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメタクリレート（例えば、ポリイソブチルメタクリレート、ポリプロピルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート及びポリメチルメタクリレート）、ポリアクリレート（例えば、ポリブチルアクリレート及びポリメチルアクリレート）、セルロース誘導体（例えば、エチルセルロース、セルロースアセテート、セルロースプロピオネート、セルロースアセテートブチレート及びセルロースニトレート）、ポリアルキレン重合体（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリイソブチレン及びポリ（４−メチル）ペンテン）、弗素化重合体（例えば、ペルフルオロアルコキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、弗素化エチレンープロピレン共重合体、ポリビニリデン弗化物及びポリクロロトリフルオロエチレン）、塩素化重合体（例えば、ポリビニリデン塩化物及びポリ塩化ビニル）、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアセテート、ポリエーテルーアミド、イオノマー樹脂、エラストマー（例えば、ポリブタジェン、ポリイソプレン及びネオプレン）とポリウレタンを含む。
又、適当なのは共重合体、例えば、ＰＥＮの共重合体（例えば、（ａ）テレフタル酸又はそのエステル、（ｂ）イソフタル酸又はそのエステル、（ｃ）フタル酸又はそのエステル、（ｄ）アルカングリコール、（ｅ）シクロアルカングリコール（例えば、シクロヘキサンジメタノールジオール）、（ｆ）アルカンジカルボン酸及び／又は（ｇ）シクロアルカンジカルボン酸（例えば、シクロヘキサンジカルボン酸）を有する２，６−、１，４−、１，５−、２，７−及び／又は２，３−ナフタレンジカルボン酸又はそのエステルの共重合体）、ポリアルキレンテレフタレートの共重合体（例えば、（ａ）ナフタレンジカルボン酸又はそのエステル、（ｂ）イソフタル酸又はそのエステル、（ｃ）フタル酸又はそのエステル、（ｄ）アルカングリコール、（ｅ）シクロアルカングリコール（例えば、シクロヘキサンジメタノールジオール）、（ｆ）アルカンジカルボン酸及び／又は（ｇ）シクロアルカンジカルボン酸（例えば、シクロヘキサンジカルボン酸）を有するテレフタル酸又はそのエステルの共重合体）、スチレン共重合体（例えば、スチレンーブタジエン共重合体及びスチレンーアクリロニトリル共重合体）や４，４’−重安息香酸とエチレングリコールである。更に、個々の各層が、上記の重合体又は共重合体の２個以上の配合物（例えば、ＳＰＳとアタクチックポリスチレンの配合物）を含んでもよい。
偏光子の場合の層の特に好ましい組合せは、ＰＥＮ／ｃｏ−ＰＥＮ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）／ｃｏ−ＰＥＮ、ＰＥＮ／ＳＰＳ、ＰＥＴ／ＳＰＳ、ＰＥＮ／イーステア（Ｅａｓｔａｉｒ）及びＰＥＴ／イーステアを含み、ここで、「ｃｏ−ＰＥＮ」は上述したナフタレンジカルボン酸に基づく共重合体又は配合物を指し、イーステアは、イーストマンケミカル社（Ｅａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）から市販されているポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレートである。
鏡の場合の層の特に好ましい組合せは、ＰＥＴ／エクデル（Ｅｃｄｅｌ）、ＰＥＮ／エクデル、ＰＥＮ／ＳＰＳ、ＰＥＮ／ＴＨＶ、ＰＥＮ／ｃｏ−ＰＥＴ及びＰＥＴ／ＳＰＳを含み、ここで、「ｃｏ−ＰＥＴ」は上述したテレフタル酸に基づく共重合体又は配合物を指し、エクデルはイーストマンケミカル社から市販されている熱可塑性ポリエステルであり、更に、ＴＨＶは３Ｍ社から市販されているフルオロポリマーである。
装置内の層の数は、経済的な理由から最小の数の層を使用して望ましい光学的性質を得るように選択される。偏光子と鏡の両方の場合において、層の数は好ましくは１０，０００未満、更に好ましくは、５，０００未満、それより更に好ましくは、２，０００未満である。
上述したように、各種の屈折率の間の望ましい関係及び、従って、多層装置の光学的性質を達成する能力は、多層装置を準備するのに使用される処理条件によって影響される。延伸によって配向し得る有機重合体の場合、多層フィルムを形成するように個々の重合体を同時押出し、次に、選択された温度で延伸することによって、フィルムを配向した後、オプションとして、選択された温度でヒートセットすることにより、装置は一般に準備される。代りに、押出し工程と配向工程を同時に行ってもよい。偏光子の場合、フィルムは大略一方向（一軸配向）に延伸され、又、鏡の場合、フィルムは大略２方向（二軸配向）に延伸される。
フィルムは、延伸比の平方根に等しい交差延伸が拘束されるから（即ち、交差延伸寸法の変化が大略ゼロ）、寸法的に交差延伸方向に緩和され得る。フィルムは、機械方向に長手オリエンターで、幅ではテンターを使用して又は対角線角度で延伸できる。
望ましい屈折率関係を有する多層装置を得るために、予備延伸温度、延伸温度、延伸速度、延伸比、ヒートセット温度、ヒートセット時間、ヒートセット緩和と交差延伸緩和が選択される。これらの変数は相互依存しているので、例えば、比較的低い延伸温度でカップリングされるならば、例えば比較的低い延伸速度を使用できる。望ましい多層装置を得るのにこれらの変数の適当な組合せをどのように選択すべきかは当業者に明らかであろう。しかしながら、一般に、偏光子の場合、１：２−１０（より好ましくは、１：３−７）の延伸比が好ましい。鏡の場合、一軸に沿う延伸比が１：２−１０（より好ましくは、１：２−８で最も好ましくは、１：３−７）の範囲であり、第２軸に沿う延伸比が１：−０．５−１０（より好ましくは、１：１−７で最も好ましくは、１：３−６）の範囲であることが好ましい。
適当な多層装置は、（例えば、Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．：Ｐａｒｔ Ｂ、３０：１３２１（１９９２）にベーゼ他（Ｂｏｅｓｅ ｅｔ ａｌ．）によって記載されている）スピンコート及び真空蒸着のような手法を使用して用意することもでき、後者の手法は、結晶性重合体の有機及び無機材料の場合に特に有用である。
本発明を以下の例について説明する。例において、光学的吸収は無視し得るので、反射は１−透過（Ｒ＝１−Ｔ）である。
鏡の例
ＰＥＴ：エクデル、６０１
６０１層を含む同時押出しされたフィルムが、同時押出しプロセスにより順次フラットフィルム製作ライン上で作られた。０．６ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が押出し機によって７５ポンド／時間の速度で給送され、又、エクデル９９６６（イーストマンケミカルから入手できる熱可塑性エラストマー）が別の押出し機にによって６５ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＴは表面層上にあった。６０１層の押出し物を生産する２個のマルチプライヤーに通過させた１５１層を発生するために、米国特許第３８０１４２９号に記載されているようなフィードブロック法が使用された。米国特許第３５６５９８５号は典型的な同時押出しマルチプライヤーを記載する。ウェブは、約２１０°Ｆのウェブ温度で約３．６の延伸比に長手配向された。その後、フィルムは、約２３５°Ｆに約５０秒で予熱されてから、約６％／秒の速度で約４．０の延伸比に横方向に延伸された。次に、フィルムは、４００°Ｆに設定されたヒートセットオーブン内で最大幅の約５％が緩和された。仕上膜厚は２．５ミルであった。
生産された注型ウェブは空気側で組織が粗く、図２６に示されるように透過が得られた。角度６０°（曲線ｂ）におけるｐ偏光の０％透過は、波長移行を有する垂直入射（曲線ａ）と値が類似している。
比較のために、マールコーポレーション（Ｍｅａｒｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって多分等方性材料（図２７参照）で作られたフィルムは、６０°の角度（垂直入射の曲線ａと比較される曲線ｂ）においてｐ偏光に対して反射能が目立った損失を示す。
ＰＥＴ：エクデル、１５１
１５１層を含む同時押出しされたフィルムが、同時押出しプロセスにより順次フラットフィルム製作ライン上で作られた。０．６ｄｌ／ｇ（６０重量フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が押出し機によって７５ポンド／時間の速度で供送され、又、エクデル９９６６（イーストマンケミカルから入手できる熱可塑性エラストマー）が別の押出し機にによって６５ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＴは表面層上にあった。１５１層を発生するために、フィードブロック法が使用された。ウェブは、約２１０°Ｆのウェブ温度で約３．５の延伸比に長手配向された。その後、フィルムは、約２１５°Ｆに約１２秒で予熱されてから、約２５％／秒の速度で約４．０の延伸比に横方向に延伸された。次に、フィルムは、４００°Ｆに設定されたヒートセットオーブン内で最大幅の５％が約６秒間で緩和された。
仕上膜厚は約０．６ミルであった。
このフィルムの透過は図２８に示されている。角度６０°（曲線ｂ）におけるｐ偏光の０％透過は、波長移行を有する垂直入射（曲線ａ）と値が類似している。同じ押出し条件において、約０．８ミルの厚さの赤外反射フィルムを作るために、ウェブ速度が低下された。その透過は、垂直入射における曲線ａと６０度における曲線ｂを有する図２９に示されている。
ＰＥＮ：エクデル、２２５
一操作で注型ウェブを押出し、その後、フィルムを実験用フィルム延伸装置で配向することによって、２２５層を含む同時押出しされたフィルムが作られた。０．５ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が押出し機によって１８ポンド／時間の速度で給送され、又、エクデル９９６６（イーストマンケミカルから入手できる熱可塑性エラストマー）が別の押出し機にによって１７ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＮは表面層上にあった。２２５層の押出し物を生産する２個のマルチプライヤーに通過させた５７層を発生するために、フィードブロック法が使用された。注型ウェブは厚さが１２ミルで幅が１２インチであった。後で、フィルムの四角部を把持して、同時にそれを両方向に一様速度で延伸するために、パンタグラフを使用する実験用延伸装置を使用して、ウェブが二軸に配向された。７．４６ｃｍ角のウェブが、約１００℃で延伸器に装填されてから、６０秒間で１３０℃に加熱された。次に、サンプルが約３．５×３．５に延伸されるまで、延伸が（原寸法に基づく）１００％／秒で開始された。延伸直後に、室温空気を吹付けることによって、サンプルが冷却された。
図３０は、この多層フィルム（垂直入射における曲線ａ、６０度における曲線ｂ）の光学的応答を示す。角度６０°におけるｐ偏光の％透過はなんらかの波長移行を有する垂直入射に類似していることに注目すべきである。
ＰＥＮ：ＴＨＶ５００、４４９
一操作で注型ウェブを押出し、その後、フィルムを実験用フィルム延伸装置で配向することによって、４４９層を含む同時押出しされたフィルムが作られた。０．５３ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が押出し機によって５６ポンド／時間の速度で給送され、又、ＴＨＶ５００（ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチャリング・カンパニー（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手できるフルオロポリマー）が別の押出し機にによって１１ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＮは表面層上にあり、ＰＥＮの５０％は２枚の表面層内に存在した。４４９層の押出し物を生産する３個のマルチプライヤーに通過させた５７層を発生するために、フィードブロック法が使用された。注型ウェブは厚さが２０ミルで幅が１２インチであった。後で、フィルムの四角部を把持して、同時にそれを両方向に一様速度で延伸するために、パンタグラフを使用する実験用延伸装置を使用して、ウェブが二軸に配向された。７．４６ｃｍ角のウェブが、約１００℃で延伸器に装填されてから、６０秒間で１４０℃に加熱された。次に、サンプルが約３．５×３．５に延伸されるまで、延伸が（原寸法に基づく）１０％／秒で開始された。延伸直後に、室温空気を吹付けることによって、サンプルが冷却された。
図３１はこの多層フィルムの透過を示す。再び、曲線ａは垂直入射における応答を示す一方、曲線ｂは６０度における応答を示す。
偏光子の例
ＰＥＮ：ＣｏＰＥＮ、４４９−低い色
一操作で注型ウェブを押出し、その後、フィルムを実験用フィルム延伸装置で配向することによって、４４９層を含む同時押出しされたフィルムが作られた。０．５６ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が押出し機によって４３ポンド／時間の速度で給送され、又、０．５２（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するＣｏＰＥＮ（７０モル％２，６ＮＤＣと３０モル％ＤＭＴ）が別の押出し機にによって２５ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＮは表面層上にあり、ＰＥＮの４０％は２枚の表面層内に存在した。４４９層の押出し物を生産する３個のマルチプライヤーに通過させた５７層を発生するために、フィードブロック法が使用された。注型ウェブは厚さが１０ミルで幅が１２インチであった。後で、フィルムの四角部を把持して、それを他方向に一様速度で押圧しながら一方向に延伸するために、パンタグラフを使用する実験用延伸装置を使用して、ウェブが一軸に配向された。７．４６ｃｍ角のウェブが、約１００℃で延伸器に装填されてから、６０秒間で１４０℃に加熱された。次に、サンプルが約５．５×１に延伸されるまで、延伸が（原寸法に基づく）１０％／秒で開始された。延伸直後に、室温空気を吹付けることによって、サンプルが冷却された。
図３２はこの多層フィルムの透過を示す。曲線ａは垂直入射におけるｐ偏光の透過を示し、曲線ｂは６０度入射におけるｐ偏光の透過を示し、又、曲線ｃは垂直入射におけるｓ偏光の透過を示す。垂直入射と６０°入射の両方におけるｐ偏光の非常に高い透過（８５−１００％）に注目すべきである。ｐ偏光では、６０°入射における透過の方がより高い。何故なら、空気／ＰＥＮ界面が６０°に近いブリュスター角を有するからであり、そのため、６０°入射における透過は１００％に近い。又、曲線ｃで示される可視範囲（４００−７００ｎｍ）におけるｓ偏光の高い吸光に注目すべきである。
ＰＥＮ：ＣｏＰＥＮ、６０１−高い色
ウェブを押出して、記述した全ての他の例と異なるテンターの上で配向することによって、６０１層を含む同時押出しされたフィルムが生産された。０．５ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が押出し機によって７５ポンド／時間の速度で給送され、又、０．５５ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するＣｏＰＥＮ（７０モル％２，６ＮＤＣと３０モル％ＤＭＴ）が別の押出し機にによって６５ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＮは表面層上にあった。６０１層の押出し物を生産する２個のマルチプライヤーに通過させた１５１層を発生するために、フィードブロック法が使用された。米国特許第３５６５９８５号は同様の同時押出しマルチプライヤーを記載する。全ての延伸はテンターの中でなされた。フィルムは、約２８０°Ｆに約２０秒で予熱されてから、約６％／秒の速度で約４．４の延伸比に横方向に延伸された。次に、フィルムは、４６０°Ｆに設定されたヒートセットオーブン内で最大幅の約２％が緩和された。仕上膜厚は１．８ミルであった。
フィルムの透過が図３３に示されている。曲線ａは垂直入射におけるｐ偏光の透過を示し、曲線ｂは６０度入射におけるｐ偏光の透過を示し、又、曲線ｃは垂直入射におけるｓ偏光の透過を示す。垂直入射と６０°入射の両方でｐ偏光の一様な透過を注目すべきである。又、曲線ｃで示される可視範囲（４００−７００ｎｍ）におけるｓ偏光の非一様な吸光に注目すべきである。
ＰＥＴ：ＣｏＰＥＮ、４４９
一操作で注型ウェブを押出し、その後、フィルムを実験用フィルム延伸装置で配向することによって、４４９層を含む同時押出しされたフィルムが作られた。０．６０ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が押出し機によって２６ポンド／時間の速度で給送され、又、０．５３（６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するＣｏＰＥＮ（７０モル％２，６ＮＤＣと３０モル％ＤＭＴ）が別の押出し機にによって２４ポンド／時間の速度で給送された。ＰＥＴは表面層上にあった。４４９層の押出し物を生産する３個のマルチプライヤーに通過させた５７層を発生するために、フィードブロック法が使用された。米国特許第３５６５９８５号は同様の同時押出しマルチプライヤーを記載する。注型ウェブは厚さが７．５ミルで幅が１２インチであった。後で、フィルムの四角部を把持して、それを他方向に一様速度で押圧しながら一方向に延伸するために、パンタグラフを使用する実験用延伸装置を使用して、ウェブが一軸に配向された。７．４６ｃｍ角のウェブが、約１００℃で延伸器に装填されてから、６０秒間で１２０℃に加熱された。次に、サンプルが約５．０×１に延伸されるまで、延伸が（原寸法に基づく）１０％／秒で開始された。延伸直後に、室温空気を吹付けることによって、サンプルが冷却された。仕上膜厚は約１．４ミルであった。このフィルムは、配向プロセス中に離層が発生しないだけの充分な接着力を有していた。
図３４はこの多層フィルムの透過を示す。曲線ａは垂直入射におけるｐ偏光の透過を示し、曲線ｂは６０度入射におけるｐ偏光の透過を示し、又、曲線ｃは垂直入射におけるｓ偏光の透過を示す。垂直入射と６０°入射の両方におけるｐ偏光の非常に高い透過（８０−１００％）に注目すべきである。
ＰＥＮ：ｃｏＰＥＮ、６０１
６０１層を含む同時押出しされたフィルムが、同時押出しプロセスにより順次フラットフィルム製作ライン上で作られた。０．５４ｄｌ／ｇ（６０重量％フェノール＋４０重量％ジクロロベンゼン）の固有粘度を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が押出し機によって７５ポンド／時間の速度で給送され、又、ｃｏＰＥＮが別の押出し機にによって６５ポンド／時間の速度で給送された。ｃｏＰＥＮは、７０モル％２，６ナフタレンジカルボシレートメチルエステル、１５％ジメチルイソフタレートとエチレングリコールを有する１５％ジメチルテレフタレートの重合体であった。１５１層を発生するためにフィードブロック法が使用された。フィードブロックは、ＰＥＮに対する１．２２とｃｏＰＥＮに対する１．２２を光学層の厚さに割当てた層の勾配分布を作るように設計されている。ＰＥＮ表面層が、同時押出しされた層の８％の全厚を有する光学層の外側で同時押出しされた。光学堆積を２個の順次マルチプライヤーによって多層化させた。マルチプライヤーの呼び多層化比は、夫々、１．２と１．２２であった。次に、フィルムは、約３１０°Ｆに約４０秒で予熱されてから、約６％／秒の速度で約５．０の延伸比に横方向に延伸された。仕上膜厚は約２ミルであった。
図３５はこの多層フィルムの透過を示す。曲線ａは垂直入射におけるｐ偏光の透過を示し、曲線ｂは６０度入射におけるｐ偏光の透過を示し、又、曲線ｃは垂直入射におけるｓ偏光の透過を示す。垂直入射と６０°入射の両方におけるｐ偏光の非常に高い透過（８０−１００％）に注目すべきである。又、曲線ｃで示される可視範囲（４００−７００ｎｍ）におけるｓ偏光の非常に高い吸光に注目すべきである。吸光は５００ｎｍと６５０ｎｍの間で殆ど１００％である。
５７層フィードブロックを使用する例のために、全ての層は１光学厚さ（５５０ｎｍの１／４）のみ用に設計されたが、押出し装置が堆積を通じて層厚のずれを生じる結果、極めて広い帯域の光学的応答が得られる。１５１層フィードブロックの例では、可視スペクトルの一部を取扱うように層厚の分布を造るために、フィードブロックが設計された。それから、米国特許第５０９４７８８号及び第５０９４７９３号に記載されているように、可視スペクトルの殆どを取扱うように層厚を拡大するのに非対称マルチプライヤーが使用された。
多層フィルムの上記の原理と例は、図１−３、６、９−１１又は１３に示された表示装置構成のいずれにも適用できる。反射偏光子がＬＣＤパネルと光共振器の間に配置された図１−３に示すような表示装置では、高い色の偏光子が使用されるかも知れない。高い色の偏光子は広い角度において光を一様に透過しない結果、非一様な外観と「色」偏心を生じる。しかしながら、極めて平行なビームが望ましい用途では、高い色の反射偏光子の偏心性能の重要性は低下する。
代りに、拡散器が反射偏光子とＬＣＤパネルの間に配置された用途では、広角で低い色の偏光子が望ましい。この構成では、拡散器が、反射偏光子からそれに入射する光の方向をランダム化するように働く。もし反射偏光子が高い色なら、反射偏光子によって発生される偏心色のいくらかは、拡散器によって法線に向けて再指向される。これは、垂直視角において非一様な外観を有する表示装置に導くので極めて望ましくない。従って、拡散器が反射偏光子とＬＣＤパネルの間に配置された表示装置では、低い色の広角偏光子が好ましい。
図１−３に示した表示装置の低い色の広角偏光子の別の利点は、望ましくない偏光が垂直入射角だけでなく非常に大きな偏心角においても反射されることである。これにより更に進んだ光のランダム化とリサイクリングが起こり得る結果、表示系の明るさゲインが増加する。
図９と１０に示す表示装置構成では、明るさ強化型反射偏光子がＬＣＤパネルと光共振器の間に配置されている。これらの構成では、低い色の広角反射偏光子が好ましい。これは構造面材料のビーム偏向効果に基づく。その効果は図７に関して説明できる。明るさ強化型反射偏光子にとって、光は最初に反射偏光部材を通過する。従って、図７のビーム２３６のような大きい偏心角を有するビームは、反射偏光部材を通過して、構造面材料２１８の平滑側に当たる。図７は、構造面材料２１８が、ビーム偏向レンズとして働いて、ビーム２３６をそれがその材料の構造面を出るときに再指向する。従って、低い色の広角反射偏光子が明るさ強化型反射偏光子に好ましい。何故なら、そうでないと、望ましくない色の光が観察者の垂直視角に向けて再指向されるからである。広角で低い色の反射偏光子を使用することによって、垂直視角における表示の一様性が維持される。
明るさ強化型反射偏光子は、図２３−２５、特に、法線からいくらか角度をずらしてブリュスター効果を導入することによって偏心色を減少した図２４に関する上記説明から利益を得る。上述したように、多層反射偏光子の層間のｙ屈折率の不一致を導入すると共に、層間のｚ屈折率の不一致を減少することによって、これは達成される。それ故、（この挙動は図２３−２５に関して上記した説明に従って調整できるので、）ｙ屈折率の不一致とｚ屈折率の不一致を導入することにより調整し得る望ましいずれ角の色性能に構造面材料（所定の光学的性能に対して、９０°構造面材料に図７及び８に示したようなもの）のプリズムの角度を調整することによって、明るさ強化型反射偏光子のどんな望ましい組合せも得ることができる。
図１１に示すような表示装置構成では、反射偏光子が構造面明るさ強化フィルムとＬＣＤパネルの間に配置されている。この構成では、反射偏光子に対する拘束は、高い又低い色の見地からあまり拘束的でない。これは構造面材料のビーム偏向効果に基づく。構造面材料は、光を法線に向けて指向して、例えば、図８に示すような非常に広い角度で光を透過しないので、反射偏光子がこの構成においてどんな広角光も見ないため、低い色の広角反射偏光子は必ずしも必要でない。この効果は、構造面材料の２個の交差部材を反射偏光子の後方に配置した図１３の表示装置においてより顕著である。これは反射偏光子に入射する光の２次元視準に帰着する。
本発明が、添付の請求項で規定されているように、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無しに各種の変形をなし得る例示的な例に関して説明された。

Claims (6)

1. 光学表示装置であって、
   液晶モジュール、
   光共振器、及び、
   前記光共振器と前記液晶モジュールとの間に配置された広角の反射偏光子であって、
   その広角の反射偏光子は第一の偏光状態の光を透過し、法線及び法線から大きく傾いた角度で入射する第一の偏光状態を有さない光を反射する広角の反射偏光子
   を含み、
   前記表示装置の明るさを向上させるためにその反射光が前記光共振器によってその方向および偏光状態をランダム化され再循環される、光学表示装置。
2. 前記液晶モジュールと前記光共振器との間に配置された吸収偏光子をさらに含み、
   前記広角の反射偏光子が前記光共振器と前記吸収偏光子との間に配置されている、
   請求項１に記載の光学表示装置。
3. 表示装置であって、
   光共振器、
   情報を表示するために変更され得る光学状態を有する表示モジュール、及び、
   前記光共振器と前記表示モジュールとの間に配置された広角の反射偏光子であって、
   第一の偏光状態の光が反射偏光子によって実質的に反射され、一方第二の偏光状態の光が実質的に前記反射偏光子を透過できるように、少なくとも１つの複屈折材料、及び、少なくとも１つの第二の材料を有し、その第二の材料は前記複屈折材料に関して選ばれる屈折率を有し、かつ、前記複屈折材料と前記第二の材料とが互いに接する界面が複数存在するように構成されている広角の反射偏光子、
   を含み、
   前記表示装置の明るさを向上させるためにその反射光が前記光共振器によってその方向および偏光状態をランダム化され再循環される、表示装置。
4. 表示装置であって、
   光源、
   前記光源と隣接する端を有し、前記光源からの光が、導光器の端に入り、前記導光器の出口表面を通って前記導光器を出る導光器、
   表示モジュール、
   及び、
   導光器と表示モジュールとの間に配置され、法線及び法線から大きく傾いた角度で入射する第一の偏光状態の光を高度に透過し、前記第一の偏光状態を有さない法線及び法線から大きく傾いた角度で入射する光を高度に反射する広角の反射偏光子、
   を含み、
   前記表示装置の明るさを向上させるためにその反射光が前記導光器によってその方向および偏光状態をランダム化され再循環される、表示装置。
5. 前記反射偏光子が複屈折材料を含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載の表示装置。
6. 前記反射偏光子が、複屈折材料と別の材料からなる多層堆積体を含む、請求項１〜５のいずれか１つに記載の表示装置。

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