(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ディスプレイモジュール；
（ｂ）光学キャビティを含むバックライト；
（ｃ）第１の偏光方向の光を透過させ、第２の偏光方向の光を反射する反射偏光子；及び
（ｄ）構造面と第２表面とを有し、その構造面は前記ディスプレイモジュールに対面して前記反射偏光子と前記ディスプレイモジュールとの間に配置された、構造面を有する材料を含むディスプレイであって、
第１領域の角度で前記反射偏光子を透過する第１の偏光方向の光は、前記構造面を有する材料の前記第２表面に入射するが、前記構造面を有する材料の前記構造面によって全反射し、前記第２表面と前記反射偏光子とを再度通過して、前記光学キャビティに入射し、
第２領域の角度で前記反射偏光子を透過する第１の偏光方向の光は、前記構造面を有する材料を透過するが、前記構造面を有する材料の構造面によって、垂線とは異なる角度に屈折する、ディスプレイ。
【請求項２】
前記反射偏光子が複屈折材料を有する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３】
ディスプレイモジュールの反射偏光子側に配置された吸収偏光子をさらに含む、請求項１または請求項２に記載のディスプレイ。
【請求項４】
構造面を有する材料が、その構造面を有する材料の表面に配置された複数のプリズムを含む、請求項１〜３のいずれかに記載されたディスプレイ。
【請求項５】
複数のプリズムがディスプレイモジュールに対面している、請求項４に記載されたディスプレイ。
【請求項６】
反射偏光子が、ローカラーで、広角度の偏光子を含む、請求項１〜５のいずれかに記載されたディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
本発明は、光学ディスプレイの改良に関する。
【０００１】
背景
光学ディスプレイは、ラップトップ型コンピュータ、携帯型計算器、デジタル式腕時計などに広く用いられている。よくある液晶（ＬＣ）ディスプレイは、このような光学ディスプレイの代表的な例である。通常のＬＣディスプレイは、一対の吸収偏光子の間に、液晶とマトリクス電極とを備えている。ＬＣディスプレイにおいては、液晶は、電界の印加により部分的に光学状態が変わるようになっている。この方法により、偏光における情報の「ピクセル」を表示するのに必要なコントラストが生じる。
【０００２】
この理由で、従来のＬＣディスプレイは、正面偏光子と背面偏光子を有している。一般に、これらの偏光子は、ある一つの偏光方向の光を、直角偏光方向よりも強く吸収する二色性染料を使用している。通常、正面偏光子の透過軸は背面偏光子の透過軸と「交差して」いる。交差角度は、零度から９０度まで変えることができる。液晶、正面偏光子及び背面偏光子が一緒になって、ＬＣＤアセンブリが構成される。
【０００３】
ＬＣディスプレイは、照明源によって分類することができる。「反射」ディスプレイは、「正面」からディスプレイに入射する周囲の光によって照らされる。一般に、ＬＣＤアセンブリの「後ろ」に、ブラシ研磨したアルミニウムの反射器が配置される。この反射面は、ＬＣＤアセンブリに光を戻し、かつ、反射面に入射した光の偏光方向を保つ。
【０００４】
周囲の光の強さが観察に不十分である場合、ブラシ研磨したアルミニウムの反射面の代わりに「バックライト」アセンブリを用いることは一般的である。代表的なバックライトアセンブリは、光学キャビティと、ランプまたは光を発する他の構成を含んでいる。周囲光とバックライトの両方で観察するディスプレイは、「半透過反射型」と呼ばれている。半透過反射型ディスプレイの一つの問題は、一般的なバックライトが、従来のブラシ研磨したアルミニウムの面のようには能率的な反射器でないことである。また、バックライトは、光の偏光方向をランダム化し、さらに、ＬＣディスプレイを照明するのに用いられる光量を少なくする。したがって、バックライトをＬＣディスプレイに追加すると、ディスプレイを周囲の光で見るときの明るさが低下する。
【０００５】
このため、周囲光とバックライトの照明の両方の条件で適当な明るさとコントラストが得られるディスプレイが望まれている。
【０００６】
要約
本発明の光学ディスプレイは、３つの基本エレメントを有している。第１のエレメントは反射偏光子である。この反射偏光子は、それぞれ第２と第３のエレメントを構成する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）アセンブリと光学キャビティの間に配置されている。
【０００７】
詳細な説明
図１は３つの主な構成要素を含んだ説明的な光学ディスプレイ１０の概略図である。これらには、ＬＣＤアセンブリ１６として示されている偏光ディスプレイモジュール、反射偏光子１２、及び光学キャビティ２４が含まれる。
この図に示されたＬＣＤアセンブリ１６は、反射偏光子１２と光学キャビティ２４から供給される偏光した光によって照らされる。
【０００８】
光線６０として表された、ディスプレイ１０に入射する周囲の光は、ＬＣＤモジュール１６と反射偏光子１２を横切り、光学キャビティ２４の拡散反射面３７に当たる。光線６２は、この光が拡散反射面３７で反射して反射偏光子１２へ向かうものとして示している。
【０００９】
光学キャビティ２４の中から発生した光を光線６４で示している。この光も、反射偏光子１２の方へ向かい、拡散反射面３７を透過する。光線６２と６４の両方は、偏光状態（ａ，ｂ）の両方を呈する光を含んでいる。
【００１０】
図２は、正面偏光子１８、液晶２０及び背面偏光子２３を有する三層ＬＣＤアセンブリ１５とともに光学ディスプレイ１１の概略を示している。この実施形態において、光学キャビティ２４は、反射式のランプハウジング３２の中にランプ３０を有するエッジ照射式のバックライトである。ランプ３０からの光は、ライトガイド３４に導かれ、スポット３６などの拡散反射構造体に当たるまでその中を伝播する。このスポットの不連続な配列は、ランプの光を抜き出してＬＣＤモジュール１５の方へ向かわせるようになっている。光学キャビティ２４に入る周囲の光は、スポットに当たるか、スポットの間の隙間部分を通ってライトガイドから出て行く。このような光線を遮って反射するために、ライトガイド３４の下に、拡散反射層３９が配置されている。光学キャビティ２４から出てくる全ての光線を光束３８によって示している。この光束は、「（ａ）」で表される第１の偏光方向を持った光を通し、直角な偏光方向（ｂ）を持った光を効果的に反射する反射偏光子１２に入射する。したがって、光束４２によって示された、光のある部分は反射偏光子１２を透過し、残りの光の相当量は、光束４０で示しているように反射する。反射偏光子に好ましい材料は高能率で、反射偏光子内での吸収による全損失は非常に少ない（１パーセント程度）。この損失した光を光束４４で示している。反射偏光子１２によって反射した偏光状態（ｂ）を有する光は、再度光学キャビティ２４に入り、スポット３６または拡散反射層３９などの拡散反射構造体に当たる。拡散反射面は、光学キャビティ２４によって反射した光の偏光状態をランダム化するように作用する。この再循環及びランダム化を経路４８で示している。光学キャビティ２４は完全な反射器ではなく、拡散及び吸収によるキャビティ内での光の損失を光束４６によって示している。これらの損失もまた少ない（２０パーセント程度）。光学キャビティ２４と反射偏光子１２の組み合わせによりもたらされる複数回の再循環によって、光を観察者への最終的な伝達のために状態（ｂ）から状態（ａ）へ変換する効果的な機構が構成されている。
【００１１】
この方法の効率は、ここで開示した反射偏光子が示す低い吸収率と、多数の拡散反射面が示す高い反射率とランダム化特性によって決まる。図２において、スポット３６によって示された不連続の層と連続した拡散反射層３９の両方は、チタニウム酸化物の着色材料から形成することができる。（図１に示した）拡散反射面３７を、表面を粗くしたポリカーボネートの透明な面で形成できることが理解されるべきである。この材料は、入射光を図２に示した形態にランダム化するためにライトガイド３４の上方に配置することができる。特定の、そして最適の形態は、光学ディスプレイの完成品の特定の用途によって決まる。
【００１２】
一般に、システムのゲインは、反射偏光子本体１２と光学キャビティ２４の両方の効率にかかっている。性能は、入射光の偏光状態のランダム化の要件に合った、反射率の高い光学キャビティ２４と、損失の極めて少ない反射偏光子１２によって最大限に高められる。
【００１３】
図３は、正面偏光子１８と液晶２０を含む二層のＬＣＤアセンブリ１７を備えた光学ディスプレイ１４の概要を示している。この実施形態において、光学キャビティ２４はエレクトロルミネセンスパネル２１を備えている。通常のエレクトロルミネセンスパネル２１は燐光物質１９で被覆され、電子が当たったときに光を発し、入射光が衝突したときには拡散反射する。通常、エレクトロルミネセンスディスプレイは、燐光物質のコーティングに応じて効率が変化するために「グレイニー（grainy）」である。しかし、反射偏光子１２によって戻った光は、光の射出を「均一にする」傾向があり、光学ディスプレイ１４によって示される照射の全体的な均一性が高められる。例示した光学ディスプレイ１４において、ＬＣＤアセンブリ１７は背面偏光子を欠いている。この光学ディスプレイ１４において、反射偏光子１２は、図２の光学ディスプレイ１１の中に示された背面偏光子２３と通常は関連して機能をなす。
【００１４】
図４は反射偏光子１２の一つのセグメントの概略の斜視図である。この図は、反射偏光子１２の説明において用いるＸ，Ｙ及びＺ方向を定めた座標系を含んでいる。
【００１５】
例示した反射偏光子１２は、２つの異なったポリマー材からなる交互の層（ＡＢＡＢＡ…）で形成されている。図と説明を通じて、これらを材料「（Ａ）」と材料「（Ｂ）」と言う。この二つの材料は、一緒に押し出し成形されて、結果として出来た複数の層（ＡＢＡＢＡ…）の材料は、一方の軸（Ｘ）に沿って延伸されていて（５：１）、他方の軸（Ｙ）に沿っては、ほとんど伸びていない（１：１）。Ｘ軸を「延伸」方向と言い、Ｙ軸を「横」方向と言う。
【００１６】
（Ｂ）材料は、延伸工程によって実質的に変わらない公称屈折率（例えばｎ＝１．６４）を有している。
【００１７】
（Ａ）材料は、延伸工程によって屈折率が変わる特性を有している。例えば、（Ａ）材料の一軸延伸シートは、延伸方向についての一つの屈折率（例えばｎ＝１．８８）と、横方向についての別の屈折率（例えばｎ＝１．６４）を有する。
【００１８】
明確にするために、面内軸（フィルムの面に平行な軸）に関連する屈折率は、偏光面がその軸に平行な、面偏光した入射光の有効屈折率である。
【００１９】
したがって、延伸後、多層になった材料のスタック（ＡＢＡＢＡ…）は、延伸方向については層間に大きな屈折率の差（Δｎ＝１．８８−１．６４＝０．２４）を呈する。一方、横方向においては、層間で屈折率は本質的に同一となる（Δｎ＝１．６４−１．６４＝０．０）。これらの光学特性により、多層の積層体が、軸２２に対して正確に方向づけら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することになる。この軸は、透過軸２２として定められ、図４に示されている。反射偏光子１２から射出する光を、第１の偏光方向（ａ）を有していると言う。
【００２０】
反射偏光子１２を透過しない光は、第１方向（ａ）とは異なる偏光方向（ｂ）を有している。この偏光方向（ｂ）を有する光は、屈折率の差によって反射することになる。このことにより、図４に軸２５として示した、いわゆる「吸光」軸が定められる。このようにして、反射偏光子１２は、選択された偏光（ａ）状態の光を通す。
【００２１】
【実施例】
好ましい「Ａ」層は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの結晶質のナフタリンジカルボン酸ポリエステルであり、好ましい「Ｂ」層は、ナフタリンジカルボン酸とテレフタル酸またはイソフタル酸の共ポリエステル（ｃｏＰＥＮ）である。ＰＥＮと70ナフタレート／30テレフタレートの共ポリエステル（ｃｏＰＥＮ）は、ジオールとしてグリコールを使用して標準的なポリエステル樹脂ケトルの中で合成することができる。満足できる２０４層偏光子は、ＰＥＮとｃｏＰＥＮを５１スロットの供給ブロックで押出成形した後、２層重ねマルチプライヤーを成形品（extrusion）に直列に使用することによって作ることができる。マルチプライヤーは、供給ブロックから出た押出成形された材料を２本の半分の幅の流れに分け、さらに、この半分の幅の流れを互いに重ね合わせる。このようなマルチプライヤーは、この技術分野において公知である。押出成形は、約２９５℃で行った。ＰＥＮは、０．５０ｄｌ／ｇの固有粘度を有し、ｃｏＰＥＮは０．６０ｄｌ／ｇの固有粘度を有していた。ＰＥＮ材料の押出速度は２２．５１ｂ／ｈｒで、ｃｏＰＥＮの押出速度は１６．５１ｂ／ｈｒであった。成形されたウェブは厚さが約０．００３８インチで、長手方向へ５：１の比率で一軸延伸され、サイドは、延伸の際に空気温度が１４０℃に抑えられた。外皮層を除き、すべての層の対は、５５０ｎｍの設計波長に対して、１／２波長の光学厚さに形成された。
【００２２】
以上のようにして作られた２つの２０４層偏光子を、接着剤を使って手で積層した。接着剤の屈折率は、等方性のｃｏＰＥＮ層の屈折率と一致するのが好ましい。
【００２３】
反射偏光子１２の光学性能は、種々の層の光学厚さによってある程度定まる。厚いフィルムと薄いフィルムの両方を使った構成は有用である。層が光の種々の波長の長さの光学経路を有する場合は、反射偏光子１２の光学特性は本質的に広帯域となる。層が光の波長よりも小さな光学厚さを有する場合は、選択された波長についての反射偏光子１２の光学性能を高めるために、構造的干渉を利用することができる この実施例において説明した製造方法により、可視スペクトルを越える光の波長よりも薄い光学厚さを有する均一な層を形成することができる。構造的干渉は、対になった層（Ａ，Ｂ）の光学厚さが入射光の波長の半分を増す場合（Ａ＋Ｂ＝λ／２）に生じる。この半波長の条件により、設計波長における狭帯域の構造的干渉が生じる。広帯域の光学性能は、複数の狭い帯域のスタックを積層するか、または連結することによって得られる。例えば、同じ厚さ（Ａ＋Ｂ＝λ／２）を有する層の第１グループ３７を、異なる厚さ（Ａ＋Ｂ＝λ’／２）を有する第２のグループ３５に積層することができる。通常は、能率的な広帯域の応答性を得るために多数の層（ＡＢＡＢ…）が重ね合わされるが、図４では、分かりやすくするために、少ない数の層のみを示している。好ましくは、反射偏光子１２は、対象とするあらゆる角度と波長の光を反射するように構成すべきである。
【００２４】
２つの材料のみからなる交互の層を含む典型的な多層構造に関して反射偏光子１２を説明したが、反射偏光子１２が多くの形態を取り得ることを理解すべきである。例えば、多層構造の中に追加的なタイプの層を含ませることができる。また、場合によっては、反射偏光子は、一方を延伸した一対のみの層（ＡＢ）を含むことができる。さらに、二色性偏光子を反射偏光子１２に直接に接合することができる。
【００２５】
光学キャビティ２４の他の重要な特性は、キャビティによる偏光ランダム化作用によって入射光の方向が変わることである。一般に、かなりの量の光が、光学キャビティの軸からずれて射出する。したがって、反射偏光子内でのこのような光の経路は、ほぼ直角な光の経路長よりも長い。この効果は、システムの光学性能を最適化するようになっていなければならない。この例で説明されている反射偏光子本体１２は、軸ずれした光線に適合するのに望ましい長波長への広帯域透過が可能である。図５は、広範囲の波長での８０％を越える透過性を表す線図３１を示している。線図３３は、可視スペクトルの大部分にわたっての効率的な広帯域反射性を示している。最適反射性の線図は赤外域まで広がり、４００ｎｍから８００ｎｍまで広がっている。
【００２６】
別の実施形態においては、ディスプレイの目に見える明るさが、明るさ増進型フィルムの使用によって増している。図６は、３つの主要部分を有する光学ディスプレイ１６４を示している。それらは、光学ディスプレイモジュール１４２、明るさ増進型反射偏光子１１０、及び光学キャビティ１４０である。一般に、完全な光学ディスプレイ１６４は、観察者１４６が見たときに平坦で平面視長方形であり、さらに、３つの主要部分を互いに重ね合わせたときに断面が比較的薄い。
【００２７】
使用時には、ディスプレイモジュール１４２は、明るさ増進型反射偏光子１１０と光学キャビティ１４０によって処理された光で照射される。これら２つのエレメントは、協働して、偏光した光を、ある角度で概略的に示した観察領域１３６に方向づける。この光は、ディスプレイモジュール１４２を通って観察者１４６の方向へ向かう。ディスプレイモジュール１４２は、一般に、情報をピクセルとして表示する。ピクセルを透過した偏光した光は液晶材料の複屈折性の電気的な制御によって調節される。このことにより光の偏光状態が変わり、ディスプレイモジュール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が及ぼされる。
【００２８】
図示しているように、光の供給のための２つの光源がある。第１は、光線１６２によって示した周囲の光である。この光はディスプレイモジュール１４２と明るさ増進型反射偏光子１１０を透過し、光学キャビティ１４０に入射する。光学キャビティは光線１６５で示したように光を反射する。第２の光源は、光線１６３で示したように光学キャビティ自体の中で作られる。光学キャビティ１４０がバックライトの場合は、主要な照射源が光学キャビティ１４０内に生じ、光学ディスプレイは「バックライト型」と呼ばれる。主要な照射源が光線１６２と光線１６５で示された周囲の光である場合、光学ディスプレイは「反射型」または「パッシブ型」と呼ばれる。ディスプレイが周囲の光とキャビティで作られた光の両方の下で見られる場合、ディスプレイは「半透過反射型」と呼ばれる。本発明は、これらのディスプレイのタイプのそれぞれについて有用である。
【００２９】
光の発生源に関係なく、明るさ増進型反射偏光子１１０と光学キャビティ１４０は、光を「再循環」するために協働し、最大限の量の光が適切に偏光し、観察領域１３６に制限される。
【００３０】
一般に、明るさ増進型反射偏光子１１０は２つのエレメントを含んでいる。第１は特定偏光の光を観察領域に１３６に透過する反射偏光子本体１１６である。
【００３１】
第２のエレメントは観察領域１３６の境界を定める光学構造層１１３である。光学キャビティ１４０はいくつかの機能を有しているが、明るさ増進型反射偏光子１１０との相互作用について、重要なパラメータは、入射光に対する高反射率の値と、入射光の方向と偏光状態の両方を変える光学キャビティ１４０の能力である。通常の光学キャビティはこれらの要求を満たしている。
【００３２】
どのような光学システムでも、光の反射、損失、透過の合計は、必ず１００％となる。この損失の大きな原因は吸収である。本発明において、明るさ増進型反射偏光子１１０は、ある種の光に対して、非常に低い吸収率と高い反射率を有している。このため、観察領域１３６へ直接通過しない光は光学キャビティ１４０へ能率的に進み、そこで変換されてキャビティから射出し、観察領域１３６の光に適切な特性が与えられる。
【００３３】
光学ディスプレイ１６４に関し、システム全体のゲインは、光学キャビティ１４０の反射率と明るさ増進型反射偏光子１１０の反射率に依存している。本発明は、明るさ増進型反射偏光子１１０からの入射光の方向と偏光状態を変えるための能力に合った高反射率の背面を有する低吸収性の光学キャビティとともに使用した場合に最も効果的である。これらの目的のため、光学キャビティをアクリル樹脂などの透明誘電材料で満たすことができることに注意すべきである。
【００３４】
好適な構造面１１２は幾何光学（geometric optic）として機能するが、回折またはホログラフィー用光学エレメントを、幾何光学によって示される光の方向づけの性質を効果的に模倣するように形成できることはよく知られている。したがって、構造面１１２という用語が、比較的狭い観察領域１３６に光を制限する幾何及び回折光学システムの両方を言うものと理解されるべきである。
【００３５】
図７は、本発明において明るさ増進器として機能する構造面材料の拡大図である。既に述べたように、構造面材料２１８は平滑面２２０と構造面２２２とを有している。好適な実施形態において、構造面２２２は、多数の三角プリズムを有している。好適な実施形態において、このようなプリズムは直角二等辺プリズムであるが、７０度から１１０度の範囲の頂角を有するプリズムも、発明の効果の度合いは変わるが使用できる。構造面材料２１８は空気よりも屈折率の大きなあらゆる透明材料で形成できるが、一般に、より高い屈折率を有する材料の方がよい結果となる。屈折率が１．５８６のポリカーボネートが非常に効果的であることが分かっている。本発明の説明のために、構造面２２２のプリズムは、９０度の角度を有するものと仮定し、構造面材料２１８は、ポリカーボネートであると仮定する。この代わりに、他の構造面材料を使用することもできる。対称な立方体のコーナーのシートは、優れた結果を生じることが示されている。
【００３６】
図８は、構造面材料２１８の作用を示している。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、平滑面２２０の垂線に対して光線がなす角度を表している。特に、軸２２６は、構造面２２２の構造体の直線範囲（linear extent）に平行な面に光線の方向を投影した場合に光線がなす角度を表している。同様に、軸２２８は、構造面２２２の構造体の直線範囲に直角な面に光線の方向を投影した場合に光線が平滑面２２０の垂線に対してなす角度を表している。したがって、平滑面２２０に直角に衝突する光線は、０°と表示した、図８のグラフの原点によって表される。図示しているように、図８は領域２３０、２３２、２３４に分割されている。領域２３０に入る角度で当たる光は構造面材料２１８に入射するが、構造面２２２によって全体に内側へ反射し、平滑面２２０を再度通過して、光学キャビティに再度入射する。平滑面２２０に対して、領域２３２または２３４に入るような角度で当たる光線は、透過するが、直角に対して別の角度で屈折する。ポリカーボネートの性能を示す図８に示されているように、直角に対して９．４度よりも小さな角度で平滑面に当たる光線２２０は、すべて反射する。
【００３７】
図７に戻ると、４つの代表的な光線が示されている。まず、光線２３６は、平滑面に対して、グレージング角、つまり、垂線に対して９０度に近い角度で近づく。光線２３６が、構造面材料２１８に当たるときに面２２０の垂線に対して８９．９度の角度をなす場合、光線は、構造面材料２１８を透過するときに垂線に対して３９．１度の角度をなすように屈折する。構造面２２２に達すると、光線は再度屈折する。構造面２２２の構造体によって、光線は、構造面２２０の垂線に対してより小さな角度となるように屈折する。この実施形態において、それは３５．６度の角度をなす。
【００３８】
光線２３８は、平滑面２２０に対して、カットオフ角（cut off angle）により近い角度で接近する。この光線も、平滑面２２０を通過するときに屈折するが、その度合いは小さい。光線２３８が平滑面２２０の垂線に対して１０度の角度で平滑面２２０に接近する場合、それは、平滑面２２０の垂線に対して、その垂線と反対側へ３７．７度の角度で構造面２２２から射出する。
【００３９】
光線２４０は、カットオフ角よりも小さな角度で接近し、構造面２２２によって全体が２度内側へ反射し、光学キャビティの内部へ戻る。
【００４０】
そして、光線２４２は、光線が構造面２２２のプリズムの第２サイドでなく第１サイドで全体的に内側へ反射するような位置において、光線２３８の角度に近い角度で平滑面２２０に近づく。結果として、光線は、平滑面２２０の垂線に対して大きな角度で射出する。このような反射は、光線が当たる面に対して大きな入射角度をなす方向に進行している光線に対してのみ生じるので、プリズムは、このような光線に対して非常に小さな横断面となる。さらに、これらの光線の大部分は、次のプリズムに入射して、再びディスプレイ２１０へ戻る。
【００４１】
第５種類めの光線は図７には示していない。これは平滑面２２０によって反射した光線の集合であり、構造面材料２１８に入射しない。このような光線は、反射して光学キャビティに戻った他の光線と単に一緒になる。この説明から分かるように、ディスプレイの軸に対して大きな角度でディスプレイから射出した光は、ディスプレイの軸が平滑面２２０に対して直角である場合に、その軸に近い方向へ向けられる。少量の光は、軸に対して大きな角度で方向づけられる。したがって、所定の角度よりも大きな入射角で平滑面２２０を通って構造面材料２１８に入射する光は、インプットウェッジ（input wedge）よりもせまいアウトプットウェッジ（output wedge）に方向づけられ、所定の角度よりも小さな入射角度で平滑面２２０を通って構造面材料１８に入射する光の大半は、反射して光学キャビティへ戻る。
【００４２】
反射して光学キャビティへ戻った光は、拡散反射器に当たる。反射した光は構造面材料２１８まで逆に進行し、一般に１回目とは違った角度をなす。そして、より多くの光がより小さなウェッジに再び方向づけられるように上記作用が繰り返される。本発明の重要な点は、構造面材料２１８が、角度に関してあらかじめ定められた第１のグループについては、それに当たる光を反射し、角度に関してあらかじめ定められた第２のグループについては、それに当たる光を透過・屈折することである。なお、第２グループの角度は第１グループの角度よりも大きく、第２グループの角度の光は、インプットウェッジよりもせまいアウトプットウェッジに屈折する。この説明において、第１及び第２グループの角度は、ディスプレイの表面、つまり液晶、に対して直角なディスプレイ軸に対するものである。
【００４３】
図９は、明るさ増進型反射偏光子１１０のない場合の性能の比較のために、部分的に明るさ増進型反射偏光子１１０を設けていない光学ディスプレイ１６４の概略を示している。一般に、光学キャビティ１４０のユニット領域から現れる、光束１４８で示した光は、ランダムに偏光して、（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）の光学状態を有する。光の約半分である、状態（ｂ）と（ｄ）の光は、ディスプレイモジュール１４２の一部を構成する２色性吸収偏光子１５０によって吸収される。状態が（ａ）と（ｃ）の光の残りは、２色性吸収偏光子１５０を通過する。ディスプレイモジュール１４２から現れる、光束１５２で示した光は、したがって、状態（ａ）と（ｃ）の光を含んでいる。状態（ａ）の光は観察者１４６の方へ進行するが、状態（ｃ）の光はその方向へ進行しない。状態（ｂ）と（ｄ）を有する残りの光は、２色性吸収偏光子１５０で吸収される。したがって、光学キャビティによって供給された光の約４分の１だけが、ディスプレイが観察者１４６によってみられるときの明るさに寄与する。
【００４４】
明るさ増進器は、光学キャビティ１４０によって利用できるようにされた光をより効率的に使用できるようにするために機能する。光束１５４で示している同じユニット量の光が明るさ増進型反射偏光子１１０へ進行する場合、約４分の１の光（状態（ａ）の光）が、明るさ増進型反射偏光子１１０を第１回目に通る。
【００４５】
この光は、２色性吸収偏光子１５０の透過軸に合った正しい偏光を有し、光束１６１で示している。しかし、状態（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）の残りの光は、明るさ増進型反射偏光子１１０によって反射して光学キャビティへ戻る。この光は、光学キャビティ１４０によって、部分的に方向関係がランダム化され、偏光状態が（ａ）になる。したがって、この光は、光束１５７で示しているように、状態（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）を有して光学キャビティから射出する。再循環した状態（ａ）の光は、光束１６０で示した最初に透過した光に加えられる。
【００４６】
したがって、光束１６０と光束１６１によって示された光の量は、「再循環」によって増える。２色性吸収偏光子１５０の透過軸に一致した正しい偏光の光だけ（状態（ａ））が明るさ増進型反射偏光子１１０を通過するため、光束１６３で示された、ディスプレイから発されたより多くの光が観察者１４６に達する。さらに、状態（ｂ）と（ｄ）の光が明るさ増進型反射偏光子１１０によって反射するため、ごくわずかのみが２色性吸収偏光子１５０によって吸収される。その結果、ディスプレイから発される、光束１６３によって示した光量が、光線１５２によって示された光量よりも７０パーセント明るくなる。
【００４７】
図１０は光学ディスプレイ１７０を示している。この光学ディスプレイモジュール１４２は、正面偏光子１４９と背面偏光子１５０の間に配置された液晶マトリクス１４７を有している。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、ギャップ１７１だけ隔てられている。ギャップ１７１は、望ましくない状態（ａ）の光線を反射するために設けられている。このディスプレイ１７０において、光学キャビティ１４０は、光源反射器１７３の中にランプ１７２を有するバックライトである。ランプ１７２からの光はライトガイド１７４の中に入って、スポット１７６などの拡散反射面に当たるまで進行する。ライトガイド１７４から光を効率的に引き出すために、スポットを不連続に配置するのが望ましいが、断続的な面は光を完全に再循環するのに十分ではない。したがって、再循環プロセスを促進するために、不連続面の下に、連続した拡散反射面１７５を配置することが好ましい。
【００４８】
図１１は、光学構造層１１３及び構造面１１２が、反射偏光子本体１１６に近接するが直接貼着されていない別部材である光学ディスプレイ１７９を示している。これら２つの部材は、協働して、ギャップ１８１に沿って明るさ増進型反射偏光子１１０を形成している。使用時に、光学キャビティ１４は、ディスプレイのための光を供給するとともに、明るさ増進型反射偏光子１１０から戻った光の偏光状態と方向を再度変える。光学キャビティ１４０は、拡散反射面１３７として作用する燐光物質のコーティングを有するエレクトロルミネセンスパネル１３９を備えている。明るさ増進型反射偏光子１１０のこの実施形態と図１０のものとの違いのひとつは、臨界角１３４よりも大きな角度で構造面１１２に接近する光が、その偏光状態にかかわらず全体に内側へ反射することによって光学キャビティへ戻ることである。別の違いは、光学構造面１１３によって透過した光が、直角に近い角度で反射偏光子本体１１６を通過することである。さらに別の違いは、ディスプレイモジュール１４３の中に、正面偏光子１４９を設けて背面偏光子を設けていないことである。バックライトが支配的な光源である実施形態においては、明るさ増進型反射偏光子に並置した吸収偏光子を使用せずに適当なコントラストが得られる。
【００４９】
図１２は、標準的なエレクトロルミネセンスのバックライトとともにとった、明るさ増進型反射偏光子の実施例のテスト結果を示している。エレクトロルミネセンスのバックライトは、入射光の方向と偏光方向のランダム化に関して、光学キャビティとしての上述した要件を満たしている。比較の根拠として、曲線１６２は、２色性偏光子のみを単体で有し、明るさ増進型反射偏光子本体を有していないディスプレイに関する光の透過を示している。曲線１６４は、図１２に関して上述したように、反射偏光子本体と近接層としての構造面とを有する形態の明るさ増進型反射偏光子本体を備えたディスプレイのＹ−Ｚ面に関する、光の角度分布に対する光の強さを示している。曲線１６４は、２色性偏光子単独の場合に比較して、軸上で約６０パーセントの明るさの増加を示している。また、軸から６０度ずれたところでは、約５０パーセントの明るさの低下が見られる。
【００５０】
標準的なバックライトを使用したさらに別の実施例においては、図１１に関して上述したように、反射偏光子本体と近接層としての構造面とを有する明るさ増進型反射偏光子を備えた状態で、観察面に直角なディスプレイに沿って、２色性偏光子単独のものに対して明るさが１００パーセント増大することが測定された。反射偏光子単独では明るさが３０パーセント増え、構造面単独では明るさが７０パーセント増え、結果的に、軸上の観察で、全体の明るさの増加が１００パーセントとなった。
【００５１】
これら２つの実施例の間での明るさの増え方の違いは、使用されている光学キャビティの違いによる所が大きい。図１２の曲線はエレクトロルミネセンスのバックライトとともにとられており、後者の実施例は標準的なバックライトとともにとられている。各タイプの光学キャビティの反射と損失は、達成される全体的な明るさの増えに影響する。
【００５２】
図１３に示した別形態の好適なディスプレイ１９２を用いて、明るさ増進型反射偏光子本体から射出する光線の二次元制御が可能である。それぞれが構造面１１２及び１８４を有する２つの光学構造層１１３及び１８２が、各々、互いに近接し、かつ反射偏光子本体１１６に近接している。これらの３つのエレメントが明るさ増進型反射偏光子本体１１０を構成している。図１３において２つの光学構造層が反射偏光子本体１１６の下方に示されているが、反射偏光子本体１１６を本発明の範囲から逸脱する事なく、光学構造層１１２及び１８２の間や下に配置することができることが理解されるべきである。二次元制御は、構造面１１２及び１８４の配向軸の交差によってすることができる。軸は、ディスプレイの用途や組み合わされる偏光条件に応じて、９０度または９０度よりも大きな他の角度で配向することができる。
【００５３】
使用時には、第１光学構造層により、Ｙ，Ｚ面において約７０度、Ｘ，Ｚ面において１１０度の観察領域が生じる。第１光学構造層１８２から出る光は、第２光学構造層１１３用の光源となり、その構造面１１２は、光学構造層１８２の構造面１８４とは違う配向軸を有している。例えば、２つの光学構造層１１３及び１８４の軸が９０度で配向されている場合、光学構造層１８２はＸ，Ｚ面の１１０度の角度内の光に作用してＸ，Ｚ面の観察角度を７０度よりもいくらか小さな狭い範囲に圧縮し、それによって、明るさがさらに増す。
【００５４】
図１４は、明るさ増進型反射偏光子１１０を単独で示す概略斜視図である。図は、本発明の構成の説明を容易にするため、縮尺どおりには示していない。図１４は、本発明の説明の中でＸ，Ｙ，Ｚ方向を定める座標系を含んでいる。
【００５５】
図１４に示すように、明るさ増進型反射偏光子１１０は、構造面１１２を有する光学構造層１１３を有している。図１４において、この光学構造層１１３は反射偏光子１１６上に成形されたポリマー層に重ねられ、好適な一体構造になっている。図１４に示したもののような一体構造は、反射偏光子が、米国特許第５、１７５、０３０号において述べられているような作用において基材として機能する場合、反射偏光子上の構造面材料のヒートラミネーションまたは成形及び硬化などの、２枚のフィルムを接合する種々の公知技術で形成できる。その目的のため、反射偏光子と明るさ増進器が一体構造であるという説明は、それらが互いに接合されることも意味していることを理解すべきである。
【００５６】
図１４に示した好適で説明的な構造面１１２は、プリズム１１４によって代表される、プリズムアレイである。各プリズムは、Ｘ方向へのびる尾根状の頂部を有している。Ｙ，Ｚ面において、各プリズム１１４は二等辺三角形の断面形状を有し、プリズムの頂角１２０は９０度である。プリズムアレイは好ましいが、その用途の特定の要件に合わせて、プリズムの幾何図形的配列と頂角１２０を変えてもよい。図１４に示したプリズムアレイは、光学ディスプレイから出る光を図６に示した比較的狭い観察領域１３６に制限するのが望ましい場合に特に有用である。しかし、他の観察角度が望ましい場合、光学構造層１１３は他の形態をとることができる。好ましい構造面１１２は幾何光学として機能するが、回折またはホログラフィー用の光学エレメントを、幾何光学によって示される光の方向づけの特性を効果的に模倣するように構成できることはよく知られている。したがって、構造面１１２という用語は、比較的狭い観察領域１３６（図６）に光を制限する幾何及び回折の両方の光学システムを説明するためとして理解されなければならない。プリズムアレイが本質的に有している偏光性は、一般的に言えば、プリズムの軸が反射偏光子の延伸方向に平行に走るときに、最大限の性能が得られる。
【００５７】
多層スタックの光学作用
上述した図４に示したような多層スタックの光学作用について、より一般的な用語で説明する。多層スタックは無数の層を含むことができ、各層は多数の異なった材料の何で形成してもよい。特定のスタックのための材料の選択を決定する特性は、そのスタックの望ましい光学性能に依拠している。
【００５８】
スタックは、スタックの中に含まれる層と同じ数の材料を含むことができる。製造を容易にするために、好適な薄い光学フィルムのスタックでは、異なった数種の材料のみが含まれる。分かりやすくするため、この説明では２つの材料を含む多層スタックについて述べる。
【００５９】
素材間、もしくは物理的な特性の異なる科学的に同一の素材間の境界は、段階的または漸進的にすることができる。分析解法によるいくつかの単純な場合を除き、屈折率が連続的に変わる後者のタイプの層状体は、段階的な境界を持っているが隣り合った層間で特性がわずかにのみ変わる、より多くの薄い層として扱われる。
【００６０】
すべての方位角からのすべての入射角度での反射作用は、フィルムスタックの各フィルム層の屈折率によって決まる。フィルムスタックのすべての層が同じ作用条件を受けると仮定すれば、スタック全体の作用を角度の機能として理解するために、スタックの２つの構成部分の間の単一の境界面を見るだけでよい。
【００６１】
したがって、説明を分かりやすくするために、単一境界面の光学作用について述べる。しかしながら、ここで述べられる原理による現実の多層スタックは、無数の層から形成できる。図１５に示すもののような単一境界面での光学作用を説明するために、ｚ軸と一つの面内光軸を含む入射面に対するｓ偏光とｐ偏光の入射角度の関数としての反射率をプロットする。
【００６２】
図１５は、単一境界面を形成する２素材のフィルム層を、いずれも、屈折率がｎoの等方性の媒質の中に浸せきした状態で示している。分かりやすくするために、この説明は、２つの素材の光軸を揃え、一方の光軸（ｚ）をフィルム面に直角にし、他方の光軸をｘ軸及びｙ軸に沿わせた状態の、直交式多層複屈折システムについて行う。しかし、光軸が直交している必要はなく、非直交システムが本発明の本質及び範囲内に十分含まれることが理解されるべきである。さらに、本発明で意図した範囲内に含ませるために、光軸を必ずしもフィルム軸に揃えなくてもよいことも理解されるべきである。
【００６３】
すべての厚さのフィルムのあらゆるスタックの光学特性（optics）を算出するための基本的な数理ビルディングブロック（mathematical building blocks）は、個々のフィルム境界面における、よく知られたフレネルの反射係数と透過係数である。フレネル係数は、既知の境界面の反射率の大きさを、あらゆる入射角度について、ｓ偏光とｐ偏光について別々の式をもって求めるものである。
誘電性境界面の反射率は、入射角度の関数として変化し、等方性材料に関してはｐ偏光とｓ偏光で大きく異なる。ｐ偏光の最小反射率は、いわゆるブルースター効果によるものであり、反射率がゼロになる角度はブルースター角と呼ばれる。
【００６４】
あらゆるフィルムスタックにおけるあらゆる入射角度での反射率の作用は、含まれるすべてのフィルムの誘電性テンソルによって決まる。この問題の通常の理論的な扱いは、ノース・オランダ（north-holland）によって１９８７年に発行された、アール・エム・エイ・アザム（R.M.A.Azzam）とエヌ・エム・バシャラ（N.M.Bashara）の論文「エリプサムトリー（Ellipsometry）と偏光」において述べられている。結果は、一般的によく知られたマクスウェル方程式によって直接導かれる。
【００６５】
あるシステムにおける単一境界面の反射性は、それぞれ、方程式１及び２によって求められるｐ偏光及び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。方程式１及び２は、２成分の軸を揃えた一軸性の直交系について有効である。
【００６６】
【式１】
0003704523.tif 000002
【００６７】
ここで、θは等方性媒質について測定した。
【００６８】
１軸性複屈折システムにおいては、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙ＝ｎ１ｏであり、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙ＝ｎ２ｏである。
【００６９】
２軸性複屈折システムについて、方程式１及び２は、図１５に示したように、ｘ−ｚまたはｙ−ｚ面に平行な偏光面の光のみに有効である。したがって、２軸性システムについて、ｘ−ｚ面の光の入射に関し、方程式１において（ｐ偏光について）は、ｎ１ｏ＝ｎ１ｘでｎ２ｏ＝ｎ２ｘであり、方程式２において（ｓ偏光について）は、ｎ１ｏ＝ｎ１ｙでｎ２ｏ＝ｎ２ｙである。ｙ−ｚ面の光の入射に関し、方程式１において（ｐ偏光について）は、ｎ１ｏ＝ｎ１ｙでｎ２ｏ＝ｎ２ｙであり、方程式２において（ｓ偏光について）は、ｎ１ｏ＝ｎ１ｘでｎ２ｏ＝ｎ２ｘである。
【００７０】
方程式１及び２は、反射率が、スタックの各材料のｘ，ｙ及びｚ方向における屈折率によって決まることを示している。等方性材料においては、３つの屈折率がすべて等しく、ｎｘ＝ｎｙ＝ｎｚである。ｎｘ，ｎｙ及びｎｚの間の関係によって、材料の光学特性が定まる。３つの屈折率の間の関係の相違により、等方性、１軸性複屈折、及び２軸性複屈折という材料の３つの一般的なカテゴリーが決まる。
【００７１】
１軸性複屈折材料は、一方向の屈折率が他の二方向の屈折率とは異なるものとして定義される。この問題のため、１軸性複屈折システムを表す規則は、ｎｘ＝ｎｙ≠ｎｚである。ｘ軸及びｙ軸は面内軸として定められ、各屈折率ｎｘ及びｎｙは、面内屈折率と呼ばれる。
【００７２】
１軸性複屈折システムを作る一つの方法は、ポリマーの多層スタックを２軸延伸すること（例えば２寸法方向に沿って伸ばすこと）である。多層スタックの２軸延伸により、両軸に平行な面に関し、重なった層間で屈折率に差が生じ、その結果、両方の偏光面において光の反射が生じる。
【００７３】
１軸性複屈折材料は、正または負のどちらかの１軸的複屈折性を有している。正の１軸的複屈折性は、ｚ屈折率が面内屈折率よりも大きい場合（ｎｚ＞ｎｘ及びｎｙ）に生じる。負の１軸的複屈折性は、ｚ屈折率が面内屈折率よりも小さい場合（ｎｚ＜ｎｘ及びｎｙ）に生じる。
【００７４】
２軸性複屈折材料は、３つの軸に関する屈折率が異なる（ｎｘ≠ｎｙ≠ｎｚ）ものとして定義される。この場合も、ｎｘ及びｎｙの屈折率は、面内屈折率と呼ばれる。２軸性複屈折システムは、多層スタックを一方向へ延伸することにより作ることができる。言い換えれば、スタックは１軸方向へ伸ばされる。この問題のため、ｘ方向を２軸性複屈折スタックの延伸方向という。
【００７５】
１軸性複屈折システム（鏡）
１軸性複屈折システムの光学特性について以下に述べる。上述したように、１軸性複屈折材料の一般的な条件はｎｘ＝ｎｙ≠ｎｚである。したがって、図１５の各層１０２及び１０４が１軸的複屈折性であれば、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙであり、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙである。この問題のため、層１０２が層１０４よりも大きな面内屈折率を有し、したがって、ｘ方向及びｙ方向の両方でｎ１＞ｎ２であると仮定する。１軸的複屈折性の多層システムの光学的作用は、ｎ１ｚ及びｎ２ｚの値を変えることによって調整して正または負の複屈折性を異なったレベルにすることができる。
【００７６】
上述した方程式１は、図１５に示したような２層からなる１軸性複屈折システムにおける単一境界面の反射率を求めるのに使用することができる。方程式２は、ｓ偏光に関して、等方性フィルム（ｎｘ＝ｎｙ＝ｎｚ）の単純な場合のそれに同一であるように簡単に示しているので、方程式１のみを検討すればよい。はっきりとさせるため、フィルムの屈折率を一般的な値に特定する。ｎ１ｘ＝ｎ１＝１．７５、ｎ１ｚ＝可変、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙ＝１．５０、そしてｎ２ｚ＝可変とする。このシステムにおいて種々可能なブルースター角を説明するため、周囲の等方性媒質に関して、ｎｏ＝１．６０とする。
【００７７】
図１６は、ｎ１ｚがｎ２ｚよりも大きいかもしくは等しい場合（ｎ１ｚ≧ｎ２ｚ）に、等方性媒質から複屈折層に入射したｐ偏光の、角度に対する反射率の曲線を示している。図１６に示された曲線は、以下のｚ−屈折率の値に関するものである。
【００７８】
ａ）ｎ１ｚ＝１．７５，ｎ２ｚ＝１．５０ｂ）ｎ１ｚ＝１．７５，ｎ２ｚ＝１．５７ｃ）ｎ１ｚ＝１．７０，ｎ２ｚ＝１．６０ｄ）ｎ１ｚ＝１．６５，ｎ２ｚ＝１．６０ｅ）ｎ１ｚ＝１．６１，ｎ２ｚ＝１．６０ｆ）ｎ１ｚ＝１．６０＝ｎ２ｚｎ１ｚがｎ２ｚに近づくとき、ブルースター角、つまり反射率がゼロになる角度が大きくなる。ａ〜ｅの曲線は、角度に大きく左右される。しかし、ｎ１ｚ＝ｎ２ｚ（曲線ｆ）の場合、反射率が角度に左右されることはない。言い換えれば、曲線ｆの反射率は、すべての入射角について一定である。その点で、方程式１は、（ｎ２ｏ−ｎ１ｏ）／（ｎ２ｏ＋ｎ１ｏ）という、角度から独立した形に約すことができる。ｎ１ｚ＝ｎ２ｚの場合、ブルースター効果はなく、すべての入射角度について反射率が一定になる。
【００７９】
図１７は、ｎ１ｚがｎ２ｚよりも小さいかもしくは等しい場合の入射角度に対する反射率の曲線を示している。光は、等方性媒質から複屈折層に入射する。これらの場合、反射率は、入射角度に伴って単調に増加する。このことは、ｓ偏光について見られる作用である。図１７の曲線ａは、ｓ偏光の一つのケースを示している。曲線ｂ〜ｅは、ｎｚが以下の種々の値をとる場合の、ｐ偏光のケースを示している。
【００８０】
ｂ）ｎ１ｚ＝１．５０，ｎ２ｚ＝１．６０ｃ）ｎ１ｚ＝１．５５，ｎ２ｚ＝１．６０ｄ）ｎ１ｚ＝１．５９，ｎ２ｚ＝１．６０ｅ）ｎ１ｚ＝１．６０＝ｎ２ｚまた、ｎ１ｚ＝ｎ２ｚ（曲線ｅ）の場合、ブルースター効果はなく、すべての入射角度について反射率が一定になる。
【００８１】
図１８は、図１６及び１７と同じで、屈折率ｎｏ＝１．０（空気）の媒質の場合の入射を示している。図１８の曲線は、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙ＝１．５０，ｎ２ｚ＝１．６０の正の１軸性材料と、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙ＝１．７５の負の１軸性複屈折材料の単一境界面におけるｐ偏光についてプロットしたものであり、ｎ１ｚの値は、上から下へ、以下の通りである。
【００８２】
ａ）１．５０ｂ）１．５５ｃ）１．５９ｄ）１．６０ｆ）１．６１ｇ）１．６５ｈ）１．７０ｉ）１．７５なお、図１６及び１７において示したように、ｎ１ｚとｎ２ｚの値が一致している場合（曲線ｄ）、反射率は角度に左右されない。
【００８３】
図１６、１７及び１８は、一方のフィルムのｚ軸の屈折率が他方のフィルムのｚ軸の屈折率に等しい場合に一つのタイプの作用から他へのクロスオーバーが生じることを示している。このことは、負及び正の１軸性複屈折材料及び等方性材料のいくつかの組み合わせについて当てはまる。他の状況は、ブルースター角がより大きな角度またはより小さな角度に変わった場合に生じる。
【００８４】
面内屈折率とｚ軸屈折率の間で有り得る種々の関係を図１９、２０及び２１に示している。縦軸は屈折率の相対値を示し、横軸は種々の条件を分けるためだけに使用されている。各図は、ｚ屈折率が面内屈折率と同じ場合に、２枚の等方性フィルムについて左側で開始する。一方が右側へ向かって進むと、面内屈折率は一定に保持されたまま種々のｚ軸屈折率が増加または減少し、正または負の複屈折性が示される。
【００８５】
図１６、１７及び１８に関して上述したケースを図１９に示している。材料１の面内屈折率は材料２の面内屈折率よりも大きく、材料１は負の複屈折性（面内屈折率よりも小さなｎ１ｚ）を有し、材料２は正の複屈折性（面内屈折率よりも大きなｎ２ｚ）を有している。ブルースター角が消え、反射率がすべての入射角度について一定になる点は、２つのｚ軸屈折率が同じところである。この点は、図１６の曲線ｆ、図１７の曲線ｅ、または図１８の曲線ｄに対応している。
【００８６】
図１６において、材料１は材料２よりも大きな面内屈折率を有するが、材料１は正の複屈折性を有し、材料２は負の複屈折性を有している。このケースでは、ブルースターの最小値は、より小さな角度の値にのみシフトすることができる。
【００８７】
図１９及び２０は、いずれも、２枚のフィルムの一方が等方性である場合に限って有効である。２つのケースは、材料１が等方性で材料２が正の複屈折性を有する場合、または、材料２が等方性で材料１が負の複屈折性を有する場合である。
【００８８】
ブルースター効果のないポイントは、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ところである。
【００８９】
他のケースは、両方のフィルムが同じタイプ、つまり、両方が負または両方が正の複屈折性のフィルムの場合である。図２１は、両方のフィルムが負の複屈折性を有する場合を示している。しかし、２枚の正の複屈折層のケースが、図２１に示した２枚の負の複屈折層のケースに近似していることが理解されるべきである。前述したように、ブルースターの最小値は一方のｚ軸屈折率が他のフィルムのそれと等しいか交差する場合にのみ無くなる。
【００９０】
さらに別のケースは、２つの材料の面内屈折率が等しく、ｚ軸屈折率が異なる場合に生じる。図１９〜２１に示された３つのケースの部分集合であるこのケースにおいて、ｓ偏光はすべての角度で反射せず、ｐ偏光の反射率は入射角度の増加に伴って増加する。このタイプの物品は、入射角度が増加するときに増加するｐ偏光に関する反射率を有し、ｓ偏光に対して透明である。この物品は、「ｐ偏光子」と呼ぶことができる。
【００９１】
当業者であれば、１軸性複屈折システムの作用を説明した上述の原理を、幅広い状況に合わせて望みの光学効果を得るために適用できることを容易に認識できるであろう。多層スタックの層の屈折率は、所望の光学特性を有する装置を製造するために調整することができる。多くの負及び正の１軸性複屈折システムを、種々の面内屈折率及びｚ軸屈折率をもって製造することができ、かつ、ここで説明した原理を使用して、多くの有用な装置を設計製作することができる。
【００９２】
２軸性複屈折システム（偏光子）
再び図１５を参照して、２構成要素の直交２軸性複屈折システムについて以下に説明する。この場合も、システムは多数の層を含むことができるが、一つの境界面での光学作用について検討することによって、スタックの光学作用を理解することができる。
【００９３】
２軸性複屈折システムは、一方の軸に平行な偏光面を持った光をすべての入射角度について高反射率にすることができ、同時に、他の軸に平行な偏光面を持った光をすべての入射角度について低反射率にすることができる。その結果、２軸性複屈折システムは偏光子として作用し、１つの偏光方向の光を透過し、他の偏光方向の光を反射する。各フィルムにおける、ｎｘ，ｎｙ及びｎｚの３つの屈折率を調整することによって、所望の偏光子の作用を得ることができる。
上述したＰＥＮ／ｃｏＰＥＮからなる多層反射偏光子は、２軸性複屈折システムの一つの例である。しかし、一般に多層スタックを構成するのに使用される材料がポリマー材料である必要はないことを理解すべきである。ここで説明される一般原則に入るあらゆる材料を、多層スタックを構成するために使用することができる。
【００９４】
再度図１５を参照して、分かりやすくするために、以下の値をフィルムの屈折率と仮定する。つまり、ｎ１ｘ＝１．８８、ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ１ｚ＝可変、ｎ２ｘ＝１．６５、ｎ２ｙ＝可変、ｎ２ｚ＝可変である。ｘ方向を吸光方向と言い、ｙ方向を透過方向という。
【００９５】
方程式１は、延伸方向または非延伸方向における入射面を持った光の２つの重要なケースに関して、２軸性複屈折システムの角度的な作用を求めるために用いることができる。偏光子は一つの偏光方向に関しては鏡であり、他の方向に関しては窓である。延伸方向において、多数の層からなる多層スタックにおける、１．８８−１．６５＝０．２３という大きな屈折率の差は、ｓ偏光に関して非常に高い反射率をもたらす。ｐ偏光に関して、種々の角度での反射率は、ｎ１ｚとｎ２ｚ屈折率の差に左右される。
【００９６】
ほとんどの用途において、理想的な反射偏光子は、すべての入射角度において、一方の軸に沿って高反射率で、他方に沿って反射率がゼロである。透過軸に沿って反射性が生じる場合、そしてそれが種々の波長で異なる場合は、偏光子の効率が低下し、透過した光に色が生じる。これらは、いずれも望ましくない結果である。このことは、たとえ面内のｙ屈折率が一致していても、ｚ屈折率が大きくずれていることによって引き起こされる。したがって、その結果としてのシステムは、ｐ偏光に関して大きな反射率を有し、ｓ偏光については透明性が高い。このケースは、鏡の場合の検討において、「ｐ偏光子」と称したものである。
【００９７】
図２２は、ＰＥＮ／ｃｏＰＥＮの８００層のスタックについて、非延伸方向に入射面を有するｐ偏光に関する７５°での反射率（−ＬＯＧ［１−Ｒ］としてプロット）を示している。反射率は、可視スペクトル全体の波長（４００〜７００ｎｍ）の関数としてプロットされている。曲線ａについて、５５０ｎｍでの関連屈折率は、ｎ１ｙ＝１．６４、ｎ１ｚ＝１．５２、ｎ２ｙ＝１．６４、そしてｎ２ｚ＝１．６３である。模型としたスタックの構成は、四分の一波長のペアの単純な直線的厚さ等級（simple lenear thickness grade）で、各ペアが前のペアよりも０．３％厚くなっている。すべての層には、ガウス分布と５％の標準偏差をもったランダムな厚さの誤差が与えられた。
【００９８】
曲線ａは、透過軸（ｙ軸）に沿って可視スペクトル全体の高い軸ずれ反射率と、異なった波長が異なった程度の反射率につながることを示している。スペクトルが、フィルムの厚さなどの層の厚さの誤差と空間的な不均一性に敏感であるため、このことによって、２軸性複屈折システムが、非常に不均一で、「カラフル」な外観となる。ある種の用途では色の度合いが高いことが望ましいが、ＬＣＤディスプレイや他のタイプのディスプレイなど、均一さと外観上の色合いの薄さが必要な用途では、軸ずれの色の度合いを調整して、それを最小限にすることが望ましい。
【００９９】
フィルムスタックが全ての可視波長について同じ反射率を得るように構成された場合、均一なニュートラルグレイの反射が得られる。しかし、このことは、ほとんど完全な厚さ調整を必要とする。その代わりに、軸ずれの反射率と軸ずれの色は、ブルースター条件の軸ずれを生じる非延伸の面内屈折率（ｎ１ｙ及びｎ２ｙ）に屈折率の不一致を導くことによって最小限にすることができ、このとき、ｓ偏光の反射率を最小限に保つことができる。
【０１００】
図２３は、２軸性複屈折システムの透過軸に沿って、軸ずれの反射率を小さくすることについて、ｙ屈折率の不一致を導入することの効果を調べるものである。ｎ１ｚ＝１．５２及びｎ２ｚ＝１．６３（Δｎｚ＝０．１１）で、以下の条件でｐ偏光についてプロットした。
【０１０１】
ａ）ｎ１ｙ＝ｎ２ｙ＝１．６４ｂ）ｎ１ｙ＝１．６４，ｎ２ｙ＝１．６２ｃ）ｎ１ｙ＝１．６４，ｎ２ｙ＝１．６６曲線ａは、面内屈折率ｎ１ｙとｎ２ｙが等しい場合の屈折率を示している。曲線ａは０°のときに最小の反射率を有し、２０°を越えると急激に上昇している。
【０１０２】
曲線ｂについては、ｎ１ｙ＞ｎ２ｙで、反射率は急速に増加している。曲線ｃは、ｎ１ｙ＜ｎ２ｙで、３８°のときに反射率が最小で、その後急激に上昇している。曲線ｄによって示されているように、ｎ１ｙ≠ｎ２ｙのｓ偏光に関して、相当の反射が生じる。図２３の曲線ａ〜ｄは、ｙ−屈折率の不一致（ｎ１ｙ−ｎ２ｙ）の表れが、存在するブルースターの最小値のため、ｚ−屈折率の不一致（ｎ１ｚ−ｎ２ｚ）と同じであるべきであることを示している。ｎ１ｙ＝ｎ２ｙの場合、ｓ偏光の反射率は全ての角度でゼロである。
【０１０３】
層間のｚ軸屈折率の差を小さくすることによって、軸ずれの反射率をさらに小さくすることができる。ｎ１ｚがｎ２ｚと等しい場合、図１８は、吸光軸が、それが直角入射でするときに高反射率の軸ずれ角度を有し、両屈折率が一致している（例えば、ｎ１ｙ＝ｎ２ｙ及びｎ１ｚ＝ｎ２ｚ）ために、非延伸軸に沿ってどんな角度でも反射が生じないことを示している。
【０１０４】
２つのｙ屈折率と２つのｚ屈折率を正確に一致させることは、ある種のポリマー系では可能ではない。もしｚ軸の屈折率が偏光子の構成に合っていなければ、面内屈折率ｎ１ｙとｎ２ｙにわずかな不一致が必要になるであろう。他の例を、ｎ１ｚ＝１．５６及びｎ２ｚ＝１．６０（Δｎｚ＝０．０４）と仮定して、以下のｙ屈折率、すなわち、ａ）ｎ１ｙ＝１．６４，ｎ２ｙ＝１．６５；ｂ）ｎ１ｙ＝１．６４，ｎ２ｙ＝１．６３で図２４にプロットした。曲線ｃは両方のケースのｓ偏光についてである。ｙ屈折率の不一致の表れがｚ屈折率の不一致と同じ曲線ａの場合、最も低い軸ずれ角度の反射率となった。
【０１０５】
図２４の曲線ａの条件の下で、７５°の入射角での８００層のフィルムのスタックの軸ずれの反射率の計算値を、図２２の曲線ｂにプロットしている。図２２の曲線ｂを曲線ａと比較すると、曲線ｂにプロットされた条件に関して、はるかに小さい軸ずれの反射率、したがってより小さな知覚色があることが示されている。５５０ｎｍでの曲線ｂの関連屈折率は、ｎ１ｙ＝１．６４，ｎ１ｚ＝１．５６，ｎ２ｙ＝１．６５，ｎ２ｚ＝１．６０である。
【０１０６】
図２５は、ｐ偏光について、図１５に関連して説明した軸ずれの反射率を要約する方程式１の輪郭のプロットを示している。非延伸方向に含まれる４つの独立した屈折率を、２つの屈折率の不一致ΔｎｚとΔｎｙに変えた。プロットは、入射角を、０°から７５°までの１５度ずつの複数の角度での、６つのプロットの平均値である。反射率は、０．４×１０-4の一定の増分で、輪郭ａの０．４×１０-4から、輪郭ｊの４．０×１０-4までの範囲である。プロットは、一つの光学軸に沿った屈折率の不一致によって生じた高反射率が、他の軸に沿った不一致によってどのようにオフセットし得るかを示している。
【０１０７】
したがって、２軸性複屈折システムの層間のｚ屈折率の不一致を小さくすることによって、及び／またはブルー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、軸ずれの反射率，したがって軸ずれの色が、多層反射偏光子の透過軸に沿って最小限になる。
【０１０８】
また、せまい波長範囲で機能する狭帯域偏光子を、ここで説明した原理を用いて構成することができることにも注意すべきである。これらは、例えば、赤、緑、青、シアン、マゼンタまたはイエローの偏光子を製造するために用いることができる。
【０１０９】
材料選択及び加工
上述した構成を考慮すれば、当業者であれば、所望の屈折率の関係を生じるように選択された条件下で処理するときに、本発明に係る多層の鏡または偏光子を形成するために多種の材料を使用できることを容易に理解できるであろう。一般に、要求されるもの全ては、材料の一つが、第２の材料に比較して、選択した方向に異なった屈折率を有することである。この差異は、（例えば有機ポリマーの場合の）フィルム形成の際またはその後の延伸、（例えば液晶材料の場合の）押出成形、またはコーティングなどの、種々の方法で得ることができる。さらに、２つの材料が、それらを同時に押出成形することができるように、同様の流動特性（例えば溶融粘度）を有していることが好ましい。
【０１１０】
一般に、適当な組み合わせは、第１材料として結晶質もしくは半結晶質の有機ポリマーを、第２材料として有機ポリマーを選択することによって行われる。第２材料は、結晶質、半結晶質、または非晶質としたり、第１材料とは逆の複屈折性を有するものにしたりできる。
【０１１１】
好ましい材料の実例としては、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）とそのアイソマー（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−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（例えばポリアクル酸イミド）、ポリエーテルイミド、アタクティックポリスチレン、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、プ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、及びニトロセルロース）、ポリアルキレンポリマー（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）、フッ素化ポリマー（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、フッ素化エチレン−プロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、及びポリクロロトリフルオロエチレン）、塩化ポリマー（例えば、ポリ塩化ビニリデン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、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリエーテル−アミド、アイオノマー樹脂、エラストマー（例えば、ポリブタジエン、ポリイソプレン、及びネオプレン）、及びポリウレタンがある。他の好ましいものには、例えば、ＰＥＮの共重合体（例えば、２，６−、１，４−、１，５−、２，７−、及び／または２，３−ナフタリンジカルボン酸またはそのエステルと、（ａ）テレフタル酸またはそのエステル、（ｂ）イソフタル酸またはそのエステル、（ｃ）フタル酸またはそのエステル、（ｄ）アルケングリコール、（ｅ）シクロアルケングリコール（例えば、シクロヘキサンジメタノールジオール）、（ｆ）アルケンジカルボン酸、及び／または（ｇ）シクロアルケンジカルボン酸（例えば、シクロヘキサンジカルボン酸）と、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、テレフタル酸またはそのエステルと、（ａ）ナフタリンジカルボン酸またはそのエステル、（ｂ）イソフタル酸またはそのエステル、（ｃ）フタル酸またはそのエステル、（ｄ）アルケングリコール、（ｅ）シクロアルケングリコール（例えば、シクロヘキサンジメタノールジオール）、（ｆ）アルケンジカルボン酸、及び／または（ｇ）シクロアルケンジカルボン酸（例えば、シクロヘキサンジカルボン酸）と、の共重合体、及びスチレン共重合体（例えば、スチレン−ブタジエン共重合体及びスチレン−アクリロニトリル共重合体、４，４’−ビベンゾイック（bibenzoic）酸及びエチレングリコールがある。さらに、個々の層は、それぞれ、上述した重合体または共重合体の２つ以上の混合体（例えば、ＳＰＳとアタクティックポリスチレンの混合体）を含ませることができる。
【０１１２】
偏光子の場合に特に好ましい層の組み合わせには、ＰＥＮ／ｃｏＰＥＮ、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／イーステアが含まれる。ここで、「ｃｏ−ＰＥＮ」は、（上述した）ナフタリンジカルボン酸を基にした共重合体または混合体を言い、イーステアは、イーストマン・ケミカル・カンパニーから入手可能なポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレートである。
【０１１３】
鏡の場合に特に好ましい層の組み合わせには、ＰＥＴ／エクデル（Ecdel）、ＰＥＮ／エクデル、ＰＥＮ／ＳＰＳ、ＰＥＮ／ＴＨＶ、ＰＥＮ／ｃｏ−ＰＥＴ、及びＰＥＴ／ＳＰＳが含まれる。ここで、「ｃｏ−ＰＥＴ」は、（上述した）テレフタル酸を基にした共重合体または混合体を言い、エクデルはイーストマン・ケミカル・カンパニーから入手可能な熱可塑性ポリエステルであり、ＴＨＶはスリーエム・カンパニーから入手可能なフルオロポリマーである。
【０１１４】
この装置の層の数は、経済的な理由で、最小限の数の層で所望の光学特性が得られるように選択される。偏光子と鏡の両方のケースで、層の数は１０，０００よりも少ないことが好ましく、より好ましくは５，０００よりも少なく、（さらに好ましくは）２，０００よりも少ない。
【０１１５】
上述したように、種々の屈折率の間の所望の関係（したがって多層装置の光学特性）を達成する能力は、多層装置を製作するのに使用される処理条件によって影響される。延伸によって方向づけることができる有機ポリマーの場合、この装置は、多層フィルムを形成するために個々のポリマーを同時に押出成形し、選定された温度で延伸することによってフィルムを配向し、さらに、その後に、必要に応じて選定された温度でヒートセットすることによって、作成される。また、押出成形と配向ステップは同時に行うことができる。偏光子の場合、フィルムは実質的に一方向（１軸方向）へ延伸され、鏡の場合、フィルムは実質的に２方向（２軸方向）へ延伸される。
【０１１６】
フィルムは、延伸交差方向において、延伸交差の自然な減少（延伸率の平方根と等しい）から、圧縮される（すなわち、延伸交差方向の寸法に実質的な変化はない）まで、寸法的な弛緩が可能なようになっている。フィルムは、レングスオリエンター（length orienter）を使って機械の方向へ、テンターを使って幅方向へ、あるは斜め方向へ延伸できる。
【０１１７】
予延伸温度、延伸温度、延伸速度、延伸率、ヒートセット温度、ヒートセット時間、ヒートセット緩和、及び延伸交差緩和は、所望の屈折率の関係を有する多層装置を生産するために選定される。これらの変数は相互依存しており、したがって、例えば、比較的遅い延伸速度は、例えば比較的低い延伸温度と一緒であれば使用することができる。所望の多層装置を得るためにこれらの変数の適当な組み合わせをどのように選択するかは、当業者であれば明らかであろう。しかし、一般に、１：２〜１０（より好ましくは１：３〜７）の延伸率が、偏光子の場合には好ましい。鏡の場合には、一方の軸に沿った延伸率が１：２〜１０（より好ましくは１：２〜８、最も好ましくは１：３〜７）の範囲内で、第２の軸に沿った延伸率が１：−０．５〜１０（より好ましくは１：１〜７、最も好ましくは１：３〜６）の範囲内である。
【０１１８】
好適な多層装置は、スピンコーティング（例えば、ジェイ・ポリム・サイエンス（J．polym．Sci）Ｂ巻３０：１３２１（１９９２）（ボーズ(Boese)他）に記載されている）や真空蒸着などの技術を使って製作することもできる。後者の技術は、結晶質ポリマーの有機及び無機材料の場合に特に有用である。
次に、以下の実施例によって本発明を説明する。この実施例において、光学吸収は無視できるので、反射率は１から透過率を引いたもの（Ｒ＝１−Ｔ）に等しい。
【０１１９】
鏡の実施例ＰＥＴ：エクデル，６０１
６０１層を含む同時押出成形のフィルムを、連続したフラットフィルム製造ライン上で、同時押出成形工程により作成した。固有粘度が０．６ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を一つの押出成形機から１時間に７５ポンドの速度で押し出し、エクデル９９６６（イーストマン・ケミカルから入手可能な熱可塑性エラストマー）を、他の押出成形機から１時間に６５ポンドの速度で押し出した。ＰＥＴは、表面層に用いた。６０１層の押し出し物を製造する２つのマルチプライヤーに通される１５１層を作り出すため、（米国特許第３，８０１，４２９号に記載されているような）フィードブロック（feedblock）法を使用した。米国特許３，５６５，９８５号は、代表的な同時押出成形のマルチプライヤーを説明している。ウェブは、約２１０°Ｆのウェブ温度で、約３．６の延伸率まで長さ配向（length orient）された。フィルムは、続いて、約２３５°Ｆに約５０秒間予熱され、１秒当たり約６％の割合で約４．０の延伸率まで横方向に延伸された。このフィルムは、さらに、４００°Ｆにセットされたヒートセットオーブンのなかで、その最大幅の約５％弛緩された。完成したフィルムの厚さは２．５ミルであった。
【０１２０】
製造された成形ウェブは、空気側の面の組織が粗く、図２６に示したような透過率を備えていた。６０°の角度（曲線ｂ）でのｐ偏光の透過率％は、直角入射（曲線ａ）での値と同様であった（波長シフト）。
【０１２１】
比較のため、メアール・コーポレイション（Mearl Corporation）によって製造された、等方性材料と推定されるフィルム（図２７参照）は、ｐ偏光に関し、６０°の角度で、反射率の顕著な損失を示している（曲線ｂ、直角入射の曲線ａと比較）。
【０１２２】
ＰＥＴ：エクデル，１５１
１５１層を含む同時押出成形のフィルムを、連続したフラットフィルム製造ライン上で、同時押出成形工程により作成した。固有粘度が０．６ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を一つの押出成形機から１時間に７５ポンドの速度で押し出し、エクデル９９６６（イーストマン・ケミカルから入手可能な熱可塑性エラストマー）を、他の押出成形機から１時間に６５ポンドの速度で押し出した。ＰＥＴは、表面層に用いた。１５１層を作り出すため、フィードブロック法を使用した。ウェブは、約２１０°Ｆのウェブ温度で、約３．５の延伸率まで長さ配向された。フィルムは、続いて、約２１５°Ｆに約１２秒間予熱され、１秒当たり約２５％の割合で約４．０の延伸率まで横方向に延伸された。このフィルムは、さらに、４００°Ｆにセットされたヒートセットオーブンの中で、約６秒間、その最大幅の約５％弛緩された。完成したフィルムの厚さは約０．６ミルであった。
【０１２３】
このフィルムの透過率を図２８に示している。６０°の角度（曲線ｂ）でのｐ偏光の透過率％は、波長をシフトした直角入射（曲線ａ）での値と同様であった。同じ押出条件でウェブ速度を落として、厚さが約０．８ミルの赤外線反射フィルムを作成した。その透過率を図２９に示している（直角入射の曲線ａ、６０度での曲線ｂ）。
【０１２４】
ＰＥＮ：エクデル，２２５
２２５層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成した。固有粘度が０．５ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を一つの押出成形機から１時間に１８ポンドの速度で押し出し、エクデル９９６６（イーストマン・ケミカルから入手可能な熱可塑性エラストマー）を、他の押出成形機から１時間に１７ポンドの速度で押し出した。ＰＥＮは、表面層に用いた。２２５層の押し出し物を製造する２つのマルチプライヤーに通される５７層を作り出すため、フィードブロック法を使用した。成形されたウェブは、厚さが１２ミルで、幅が１２インチであった。ウェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定の割合で両方向に同時に延伸するためのパンタグラフを使う研究室延伸装置を用いて２軸方向に配向した。７．４６ｃｍ平方のウェブを１００℃で延伸器にローディングし、１３０℃に６０秒間加熱した。その後、延伸を（元の寸法に基づいて）
１００％／ｓｅｃで開始し、サンプルを約３．５×３．５に伸ばした。延伸後すぐに、サンプルを、室温の空気を吹き付けることによって冷却した。
【０１２５】
図３０は、この多層フィルムの光学応答性を示している（直角入射の曲線ａ、６０度の曲線ｂ）。ｐ偏光の透過率％が、６０°の角度で、（いくぶん波長をシフトした状態での）直角入射の場合と同様であることに注目されたい。
【０１２６】
ＰＥＮ：ＴＨＶ ５００，４４９
４４９層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成した。固有粘度が０．５３ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を一つの押出成形機から１時間に５６ポンドの速度で押し出し、ＴＨＶ５００（ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチュアリング・カンパニーから入手可能なフルオロポリマー）を、他の押出成形機から１時間に１１ポンドの速度で押し出した。
【０１２７】
ＰＥＮは、表面層に用い、ＰＥＮの５０％を２つの表面層に用いた。４４９層の押し出し物を製造する２つのマルチプライヤーに通される５７層を作り出すため、フィードブロック法を使用した。キャストウェブは、厚さが２０ミルで、幅が１２インチであった。ウェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定の割合で両方向に同時に延伸するためのパンタグラフを使う研究室延伸装置を用いて２軸方向に配向した。７．４６ｃｍ平方のウェブを１００℃で延伸器にローディングし、１４０℃に６０秒間加熱した。その後、延伸を（元の寸法に基づいて）１０％／ｓｅｃで開始し、サンプルを約３．５×３．５に伸ばした。延伸後すぐに、サンプルを、室温の空気を吹き付けることによって冷却した。
【０１２８】
図３１は、この多層フィルムの透過率を示している。この場合も、曲線ａは直角入射での反応を示し、曲線ｂは６０度での反応を示している。
【０１２９】
偏光子の例ＰＥＮ：ＣｏＰＥＮ，４４９--ローカラー
４４９層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成した。固有粘度が０．５６ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を一つの押出成形機から１時間に４３ポンドの速度で押し出し、固有粘度が０．５２（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のＣｏＰＥＮ（７０ｍｏｌ％の２，６ＮＤＣと３０ｍｏｌ％のＤＭＴ）を、他の押出成形機から１時間に２５ポンドの速度で押し出した。ＰＥＮは、表面層に用い、ＰＥＮの４０％を２つの表面層に用いた。４４９層の押し出し物を製造する３つのマルチプライヤーに通される５７層を作り出すため、フィードブロック法を使用した。キャストウェブは、厚さが１０ミルで、幅が１２インチであった。ウェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定の割合で一方向へ延伸するとともに他方向へ拘束するためのパンタグラフを使う研究室延伸装置を用いて１軸方向に配向した。７．４６ｃｍ平方のウェブを１００℃で延伸器にローディングし、１４０℃に６０秒間加熱した。その後、延伸を（元の寸法に基づいて）１０％／ｓｅｃで開始し、サンプルを約５．５×１に伸ばした。延伸後すぐに、サンプルを、室温の空気を吹き付けることによって冷却した。
【０１３０】
図３２は、この多層フィルムの透過率を示している。曲線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ偏光の６０度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の直角入射での透過率を示している。直角及び６０°の入射の両方での非常に高いｐ偏光の透過率に注目されたい（８５〜１００％）。空気／ＰＥＮの境界面が６０°に近いブルースター角を有しているために６０°の入射でのｐ偏光の透過率が高いので、６０°の入射での透過はほぼ１００％である。また、曲線ｃによって示したｓ偏光の可視範囲（４００〜７００ｎｍ）での高い吸光度にも注目されたい。
【０１３１】
ＰＥＮ及びＣｏＰＥＮ，６０１--ハイカラー
６０１層を含む同時押出成形のフィルムを、ウェブを押出成形し、その二日後に、フィルムを他の実施例で説明したものとは別のテンター（幅出し機）で配向することによって作成した。固有粘度が０．５ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を一つの押出成形機から１時間に７５ポンドの速度で押し出し、固有粘度が０．５５（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のＣｏＰＥＮ（７０ｍｏｌ％の２，６ＮＤＣと３０ｍｏｌ％のＤＭＴ）を、他の押出成形機から１時間に６５ポンドの速度で押し出した。ＰＥＮは、表面層に用いた。６０１層の押し出し物を製造する２つのマルチプライヤーに通される１５１層を作り出すため、フィードブロック法を使用した。米国特許第３，５６５，９８５号は、同様の同時押出成形用マルチプライヤーを説明している。全ての延伸はテンターの中で行った。フィルムは約２８０°Ｆに２０秒間予熱され、１秒間に約６％の割合で、約４．４の延伸率に横方向へ延伸された。その後、フィルムは、４６０°Ｆにセットされたヒートセットオーブンの中で、その最大幅の約２％弛緩された。完成したフィルムの厚さは１．８ミルであった。
【０１３２】
このフィルムの透過率を図３３に示している。曲線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ偏光の６０度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の直角入射での透過率を示している。直角及び６０°の入射の両方でのｐ偏光の不均一な透過率に注目されたい。また、曲線ｃによって示したｓ偏光の可視範囲（４００〜７００ｎｍ）での不均一な吸光度にも注目されたい。
【０１３３】
ＰＥＴ：ＣｏＰＥＮ，４４９
４４９層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成した。固有粘度が０．６０ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を一つの押出成形機から１時間に２６ポンドの速度で押し出し、固有粘度が０．５３（６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン）のＣｏＰＥＮ（７０ｍｏｌ％の２，６ＮＤＣと３０ｍｏｌ％のＤＭＴ）を、他の押出成形機から１時間に２４ポンドの速度で押し出した。ＰＥＴは、表面層に用いた。４４９層の押し出し物を製造する３つのマルチプライヤーに通される５７層を作り出すため、フィードブロック法を使用した。米国特許第３，５６５，９８５号は、同様の同時押出成形用のマルチプライヤーを説明している。キャストウェブは、厚さが７．５ミルで、幅が１２インチであった。ウェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定の割合で一方向へ延伸するとともに他方向へ拘束するためのパンタグラフを使う研究室延伸装置を用いて１軸方向に配向した。７．４６ｃｍ平方のウェブを１００℃で延伸器にローディングし、１２０℃に６０秒間加熱した。その後、延伸を（元の寸法に基づいて）１０％／ｓｅｃで開始し、サンプルを約５．０×１に伸ばした。延伸後すぐに、サンプルを、室温の空気を吹き付けることによって冷却した。完成したフィルムの厚さは約１．４ミルであった。このフィルムは、層の剥離を生じる事なく配向工程を乗り切るのに十分な接着性を有していた。
【０１３４】
図３４は、この多層フィルムの透過率を示している。曲線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ偏光の６０度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の直角入射での透過率を示している。直角及び６０°の入射の両方での非常に高いｐ偏光の透過率に注目されたい（８０〜１００％）。
【０１３５】
ＰＥＮ：ｃｏＰＥＮ，６０１
６０１層を含む同時押出成形のフィルムを、連続したフラットフィルム製造ライン上で、同時押出成形工程によって作成した。固有粘度が０．５４ｄｌ／ｇ（６０重量％のフェノールと４０重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を一つの押出成形機から１時間に７５ポンドの速度で押し出し、ｃｏＰＥＮを、他の押出成形機から１時間に６５ポンドの速度で押し出した。ｃｏＰＥＮは、７０ｍｏｌ％の２，６ナフタレートジカルボン酸メチルエステルと、１５％のジメチルイソフタレートと、エチレングリコールを含む１５％のジメチルテレフタレートの共重合体であった。１５１層を作り出すため、フィードブロック法を用いた。フィードブロックは、ＰＥＮに１．２２でｃｏＰＥＮに１．２２の光学層の厚さの割り当て量で、層を勾配分布（gradient distribution）するように構成された。ＰＥＮの表面層は、光学スタックの外面で同時押出成形し、同時押出成形層の８％の全厚であった。光学スタックは、２つの連続したマルチプライヤーで複合化した。マルチプライヤーの公称複合比は、それぞれ、１．２及び１．２２であった。このフィルムを、続いて、３１０°Ｆに約４０秒間予熱し、１秒間に６％の割合で、５．０の延引率まで横方向へ延引した。完成したフィルムの厚さは約２ミルであった。
【０１３６】
図３５は、この多層フィルムの透過率を示している。曲線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ偏光の６０度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の直角入射での透過率を示している。直角及び６０°の入射の両方での非常に高いｐ偏光の透過率に注目されたい（８０〜１００％）。また、曲線ｃによって示したｓ偏光の可視範囲（４００〜７００ｎｍ）での非常に高い吸光度にも注目されたい。吸光度は、５００と６５０ｎｍの間でほぼ１００％である。
【０１３７】
５７層のフィードブロックを使用したこれらの例では、全ての層はただ一つの光学的厚さ（５５０ｎｍの１／４）に構成したが、押出成形装置により、スタックじゅうの層の厚さにずれを生じ、かなり広帯域の光学反応が生じる結果となった。１５１層のフィードブロックで作られた実施例に関し、フィードブロックは、可視スペクトルの一部をカバーするために層の厚さを区分けするように構成されている。そして、非対称の多層を、層の厚さの分布を広げるために使用し、米国特許第５，０９４，７８８号及び第５，０９４，７９３号で記載されているように可視スペクトルのほとんどをカバーした。
【０１３８】
多層フィルムの光学的作用に関する上述の原理と例は、図１〜３、６、９〜１１または１３に示したディスプレイの形態のどれにでも適用することができる。
【０１３９】
図１〜３に示したようなディスプレイにおいては、反射偏光子がＬＣＤパネルと光学キャビティの間に位置している場合、ハイカラー偏光子が使われるであろう。ハイカラー偏光子は、広い角度で光を均一に透過しないので、不均一な外観を呈し、軸ずれで「色のついた」状態となる。しかし、高度に平行にした光線が望まれるこれらの用途では、ハイカラーの反射偏光子の軸ずれ性能はさほど重要ではない。
【０１４０】
また、反射偏光子とＬＣＤパネルの間にディフューザーを配置する用途においては、広角度のローカラー偏光子が望ましい。この構成において、ディフューザーは、反射偏光子から入射した光の方向をランダム化するように作用する。反射偏光子がハイカラーであった場合は、反射偏光子によって生じた軸ずれの色のいくらかが、ディフューザーによって直角に向かって再度方向づけられる。このことは、直角の観察角度でディスプレイが不均一な外観となるので望ましくない。
【０１４１】
したがって、反射偏光子とＬＣＤパネルの間にディフューザーが配置されているディスプレイに関しては、ローカラーで広角度の偏光子が好ましい。
【０１４２】
図１〜３に示したディスプレイにおける、ローカラーで広角度の偏光子の他の利点は、望ましくない偏光が、直角の入射角度だけでなく、非常に大きな軸ずれ角度でも反射することである。このことにより、光のさらなるランダム化と再循環が生じ、その結果、ディスプレイシステムにおける明るさが増すことになる。
【０１４３】
図９及び１０に示したディスプレイの構成に関しては、ＬＣＤパネルと光学キャビティの間に明るさ増進型反射偏光子が配置されている。これらの構成においては、ローカラーで広角度の反射偏光子が好ましい。このことは、構造面材料の光線ターン効果によるものである。この効果は、図７に関して説明することができる。明るさ増進型反射偏光子では、光は、まず反射偏光エレメントを透過する。したがって、図７に示した光線２３６のように大きな軸ずれ角を有する光線は、反射偏光エレメントを透過して構造面材料２１８の平坦面に当たる。図７は、構造面材料２１８が、光線２３６を、この材料の構造面側から出るときに直角方向に向け直す光線ターンレンズとして作用することを示している。したがって、ローカラーで広角度の反射偏光子が明るさ増進型反射偏光子として好ましく、それは、そうでなければ望ましくない色の光が観察者の通常の観察角度に向けられるためである。広角度でローカラーの反射偏光子を使用することによって、通常の観察角度でのディスプレイの均一性が維持される。
したがって、明るさ増進型反射偏光子は、直角からずれた角度でのブルースター効果を導入することによって軸ずれの色が減じられる、図２３〜２５、特に図２４に関する上述の説明から利益を得ることができる。上述したように、このことは、多層になった反射偏光子の層の間でｙ屈折率を不一致にすることと、層の間でｚ屈折率の不一致を小さくすることによって達成される。したがって、明るさ増進型反射偏光子のあらゆる所望の組み合わせは、（９０°の構造面材料に関して図７及び８に示したような各光学作用が与えられた）構造面材料のプリズムの角度を調整することによって、（図２３〜２５に関して上述したようにこの作用を調整できるので）ｙ屈折率を不一致にするとともにｚ屈折率の不一致を小さくすることによって調整可能な所望の軸ずれの色の性能まで、行うことができる。
【０１４４】
図１１に示したようなディスプレイの構成において、反射偏光子は、構造面の高光度フィルムとＬＣＤパネルの間に配置される。この構成において、反射偏光子の拘束は、ハイカラーまたはローカラーに関して限定的でない。このことは、構造面材料の光線ターン効果によるものである。構造面材料が光を直角方向へ向けて光を非常に広角度では透過しないため（例えば図８参照）、ローカラーで広角度の反射偏光子は必ずしも必要ではない。この効果は、構造面材料の交差した２つのピースが反射偏光子の後ろに配置された、図１３のディスプレイにおいてより顕著である。この結果、反射偏光子に入射した光の二次元視準が生じる。
【０１４５】
例示的な実施例に関して本発明を説明したが、添付の請求の範囲に規定されている本発明の本質と範囲から逸脱することなく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明の代表的で説明的な例を示している。各図を通じ、同じ参照番号は同じ構成物を示している。
【図１】本発明に係る光学ディスプレイの概略断面図である。
【図２】本発明に係る説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。
【図３】本発明に係る説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。
【図４】本発明の反射偏光子の拡大断面図である。
【図５】反射偏光子の性能のグラフである。
【図６】明るさを増した本発明の光学ディスプレイの概略図である。
【図７】明るさ増進器の作用を示す略図である。
【図８】明るさ増進器の作用を示すグラフである。
【図９】説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。
【図１０】説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。
【図１１】説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。
【図１２】テスト結果のグラフである。
【図１３】説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。
【図１４】明るさ増進型反射偏光子の概略断面図である。
【図１５】一つの境界面を形成した、２層に重ねたフィルムを示している。
【図１６】屈折率が１．６０の媒質内での一軸性複屈折システムにおける角度に対する反射率の曲線を示している。
【図１７】屈折率が１．６０の媒質内での一軸性複屈折システムにおける角度に対する反射率の曲線を示している。
【図１８】屈折率１．０の媒質内での一軸性複屈折システムにおける角度に対する反射率の曲線を示している。
【図１９】一軸性複屈折システムにおける面内屈折率とｚ−屈折率の間の種々の関係を示している。
【図２０】一軸性複屈折システムにおける面内屈折率とｚ−屈折率の間の種々の関係を示している。
【図２１】一軸性複屈折システムにおける面内屈折率とｚ−屈折率の間の種々の関係を示している。
【図２２】２つの異なった一軸性複屈折システムにおける波長に対する軸ずれ屈折率を示している。
【図２３】二軸性の複屈折フィルムにおいてｙ−屈折率を変えることの効果を示している。
【図２４】二軸性の複屈折フィルムにおいてｚ−屈折率を変えることの効果を示している。
【図２５】図１８及び１９からの情報を要約した線図を示している。
【図２６】あるミラーの例における多層ミラーの光学性能を示している。
【図２７】あるミラーの例における多層ミラーの光学性能を示している。
【図２８】あるミラーの例における多層ミラーの光学性能を示している。
【図２９】あるミラーの例における多層ミラーの光学性能を示している。
【図３０】あるミラーの例における多層ミラーの光学性能を示している。
【図３１】あるミラーの例における多層ミラーの光学性能を示している。
【図３２】ある偏光子の例における多層偏光子の光学性能を示している。
【図３３】ある偏光子の例における多層偏光子の光学性能を示している。
【図３４】ある偏光子の例における多層偏光子の光学性能を示している。
【図３５】ある偏光子の例における多層偏光子の光学性能を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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