(57)【要約】  光学活性ナノロッドの少なくとも二つの異なる組を備えた光学活性構造体が提供される。ナノロッドの組は、ポンピング光に応答して放出される光の波長及び偏光のうち少なくとも一方において互いに異なる。同じ組のナノロッドは、少なくとも一つの他の組のナノロッドの整列軸に実質的に平行又は実質的に垂直な特定の整列軸で一様に整列していて、少なくとも二つの組のナノロッドが一つ又は二つの整列軸を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンピング光に応答して放出される光の波長及び偏光のうち少なくとも一方において互いに異なる光学活性ナノロッドの少なくとも二つの異なる組を備えた光学活性構造体であって、同じ組のナノロッドが、少なくとも一つの他の組のナノロッドの整列軸に実質的に平行な又は実質的に垂直な特定の整列軸で一様に整列していて、前記少なくとも二つの組のナノロッドが一つ又は二つの整列軸を有する、光学活性構造体。
【請求項２】
実質的に同じ波長の光を放出し、二つの垂直な整列軸に沿って配向されていて、直交偏光の光を生じさせるナノロッドを備えた請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
少なくとも二つの異なる波長の光を放出する前記少なくとも二つの組の一様に整列したナノロッドの混合物を含有する少なくとも一つの領域を備えた請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
それぞれ二組のナノロッドを含有する間隔の空けられた領域の少なくとも一つの対を備えた請求項１又は２に記載の構造体。
【請求項５】
少なくとも一つの軸に沿って間隔を空けて配置された複数の領域のアレイを備え、前記少なくとも一つの軸に沿って整列した各隣接する二つの領域が、異なる組のナノロッドを含有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項６】
前記ポンピング光の伝播方向軸に沿って間隔の空けられた少なくとも二つの層を備え、前記光学活性ナノロッドの少なくとも二つの異なる組が、少なくとも二つの異なる波長の光を放出して、前記少なくとも二つの異なる層内にそれぞれ配置されていて、前記光学活性構造体のカスケード配置が形成されている、請求項１又は２に記載の構造体。
【請求項７】
放出光の少なくとも二つの波長のうち相対的に短波長の光を放出するナノロッドが、前記ポンピング光の伝播方向に対して、相対的に長波長の光を放出するナノロッドの下流に配置されるように、前記ナノロッドの少なくとも二つの組が前記少なくとも二つの層内に配置されている、請求項６に記載の構造体。
【請求項８】
前記ナノロッドが少なくとも一つの層内に配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項９】
前記ナノロッドがキャリア内に埋め込まれている、請求項１から８のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１０】
前記キャリアが、前記ポンピング光及び放出光に対して光学的に透明である、請求項９に記載の構造体。
【請求項１１】
ナノロッドの埋め込まれた前記キャリアが、１０マイクロメートルから１マイクロメートル又はそれ以上の厚さを有する、請求項９又は１０に記載の構造体。
【請求項１２】
前記ナノロッドが基板キャリア上に堆積されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１３】
前記基板キャリアが、前記ポンピング光及び放出光に対して光学的に透明である、請求項１２に記載の構造体。
【請求項１４】
ナノロッドの堆積フィルムが、１０ナノメートルから２マイクロメートル又はそれ以上の厚さを有する、請求項１２又は１３に記載の構造体。
【請求項１５】
前記ナノロッドが一種以上の半導体製である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１６】
前記ナノロッドが、少なくとも１．８のアスペクト比の細長の幾何学的形状を有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１７】
前記ナノロッドがコア‐シェル構造を有する、請求項１から１６のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１８】
前記ナノロッドが、シーディングされたロッドとして構成されている、請求項１から１７のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１９】
前記シーディングされたナノロッドのシードが球形又はロッド状の幾何学的形状を有する、請求項１８に記載の構造体。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の光学活性構造体と、ポンピング光源とを備えた照明デバイス。
【請求項２１】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の光学活性構造体と、前記光学活性構造体を励起するためのポンピング光源と、前記光学活性構造体によって放出される光に晒される画素配列部とを備えて、カラーディスプレイデバイスとして構成された照明デバイス。
【請求項２２】
前記光学活性構造体が、バックライトユニットとして動作するように構成されている、請求項２０又は２１に記載の照明デバイス。
【請求項２３】
第一の一般的伝播方向に沿って放出光を向けるように構成されていて、前記光学活性構造体に向けて前記ポンピング光の第二の一般的伝播方向を定める前記ポンピング光の光源を備え、前記第二の方向が、出力光の前記第一の一般的伝播方向によって定められる軸と交差する軸に沿っている、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の照明デバイス。
【請求項２４】
前記光学活性構造体によって放出される光の光路内に配置された少なくとも一つの光偏向表面を備えた請求項２０から２３のいずれか一項に記載の照明デバイス。
【請求項２５】
前記光学活性構造体によって放出される光の光路内に配置された少なくとも一つの光屈折表面を備えた請求項２０から２４のいずれか一項に記載の照明デバイス。
【請求項２６】
光学活性ナノロッドの二つの組を備えた光学活性構造体であって、同じ組のナノロッドが他の組のナノロッドの整列軸に実質的に垂直な整列軸で一様に整列していることによって、直交した偏光が放出される、光学活性構造体。
【請求項２７】
前記ナノロッドが、少なくとも二つの異なる波長の光を放出するナノロッドを備える、請求項２６に記載の構造体。
【請求項２８】
前記ナノロッドの二つの組が、少なくとも二つの間隔の空いた領域内に配置されていて、各領域が、一つの組のナノロッドを備え、他の組のナノロッドを備えた少なくとも一つの領域に隣接している、請求項２６又は２７に記載の構造体。
【請求項２９】
ポンピング光に応答して放出される光の波長が互いに異なる光学活性ナノロッドの少なくとも二つの組を備えた光学活性構造体であって、前記光学活性ナノロッドが、整列軸に沿って一様に配向された複数のナノロッドを備え、前記ポンピング光に応答して実質的に偏光した光を放出する、光学活性構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に偏光照明システムの分野に係り、ディスプレイ用のバックライトシステムとして特に有用な光ポンプ偏光照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光の偏光特性は、フラットパネル液晶ディスプレイ（ＬＣＤ，ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ）から顕微鏡、金属学的検査、光通信に至るまで多様な光応用において用いられている。大抵の光源から発生させた光は、特定の偏光を有さず、典型的な偏光の選択は、多様な種類の偏光子を用いて行われる。偏光子を用いた特定の偏光の選択はエネルギー損失を伴い、非偏光光源を用いて偏光照射を提供するために単純なパッシブ（非発光）偏光子を用いた場合、入射光の略５０％が失われ得る。この問題は、エネルギーの節約が重要な要因であるＬＣＤディスプレイ用のバックライトシステムにおいて特に顕著である。更に、この問題は、バッテリ寿命が決定的な要因である携帯型デバイス（ラップトップ、携帯電話、カメラ等）において更に顕著になる。
【０００３】
非偏光光源によって放出された光の比較的効率的な偏光の選択は、特別な表面を備えた複雑なパッシブ（非発光）ポリマーフィルムを放出光の光路内に配置することによって達成可能である。こうしたフィルムは光の一部を再利用して、所望の偏光の光の透過を増強し得る。光の再利用は、望ましくない偏光の光成分を反射表面上に反射されることによって、後続の反射後に偏光解消する多重再利用光成分を生成することに基づいていて、少なくとも一部の光成分が各反射後に透過される。しかしながら、多数（数十にもなる）の層が効率的な再利用に必要とされるので、このようなパッシブシステムは製造するのが複雑で高価である。偏光子を通るバックライト出力を再利用する他の“パッシブ”な方法は、反射ナノワイヤグリッド偏光子を用いる（非特許文献１）。
【０００４】
上述のパッシブな方法は、バックライトシステムの設計を複雑にするし、高価であり、また、波長に依存するので、放出光の色域の質を増強することに関与しない。実際、元々のバックライトの色域を保つ必要性が、バックライトシステムの層構造を更に複雑にする。
【０００５】
ナノロッド（本願において“ロッド”とも称される）等の異方性（細長い）ナノ粒子は、偏光放出を提供するできるものとして知られている。これは本願譲受人による特許文献１にも記載されている。
【０００６】
偏光放出を提供するナノロッドシステムのいくつかが、以下の文献に記載されている。
【０００７】
非特許文献２には、ポリマー中に埋め込まれたコロイドベースの半導体コア（シェル無し）ＣｄＦｅナノロッドが記載されている。ほぼ完全な偏光を一種類のロッドから得ることができる。
【０００８】
非特許文献３には、ロッド構造体上にシェルを成長させることによるロッドの放出の増強が記載されている。
【０００９】
非特許文献４には、シーディングされたナノロッド粒子に対して得られた量子効率の改善が記載されている。
【００１０】
非特許文献５には、シーディングされたロッドの双極子パターン放出、つまり、ロッドの選択ではなくてロッドの中心から生じる放出が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０９５１４０号
【特許文献２】国際出願第ＰＣＴ／ＩＬ２０１１／０００７３４号
【特許文献３】国際公開第２０１１／０９２６４６号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｚｈｉｂｉｎｇ  Ｇｅ及びＳｈｉｎ−Ｔｓｏｎ  Ｗｕ、“Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｇｒｉｄ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ  ｆｏｒ  ｅｎｅｒｇｙ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ａｎｄ  ｗｉｄｅ−ｖｉｅｗ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙｓ”、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第９３巻、ｐ．１２１１０４、２００８年
【非特許文献２】Ｘ．Ｐｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｓｈａｐｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＣｄＳｅ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、第４０４巻、ｐ．５９−６１、２０００年
【非特許文献３】Ｔ．Ｍｏｋａｒｉ及びＵ．Ｂａｎｉｎ、“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＣｄＳｅ／ＺｎＳ  ｒｏｄ／ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ”、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第１５巻、第２０号、ｐ．３９５５−３９６０、２００３年
【非特許文献４】Ｄ．Ｖ．Ｔａｌａｐｉｎ  ｅｔ  ａｌ、“Ｓｅｅｄｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ＣｄＳｅ／ＣｄＳ  Ｎａｎｏｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｒｏｄ  ａｎｄ  Ｔｅｔｒａｐｏｄ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ”、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７巻、第１０号、ｐｐ．２９５１-２９５９、２００７年
【非特許文献５】Ｃ．Ｃａｒｂｏｎｅ  ｅｔ  ａｌ、“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ−Ｓｃａｌｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｏｆ  Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ＣｄＳｅ／ＣｄＳ  Ｎａｎｏｒｏｄｓ  Ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｂｙ  ａ  Ｓｅｅｄｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ａｐｐｒｏａｃｈ”、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７巻、第１０号、ｐｐ．２９４２-２９５０、２００７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
多様な応用、つまり、ディスプレイ、特にカラーディスプレイ及び３次元ディスプレイ用のバックライト等のエネルギー効率的な照明における有効な使用を可能にする偏光光源の新たな試みが当該分野において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施形態は、一般的にコロイド状の異方性ナノ粒子、特に強力に偏光した放出を有するコロイド状ナノロッドを用いたエネルギー効率的な偏光バックライト及びディスプレイシステム用の設計を提供する。このようなシステムは、バックライト光源からの非偏光の光を部分的に又は完全に偏光した光に変換する整列異方性ナノロッドを含有する活性（つまり、発光）層又はフィルムを採用している。この層又はフィルムは、本願において、“光学活性構造体”、又は“活性偏光発光層”（ＡＰＥＬ，Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｓｓｉｖｅ  Ｌａｙｅｒ）と称される。本発明の光学活性構造体（又はＡＰＥＬ）は、偏光ポンピング照明と共に使用可能であり、また、非偏光ポンピング照明と共に使用可能であり、偏光した又は部分的に偏光した光を放出する。
【００１５】
本発明の広範な一側面によると、ポンピング光に応答して放出される光の波長及び偏光のうち少なくとも一方において互いに異なる光学活性ナノロッドの少なくとも二つの組を備えた光学活性構造体が提供され、その少なくとも二つの組のナノロッドの配置が、一つ又は二つの整列軸を定めて、同じ組のナノロッドが、少なくとも一つの他の組のナノロッドの整列軸に実質的に平行な又は実質的に垂直な整列軸で一様に配向される。
【００１６】
本発明の特定の実施形態は、異方性ナノ粒子を含む光学活性構造体を提供する。一部実施形態では、光学活性構造体は、基板上に配置された異方性ナノ粒子の層である。一部実施形態では、光学活性構造体は、媒体中に埋め込まれた異方性ナノ粒子を含む。一部実施形態では、媒体は、例えばゾル‐ゲルプロセスによって作製されたポリマー媒体又はガラス媒体であり得る。一部実施形態では、異方性ナノ粒子は、整列軸に沿ったその長軸で媒体中において整列させられる。この整列は、電場を用いずに媒体を引き伸ばすことによって誘起可能である。一部実施形態では、整列は部分的なものであり得る。他の実施形態では、整列は完全であり得る。整列した異方性ナノ粒子を備えた一部実施形態では、異方性ナノ粒子は、入射光学放射によって励起されて、偏光した光を放出する。ナノ粒子は、電場を用いずに励起される。放出光の偏光は部分的又は完全であり得て、一般的には、ナノ粒子の長軸方向内にある。異方性ナノ粒子の励起及び結果としての光の偏光した放出を、光学放射単独で発生させる。
【００１７】
一部実施形態では、構造体は、実質的に同じ波長の光を放出して、二つの垂直な整列軸に沿って配向していることによって、直交偏光の光を生じさせるナノロッドを備える。
【００１８】
構造体は、少なくとも二つの異なる波長の光を放出する少なくとも二つの組の一様に整列したナノロッドの混合物を含有する少なくとも一つの領域を備え得る。
【００１９】
構造体は、二つの組のナノロッドをそれぞれ含有する、間隔の空いた領域の少なくとも一つの対を備え得て、又は一般的に、間隔を空けて少なくとも一つの軸に沿って配置された複数の領域のアレイを備え得て、その少なくとも一つの軸に沿って整列した各隣接する二つの領域は、異なる組のナノロッドを含有する。
【００２０】
構造体は、カスケード配置を有し得て、つまり、ポンピング光の伝播方向軸に沿って間隔の空けられた少なくとも二つの層を備え得て、少なくとも二つの異なる波長の光を放出する光学活性ナノロッドの少なくとも二つの組は、それぞれ少なくとも二つの異なる層内に配置される。この実施形態では、ナノロッドの少なくとも二つの組は、その少なくとも二つの層内に配置され得て、放出光のその少なくとも二つの波長のうち相対的に短波長の光を放出するナノロッドが、ポンピング光の伝播方向に対して、相対的に長波長の光を放出するナノロッドの下流に配置される。
【００２１】
ナノロッドは、少なくとも一つのフィルム内に配置され得て、基板キャリア（例えばガラス基板）の上に配置されるか、その中に埋め込まれたナノロッドを備えたマトリクス又はキャリアの形態である。いずれの場合でも、キャリアは、ポンピング光及び放出光に対して光学的に透明又は部分的に透明である。
【００２２】
ナノロッドは、一種類以上の半導体製であり得て、例えば少なくとも１．８のアスペクト比の適切な細長の幾何学的形状を有する。ナノロッドは、コア‐シェル構造を有し、及び／又は、球形又はロッド状シードでシーディングされたロッドとして構成され得る。
【００２３】
特定の実施形態では、光学活性構造体は、バックライトシステム、例えばディスプレイ用バックライト内に含まれる。このようなシステムにおいて、光学活性構造体は、光源（“励起源”とも称される）によって励起される。一部実施形態では、光源は、光学活性構造体中の異方性ナノ粒子によって吸収される短波長光を提供する。励起源は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ，ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）を含み得る。可視光範囲のバックライトに対して、一部励起源は４８０ｎｍ以下で発光し得て、例えば、４６０ｎｍ付近などの青色領域や、４０５ｎｍ付近の紫色領域において発光し得る。他の励起源は、紫外線（ＵＶ，ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）領域（４００ｎｍ、好ましくは略３６０ｎｍ以下）で発光し得る。更に他の励起源は、青色‐ＵＶ光を放出し得て、例えば、蛍光層でコーティングされていない冷陰極蛍光（ＣＣＦＬ，ｃｏｌｄ−ｃａｔｈｏｄｅ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ）源が挙げられる。従って、光学活性構造体は、異方性ナノ粒子の放出色に応じて、ディスプレイ上に表示される異なる色の偏光を放出することができる。一部実施形態では、励起源は、光学活性構造体の一つの広い表面に向けて光を放出する。一部実施形態では、励起源は、所謂“導波路”構成において、光学活性構造体の狭い側（断面）に向けて光を放出する。一部実施形態では、励起源によって放出された光の一部が、ナノ粒子と相互作用せずに、光学活性構造体を通りぬけて、追加の非偏光色を提供するためにディスプレイデバイスにおいて直接使用可能とされる。
【００２４】
バックライトディスプレイシステムの一部実施形態では、少なくとも二つの異なる光学活性構造体を用いて、異なる色の偏光をそれぞれ提供することができる。一部実施形態では、単一の光学活性構造体が、光学的に励起可能な異なる種類の異方性ナノ粒子を含み得て、異なる色の偏光を放出する。一部実施形態では、光学活性構造体が矩形又は多角形状のストライプ状であり得る。ストライプ状又は他の形状の異なる光学活性構造体を、画素（又は画素状）配列を備えた単一層に組み立て得る。従って、異なる光学活性ストライプ／画素を備えた単一層が、異なる色の偏光を提供し得て、又は、反復させたストライプ／画素配列において二つの直交偏光を提供し得る。一部実施形態では、光学活性構造体から放出される光の偏光は直線状である。他の実施形態では、直線偏光が円偏光に変換され得る。
【００２５】
ナノロッドは、ＬＣＤディスプレイデバイス用バックライトの応用に非常に適している。本発明に係る整列ナノロッドから成るフィルムを、あらゆる種類のＬＣベースのディスプレイ／プロジェクタシステムに組み込むことができる。ナノロッド含有フィルムは、所望の波長で実質的に偏光した光をナノロッドに放出させるポンピング光（典型的には非偏光であるが、偏光した又は部分的に偏光したポンピング光も使用可能である）によって照射される。整列ナノロッドベースの照明デバイスから得られる光は、後述のように、色の質、コントラスト、効率、偏光度合いにおいて顕著な利点を有する。上述のように、偏光の質は、高価なＤＥＥＦ層の必要性をなくし得る。また、照明デバイスのより高い効率をもたらし得るＱＤを備えたフィルムと比べて、（少なくとも一つの軸における）指向性の利得が得られ得る。従って、ナノロッド含有層は、輝度増強目的で設計されたＢＥＦ層を置換し得る。しかしながら、更なる所望の指向性、集束及び輝度増強を提供するために、ＢＥＦ層、反射器、他の光学部品を、このようなナノロッド含有／埋め込みフィルムから放出される光の経路内において、つまり、フィルムとＬＣパネル／構造との間において使用することができる。
【００２６】
この説明では、光変換／放出層／構造体のことを、“フィルム”とも称する。フィルムは、片面又は両面に多様な光抽出特徴部（プリズム、ピラミッド、マイクロレンズ等）を含み得る。本発明によると、好ましくは、光抽出特徴部は、フィルムから放出される光の偏光を保持するように構成されて、マイクロレンズ（又はマイクロレンズアレイ）、金属反射表面等が挙げられる。また、フィルムは、光抽出及び偏光保持を補助することもできる多様な屈折率構造／界面を有し得る（例えば、勾配屈折率レンズ状構造）。偏光保持拡散フィルムを一つ以上の側からＡＰＥＬに取り付けることができる。また、フィルムは、偏光特性を増強し得る規則的及び規則的ではない形状の光分散粒子の多様な組み合わせも含み得る。“フィルム”との用語は、他の幾何学的形状、例えば密に詰まった構造の層も広く含むものと解釈され、ボール、ロッド、ワイヤの織物などの密に詰まった配置といった同じ偏光及び光保持機能を果たすものが挙げられる点を理解されたい。
【００２７】
本発明の他の広範な側面によると、ポンピング光に応答して放出される光の波長及び偏光のうち少なくとも一方において互いに異なる光学活性ナノロッドの少なくとも二つの組を備えた光学活性構造体を備えた照明デバイスが提供され、少なくとも二つの組のナノロッドの配置が一つ又は二つの配向軸を定めて、同じ組のナノロッドが、少なくとも一つの他の組のナノロッドの配向軸に実質的に平行又は実質的に垂直な配向軸で均一に配向される。
【００２８】
本発明の光学活性構造体は、ナノロッドの整列軸に垂直な平面内において実質的に多数の方向に光を放出する。好ましくは、このような構造体を用いた本発明の照明デバイスは、特定の一般的な伝播方向で放出光を伝播させるように構成される。このため、照明デバイスは、その一般的な光の伝播方向に放出光を指向するために、光学活性構造体によって放出される光の光路内に配置された少なくとも一つの光偏向表面及び／又は少なくとも一つの屈折両面を備え得る。
【００２９】
本発明の更に他の広範な側面によると、光学活性ナノロッドの二つの組を備えた光学活性構造体が提供されて、同じ組のナノロッドは、他の組のナノロッドの整列軸に実質的に垂直な整列軸で一様に整列させられていて、直交して偏光した光が放出される。
【００３０】
ナノロッドは、二つ以上の異なる波長の光を放出するナノロッドを備え得る。光学活性構造体は、実質的に垂直な配向軸で配向させた二つの組のナノロッドを含有する間隔の空けられた領域の少なくとも一つの対を備え得る。一部実施形態では、光学活性構造体は、少なくとも一つの軸に沿って間隔を空けて配置された複数領域のアレイを備え、少なくとも一つの軸に沿った各隣接する二つの領域は、実質的に垂直な配向軸で配向された二つの組のナノロッドを含有する。その構成は、少なくとも一つの軸に沿って間隔を空けて配置された各隣接する二つの領域が、二つの異なる波長の光を放出する二組のナノロッドを含有するようなものになり得る。光学活性構造体は、少なくとも二つの異なる波長の光を放出する少なくとも二つの組のナノロッドの混合物を含有する少なくとも一つの領域を含み得る。
【００３１】
光学活性構造体はカスケード配置のものとなり得る。光学活性ナノロッドの少なくとも二つの組は、ポンピング光に応答して少なくとも二つの異なる波長の光を放出するナノロッドを備えて、少なくとも二つの異なる波長の光を放出するナノロッドはそれぞれ少なくとも二つの異なる平面内に配置される。少なくとも二つの異なる平面は、ポンピング光の伝播軸に沿って間隔を空けて配置され得る。放出光の少なくとも二つの波長のうち相対的に長波長の光を放出するナノロッドが、光学活性構造体に向かうポンピング光の伝播方向に対して、相対的に短波長の光を放出するナノロッドの下流に配置されるように、ナノロッドの少なくとも二つの組が少なくとも二つの平面内に配置され得る。
【００３２】
本発明の更に他の側面によると、ポンピング光に応答して放出される光の波長において互いに異なる光学活性ナノロッドの少なくとも二つの組を備えた光学活性構造体が提供され、光学活性ナノロッドは、整列軸に沿って一様に配向された複数のナノロッドを備え、ポンピング光に応答して実質的に偏光した光を放出する。
【００３３】
本発明を理解してもらい、実際にどのように実施可能であるのかを分かってもらうため、以下、非限定的な例として、添付図面を参照して、実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】ディスプレイや空間光変調器を用いる他のデバイス用のバックライト光源等の照明デバイスにおいて使用される本発明の光学活性構造体の例を概略的に示す。二つの異なる組のナノロッドが混合されている光学活性構造体を例示する。
【図１Ｂ】ディスプレイや空間光変調器を用いる他のデバイス用のバックライト光源等の照明デバイスにおいて使用される本発明の光学活性構造体の例を概略的に示す。二つの異なる組が異なる領域に配置されている光学活性構造体を例示する。
【図１Ｃ】ディスプレイや空間光変調器を用いる他のデバイス用のバックライト光源等の照明デバイスにおいて使用される本発明の光学活性構造体の例を概略的に示す。異なる組のナノロッドを備えた光学活性構造体のカスケード構成を例示する。
【図１Ｄ】整列した光学活性ナノロッドを備えた層によって放出される光の空間強度分布の理論的及び実験的測定を示す。
【図１Ｅ】整列した光学活性ナノロッドを備えた層によって放出される光の空間強度分布の理論的及び実験的測定を示す。
【図２Ａ】例えばバックライトシステム用に構成されていて、サイドポンピング照明に晒される光学活性構造体を利用する本発明の照明デバイスの概略的な実施形態を示す。ポンピング及び出力照明の様子を示す。
【図２Ｂ】例えばバックライトシステム用に構成されていて、サイドポンピング照明に晒される光学活性構造体を利用する本発明の照明デバイスの概略的な実施形態を示す。ポンピング及び出力光の様子を示す。
【図２Ｃ】例えばバックライトシステム用に構成されていて、サイドポンピング照明に晒される光学活性構造体を利用する本発明の照明デバイスの概略的な実施形態を示す。光学活性ナノロッドがどのように光学活性構造体内に分布可能であるかを例示する。
【図２Ｄ】例えばバックライトシステム用に構成されていて、サイドポンピング照明に晒される光学活性構造体を利用する本発明の照明デバイスの概略的な実施形態を示す。光学活性ナノロッドがどのように光学活性構造体内に分布可能であるかを例示する。
【図３Ａ】光学活性構造体としての楔型導光体を概略的に例示する。
【図３Ｂ】放出光の指向用の楔型導光体を概略的に例示する。
【図３Ｃ】放出光の指向用の楔型導光体を概略的に例示する。
【図４Ａ】多色及び／又は３次元ディスプレイ／プロジェクタシステム用の光学活性ナノロッドの画素配列の例を示す。
【図４Ｂ】多色及び／又は３次元ディスプレイ／プロジェクタシステム用の光学活性ナノロッドの画素配列の例を示す。
【図４Ｃ】多色及び／又は３次元ディスプレイ／プロジェクタシステム用の光学活性ナノロッドの画素配列の例を示す。
【図４Ｄ】多色及び／又は３次元ディスプレイ／プロジェクタシステム用の光学活性ナノロッドの画素配列の例を示す。
【図４Ｅ】多色及び／又は３次元ディスプレイ／プロジェクタシステム用の光学活性ナノロッドの画素配列の例を示す。
【図５Ａ】照明デバイスから指向性で偏光した（又は部分的に偏光した）光出力を提供するための技術的解決策を利用した本発明の実施形態を示す。横に取り付けられたＬＥＤによって光学的にポンピングされ、コリメート及び集束した照明を提供するように構成された照明デバイス／ユニットを示す。
【図５Ｂ】照明デバイスから指向性で偏光した（又は部分的に偏光した）光出力を提供するための技術的解決策を利用した本発明の実施形態を示す。後方に取り付けられたＬＥＤによって光学的にポンピングされる照明ユニットを示す。
【図５Ｃ】照明デバイスから指向性で偏光した（又は部分的に偏光した）光出力を提供するための技術的解決策を利用した本発明の実施形態を示す。後方光学ポンピング用の代替設計を備え、コリメートされた又は部分的にコリメートされた照明を提供すように構成された照明ユニットを示す。
【図６】本発明の光学活性構造体に基づいたバックライトユニットを含むＬＣパネルベースのディスプレイシステムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１Ａから図１Ｃを参照すると、照明デバイス、例えばディスプレイ用のバックライト光源として使用される本発明の光学活性構造体１００の例が示されている。本発明の光学活性構造体１００は、二組以上の光学活性ナノロッド（つまり、発光用に光学的にポンピングされる）を含み、図１Ａ及び図１Ｂにはこのような二つの組Ｇ１及びＧ２が示されていて、図１Ｃには三つの組Ｇ１、Ｇ２及びＧ３が示されている。ナノロッドの組は、放出光の波長及び／又は放出光の偏光において互いに異なる。二組以上のナノロッドは、配向／整列の一つ又は二つの軸を定めて、同じ組のナノロッドが、少なくとも一つの他の組の整列軸と実質的に平行な又は実質的に垂直な軸で均一に配置されるようになる。
【００３６】
この点に関して、図１Ｂでは、Ｇ１及びＧ２の組のナノロッドが、互いに垂直な配向／整列の軸Ａ１及びＡ２に沿って配置されていて、異なる波長λ１及びλ２の光を放出する点に留意されたい。しかしながら、本発明は、こうした特徴の組み合わせに限定されるものではなく、単に異なる組のナノロッドの例示を簡単にするために、異なる放出波長と組み合わせて、異なる配向が示されているものである。
【００３７】
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る光学活性構造体１００を示す。構造体１００は、単一層１０１（フィルム）を画定し、異なる組Ｇ１及びＧ２の発光異方性ナノ粒子（ナノロッド）１０４Ａ及び１０４Ｂを含有する。異なる組Ｇ１及びＧ２のナノロッド１０４Ａ及び１０４Ｂは、ポンピング照射に晒された際に異なる波長の光を放出する。この例では、二つ（又はそれ以上）の組のナノロッドは、フィルムの同じ領域内において混合される。また、この例では、異なるナノロッドは全て実質的に平行な軸に沿って整列しているが、異なるように（物質及び／又はサイズ）に構成されていることによって、ポンピング光１０８に対する応答において実質的に同様の偏光であるが異なる波長の少なくとも二つの光成分Ｌ１及びＬ２を放出する。
【００３８】
本発明のいずれの実施形態においても、ナノロッドは、例えば、ＵＶ又は紫色ポンピングに応答にして原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の波長を放出するように構成され得て、又は、青色ポンピングに応答して赤色及び緑色を放出するナノロッドを含み得る。上述のように、ナノロッドは、一つの組のナノロッドの整列軸が他の組のナノロッドの整列軸に平行又は垂直になるように整列され得る。
【００３９】
図１Ｂは、前の例と同様に、単一層１０２（フィルム）を画定し、異なる組Ｇ１及びＧ２の異方性ナノ粒子（ナノロッド）１０４及び１０６を含有する発光構造体１００を示す。各組のナノロッドは、均一に配向されて、他の組のナノロッドと比較して同じ又は垂直な配向を有し得る。二組よりも多くのナノロッドが存在し得るが、ナノロッドの配向の一つ又は二つの垂直な軸が依然として存在する。図１Ａの例と異なり、図１Ｂの例では、異なる組のナノロッドは、互いに垂直な配向を有し、それらの組は空間的に分離されていて、つまり、特別に分離された領域に配置されている。また、図１Ｂの例では、ナノロッド１０４及び１０６は、偏光の異なる光成分Ｌ１及びＬ２の放出によってポンピング光１０８に応答する。
【００４０】
一部実施形態では、垂直な整列軸に整列されたナノロッドの組（直交する偏光の光を放出する）が、異なる波長の光を放出して多色（白色）光を提供するナノロッドも含み得る点に留意されたい。
【００４１】
従って、本発明の照明デバイスにおいて、光学活性構造体１００は、応答時にナノロッドによって放出される波長よりも典型的には短い波長のポンピング又は励起光１０８に晒され、例えば、ＵＶ励起光が可視スペクトルでの放出を生じさせる。ポンピング光は偏光されているか又は非偏光であり得て、光源１１０から向けられる。照明デバイスに組み込まれた光源１１０は発光体（あらゆる適切な発光体であり得る）によって構成され得て、例えば、単一のＬＥＤ、適切な方法で配置された複数のＬＥＤが挙げられ、及び／又は、外部発光体を伴った導光体（例えば、導波路、光ファイバ）によって構成され得る。ナノ粒子１０４及び１０６は、（偏光又は非偏光）ポンピング光１０８によって励起されると、実質的に偏光した（完全に又は部分的に偏光した）光１１２を放出し、その光１１２は、上述のように、励起光よりも長い波長（小さいエネルギー）のものであり、ナノロッドの整列軸によって定められる好ましい偏光を有する。図１Ｂの例では、光成分Ｌ１が偏光軸１１４を有し、光成分Ｌ２が偏光軸１１６を有する。
【００４２】
一部実施形態では、異方性ナノ粒子は複数の組成及びサイズのものであり得て、所望の色域を得るために異なる原色で発光する。例えば特許文献１を参照。本発明における使用に適したナノロッドのパラメータの一部（物質組成及びサイズ）については後述する。
【００４３】
ポンピング光１０８は、層１０２内のナノロッド１０４及び１０６によって効率的に吸収され、ナノロッド１０４及び１０６は、ナノ粒子の特性によって定められるより長い波長の放出光成分Ｌ１及びＬ２に光１０８をダウンコンバートする。本発明の光学活性構造体は、電気又は他の刺激を必要とせずに、光学的に励起可能である点に留意されたい。ナノ粒子が構造体１００内で整列しているので、放出光Ｌ１及び／又はＬ２は、実質的に偏光していて（部分的に又は完全に）、例えば、明確に定められた好ましい偏光内に発光強度の少なくとも５１％、又は強度の少なくとも６０％を有する。一部構成では、光学活性構造体は、発光強度の略８０％以上が所望の偏光のものであるように、発光し得る。
【００４４】
図１Ｃは、ナノロッドが少なくとも二つの間隔の空いた層内に配置されている光学活性構造体１００の更に他の例を示し、この例では、このような三つの層１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃが、ポンピング光１０８の一般的な伝播方向の軸Ｄに沿って間隔を空けて配置されている。異なる層のナノロッドは異なる異方性粒子１０４Ａ、１０４Ｂ及び１０４Ｃを含み、波長λ０のポンピング光１０８による光学励起に応答して、異なる色の光（異なる波長λ１、λ２、λ３によって示される）を放出する。この構成では、層（ナノロッドを埋め込むマトリクス又はナノロッドを有する物質）は、ポンピング光の波長に対して部分的に透過性である。例えば、第一（底部）層１０２Ａは赤色発光ナノロッド１０４Ａ（λ１）を含み、第二（中間）層１０２Ｂは緑色発光ナノロッド１０４Ｂ（λ２）を含み、第三（頂部）層１０２Ｃは青色発光ナノロッド１０４Ｃ（λ３）を含む。この構成は三つの層を備えるのでより複雑であるが、再吸収効果による損失の減少で色域のより良い調整を可能にし得る。一般的に、このようなカスケード構成は、異なるナノロッドの少なくとも二つの層／フィルムによって形成可能である点に留意されたい。ポンピング光１０８が層１０２Ａに入射して、層１０２Ａ内のナノロッドによって部分的に吸収されることによって、そこからλ１の放出が生じる。ポンピング光（その一部）及び放出された光が両方とも層１０２Ｂに向けて伝播して、層１０２Ｂと相互作用することによって、波長λ２の光の放出が生じて、そのようにして生成された波長λ０、λ１及びλ２の三つの光成分が層１０２Ｃに入射して、三つの出力色λ１、λ２、λ３がポンピング光と共にもたらされ、ポンピング光は、出力光の一部として利用されるか、又は、フィルタリングして取り除かれ得る（つまり、吸収されるか、又はデバイスからの光出力の一般的な伝播方向から偏向される）。このため、一部実施形態では、本発明の照明デバイスは更に、ポンピング（励起）波長を透過させるが放出偏光色は反射する反射フィルタ層を任意で含み得る。このような入射／ポンピング光を透過させて放出光を反射する波長選択フィルタは層と層の間に配置され得て、例えば、波長λ０を透過させて波長λ１を反射する波長選択フィルタが層１０２Ａと層１０２Ｂとの間に配置され得る。このような構成は、連続した層と層の間において放出波長が増大する場合においてより有用である。一部実施形態では、ＵＶ（ポンピング光）阻止層が用いられ得て、残留ポンプエネルギーを吸収して、より良い色域（紫色光に対して）、又は安全性（ＵＶ光に対して）が得られる。
【００４５】
連続的に放出される光成分の順序が異なり得る点は理解されたい。配置は、連続的に放出される光が層から層において増大又は減少する波長を有するような、又は他の交互のものにもなり得る。配置が、その前の層（ポンピング光の一般的な伝播方向に対して）よりも長い波長を放出する連続的な層のものである場合、前の層によって放出された光は、次の層のナノロッドと相互作用する際に、その次の層からの発光を生じさせる。
【００４６】
構造体１００（上述の構成のいずれかのもの）によって放出される偏光は、透過型ＬＣパネル、例えば、ディスプレイ、又はＳＬＭ（空間光変調器、ｓｐａｔｉａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）デバイス（図示せず）用のバックライトとして使用可能である。その偏光特性は、パッシブ偏光子に基づいたバックライトシステムに一般的な損失を減らすことによってエネルギーを節約する。パッシブ偏光子を通過して、バックライトエネルギーの略半分を失う既知のバックライトシステムによって生じる非偏光の光とは対照的に、本発明の照明デバイスの構造体１００によって生じる偏光は顕著に小さな損失を有することによって、エネルギーを節約する。構造体１００からの光は既に偏光されているので（部分的に又は完全に）、その透過軸に適切に整列されたパッシブ偏光子を効率的に通り抜けることによって、偏光のレベルを更に増大させ得る。
【００４７】
上述のように、偏光特性に加えて、構造体１００によって放出される光線は典型的に、対応する組のナノロッドの整列軸に垂直な平面に対して小さな角度範囲内の方向の強度がその平面に対してより大きな角度の時よりも高くなるような強度分布を有する。従って、より大きな強度の放出光を備えた優先的な伝播平面が、ナノロッドの整列軸に垂直に得られる。この効果は、照明デバイスの側方から逃げてしまい得る光の量を減らして、照明用のより高いエネルギー効率を可能にする。
【００４８】
この点に関して、図１Ｄ及び図１Ｅを参照すると、放出光の強度分布に対する理論的な値（Ｐ１及びＰ１’）及び実験的な値（Ｐ２及びＰ２’）が、ナノロッドの長軸（整列軸）に対する光伝播の仰角（φ）及び方位角（θ）の関数としてそれぞれ示されている。光学活性構造体内で整列したナノロッドから放出された光が、ナノロッドの整列軸に垂直な平面に対して小さな角度範囲内の方向において優先的に伝播していることは明らかである。一部実施形態では、このような放出の指向性によって、ナノロッド含有層が、ディスプレイデバイス等の輝度増強フィルム（ＢＥＦ，ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｆｉｌｍ）を有利に不要にし得る。追加的な指向性及び集束効果を提供するために、ナノロッドから放出される光の経路内に、つまりナノロッド含有層／構造体とＬＣパネルの画素配列との間に、輝度増強フィルム、反射器、又は光学部品を使用することが依然として可能であり有用となり得る点には留意されたい。これについては後述する。
【００４９】
一般的に、偏光放出を可能にするあらゆるナノ粒子（つまり異方性ナノ粒子又はナノロッド）が、本発明の光学活性構造体において使用可能である。このようなナノロッドは典型的に少なくとも１．８のアスペクト比（その長さと断面寸法の比）を有する。一部実施形態では、ナノ粒子は異方性半導体ナノロッドであり得る。ナノロッドは単一成分の半導体ナノロッド、又は第一の半導体のコア及び第二の半導体のシェル層を備えたコア／シェルナノロッドであり得る。後者の構造体はナノロッドの発光を増強する。コア／多重シェルナノロッドも使用可能であり、同様に、シェルが段階的な組成のコア／シェル構成となっているナノ粒子も使用可能である。代わりに、ナノロッドはシーディングされたロッドであり得て、第一の半導体のほぼ球形のコアシード又はロッド状シードが、発光の異方性を与える第二の半導体のロッド状シェルによってオーバーコーティングされている。このような全ての異方性ロッドは、構造体の長軸に平行な軸に沿って偏向した光を放出する（偏光度合いを変更することが可能である）。シード自体も細長の形状、更にはロッド構造（例えば、１．８以上のアスペクト比）を有し得て、最終的な構造体の偏光レベルを更に増強する。本発明の光学活性構造体での使用に適したシーディングされたロッドのいくつかの例が、本発明の譲受人による特許文献２に記載されている。
【００５０】
本発明の多様な実施形態において有用な異方性ナノ粒子は一般的に半導体製であり、例えば、ＩＩ‐ＶＩ半導体、ＩＩＩ‐Ｖ半導体、若しくはＩＶ‐ＶＩ半導体、これらの組み合わせである。このような物質は、本願の譲受人による上記特許文献１にもより詳細に記載されている。半導体は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、Ｃｕ２Ｓ、Ｃｕ２Ｓｅ、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ２（ＺｎＳｎ）Ｓ４、Ｃｕ２（ＩｎＧａ）Ｓ４、これらのＴｉＯ２合金、及びこれらの混合物から選択され得る。この物質一覧は、ロッド物質（ナノロッドの場合）、コア物質及びシェル物質（コア／シェルナノロッドの場合）、又はシーディングされたロッド構造体のシード物質及びロッド物質についてのものとなり得る。シーディングされたナノロッドは、細長のシェル内に非対称に位置するシード（又はコア）を有し得る。コアは典型的には、細長の粒子の長さの略４分の１から２分の１のところに位置し得るが、他の配置も可能である。シードの典型的なサイズは１ｎｍから２０ｎｍの間、特に２ｎｍから１０ｎｍの間の直径であり得る。第一のシェルに加えて、更なるシェルを安定性及び光学機能のために含むことができる。その組み合わせは、応用に必要とされる色を放出するように調整され得る。
【００５１】
一部実施形態では、表面配位子がナノ粒子構造体全体をオーバーコーティングし得る。また、追加の配位子を用いて、配合を改善し得る。一般的に使用される配位子として、トリオクチルホスフィン酸化物（ＴＯＰＯ，Ｔｒｉｏｃｔｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ）、トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ，Ｔｒｉｏｃｔｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）、トリブチルホスフィン（ＴＢＰ，Ｔｒｉｂｕｔｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）等のホスフィン及びホスフィン酸化物；  ドデシルホスホン酸（ＤＤＰＡ，Ｄｏｄｅｃｙｌｐｈｏｓｐｈｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）、トリデシルホスホン酸（ＴＤＰＡ，Ｔｒｉｄｅｃｙｌｐｈｏｓｐｈｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）、ヘキシルホスホン酸（ＨＰＡ，Ｈｅｘｙｌｐｈｏｓｐｈｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）等のホスホン酸；  ドデジルアミン（ＤＤＡ，Ｄｏｄｅｃｙｌ  ａｍｉｎｅ）、テトラデシルアミン（ＴＤＡ，Ｔｅｔｒａｄｅｃｙｌ  ａｍｉｎｅ）、ヘキサデシルアミン（ＨＤＡ，Ｈｅｘａｄｅｃｙｌ  ａｍｉｎｅ）、オクタデシルアミン（ＯＤＡ，Ｏｃｔａｄｅｃｙｌ  ａｍｉｎｅ）等のアミン；  ヘキサデカンチオール、ヘキサンチオール等のチオール；  メルカプトプロピオン酸、メルカプトウンデカン酸等のメルカプトカルボン酸が挙げられる。特定の目的専用の追加の配位子も使用可能である。ナノロッド構造体の全長は例えば８ｎｍから５００ｎｍの間、より良くは１０ｎｍから１６０ｎｍの間となり得る。ロッドの全直径は例えば１〜２０ｎｍの間、特に１〜１０ｎｍの間であり得る。典型的なナノロッドは、１．５以上、好ましくは３以上の長さ／直径のアスペクト比を有する。サイズ及び組成の制御によって、異方性ナノロッドの発光色を異なるサンプルに対して調整することができて、ディスプレイに必要な原色が提供される。例えば、単一の種類のロッドサンプルを単色ディスプレイ用の単色バックライト光源に使用することができて、異なる色で発光する二種以上の異なるロッドの組み合わせをカラーディスプレイ用に使用することができる。
【００５２】
上述のように、本発明の光学活性構造体１００は、ガラス又はポリマー製の基板上の層として生成され得る。その厚さは例えば１０ｎｍから数マイクロメートル（例えば２マイクロメートル以上）となり得る。代わりに、構造体１００は、ナノロッドを埋め込んで所望の機械特性、化学特性及び光学特性を与えるマトリクス物質を含み得る。マトリクス物質は、ポリマー（モノマー等の液体又は半固体の前駆体から形成される）、エポキシ、シリコーン、ガラス、シリコーン及びエポキシの混合物等の物質から選択可能である。ポリマーの具体的な例として、フッ化ポリマー、ポリアクリルアミドのポリマー、ポリアクリル酸のポリマー、ポリアクリルニトリルのポリマー、ポリアニリンのポリマー、ポリゼンゾフェノンのポリマー、ポリ（メチルメタクリレート）のポリマー、シリコーンポリマー、アルミニウムポリマー、ポリビスフェノールのポリマー、ポリブタジエンのポリマー、ポリジメチルシロキサンのポリマー、ポリエチレンのポリマー、ポリイソブチレンのポリマー、ポリプロピレンのポリマー、ポリスチレンのポリマー、及びポリビニルポリマーから選択されたポリマーが挙げられる。一実施形態では、ポリマーは、ポリビニル及びフッ化ポリマーから選択され得る。他の実施形態では、ポリマーは、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、又はポリメチルメタクリレートであり得る。ナノロッドの埋め込まれたこのようなマトリクスの厚さは例えば１マイクロメートルから１ミリメートル又はそれ以上であり得る。厚さは、好ましくは１０マイクロメートルから８００マイクロメートルの間、より好ましくは５０マイクロメートルから３５０マイクロメートルの間であり得る。
【００５３】
一実施形態では、本質的に均一な光源からの相対的に短波長の光（例えばＵＶ又は紫色）が構造体１００に向けられて、その構造体１００において、異方性ナノ粒子は、全てポンピング光よりも長い異なる波長の光を放出する複数の集団（組）であり得て、例えば、青色、緑色及び赤色で発光する集団であり得る。ナノ粒子は、ＵＶ又は紫色光の一部を吸収して、青色、緑色及び赤色のより長い波長で発光し、光を短波長から長波長に変換する。
【００５４】
図２Ａから図２Ｄを参照すると、整列したナノロッドを含有しポンピング光１０８に晒される光学活性構造体（ＡＰＥＬ）１００を用いた本発明の照明デバイス（又はバックライトシステム）の他の実施形態が示されている。これらの例では、所謂サイドポンピングが用いられていて、ＡＰＥＬが、層の少なくとも一つの縁から照射及びポンピングされる。上述のように、ポンピング光は、ランダムに偏光したものであってもなくてもよく、あらゆる適切なタイプの内部又は外部発光体からのものである。ＡＰＥＬはポンピング光を吸収して、その層内に存在するナノロッドのパラメータに応じて決定される一つ以上の色の実質的に偏光した光の放出によって、そのポンピング光を変換する。放出光の偏光及び色は、具体的なシステムの要求に応じて、例えばＬＣベースのディスプレイシステムのパラメータに応じて決定される。また、上述のように、整列したナノロッドを含有するＡＥＰＬは、ナノロッドの整列軸に垂直な平面に対して小さな角度範囲内の方向において優先的に伝播してディスプレイデバイスのＬＣパネルに向けられ得る光を放出する。
【００５５】
図面に示されるように、照明デバイス３００は典型的に、デバイスからの光出力の一般的な伝播軸ｄを定めるように構成される。このため、多様な適切な方法を用いて、軸ｄに沿った一つ以上の方向に向けて放出光を偏向させることができる。側方ポンピングを考慮すると、構造体１００上に向かうポンピング光の一般的な伝播方向Ｄと出力光の一般的な伝播軸ｄとの間の相対的な向きは、交差軸、好ましくは実質的に垂直な軸となるように選択される。
【００５６】
図２Ａの例では、反射表面２１４を構造体の一方の側において用いて、その側から放出される光を一般的な方向ｄに向けて反射させる。また任意で、更なる光指向素子、又は所謂光抽出素子２０９をデバイス３００に提供し、この例では、光抽出素子２０９は、構造体１００の他方の側の層である。このような光抽出素子２０９は、波長選択偏向器（例えば、格子、多層薄膜コーティング、多層ポリマーフィルム）、又は、一つ以上の屈折界面を定める屈折素子、例えば、回折レンズアレイ、又は構造体の傾斜表面（楔又は楔型表面）であり得る。光抽出素子２０９は、光学活性構造体１００と一体であるか、その外部に取り付けられるか、又は、間隔を空けて配置されて光抽出素子２０９と構造体１００との間にギャップを設ける。このようなギャップは、屈折率整合を与える物質で充填され得る。整列したナノロッドがマトリクス又はキャリア内に埋め込まれている構造体１００の構成を考慮すると、これは、ポンピング光波長に対する導波路として構成され得る。図面における導波路の形状は矩形断面を有するものとして例示されているが、楔型の形状、表面の湾曲した楔状等の他の形状又は他の幾何学的形状を本願における目的のために用いることができる点は留意されたい。図２Ｂは、本発明の照明デバイス３００のもう一つの構成を例示し、その構成は、出力光の一般的な伝播軸ｄに沿って両方向に出力される実質的に偏光した光を提供するように構成されている。この例では、光抽出素子２０９は光学活性構造体１００の両面に設けられている。このような構成は、ディスプレイパネルの両面に画像を提供するように構成されたディスプレイシステム用に用いられ得る。
【００５７】
図２Ｃ及び図２Ｄは、上述の図２Ａ及び図２Ｂの偏光照明デバイスに用いるのに適した具体的であるが限定的ではない例の光学活性構造体ＡＰＥＬ１００の上面図を示す。図２Ｃにおいて、構造体は、キャリア内に埋め込まれて整列されたナノロッド１０４（同じ又は異なる組のもの）によって形成された層を含み、ナノロッドは、側方のポンピング方向Ｄに平行な軸に沿って漸増する密度（濃度）で分布している。キャリアは導波路として構成され得る。濃度勾配及び変化する濃度は、構造体からの最適な発光用に調整される。この図２Ｃの例では、ナノロッドの濃度は不均一であり、ポンピング光源から離れるほどロッドが多くなり近づくほどロッドが少なくなる勾配が存在する。構造体１００から放出される偏光は、励起光の方向Ｄに垂直な出力光の一般的な伝播軸ｄに沿って（例えばディスプレイ部分に向けて上方に）向けられる。図２Ｃ及び図２Ｄでは、ナノロッドは方向Ｄに垂直に整列される。しかしながら、他の整列軸の向きも可能であり、場合よっては好ましくなる点に留意されたい。例えば、ナノロッドは、図面の平面内において、方向Ｄに対して４５度又は１３５度の向きの軸に沿って整列され得る。このような整列角度は、場合によって、偏光設計のスクリーン製造業者によって用いられる。この構成は、構造体に沿ったポンピング光の吸収を補償することができて、実質的に一様な照明をデバイス全体にわたって得ることができる。ナノロッドの空間分布は特定の２次元パターンを有することもできて、構造体の光分布によって生じる２次元効果に適応する。
【００５８】
図２Ｄの例では、構造体１００には、構造体１００の一方の側に隣接／接続して配置された別個の光指向器３１２が付随している。ポンピング照明は、多様な方向に沿って構造体１００に入射し得る。特に、ポンピング照明（ポンピング光１０８）は、特定の一般的な方向Ｄに沿って構造体１００に向けられて、光指向器３１２に接続する側の反対側において構造体１００に入射し得る。代替的に又は追加的に、ポンピング光は他の方向から構造体１００に向けられ得て、そのような一つの方向も図２Ｄに示されている。ポンピング光１０８Ａは、方向Ｄに垂直な方向から構造体に入射する。この例では、整列したナノロッドが、キャリア内に埋め込まれるか、又は基板上に堆積され得て、キャリア／基板に沿って実質的に均一な濃度分布を有する。図面に示されるように、好ましくは、光指向素子３１２は、放出光の波長に対する導波路として構成されて、更にこの図面に示されるように、導波路は、光の全反射を破り光抽出層として動作するように構成された楔又は楔型表面を備えるように構成され得る。また、導波路３１２は、その他方の表面（図２Ｄの底面）上に反射層（好ましくは偏光保持反射器）を含み得る。このような構成は、構造体内に必要な異方性ナノ粒子を少なくするので、より経済的になり得る。偏光放出光に光をダウンコンバージョンする効果は、外部素子３１２によって放出偏光が所定の方向に向けられる前に、構造体１００によって画定される限られた空間内で生じる。
【００５９】
ナノロッドを励起して偏光した光学的放射を放出させるポンピング光１０８は、多様な方向から構造体１００に向けられ得る。例えば、ポンピング光の一般的な伝播方向Ｄは、出力光（つまり、光学活性構造体１００によって放出されて、次に光指向素子３１２と相互作用する伝播光）の所望の一般的な伝播方向ｄに実質的に平行であり得る。代替的に又は追加的に、ポンピング光は多様な他の方向から光学活性構造体１００に入射し得て、このような一つの方向が図２Ｄに例示されていて、ポンピング光１０８Ａは、構造体１００内のナノロッドの整列軸に実質的に平行に伝播する。
【００６０】
上述のように、本発明の照明デバイスは、光抽出素子（例えば、図２Ｂの素子２０９）を利用し得る。楔型導光素子又は一般的に屈折構造／界面をナノロッドによって放出される光の光路内に使用することも、ナノロッドの発光の指向性を有利に利用することによって、デバイスの輝度を更に改善する。ナノロッドの発光の指向性は、光強度のわずかな一部のみが、ナノロッド整列軸に垂直な導波路の二つのファセットに伝播することによって、所望の伝播方向に放出光を向けることを単純化する点に留意されたい。
【００６１】
整列したナノロッドは、楔型キャリア内に埋め込まれるか、及び／又は、楔型の表面を備えた若しくは備えない導波路として構成された外部光指向器と接続するキャリア／基板内に埋め込まれ得ることを理解されたい。これは図３Ａから図３Ｃに例示されていて、偏光照明を提供するように構成され得て、バックライト照明システム用に使用可能な光学活性構造体が示されている。図３Ａから図３Ｃの例は、ナノロッド用のキャリア（例えば、ナノロッドがこのようなキャリア内に埋め込まれる）又は別個の光指向ユニットのいずれかである楔型光指向器の使用を示す。また、ナノロッドから放出される放射の指向性は、放出光の大部分が楔型導波路の許容角度範囲内で伝播するようにする。
【００６２】
図３Ａは、楔型のキャリア／マトリクス内に埋め込まれ共通の整列軸Ａを有する同じ又は異なる組（例えば同じ又は異なる波長で発光する）の複数のナノロッドによって形成された光学活性構造体１００を示す。構造体１００はサイドポンピング１０８に晒され、つまり、ポンピング方向Ｄは、構造体の出力光の伝播ｄに実質的に垂直で、また、この例では、整列軸にも垂直である。一般的にサイドポンピングでは、ポンピング方向は、ナノロッドの整列軸に平行であるか又は交差する（例えば垂直）のいずれかであるが、出力光の伝播軸とは交差する（好ましくは垂直）点を理解されたい。
【００６３】
図３Ｂ及び図３Ｃは、光学活性構造体１００の二つの構成を例示し、ナノロッド又はナノロッドのキャリア／基板が楔型光指向素子３１２と接続する。特に、構造体１００は、同じ整列軸を有する同じ又は異なる組のナノロッドを含有するストリップ状のフィルム又はシリンダー状の封止体であり、この構造体は楔３１２の広い方の面と接続する。ナノロッドは、楔型素子の底面に対して実質的に垂直（図３Ｂ）及び平行（図３Ｃ）に整列されるが、両方の場合において、界面に沿って延伸する。放出された放射の大部分が、その偏光ベクトルをスラブの面に略平行に向けて、順方向で導波路に入射するので、図３Ｃの構成が偏光のために有利となり得る。従って、後のスラブの側からの内部反射において、光の偏光が顕著に影響を受けない。図３Ｂ及び図３Ｃに示されるもの以外のナノロッドの整列角度が、より良い偏光出力及びより良い結合のために有用となり得る点に留意されたい。
【００６４】
光を楔型（又はスラブ）導波路内に結合するナノロッドの使用は、ＱＤ等の等方性ナノ粒子に対する多様な利点を提供する。特に、ナノロッドが図３Ｃに見て取れるようにシリンダー状封止体の長軸に実質的に平行に整列している一部実施形態では、放射の大部分が、偏光ベクトルをスラブの面に略平行に向けて、順方向で導波路に入射する。従って、後のスラブの側からの内部反射において、光の偏光が本質的に保たれて、偏光した光出力を提供して、顕著なエネルギーの節約を提供する。上述のように、他の一部実施形態では、楔（又はスラブ）の平面に垂直に向いたナノロッドを含有するストリップ状フィルム又はシリンダー状封止体を用いることができて、導波路とポンピング光源との間において導波路の広い方の端に配置される。結果としての放射の指向性は、光の多くが導波路の許容角度内にあるようにする。
【００６５】
図４Ａから図４Ｅを参照すると、本発明が、カラー偏光光源及び３次元ディスプレイ／プロジェクタ用の光源としてどのように使用可能であるのかが、例示されている。
【００６６】
図４Ａは、間隔の空けられた領域内に配置された異なる異方性ナノ粒子１０４Ａ、１０４Ｂ及び１０４Ｃの複数の組（この例では３つの組Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）を有する層状の光学活性構造体１００を示す。各領域は、特定の色で発光する異方性ナノ粒子を含み、例えば、ナノロッド１０４Ａの領域は赤色発光ナノロッドを含み、ナノロッド１０４Ｂは緑色発光ナノロッドを含み、ナノロッド１０４Ｃは青色発光ナノロッドを含む。全ての組／領域の全てのナノロッドは、同じ整列軸に沿って整列しているので、同じ偏光の光を放出する。この構成は、カラーディスプレイ用のバックライトを提供し得る。勿論、３つよりも多くの組／領域（異なる異方性ナノ粒子からの色）を有して、色域を増大させることができる。
【００６７】
図４Ｂは、上述の図４Ａの例と略同様に構成された光学活性構造体１００を示し、具体的には、ナノロッドが、異なる組のものであり、略Ｒにおいて二次元領域アレイに配置されている。しかしながら、図４Ｂの例において、少なくとも一つの軸に沿って（この例では両方の軸に沿って）局所的に隣接する領域のナノロッドは、実質的に垂直な整列軸Ａ１及びＡ２を有する。カラー特徴も、この構成において使用可能であり、例えば、局所的に隣接する領域が、異なる発光波長のナノロッドを含み得て、又は、各領域が発光の異なるナノロッドの混合物を含み得る。更に他の例では、構造体は、二つ以上のこのような層のカスケードを含み得て、各層は、異なって整列しているが同じ発光波長のナノロッドの組を有し、異なる層が異なって発光するナノロッドを含む。図４Ｃは、上述の図４Ａ及び図４Ｂの例と略同様に構成された光学活性構造体１００を例示する。しかしながら、図４Ｃの例では、アレイの一つの軸に沿って隣接する領域に配置されたナノロッドの組は、発光の波長が異なり、アレイの他の軸に沿って隣接する領域に配置されたナノロッドの組は、整列軸に実質的に垂直に整列される。このような構成は、カラー３次元ディスプレイ／プロジェクタシステム用に使用可能である。
【００６８】
電光掲示板等の多様なディスプレイシステムは、異なる色のストライプ状のカラー照明を利用し得る。これが図４Ｄ及び図４Ｅに例示されていて、光学活性構造体１００の二つの構成が概略的に示されていて、ナノ粒子が、間隔の空けられた細長の領域５０２、５０４及び５０６（ストライプ状）に配置されている。これまでの例と同様、ストライプ構成は、一般的に三原色（場合よっては四以上）を有するカラーディスプレイの構成と一貫していて、異なる色の画素の構成を提供する。各ストライプは、異なる原色で発光するナノロッドの異なる集団（組）を含む。図４Ｄでは、上述のように、各ストライプのナノロッドはそれに隣接するストライプに平行に整列されて、これまで異なる色の発光について指摘してきた全ての特性を備えた異方性偏光放出を提供する。図４Ｅでは、一部の隣接するストライプが、ナノロッドの整列軸においてのみ異なり（互いに垂直である）、他の一部の隣接するストライプが、ナノロッドの整列及び発光において異なる。図４Ｂ及び図４Ｃの構成と同様に、図４Ｅの構成は３次元ディスプレイシステムにおける使用に適している。こうした構成は、典型的には大型ディスプレイシステムに適していて、ディスプレイシステムにおけるカラーフィルタ層の必要性をなくすか、又は少なくとも減らし得る。従って、一般的に、こうした例では、偏光及び／又は色の異なる複数の異なる組が交互に配置される。
【００６９】
具体的には図示しないが、三次元ディスプレイに本発明の光学活性構造体１００を用いる場合、画素の直線偏光（隣接するものに対して垂直な偏光のナノロッドの組によって構成される）を、適切な偏光回転子（例えば、四分の一波長板）を用いて時計回り又は反時計回りの円偏光に変換することができる。例えば、これは、円偏光３次元グラス等の３次元視覚装置に適合するようになされる。
【００７０】
次に、図５Ａから図５Ｃを参照すると、照明デバイス４００からの指向性偏光出力光を提供するための多様な技術的解決策を用いた本発明の追加の例示的な実施形態が示されている。図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示されるデバイスは、偏光した指向性光を提供する大型ディスプレイ用の画素素子としても機能し得る。照明デバイス４００は、本発明に従って構成されたＡＰＥＬ構造体１００を採用していて、つまり、一つの軸に沿って一様に整列したナノロッドを含む（二つの軸に沿った整列も可能である）。図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、光学活性構造体がシリンダー状の構成を有するデバイスを示し、ナノロッドの長軸、又は構造体１００の整列軸は、図面の平面に対して垂直に延伸している。整列したナノロッドを用いて、且つ、構造体１００によって放出される光の偏光を実質的に維持するように構成された反射及び／又は屈折光学素子／界面を利用すること（そこから反射されるか又はそこを通過する）によって、出力光１１２’は、元々のナノロッドの整列軸に沿って実質的に偏光され得る。
【００７１】
ＡＰＥＬ構造体１００は、発光の波長によって互いに異なるナノロッドの一以上の組を含み得る。一つの組のナノロッドが他の組のナノロッドに対して平行又は垂直に整列されるように、ナノロッドの組は均一に整列される。
【００７２】
従って、照明デバイス４００は、キャリア内に埋め込まれた又は基板上に堆積させた一様整列ナノロッドを含有するＡＰＥＬ構造体１００と、放出光に関連した光指向／偏向ユニット２１４とを含む。照明デバイス４００は、ポンピング光１０８によって励起され、そのポンピング光１０８は、図５Ａに示されるように側方から、又は図５Ｂ及び図５Ｃに示されるように図面の平面内のあらゆる方向から、ＡＰＥＬ構造体上に向けられ得る。ポンピング光１０８は、光源１１０（例えばＬＥＤ、又は上述の他の光源や導光体）からＡＰＥＬ１００上に向けられて、その光源１１０は、ポンピング光１０８のコリメーション、集束、又は他の操作／光学処理に用いられるように取り付けられた光学素子（例えば、レンズ、回折レンズ）を含み得る。更に他の実施形態（例えば、図５Ｃ）では、照明デバイス４００は、光源１１０からのポンピング光に関連してポンピング光をＡＰＥＬ１００上に向けるように構成された光指向／偏向ユニット３１４を含む。ナノロッドの指向性及び双極子状放出によって、構造体１００から放出される光の大部分が、図面の平面に対して小さな角度範囲内の多様な方向に伝播するので、照明デバイスは、実質的にシリンダー（シリンダー状）の構成を有し得て、また、整列軸に沿って対称となり得る。従って、例えば、シリンダー状で対称な屈折、反射、及び回折素子が使用され得るが、異なる幾何学的形状他の光学素子、例えば球形ミラーやレンズも使用され得る。
【００７３】
本発明の一部実施形態は、互いに垂直に整列したナノロッドの組を含有した領域を使用し得る（３次元ディスプレイ用等）。こうした実施形態では、照明デバイスは、図５Ａ〜図５Ｃに示されるように各々が構成された照明ユニットのアレイに基づいたものであり得て、隣接するユニットが垂直な平面に沿って延伸するように照明ユニットが配置される。同様に、ロッドの長軸に沿って配置された複数の間隔の空けられた光源を、球形又はシリンダー状のいずれかの光学レンズアタッチメントと共に使用することができる。更に、光源素子１１０及び任意で取り付けられたレンズ１１１は対称性の異なるものであり得る。
【００７４】
光指向ユニット２１４は、光偏向器１２２（例えばシリンダー‐円形又はシリンダー‐パラボラミラー）と、光学ユニット１２０（例えば、一つ以上のレンズ、典型的にはシリンダー状レンズシステム）とを含む。光学活性構造体１００のナノロッドは、光源１１０によって放出されるポンピング光１０８によって励起される。光学的ポンピングは、ナノロッドを励起して、ナノロッドの整列軸に垂直な平面に対して小さな角度範囲内の軸に沿って（方向に）優先的に伝播する光１１２を放出させる。放出光１１２の一部光成分は、光反射器１２２から光学ユニット１２０に向けて反射され、一部光成分は、光学ユニット１２０に向けて直接伝播する。光指向ユニット２１４を用いて、出力光の偏向状態を実質的に維持しながら、デバイスの外へ放出される光の近似的に定義された一般的な伝播方向を提供する。また、光指向ユニット２１４は、光の漏れを減らして、エネルギーを節約する。従って、ＡＰＥＬ構造体１００から放出される光は、照明デバイス４００の使用に適した所定の適切な一般的伝播方向に向けられる。
【００７５】
図５Ａ及び図５Ｂは、パラボラ断面を有する光偏向器１２２の使用を示し、レンズユニット１２０と組み合わせて作用すると、コリメーション及び集束の効果の組み合わせを提供し、つまり、コリメートされた光１１２’及び集束光１１２”を提供する。対照的に、図５Ｃの例では、偏向ユニット１２２が、円形断面の反射ミラーであるので、デバイスからコリメートされた出力光１１２’が提供される。光学活性構造体１００は、レンズユニット１２０の前方焦点面に配置されるのが好ましく、また、その中心が光偏向器１２２の曲率中心に一致するように配置されるのが好ましい。この構成は、集束成分がなく、実質的に平行な光出力（コリメートされた光）１１２’を提供する。
【００７６】
光偏向器１２２及びレンズユニット１２０の使用についての上記例は、広範に解釈されるものであって、多様な他の構成（例えば、多角形光偏向器等）が使用可能である点に留意されたい。また、光学素子及びＡＰＥＬ構造体１００の相対的な位置は、所望の照明パターン及びデバイスから出力される光の角度分布に応じて、異なり得る点にも留意されたい。
【００７７】
図５Ｃは、ポンピング光１０８に関連して光指向ユニット３１４内に含まれる光偏向器１２６（例えば反射器）及び光学ユニット１２４（例えば一つ以上のレンズ）の使用を例示する。また、図５Ｃは、コリメートされた出力光１１２’を提供するように構成されたシリンダー状光偏向器１２２の使用も例示する。光学活性構造体１００のナノロッドは、光指向ユニット３１４によって構造体１００上に向けられるポンピング光１０８によって励起される。ＬＥＤ等の非指向性光源１１０から放出されるポンピング光は多様な方向に伝播し、光偏向器１２６によって構造体に向けて反射される一方、レンズユニット１２４によって構造体上に集束されもし得る。光偏向器１２２は波長選択性であり得て、つまりポンピング光の波長範囲の光を透過させる一方、放出光１１２の波長範囲の光を反射するように構成され得て、また、例えば、デバイスから出力される光の所望のパターン／分布を提供するように構成された実質的に円形断面（又は他の幾何学的形状）を有するシリンダー状光偏向器として構成され得る。光偏向器１２２は、波長選択透過性（例えば、二色性ミラーの領域）のパターン（例えば、間隔の空けられた領域）を有し得るので、ＡＰＥＬに向かうポンピング光の伝播用の波長選択領域（開口）を提供する一方で、放出光用の反射器として偏向器の内部表面の他の部分（ＡＰＥＬに向き合う）を残しておく。一部実施形態によると、光偏向器１２２は、内部反射表面を有するシリンダー状光偏向器の領域によって囲まれた二色性（波長選択性）の平坦な領域を有し得る。
【００７８】
図５Ａから図５Ｃに示される照明デバイス４００からの光は、光指向素子（図２Ａ又は図３Ａの素子３１２等）に更に結合され得る。出力光が所定で所望の照明パターン／光分布に応じて選択された許容角度１３０内にあるように、照明デバイス４００又は光指向ユニット２１４は構成され得る。特に、レンズユニット１２０の前方焦点面が、光偏向ユニット１２２（好ましくはパラボラ）の焦点領域（空間上の点又は線であり得る）と一致するように構成されていて、ＡＰＥＬ構造体１００がその上に配置されている場合、放出光は、コリメート及び集束された光の組み合わせである（図５Ｂに示されるように）。代わりに、レンズユニット１２０の前方焦点面が、光偏向ユニット１２２の焦点領域の上方の短距離にある（一般的な光の伝播方向の下流）ように構成されて、ＡＰＥＬ構造体１００が焦点面と焦点面の間の位置に配置されている場合、レンズユニット１２０は程度の異なる集束光を提供する。逆に、レンズユニット１２０の前方焦点面が、パラボラ状偏光ユニット１２２の焦点領域の下方に存在する（一般的な光の伝播方向に対して下流）場合、一部又は全ての放出光１１２’は、光学活性構造体１００の正確な位置に応じて、発散する。より一般的には、照明デバイスの正確な構成、つまり、光指向／抽出素子に対する構造体１００の位置、並びにこのような光指向／抽出光学素子の種類（例えば、多様な焦点距離を有する）は、得られる出力光１１２’の所望の角度分布に応じて選択される。出力光の最適な発散／収束角度は、照明パターンと、エネルギー効率と、照明デバイス／ユニットの全体的な寸法との間のバランスを維持しながら、達成可能である。
【００７９】
次に、図６を参照すると、ポンピング光源１１０及び光学活性構造体ＡＰＥＬ１００を利用したディスプレイシステム２００の具体的であるが限定的ではない例が概略的に示されている。システム２００は、ディスプレイ部２０１（画素配列部）及びバックライト部２０３に一般的には分けられる。好ましくは、光学活性構造体１００は、多色発光用に構成され、上述の例示的な構成のいずれか（例えば、平坦なもの、カスケードのもの）を有し得る。画素配列部２０１は、ＬＣパネル２０４として構成されるので、システム２００は、ＬＣパネルの出力において第一の偏光子２０６を含む。また、システム２００は、光学カラーフィルタ２１６と、照明デバイス２０２の出力において第二の偏光子２０２も含む。
【００８０】
使用の際には、ポンピング光源１１０からの短波長非偏光放出（波長λ０）が光学活性構造体１００を照射して、その光学活性構造体１００が、ディスプレイデバイスに必要な色域を備えた偏光を放出する（例えば波長λ１、λ２、λ３）。構造体１００から放出された偏光は、光学偏光子２０２を通過して、次に液晶構造体２０４を通過し、偏光子２０６を通過する。ＬＣ物質は、ＲＧＢフィルタ及びそれらに取り付けられた偏光子（図示せず）を備え得る二枚のガラス板の間に配置され得る。偏光子２０２を用いて、クリーンでより完璧な偏光状態を得ることができる。ＬＣ構造体２０４を空間光変調器として用いて、画素の出力を変調させることができる。ＬＣ構造体２４０の画素セルは、そこを通過する光をブロックし得て、又は代わりに、光の偏光角を変更することによって、偏光子２０６内で吸収されるように変調された光を生じさせて、また、透過光の強度の変調を生じさせる。更に任意で、システム２００には、拡散器２０８、輝度増強フィルム（ＢＥＦ）２１０、二重輝度増強フィルム（ＤＢＥＦ，ｄｕａｌ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｆｉｌｍ）２１２等の一つ以上の光学素子が設けられて、拡散器２０８は、光分布を空間的に一様にして、また、構造体１００に直接光学的に取り付けられている場合には、そこからの光抽出を補助する。素子２１０及び２１２を用いて、光を再利用することによって、輝度を改善することができる。本願の非限定的な例では、システム２００は反射器２１４も含み（その提供は任意）、その反射器２１４は、構造体１００と反対側のポンピング光源１１０の他方の側において配置される。反射器は、光源及び他の素子からのポンピング光の一部を再循環させることができる。別個の部品として図示されているが、本質的な機能を維持しながら、多様な層／構造体を多様な構成で結合したり組み合わせたりし得る点を理解されたい。カラーフィルタ層２１６は任意であり、カラーディスプレイのカラー画素を決めるのに用いられる。
【００８１】
以下の説明は、特定の光学活性構造体を作製するための具体的ではあるが非限定的な例である。
【００８２】
〈実施例１〉：  ポリマーマトリクス内に整列させたナノロッドを備えた光学活性構造体を作製した。ポリマーフィルムを機械的に引き伸ばすことによって、ロッドをポリマーフィルム内で整列させた。第一ステップとして、ナノロッドを、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ，２００ｍｇ）及びトルエン（２．４ｍｌ）のモノマー溶液と混合した。フィルム中のナノロッド濃度を、フィルムに加えられる量によって、典型的にはＰＶＢの重量の０．５〜３重量％の範囲内で制御した。非散乱混合物を得ることができた。ブロックが、ポリマー／ナノロッド溶融物からモールド内で成型されて、１２時間真空中で乾燥されて、直径１インチで厚さ０．４ｍｍのフィルムが得られた。引き伸ばすステップでは、ブロックを機械的引き伸ばしデバイスに配置した。引き伸ばしの間、サンプルの前方に赤外線放出ランプを配置することによって、サンプルを１１００に加熱した。一方向にゆっくりと（０．５ｍｍ／分）引っ張ることによって、サンプルを引き伸ばした。フィルムを８倍に伸ばすと、引き伸ばしを止めて、引き伸ばされたフィルムをその新しい構成で冷却した。機械的引き伸ばし工程は、引き伸ばし方向に沿った優先的なナノロッドの整列を目的としている。これは、好ましくは整列軸に沿って偏光した光を放出する好ましく整列したナノロッドを備えたスタンドアローン型ポリマーフィルムを提供する。放出を測定して、放出の偏光値を抽出した。整列軸に対して平行な放出と垂直な放出との間で測定された偏光比は、具体的な条件に依存して、２．４〜３．３であった。より高い値は、より顕著に引き伸ばすことによって達成可能である。
【００８３】
例えば、単色ディスプレイ用に、６２０ｎｍで発光するＣｄＳｅシードを備えたＣｄＳロッド（ロッドサイズ４１ｎｍ×５．３ｎｍ）を適用した。二色ディスプレイ用に、寸法の異なるＣｄＳｅシードを備えたＣｄＳロッドの二つのサンプルの混合物を適用した。第一のサンプルは６３０ｎｍで発光し（赤色ロッド、ロッドサイズ３６ｎｍ×７ｎｍ）、第二のサンプルは５５０ｎｍで発光した（緑色ロッド、ロッドサイズ２５ｎｍ×３ｎｍ）。
【００８４】
ここで、このサンプルで用いられたシーディングロッドは、その発光の自己吸光度が低い点に留意されたい。これは、ＤＢＥＦフィルムが、より高い偏光が達成されるまで望ましくない偏光を何度も再循環させるために用いらえる場合に特に重要である。小さな自己吸光度であっても、ＤＢＥＦを不十分なものにし得る。また、赤色発光ナノロッドは、ドットと比較して、緑色領域において非常に小さな吸光度を有する。これによって、赤色が青色又はＵＶの入力によってのみ励起されるので、赤色と混合された緑色のナノロッドを含有するフィルムの性能がより良くなる。従って、ナノロッドの追加特性が、このようなフィルムを、通常の量子ドットで作製された同様のフィルムに対して優れたものにすることを可能にする。このようなナノロッドのいくつかの特徴については、本願の譲受人による特許文献３に開示されており、その開示は、一部実施例を参照することによって本願に組み込まれる。
【００８５】
バックライトユニットを構築するため、上記光学活性構造体を青色発光光源（略４５０ｎｍ、２０ｍＷ、２．４カンデラで発光）の上に配置した。緑色ロッド及び赤色ロッドの濃度は、所望の色域を提供するように調整されて、二色ディスプレイ用のバックライト用に使用可能とされた。他の実施では、青色光の一部を通すように濃度を調整して、フルカラーディスプレイを提供した。光は、活性異方性ナノ粒子層の後に、光学活性構造体の主整列軸に平行な移送軸を備えた偏光子に通された。これは、光のより完璧な偏光特性を得るために行われた。重要なのは、非偏光による光の損失はこの場合最小であって、高エネルギー効率が提供された点である。そして、光は、液晶変調器及びディスプレイの残りの部分に移された。
【００８６】
〈実施例２〉：  スタンドアローン型ナノロッドを備えた光学活性構造体を作製した。使用されたロッドは、寸法６７ｎｍ×５ｎｍであり６２２ｎｍで発光するＣｄＳｅシードを備えたＣｄＳロッドである。ロッドをガラス基板又はポリマーフィルム上に整列させた。第一の方法では、ナノロッドを溶液からガラス上に堆積させて、次に、ベルベット布をこすることによって整列させた。代わりに、こすっている間にロッドの溶液を適用した。ベルベット布は、こする方向に沿った優先的なナノロッドの整列を目的としている。これは、整列軸に沿って好ましく偏光した光を放出する好ましく整列したナノロッドをもたらす。これは、単色ディスプレイ用に使用可能であった。
【００８７】
ディスプレイ用二色バックライトユニットを実施して、これは、三番目の色として機能するフィルムを通る非吸収青色発光を備えたディスプレイ用三色バックライトユニットに拡張可能である。濃度の異なるＣｄＳｅシードを備えたＣｄＳロッドの二つのサンプルの混合物を適用した。６２２ｎｍで発光する第一のサンプル（赤色ロッド）及び５４０ｎｍで発光する第二のサンプル（緑色ロッド）は、二つのピークを示す放出の組み合わせを生じさせる。ナノロッドの発光の偏光及び指向性を以下のように測定した。
【００８８】
６２２ｎｍで発光するサンプルフィルムを、スペクトルの青色領域で発光するＬＥＤで照射した。この層によって放出された光を、透過した青色光を除去して放出を分離するためにフィルタに通した。発光強度を、ＣＣＤを用いて測定した。偏光子によって、全強度並びに二つの偏光に沿った強度、つまりナノロッドの方向に沿った強度及び直交方向の強度を測定した。所望の偏光の光強度対直交偏光の光強度の比として定義される偏光比（ＰＲ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）は３．３：１であった。ナノロッドの長手寸法と同じ方向の軸を備えた偏光子を通過させると、一般的な非偏光に対する５０％と比較して、ナノロッドの放出は７７％を示した（偏光子自体において生じる損失を無視）。双極子状発光体に対して予想されるように、ナノロッドの整列軸に垂直な平面に対して小さな角度範囲内の軸に沿った方向に放出が集中していて、ナノロッドの先端方向において減少しているが、水平面内の方位方向においては略均一であることがわかった。まずナノロッドが完璧にはフィルム内に配向しておらず、単一のパラメータσ（分布の標準偏差）で特徴付けられる方向分布で整列していると仮定する理論モデルを考案した。更に、個々のレベルにおいて、個々のロッドの無限の（最大）ＰＲ値を意味する純粋な双極子としてナノロッドが発光すると仮定しなかった。そうではなくて、溶液中のナノロッドの事前測定は、個々のロッドに対して６のＰＲ値を示した。理論モデルと比較すると、こする事によって１０度のσ値での整列が達成されると考えられる。ナノロッド１３０の長軸に平行に偏光した光強度の仰角（θ）の変化及び数値シミュレーション１４０に対する一致が図１Ｄに示されている。ナノロッドの１５０の長軸に平行に偏光した光強度の方位角（φ）の変化及び対応する数値シミュレーション１６０に対する一致が図１Ｅに示されている。
【００８９】
予測されるように、発光は、子午面において強く、先端方向において減少するが、方位方向において略均一であるとわかった。理論解析との比較によると、こすることによって、１０度のσの整列が達成されると考えられる。極角及び方位角での強度及び偏光の変化と数値シミュレーションに対する一致が図１Ｄ及び図１Ｅに示されている。
【００９０】
バックライトユニットを構築するため、上記光学活性構造体を青色発光光源（略４６０ｎｍで発光）の上に配置した。緑色ロッド及び赤色ロッドの濃度は、所望の色域を提供するように調整されて、二色ディスプレイ用のバックライト用に使用可能とされた。他の実施では、青色光の一部を通すように濃度を調整した。光は、光学活性構造体の後に、光学活性構造体の主整列軸に平行な移送軸を備えた偏光子に通された。これは、光のより完璧な偏光特性を得るために行われた。重要なのは、非偏光による光の損失はこの場合最小であって、高エネルギー効率が提供された点である。そして、光は、液晶変調器及びディスプレイの残りの部分に移された。
【００９１】
〈実施例３〉：スタンドアローン型ナノロッドを備えた光学活性構造体を作製した。ロッドを、本願の譲受人による上記特許文献１に記載されているようなパターン化電極を備えたガラス基板上に整列させた。この方法では、電極間に交流電場を印加しながら、ナノロッドを溶液からガラス上に堆積させた。溶液の乾燥中に、ナノロッドが、印加電場の方向に平行に優先的に整列した。これは、整列軸に沿って好ましく偏光した光を放出する好ましく整列したナノロッドを備えた層をもたらす。偏光比の典型的な値は２から４．７の間であり、各色の発光体は、使用されたナノロッドの具体的な種類、ナノロッドの体積及び整列条件に応じて、異なる偏光比の値を有し得る。バックライトユニットを構築するため、上記活性異方性ナノ粒子層を青色発光光源（略４６０ｎｍで発光）の上に配置した。緑色ロッド及び赤色ロッドの濃度は、所望の色域を提供するように調整されて、二色ディスプレイとして使用可能とされた。他の実施では、青色光の一部を通すように濃度を調整した。光は、光学活性構造体の後に、光学活性構造体の主整列軸に平行な移送軸を備えた偏光子に通された。これは、光のより完璧な偏光特性を得るために行われた。重要なのは、非偏光による光の損失はこの場合最小であって、高エネルギー効率が提供された点である。そして、光は、液晶変調器及びディスプレイの残りの部分に移された。
【００９２】
従って、本発明は、ディスプレイ／プロジェクタに対して多様な色の偏光及び／又は直交偏光を提供するために、一つ又は二つの軸に沿って一様に整列したナノロッドに基づいた光学活性構造体を用いた偏光光源用の新たな試みを提供する。このような試みは、バックライトをパッシブ偏光子に向ける既知の方法よりも有利である。実際、本発明の光学活性は偏光を放出して、完璧な偏光に対しては略２倍も偏光子によって透過される光を増大させることができるので、本発明は、バックライトの偏光によって顕著に改善されたエネルギー効率を提供する。この増大は、部分偏光に対しても顕著なものとなり得る。例えば、液晶第一偏光子の軸と同じ軸を備えた９０％の偏光に対して、倍率は略１．８（＝９０／５０）である。これは、複雑で高価なＤＢＥＦフィルムの性能と同等又はそれ以上になり得る安価で効果的な解決策を提供する。更に、本発明は、バックライトシステムの構造を単純化する。何故ならば、光学活性構造体が既に偏光した光を放出するので、少ない数の層で同様の又はより良い性能が達成されるからである。これは、発光強度の角度変化が双極子と同様である光学活性構造体内のナノロッドの追加的な特徴に関係している。光は長軸方向にはほとんど放出されず、より強力な放出がその長軸方向に垂直な方向に向けて提供される。これは、望む方向に放出される光のより良い使用を可能にする。更に、本発明は、非常に大きくてフレキシブルな色域の可能性を備えたバックライトシステムを提供する。何故ならば、所望の原色で発光するナノ物質の組み合わせを活性異方性ナノ粒子層内に配置することができるからである。
【符号の説明】
【００９３】
１００  光学活性構造体
１０２  層
１０４、１０６  ナノロッド
１０８  ポンピング光
１１０  光源
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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