(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプフィールドの励起に応答して、１つまたは２つ以上の波長の光を出射するように構成された複数のナノロッドおよび出力光の強化のための散乱粒子を含む、少なくとも１つの光学活性構造であって、複数のナノロッドは出射光の所望の偏光方向を生成するように所定の整列軸に整列されたものである、前記光学活性構造；および
発光構造から出射される光の光学経路内に１つまたは２つ以上の再指向光学要素を含み、前記１つまたは２つ以上の再指向光学要素のそれぞれが、前記光の偏光に実質的に影響を与えることなく、前記再指向光学要素と相互作用している光の伝播の方向に影響を与えるように構成されている、光指向アセンブリであって、それによって、出力光の偏光と強度分布を最適化することによって、発光構造からの出射光の出力を増強するように構成されている、前記光指向アセンブリ
を含む、偏光光源。
【請求項２】
１つまたは２つ以上の光再指向光学要素が、次のもの：光再使用光学要素、反射層、および拡散層の内の少なくとも１種を含む、請求項１に記載の偏光光源。
【請求項３】
１つまたは２つ以上の光再指向要素が、その主複屈折軸が発光ナノロッドの整列軸に実質的に平行、または実質的に直角であり、それによって前記１つまたは２つ以上の光再指向光学要素を通過する出射光の偏光特性を保存するように、複数のナノロッドの整列軸に対して整列されている光再指向要素を含む、請求項１または２に記載の偏光光源。
【請求項４】
１つまたは２つ以上の光再指向要素が、低複屈折性を有して構成された、少なくとも１つの光再指向要素を含み、実質的に１００ｎｍを超えない遅延係数を規定して、それによって出射光の偏光特性を保存する、請求項１から３のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項５】
低複屈折性を有して構成された、少なくとも１つの光再指向要素が、実質的に５０ｎｍを超えない遅延係数を有する、請求項４に記載の偏光光源。
【請求項６】
光学活性構造が、ホスト母材を含み、複数のナノロッドは、前記ホスト母材内に埋め込まれ、前記光学活性構造は、ナノロッドから出射される光の偏光特性を実質的に維持しながら、前記出射光の出力を増強するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項７】
光学活性構造が、複数のナノロッドと混合されて、ホスト母材内に埋め込まれた、複数の散乱粒子をさらに含み、前記散乱粒子は、前記ホスト材料に対して、異なる複屈折特性を有する、請求項６に記載の偏光光源。
【請求項８】
ホスト母材が、該ホスト母材のゼロまたは比較的低い複屈折特性を有する、等方性材料組成物で形成されており、散乱粒子が、所定の非ゼロ複屈折特性を有して構成されている、請求項７に記載の偏光光源。
【請求項９】
散乱粒子が、ホスト母材の材料成分物の速軸と遅軸の間の複屈折率の差と比較して、ゼロまたは比較的低い複屈折率を有する、請求項７に記載の偏光光源。
【請求項１０】
散乱粒子が、整列軸に沿って偏光された光成分に対する屈折率における不整合をもたらしながら、前記整列軸に垂直な偏光方位を有する光成分に対して屈折率整合をもたらすように構成されている、請求項８または９に記載の偏光光源。
【請求項１１】
光指向アセンブリが、光学活性構造に向かって伝播するポンピング光の光学経路内に位置する拡散体を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項１２】
拡散体が、光学活性構造に光学的に取り付けられている、請求項１１に記載の偏光光源。
【請求項１３】
拡散体が、５０％から９５％の間のヘイズ率を有して構成されている、請求項１１または１２に記載の偏光光源。
【請求項１４】
拡散体が、８０％から９５％の間のヘイズ率を有して構成されている、請求項１３に記載の偏光光源。
【請求項１５】
光指向アセンブリが、光学活性構造から伝播する出射光の光学経路内に位置する、少なくとも１つの拡散層を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項１６】
少なくとも１つの拡散層の１つが、光学活性構造に光学的に取り付けられている、請求項１５に記載の偏光光源。
【請求項１７】
拡散層が、５０％から９５％の間のヘイズ率を有して構成されている、請求項１５または１６に記載の偏光光源。
【請求項１８】
拡散層が、８０％から９５％の間のヘイズ率を有して構成されている、請求項１７に記載の偏光光源。
【請求項１９】
光学活性構造を励起するための、ポンピング光を生成して再指向させるように構成された光学ポンピングアセンブリをさらに含み、前記光学ポンピングアセンブリが、直接バックライトポンピング光アセンブリとして構成されて、ポンピング光を、偏光光源の光出力方向に実質的に平行な軸に沿って、前記光学活性構造上に指向させる、請求項１から１８のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項２０】
光学活性構造を励起するための、ポンピング光を生成して再指向させるように構成された光学ポンピングアセンブリをさらに含み、前記光学ポンピングアセンブリは、エッジライトバックライトポンピング光アセンブリとして構成されて、ポンピング光を、偏光光源の光出力方向に実質的に垂直な軸に沿って、前記光学活性構造上に指向させる、請求項１から１８のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項２１】
ポンピング光源からポンピング光を受けるともに、前記ポンピング光を光学活性構造に向けて指向させるように構成されたライトガイドユニットをさらに含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項２２】
光学活性構造が、該光学活性構造に対して、機械的支持、および歪保護、および化学的保護の少なくとも１種を提供するように構成された、保護層構造をさらに含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項２３】
保護層構造が、次の構成：保護層構造が、その主軸がナノロッドの整列軸に平行となるように配向されている構成、および前記保護層構造が、１００ｎｍ未満の遅延を誘発するように構成されている構成、の少なくとも一方を有する、請求項２２に記載の偏光光源。
【請求項２４】
保護層構造が、次のもの：透明カプセル化層、バリア層、および機械的支持フィルム、の少なくとも１種を含む、請求項２２または２３に記載の偏光光源。
【請求項２５】
少なくとも１つの光学活性構造と光指向アセンブリが、光学スタック配設を一緒に画定しており、該光学スタック配設は、少なくとも２つの層を含み、該少なくとも２つの層は、その複屈折の主軸が互いに平行になるように配向されており、
前記光学スタックは、それによって、前記光学活性構造から出射されて前記光学スタックを通過する光の、所定の偏光特性を実質的に保存する、請求項１から２４のいずれか一項に記載の偏光光源。
【請求項２６】
請求項１から２５のいずれか一項に記載の偏光光源と、該偏光光源の出力光の空間分布を変更させて、それによって表示画像を提供するように構成された、空間変調ユニットとを含む、ディスプレイ装置。
【請求項２７】
照明デバイスでの使用に適する、光学スタック配設であって、
１つまたは２つ以上の層の複屈折の主軸が互いに平行になるように配向された、前記１つまたは２つ以上の層を含み；
それによって、前記光学スタックは、それを通過する光の所定の偏光特性を実質的に保存し、光学スタックの主軸に平行な所定の軸に沿って整列された複数のナノロッドを含む光学活性層をさらに含み、前記光学活性層は、出力光の強化のための散乱粒子をさらに含む、前記光学スタック配設。
【請求項２８】
それを通過する光の均一性を増大させるように構成された、少なくとも１つの拡散層をさらに含む、請求項２７に記載の光学スタック。
【請求項２９】
ポンピング光源、および請求項２７または２８に記載された光学スタックを含む、ディスプレイ装置に使用するための、バックライトユニット。
【請求項３０】
請求項２９に記載のバックライトユニットと、出射光の空間分布を変更させて、それによって表示画像を提供するように構成された、空間変調ユニットとを含む、ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源の分野であって、ディスプレイ装置におけるバックライトユニットとして特に有用である、偏光光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本開示の主題の背景として関連すると考えられる参考文献を以下に列挙する。
１．ＵＳ２０１１／０２９９００１
２．ＷＯ２０１２／０５９９３１
３．ＵＳ２０１３／００２６５０６
４．ＵＳ８，４７１，９６９
５．ＵＳ２０１２／０１１３６７２
６．ＷＯ２０１２／０２１６４３
７．ＷＯ２０１０／０１５５７４９
８．ＵＳ５，８２５，５４３
９．ＷＯ２００８／０２７９３６
１０．ＵＳ７，２７８，７７５
１１．ＵＳ８，０３３，６７４
１２.  「A polarized laser backlight using a zero-zero-birefringence polymer for liquid crystal displays」、Takahiro Kurashima, Koichi Sakuma, Takayuki Arai, Akihiro Tagaya, Yasuhiro Koike, Optical Review, Volume 19, Issue 6, pp. 415-418 (2012)
１３．ＵＳ６，７４６，１３０
１４．ＵＳ２００８／０２８５２５５
１５．ＵＳ６，１１１，６９６
１６.「Novel wide viewing liquid crystal display with improved off-axis image quality in a twisted nematic configuration」, Seongmo Hwang et al., Samsung Electronics Co. Ltd, Optical Engineering 48(11), p. 114001 (November 2009).
本明細書における上記の参考文献の認知は、いかなる意味でも本願で開示された主題の特許性に関係することを意味するものとは推論すべきではない。
【０００３】
フラットスクリーンディスプレイは、コンピュータ、携帯電話、およびテレビジョンセットなどの様々なデバイスに広範に使用されている。液晶（ＬＣＤ）は、フラットスクリーンディスプレイの主要部分を代表する。ＬＣＤは、背面照射ＬＣパネルを使用し、このＬＣパネルは、通常、多層構造であって、観察者に向かう光の透過を変調させるように構成された液晶層を含む。各ピクセルを透過する光は、液晶の偏光状態を変化させることによって制御される。
【０００４】
ＬＣＤは、偏光バックライト照明を使用する。現在のカラーＬＣＤディスプレイは、非偏光の、一般的に白色の、光（すなわち、特定の偏光のない多色光）を出射するバックライトユニット、および出射された非偏光の光学経路内にある偏光体を使用する。すなわち、特定の偏光の選択は、エネルギー損失の代償を伴い、例示的には、光源によって出射された光の５０％超が、偏光体を通る光通過によって失われることがある。この問題は、エネルギー節約が重要な要素である、ＬＣＤディスプレイに対して重大である。さらに、この問題は、バッテリ寿命と高いバックライト輝度が重要な要因である携帯用デバイス（ラップトップ、セルフォン、タブレット、など）においては、重大となる。
【０００５】
ナノ構造の発光特性に基づくバックライト照明装置が開発されており、例えば、本出願の譲受人に譲渡された、国際公開ＷＯ２０１２／０５９９３１に記載されている。この技法によれば、ディスプレイ用のカラー偏光光源として使用することのできる、光学活性構造が提供される。この構造は、ポンピング場に応答して、それによって出射される光の波長と偏光の少なくとも一方において互いに異なる、少なくとも２つの異なる群の光学活性ナノロッドを含む。同じ群のナノロッドは、特定の整列軸と均質に整列されている。
【発明の概要】
【０００６】
当該技術において、ナノ構造との相互作用する光の偏光を最大化することに加えて、偏光の出力効率を最大化するための、発光ナノ構造に基づく偏光光源を構成するための新規のアプローチに対するニーズがある。本発明は、励起場（光学または電気ポンピング場）に応答して、特定の偏光の光を出射するように、選択された大きさの整列されたナノロッドを含む、１または２以上の光学活性層／フィルム；および偏光保存光（配向／誘導／抽出）アセンブリを含む、偏光光源を提供する。後者は、光学的に活性な層／フィルムと一体であるか、またはその外部にあってもよい。
【０００７】
なお、ＬＣＤバックライトユニット内部で通常、使用される様々な光学要素を通過するか、またはそれと相互作用する光に対して、一般的に、光の偏光は保存されなくてはならないことに留意すべきである。そのような光学要素としては、一般的に、リフレクタ、ライトガイド、拡散体、輝度増強フィルム、その他を挙げることができる。すなわち、そのような偏光光源の構造および構成は、液晶層（例えば、ピクセルマトリックス）に入射する光が望み通りに偏光されたままとなるように、出力光の所望の偏光を維持するように、注意深く設計されるべきである。このために、本発明は、偏光光源を、バックライトユニット（ＢＬＵ）の相補的光学要素とともに一体化することによって、偏光発光ベースのバックライトを得るために、様々なバックライトフィルムスタック構成を提供する。
【０００８】
さらに、コスト低減、低電力消費およびユーザに対する改善された視体験が、ＬＣＤの設計において重要な考慮事項であることに留意すべきである。偏光発光バックライトをベースとする本発明の偏光光源は、低電力消費および／または高輝度スクリーンを提供する。このために、整列されたナノ構造の配列によって与えられる効率的な発光に、損失を最少化するために偏光を維持しながら、発光層からの効率的な光抽出を付随させる。偏光発光は、異方性ナノ構造、特に、コロイド状半導体ナノロッドの整列された配列を含む、偏光光源から源を発する。
【０００９】
バックライトユニットの目的で、偏光光源は、発光波長において互いに異なる、少なくとも２つの群の光学活性ナノロッドの均質な混合物を含有してもよい。好ましくは、そのような混合物の層は、緑色（５２０〜５６０ｎｍの範囲の中心波長）および赤色（６００〜６４０ｎｍの範囲の中心周波数）発光ナノロッドを含有する。偏光光源は、ポンピング光源、例えば、ＬＥＤ（中心波長４４０〜４６０ｎｍ、好ましくは４５０ｎｍ）からの青色光によって励起される。活性層における発光ナノロッドの濃度は、入射ポンピング光の一部が、層を通過して伝達され、それと同時に、層内のナノロッドを励起して、白色光を生成するのに必要な、相補的な緑色光と赤色光を発光するように、調節される。構成によっては、この層には、青色発光ナノロッドをさらに含めて、紫外ポンピング光（中心波長３５０〜４０５ｎｍ）に応答して発光するように構成してもよい。そのような構成においては、ナノロッドの濃度は、高波長部分のポンピング光を吸収するように選択して、ポンピング光の残りの部分を阻止するのに追加のフィルタを使用してもよい。
【００１０】
なお、ナノロッドの発光波長は、一般的に、大きさ、ナノロッドの幾何学的形状に加えて、ナノロッドの材料組成に応じて決まることを留意すべきである。また、一般的に、好適なポンピング波長範囲は、ナノロッドの材料組成の適当な選択によって決まることに留意すべきである。
【００１１】
本発明のすべての態様において、偏光光源は、１層または２層以上に配列されるとともに、特異な整列軸に沿って均質に配向された、そのようなナノロッド（またはその他の異方性ナノ構造）を含有する、光学活性構造を含む。いくつかの態様において、ナノロッドは、ポリマーフィルム、接着剤母材（エポキシ）、シリコーン母材またはガラスなどの、母材媒体内に埋め込むことができる。いくつかの態様において、ナノロッドは、基板の表面に位置／被着させることができる。特異軸に沿ったナノロッドの整列（長軸が整列軸に平行であることを意味する）は、特殊な化学的または物理的に処理された基板（例えば、パターン化された溝状パターン）上への被着、電界の付加、ポリマーフィルム伸張（polymer film stretching）、または機械力の付加などの、いくつかの好適な技法、あるいは好ましい整列を誘発する、その他の既知の好適な技法で達成することができる。（整列技法のいずれかによる）ナノロッドの整列は、特異軸（「偏光軸」とも呼ばれる）に沿って実質的に偏光された光の出射につながる。
【００１２】
上記にように、いくつかの態様において、偏光光源は、ポリマー母材内に埋め込まれた整列されたナノロッドを含む。このようなポリマーの例には、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、環状オレフィンコポリマー、ポリアクリロニトリルのポリマー、ポリアニリンのポリマー、ポリベ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、ポリエステルのポリマー、シリコーンポリマー、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およびポリビニルポリマー（ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール）が挙げられる。これらの場合における光学活性構造の厚さは、例示的に、１μｍから１０００μｍ（ミクロン、マイクロメートル）、または１μｍから３００μｍ、または好ましくは５μから２００μｍの範囲であってもよい。さらに、光学活性構造は、その表面上に複数のナノロッドを担持する基板によって構成してもよい。このような構成において、光学活性構造は、０．０５μｍから５μｍ、好ましくは０．１μｍから１μｍの間の厚さとしてもよいことに留意すべきである。
【００１３】
整列されたナノロッドを含む、そのような光学活性媒体を含有する、本発明の偏光光源は、一般的に、任意のタイプのＬＣＤデバイスのバックライトユニットに組み込むのに適している。そのようなＬＣＤデバイスには、バックライトユニットとＬＣ層／構造の間に位置する、底部偏光体を含めてもよい。この場合に、偏光光源は、底部偏光体を通過する偏光された出射光の透過率の増大を可能にするように、バックライトユニット内に設置される。このことは、通常の非偏光バックライトユニット構成と比較として、光源から出射された、偏光の大幅に高い割合が、偏光体を透過するように、「偏光軸」の方位を、偏光体の透過軸に実質的に平行に固定することによって達成することができる。
【００１４】
上記にように、ＬＣＤのバックライトユニットの内部で通常、使用される様々な光学要素（例えば、リフレクタ、ライトガイド、拡散体、輝度増強フィルム、その他）を通過する光の偏光維持は、公然の課題である。本発明は、偏光発光フィルムを、その他の相補的光学要素と共に使用する、偏光発光ベースのバックライトを得るために必要な、様々なバックライトフィルムスタック構成を提供する。
【００１５】
より具体的には、本発明は、光学活性媒体（例えば、フィルム）から抽出された光の偏光を維持する方法；特に偏光を維持するように構成された、光再指向（light redirection）フィルムおよびその他のバックライト光学要素（例えば、輝度増強フィルム（ＢＥＦ: brightness enhancement film）、拡散体、ライトガイド、リフレクタ、ミクロレンズフィルム、逆プリズムフィルム）；エッジ照明偏光ナノロッドフィルム；光学活性フィルムのライトガイドへの直接接着；ならびに光学活性フィルムのＬＣセルの底部偏光体への直接接着を提供する。
【００１６】
本発明の光抽出方法によれば、偏光依存散乱フィルムが、複屈折粒子／ポリマーと共に、整列された発光ナノロッドを混合することに基づいて、調製される。これは、出射されて抽出された光の偏光を保存するように構成された、異方性偏光発光性材料（ナノロッド）と、そのような異方性偏光散乱要素との組合せである。
【００１７】
いくつかの態様において、光学活性構造から出射された光の光学経路に位置する、追加の拡散層を使用してもよい。拡散層は、均一な照明を提供するのに使用して、ナノロッド密度および／またはポンピング光の強度分布の変更を補償してもよい。拡散層は、好ましくは、５０％〜９５％の範囲のヘイズ率（haze factor）を有して構成される。追加的または代替的に、拡散層は、光学活性構造の表面に取り付けてもよい。これらの構成において、拡散層は、バックポンピングが使用されるとき、ポンピング光の均一性を増大させるように、および／または層内部から出射される光の方向性を変更することによって、光抽出効率を増大させるように構成されている。
上記のように、いくつかの態様においては、偏光ナノロッドフィルムのエッジ照明が使用され、かつ／または、ナノロッドによって出射された光の偏光を維持するために、偏光保存ライトガイドおよび／または逆プリズムフィルムが使用される。
【００１８】
すなわち、本発明の広義の観点によれば、
励起ポンプフィールドに応答して、１つまたは２つ以上の波長の光を出射するように構成された複数のナノロッドであって、出射光の所望の偏光方向を生成するように所定の整列軸に整列されたナノロッドを含む、前記複数のナノロッドを含む、少なくとも１つの光学活性構造；および
発光構造から出射される光の光学経路内に１つまたは２つ以上の再指向光学要素を含み、前記１つまたは２つ以上の再指向光学要素のそれぞれが、前記光の偏光に実質的に影響を与えることなく、前記再指向光学要素と相互作用している光の伝播の方向に影響を与えるように構成されている、光指向アセンブリであって、それによって、出力光の偏光と強度分布を最適化することによって、発光構造からの出射光の出力を増強するように構成されている、前記光指向アセンブリ
を含む、偏光光源が提供される。
【００１９】
いくつかの態様において、光学活性構造は、発光ナノロッドが埋め込まれたホスト母材構造を含む。母材構造は、母材構造を通過する間に、そこからの出射光の偏光特性を実質的に維持しながら、その出射光の出力を増強するように構成されている。ホスト母材構造には、例えば、ホスト母材と、ナノロッドと混合された散乱粒子とを含めてもよく、ホスト材料および散乱粒子が異なる複屈折性を有するように構成される。例えば、ホスト材料（母材）は、散乱粒子の速軸と遅軸の複屈折の間の差と比較して、ゼロまたは比較的低い複屈折を有するか、または散乱粒子は、ホスト材料の速軸と遅軸の複屈折の間の差と比較して、ゼロまたは比較的低い複屈折を有する。この関係において、「低複屈折」という用語は、以下のように累積誘発遅延が最小となるように、ホスト母材の材料組成物の異なる主軸（遅軸および速軸）の屈折率間の最少差を示すのに用いられる。
【００２０】
なお、一般的に、特定の材料を通過する光の偏光方向は、材料によって誘発される遅延によって決まることに留意すべきである。より具体的には、遅延は、材料の速軸と遅軸に沿った偏光を有する光成分の光学経路における差、すなわち、（Δｎ＊ｄ）として定義され、ただしΔｎ＝｜ｎｏ−ｎｅ｜であり、ｄは層の厚さである。一般的に、本発明によれば、光学活性構造によって誘発された遅延は、１００ｎｍを超えることはなく、好ましくは５０ｎｍ未満、さらに好ましくは、光学活性構造の遅延は２５ｎｍ未満としてもよい。
【００２１】
一般的に、散乱粒子は、前記整列軸に沿って偏光された光成分に対する屈折率における不整合をもたらしながら、前記整列軸に垂直な偏光方位を有する光成分に対して屈折率整合をもたらすように構成してもよい（例えば、異方性粒子の場合には、前記ナノロッドの整列軸に対して配向されている）。
いくつかの態様において、光指向アセンブリは、発光構造に向かって伝播するポンピング光の光学経路に位置する拡散体を備える。
【００２２】
光指向アセンブリは、発光構造から伝播する出射光の光学経路内に位置する拡散体を備えてもよい。
一般的に、光学活性構造に向かうポンピング光の光学経路内の拡散体、および使用される場合には、光学活性構造から出射される光の光学経路内の拡散層は、好ましくは、ヘイズ率が５０％から９５％の間、より好ましくは８０％から９５％の間で構成される。追加的または代替的に、これらの拡散体は、光学活性構造にそれらのいずれかの側から取り付けてもよい。
【００２３】
いくつかの態様において、偏光は、ポンピング光を生成する光学ポンピングアセンブリを含む。光学ポンピングアセンブリは、一般的に、前記光学活性構造を励起するためのポンピング光を生成して指向させるように構成されている。光学活性構造および光学ポンピングアセンブリは、ポンピング光が、偏光光源（バックライトポンピング光アセンブリ）の光出力方向に実質的に平行な軸に沿って、発光構造に進入するように構成するか、またはポンピング光が、偏光光源の光出力方向に実質的に垂直な軸に沿って、発光構造に進入するように構成してもよい。すなわち、ポンピングアセンブリは、直接バックライトポンピングおよび／またはサイド照明ポンピング（エッジライト式バックライトユニット）を提供するように構成してもよい。
【００２４】
光ポンピング構造には、ポンピング源からのポンピング光を受けて、それを発光構造の方向に指向させる、ライトガイドを含めてもよい。
上記のように、光指向アセンブリは、一般的に、発光構造から出現する光を再指向させるための１つまたは２つ以上の光学要素を含む。光再指向光学要素は、光学活性構造から出射された光成分を指向させて、それによってデバイスからの光出力の偏光および強度分布を最適化するように構成してもよい。光再指向光学要素には、好ましくは、光再利用光学要素、反射層および拡散層などの、光学要素を含めてもよい。また、光再指向光学要素は、その主軸が、ナノロッドの整列軸に平行になるように整列されるように構成してもよい。すなわち、複屈折の速軸または遅軸は、発光ナノロッドの整列軸に実質的に平行、または実質的に垂直となり、それによって、出射光の偏光特性を保存する。追加的または代替的に、光再指向光学要素は、低減された遅延、好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは５０ｎｍ未満を有するように構成してもよい。
【００２５】
本発明のさらにいくつかの態様によれば、光学活性構造には、該光学活性構造に対して、機械的支持、歪み保護、および化学的保護の少なくとも１種を提供するように構成された、保護層構造を含めてもよい。前記保護層構造は、次の構成：前記保護層構造が、その主軸が前記ナノロッドの前記整列軸に平行となるように配向されている構成、および前記保護層構造が１００ｎｍ未満の遅延を誘発するように構成されている構成、の少なくとも一方を備えて構成してもよい。
本発明のさらにいくつかの態様によれば、光学活性構造には、該光学活性構造に対する、機械的支持または歪保護、および化学的保護の少なくとも一種を含めてもよく、前記保護層は、１００ｎｍ未満の遅延を誘発するように構成されている。
【００２６】
一般的に、保護層は、次のもの：透明カプセル化層、バリア層、および機械的支持フィルム、の少なくとも１種として構成してもよい。
いくつかの態様によれば、本発明は、上記のような偏光光源であって、前記少なくとも１つの光学活性構造と前記光指向アセンブリが、光学スタック配設を一緒に画定しており、該光学スタック配設は、少なくとも２つの層を含み、該少なくとも２つの層は、その複屈折の主軸が互いに平行になるように配向されている、偏光光源を提供する。光学スタックは、それによって、光学活性構造から出射されて前記光学スタックを通過する光の、所定の偏光特性を実質的に保存する。
【００２７】
さらにいくつかの態様によれば、本発明は、上述の偏光光源と、偏光光源の出力光の空間分布を変更させて、それによって表示画像を提供するように構成された、空間変調ユニットとを含む、ディスプレイ装置を提供する。
本発明の別の１つの広義の観点によれば、照明デバイスでの使用に適する、光学スタック配設が提供される。この光学スタック配設は、１つまたは２つ以上の層の複屈折の主軸が互いに平行になるように配向された、１つまたは２つ以上の層を含み、それによって前記光学スタックは、それを通過する光の所定の偏光特性を実質的に保存する。光学スタックには、それを通過する光の均一性を増大させるように構成された、少なくとも１つの拡散層をさらに含めてもよい。
【００２８】
光学スタックには、光学スタックの前記主軸に平行な所定の軸に沿って整列された複数のナノロッドを含む、光学活性構造を含めてもよい。
本発明の別の１つの広義の観点によれば、ディスプレイ装置に使用するためのバックライトユニットであって、ポンピング光源と、上述のような光学スタックとを含む、バックライトユニットが提供される。
発明の１つの別の広い別の観点によれば、上述のバックライトユニットと、放出光の空間分布を変更させ、それによって表示された画像を提供するように構成された、空間変調ユニット（例えば、液晶セル）とを含む、ディスプレイ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本明細書に開示される主題をより詳細に理解するとともに、それを実際に実施する方法を例示するために、次に、実施態様について、非限定の例示だけのために、添付の図面を参照して説明する。
【図１】図１は、ナノロッドを含有する光学活性層に光学的に取り付けられた拡散体をベースとする、偏光光源装置を概略的に示す図である。
【図２】図２は、整列された発光ナノロッドがホスト母材に埋め込まれて、散乱粒子と混合されている、本発明の光学活性構造の構成例を示す図である。
【図３】図３は、整列された発光ナノロッドがホスト母材に埋め込まれて、散乱粒子と混合されている、本発明の光学活性構造の構成例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、整列されたナノロッドと混合された散乱粒子を使用することの原理の概略を示す図であり、散乱体を含有しないフィルムへ入射した外光、および内部全反射（Total Internal Reflection）に対する臨界角度よりも小さい角度を有する光線円錐（cone of light beam）に対する光伝播スキームを示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、整列ナノロッドと混合された散乱粒子を使用することの原理の概略を示す図であり、本発明の光学活性構造の内部のナノロッドによって出射される光線に対する光伝播スキームを示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、整列ナノロッドと混合された散乱粒子を使用することの原理の概略を示す図であり、本発明の光学活性構造の内部のナノロッドによって出射される光線に対する光伝播スキームを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、ナノロッドの長軸に実質的に平行に整列された大型の異方性散乱体を有する光学活性構造に埋め込まれた、単体のナノロッドから出射される光の相互作用のスキームを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ナノロッドの長軸に実質的に垂直に整列された、大型の異方性散乱体を有する光学活性構造に埋め込まれた単体のナノロッドから出射される光の相互作用のスキームを示す図である。
【図６】図６は、本発明によって構成されたバックライトユニットを使用するＬＣＤデバイスの例を示す図である。
【００３０】
【図７】図７は、光学活性構造のライトガイドへの直接取付けを用いる、色変換器としてナノロッドフィルムを使用する偏光バックライトユニットの概略図である。
【図８】図８は、本発明のバックライトユニットが光学活性構造の液晶セルへの直接取付けを使用する、構成を例示する図である。
【図９】図９は、ナノロッド含有ストリップがライトガイドの縁端上に設置されている、本発明の偏光バックライトユニットを概略的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明での使用に適するＢＥＦの例を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明での使用に適するＢＥＦの例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の使用に適する光再指向光学要素（ＬＲＯＥ：Light Re-directing Optic Element）を例示する図であって、２枚のフィルムの組合せを通過する光のＬＲＯＥ複屈折を補償する、複屈折特性を有する外部層が使用されている。
【図１２】図１２は、本発明の活性光変調モジュールとバックライトユニットを有する、ＬＣＤデバイスを概略的に示す図である。
【図１３】図１３は、整列された赤色発光ナノロッドを備える偏光光源の実施例に対する、出射光強度の実験結果を示す図であって、ナノロッド含有層だけの場合（図の左側）、およびナノロッド含有層の前方にナノロッド整列軸と整列された複屈折軸を有する特殊ＢＥＦを使用する場合（図の右側）に対して、偏光体の選好偏光面をナノロッドに対して平行に整列された状態で、偏光光源によって伝送される青色ポンピング光と、整列ナノロッドによって出射される赤色光の強度を測定した。
【図１４】図１４は、整列された赤色発光および緑色発光のナノロッドの混合物を使用する、偏光光源の実施例に対する出射光強度の実験結果を示す図であって、偏光体選好偏光面が、ナノロッド整列軸に平行に整列されており、異なるポリマー材料：ＰＥＴ、ＰＣおよびＰＭＭＡでＢＥＦフィルムが構成されている場合に対して、赤色光および緑色光の合計強度を測定した。
【００３１】
実施態様の詳細な説明
本発明は、ＬＣＤデバイスのバックライトユニットに使用するのに特に適した、新規な偏光光源と、そのような偏光光源を使用するＬＣＤデバイスとを提供する。本発明の偏光光源は、ポンピング場（光学的および／または電気的）で励起可能な、少なくとも１層の整列された発光ナノ構造を含む、光学活性構造と、光学活性構造と一体の（に埋め込まれた）１つまたは２つ以上の要素、および／または光学活性構造の外部の１つまたは２つ以上の要素を含む、偏光保存アセンブリとを含む。
【００３２】
以下の説明において、光学活性構造は、簡単にするために、「フィルム」と呼ぶが、そのような構造は、単層または多層の構造であってもよいことを理解すべきである。また、そのようなフィルムは、異なる色の光を出射するナノ構造を備える層によって形成してもよいことに留意されたい。また、そのようなフィルムには、発光ナノ材料の基板を提供する別の層に取り付けられたナノ材料構造（複数を含む）／層を含めてもよい。より具体的には、本発明によれば、光学活性構造は、複数の発光ナノロッドが埋め込まれた母材（ポリマー母材）、または複数のナノロッドが被着された基板から構成してもよい。また、光学活性構造は、異なる波長範囲で発光するナノロッドを担持する、１つまたは２つ以上の母材層を含む、２つ以上の層で構成してもよい。さらに、そのような２層または多層の構成は、基板上に被着されたナノロッド、すなわち、ナノロッドがその上に被着された、２層以上の層を含む、２層または多層に使用してもよい。一般的に、母材に埋め込まれたナノロッドと、基板上に被着されたナノロッドの組合せも使用してもよい。
【００３３】
また、本明細書において使用される、バリアまたは保護層という用語は、光学活性構造上に付加されて、光学活性構造に対して、機械的支持および／または化学的保護を与える、層または被覆材料を指す。これに関して、光学活性構造が、基板上に被着されたナノロッドを含む態様においては、保護層は、ナノロッドに対する酸化、摩耗および、その他の化学的損傷を防止するために、好ましくは、ナノロッド上に付加されることに留意すべきである。保護層に加えて、母材内に埋め込まれたナノロッドを使用する態様においても、バリア層または被覆材料は、光学活性構造上に付加してもよい。そのようなバリア層／被覆は、光学活性構造の片側または両側のいずれかに付加してもよい。いくつかの場合において、複数の保護層を使用することができる（例えば、酸素から保護する層、水から保護する層）。
【００３４】
また、以下の説明において、偏光保存アセンブリの要素は、ときには、光抽出および／または「光増強および／または光再利用」と呼ばれる。しかしながら、一般的に、そのような要素は、光指向アセンブリの要素と相互作用する光の偏光特性を実質的に維持しながら、発光構造からの射出偏光の出力を増強するように構成された、光指向アセンブリを形成することに留意すべきである。これに関して、維持しようとする偏光特性は、実際には偏光と偏光方向の両方を含むことを理解すべきである。より具体的には、偏光強度に加えて、偏光の方向の両方が、少なくとも部分的に維持されなくてはならない。さらに、そのような光指向アセンブリは、光学活性構造に組み入れるか、または独立／別個アセンブリとして形成するか、または光指向アセンブリの要素の一部を光学活性構造に組み入れて、一部を外部としてもよいことを理解すべきである。
【００３５】
すなわち、本発明の偏光光源装置において、（整列された発光ナノ構造の１つまたは２つ以上の層を含む、光学活性構造を構成する）フィルムには、その構造（フィルム）の一面または両面上に様々な光指向要素を含めてもよい。そのような光指向要素には、以下のもの：プリズム、ピラミッド、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ、金属反射面、その他、の１つまたは２つ以上を含めてもよく、それらは、フィルムから出射される光の偏光および偏光方向を実質的に維持しながら、発光構造からの出射偏光の出力を増強させるように構成されている。フィルムは、光指向と偏光保存とを支援する、選択された異なる屈折率を有する様々な構造／界面（例えば、屈折率分布型レンズ状構造（gradient-index lens-like structures））を備えるように構成してもよい。光指向アセンブリには、その１つまたは２つ以上の側から、光学活性構造に取り付けられた、１つまたは２つ以上の偏光保存拡散体フィルムを含めてもよい。光学活性フィルムには、追加的または代替的に、偏光特性を増強することのできる規則的形状または不規則的形状の光散乱粒子の様々な組合せを含めてもよい。
【００３６】
光学活性構造には、整列された発光ナノロッドがその中に埋め込まれた、ホスト母材を含めてもよい。そのような構成においては、埋め込まれたナノロッドから出射される光は、母材／周囲（例えば空気）界面における内部全反射（ＴＩＲ：total internal reflection）によって、母材内部で実質的に捕捉されることがあることに留意されたい。偏光光源の効率を増大させるために、出射光の効率的な出力結合（out-coupling）に加えて、母材の導波路挙動を抑制するために、光抽出技法を使用することができる。
【００３７】
高濃度の（最大１重量％）散乱粒子（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＢａＳＯ４、ＺｎＯなど）を発光構造内に混合することが一般的に知られている。しかしながら、そのような高度に拡散性の母材は、等方性散乱特性により、光を偏光解消する。したがって、この既知の技法はそれ自体、発光構造が偏光を出射するものである本発明の光源においては、好ましくない。
【００３８】
偏光発光構造から光を効率的に抽出し指向させるための、すなわち、出射光の偏光特性を保存したまま、発光構造からの出射偏光の抽出を最大化する、本発明の技法を例示する図１を参照する。この実施例において、ナノロッド層からの光の偏光保存光指向は、光学活性構造の後方側（光入力側）に取り付けられた（接着された）拡散層を使用することによって容易化されて、構造内部のナノロッドからの出射された光を、内部全反射の条件を破り、それによって光を、拡散体の表面の反対側の表面を通り、光学活性構造（フィルム）から脱出させる。そのような拡散層は、追加的または代替的に光学活性構造の前面（光出力側）に取り付けつけてもよいことに留意すべきである。
【００３９】
図示のように、光源デバイス１００は、ポンピングユニット１０４に関連する、整列ナノロッドフィルムの形態の光学活性構造１０２を含む。この実施例において、ポンピングユニット１０４は、光学ポンピング源１０６、例えば、ライトガイド１０８の縁に光学的に結合された、青色ＬＥＤを含む。さらに、デバイス１００には、構造／フィルム１０２の背面に接着された拡散層１１０が設けられており、それによって、構造／フィルム１０２がライトガイド１０８の光出力面に面する。ポンピング光Ｌｐは、拡散層１１０によって、ライトガイド１０８からナノロッドフィルム１０２中へと出力結合される。拡散層１１０は、内部全反射を消去して、ナノロッドフィルム１０２からの発光Ｌｅｍ（例えば、赤色および緑色の発光）を増大させる。ナノロッドフィルム１０２からの出射光Ｌｅｍは、次いで、別の偏光保存拡散体１１２を通されて、輝度均一性を改善して、それによって出射光の強度分布を最適化する。
【００４０】
すなわち、この例において、光指向アセンブリには、例えば５０％から９５％、より好ましくは８０％から９５％のヘイズ範囲を有する、拡散層を含めてもよい。拡散層は、少なくとも部分的に光成分の偏光を維持しながら、光散乱を生じさせるように構成されるとともに、動作可能である。なお、拡散層は、散乱光の偏光を完全に維持するように構成されるのが好ましいことに留意すべきである。拡散層は、内部全反射の効果を消滅させるか、または少なくとも大幅に低減して、偏光光源（例えば、ポンピング光と光学活性構造の両方）からの前方発光を増大させる。一般的に、拡散体は、段階的に重ね合わせられた（cascaded）、いくつかの拡散層、および／または光学活性フィルムの背面側および前面側に取り付けられた拡散層で構成してもよい。例えば、そのような偏光維持拡散層は、３Ｍにより市販されている、「Ｓｃｏｔｃｈ  Ｍａｇｉｃ（登録商標）テープ」に使用されているもののような、アクリルポリマーをベースとすることができる。しかしながら、拡散層は、拡散光の偏光を保存するように構成された、任意好適な透明または半透明な材料で製作してもよい。そのような拡散層には、１つまたは２つ以上のゴム層、シリコーン層または修飾アクリルベースポリマー層を含めてもよい。
【００４１】
一般的に、本発明は、偏光散乱を得ることによって、偏光保存光指向アセンブリを利用してもよく、それに対して、偏光軸における光が、光学活性ユニット内部の内部全反射によって捕捉される代わりに散乱される。偏光散乱を達成するための様々な構成が、当該技術において知られている。本発明においては、偏光発光をもたらすのに使用される、ナノロッドなどの、異方性の発光ナノ粒子を、偏光を維持しながら偏光された出射光を散乱するように設計された、異方性偏光散乱特性を有する散乱媒体（フィルム）に組み入れてもよい。一般的に、媒体、またはその中に埋め込まれた散乱粒子の散乱特性は、散乱媒体が直交偏光状態の光成分に対して実質的に不可視／透明でありながら、ある選択された偏光状態の光成分が散乱を受けるように、適応させてもよい。
【００４２】
いくつかの態様において、散乱媒体は、複屈折フィルム（母材）に埋め込まれた非複屈折性散乱体の形態で構成される。いくつかの他の態様においては、複屈折散乱体が、非複屈折性フィルム母材内に組み込まれる。これに関係して、一般的に、散乱体と母材の両方を、ある程度まで複屈折性であるが、その複屈折性においていくらかの差をもたせることができることを理解すべきである。言い換えると、散乱体または母材材料のいずれかが複屈折相と考えられ、他方が非複屈折性相として考えられ、ここで非複屈折性相は、複屈折相と比較して、すなわち、複屈折相の２軸の間の複屈折率差と比較して、比較的低い複屈折率を有する。例えば、母材が屈折率ｎ１ｅおよびｎ１ｏを有し、散乱体が、屈折率ｎ２ｅ、ｎ２ｏを有する場合には、散乱媒体は、好ましくは、Δｎｅ＝｜ｎ１ｅ−ｎ２ｅ｜とΔｎｏ＝｜ｎ１ｏ−ｎ２ｏ｜の少なくとも一方が、他方よりもはるかに小さくなるように構成される。
【００４３】
いくつかの態様によれば、偏光光源には、整列ナノロッドと、複屈折性ホストポリマー母材内に分散された散乱粒子との混合物を含む、光学活性構造／フィルム１０２を含めてもよい。このことは図２および３に例示されている。これらの例においては、散乱粒子は、等方性および偏光独立散乱用に構成されるか（図２）、または適当な複屈折特性を使用する選択散乱用に構成される（図３）。図２に示された、この構成においては、光学活性構造１０２は、整列されたナノロッド１３０が散乱粒子１２０との混合物内に埋め込まれている、複屈折ホストポリマー母材１４０で製造された、偏光散乱フィルムとして構成される散乱粒子１２０は、一般的に、等方性で、非複屈折性である。一般的に、散乱粒子（散乱体）は、任意の形状で構成してもよく、例えば、散乱体は、球形、細長形、または任意の幾何学形状としてもよい。ホストポリマー母材１４０および散乱体１２０の屈折率は、１つの偏光方向に対して整合する屈折率をもたらし、同時に他方の軸に沿って、ある屈折率不整合をもたらすように選択される。
【００４４】
より具体的には、ポリマー母材１４０は、通常軸および異常軸に対して、屈折率ｎｏおよびｎｅを有し、好ましくは、ナノロッド１３０の整列軸が、母材１４０の通常軸および異常軸の一方に平行になるように、構成される。さらに、散乱体１３０は、屈折率ｎｓを有する材料で構成され、その屈折率は、母材１４０のｎｏおよびｎｅの少なくとも一方にできる限り近く、好ましくはそれに等しく選択される。このことによって、光偏光（例えば、異常軸がｘ軸である）の１つの軸に沿って、光の散乱を生じさせる屈折率不整合があり、他方、直交軸に沿って、屈折率が一致して、散乱を消滅させるか、または少なくとも大幅に低減させるようになる。この屈折率不整合は、出射光が母材１４０から出力結合されるように、ナノロッドから出射される偏光の効率的な散乱をもたらすように構成される。直交軸、例えばｙ軸に沿って、母材および散乱体の屈折率は、実質的に一致させて、対応する偏光状態にある光の散乱を消去するか、または少なくとも大幅に低減する。
【００４５】
すなわち、選好偏光（例えば、ｘ軸に沿った）の光成分は、母材１４０から離れて出力結合し、直交偏光方向の光成分は、一般的に、母材を透過するか、または内部全反射によってその中に捕捉される。ここで、ポリマー母材１４０の複屈折とナノロッド１３０の整列は、例えば、ホストポリマー母材１４０の機械的伸長によって同時に得てもよい。すなわち、上記のように、この構成においては、散乱粒子１２０の屈折率は、連続的な母材１４０および散乱粒子１２０が、１つの軸（偏光軸）において実質的に不整合となり、直交軸において実質的に一致するように、選択される。この構成は、所望の偏光の優先的抽出を招く、整列されたナノロッドの偏光軸に沿った光の散乱の増加につながる。直交偏光は、散乱相を透過して、ＴＩＲによって捕捉される。ホスト母材と分散粒子の屈折率は、一致方向において、典型的には０．０３未満だけ、より好ましくは０．０２未満、最も好ましくは０．０１未満だけ異なればよい。ホストと分散相の屈折率は、不整合方向において、好ましくは、少なくとも０．０３、より好ましくは少なくとも０．１、最も好ましくは少なくとも０．２だけ異なる。
【００４６】
別の例において、ナノロッドは、複屈折効果を示す、整列異方性散乱体と一緒に、非複屈折性ホスト母材内に混合してもよい。このことは、整列ナノロッド１３０および異方性散乱粒子１２０を含む、ポリマーホスト母材１４０で製作された、光学活性フィルム１０２を示す図３において例示されている。ここで、光学活性構造は、偏光散乱フィルム１０２として構成され、その中に埋め込まれて、異方性粒子１２０と混合されている、発光ナノロッド１３０を有するホストポリマー母材１４０を含む。異方性散乱体とナノロッドの両方が、ホスト母材１４０内で、好ましい軸、例えばｘ軸に沿って整列されている。より具体的には、散乱体の異方性の長軸は、ナノロッドの偏光軸に平行である。異方性粒子１２０は、１軸に沿って、屈折率がポリマー母材１４０のそれと一致し、他方の軸（異方性軸）に沿って、粒子１２０と母材１４０の屈折率が不整合となるように、対応する通常軸および異常軸に沿った屈折率を有するように選択される。
【００４７】
これによって、ナノロッドの整列に平行な、選好軸（ｘ軸）に沿って偏光された光の効率的な散乱が生じる。直交軸（例えばｙ軸）に沿って、粒子とホスト母材の屈折率は、一致しており、そのために、この軸に沿って偏光された光は、フィルムを透過して、内部全反射によって捕捉される。すなわち、この構成において、偏光軸に沿った光に対して屈折率不整合が存在し、これに対して、直交軸に対して屈折率は一致している。ホスト母材と分散粒子の屈折率は、一致方向において０．０３未満、より好ましくは０．０２未満、最も好ましくは０．０１未満だけ異なる。ホスト母材と分散相の屈折率は、不整合方向において、好ましくは、少なくとも０．０３、より好ましくは少なくとも０．１、最も好ましくは少なくとも０．２だけ異なる。
【００４８】
上述の両方の構成において、整列ナノロッドの偏光軸に沿って偏光された光成分は、分散粒子とホスト母材の間の屈折率不整合のために、散乱する。偏光軸に垂直に偏光された光は、２つの相間での屈折率整合のために、フィルムを透過する。このことによって、偏光光源からの偏光の効率的な出力結合を生じる。分散相には、ポリマーファイバもしくは細長いポリマー粒子、または代替的に、無機質の異方性形状の粒子などの、異方性散乱体を含めてもよい。いくつかの態様において、ナノロッドは、異方性散乱体の内部に埋め込むことができる。
【００４９】
上記のように、様々な偏光散乱技法が知られている。これらは、例えば、次の特許公開に開示されている：米国特許第５８２５５４３号、国際公開ＷＯ２００８／０２７９３６号、米国特許第７２７８７７５号、および米国特許第８０３３６７４号。これらの技法によれば、散乱体の濃度は、高いのが好ましく、すなわち体積で５〜１５％、より好ましくは１５〜３０％であって、所要の面における屈折率不整合は、少なくとも０．０７である。そのようなフィルムにおいて、フィルムに入射した光に対して、フィルムとの界面における屈折率の角度は、内部全反射（Ｓｎｅｌｌの法則に基づく）に対する限界角度よりも低い。これは、非散乱光または弱散乱光に対して、フィルムを通過する光経路は、フィルム厚さ（数十ミクロン）のオーダーであることを意味している。この理由で、散乱体の濃度は、一般的に、比較的高く、高度に散乱された光の場合でも、フィルム厚さの倍数の範囲内である。
【００５０】
フィルム内部での光の散乱、屈折および捕捉の一部の特徴が、図４Ａ〜４Ｃに例示されている。図４Ａは、フィルム／構造４００を通る光の透過を概略的に示し、図４Ｂおよび４Ｃは、フィルム／層内部に埋め込まれたナノロッドから出射される光成分の伝播を示す。図４Ａは、空気（ｎ１＝１）中を進行して、角度θ１でフィルム（ｎ２）に衝突する光線４０１を示し、図のように、光線はフィルムに進入するときに角度θ２で屈折される。この屈折光線は、屈折率ｎ２を有するフィルム内部を進行し、界面において再び屈折され、同時にフィルムの外部に透過されて、角度θ１で空気中に伝播する。Ｓｎｅｌｌの法則に基づいて、一般的な場合には、フィルムの屈折率が周囲の屈折率よりも高いときには、すべての入射光線が、内部全反射に対する臨界角度よりも小さい角度で、フィルム中へと屈折される。また図４Ａは、光線が周辺からフィルムに進入するために可能な角度範囲を示す、角度円錐（cone of angles）４０４を示す。これらの角度においてフィルムの内側に伝播する光線は、閉じ込められることなく、（平行界面を仮定すると）フィルムから外に出力結合される。円錐内のすべての光線は、内部全反射を受けず、したがって、フィルム内部でのそれらの経路は、フィルム厚さｈの規模である（下限がｈであり、上限が〜ｈ／ｃｏｓ（θｃ）、例えば、屈折率が１．５である典型的なポリマーに対して、〜１．３４×ｈである）。
【００５１】
図４Ｂおよび４Ｃは、フィルム内部に位置するナノロッドによって出射される光成分の伝播経路を示す。これらの図は、光学活性構造（フィルム）４０５を例示しており、この光学活性構造は、その中に埋め込まれたナノロッドによって形成される内部発光源を含む。言い換えると、発光（例えば、赤色、緑色および場合によっては青色波長）は、光学活性構造内に埋め込まれた発光ナノロッドから生じる。したがって、ナノロッドからの出射光線４１０は、ＴＩＲに対する臨界角度より上または下の様々な角度で、フィルム‐空気界面に衝突する。内部全反射に対する臨界角度より下で界面に到達する光成分は、フィルムから抽出される。しかしながら、ナノロッドからの発光の性質によって、線４３０などの光線の大部分は、内部全反射に対する臨界角度よりも大きい角度で界面に衝突して、フィルム内部に捕捉される。すなわち、出射光のかなりの部分が、フィルム内部に捕捉されることがあり、フィルムの動作を最適化するために、好適な抽出要素が必要となることがある。上記のように、本技法と使用される光学活性フィルム／層は、エネルギーの損失を防止するための効率的な光抽出のための、好適な散乱体の構成または表面特徴をもたらす。
【００５２】
一般的に、ナノロッドにより出射された光線の大部分は、内部全反射を受けており、このことは、光線のほとんどが通った経路長は、フィルムの長さＬの約１から１．５倍の程度であることを意味する。したがって、散乱の確率は、経路長にフィルム内部での散乱体分布の濃度を乗じたものに比例するので、散乱体の濃度を大幅に低減させることができる。すなわち、フィルムの長さ（Ｌ）のオーダーの長さを有する経路に沿ってフィルムの内側を伝播する光線に対しては、十分な光散乱は、５体積％未満、より好ましくは１体積％未満、さらに好ましくは０．５体積％未満の散乱体の濃度で達成することができる。
【００５３】
代替的に、０．０７未満の屈折率不整合を示す（結果として、単一粒子レベルではより小さい散乱確率を示す）粒子を使用しながら、散乱粒子の濃度が高いままとなる可能性もある。例えば、約１μの大きさと、ｎ＝１．５の媒体屈折率の散乱体に対して、ｎ＝１．５７の散乱体を使用する散乱断面積は、２．８μｍ２である。しかしながら、散乱体の屈折率を１．５３（Δｎ＝０．０７の代わりに、Δｎ＝０．０３）に低減させた状態では、散乱断面積は、５分の１に低減されて、０．５５μｍ２となる。すなわち、散乱体と母材の間の屈折率の不整合が低いほど、散乱体濃度は高くなることに留意すべきである。
【００５４】
いくつかの態様において、散乱粒子は、出射光の波長よりはるかに大きく、例えば１０μを超える大きさにすることができる。図３に例示される構成においては、ナノロッドおよび異方性散乱体は、光学活性構造内部で、互いに平行に整列されている。この構成に対して、ナノロッドからの発光パターンは異方性である（双極放射パターンに類似する）ので、散乱の確率、およびナノロッド出射光線の散乱粒子との相互作用は増大する。このことは、光学活性構造１３００内に埋め込まれた、単一のナノロッド１３１０から出射された光と、そのナノロッドと実質的に平行に整列された、より大きい異方性散乱体１３３０との相互作用を図示する、図５Ａに例示されている。ナノロッドからの放射出力は、一般的に、空間分布において双極状（dipole-like）である。
【００５５】
すなわち、ナノロッド１３２０から出射されて、層内部を伝播する光は、この方向（ＫＸｄ）における断面積がより大きいことによって、散乱体１３３０による散乱の確率が大きくなることがある。この効果は、低い散乱体の濃度（例えば、体積％で１％未満）に対して、顕著である。ナノロッドと異方性散乱体は、互いに垂直に配向されている、反対の場合においては、図５Ｂに、光学活性構造１３５０に埋め込まれた単一のナノロッド１３６０からの発光の、ナノロッドに垂直に整列されているより大きな散乱体１３８０との相互作用が示されている。ナノロッド１３６０からの双極放射１３７０は、その断面がより小さい（〜π（ｄ／２）２）ために、散乱体１３８０による散乱１３９０の確率がより小さい。「平行」構成に対しても同様に、この効果は、低い散乱体濃度（例えば、１体積％未満）に対して顕著である。
【００５６】
ディスプレイ装置２００の例を示す図６を参照する。デバイス２００は、全体的に、本願の譲受人に譲渡された、バックライト照明ユニットを使用する、上記の刊行物、国際公開ＷＯ２０１２／０５９９３１に開示されているものと類似している。バックライトユニットは、ポンピング光源２０４と、光学活性構造２０２とを含む。システム２００は、全体的に、出力光の所望の空間変調を提供し、それによって観察者に画像を表示するために構成された、ディスプレイ部２０１（ピクセル配設）と、実質的に均一で、白色／多色照明を生成するように構成されたバックライト部２０３とに分割してもよい。光学活性構造２０２は、好ましくは、所望の色温度での多色発光のために構成される。ピクセル配設２０１は、ＬＣパネルの出力において偏光体２０６と関連付けられた、ＬＣパネル２０５として構成してもよい。
【００５７】
ディスプレイ装置２００には、カラーフィルタ２１６も含めてもよい。さらに、ディスプレイ装置には、一般的に、ライティング部の出力に位置して、明瞭な偏光状態を得るため、すなわち誤整列によって、およびナノロッドが有限偏光比で発光するということによって、ナノロッドによって生成されることがある、望ましくない偏光状態の光成分を阻止するのに一般に設けられる、追加の偏光体２０７も含めてもよい。ディスプレイ装置２００には、光分布を空間的に均質化して、光学活性構造２０２に光学的に取り付けてもよい、拡散体２０８；光を再利用することによって輝度を改善するのに使用してもよい、輝度増強フィルム（ＢＥＦ）２１０、または反射偏光体（例えば、二重輝度増強フィルム、ＤＢＥＲ）２１２；および光源およびその他の要素から来るポンピング光の一部を再循環させるために、適当に収容されたリフレクタ２１４を含めてもよい。
【００５８】
なお、拡散体２０８、ＢＥＦ２１０、光源２０４およびリフレクタ２１２フィルムは、互いに、および／またはディスプレイの任意その他の要素に取り付けても、取り付けなくてもよい。また、拡散体２０８は、活性層２０２に光学的に取り付けられるときに、追加の散乱を活性層２０２内部の光成分に導入することによって、層からの光抽出のために構成するとともに、対応する伝播角度を変更させてもよいことにも留意すべきである。
【００５９】
バックライトユニット内の発光ナノロッドを利用する上記のディスプレイ装置は、偏光の出射を増大させるとともに、光学活性構造からの出力結合を向上させるように改変することができる。いくつかの態様において、光学活性構造２０２は、ポンピング源（例えば、青色ＬＥＤ）がその縁端において、ライトガイドに結合された状態で（すなわち、エッジ照明）、ライトガイドの上方に設置される。ポンピング光は、ライトガイドから出力結合されて、偏光光源に衝突する。別の実現形態においては、光学活性構造２０２は、屈折率整合層（例えば、１．４〜１．５の屈折率を有する光学用接着剤）によってライトガイドに光学的に結合／取付けされる。このことは、ナノロッドフィルムを色変換器として使用する、偏光バックライトの概略図面を示す、図７において例示されている。図のように、ポンピング源（例えば、青色ＬＥＤ）５００が、ライトガイド５０５に結合入力された、サイド照明光源として使用されている。非偏光ポンピング光が、ライトガイドを通過して、中間屈折率整合層５１０を介して、光学活性構造５１５を画定する、整列された（例えば、伸長によって整列された）ナノロッドを含有する、ポリマー層に向かって伝播する。ナノロッド層は、損傷、例えば、湿気および酸素損傷から構造５１５を保護する、バリアフィルム５２０内に密閉されている。層５１５は、選択された波長範囲において実質的に偏光された光、例えば、緑色光および赤色光を出射し、同時に青色励起源の部分的な透過を可能にするように構成された、整列されたナノロッドを含む。ここで、光学活性構造５１５は、青色に関連する波長範囲、および所望の色温度をもたらすために、追加の選択された範囲の光も出射するように構成してもよいことに留意すべきである。そのような構成において、ポンピング光は、青、紫および／またはＵＶのスペクトルとするとともに、追加の１つまたは２つ以上の波長選択フィルタを使用してもよい。
【００６０】
光学活性層５１５によって出射される偏光は、偏光保存拡散体５３０を通過して、液晶に到達する前に、バックライトの色および輝度の均一性（強度分布）を改善する。さらに、反射層５４０を、ライトガイド５０５の後面に設置して、整列された（例えば、伸長によって整列された）ナノロッド５１５を含有するポリマー層から後方に出射されることのある、光の再使用を支援してもよい。バックライトユニットから出射された偏光は、（任意選択で）底部偏光体に、次いで液晶セル５５０へと通される。
【００６１】
バックライトユニットのこの構成は、好ましくは、ライトガイド５０５と光学活性構造５１５の間の間隙を消去するように構成して、（減少した内部全反射による）ライトガイドからのポンピング光の光学活性構造５１５中への出力結合を増大させることを可能にする。この構成は、光学活性構造内部での励起光の強度を大幅に増大させて、結果として、ナノロッドからの発光が大幅に増加する。さらに、バックライトユニット、ならびにシステムのディスプレイ部は、それに沿って通過する光の偏光を維持するように構成される。このために、図６および７に示すような、異なる層の選択と配設、およびそれらの間の界面は、各層の偏光透過特性に応じて設けられる。ディスプレイシステムの層は、好ましくは、異なる層の複屈折（存在する場合）の軸が、出射光の偏光の方向と整列するか、または出射光の偏光の方向に垂直となるように、配向される。これは、複屈折の不要な軸によって生じる光学経路の変更による、光偏光の回転を消去するか、または少なくとも大幅に低減するためである。
【００６２】
本発明のバックライトユニットの他のいくつかの態様／構成によれば、光学活性構造は、液晶セルに直接的に取り付けられる。このことは、ディスプレイ装置に使用するための光学スタックを示す、図８に例示されている。この例においては、ポンピング光源（例えば、青色ＬＥＤ）６００が、ポンピング光を光学活性構造／フィルムに向かって伝送するために、ライトガイド６１０に光学的に結合入力された、サイド照明光源として使用されている。非偏光ポンピング光６１５は、ライトガイド６１０を通過して、偏光保存拡散体フィルム６２０に向かって伝播し、この拡散体フィルムは、ライトガイドと光学活性フィルム６３０の間に位置して、ポンピング光の均一性を改善してもよい。これは、ポンピング光の強度分布、したがって出射光の強度分布も最適化しようとするものである。この例において、光学活性構造は、バリアフィルム６４０内に密閉された、整列されたナノロッド層６３０を含み、バリアフィルム６４０は、湿分損傷および酸素損傷からそれを保護する。ポンピング光６１５は、通常はポンピング光（例えば、緑色光および赤色光）とは異なる、１つまたは２つ以上の波長範囲の偏光６３５を出射するナノロッド層６３０を励起する。一般的に、ポンピング光６１５の一部分は、光学活性層６３０を透過させて、照明ユニットの出力として使用してもよい。
【００６３】
代替的に、ポンピング光の透過部分は、例えばＵＶポンピング光の場合に、波長選択フィルタ層によって阻止してもよい。バリアフィルム６４０は、屈折率整合取付け層６５０によって、底部偏光体６５５と液晶セル６６０に直接的に取り付けられる。追加のカラーフィルタ層６７０を、液晶層６６０の上流または下流に設置してもよい。カラーフィルタ層６７０は、ディスプレイの異なるピクセル間での色変化を可能にするための、液晶層６６０のピクセルと整列された、波長選択フィルタの配列を含む。また、光学スタックのいくつかの構成は、液晶層６６０の下流に位置する、追加の拡散層６８０を利用してもよいが、フィルタ層６７０（使用される場合）の下流または上流としてもよい。追加の拡散層６８０は、一般的に、デバイスの各ピクセルの均一な照明を与えることによって、ディスプレイ品質を改善するのに使用される。後方光再使用は、ライトガイド６１０の後面に設置して、光学活性層６３０から後方に出射された光を再指向させてもよい、反射層５７０によって提供してもよい。すなわち、反射層５７０は、後方に伝播する光成分によって生じる損失を予防するか、または少なくとも低減することによって、照明の効率を向上させる。
【００６４】
すなわち、この場合には、ポンピング光６１５（例えば、青色光）は、ライトガイド６１０によって方向づけられ、偏光保存拡散体フィルム６２０を通過して、光均一性を改善するとともに、ライトガイドから前方への出力光を偏向させる。偏光光源６３０からの偏光白色光６３５は、屈折率整合層６５０を通過して、液晶６６０セルの底部偏光体６５５中に入る。反射層５７０は、ナノロッド層６３０からの後方に出射された光を再利用するために、好ましくは、ライトガイド６１０の後部に設置される。
【００６５】
なお、上記の例示的構成および技法のすべては、一般的に、発光構造／層から偏光された出射光を効率的に抽出し、出射光を、所望の（観察者に向かう）方向に伝播するように指向させることをねらいとしていることに留意すべきである。本発明の技法は、それがある場合は、ライトガイドに対する光学活性層の相対的な場所にかかわらず、発光する光学活性構造に、同様に使用することができる。なお、ポンピング光は、光の自由伝播によってと同様に、専用ライトガイド内での伝播により、光学活性層において方向づけしてもよいことに留意されたい。さらに、光学活性フィルムは、一般に、使用されるときには、ライトガイドの縁端、またはライトガイドの上に配置してもよい。
【００６６】
ポンピングライト用のライトガイドは、出射光を散乱させながら、それによってその捕捉を減少させて、所望の波長範囲において効率的な照明を提供するように構成されている。すなわち、本発明のいくつかの態様によれば、偏光バックライトは、例えば、同じ譲受人の先の特許公開、ＷＯ２０１２／０５９９３１に記載されているように、整列（例えば、伸長により整列）されたナノロッドを含有するポリマー層を、ポンピング源とライトガイドエッジとの間に、ポンピング光源（サイドライト）に近接して、設置することによって、サイドライト照明機構によっても得ることができる。
【００６７】
この構成は、図９に例示されており、ライトガイド７１０のエッジ上に設置された、ナノロッド含有ストリップ７３０（整列ナノロッドを含む）を使用する、そのような偏光バックライトユニットを概略的に示している。ポンピング光源７００は、エッジ照明光源として使用されている。光源７００からのポンピング光は、（光学活性層／フィルムとして作用する）ストリップ７３０に衝突して、ナノロッドを励起して、１つまたは２つ以上の所定波長範囲の光を出射する。ナノロッド含有ストリップ７３０は、ポンピング光源７００とライトガイド７１０の間に位置して、ストリップ７３０内のナノロッドによって出射された光が、ストリップから出力されて、ライトガイド７１０に結合入力されるように構成されている。ナノロッドフィルム７３０は、好ましくは、損傷、例えば、酸素および／または水または追加の材料からそれを保護するように構成された、（ガラスまたはポリマーベースの）透明バリア媒体７４０内に密封される。
【００６８】
ナノロッドストリップからの偏光は、ライトガイド７１０に結合入力されて、導波路内を伝播して、光学スタックに向かって出力結合される。出射偏光は、導波路上に作成された回折格子または回折格子状パターン、図２および３を参照して上述したような導波路内部に位置する散乱体、および／または導波路に取り付けられた偏光保存拡散体７８０を使用して、出力結合させてもよい。そのような偏光保存拡散体７８０は、いずれにしろ、液晶セル７７０の底部偏光体（光学式）に到達する前に、バックライトの色および輝度の均一性を改善するのに使用してもよい。図８の例と類似して、反射層５７０は、光を再使用するためにライトガイド７１０の後面上に設置するのが好ましい。図示のように、ライトガイド７１０は、好ましくは、１つまたは２つ以上の波長範囲において、出射光を、場合によっては、ポンピング光の部分を指向、および出力結合させ、そのような３つの波長範囲が図中で７３５Ｒ、７３５Ｇおよび７３５Ｂとして例示されている。
【００６９】
いくつかの構成において、ナノロッド含有ストリップ７３０は、ライトガイド７１０のエッジに光学的に接着して、光の結合を改善してもよい。このことは、屈折率整合された接着剤（例えば、好適な反射率を有する光学接着剤）を使用するのに加えて、好適な光学アセンブリを使用し、また接触点の適切な設計によって、もたらしてもよい。一般的に、ストリップ７３０は、整列軸をライトガイドエッジに直角にするか、または好ましくは、整列軸をライトガイドエッジと平行にして、ライトガイド上に設置される。
【００７０】
ライトガイド７１０から出力される光の偏光度合いは、標準的な射出成形ＰＭＭＡライトガイド以外に、非複屈折性ポリマーブレンドで製作されたライトガイドを使用することによって、改善することができる。そのような効率的な偏光維持ライトガイドは、Ｋｏｉｋｅ教授［ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｖｉｅｗｓ、Ｖｏｌ．１９（６）、４１５〜４１８（２０１２）］によって例示されている。ポリマー鎖における配向を生じさせない処理、例えば、低速または二軸伸長におけるポリマーの鋳造または押出し成形を含む、非複屈折性ライトガイドを達成するためのその他の技法を使用してもよい。
【００７１】
いくつかの他の構成において、狭い角度分布を有する偏光を、例えば、この非限定の例について、参照により本明細書に組み入れられている米国特許第６７４６１３０号に記載されているような、光制御フィルムを使用して得ることができる。より具体的には、偏光光源ストリップからの光は、前方方向における光の出力結合の代わりに、大角度で大部分の光を出力結合させるように設計されたライトガイドに結合入力される。専用に設計された逆プリズムシートは、その出力面に取り付けられた、ライトガイドの上方に設置される。逆プリズムシートは、ライトガイドからの光出力を効率的に再指向させるとともに、光伝播経路を偏向させて、光をＬＣセルに向かって前方方向に伝送する。しかしながら、本技法によれば、逆プリズムシートは、好ましくは、非複屈折性ポリマー基板をベースとしてもよい。
【００７２】
上記で示すように、本発明のいくつかの態様によれば、偏光光源ユニット全体と同様に、光学活性構造は、フィルムスタックとして構成してもよい。これに関して、以下のことに留意すべきである。典型的には、偏光光源からの光は、偏光保存拡散体を通過させて、バックライトユニットから出力された出射偏光の色均一性および輝度均一性を改善してもよい。一般的なバックライト拡散体は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに埋め込まれた散乱粒子（チタン酸化物、硫酸バリウム、アクリルビーズまたは空隙）を含む。そのような高度に拡散性のフィルムは、そこを通過する光を完全に偏光解消させる、光散乱を誘発する。したがって、偏光維持スタックを提供するためには、バックライトユニットは、出射光の偏光を維持するために、偏光保存拡散体を使用することを必要とすることがある。このために、光学スタックは、好ましくは、面型拡散体を使用してもよい。そのような面型拡散体は、通過する光の散乱を生じさせると同時に、偏光回転および光散乱による損失を解消するか、または少なくとも大幅に低減する、表面粗さを含む、マイクロレンズ、またはその他の表面形体などの、表面構造をベースとして注意深く設計されるものである。好ましくは、拡散層は、表面散乱形体を担持する、無複屈折性、または低複屈折性のポリマー基板をベースとする。そのようなポリマー基板は、次のもの：ポリアクリレート（例えば、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＰ）またはトリアセテートセルロース（ＴＡＣ）、の１つまたは２つ以上から形成してもよい。
【００７３】
典型的な構成において、偏光光源（光学活性構造を含む）は、ポンピング光源から光学活性層へと光を指向させるように構成されたライトガイドの上に設置される。一般的に、ポンピング光は、そのエッジの１つまたは２つ以上において、ライトガイドに結合され（すなわち、エッジ照明）、ライトガイドの上端面から出力結合されて、光学活性構造に衝突する。プリズムフィルム、輝度増強フィルム（ＢＥＦ）または反射偏光体（例えば、二重輝度増強フィルム（ＤＢＥＦ））などの、追加の光学フィルムを、効率的な光再使用および輝度増強のために使用して、光学活性構造／フィルムの上、または上流に配置してもよい。
【００７４】
光学活性構造は、典型的には、ポンピング光に応答して、前方および後方の両方向に、かつ一般的には様々な追加の方向に光を出射する、好適なナノロッドを含有する。したがって、高度に反射性の層は、好ましくは、後方に出射された光を再使用するために、ライトガイドの背面に設置されて、その光をライトガイドに向かって戻す。そのような反射性フィルムは、好ましくは、９５％を超える、より好ましくは９８％を超える反射率を有して構成される。反射性フィルムには、散乱ビーズ（アクリル、チタン酸化物または硫酸バリウム）を含有する、高度に拡散性のシートを含めてもよい。代替的に、反射性フィルムは、鏡面リフレクタ（例えば、３Ｍにより市販されているＥＳＲフィルム）として作用する、多層シートとして構成してもよい。一般的には、反射性フィルム／層は、任意のリフレクタタイプのものとしてもよい。しかしながら、反射性フィルムは、好ましくは、基板（例えば、ポリマー、プラスチック）上に被覆された、１層または２層以上の金属層をベースとする。
【００７５】
一般的に、上述のように光の偏光特性を保存するように構成された光再指向（例えば、反射、誘導、散乱）光学要素に関して次のことを留意すべきである。一般的に光学スタック用に使用される、ポリマーフィルムは、ある程度の複屈折特性を有して構成しても、またはしなくてもよい。複屈折性の一部は、通常、ポリマーの固有の特徴であるが、一方で、好適な製造プロセスによって、複屈折特性を増大および／または減少させられる。より具体的には、光学再指向での使用に適するいくつかのポリマー、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ＰＥＴは、かなりの複屈折特性を有する。典型的なポリマー操作によって、主軸の方向および／または複屈折性のレベルを変えてもよい。例えば、ポリマーの伸長によって、伸長方向に平行または直角に偏光された光に対する、屈折率を変化させてもよい。
【００７６】
以下は、本発明によるディスプレイ装置またはバックライトユニットの光学スタックにおいて使用するのに適する、光再指向光学要素（ＬＲＯＥ：light redirecting optical element）のいくつかの既知の例である：光をフィルムに直角の所望の方向に再指向させる、フィルムの１面（フィルムがそれによってＬＣ層に面する）上に、プリズム形状を有することが多く、またこの結果を生じさせるために光再使用も使用する、Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ  Ｆｉｌｍ（輝度増強フィルム）（ＢＥＦ）；ライトガイドに面するプリズムを有し、専用に設計されたライトガイドに使用される、Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｐｒｉｓｍ  Ｆｉｌｍ（逆プリズムフィルム）（ＲＰＦ）；光を再指向させるように構成された表面形体または体積形体を備える拡散体フィルム、例えば、Ｌｉｇｈｔ  Ｓｈａｐｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ（光成形拡散体）（ＬＳＤ（登録商標）、Ｌｕｍｉｎｉｔにより市販）またはＴａｉｌｏｒｅｄ  ｍｉｃｒｏ‐ｄｉｆｆｕｓｅｒ（ＴＭＤ（登録商標）、ＷａｖｅＦｒｏｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓより市販）；通常、エッジにおいて入射する光を再指向させて、それをライトガイドの表面に垂直な方向に再指向させる、ライトガイド。なお、本明細書において使用されるときには、用語ＬＲＯＥ、または光再指向光学要素は、光学スタックにおいて使用してもよく、それを通過する光伝播を変更するように構成された、任意の光学要素を広義に指すものと解釈すべきことに留意されたい。上記のように、そのような変更には、光の反射、屈折および拡散、ならびに光成分の吸収および再出射を含めてもよい。
【００７７】
しかしながら、一般的に、複屈折特性を有する、ＬＲＯＥ、またはその他任意の光学スタックの層は、それを通過する光の偏光における変動を生じさせることがあることに留意すべきである。より具体的には、ＬＲＯＥの複屈折特性が、出射光の偏光の方向と相対的に、主軸の方位に対して、均質でない場合に。なお、従来型の市販ＬＣベースディスプレイ装置においては、バックライトが特に偏光されず、むしろ１つまたは２つ以上の偏光体を用いて偏光されるので、層の均質な複屈折性は重要性が低いことに留意すべきである。すなわち、一般の既存のＬＲＯＥアセンブリは、偏光状態および／またはその層を通過する光の方位が変化することがあるので、本発明の目的のための偏光維持フィルムスタックでの使用には、通常は適さない。
【００７８】
本発明は、好適な選択された屈折形体の屈折によって光を再指向させるように構成された、専用に設計された光学要素を使用する、光再指向構造の新規の構成を提供する。そのような屈折形体は、例えば、光学要素の表面幾何学形状に加えて、（拡散性要素の場合には）好適な散乱粒子と関連づけてもよい。適切に構成された光学要素は、光伝播の角度範囲に対して、それに入射する光を再指向させることができる。例えば、光学要素は、大きい入射角度を有する入力光を再指向させて、より小さい角度範囲の光を出力するように構成してもよい。この効果は、ディスプレイ腹面（display venter）への視線が垂直である、ユーザが画像を見ることができるように、より小さい視野角度に指向される光強度を増大させるのに使用してもよい。代替的に、反対の変更を使用して、観察者に対して、より広い角度の選択肢を提供してもよい。
【００７９】
上記のように、そのような光学要素は、ＬＲＯＥフィルムの適正な表面幾何学配置／形状変更を利用して構成してもよい。そのような光再指向要素は、図１０Ａ、１０Ｂにおいて例示されており、偏光保存光再指向のための、所定の表面形体を有する、複屈折再指向フィルム８００を示している。そのようなフィルムは、例えば、輝度増強フィルム（ＢＥＦ）として構成されてもよい。図１０Ａは、例えばＢＥＦとして構成された、複屈折再指向フィルム８００の概略図示である。再指向フィルム８００は、支持層８４０上に複数のプリズム（プリズム状）形体８３０を備えて構成されている。表面形体８３０は、支持層８４０の光学軸（複屈折光学軸）に平行または垂直に選択された、所定の軸に沿って延びている。図１０Ｂは、表面形体（プリズムの先端に対応する垂直線）８３０を担持する、光再指向フィルム８００の上面図を示す。やはり図１０Ｂにおいて示されているのは、再指向フィルム８００の速軸８１０および遅軸８２０の方向であり、これらは、層８４０の２つの主軸の方向をマークしている。
【００８０】
具体的には、表面形体８３０は、好ましくは、再指向フィルム８００の層８４０の主軸の一方、すなわち速軸８１０または遅軸８２０に平行になるように、所定の軸に沿って延びるように構成される。表面形体の材料が、無視できない複屈折性を有する場合には、表面形体８３０は、好ましくは、その形体の所定の軸が、やはり、表面形体材料／層の速／遅軸と整列されるように、構成される。なお、図１０Ｂは、再指向フィルム８００の遅軸８２０に平行に延びる表面形体８３０を示しているが、同様の効果が、一般に、速軸８１０に平行に延びる表面形体８３０によっても得られることに留意すべきである。
【００８１】
様々な設計のプリズム８３０角度、幅および高さ、ならびにＬＲＯＥ８００のその他の部分を使用して、所望の光の再指向を提供してもよい。なお、表面形体８３０は、プリズム、またはプリズム状形体、例えば、従来型のプリズム鋭角先端の代わりに曲線先端を有する、「修正プリズム」として、または所望の光再指向をもたらすその他のタイプの形体として、構成してもよいことに留意すべきである。本発明の光学要素は、その表面形体が、支持層８４０の複屈折の遅軸および速軸に対して、所定の角度関係で位置合わせされるように、構成されていることにも留意すべきである。一般に、本発明のＬＲＯＥフィルムは、次の特性の１つまたは２つ以上を備えて構成してもよい：
ＬＲＯＥフィルムは、「ゼロ‐ゼロ」複屈折特性を備えて構成されてもよく、すなわち、フィルム材料が、複屈折性なしに、または遅軸および速軸（例えば、Ｋｏｉｋｅら［１２］に記載されているように）に対して類似の屈折率を有して、調製されてもよい。
【００８２】
ＬＲＯＥフィルムは、ＴＡＣ（トリアセテートセルロース）（例えば、［１４］に記載されているような）などの低レベル複屈折性材料で構成されてもよい。追加の低複屈折性ポリマーとしては、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）またはポリカーボネート（ＰＣ）が挙げられる。
ＬＲＯＥフィルムは、速軸および遅軸（例えば、図１０Ａ、１０Ｂにおける８１０および８２０）に沿って異なる偏光を有する光に対して、異なる遅延特性を有するフィルムで製作してもよい。複屈折特性は、フィルタ全体にわたって均質である。特に、フィルムは、複屈折の選好軸が、細長い形体の長軸の方向に沿うか、またはこの軸に垂直になるように位置合わせされる。
【００８３】
ＬＲＯＥは、上述の構成の内の任意の１つを有してもよいことに留意すべきである。さらに、ＬＲＯＥは、また、複屈折軸位置合わせにおける不均衡／角度変動を補償するために、選択されて位置合わせされた、追加された別個のフィルムを使用して構成してもよい。一般に、そのような補償フィルムは、ＬＲＯＥフィルム（通常および異常の偏光状態の光）の速軸および遅軸に沿って偏光された光成分の光学経路に対して、ＬＲＯＥフィルムによって誘発される遅延を均衡させるように構成され位置合わせされる。これは、図１１に例示されており、選択された偏光状態の光の光学経路を均衡させるように構成された、表面パターンを担持して、外部層９１０の上に設置された、ＬＲＯＥフィルム９００を示している。補償フィルム９１０は、２枚のフィルムの組合せを通過する光に対する、ＬＲＯＥ複屈折性を補償するように事前選択された、複屈折特性を有して構成されている。このために、フィルム９１０は、それがＬＲＯＥ９００と組み合わせて（すなわち、それと積み重ねられて）使用されるときに、デュアルフィルム組合せが、ゼロまたはゼロに近い複屈折性をもたらすか、またはナノロッド方向と平行または垂直整列で配向された、複屈折性をもたらすように、選択される。
【００８４】
また、本発明は光再指向フィルムについて例示されるが、好適な複屈折位置合わせに加えて、上述の補償フィルムの使用も、本発明による光学スタックにおける様々なフィルム／層に好ましいことがあることにも留意すべきである。また、エネルギー的に効率的なディスプレイシステム（すなわち、最小のエネルギーを使用する高輝度のディスプレイ）を提供するために、光学スタックは、そこを通過する光の偏光を保存するように構成されることにも留意すべきである。より具体的には、光学活性層、ライトガイド、ＬＣパネル配設、拡散フィルムなどを含む、光学スタックの異なる層／フィルムは、好ましくは、複屈折特性の適切な選択と、発光ナノロッドの整列軸に対する、速／遅軸の位置合わせとにより、偏光を維持するように構成される。上記のように、このことは、上述の「ゼロ‐ゼロ」低複屈折性および補償フィルムを、別個に使用するか、またはそれらの任意の組合せで使用して達成してもよい。さらに、いくつかの態様において、光学スタックの異なる層を、スタックのその他の層のための補償フィルムとして作用するように構成してもよいことに留意すべきである。
【００８５】
すなわち、一般的に、本発明のいくつかの態様による、光再指向光学要素、または光学スタック（光学活性フィルム、ライトガイド、拡散体、その他）のその他任意の層は、実際には、選択的複屈折性（Selective Birefringent）ＬＲＯＥ（ＳＢＬＲＯＥ）として構成してもよく、すなわち、そのようなフィルム／要素は、（それと相互作用して）通過する光を偏光解消させず、また光の偏光を回転させない。そのような偏光維持特性は、電場または磁場ベクトルの偏波方向に対する、ＳＢＬＲＯＥの遅軸または速軸の適正な位置合わせによって与えられる。すなわち、光の偏光軸は、ＳＢＬＲＯＥの速／遅軸に平行であるので、偏光方向は、実質的に回転されないか、または部分的にだけ回転される。本発明のＳＢＬＲＯＥ光学スタックは、有利には、ＬＣＤバックライトモジュールの光学スタックに使用することができる。
【００８６】
この関係で、活性光変調モジュール１００２とバックライトユニット１００４とを有する、ＬＣＤデバイス１０００を示す、図１２を参照する。ＬＣＤデバイス１０００は、反射ミラー１１０４、光源１２０４（例えば、上述のようなライトガイドを含む）、および偏光光源フィルム１４０４（光学活性構造）を含む、層状スタックとして構成されている。バックライトユニット１００４にはまた、光学活性層１４０４の上流１６０４、または下流１３０４に位置する、１つまたは２つ以上の拡散性層を含めてもよい。さらに、バックライトユニットには、１枚または２枚以上の輝度増強フィルム（例えば、１７０４および１８０４）、反射性偏光体（例えば、デュアル輝度増強フィルムＤＢＥＦ、１９０４）、ならびに、望ましくない波長の光（例えば、ポンピング光）をフィルタリング除去するための、１つまたは２つ以上の波長選択性フィルタ１９１４を含めてもよい。やはり上述のように、光学活性層１４０４は、活性層１４０４からの光の出力結合を強化するように構成された、光抽出層１５０４に取り付けてもよい。一般に、バックライトユニット１００４の層のそれぞれは、上述のように、それを通過する光の偏光を保存するように構成されている。この関係で、ディスプレイ装置１０００の以下の要素：リフレクタ１１０４、ライトガイド１２０４、拡散体１３０４および１６０４、光抽出層１５０４、ＢＥＦフィルム１７０４および１８０４は、一般的にクラスＬＲＯＥの要素として考えられる。
【００８７】
具体的には示していないが、バックライトユニット１００４には、選択された層、例えば、光学活性層１４０４、光源１２０４、その他に対する好適な保護を与えるように構成された、１枚または２枚以上のバリアフィルムを含めてもよいことに留意すべきである。
いくつかの態様において、バックライトユニット１００４には、カスケード状に配設された、２枚以上のＬＲＯＥ、すなわちＬＲＯＥ同士の積み重ね、を含めてもよいことに留意すべきである。そのようなカスケード接続されたＬＲＯＥ配設を使用して、光をさらに再指向させる、例えば、単層ＬＲＯＥによって与えることのできるものに対して広い角度分布を与えてもよい。やはり上述したように、各ＬＲＯＥは、好ましくは、ゼロ複屈折特性または低複屈折特性（すなわち、それを通過する光に対する誘発された低減された遅延）を有して構成されること、および／または他のＬＲＯＥの複屈折光学軸に対して、および出射光の偏光方向（ナノロッドの整列軸）に対して、平行または垂直のいずれかである、それ自体の複屈折光学軸を有することに留意すべきである。
【００８８】
さらに、やはり上記のように、そのようなゼロ複屈折または低複屈折、ならびに複屈折が不可避の特性である場合の速／遅軸の適正な位置合わせは、効率的な照明を提供し、損失を防止するための、バックライトユニット１００４の追加の要素／層に対して、一般に、好ましい。例えば、１つまたは２つ以上の選択された波長範囲において輝度を増強させるために、バックライトユニット１００４において使用される、１つまたは２つ以上のＢＥＦ要素も、好ましくは、出射光の偏光を保存するように構成される。母材内に埋め込まれるか、または基板上に被着されたナノロッドとして構成されている、光学活性構造１４０４は、好ましくは、母材／基板および使用される場合にはバリア層の主軸が、ナノロッドの整列軸と整列されるように構成される。
【００８９】
複屈折特性についての同様の整列を、バック照明およびサイド照明を含む、上述のような偏光特性による照明を利用するその他のデバイスにおいて使用してもよいことを理解すべきである。いくつかの態様において、ユニット／デバイスに使用されるＳＢＬＲＯＥは、所定の方向から到着する偏光を受けて、それを所定の（異なる）方向に出射するように構成された、ライトガイドの形態としてもよい。異なる形態のさらなるＳＢＬＲＯＥをライトガイドの上に設置して、拡散および輝度増強などの、追加の再指向特性を与えてもよい。
【００９０】
このように、本発明の光学スタックに加えて、その選択的フィルム／層（例えば、ＳＢＬＲＯＥ、拡散層、光学活性層、波長フィルタ、その他）は、複屈折特性を消去、または少なくとも大幅に低減することによって、それを通過する光の偏光を維持し、かつ／または出射光の偏光方向に対して、複屈折の速／遅軸の整列を維持するように構成される。そのような光学要素と、そのスタックは、偏光照明、および出力光の所望の偏光方向の維持、ならびに光出力指向性を増大させること必要とする、様々な応用において、偏光光源と共に、またはその一部として、使用してもよい。
【００９１】
上述のように、光学活性構造、バックライト照明ユニット、ならびに対応する光学スタックは、好ましくは、その光学要素の全部または一部の複屈折特性が、無いか、または少なくとも低減されている（すなわち、最小の遅延を誘発する）ように構成される。追加的または代替的に、光学活性構造および追加の層は、好ましくは、その主軸（すなわち、速軸または遅軸）が出射光の偏光の方向に平行となるように、配向される。また、カプセル化フィルムおよびバッテリフィルムなどの、光学活性が低い、または無いフィルム／層は、好ましくは、複屈折特性を消去／低減することによって、または少なくとも、速／遅軸の適正な整列によって、偏光を維持するように構成されることにも留意すべきである。
以下は、本発明者らにより行われた、本発明の選択された態様の実験的な実現の説明である。
【００９２】
実施例１：
バックライトユニットを構築するために、整列されたナノロッドフィルムを、青色発光ＬＥＤバー（中心波長４５０ｎｍ、ＦＷＨＭ＝２０ｎｍ、エッジライト）の形態のポンピング光源に結合された、ライトガイド板（スラブ）の表面上に設置した。銀層被覆をベースとする、高度に反射性のシートを、後方に出射される光を再使用するために、ライトガイドの背面に設置した。
輝度均一性を改善するために、ナノロッド層から出力された偏光を、偏光維持拡散体（この非限定の例においては、Ｌｕｍｉｎｉｔから入手可能な、ＬＳＤＴＭホログラフィック拡散体、円形３０度）を通過するように指向させた。
【００９３】
光再指向フィルムとして、Ｏｒａｆｏｌ  Ｅｕｒｏｐｅ  ＧｍｂＨにより市販されている、Ｒｅｆｌｅｘｉｔｅコリメートフィルム（ＲＣＦ（登録商標））を使用した。ある特定のバッチが、光再指向フィルムのプリズムの小面（facet）に沿った、所望の複屈折整列軸を有していた。このフィルムを、ナノロッド整列軸に平行か、または垂直整列に設置した。両方の整列において、ナノロッドフィルムからの偏光特性は、部分的に維持された（１．６の偏光比が達成された）。偏光比は、フィルムの偏光性能の性能指数（figure of merit）であり、偏光体を、ロッド整列軸に平行なフィルムの前方、かつそれに垂直に設置して測定される。２つの強度の間の比が、偏光比である。本実施例は、偏光比が３から１．６まで変化したので、偏光の「部分的保存」を示す。ＳＢＬＲＯＥフィルムは、所望の偏光を有する青色光に対して、５６％の増加をもたらし、所望の偏光を有する赤色成分に対して、４６％の増加をもたらした。
【００９４】
このことは、単一色（赤）フィルムに対して実証された、ＳＢＬＲＯＥを使用することによって得られた導波路の前方方向に出射された改良光に対する実験結果を示す、図１３に示されている。これらの結果は、その変換軸が光学活性フィルムの主偏光軸に平行である、偏光体を通過するバックライトからの光での実験に一致する。これは、光に対する、より完全な偏光特性を得るために行われる。偏光比の値３は維持されなかったが、偏光比レベル１．６は、光を完全に偏光解消させる（偏光比が１に等しい）ＢＥＦを使用するものと比較して、光の２３％の追加をもたらすことに留意すべきである。
【００９５】
実施例２
バックライトユニットを構築するために、整列されたナノロッドフィルムを、青色発光ＬＥＤバー（中心波長４５０ｎｍ、ＦＷＨＭ＝２０ｎｍ、エッジライト）に結合されたライトガイド板（スラブ）の表面上に設置した。銀層被覆（Ｏｉｋｅにより市販されている、「ＢＬフィルム」）をベースとする、高度に反射性のシートを、後方に出射される光を再使用するために、ライトガイドの背面に設置した。
【００９６】
光再指向フィルムとして、１６０ｕｍピッチのプリズムフィルムおよび角度９０度のプリズムを使用した。非複屈折性のポリメチレン‐メタクリレート（ＰＭＭＡ）基板を有する、ある特定のフィルムを選択した（２５ｎｍ未満の遅延の、２５０ミクロン基板）。このフィルムを、ナノロッド整列軸に平行に、または垂直整列に設置した。両方の整列において、受容された偏光比は２であった。ＬＲＯＥフィルムは、緑色光および赤色光に対して、複屈折性ポリマー基板をベースとするプリズムフィルムを使用して得られた１０〜４０％増加と比較して、６０〜８０％の増加をもたらした。比較は図１４に示されている。この図は、偏光抽出の効率に対する、ＬＲＯＥ基板の影響を示す。この実験結果は、ナノロッドの整列軸に平行な光出射、および厳密に同一のプリズム構造と、異なるポリマー材料を基板として有する、ＬＲＯＥ（プリズムフィルム）によって得られる導波路の前方方向への、改善された光出射（ＢＥＦなしのフィルムの出射に対して、この合計と比較して、赤色および緑色出射光成分の合計；図中で、ｙ軸はパーセント％単位）を示す。非複屈折性ＰＭＭＡをベースとするＬＲＯＥは、複屈折性を示す、ポリカーボネート（ＰＣ）およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板と比較して、改善された効率を示す。本明細書において使用された、全ＢＥＦフィルムは、厳密に同一のプリズム構造を有することに留意すべきである。
【００９７】
すなわち、本発明は、上述のように、光学活性構造の偏光発光をベースとする、新規の偏光光源を提供する。整列された出射ナノロッドを含み、出射光の経路における光学要素の適切な配設を使用する。本発明の偏光光源は、所望の偏光の出射と、維持された偏光状態で、光学活性構造からのその出力結合とを、最大化するように構成されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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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