JP2007504516A - 偏光ビームスプリッターおよび偏光ビームスプリッターを用いる投影システム - Google Patents

Abstract

偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）は、第１の多層反射偏光フィルムと第２の多層反射偏光フィルムとを２つのカバー間に配設して含む。２つの多層反射偏光フィルムは、同一であっても異なっていてもよい。ＰＢＳは、さまざまな用途で使用することができる。

Description

本発明は、一般的には、偏光ビームスプリッターと、情報を表示するためのシステムなどにおけるそのような素子の使用とに関し、より詳細には、反射投影システムに関する。

光学イメージングシステムは、典型的には、光ビームに画像を重ねる透過イメージャーまたは反射イメージャー（ライトバルブまたはライトバルブアレイとも呼ばれる）を含む。透過ライトバルブは、典型的には半透明であり、光を通過させる。一方、反射ライトバルブは、入力ビームの選択された部分だけを反射して画像を形成する。反射ライトバルブは、重要な利点を提供する。なぜなら、制御回路を反射表面の背面に配置しうるので、より先進的な集積回路技術が利用可能になり、その際、基板材料は、その不透明度によって制限されることはないからである。イメージャーとして反射型液晶マイクロディスプレイを使用することにより、安価かつ小型にできる可能性のある新しい液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）プロジェクター構成が実現可能になるであろう。

多くの反射ＬＣＤイメージャーは、入射光の偏光を回転させる。言い換えれば、偏光光は、最暗状態に対してその偏光状態が実質的に変更されずに、または所望のグレースケールを提供するように偏光回転度が付与されて、イメージャーにより反射される。これらのシステムでは、９０°の回転により最明状態が提供される。したがって、反射ＬＣＤイメージャーの場合、一般的には、入力ビームとして偏光光ビームが使用される。望ましい小型の構成は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）とイメージャーとの間に折り曲げられた光路を含み、照明ビームおよびイメージャーから反射された投影画像は、ＰＢＳとイメージャーとの間で同一物理空間を共有する。ＰＢＳは、入射光と偏光回転画像光とを分離する。プロジェクターシステムで使用される従来のＰＢＳ（マクニール偏光子と呼ばれることもある）では、ブルースター角で配置された無機誘電体フィルムのスタックが使用される。ｓ偏光を有する光は反射され、一方、ｐ偏光状態の光は偏光子を通って伝播される。

単一のイメージャーは、モノクロ画像またはカラー画像を形成するために使用しうる。複数のイメージャーは、典型的には、カラー画像を形成するために使用され、この場合、照明光は、異なる色の複数のビームに分割される。画像は、各ビームに個別に重ねられ、これらのビームは、次に、再結合されてフルカラー画像を形成する。

一般的には、本発明は、投影システムのヘイズを減少させるための装置に関する。とくに、本発明は、偏光ビームスプリッターのヘイズ減少を含むイメージングコアに依拠する。

本発明は、第１の多層反射偏光フィルムと第２の多層反射偏光フィルムとを含むＰＢＳを提供する。第１のフィルムと第２のフィルムとの組合せは、好ましくは、青色光に安定であるように選択されるが、他のフィルムおよび組合せを使用することもできる。そのような組合せを使用することにより、全可視領域にわたりコントラストの増大された偏光子を得ることもできる。

本発明に係るＰＢＳ構成体で２つ（またはそれ以上）のフィルムを使用すると、投影スクリーンに達するヘイズが減少する。２フィルム構成体は、任意の材料をカバーとして併用しうる（たとえばプリズム）。そのような材料としては、ガラスが挙げられる。ガラスは、任意の屈折率を有しうるが、屈折率は、典型的には１．４〜１．８の範囲内であり、１．４〜１．６の範囲内でありうる。このガラスの屈折率を低くすることにより、非点収差を減少させうる。ＰＢＳで追加のフィルムを使用しているにもかかわらず、ＰＢＳを通過するｐ偏光光の透過率が劇的に減少することはない。

本発明の一実施形態は、複数の層を含む第１の多層反射偏光フィルムを含む偏光ビームスプリッターを提供する。第１の多層反射偏光フィルムの複数の層は、第１の分布の光学的厚さを有する。偏光ビームスプリッターはまた、第１の多層反射偏光フィルムに近接して第２の多層反射偏光フィルムを含み、第２の多層反射偏光フィルムは、複数の層を含む。第２の多層反射偏光フィルムの複数の層は、第２の分布の光学的厚さを有し、第２の分布は、第１の分布とは異なる。第２の多層反射偏光フィルムの主面は、第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向する。偏光ビームスプリッターはまた、第１および第２の多層反射偏光フィルムの両側に配設されたカバーを含む。第１の多層反射偏光フィルムと第２の多層反射偏光フィルムとの間に光学用接着剤を提供しうる。一実施形態では、第１の多層反射偏光フィルムは、第１のコントラスト比スペクトルを含み、第２の多層反射偏光フィルムは、第２のコントラスト比スペクトルを含む。第１のコントラスト比スペクトルは、第２のコントラスト比スペクトルとは異なりうる。

本発明の他の実施形態は、第１の多層反射偏光フィルムと第２の多層反射偏光フィルムとを含む偏光ビームスプリッターに関する。第２の多層反射偏光フィルムは、第１の多層反射偏光フィルムに近接する。第２の多層反射偏光フィルムの主面は、第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向する。偏光ビームスプリッターはまた、第１および第２の多層反射偏光フィルムのそれぞれの側に配設されたカバーを含む。

本発明の他の実施形態は、光を発生する光源と光源からの光を調整する調整光学素子とを含む投影システムに関する。システムはさらに、調整光学素子からの調整された光に画像を重ねて画像光を形成するイメージングコアを含み、イメージングコアは、少なくとも１つの偏光ビームスプリッターと少なくとも１つのイメージャーとを含む。偏光ビームスプリッターは、第１の多層反射偏光フィルムと第１の多層反射偏光フィルムに近接した第２の多層反射偏光フィルムとを含み、第２の多層反射偏光フィルムの主面は、第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向する。偏光ビームスプリッターはまた、第１および第２の多層反射偏光フィルムのそれぞれの側に配設されたカバーを含む。システムはさらに、イメージングコアからの画像光を投影するための投影レンズシステムを含む。一実施形態では、システムはまた、少なくとも１つのイメージャーに入射した光に重ねられる画像を制御するために少なくとも１つのイメージャーに結合されたコントローラーを含む。他の実施形態では、システムはまた、偏光ビームスプリッターと少なくとも１つのイメージャーとの間に配設されたカラーセパレーターを含みうる。

本発明の他の実施形態は、偏光ビームスプリッターの作製方法に関する。この方法には、第１の多層反射偏光フィルムを形成する工程と；第２の多層反射偏光フィルムを形成する工程と；第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向して第２の多層反射偏光フィルムの主面を配置する工程と；２つのカバー間に第１および第２の多層反射偏光フィルムを配置する工程と；が含まれる。

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明および図面から、さらには特許請求の範囲から、自明なものとなろう。

本発明の種々の実施形態についての以下の詳細な説明を添付の図面に関連させて検討すれば、本発明についてより完全な理解が得られるであろう。

本発明は、光学イメージャーに適用可能であり、とくに、高品質低収差の投影画像を生成しうる大開口数光学イメージャーシステムに適用可能である。

１つの代表的なタイプの光学画像システムとしては、「広角デカルト偏光ビームスプリッターを用いる反射型ＬＣＤ反射システム（ＲＥＦＬＥＣＴＩＶＥ ＬＣＤ ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＵＳＩＮＧ ＷＩＤＥ−ＡＮＧＬＥ ＣＡＲＴＥＳＩＡＮ ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲ）」という名称の米国特許第６，４８６，９９７Ｂ１号明細書に論述されているような広角デカルト偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）が挙げられる。デカルトＰＢＳとは、透過ビームおよび反射ビームの偏光がＰＢＳフィルムの不変略直交主軸を基準にするＰＢＳである。これとは対照的に、非デカルトＰＢＳでは、個々のビームの偏光は、ＰＢＳへのビームの入射角に実質的に依存する。

デカルトＰＢＳの一例は、多層反射偏光（ＭＲＰ）フィルムであり、等方性材料と複屈折性材料との交互層から形成されるフィルムにより例示しうる。フィルムの平面をｘ−ｙ平面であるとみなし、フィルムの厚さをｚ方向に測定する場合、ｚ屈折率は、ｚ方向に平行な電気ベクトルを有する光に対する複屈折性材料の屈折率である。同様に、ｘ屈折率は、ｘ方向に平行な電気ベクトルを有する光に対する複屈折性材料の屈折率であり、ｙ屈折率は、ｙ方向に平行な電気ベクトルを有する光に対する複屈折性材料の屈折率である。ＭＲＰフィルムの場合、複屈折性材料のｙ屈折率は、等方性材料の屈折率と実質的に同一であるが、複屈折性材料のｘ屈折率は、等方性材料の屈折率とは異なる。層の厚さを適切に選択すれば、フィルムは、ｘ方向に偏光された可視光を反射し、ｙ方向に偏光された光を透過する。

有用なＭＲＰフィルムの一例は、複屈折性材料のｚ屈折率が複屈折性材料のｙ屈折率と実質的に同一である整合ｚ屈折率偏光子（ＭＺＩＰ）フィルムである。整合ｚ屈折率を有する偏光フィルムについては、米国特許第５，８８２，７７４号明細書および同第５，９６２，１１４号明細書ならびに以下の同一譲受人の米国特許出願第６０／２９４，９４０号明細書（現在失効）（２００１年５月３１日出願）；米国特許出願公開第２００２−０１９０４０６号明細書（２００２年５月２８日出願）；米国特許出願公開第２００２−０１８０１０７号明細書（２００２年５月２８日出願）；米国特許出願第１０／３０６，５９１号明細書（２００２年１１月２７日出願）；および米国特許出願第１０／３０６，５９３号明細書（２００２年１１月２７日出願）に記載されている。整合ｚ屈折率を有する偏光フィルムについてはまた、「偏光ビームスプリッター（ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲ）」という名称の米国特許出願公開第３００３−００４８４２３−Ａ１号明細書（２００１年６月１１日出願）にも記載されている。

場合により、ＭＲＰフィルムまたはＭＺＩＰフィルムを使用する偏光ビームスプリッターは、ヘイズを生じる可能性がある。被写体位置にも瞳孔位置にもＰＢＳは存在しないので、ヘイズは、イメージャーシステムのコントラストを減少させたり、さらには暗状態の不均一性を引き起こしたりするおそれもある。可能性のあるヘイズの原因の１つは、ＭＲＰフィルムの照明時に観測される個別の着色した光点でありうる。これらの光点は、ｓ偏光光と実質的に同一であるｘ偏光光の局所的な漏れであると思われる。そのような漏れは、微粒子、フィルム層中の局所的ボイドもしくは離層、微結晶、共押出時の流動不安定性、またはフィルムの他の欠陥部が原因となってＭＲＰフィルムの層構造が破壊されることにより引き起こされる可能性がある。

ヘイズは一方向（すなわち、ＰＢＳが反射すべき（ｓ偏光）方向）にのみ偏光されるので、所望の通過状態（ｐ偏光）の光を通過させるように方向付けられたクリーンアップ後偏光子を用いて取り除くことが可能である。完全なクリーンアップ後偏光子（ＣＵＰＰ）であれば、原則として、投影画像を劣化させることはない。しかしながら、実際には、ＣＵＰＰの使用により、投影画像の輝度の１０％〜１５％の損失を生じうる。ＣＵＰＰはまた、投影システムのコストおよび複雑さを増大させる。

さらに、青色光または白色光のいずれかで使用されるＭＲＰフィルムは、好ましくは、青色で照明されたときに劣化しない材料で作製される。そのようなＭＲＰフィルムの例は、米国特許第６，６０９，７９５号明細書に見いだすことができる。材料にこうした優先性が存在すると、最も高い複屈折性の樹脂をＭＲＰフィルムで使用することが妨げられる可能性があるので、高コントラスト広域スペクトルのＭＲＰフィルムを作製することは、一段と厄介な問題になるであろう。青色光で劣化しない材料を利用する青色光用または白色光用のＭＲＰフィルムを、非常に高い屈折率のガラスキューブプリズム中に配置すれば、フィルムを通る透過角が増大され、それぞれのフィルム層界面における界面反射率が増大されることになる。このようにして、高屈折率層が低複屈折性であるにもかかわらず、ｓ偏光光の非常に強い反射を達成することができる。

ＭＲＰフィルムを用いて作製されるＰＢＳのコントラストは、不整合方向（たとえばｘ方向）に沿った屈折率差、面内整合方向（たとえばｙ方向）の屈折率整合度、厚さ方向（たとえばｚ方向）の屈折率整合度、フィルムの層の合計数などをはじめとするいくつかのパラメーターに依存する。不整合方向に沿った層間の屈折率差および整合方向に沿った屈折率整合は、ポリマー樹脂対により制限される。さらに、ポリマー樹脂は、好ましくは、青色光から緑色光を経て赤色光までの可視スペクトル領域（またはＰＢＳ用途において対象となるすべてのスペクトル領域）で実質的に透明である。１つのそのような対は、以下の実施例に記載されており、ＰＥＴとＰＥＴのコポリマー（ｃｏＰＥＴ）とを含む。これらのポリマーは、青色光を含む全可視波長領域にわたり実質的に透明である。しかしながら、不整合方向に沿ったこれらのポリマーの屈折率差は、約０．１５にすぎない。以下に記載されているような光学システムで所望のレベルのコントラストを達成するために、この組合せのポリマーを用いるＭＺＩＰフィルムでは、典型的には、１対の高屈折率ガラスプリズムが使用される。

高屈折率ガラスをＰＢＳフィルムと併用した場合、２つの影響、すなわち、ＰＢＳの非点収差の発生および非補償ミラー暗状態の輝度の増大を生じる可能性がある。

非点収差を取り除く方法については、同一譲受人の米国特許第６，６７２，７２１号明細書（２００１年６月１１日出願）および米国特許出願公開第３００３−００４８４２３−Ａ１号明細書（２００２年５月２９日出願）（いずれも、「低非点収差を有する投影システム（ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＨＡＶＩＮＧ ＬＯＷ ＡＳＴＩＧＭＡＴＩＳＭ）」という名称である）に記載されている。これらの出願には、非点収差を補償するためにフィルムに隣接して非常に高い屈折率のガラスプレートを使用することが記載されている。しかしながら、このプレートは、ＰＢＳにかなりのコスト増を招きかねない。さらに、そのようなプレートを使用すると、背面焦点距離が長くなって、投影レンズに対する横方向の色状態が対処し難いものになるおそれがある。これに加えて、補償プレートを有するＰＢＳでは、より大型のカラーコンバイナーキューブが必要になる可能性もある。

さらに、高屈折率ＰＢＳガラスを用いると、光はＰＢＳフィルム中に非常に高角度で伝播するようになる。１．６未満の屈折率を有するガラスをＰＢＳに使用した場合、非補償ミラー暗状態のコントラストは、典型的には、ミラー上に配向１／４波長フィルム（ＱＷＦ）を配設して得られるコントラストとほぼ同一である。本明細書中で使用する場合、「非補償ミラー暗状態」という用語は、以下に記載されるようなイメージングシステムでイメージャーの代わりに裸ミラーを使用してイメージングシステムを通過して生じた光透過を観測したときに得られる暗状態として定義される。ガラスの屈折率を１．８５まで増大させた場合、とくに、高複屈折性ガラスプリズムをＭＲＰフィルムに整合させることにより反射を減少させるべく屈折率整合層を使用した場合、非補償ミラー暗状態の値は、ミラー上にＱＷＦを配設したときのコントラストの半分未満まで低減される。コントラストのこの損失は、速軸が入射光の偏光方向に沿うようにアライメントされたＱＷＦをミラー上またはイメージャー上に配置することにより、回復させることができる。しかしながら、これらの特別な補償プレート（たとえばＱＷＦ）は、コストを増大させるおそれがあり、適切にアライメントすることが困難である可能性がある。したがって、低屈折率ガラス（たとえばｎ＜１．６０）中でＰＢＳフィルムを使用するための技術があれば、ＱＷＦのようなミラー暗状態補償プレートの必要性を回避することにより、コストが削減されるであろう。

図１は、本発明に係る２つ以上の多層反射偏光（ＭＲＰ）フィルムを使用する偏光ビームスプリッターの一実施形態１０を示している。この実施形態では、偏光ビームスプリッター１０は、第１の多層反射偏光フィルム１２と、第２の多層反射偏光フィルム２０と、第１のフィルム１２と第２のフィルム２０との間のオプション層５０と、を含む。第１および第２のフィルム１２および２０の一方または両方は、当技術分野で公知の任意の好適なＭＲＰフィルムであってよく、好ましくはＭＺＩＰフィルムである。ＰＢＳ１０は第１および第２のフィルム１２および２０をそれぞれ含むが、３つ以上のフィルムを利用することも可能である。

好適なＭＲＰフィルムとしては、米国特許第５，８８２，７７４号明細書に記載されているものが挙げられる。好適なＭＲＰフィルムの一実施形態は、２種の材料の交互層を含み、その少なくとも一方は、複屈折性であり配向されている。ガラスプリズム中で良好に機能するフィルムは、各層に対して異方性屈折率の適切な値を提供すべく、とくに、フィルムの表面に対して法線方向に、追加の機能を有しうる。詳細には、フィルムの厚さ方向における交互層の屈折率は、理想的には整合される。これは、偏光子のｙ方向（通過方向）の屈折率が整合されることに加えて行われる。偏光子がその通過軸に沿って全入射角に対して高い透過率を有するように、交互層のｙおよびｚ（フィルムに対して法線方向）屈折率の両方を整合させることも可能である。ｙおよびｚ屈折率の両方について整合を達成するのに、ｙ屈折率だけを整合させるときに使用される材料とは異なる材料をフィルムの層に設定して利用することも可能である。３Ｍブランド「ＤＢＥＦ」フィルムのようなより古い３Ｍ多層フィルムは、ｙ屈折率に関して整合させるように過去に作製された。

すべての層のｙおよびｚ屈折率の両方を整合させるための一方法は、真の一軸延伸を与えることである。この場合、ｙおよびｚ方向の両方でフィルムを緩和（すなわち収縮）させると同時にｘ方向で延伸する。そのような方法によれば、ｙおよびｚ屈折率は、所与の層で同一になる。したがって、第１の材料のｙ屈折率に整合する第２の材料を選択すれば、第２の材料層も同一の延伸条件に付されるので、ｚ屈折率もまた整合されるはずである。

一般的には、２種の材料のｙ屈折率間の屈折率の不整合は、遮断状態で高反射率を保持しつつ通過状態で高透過率になるように小さくなければならない。ｙ屈折率不整合の許容される大きさは、ｘ屈折率不整合を基準にして記述しうる。なぜなら、後者の値によって、所望の偏光度を達成すべく偏光子薄膜スタックで使用される層の数が示されるからである。薄膜スタックの全反射率は、屈折率不整合Δｎおよびスタック中の層の数Ｎに関連付けられる。すなわち、積（Δｎ）²×Ｎは、スタックの反射率に関連する。たとえば、反射率は同一であるが層の数は半分であるフィルムを提供するには、層間の屈折率差を（２）^1/2倍にするなどの必要がある。比Δｎ_Y／Δｎ_Xの絶対値は、所望に応じて制御される適切なパラメーターである。ここで、本明細書に記載されているような光学的反復ユニット中の第１および第２の材料に対して、Δｎ_Y＝ｎ_Y1−ｎ_Y2およびΔｎ_X＝ｎ_X1−ｎ_X2である。Δｎ_Y／Δｎ_Xの比の絶対値は、０．１以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５以下、さらにより好ましくは０．０２以下であり、場合により、この比は０．０１以下でありうる。好ましくは、比Δｎ_Y／Δｎ_Xは、対象となる全波長領域にわたり（たとえば可視スペクトルにわたり）所望の限度未満に保持される。典型的には、Δｎ_Xは、少なくとも０．１の値を有し、０．１４以上になりうる。

多くの実用的用途では、入射光がフィルム層となす角度に依存して、これらの層間の小さいｚ屈折率不整合が許容されうる。しかしながら、フィルムをガラスプリズム間にラミネートする場合、すなわち、高屈折率媒体中に浸漬する場合、光線は、フィルム平面に対する法線の方向に曲がることはない。この場合、光線は、空気からの入射と比較してかなり大きいｚ屈折率不整合を感知するであろう。また、ｘ偏光光の光線は、部分的にまたはさらには強く反射されるであろう。フィルム内でフィルム法線とより大きな角度をなす光線に対しては、より良好な整合ｚ屈折率が好ましいであろう。しかしながら、より低い屈折率（たとえばｎ＝１．６０）を有するガラスプリズム間にフィルムをラミネートする場合、光線は、フィルム平面に対する法線の方向により多く曲げられるので；光線は、より少ないｚ屈折率不整合を感知するであろう。同一のｚ屈折率不整合では、ｐ偏光の反射は、高屈折率のプリズムを使用したときよりも低屈折率プリズムを使用したときのほうが一般に少ないであろう。したがって、ｐ偏光光の透過率は、同一のフィルムでは高屈折率プリズムを使用したときよりも低屈折率プリズムを使用したときのほうが高いであろう。

ｚ屈折率不整合の許容される大きさは、ｙ屈折率不整合のときと同様に、ｘ屈折率不整合を基準にして記述しうる。Δｎ_Z／Δｎ_Xの比の絶対値は、所望に応じて制御される適切なパラメーターである。ここで、本明細書に記載されているような光学的反復ユニット中の第１および第２の材料に対して、Δｎ_Z＝ｎ_Z1−ｎ_Z2およびΔｎ_X＝ｎ_X1−ｎ_X2である。空気中で使用することが意図されるビームスプリッターフィルムでは、比Δｎ_Z／Δｎ_Xの絶対値は、好ましくは０．２未満である。ガラスのようにより高い屈折率の媒体中に浸漬されるフィルムでは、比Δｎ_Z／Δｎ_Xの絶対値は、好ましくは０．１未満、より好ましくは０．０５未満であり、６３２．８ｎｍの波長を有する入射光に対しては０．０３以下になりうる。好ましくは、比Δｎ_Z／Δｎ_Xは、対象となる全波長領域にわたり（たとえば可視スペクトルにわたり）所望の限度未満に保持される。典型的には、Δｎ_Xは、少なくとも０．１の値を有し、６３２．８ｎｍでは０．１４以上になりうる。

ｚ屈折率不整合は、ｓ偏光光の透過率には無関係である。定義上、ｓ偏光光は、フィルムのｚ屈折率を感知しない。しかしながら、「広角デカルト偏光ビームスプリッターを用いる反射型ＬＣＤ投影システム（ＲＥＦＬＥＣＴＩＶＥ ＬＣＤ ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＵＳＩＮＧ ＷＩＤＥ−ＡＮＧＬＥ ＣＡＲＴＥＳＩＡＮ ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲ）」という名称の同一譲受人の米国特許第６，４８６，９９７Ｂ１号明細書に記載されているように、種々の方位角における複屈折性多層偏光子の反射特性は、ｘ偏光（ほぼｓ偏光）の光を反射してｙ偏光（ほぼｐ偏光）の光を透過するようにＰＢＳを構成したときに優れた投影システム性能が得られるように設定される。多層光学フィルムの光パワーまたは全体的反射率は、光学ユニット内または層対内の屈折率不整合から誘導されるが、３層以上を使用して光学ユニットを形成することも可能である。光を反射させるために２種以上のポリマーの交互層を含む多層反射フィルムを使用することについては公知であり、たとえば、米国特許第３，７１１，１７６号明細書；米国特許第５，１０３，３３７号明細書；国際公開第９６／１９３４７号パンフレット；および国際公開第９５／１７３０３号パンフレットに記載されている。光スペクトル中のこの光パワーの位置は、層の厚さの関数である。特定の多層フィルムの反射および透過のスペクトルは、主に、層の実際の厚さとその屈折率との積として定義される個別層の光学的厚さに依存する。したがって、次式：
λ_M＝（２／Ｍ）×Ｄ_r
に従って層の適切な光学的厚さを選択することにより、光の赤外、可視、または紫外の波長λ_Mを反射するようにフィルムを設計することができる。式中、Ｍは、反射光の特定の次数を表す整数であり、Ｄ_rは、典型的には１層の等方性材料と１層の異方性材料とを含む層対である光学的反復単位の光学的厚さである。したがって、Ｄ_rは、光学的反復単位を構成する個別ポリマー層の光学的厚さの合計である。したがって、Ｄ_rは、１／２λの厚さである。ここで、λは一次反射ピークの波長である。一般的には、反射率ピークは、屈折率差の増加に伴って増大する有限の帯域厚さを有する。多層フィルムの厚さに沿って光学的反復単位の光学的厚さを変化させることにより、広波長帯域にわたり光を反射する多層フィルムを設計することができる。この帯域は、反射帯域または阻止帯域と一般に呼ばれる。この帯域を生じる層の集まりは、一般に多層スタックと呼ばれる。したがって、多層フィルム内の光学的反復ユニットの光学的厚さ分布は、フィルムの反射および透過のスペクトルに現れる。屈折率整合が通過方向で非常に良い場合、通過状態の透過スペクトルは、所望のスペクトル領域内でほぼフラットになりかつ９５％超になりうる。

光学的厚さの種々の厚さ分布を本発明に係るフィルムで使用することができる。たとえば、一方または両方のフィルムの厚さ分布を単調変化させることができる。言い換えれば、光学的反復単位の厚さは、ＭＲＰフィルムの厚さに沿って一定した減少または増加のいずれかの傾向を示す（たとえば、光学的反復単位の厚さは、多層フィルムの厚さの一部分に沿って増加の傾向を示さず、多層フィルム厚さの他の部分に沿って減少の傾向を示さない）。

図１に戻って説明すると、第１のフィルム１２は、第１の光学的厚さ分布を有する複数の層を含む。さらに、第２のフィルム２０は、第２の光学的厚さ分布を有する複数の層を含む。第１および第２の光学的厚さ分布は、当技術分野で公知の任意の好適な分布でありうる。たとえば、第１および第２の分布は、「シャープ化された帯域端を有する光学フィルム（ＯＰＴＩＣＡＬ ＦＩＬＭ ＷＩＴＨ ＳＨＡＲＰＥＮＥＤ ＢＡＮＤＥＤＧＥ）」という名称の米国特許第６，１５７，４９０号明細書に記載されているような分布を含みうる。さらに、たとえば、第１の分布は、第２の分布と同一の光学的厚さ分布を呈しうる。他の選択肢として、第１および第２の分布は、異なる光学的厚さ分布を呈しうる。

本発明に係るフィルムは、１つ以上の帯域パケットを含む厚さ分布を含みうる。帯域パケットは、広波長帯域が多層スタックにより反射されるように一連の層厚さを有する多層スタックである。たとえば、青色帯域パケットは、青色光（すなわち、約４００ｎｍ〜５００ｎｍ）を反射するように光学的厚さ分布を有しうる。本発明に係るＭＲＰフィルムは、それぞれ異なる波長帯域を反射する１つ以上の帯域パケットを含みうる。たとえば、ＭＲＰは、赤色、緑色、および青色のパケットを有しうる。本発明に係るＭＲＰフィルムはまた、ＵＶおよび／またはＩＲ帯域パケットをも含みうる。一般的には、青色パケットは、パケットが青色光を反射するように光学的反復ユニット厚さを含む。したがって、緑色または赤色のパケットの光学的反復ユニット厚さよりも薄い光学的反復ユニット厚さを有するであろう。帯域パケットは、１層以上の内部境界層によりフィルム内で分離させることができる。

多層スタック上への光の入射角を増大させると、光がスタックに対して法線方向に入射するときよりも短い波長の光をスタックにより反射させることができる。ＩＲパケットは、最大角でスタックに入射した光線に対して赤色光の反射に役立てるべく提供しうる。

たとえば、米国特許第５，８８２，７７４号明細書および同第５，９６２，１１４号明細書に記載されているように、ＭＲＰフィルムは、ユニークな透過または反射のスペクトルを有する。その結果として、異なるＭＲＰフィルムは、異なる入射波長および偏光に対して異なるコントラスト比を呈しうる。コントラスト比は、所望の透過偏光を有する光（たとえばｐ偏光光）の透過強度を所望の反射偏光を有する光（たとえばｓ偏光光）の透過強度で割った比として定義される。たとえば、第１のフィルム１２は、第１のコントラスト比スペクトル、第１の透過スペクトル、または第１の反射スペクトルを有しうる。そして、第２のフィルム２０は、第２のコントラスト比スペクトル、第２の透過スペクトル、または第２の反射スペクトルを有しうる。第１のコントラスト比スペクトル、第１の透過スペクトル、または第１の反射スペクトルは、それぞれ、所与の波長帯域に対して、第２のコントラスト比スペクトル、第２の透過スペクトル、または第２の反射スペクトルと一致しうる。他の選択肢として、本明細書中でさらに説明されるように、第１のコントラスト比スペクトル、第１の透過スペクトル、または第１の反射スペクトルは、それぞれ、第２のコントラスト比スペクトル、第２の透過スペクトル、または第２の反射スペクトルとは異なりうる（場合により、スペクトルシフトさせうる）。

たとえば、図６は、第１および第２の多層反射偏光フィルムを単独および組合せの両方で有するＰＢＳについて波長に対してプロットされたコントラストを示すグラフである。図６に見られるように、コントラスト比スペクトルグラフ５２０（本明細書に記載のフィルム４を表す）は、コントラスト比スペクトルグラフ５１０（フィルム３を表す）から赤色波長の方向にシフトされている。

図１にさらに示されるように、第２のフィルム２０は、第２のフィルム２０の主面２２が第１のフィルム１２の主面１４に対向するように第１のフィルム１２に近接して配置される。互いに対向する第１および第２のフィルム１２および２０の主面１４および２２は、接触状態であってもよいし、または主面は、第１のフィルム１２と第２のフィルム２０との間に配設されたスペーサー層（たとえばオプション層５０）により離間されて配置されていてもよい。主面１４および２２は、図１に示されるように平行にさせうる。

第１のフィルム１２と第２のフィルム２０との間に位置しうるオプション層５０は、２つのフィルム１２および２０を光学的に整合一体化させるのに役立てるべく屈折率整合流体（たとえば屈折率整合油）を含みうる。任意の好適なタイプの整合油を利用しうる。

オプション層５０は、光学用接着剤を含みうる。熱硬化性接着剤、感圧接着剤などのような任意の好適な光学用接着剤を使用しうる。ＵＶ吸収接着剤、ＩＲ吸収接着剤などのように望ましくない光を除去するオプションの吸収接着剤または流体をオプション層５０中で使用することも可能である。

第１および第２のフィルム１２および２０は、カバーとして機能する第１のプリズム３０と第２のプリズム４０との間に配設される。場合により、第１および第２のフィルム１２および２０は、それぞれ、第１および第２のプリズム３０および４０に接着剤で固着される。２つのプリズム３０および４０を含むように示されているが、ＰＢＳ１０は、第１および第２のフィルム１２および２０の両側に配設される任意の好適なカバーを含みうる。

プリズム３０および４０は、ＰＢＳの所望の目的を達成するのに好適な屈折率を有する任意の光透過性材料から作製することができる。プリズムは、全内反射条件（すなわち、通常の使用条件下で（たとえば、入射光がプリズムの面に垂直である場合に）伝播角が９０°に近づくかまたはそれを超える条件）を生じるおそれのある屈折率よりも小さい屈折率を有していなければならない。そのような条件は、スネルの法則を用いて計算可能である。好ましくは、プリズムは等方性材料で作製されるが、他の材料を使用することもできる。「光透過性」材料とは、光源からの入射光の少なくとも一部分が材料を透過することを可能にする材料である。いくつかの用途では、入射光をプレフィルタリングして望ましくない波長を取り除くことができる。プリズムとして使用するのに好適な材料としては、セラミックス、ガラス、およびポリマーが挙げられるが、これらに限定されるものではない。とくに有用な範疇に入るガラスとしては、酸化鉛のような金属酸化物を含有するガラスが挙げられる。市販のガラスは、米国カリフォルニア州のランチョ・サンタ・マルガリータ（Ｏｈａｒａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｒａｎｃｈｏ Ｓａｎｔａ Ｍａｒｇａｒｉｔａ，ＣＡ，ＵＳＡ））から入手可能なＰＢＨ５５であり、１．８５の屈折率を有しかつ重量基準で約７５％の酸化鉛を有する。２つ以上のフィルムが本発明に係るＰＢＳで利用されるので、独国マインツのショット・コーポレーション（Ｓｃｈｏｔｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｍａｉｎｚ，Ｇｅｒｍａｎｙ））製のＳＫ５ガラスなどのより低屈折率の材料をプリズム３０および４０に使用することが可能である。

いくつかのＭＲＰフィルムでは、光吸収は、望ましくない影響を引き起こす可能性がある。光吸収を減少させるために、スタックにより最も強く吸収されるおそれのある波長がスタックにより反射される第１の波長であるように、好ましい多層スタックを作製する。ほとんどのポリマーを含めて、ほとんどの透明光学材料では、可視スペクトルの青色端の方向に吸収が増大する。したがって、「青色」層またはパケットがＭＲＰフィルムの入射側にくるようにＭＲＰフィルムスタックを調整することが好ましいであろう。

本発明の一実施形態によれば、第２のフィルム２０の赤色側に対向するように第１のフィルム１２の赤色側を配置することにより、照明サイドに依存しない同等な性能を有するＰＢＳ（たとえば、図１のＰＢＳ１０）を作製することが可能である。言い換えれば、光学的厚さの第１の厚さ分布（すなわち、第１のフィルムの厚さ分布）は、一般的には、第１のフィルム１２の第１の主面に近接して青色領域を有し、第１のフィルム１２の第２の主面に近接して赤色領域を有する。青色領域は、青色波長の光を反射する傾向があり、赤色領域は、赤色波長を有する光を反射する傾向がある。同様に、第２のフィルム２０の光学的反復ユニット厚さの厚さ分布は、第２のフィルム２０の第１の主面に近接して青色領域を有し、第２のフィルム２０の第２の主面に近接して赤色領域を有しうる。第１のフィルム１２の第２の主面が第２のフィルム２０の第２の主面に対向するようにフィルムを提供しうる。言い換えれば、第１のフィルム１２の赤色領域は、第２のフィルム２０の赤色領域に対向する。このように作製した場合、第１のフィルム１２と第２のフィルム２０との組合せは、２重フィルムの両側に外向きに青色領域を有するので；複合された第１および第２のフィルムのどちらの表面が入射光に対向して配設されるかに関係なく、青色領域は、入射光に常に対向する。第１のフィルム１２の赤色領域が第２のフィルム２０の赤色領域に対向するように第１および第２のフィルム１２および２０を配設することが好ましいであろうが、一方のフィルムの赤色領域が他方のフィルムの青色領域に対向するように、または一方のフィルムの青色領域が他方のフィルムの青色領域に対向するように、フィルムを配設することも可能である。ＰＢＳ内のフィルムの他の配置を使用することもできる。

本発明は、２つ以上の多層反射偏光フィルムを含む偏光ビームスプリッターおよびそのような偏光ビームスプリッターを用いるシステムを提供するが、２つ以上のＭＲＰフィルムの同時使用、とくに、２つ以上のＭＺＩＰフィルムの同時使用は、他の構成または光デバイスで、たとえば、輝度増強フィルム構成体、偏光子、ディスプレイ用途、投影用途、および他の光電子用途で、用いることができる。２つ以上のＭＲＰフィルム（たとえば、２つ以上のＭＺＩＰフィルム）のこの組合せは、一般的には、多層スタック中の所望の光スペクトル帯域を横切る層の平均配置から生じるスペクトル漏れを抑えることにより、または本明細書で先に記載したように、欠陥などにより帯域構造上に重畳されるランダムな空間的漏れ（たとえばヘイズ）を抑えることにより、光反射率を増大させるべく、使用することができる。ＭＺＩＰフィルムの場合、組合せは、法線入射光だけでなく非法線入射（「オフ角」）光に対しても、直交偏光状態（たとえばｐ偏光光）の透過率の顕著な損失を伴うことなく、一偏光（たとえばｓ偏光光）の光反射率の増大を提供することができる。これは、著しいｚ屈折率不整合を有するＭＲＰフィルムの組合せ（この場合、著しい透過損失を生じる可能性があり、多くの場合、「オフ角」色が現れる）とは際立って対照的である。利点は、ｙおよびｚ屈折率整合のレベルが改善されるにつれて増大する。ラミネーションのような化学的または機械的な技術を用いてフィルム間の空気層を取り除くことにより、屈折率整合流体のような通過状態屈折率整合中間層（この場合も、同等の整合レベルで）を使用することにより、またはいくつかの他の中間要素を使用することにより、フィルム間の表面反射を抑制することもまた有利である。

本発明の一実施形態は、キューブの形成に使用される実質的に直角三角柱のプリズムを有するＰＢＳを含みうる。この場合、第１および第２のフィルム１２および２０は、２つのプリズム３０および４０の斜辺面間に挟設される。多くの投影システムでは、キューブ状ＰＢＳが好ましいであろう。なぜなら、小型設計が提供されるからであり、たとえば、小型軽量携帯型プロジェクターを提供するように、光源および他の要素（たとえばフィルター）を配置することができる。

キューブは一実施形態であるが、他のＰＢＳ形状を使用することもできる。たとえば、いくつかのプリズムの組合せを集成して直方体ＰＢＳを提供することができる。いくつかのシステムでは、キューブ状ＰＢＳ１０に変更を加えて、１つ以上の面が正方形でないようにすることが可能である。非正方形面を使用する場合、カラープリズムまたは投影レンズのような次に隣接する素子により整合平行面を提供することができる。

プリズムの寸法、つまり得られるＰＢＳの寸法は、目的の用途に依存する。図３に関連して本明細書に記載されている例示的な三パネルＬＣｏＳ光エンジンでは、独国アーヘンのフィリップス・コーポレーション（Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｃｏｒｐ．（Ａａｃｈｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ））により市販されているＵＨＰ型のような小型のアーク高圧Ｈｇ型ランプを使用し、そのビームをＦ／２．３の光円錐として作製し、対角寸法０．７インチ、アスペクト比１６：９のイメージャー、たとえば、米国ニュージャージー州ウェインのジェイヴィシー（ＪＶＣ（Ｗａｙｎｅ，ＮＪ，ＵＳＡ））、米国カリフォルニア州フリーモントのヒタチ（Ｈｉｔａｃｈｉ（Ｆｒｅｍｏｎｔ，ＣＡ，ＵＳＡ））、または米国アリゾナ州テンピのスリー・ファイブ・システムズ（Ｔｈｒｅｅ−Ｆｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｔｅｍｐｅ，ＡＺ，ＵＳＡ））から入手可能なイメージャーと併用されるＰＢＳキューブに提供する場合、ＰＢＳは、長さおよび幅が１７ｍｍ、高さが２４ｍｍでありうる。ビームのＦ＃およびイメージャーサイズは、ＰＢＳサイズを決定する因子の一部である。

第１および第２のフィルム１２および２０は、当技術分野で公知の任意の好適な技術を用いて、たとえば、「偏光ビームスプリッター（ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲ）」という名称の２００１年６月１１日出願の同一譲受人の米国特許第６，６０９，７９５号明細書に記載されているような技術を用いて、プリズム３０と４０との間に配設しうる。たとえば、第１のフィルム１２を第２のフィルム２０にラミネートするかまたは他の方法で接合した後、２つのプリズム３０と４０との間に第１および第２のフィルム１２および２０を配置しうる。他の選択肢として、第１のフィルム１２をプリズム３０に接合し、第２のフィルム２０をプリズム４０に接合し、次に、２つのフィルムおよびそれらのそれぞれのプリズムを合わせて、光学用接着剤を用いて接合しうる。

本明細書に記載されているように、ヘイズは、本発明に係る多層反射偏光フィルム内に見いだされる種々の欠陥により生成されうる。たとえば、欠陥は、フィルムの層間または層内にトラップされた状態になる種々の微粒子により生成されうる。さらに、局所的ボイドは、フィルムの作製時に生成されうる。このほかに可能性のある欠陥の原因は、フィルム内の１層以上の層間の離層でありうる。これに加えて、共押出時の流動不安定性もまた、欠陥を引き起こしうる。最後に、微結晶は、フィルムの作製時に生成しうる。フィルム内のいかなる欠陥も、反射される方向に偏光された光（たとえばｓ偏光光）の１ヶ所以上の局所的な漏れを引き起こしうる。

本明細書に論述される第２のフィルムの目的の１つとなりうるのは、重複した手段を提供することである。２つのフィルムを一緒に配置してＰＢＳを形成することにより、おそらく、第２のフィルムは、ｚ方向に沿って第１のフィルムの欠陥と一致しない１つ以上の欠陥を含有するであろう。こうして欠陥を遮蔽すれば、ｓ偏光光がフィルムを通って投影画像中に漏れるのを防止しうる。それにより、漏れが少なくなれば、コントラストが増大する。

さらに、本明細書に記載されているように、第１のフィルム１２は、第２のフィルム２０とは異なるコントラスト比スペクトルを有しうる。たとえば、本明細書にさらに記載されているように、図６は、第１および第２の多層反射偏光フィルムを単独および組合せの両方で有するＰＢＳについて波長に対してプロットされたコントラスト（ｙ：１の値として報告される）を示すグラフである。「低非点収差を有する投影システム（ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＨＡＶＩＮＧ ＬＯＷ ＡＳＴＩＧＭＡＴＩＳＭ）」という名称の２００１年６月１１日出願の同一譲受人の同時係属米国特許第６，６０９，７９５号明細書にさらに記載されているように、投影システムのコントラストは、主に、多層構造体のスペクトル光の漏れにより決まる。図６に見られるように、コントラスト比スペクトル５１０（フィルム３を表す）は、コントラスト比スペクトル５２０（フィルム４を表す）とは異なるコントラスト比スペクトルを有する。たとえば、コントラスト比スペクトル５１０は、約４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲内では良好なコントラストを呈するが、約５００ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲内では劣悪なコントラストを呈する。この劣悪なコントラストは、その領域内におけるｓ偏光光の漏れが原因となりうる。一方、コントラスト比スペクトル５２０は、４８０ｎｍ〜５８０ｎｍ範囲内では良好なコントラストおよび４３０ｎｍ〜４８０ｎｍ範囲内では劣悪なコントラストを呈する。この特定例では、コントラスト比スペクトル５２０は、コントラスト比スペクトル５１０からシフトされている。その結果として、驚くべきことに、２つのフィルムは、組み合わせられたときに可視領域の全域で良好なコントラストを生じる。したがって、可視スペクトル領域（４３０〜７００ｎｍ）にわたり少なくとも５００：１、１０００：１、またはさらには２０００：１のコントラスト比を有するＰＢＳを形成さしうる。ＰＢＳはまた、可視スペクトル領域の８０％超にわたり少なくとも３０００：１のコントラスト比を有する。

フィルムのコントラスト比スペクトルの波長の特徴（ピークおよび谷）は、層の厚さ分布により決定される。コントラスト比スペクトルのピークおよび谷の位置は、光学的反復ユニットの厚さおよびフィルム内の層の分布に依存する。したがって、フィルム内の光学的反復ユニットの厚さを変化させることにより、コントラスト比スペクトルのピークおよび谷をシフトさせることができる。

ＰＢＳ中で２つ以上のフィルムを使用しても、イメージングシステムにより偏光された光の所望の透過率は、認めうるほど減少しないということもまた、驚くべきことである。たとえば、本明細書中でより詳細に論述されているように、図５は、第１および第２の多層反射偏光フィルムを単独および組合せの両方で有するＰＢＳについて波長に対してプロットされたｐ偏光光の透過率を示すグラフである。図５に見られるように、ｐ偏光光の透過率（Ｔ_p）は、可視スペクトル領域にわたり９５％超に保持され（スペクトル４３０）、可視スペクトル領域の８０％にわたり９６％超、さらには９７％超である。言い換えれば、ＰＢＳ中で２つ以上のフィルムを使用することにより、コントラストを増大させることが可能であり、しかも、ｐ偏光光の所望の透過を実質的に減少させることはない。ｐ偏光光の透過率は、ガラスプリズムによる吸収および反射の損失を除外したものである。

図６は、異なるコントラスト比スペクトルを有する２つのフィルムを含む本発明の一実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態は、実質的に類似のコントラスト比スペクトルを有する２つ以上のフィルムを含みうる。

本発明のマルチフィルムＰＢＳは、種々の光学イメージャーシステムで使用可能である。本明細書中で使用される「光学イメージャーシステム」という用語は、目視者により目視される画像を生成する多種多様な光学システムを包含するものとする。本発明に係る光学イメージャーシステムは、たとえば、前面投影システムおよび背面投影システム、投影ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、バーチャルビューアー、ヘッドアップディスプレイ、光コンピューティングシステム、光相関システム、ならびに他の光学ビューイングシステムおよび光学ディスプレイシステムで使用可能である。

光学イメージャーシステムの一実施形態を図２に示す。システム１１０は、光１１８を順方向に方向付けるリフレクター１１６を有するアークランプ１１４のような光源１１２を含む。光源１１２はまた、発光ダイオードまたはレーザー光源のようなソリッドステート光源であってもよい。システム１１０はまた、本明細書に記載のマルチフィルムＰＢＳのようなＰＢＳ１２０を含む。ｘ偏光を有する光（すなわち、ｘ軸に平行な方向に偏光された光）は、円で囲まれたｘにより示される。ｙ偏光を有する光（すなわち、ｙ軸に平行な方向に偏光された光）は、実線矢印により示される。実線は、入射光を示し、一方、破線は、変化された偏光状態を有して反射イメージャー１２６から戻ってきた光を示している。光源１１２により提供された光は、調整光学素子１２２により調整されてからＰＢＳ１２０を照明する。調整光学素子１２２は、光源１１２により放出された光の特性を、投影システムにより望まれる特性に変化させる。たとえば、調整光学素子１２２は、光の発散、光の偏光状態、光のスペクトルのうちのいずれか１つ以上を変化させうる。調整光学素子１２２は、たとえば、１つ以上のレンズ、偏光コンバーター、前偏光子、および／または望ましくない紫外光または赤外光を除去するフィルターを含みうる。

光のｘ偏光成分は、ＰＢＳ１２０により反射イメージャー１２６の方向に反射される。反射イメージャー１２６の液晶モードは、スメクティック、ネマティック、またはなんらかの他の好適なタイプの反射イメージャーでありうる。反射イメージャー１２６がスメクティックである場合、反射イメージャー１２６は強誘電性液晶ディスプレイ（ＦＬＣＤ）でありうる。イメージャー１２６は、ｙ偏光を有する画像ビームを反射および変調する。反射されたｙ偏光光は、ＰＢＳ１２０を透過し、投影レンズシステム１２８により投影される。その設計は、典型的には、レンズシステム１２８とイメージャーとの間のすべての素子を考慮して、それぞれの特定の光学システムについて最適化される。反射イメージャー１２６の動作を制御するために、コントローラー１５２が反射イメージャー１２６に結合される。典型的には、コントローラー１５２は、反射光中に画像を形成するようにイメージャー１２６のさまざまなピクセルを作動させる。

マルチイメージャー投影システム２００の１実施形態を図３に模式的に示す。光２０２は、光源２０４から放出される。光源２０４は、アークランプもしくはフィラメントランプまたは画像の投影に好適な光を生成させるための任意の他の好適な光源でありうる。投影エンジンに向けて方向付けられる光の量を増大させるために、光源２０４は、楕円面リフレクター（図示されるとおり）、放物面リフレクターなどのようなリフレクター２０６により取り囲まれうる。

光２０２は、典型的には、異なる色帯域に分割される前に処理される。たとえば、所望の偏光の光だけが投影エンジンに向けて方向付けられるように、光２０２をオプションの前偏光子２０８に通すことが可能である。望ましくない偏光状態の反射光が光源２０４に向けて再方向付けされて再利用されるように、前偏光子は、反射偏光子の形態をとりうる。投影エンジン中のイメージャーが均一に照明されるように、光２０２を均一化させることも可能である。光２０２を均一化させる一方法は、光２０２を反射トンネル２１０に通すことであるが、光を均一化させる他の方法を利用することも可能であることは理解されよう。

図示された実施形態では、均一化された光２１２を第１のレンズ２１４に通して発散角度を減少させる。次に、光２１２は、誘電体薄膜フィルターなどでありうる第１のカラーセパレーター２１６に入射する。第１のカラーセパレーター２１６は、第１の色帯域の光２１８と残りの光２２０とを分離する。

第１のＰＢＳ２２４に入射する第１の色帯域の光ビーム２１８のサイズを制御するために、第１の色帯域の光２１８を第２のレンズ２２２および場合により第３のレンズ２２３に通すことが可能である。光２１８は、第１のＰＢＳ２２４から第１のイメージャー２２６まで伝播する。イメージャーは、ＰＢＳ２２４を通ってｘキューブカラーコンバイナー２３０まで伝播する偏光状態で画像光２２８を反射する。追加の偏光回転を提供して画像光のコントラストを増大させるように、イメージャー２２６は、リターダー素子のような１つ以上の補償素子を含みうる。

残りの光２２０は、第３のレンズ２３２に通すことが可能である。次に、残りの光２２０は、第２のカラーセパレーター２３４（たとえば薄膜フィルターなど）に入射し、第２の色帯域の光ビーム２３６および第３の色帯域の光ビーム２３８を生成する。第２の色帯域の光２３６は、第２のＰＢＳ ２４２を介して第２のイメージャー２４０に向けて方向付けられる。第２のイメージャー２４０は、第２の色帯域の画像光２４４をｘキューブカラーコンバイナー２３０に向けて方向付ける。

第３の色帯域の光２３８は、第３のＰＢＳ２４８を介して第３のイメージャー２４６に向けて方向付けられる。第３のイメージャー２４６は、第３の色帯域の画像光２５０をｘキューブカラーコンバイナー２３０に向けて方向付ける。

第１、第２、および第３の色帯域の画像光２２８、２４４、および２５０は、ｘキューブカラーコンバイナー２３０中で組み合わされて、フルカラー画像ビームとして投影光学素子２５２に向けて方向付けられる。ｘキューブカラーコンバイナー２３０中で組み合わされる光の偏光を制御するために、ＰＢＳ ２２４、２４２、および２４８と、ｘキューブカラーコンバイナー２３０との間に、偏光回転光学素子２５４（たとえば、１／２波長リターデーションプレートなど）を提供することが可能である。例示された実施形態では、ｘキューブカラーコンバイナー２３０と、第１のＰＢＳ ２２４および第３のＰＢＳ ２４８との間に、偏光回転光学素子２５４が配設される。ＰＢＳ ２２４、２４２、および２４８のいずれか１つ、２つ、または３つすべては、本明細書に記載されているような２つ以上のＭＲＰフィルムを含みうる。

図示された実施形態の変形を使用しうることは理解されよう。たとえば、イメージャーに向けて光を反射させてから画像光を透過するのではなく、ＰＢＳは、イメージャーに向けて光を透過してから画像光を反射することも可能である。上述の投影システムは、単なる例にすぎず；本発明に係るマルチフィルムＰＢＳを利用するさまざまなシステムを設計することができる。

以下の実施例のフィルムは、構成および加工の点では類似しており、それらの最終厚さと、一定の溶融体吐出速度でこれらのさまざまな厚さを達成するのに必要とされるさまざまなキャンティング速度を使用したことから生じた二次的変動と、だけが本質的に異なる。フィルムをフィルム１〜４と記す。「偏光ビームスプリッター（ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＰＬＩＴＴＥＲ）」という名称の２００１年６月１１日出願の米国特許第６，６０９，７９５号明細書に記載されている一般的方法に準拠して、フィルムの押出および延伸を行った。

多層フィルム中の低屈折率層として使用するためのコポリエステル（便宜上、ｃｏＰＥＴと記す）を、次のように合成した。次の成分を１００ガロンバッチ反応器に仕込んだ：１７４．９ｌｂの１，４−ジメチルテレフタレート、６９．４ｌｂの１，４−ジメチルシクロヘキサンジカルボキシレート、１１９．２ｌｂの１，４−シクロヘキサンジメタノール、３６．５ｌｂのネオペンチルグリコール、１３０ｌｂのエチレングリコール、１２００ｇのトリメチロールプロパン、２３ｇの酢酸コバルト、４５ｇの酢酸亜鉛、および９０ｇの酢酸アンチモン。０．２０ＭＰａの加圧下で、メタノールを除去しながら、この混合物を２５４℃に加熱した。８０ｌｂのメタノールを除去した後、６４ｇのトリエチルホスホノアセテートを反応器に仕込み、次に、２８５℃に加熱しながら圧力を２ｍｍＨｇまで徐々に低下させた。０．７４ｄＬ／ｇの固有粘度（６０／４０重量％フェノール／ｏ−ジクロロベンゼン中で測定）を有するポリマーが生成されるまで、縮合反応副生物（エチレングリコール）を継続的に除去した。示差走査熱量測定（ＤＳＣ）によりｃｏＰＥＴのＴｇを測定したところ、６４℃であった。ニュージャージー州ピスカッタウェイのメトリコン（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ）から入手可能なメトリコン・プリズム・カプラー（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ Ｐｒｉｓｍ ｃｏｕｐｌｅｒ）を用いて６３２．８ｎｍにおける材料の屈折率を測定したところ、１．５４１であった。

共押出・配向処理により、８９２層を含有する多層フィルムを作製した。ＰＥＴが第１の高屈折率材料であり、先に記載のｃｏＰＥＴが第２の低屈折率材料であった。フィードブロック法（たとえば、米国特許第３，８０１，４２９号明細書に記載の方法）を用いて、３０％の比帯域幅を有する光反射帯域を生成するのに十分な層の厚さ範囲を有する約２２３層を生成させた。各材料に対して最厚層と最薄層との比を１．３０に設定してフィードブロックにより層の厚さに近似直線勾配を生成させた。

米国テネシー州キングズポートのイーストマン・ケミカル・カンパニー（Ｅａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｋｉｎｇｓｐｏｒｔ，ＴＮ，ＵＳＡ））から入手可能な０．７４ｄｌ／ｇＰＥＴ７３５２のような初期固有粘度（ＩＶ）のＰＥＴを押出機に供給して５０ｋｇ／ｈｒの速度でフィードブロックに送給し、ｃｏＰＥＴを４３ｋｇ／ｈｒで他の押出機により送給した。

これらの溶融体ストリームをフィードブロックに向けて方向付け、保護境界層（ＰＢＬ）として機能するＰＥＴの２層の外側層と共にフィードブロックに通して、ＰＥＴとｃｏＰＥＴとの２２３層の交互層を形成した。ＰＢＬは、光学層よりもはるかに厚く、前者は、ＰＥＴの全溶融体フローの約２０％を含有していた（各側に１０％ずつ）。

次に、材料ストリームを非対称二倍マルチプライヤー（米国特許第５，０９４，７８８号明細書および同第５，０９４，７９３号明細書に記載されている）に通した。マルチプライヤー厚さ比は、約１．２５：１であった。２２３層の各セットは、フィードブロックにより形成される近似的層厚さプロファイルを有し、マルチプライヤーおよびフィルム押出の速度により決定される全厚さスケール係数を有する。次に、材料ストリームを約１．５５：１のマルチプライヤー比で第２の非対称二倍マルチプライヤーに通した。したがって、最終的層分布は、４つのパケットの複合体であり、これらのパケットの平均スペクトル分離は、遮断状態の漏れ構造に関係する。

マルチプライヤー通過後、ポリプロピレン（ＰＰ）（米国カリフォルニア州モンロヴィアのアトフィナ・ペトロケミカルズ・インコーポレーテッド（Ａｔｏｆｉｎａ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．，Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ，ＵＳＡ），製品Ｎｏ．８６５０）よりなる外側スキン層を溶融体ストリームに追加した。２４ｋｇ／時の速度でＰＰを第３の押出機に供給した。次に、材料ストリームをフィルムダイに通して水冷キャスティングホイール上に送出した。キャスティングホイール上の入口水温は、８℃であった。高電圧ピニングシステムを用いてキャスティングホイールに押出物をピニングした。

最終フィルム厚さを精密制御すべく、キャスティングホイール速度を調整した。このようにして、フィルム１〜４に供すべく種々のプレカーサー非配向キャストウェブを作製した。たとえば、フィルム１のキャスティングホイール速度を基準として用いると、フィルム２〜４の形成に使用した速度の比は、それぞれ、０．７７、１．２１、および１．０６であったので、フィルム１を基準にしたこれらのフィルムの厚さは、近似的にこれらの比の逆数により変化する。このようにして、層分布のスペクトル形状をほぼ保持した状態で、そのスペクトル中心を変化させることにより分布を変化させる。

ＰＰ押出機および関連する溶融加工装置は、２５４℃に保持した。ＰＥＴおよびｃｏＰＥＴの押出機、フィードブロック、スキン層モジュール、マルチプライヤー、ダイ、および関連する溶融加工装置は、２６６℃〜２８２℃に保持した。

キャストプレカーサーウェブを１８ｃｍ×２５ｃｍのシート（ＭＤ×ＴＤ、ＭＤは最初のフィルムキャスティング方向であり、ＴＤはそれを横切る方向である）にカットし、これらのシートを５０％Ｒ．Ｈ．および室温で平衡化させてから延伸を行った。平衡化後、サンプルを標準的フィルムテンターに供給して一軸延伸に付した。連続配向フィルムに関しては、キャウトウェブ片の縁をテンタークリップにより掴持した。テンタークリップ間隔は固定されているので、クリップの近傍のフィルムはＭＤ方向に収縮することができない。しかし、ウェブの前縁および後縁は拘束されていなかったので、ＭＤ方向に収縮し、クリップからの距離が長いほど、収縮は大きかった。アスペクト比を十分に大きくすると、サンプルの中心は、完全収縮が可能であり、真の一軸配向に付されることになる。すなわち、収縮は、ＴＤ方向の延伸比の平方根に等しかった。長手（２５ｃｍ）方向をＴＤ方向にしてフィルムを９８℃の温度に設定されたテンターに供給した。公称延伸比７まで短時間オーバーシュートさせた後、最終公称延伸比６．５までフィルムを延伸した。クリップの近傍では能動的に５２℃に冷却されて延伸がわずかに低減されるので、最終延伸比は、部片の中央部分がわずかに高かった。メトリコン・プリズム・カプラー（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ Ｐｒｉｓｍ Ｃｏｕｐｌｅｒ）を用いて最終延伸部分で測定したときのＰＥＴ ＰＢＬのＭＤ屈折率（たとえばｙ方向屈折率）がｃｏＰＥＴのアモルファス屈折率（たとえば、６３２．８ｎｍにおいて１．５４１±０．００２）によく整合するように、フィルムを全体的に延伸した。ＰＥＴ ＰＢＬのｚ方向屈折率も同様に、よく整合され、６３２．８ｎｍにおいて約１．５４０であった。最後に、ＰＥＴｙ、ｚ屈折率、およびｃｏＰＥＴ等方屈折率の分散曲線は、可視スペクトルにわたりかなり類似しており、スペクトルの青色部分（たとえば４３０ｎｍ）を通ってこのレベルの屈折率整合がほぼ保持された。最終屈折率を制御しかつ屈折率整合を確実に行うために、０．０５〜１秒^-1の範囲内の初期歪み速度を提供する入口供給速度を使用した。得られたフィルム１〜４は、延伸後、ほぼ同等のＰＥＴ ＰＢＬ屈折率（ＴＤ方向に沿って偏光された６３２．８ｎｍの光に対して、それぞれ、１．６９８、１．７０１、１．６９７、および１．６９９）を有していた。実施例のフィルム１〜４は、ＰＰスキンを剥離した状態の最終厚さが異なっており、それぞれ、１２０、１６０、９６、および１１４マイクロメートルの測定値を有していた。

さまざまなガラス中のＰＢＳフィルムの二重層の効果を試験するために、屈折率整合油（透過状態のフィルムの屈折率に整合させるように選択された屈折率）および所望のタイプのガラスプリズムを用いて、必要なＰＢＳを作製した。使用した屈折率油は、米国ニュージャージー州シーダーグローヴのカーギル（Ｃａｒｇｉｌｌｅ（Ｃｅｄａｒ Ｇｒｏｖｅ，ＮＪ，ＵＳＡ））製のｎ＝１．５７００の屈折率を有するレーザー・リキッド（ＬＡＳＥＲ ＬＩＱＵＩＤ）であり、使用したガラスプリズムは、独国マインツのショット・コーポレーション（Ｓｃｈｏｔｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｍｅｉｎｚ，Ｇｅｒｍａｎｙ））製の約１．５９の屈折率を有するＳＫ５ガラスであった。たとえば米国特許第６，４８６，９９７Ｂ１号明細書に記載されているように、高圧Ｈｇランプ、トンネルインテグレーター、および適切なレンズ、ならびにカラーフィルターを用いて、試験ミラー上に光を集束させるようにして、ｆ／２光ビームでこれらを試験した。

次に、ＰＢＳプリズムの斜辺面に２つのフィルムを配置してそれらの間に屈折率整合油を入れ、二重ラミネートを作製した。これらのフィルムは、この構成で最適な性能が得られるように設計されたものではなかったが、フィルム１およびフィルム２を用いて全可視帯域にわたりきわめて良好な性能が達成された。この組合せでコントラスト比プロットを図４に示す。

図４では、フィルム１〜２が個別におよび組み合わせてプロットされている。フィルム１はスペクトル３１０として、フィルム２はスペクトル３２０として、フィルム１とフィルム２との組合せはスペクトル３３０として表されている。見てわかるように、同一のＰＢＳ中でフィルム１とフィルム２とを組み合わせると、２つのフィルムが個別に提供するコントラストよりも高いコントラストが可視波長領域の全域で提供される。たとえば、フィルム１を含むＰＢＳは、５８０ｎｍにおいて約４０００：１のコントラスト比を提供し、一方、フィルム２は、５８０ｎｍにおいて１００：１未満のコントラストを提供する。しかしながら、フィルム１〜２の組合せでは、５８０ｎｍにおいて６０００：１を超えるコントラスト比が提供される。

ＰＢＳにおいてｐ偏光光の非常に高い透過率（Ｔ_p）を有することが望ましい。これにより、投影エンジンのより高い光効率が得られるだけでなく、設計者は入力ビームの偏光純度に課される要件を緩和することができるので、コストが削減され、効率が向上する。

図５に示されるように、ＳＫ５ガラス中のフィルム１のｐ偏光光の透過率（Ｔ_p）は、約９９％の透過率を提供する（スペクトル４１０）。図５には、ＳＫ５ガラス中のフィルム２のＴ_pも含まれる（スペクトル４２０）。単一ＰＢＳ中のフィルム１とフィルム２との組合せの透過率もまたプロットされている（スペクトル４３０）。この組合せは、フィルム１およびフィルム２の個別透過率値の積と比較される（スペクトル４４０）。図５に見られるように、フィルム１およびフィルム２の組合せ（スペクトル４３０）は、個別のフィルムの透過率の積（スペクトル４４０）と同一のｐ偏光光透過率を提供する。

ＳＫ５ガラス中に整合油と共にフィルム３およびフィルム４を有するＰＢＳについても、試験を行った。また、高圧Ｈｇランプ、トンネルインテグレーター、および適切なレンズ、ならびにカラーフィルターを用いて、試験ミラー上に光を集束させるようにして、ｆ／２光ビームでこのＰＢＳを試験した。また、ＰＢＳプリズムの斜辺面にラミネートを配置して２つのフィルム間に屈折率整合油を入れ、フィルム３およびフィルム４の二重ラミネートを作製した。各個別フィルムおよびラミネートのコントラスト比プロットを図６に示す。

図６に見られるように、フィルム３は、フィルム４のコントラスト比スペクトル（５２０）とは異なるコントラスト比スペクトル（５１０）を有し、フィルム４のスペクトルは、赤色波長の方向にシフトされている。フィルム３とフィルム４との組合せ（スペクトル５３０）は、それぞれの個別のフィルムよりも高いコントラストを全可視波長帯域にわたって提供する。たとえば、フィルム３およびフィルム４はいずれも、個別の場合、５８０ｎｍの波長において１０００：１未満のコントラストを有するコントラスト比スペクトルを提供する。フィルム３とフィルム４とを組み合わせて有するＰＢＳは、５８０ｎｍの波長において５０００：１を超えるコントラストを提供する。言い換えれば、図６は、ＰＢＳプリズム中で高屈折率ガラスを用いることなく２つの異なるＭＲＰフィルム（すなわち、フィルム３およびフィルム４）のラミネートが可視領域の全域で劇的に改善されたコントラストを提供しうることを明確に示している。

以上、本発明の例示的な実施形態を説明し、本発明の範囲内にある実施可能な変形について言及した。本発明のこれらのおよび他の変形および修正を本発明の範囲から逸脱することなし行い得ることは、当業者にとって明瞭なものであろう。また、当然のことながら、本発明は、本明細書に記載の例示的な実施形態に限定されるものではない。したがって、本発明は、別に記載されている特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

第１の多層反射偏光フィルムと第２の多層反射偏光フィルムとを有するＰＢＳの実施形態を模式的に示した構成図である。 単一の反射イメージャーに基づく投影ユニットの実施形態を模式的に示した構成図である。 複数の反射イメージャーに基づく投影ユニットの他の実施形態を模式的に示した構成図である。 第１および第２の多層反射偏光フィルムを単独および組合せの両方で有するＰＢＳについて波長に対してプロットされたコントラストを示すグラフである。 第１および第２の多層反射偏光フィルムを単独および組合せの両方で有するＰＢＳについて波長に対してプロットされたｐ偏光光の透過率を示すグラフである。 第１および第２の多層反射偏光フィルムを単独および組合せの両方で有するＰＢＳについて波長に対してプロットされたコントラストを示すグラフである。

Claims (23)

1. 複数の層を含み、それらの複数の層が第１の光学的厚さ分布を有する第１の多層反射偏光フィルムと；
   該第１の多層反射偏光フィルムに近接する第２の多層反射偏光フィルムであって、該第２の多層反射偏光フィルムは、第２の光学的厚さ分布を有する複数の層を含み、該第２の分布は、該第１の分布とは異なり、さらに該第２の多層反射偏光フィルムの主面は、該第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向する、第２の多層反射偏光フィルムと；
   該第１および該第２の多層反射偏光フィルムのそれぞれの片面側に配設されたカバーと；
   を含む、偏光ビームスプリッター。
2. 前記カバーがプリズムである、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
3. 前記カバーがガラスプリズムである、請求項２に記載の偏光ビームスプリッター。
4. 前記偏光ビームスプリッターが、前記第１の多層反射偏光フィルムと前記第２の多層反射偏光フィルムとの間に光学用接着剤をさらに含む、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
5. 前記偏光ビームスプリッターが、前記第１の多層反射偏光フィルムと前記第２の多層反射偏光フィルムとの間に屈折率整合流体をさらに含む、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
6. 前記第１の多層反射偏光フィルムが第１のコントラスト比スペクトルを含み、前記第２の多層反射偏光フィルムが第２のコントラスト比スペクトルを含み、そしてさらに該第１のコントラスト比スペクトルが該第２のコントラスト比スペクトルとは異なる、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
7. 前記第１および前記第２の多層反射偏光フィルムが整合ｚ屈折率偏光子フィルムである、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
8. 前記偏光ビームスプリッターのコントラスト比が、可視スペクトル領域において少なくとも５００：１である、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
9. 前記偏光ビームスプリッターのコントラスト比が、可視スペクトル領域において少なくとも２０００：１である、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
10. ｐ偏光光の反射率が、可視スペクトル領域において少なくとも９４％である、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
11. 第１の多層反射偏光フィルムと；
    該第１の多層反射偏光フィルムに近接する第２の多層反射偏光フィルムであって、該第２の多層反射偏光フィルムの主面は、該第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向する、第２の多層反射偏光フィルムと；
    該第１および該第２の多層反射偏光フィルムのそれぞれの片面側に配設されたカバーと；
    を含む、偏光ビームスプリッター。
12. 前記カバーがプリズムである、請求項１１に記載の偏光ビームスプリッター。
13. 前記カバーがガラスプリズムである、請求項１２に記載の偏光ビームスプリッター。
14. 前記偏光ビームスプリッターが、前記第１の多層反射偏光フィルムと前記第２の多層反射偏光フィルムとの間に光学用接着剤をさらに含む、請求項１１に記載の偏光ビームスプリッター。
15. 前記偏光ビームスプリッターが、前記第１の多層反射偏光フィルムと前記第２の多層反射偏光フィルムとの間に屈折率整合油をさらに含む、請求項１１に記載の偏光ビームスプリッター。
16. 光を発生する光源と；
    該光源からの光を調整する調整光学素子と；
    該調整光学素子からの調整された光に画像を重ねて画像光を形成するイメージングコアであって、該イメージングコアは、少なくとも１つの偏光ビームスプリッターと少なくとも１つのイメージャーとを含み、かつ該偏光ビームスプリッターは、
    第１の多層反射偏光フィルムと、
    該第１の多層反射偏光フィルムに近接する第２の多層反射偏光フィルムであって、該第２の多層反射偏光フィルムの主面は、該第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向する第２の多層反射偏光フィルムと、
    該第１および該第２の多層反射偏光フィルムの両側に配設されたカバーと、
    を含むイメージングコアと；
    該イメージングコアからの該画像光を投影する投影レンズシステムと；
    を含む、投影システム。
17. 前記第１の多層反射偏光フィルムが、ｘ−ｙ平面内に位置し、かつｚ方向に厚さを有し、さらに前記第１の多層反射偏光フィルムが、ｙ屈折率に実質的に整合するｚ屈折率を有する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第２の多層反射偏光フィルムが、ｘ−ｙ平面内に位置し、かつｚ方向に厚さを有し、さらに前記第２の多層反射偏光フィルムが、ｙ屈折率に実質的に整合するｚ屈折率を有する、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記少なくとも１つのイメージャーに入射した光に重ねられる画像を制御するために前記少なくとも１つのイメージャーに結合されたコントローラーをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記偏光ビームスプリッターが、固定偏光軸を規定する構造配向を有するデカルト偏光ビームスプリッターであり、前記光調整光学素子が、２．５以下のＦナンバーを有し、前記システムが、可視光領域内の投影色帯域にわたり少なくとも１００対１のダイナミックレンジを有する、請求項１６に記載のシステム。
21. 前記イメージングコアがテレセントリックである、請求項１６に記載のシステム。
22. 前記偏光ビームスプリッターと前記少なくとも１つのイメージャーとの間に配設されたカラーセパレーターをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
23. 偏光ビームスプリッターを作製する方法であって、
    第１の多層反射偏光フィルムを形成する工程と；
    第２の多層反射偏光フィルムを形成する工程と；
    該第１の多層反射偏光フィルムの主面に対向して該第２の多層反射偏光フィルムの主面を配置する工程と；
    該第１および該第２の多層反射偏光フィルムを２つのカバーの間に配置する工程と；
    を含む方法。

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