JP2009540364A - 偏光分割微細構造を有する反射偏光子 - Google Patents

Abstract

【課題】広範な入射角および波長にわたって機能しかつ妥当なコストで製造されうるプリズム反射偏光子を提供する。
【解決手段】（ａ）光入射面と、プリズム構造の連なりを有する微細構造面とを有し、各プリズム構造の第１および第２の側壁が光入射面に対して５３度を超える傾斜角を有する、光入射媒体；（ｂ）光の第１の偏光を透過させかつ第２の偏光を反射させるための、プリズム構造の連なり上の偏光選択的薄膜光学コーティング；並びに（ｃ）平滑な光出力面を提供する、偏光選択的薄膜光学コーティング上の光出射媒体；を反射偏光子が含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、一方の偏光を選択的に透過しかつ直交偏光を反射する反射偏光子フィルムに関する。より詳細には、本発明は、偏光依存性薄膜光学コーティングを有するプリズム界面微細構造を含む反射偏光子フィルムに関する。本発明は、ＬＣＤバックライトの明るさおよび効率を向上させるのに特に有用である。

反射偏光子は、画像輝度および光利用効率を向上させるために、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライトに広く使用されている。反射偏光子は一般に、ＬＣＤの吸収偏光子によって吸収されるはずの偏光成分を再利用するためのプリ偏光子として働く。現在のＬＣＤは、主に２種類の反射偏光子、すなわちＤＢＥＦおよびＤＲＰＦを利用しており、どちらも複屈折ポリマーをベースとしており、３Ｍ社によって販売されている。９０度の頂角を有するプリズム面界面上に光学薄膜を有する偏光子もまた、ＬＣＤバックライト用反射偏光子として提案されている。しかし、今日まで、そのようなプリズム反射偏光子は、性能不足および高い製造コストのために商品化されていない。

図１は、米国特許第５，４２２，７５６号の図３からの出典であり、プリズム構造１６の連なりを有する微細構造面１４を有する光入射媒体１２からなるプリズム反射偏光子１０を示す。交互になった高屈折率材料の薄膜層と低屈折率材料の薄膜層とを有する薄膜光学コーティング１８が、微細構造面１４上に位置する。光学コーティング１８は、一方の偏光を選択的に透過しかつ直交偏光を反射するように設計されている。逆構造面２０は、光学コーティング１８に光学的に結合され、平滑な光出射面２２となる。Ｇｅｆｆｃｋｅｎらは、この種のプリズム反射偏光子を５０年前に、１９５６年６月５日に取得された米国特許第２，７４８，６５９号、「偏光用の光源、サーチライトなど（ＬＩＧＨＴ ＳＯＵＲＣＥ， ＳＥＡＲＣＨＬＩＧＨＴ ＯＲ ＴＨＥ ＬＩＫＥ ＦＯＲ ＰＯＬＡＲＩＺＥＤ ＬＩＧＨＴ）」において初めて提案した。主としてＬＣＤバックライト内での適用を対象とするこの手法の改良について、１９９１年１０月２９日に取得された、Ｏｇｕｒａの米国特許第５，０６１，０５０号、「偏光子（ＰＯＬＡＲＩＺＥＲ）」と、１９９５年６月６日に取得された、Ｗｅｂｅｒの米国特許第５，４２２，７５６号、「逆反射偏光子を用いた背面照明システム（ＢＡＣＫＬＩＧＨＴＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＵＳＩＮＧ Ａ ＲＥＴＲＯＲＥＦＬＥＣＴＩＮＧ ＰＯＬＡＲＩＺＥＲ）」と、１９９６年９月２４日に取得された、Ｗｅｂｅｒの米国特許第５，５５９，６３４号、「逆反射偏光子（ＲＥＴＲＯＲＥＦＬＥＣＴＩＮＧ ＰＯＬＡＲＩＺＥＲ）」に開示されている。

図１に示されているように、プリズム構造１６の第１の側壁１７ａ上に入射する光線は、光学コーティング１８によって、ｐ偏光３０が透過され、またはｓ偏光３２が反射される。次いで、ｐ偏光３０は、プリズム反射偏光子１０からかき乱されずに出射する。しかし、１度反射したｓ偏光光線３４は、プリズム構造１６の第２の側壁１７ｂによって２度目に反射される。したがって、ｓ偏光３２は、二回反射したｓ偏光光線３６としてその起源の方へ逆反射されて戻る。プリズム反射偏光子１０が機能するためには、プリズム構造１６の頂角２４が８０〜１００度、好ましくは９０度であるべきである。したがって、入射角２６は、光入射媒体１２の光入射面２１に対して約４５度であるべきである。

光学コーティング１８は、材料中の光の波長に対して４分の１波長の厚さである交互になった高屈折率層と低屈折率層のスタックを含む。Ｗｅｂｅｒの'６３４号特許に開示されているように、光再利用が可視スペクトル全体にわたって望まれるＬＣＤバックライトにおける可視光に適用する場合、光学コーティング１８はいくつかのサブスタックを有する。サブスタックはそれぞれ、可視スペクトルの別の部分のための４分の１波長層を考慮して設計されている。'６３４号特許に開示されている設計は、可視スペクトル全体をカバーするように合計２８層を有する。そのように層数が多いと、大きな面積に対して低コストで製造するのが非常に困難となる。さらに、'６３４号特許に記載されているように、コーティングの角度性能は、プリズム反射偏光子１０の有用な機能を、空気中で約±１０度の角度範囲に限定することになる。角度性能が限定されるのは、主に、光が薄膜光学コーティング１８上に表面法線に対して約４５度の角度で入射することによるためである。当技術分野で周知のように、偏光光学フィルムスタックは、設計するのがより困難であり、４５度の入射では幾分大きい角度での場合よりも狭い性能範囲を有する。

米国特許第５，４２２，７５６号明細書 米国特許第２，７４８，６５９号明細書 米国特許第５，０６１，０５０号明細書 米国特許第５，５５９，６３４号明細書

既に開示されているプリズム反射偏光子には２つの重要な課題がある。すなわち、１）厳格な角感度および波長感度が適合する用途の数を限定すること、および２）多数の交互になった高屈折率層および低屈折率層が高い製造コストの原因になることである。層の数を増やすと波長感度を低下させうるが、この対応策は製造コストをさらに増大させる。したがって、広範な入射角および波長にわたって機能しかつ妥当なコストで製造されうるプリズム反射偏光子が必要である。

本発明は、
（ａ）光入射面と、プリズム構造の連なりを有する微細構造面とを有し、各プリズム構造の第１および第２の側壁が光入射面に対して５３度を超える傾斜角を有する、光入射媒体；
（ｂ）第１の偏光を透過させかつ第２の偏光を反射させるための、プリズム構造の連なり上の偏光選択的薄膜光学コーティング；並びに
（ｃ）平滑な光出射面を提供する、偏光選択的薄膜光学コーティング上の光出射媒体；
を含む反射偏光子を提供する。
本発明はまた、前記偏光子を製造する方法および前記偏光子を含むＬＣＤディスプレイも含む。

示された傾斜角を有する本発明の偏光子は、他の知られたプリズム反射偏光子よりも入射角および波長に対するより大きな許容範囲を有しており、より低いコストで製造することができる。

図１は、米国特許第５，４２２，７５６号における従来技術の概略断面を示すための図である。 図２は本発明の偏光子の概略断面図である。 図３ａ〜３ｄは偏光子の製造手順を示す図である。 図３ａ〜３ｄは偏光子の製造手順を示す図である。 図３ａ〜３ｄは偏光子の製造手順を示す図である。 図３ａ〜３ｄは偏光子の製造手順を示す図である。 図４は本発明の偏光子のサンプル多層コーティング設計を示す図である。 図５ａ〜５ｃは、図４の偏光子の、光の３つの異なる波長に対する本発明の透過率曲線を示す図である。 図５ａ〜５ｃは、図４の偏光子の、光の３つの異なる波長に対する本発明の透過率曲線を示す図である。 図５ａ〜５ｃは、図４の偏光子の、光の３つの異なる波長に対する本発明の透過率曲線を示す図である。 図６は、図４の偏光子の、４０°の入射角範囲にわたって平均化された６５°の傾斜角に対する透過率を示す図である。 図７は本発明の偏光子の単純な３層設計を示す図である。 図８は、図７の偏光子の、４０°の入射角範囲にわたる透過率曲線を示す図である。 図９は金属層を用いた多層設計を示す図である。 図１０は、図９の偏光子の、４０°の入射角範囲にわたる透過率曲線を示す図である。 図１１は、表１の多層偏光子の、４０°の入射角範囲にわたって平均化された透過率曲線を示す図である。 図１２は本発明の偏光子を用いたバックライトアセンブリを示す図である。 図１３は隣接する光マネジメントフィルムとのウェットアウトの防止に役立つようにスタンドオフを用いた偏光子を示す図である。 図１４は３つの微細構造面を有する反射偏光子の一実施形態を示す図である。 図１５はｓ偏光の所望の反射が達成されないようにする様々な手段を示す図である。 図１６は５３°を超える傾斜角を使用する効果を示す図である。 図１７は７０°未満の傾斜角を使用する効果を示す図である。 図１８は偏光選択的薄膜光学コーティングで３回反射する本発明の一実施形態を示す図である。 図１９ａは、均一な層厚さ変動に耐える、本発明の偏光子の７層コーティング設計を示す図である。 図１９ｂは、各層の厚さが図１９ａの厚さの１５０％である７層コーティングを示す図である。 図２０ａは、図１９ａに対応する、４０°の入射角範囲にわたって平均化された透過率曲線を示す図である。 図２０ｂは、図１９ｂに対応する、４０°の入射角範囲にわたって平均化された透過率曲線を示す図である。

本明細書の記載は、特に、本発明による装置の一部を形成するか、または本発明による装置とより直接的に協働する要素に向けられる。具体的に示されていないかまたは説明されていない要素が、当業者には周知の様々な形をとりうることを理解すべきである。

図２は、可視スペクトル全体にわたってかつ広範な入射角にわたって同時に優れた性能をもたらすように設計されうる、本発明のプリズム反射偏光子４０を示す。さらに、本発明は、比較的低コストで製造されうる。プリズム反射偏光子４０は、光入射面５１を有する光入射媒体４２と、プリズム構造４６の連なりを含む反対側の微細構造面４４とを有する。交互になった高屈折率材料の薄膜層と低屈折率材料の薄膜層とを有する薄膜光学コーティング４８が、微細構造面４４上に位置する。好ましい一実施形態では、光学コーティング４８は、ｐ偏光３０を選択的に透過しかつｓ偏光３２を反射するように設計される。逆構造面５０が光学コーティング４８に光学的に結合され、平滑な光出射面５２を提供する。当技術分野で周知のように、ｐ偏光の場合、電場は入射光線および表面法線を含む入射面と平行であるのに対して、ｓ偏光の場合、電場は入射面と垂直である。

プリズム構造４６の第１の側壁４７ａ上に入射する光線は、光学コーティング４８によって、ｐ偏光３０については透過され、またはｓ偏光３２については反射される。次いで、ｐ偏光３０は、光出射媒体４３を通ってプリズム反射偏光子４０から乱されずに出射する。図２に示されているように、１度反射したｓ偏光光線３４は、主として、プリズム構造４６の第２の側壁４７ｂ上の光学コーティング４８を透過する。次いで、これらの光線は、光出射媒体５３の平滑な光出射面５２で内部全反射（ＴＩＲ）を受ける。二回反射されたｓ偏光光線３６は、微細構造面４４の方へ戻り、第１の側壁４７ａを通過し、第２の側壁４７ｂで反射される。したがって、ｓ偏光３２は、主として、三回反射されたｓ偏光光線３８として、その起源の方へ逆反射されて戻る。プリズム反射偏光子４０が設計通りに機能するためには、側壁の傾斜角５６が５３度を超えるべきである。好ましい傾斜角５６は、後述するように５５〜７０度である。図２に示されているタイプの対称的な微細構造面４４の場合、この傾斜角範囲は、４０〜７０度の頂角に対応する。より好ましくは、傾斜角５６は６０〜７０度であるべきであり、対応する頂角は４０〜６０度であるべきである。

プリズム構造４６は、比較的平坦な第１の側壁４７ａおよび第２の側壁４７ｂを有する三角形の断面を有していてもよく、あるいはこの側壁は、わずかに丸みを帯びていてもよい。さらに、プリズム構造は、プリズム反射偏光子４０全体に沿って連続していても連続していなくてもよい。第１の側壁４７ａおよび第２の側壁４７ｂがプリズム反射偏光子４０の表面に対して異なる角度を有する非対称な微細構造面４４の場合、傾斜角の値は２つの側壁の平均と見なされる。

図２は、基本的な機能を示すために、プリズム反射偏光子４０内の光線経路のうちの数本だけを示している。実際には多数の光線経路が存在することが、当業者には明らかであろう。例えば、光学コーティング４８の設計に応じて、１度反射したｓ偏光光線３４の一部は、第２の側壁４７ｂによって反射され、第１の側壁４７ａからもう１度反射され、光入射面５１においてプリズム反射偏光子４０を出ることができる。

図３ａ〜３ｃは、プリズム反射偏光子４０を製造するための１つの可能な製造手順を示す。薄膜光学コーティングは、電子ビーム蒸発法、熱蒸発法、スパッタリング法、化学蒸着（ＣＶＤ）、または当業者に周知の他の堆積法によって、微細パターン付きプリズムフィルム基体６２のパターン化表面上に真空堆積される。プリズムフィルム基体６２は、ポリカーボネートやＰＭＭＡなどの適切な透明プラスチックで製造されることが好ましい。あるいは、プリズムフィルム基体６２は、ガラスまたは赤外線波長用シリコンなどの他の十分に透明な材料で製造することもできる。薄膜光学コーティング４８を含む高屈折率層および低屈折率層は、多くの適切な材料から選択されうる。これらの材料としては、高屈折率層用のＴｉＯ_２およびＺｎＳ、並びに低屈折率層用のＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＬｉＦおよびＢａＦ_２がある。プリズムフィルム基体６２は、モノリシックポリマーキャストシートから、様々な熱エンボス法および押出ロール成形微細パターン形成法によって、例えば、Ｂｅｎｓｏｎらの米国特許出願第２００５／０２７５１２２号、「成形ローラと共に使用する平滑なコンプライアントベルト（ＳＭＯＯＴＨ ＣＯＭＰＬＩＡＮＴ ＢＥＬＴ ＦＯＲ ＵＳＥ ＷＩＴＨ ＭＯＬＤＩＮＧ ＲＯＬＬＥＲ）」、およびＢｏｕｒｄｅｌａｉｓらの米国特許出願第２００５／０２７５１３２号、「成形ローラと共に使用されるコンプライアントローラを覆うベルト（ＢＥＬＴ ＯＶＥＲ ＣＯＭＰＬＩＡＮＴ ＲＯＬＬＥＲ ＵＳＥＤ ＷＩＴＨ ＭＯＬＤＩＮＧ ＲＯＬＬＥＲ）」に記載されている方法によって製造されうる。あるいは、フィルム基体上のプリズムパターンは、例えば、１９９３年２月２日に発行された、Ｌｕの米国特許第５，１８３，５９７号、「複合プラスチック物品を担持する微細構造を成形する方法（ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＯＬＤＩＮＧ ＭＩＣＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＢＥＡＲＩＮＧ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＰＬＡＳＴＩＣ ＡＲＴＩＣＬＥＳ）」に記載されているような、当業者には周知のＵＶ硬化技法を含む方法によって製造されうる。次いで、ＵＶ硬化型アクリル樹脂の厚い層６４が、真空堆積層上にコーティングされ、紫外線光に露光される。他のタイプのＵＶ硬化型または熱硬化型樹脂もまた、真空堆積層をコーティングするために使用されうる。例えば、エポキシ、ポリウレタンまたはポリシランが、この実施形態の上塗りとして使用されうる。上塗りは、プリズム面上に適切なポリマーの濃縮液（ドープ）をキャストし、次いで溶媒を乾燥によって除去することを含む溶媒キャスティング法によっても製造されうる。このように適用されうる材料としては、様々なセルロース、ポリカーボネートおよびアクリル熱可塑性ポリマーがあるが、それらに限定されるものではない。微細構造面特徴が最終の光入射面および光出射面上に現れないようにするためには、図３ｄに示されているように、平滑化シート６６がエポキシの上に配置されうる。プリズムフィルム６２は、設計に応じて光入射媒体４２または光出射媒体４３とすることができることに留意されたい。

本発明の目的のために、光入射媒体４２または光出射媒体４３を形成するポリマー平坦化層は、積層化、溶融押出、液体コーティングなどの様々な方法によって付着されうる。トポグラフィカル特徴の光学充填を可能にするためには、液体コーティング、特に比較的低粘度のコーティング配合物を使用することが好ましい。コーティング配合物は、水性または有機溶媒系とすることができる。多種多様の液体コーティング法が、配合物の組成および所望のコーティング速度に応じて効果的に使用されうる。適切な方法としては、押出ホッパーコーティング、スライドビードコーティング、グラビアコーティング、カーテンコーティング、スプレーコーティング、ナイフコーティングなどがある。

所望の厚さの平坦化層を得るのに必要な高固体で比較的低い粘度を達成するためには、分散したポリマーバインダーまたは低分子量モノマーもしくはオリゴマー材料を含むコーティング配合物を利用することが望ましい。

本発明のポリマー平坦化層は、放射線硬化型または熱硬化型組成物を含むことができる。紫外線（ＵＶ）放射および電子ビーム放射は、最も一般的に使用されている放射線硬化法である。ＵＶ硬化型組成物は、本発明の平坦化層の製造に特に有用であり、２つの主要タイプの硬化化学反応、すなわちフリーラジカル化学反応およびカチオン化学反応を使用して硬化されうる。アクリレートモノマー（反応性希釈剤）およびオリゴマー（反応性樹脂およびラッカー）は、硬化コーティングにその物理的特性の多くを与える、フリーラジカル系配合物の主成分である。光開始剤は、ＵＶ光エネルギーを吸収し、分解してフリーラジカルを形成し、アクリレート基Ｃ＝Ｃ二重結合に作用を及ぼして重合を開始する。カチオン化学反応は、脂環式エポキシ樹脂およびビニルエーテルモノマーを主成分として利用する。光開始剤は、ＵＶ光を吸収してルイス酸を形成し、ルイス酸は、エポキシ環に作用を及ぼして重合を開始する。ＵＶ硬化は、紫外線硬化を意味し、波長が２８０〜４２０ｎｍ、好ましくは３２０〜４１０ｎｍの紫外線を使用するものである。

本発明に有用な平坦化層に使用可能な紫外線硬化型レジンおよびラッカーの例としては、多官能性化合物のアクリレートオリゴマーやメタクリレートオリゴマーなど（本明細書に使用される「（メタ）アクリレート」という用語はアクリレートおよびメタクリレートを意味する）の光重合性モノマーおよびオリゴマーから得られるもの、例えば、（メタ）アクリレート官能基を有する多価アルコールおよびその誘導体、例えば、エトキシ化トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、もしくはネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、およびそれらの混合物、並びに低分子量のポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アルキド樹脂、スピロアセタール樹脂、エポキシアクリレート、ポリブタジエン樹脂、ポリチオール−ポリエン樹脂など、およびそれらの混合物に由来するアクリレートまたはメタクリレートオリゴマー、並びに比較的大量の反応性希釈剤を含有する電離放射線硬化型樹脂がある。本明細書において有用な反応性希釈剤としては、単官能性モノマー、例えばエチル（メタ）アクリレート、エチルヘキシル（メタ）アクリレート、スチレン、ビニルトルエン、およびＮ−ビニルピロリドン、並びに、多官能モノマー、例えばトリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ヘキサンジオール（メタ）アクリレート、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサジオールジ（メタ）アクリレート、またはネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレートなど、がある。

とりわけ、本発明では、平坦化層用において使用するための、好都合に使用される放射線硬化型ラッカーとしてウレタン（メタ）アクリレートオリゴマーがある。これらは、ジイソシアネートをオリゴ（ポリ）エステルまたはオリゴ（ポリ）エーテルポリオールと反応させてイソシアネート末端ウレタンを産出することによって得られる。その後、ヒドロキシ末端アクリレートが末端イソシアネート基と反応する。このアクリル化は、オリゴマーの端部に不飽和をもたらす。ウレタンアクリレートの脂肪族または芳香族特性は、ジイソシアネートを選択することにより決定される。トルエンジイソシアネートなどの芳香族ジイソシアネートは、芳香族ウレタンアクリレートオリゴマーを生じるであろう。脂肪族ウレタンアクリレートは、イソホロンジイソシアネートまたはヘキシルメチルジイソシアネートなどの脂肪族ジイソシアネートの選択から得られるであろう。イソシアネートの選択以上に、ポリオール骨格が、最終オリゴマーの性能を決定する際に極めて重要な役割を果たす。ポリオールは一般に、エステル、エーテル、またはこれらの２つの組合せ体に分類される。オリゴマー骨格は、フリーラジカル開始重合の反応部位として働く２つ以上のアクリレートまたはメタクリレート単位によって決定される。イソシアネート、ポリオール、およびアクリレートもしくはメタクリレート末端単位から選択することにより、ウレタンアクリレートオリゴマーの開発においてかなりの許容範囲が可能となる。ウレタンアクリレートは、ほとんどのオリゴマーのように、一般に分子量および粘度が高い。これらのオリゴマーは、多官能性であり、複数の反応部位を含む。反応部位の数が増加するため、硬化速度が向上され、最終生成物は架橋される。オリゴマー官能価は、２〜６の範囲とすることができる。

とりわけ、平坦化層において使用するために、好都合に使用される放射線硬化型樹脂としては、多価アルコールおよびその誘導体から得られる多官能性アクリル化合物、例えば、イソホロンジイソシアネートから得られるペンタエリスリトールテトラアクリレートおよびペンタエリスリトールトリアクリレート官能化脂肪族ウレタンなどの、ペンタエリスリトールのアクリレート誘導体の混合物もある。市販されている、本発明の実施に際して使用されるウレタンアクリレートオリゴマーのいくつかの例として、Ｓａｒｔｏｍｅｒ社（ペンシルベニア州エクストン）のオリゴマーがある。本発明の実施に際して好都合に使用される樹脂の一例が、Ｓａｒｔｏｍｅｒ社のＣＮ９６３（登録商標）である。

放射線硬化型コーティングに加えて、水性または溶媒系の分散されたポリマーバインダーを含む配合物としては、アクリル、ウレタン、ウレタン−アクリル混成物、スチレンポリマー、およびオレフィンなどがある。アクリル、ウレタンまたはウレタン−アクリルポリマー分散物の水性分散物が特に好ましい。コーティングは、適切な架橋剤の添加によって熱硬化されてもよく、あるいは未硬化でもよい。これらの厚い平坦化層に低いフィルムカールをもたらすためには、層のコーティング、乾燥および硬化後に高い応力を引き起こさない配合物を利用することが望ましい。したがって、乾燥および硬化の間に限られた収縮を受けかつ適度な剛性（係数）を有する配合物を利用することが望ましい。

プリズム反射偏光子４０の特定の実施形態では、角度および波長動作を改善するためには、光入射媒体４２または光出射媒体４３は比較的低い屈折率を有する。適切な低屈折率材料は、１．４８未満の屈折率を有し、好ましくは１．３５〜１．４０の屈折率を有するフッ素含有ホモポリマーまたはコポリマーを含む。適切なフッ素含有ホモポリマーおよびコポリマーとしては、フルオロオレフィン（例えば、フルオロエチレン、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）、（メタ）アクリル酸の部分的または完全にフッ素化されたアルキルエステル誘導体、および完全または部分的にフッ素化されたビニルエーテルがある。

薄膜光学コーティング４８上に入射する光線は、傾斜角５６に等しい、表面法線に対する入射角を中心とする。傾斜角５６は５３度以上と大きいため、光学コーティング４８は、４５度用に設計されたものよりも少ない層で、ｐ偏光３０をｓ偏光３２から分離するように設計することができる。このコーティングはまた、広範な入射角および波長にわたって機能するように設計することもできる。

図４は、ＵＶ硬化型アクリル（ｎ＝１．４９）である光入射媒体とポリカーボネート（ｎ＝１．５９）である光出射媒体とを有する、交互になったＴｉＯ_２層およびＳｉＯ_２層で構成された５層コーティング設計を示す。広い角度および波長許容範囲を提供するために、層厚さの選択は４分の１波長の倍数に限定されない。図５ａ〜５ｃは、光入射媒体の表面法線に対する入射角に対する、波長４５０ｎｍ（青）、５５０ｎｍ（緑）および６２５ｎｍ（赤）でのｓ偏光およびｐ偏光のモデル化された透過率曲線を示す。ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２は共に非常に少ない吸収で製造されうるので、この設計での反射率値は単純に１００以下の透過率である。このコーティング設計は、６０〜７０度の傾斜角５６を有する微細構造面４４上で使用されたときによく機能する。図６は、光入射媒体内での４５度入射から８５度入射までの、入射角４０度の範囲にわたって、（均一に）平均化された６５度の傾斜角５６の場合の透過率曲線を示す。これは、空気中での約６０度の角度範囲に対応する。図６の曲線は、この５層コーティングが、広範な入射角についての可視スペクトルの大部分にわたって、ｐ偏光の９０パーセントを超えて透過しかつｓ偏光の８０パーセントを超えて反射することができることを示す。

コーティングプロセスの間のスループットを最大にするためには、層の数および厚さを最小に保つことが望ましい。図７は、この場合もＴｉＯ_２層およびＳｉＯ_２層を備えた、２つの非常に薄いＴｉＯ_２層を有する単純な３層設計を示す。ＴｉＯ_２のコーティング速度は通常、ＳｉＯ_２よりもずっと遅いので、ＴｉＯ_２層を薄く保つことは、製造スループットを最大にするのに役立つ。図８は、このコーティングが６５度の傾斜角５６を有する微細構造面４４に適用されたときの、４０度の角度平均化透過率曲線を示す。この透過率曲線は、やはり４５度入射から８５度入射まで平均化されている。

別のコーティング選択肢は、層のうちの１つまたは複数に非常に薄い金属コーティング、好ましくは銀を使用することである。図９は、ＭｇＦ_２が２つの非常に薄い８ｎｍの銀層の間に挟まれた、銀のマイクロキャビティーの設計を示す。対応する４０度の角度平均化透過率曲線が、やはり６５度の傾斜角５６として図１０に示されている。ＴｉＯ_２やＺｎＳなどの高屈折率誘電体の代わりに非常に薄い銀を使用することにより、ずっと高い製造スループットが可能となる。というのは、所要厚さを薄くすることが、より速い堆積速度と一体であるからである。しかし、誘電体層を含むだけの設計とは異なり、金属層には、ＬＣＤバックライトに使用されたときに全体的な光再利用能力を低下させる若干の吸収損失が存在する。

層の数を増やすことにより、ｓ偏光の透過率を実質的に低減しかつ広範な角度および波長にわたって優れた性能を維持し続けることが可能である。下表に与えられた薄膜設計は、ｓ偏光の非常に低い透過率（および高い反射率）を提供する。６５度の傾斜角５６について、対応する４０度の角度平均化透過率曲線が図１１に示されている。当業者には周知のように、薄膜スタックの設計は３種以上の異なる材料を含むこともできる。

傾斜した側壁を有する構造上への真空堆積は、シャドウイングのために構造上の薄膜の厚さの変動を引き起こしうることがよく知られており、厚さの変動は、構造幾何形状、真空コータ幾何形状およびコーティングプロセス自体に依存する。本発明のプリズム反射偏光子の場合、薄膜光学コーティングの堆積中のこの構造的シャドウイングにより、谷と頂点の間での単調な厚さの増加を伴って、構造の頂点付近の層厚さを谷付近の層厚さより厚くすることができる。シャドウイングは通常、薄膜光学コーティング内のすべての層について同じはずであるので、厚さの変動は均一であり、すなわち各層についての割合と同じである。当業者には周知のように、厚さの変動は、法線入射コータ幾何形状および／またはスパッタリングなどのコンフォーマルコーティングプロセスを選択することによって低減されうる。あるいは、薄膜コーティング設計は、厚さの変動に耐えるようになされうる。そのような厚さ許容設計の一例が、図１９ａ、１９ｂ、２０ａおよび２０ｂに示されている。

図１９ａは、ＵＶ硬化型アクリル（ｎ＝１．４９）である光入射媒体と、やはりアクリル（ＰＭＭＡ、ｎ＝１．４９）である光出射媒体とを有する、交互になったＴｉＯ_２層およびＳｉＯ_２層で構成された７層コーティング設計を示す。図２０ａは、このコーティングが５５度の傾斜角５６を有する微細構造面４４に適用された場合の、４０度の角度平均化透過率曲線を示し、この透過率曲線は、３５度入射から７５度入射まで平均化されている。薄膜堆積の間の厳格な厚さの変動の一実施例として、図１９ｂは、各層の厚さが図１９ａの各層の厚さの１５０％である７層コーティングを示し、対応する角度平均化透過率曲線は図２０ｂに示されている。図２０ｂの曲線と図２０ａの曲線とを比較すると、図１９ａの設計は、プリズム反射偏光子の側壁に沿って生じうる均一な厚さの変動に対して非常に耐性があることが明らかである。図１９ａおよび１９ｂのように、厚さが薄膜スタックの一方の側から他方の側へ単調に増加する層を有する光学薄膜設計は、均一な厚さの変動に対して他の設計よりも耐性がある傾向があることが観察されている。

図１２は、プリズム反射偏光子４０およびいくつかの光マネジメント（ｌｉｇｈｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）フィルムを組み込んだ、ＬＣＤディスプレイ用の偏光バックライトアセンブリを示す。冷陰極蛍光ランプまたは発光ダイオードなどのいくつかの光源７０が、ライトボックス７２構造内または導光板の端部に位置する。体積および／または表面拡散板７４は、照明を均一化し、光源自体に関連するホットスポットを低減し、かつ光再利用のための、反射されたｓ偏光の脱分極をもたらすように使用される。軸上輝度を高めるために、バックライトアセンブリは、３Ｍ社のＢＥＦなどの輝度上昇プリズムシート７６、または輝度上昇マイクロレンズアレイを組み込むことができる。この構成では、プリズム反射偏光子４０から出て来る光は、主として単一（線形）偏光である。

プリズム反射偏光子が、特定のバックライト構成で使用されかつ光出射媒体よりも低い屈折率を有する光入射媒体を有するように設計された場合、輝度は、軸直上よりもディスプレイの法線からわずかに軸外で高くなりうる。この効果は、光入射媒体が光出射媒体より大きいかまたはそれと同じ屈折率を有する反射偏光子設計で軽減されうる。

当技術分野で周知のように、２つ以上の光マネジメントフィルムは、（光学的に）接触し、ＬＣＤディスプレイ内で「ウェットアウト（ｗｅｔ−ｏｕｔ）」する場合がある。内部全反射（ＴＩＲ）は平滑な光出射面５２で生じるので、プリズム反射偏光子４０を使用するときに、ウェットアウト領域を回避することが好ましい。図１３は、光出射面５２に追加された、ウェットアウト防止用のまばらなスタンドオフ（ｓｔａｎｄｏｆｆ）８０の列を示す。これらの特徴は、光学性能の著しい変化を回避するために、光出射面の面積の１０％未満を占めるべきである。別の選択肢は、平滑な光出射面５２上にスペーサビーズを使用することである。平滑な光出射面５２は、表面積の大部分で光の内部全反射をもたらすよう十分滑らかであるべきであることが理解されるべきである。スタンドオフを有する図１３の実施形態では、突出部を有する、完全に平坦ではない平滑な光出射面のいくつかの領域がある。図１３はまた、照明の偏光がＬＣＤパネルの入力偏光軸と合致するように、プリズム反射偏光子４０から出て来るｐ偏光を回転させる任意選択的なリターダ（ｒｅｔａｒｄｅｒ）フィルム８２も示す。入力偏光軸は様々な種類のＬＣＤパネルによって異なるので、リターダフィルムの最適選択はパネルの種類に依存する。

複数の微細構造面９２、９４および９６を有するプリズム反射偏光子９０の一実施態様が、図１４に示されている。この手法は、例えば各色（ＲＧＢ）用の別々の薄膜光学コーティングおよび微細構造面を有することにより、光学性能を最適化するように使用することができる。

プリズム反射偏光子の設計は、ｓ偏光の望ましくない前方への透過の原因となりうるいくつかの要因を制限するように最適化することができる。図１５に示されているように、光入射面を通って正常に送り返されたｓ偏光は、１）薄膜光学コーティングを通る直接透過、または２）微細構造面による前方方向への二重反射、または３）内部全反射の損失の原因となる、臨界角未満の角度での光出射面上への入射により、光出射面を通過することができる。

図４、図７および表１に関連して上述したように、ｓ偏光が光学コーティングを通る透過は、交互になった高屈折率層および低屈折率層の数を増やすことにより、およびそれらの層の厚さを最適化することにより、低減することができる。前方への二重反射は、あるプリズム構造上の薄膜光学コーティングによって反射されたｓ偏光が、隣接するプリズム構造によって阻止され、反射されるときに起こりうる。前方へ二重反射されるｓ偏光光束の割合を頂角の関数として示す図１６の曲線により示されているように、この効果は、頂角を約６０度未満に限定することによって、すなわち傾斜角を６０度より大きい角度に限定することによって低減されうる。最後に、図１７の曲線で示されているように、ｓ偏光光束の大部分が光出射面で内部全反射を受けるようにするために、頂角を約４０度より大きく、すなわち傾斜角を７０度未満に保つべきである。

前方への二重反射と内部全反射の損失の両方を除去するための別の手法が、図１８に示されている。プリズム反射偏光子１００のこの実施形態では、偏光選択的薄膜光学コーティング１０８は、法線入射について高入射角かつ高反射性で優れた偏光分割をもたらすように設計される。この場合、好ましい頂角は約６０度である。

本発明の実施形態はすべて、一方の偏光、通常はｐ偏光を、微細構造面上の偏光選択的薄膜光学コーティングを通して、前方方向に選択的に透過させるとともに、第２の偏光、通常はｓ偏光を、少なくとも３回の反射を使用することによって後方方向に向ける。この反射はすべて、図１８に示されているように偏光選択的薄膜光学コーティングで起こることができ、あるいは、１回または複数回は、図２に示されているように光出射面で内部全反射によって起こることができる。

本発明はいくつかの実施形態を参照して記載された。しかし、変形形態および改変形態が、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって達成されうることが理解されよう。本明細書で参照された特許および他の出版物の全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

１０ プリズム反射偏光子
１２ 光入射媒体
１４ 微細構造面
１６ プリズム構造
１７ａ 第１の側壁
１７ｂ 第２の側壁
１８ 薄膜光学コーティング
２０ 逆構造面
２１ 光入射面
２２ 光出射面
２４ 頂角
２６ 傾斜角
３０ ｐ偏光
３２ ｓ偏光
３４ １度反射したｓ偏光光線
３６ ２度反射したｓ偏光光線
３８ ３度反射したｓ偏光光線
４０ プリズム反射偏光子
４２ 光入射媒体
４３ 光出射媒体
４４ 微細構造面
４６ プリズム構造
４７ａ 第１の側壁
４７ｂ 第２の側壁
４８ 薄膜光学コーティング
５０ 逆構造面
５１ 光入射面
５２ 光出射面
５４ 頂角
５６ 傾斜角
６２ プリズムフィルム基体
６４ ＵＶ硬化型樹脂
６６ 平滑化シート
７０ 光源
７２ ライトボックス
７４ 拡散板
７６ 輝度上昇プリズムシート
８０ スタンドオフ
８２ リターダフィルム
９０ プリズム反射偏光子
９２ 微細構造面
９４ 微細構造面
９６ 微細構造面
１００ プリズム反射偏光子
１０８ 薄膜光学コーティング

Claims (11)

1. （ａ）光入射面と、プリズム構造の連なりを有する微細構造面とを有し、各プリズム構造の第１および第２の側壁が前記光入射面に対して５３度を超える傾斜角を有する、光入射媒体；
   （ｂ）第１の偏光を透過させかつ第２の偏光を反射させるための、前記プリズム構造の連なり上の偏光選択的薄膜光学コーティング；並びに
   （ｃ）平滑な光出射面を提供する、前記偏光選択的薄膜光学コーティング上の光出射媒体；
   を含む反射偏光子。
2. 傾斜角が７０度以下である、請求項１記載の反射偏光子。
3. 傾斜角が６０〜７０度である、請求項１記載の反射偏光子。
4. 前記偏光子と光出射面に隣接する面との間に空隙を設けるように、スタンドオフが前記偏光子の前記光出射面上に設けられる、請求項１記載の反射偏光子。
5. 請求項１記載の反射偏光子を組み込んだバックライトを含むＬＣＤディスプレイ。
6. 光入射媒体または光出射媒体がエポキシを含む、請求項１記載の反射偏光子。
7. エポキシ上に平滑化シートをさらに含む、請求項６記載の反射偏光子。
8. 偏光選択的薄膜光学コーティングが、１０以下の層を含む、請求項１記載の反射偏光子。
9. 反射偏光子を製造する方法であって、
   （ａ）第１の平滑面と、プリズム構造の連なりを有する微細構造面とを有し、各プリズム構造の第１および第２の側壁が光入射面に対して５３度を超える傾斜角を有する、プリズム基体を設けるステップ；
   （ｂ）第１の偏光を透過させかつ第２の偏光を反射させるための、偏光選択的薄膜光学コーティングを前記プリズム構造の連なり上に堆積させるステップ；
   （ｃ）前記偏光選択的薄膜光学コーティングの上にエポキシを適用するステップ；並びに
   （ｄ）平坦な平滑化シートを取り付けることにより、前記エポキシ上に第２の平滑面を形成するステップ；
   を含む方法。
10. 各プリズム構造の第１および第２の側壁が、前記光入射面に対して５３度を超える傾斜角を有する、請求項９記載の方法。
11. 反射偏光子を製造する方法であって、
    （ａ）第１の平滑面と、プリズム構造の連なりを有する微細構造面とを有し、各プリズム構造の第１および第２の側壁が光入射面に対して５３度を超える傾斜角を有する、プリズム基体を設けるステップ；
    （ｂ）第１の偏光を透過させかつ第２の偏光を反射させるための、偏光選択的薄膜光学コーティングを前記プリズム構造の連なり上に堆積させるステップ；
    （ｃ）前記偏光選択的薄膜光学コーティングの上にエポキシを適用するステップ；並びに
    （ｄ）前記エポキシ上に第２の平滑面を形成するステップ；
    を含む方法。

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