JP2010503023A - 多層偏光繊維及びそれを使用した偏光子 - Google Patents

Abstract

偏光フィルムは、マトリックス内に埋め込まれた多層偏光繊維から作製される。繊維は、少なくとも第１及び第２ポリマー材料の層で形成される。第１ポリマー材料の層は、第２ポリマー材料の層間に配置される。第１及び第２ポリマー材料の少なくとも一方は、複屈折性である。いくつかの実施形態では、材料の少なくとも１つが、繊維に対して変化し、７００ｎｍを超える波長を有する光に対して４分の１波長厚さとして選択される厚さを含んでよい。

Description

本発明は、光学表示システム、特に横方向に照明する複屈折性高分子繊維を含む光学要素を包含する光学表示フィルムに関する。

いくつかの異なる種類の偏光フィルムが、無偏光光を偏光するのに利用できる。吸収（ダイクロイック）偏光子は、介在相として偏光依存吸収性種、多くの場合ポリマーマトリックス内で配列するヨウ素含有鎖を有する。そのようなフィルムは、吸収性種と平行して配列するその電界ベクトルで偏光される光を吸収し、吸収性種に対して垂直に偏光される光を透過する。偏光フィルムの別の種類は、反射偏光子であり、それは、一方の状態で光を透過し、他方の状態で光を反射することにより光を異なる偏光状態に分離する。反射偏光子の１つの種類は、多層光学フィルム（ＭＯＦ）であり、それは、交互ポリマー材料の多くの層の積み重ね体から形成される。材料の一方は光学的等方性であり、これに対して他方はその屈折率の１つが等方性材料に適合した状態の複屈折性である。一方の偏光状態に入射した光は、適合した屈折率を受け、実質的に正反射して偏光子を透過される。しかし、他方の偏光状態に入射した光は、異なる層間の境界面で多凝集性又は非凝集性反射を受け、偏光子により反射される。

反射偏光フィルムの別の種類は、連続相マトリックス内に分散される介存物から構成される。介存物は、フィルムの幅及び高さに対して小さい。これらの介存物の特徴は、操作されてフィルムに反射範囲及び透過特性をもたらすことができる。介存物は、連続相マトリックス内に分散ポリマー相を構成する。介存物の寸法及び配列は、フィルムを延伸することにより変更することができる。連続相又は分散相のいずれもが、複屈折性材料の屈折率の一方が他方の相の屈折率と適合した状態で複屈折性であり、それは、光学的等方性である。連続及び分散相の材料の選択は、延伸度とともに分散相と連続相との間の複屈折性屈折率不適合度に影響を及ぼすことができる。他の特性は調節され、光学性能を改善することができる。

発明の１つの実施形態は、少なくとも第１及び第２ポリマー材料の層を含む第１多層繊維を有する光学体に関する。第１ポリマー材料の層は、第２ポリマー材料の層間に配置される。第１及び第２ポリマー材料の少なくとも１つは、複屈折性である。第１ポリマー材料の少なくとも第１層は、第１ポリマー材料の第２層と異なる第１厚さを有する。

発明の他の実施形態は、少なくとも第１及び第２ポリマー材料の層を含む第１多層繊維を包含する光学体に関する。第１ポリマー材料の層は、第２ポリマー材料の層間に配置される。第１及び第２ポリマー材料の少なくとも１つは、複屈折性である。第１及び第２ポリマー材料の層の少なくともいくつかは、７００ｎｍの波長を有する光に対して４分の１波長厚さとして選択される厚さを有する。

本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態又はすべての実施を説明しようとするものではない。図及び以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。

添付の図面と関連して本発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解され得る。
偏光フィルムの操作を概略的に示す。 偏光フィルムの操作を概略的に示す。 本発明の原理によるポリマー層の実施形態の切欠図を概略的に示す。 本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明のいくつかの実施形態に使用できるような繊維織物を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光子繊維の別の実施形態による断面図を概略的に示す。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 多層偏光子繊維の別の実施形態の代表的な層厚さを示すグラフである。 入射光線と多層偏光繊維の相互作用を示す偏光子の実施形態の断面図を概略的に示す。 入射光線と多層偏光繊維の相互作用を示す偏光子の実施形態の断面図を概略的に示す。 本発明の原理による多層偏光繊維を取り囲む低屈折率コーティングを有する偏光子の断面図を概略的に示す。 多層偏光繊維の挙動を解析するために使用されるモデルのパラメーターを概略的に示す。 半径の増加で層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過と反射を示すグラフである。 半径の増加で層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過と反射を示すグラフである。 半径の増加で層厚さが増加する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過と反射を示すグラフである。 半径の増加で層厚さが増加する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過と反射を示すグラフである。 半径の増加で層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維の偏光特性を示すグラフである。 半径の増加で層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維の偏光特性を示すグラフである。 繊維が偏光子の表面と平行なより長い寸法を有する非円形対称断面を有する繊維偏光子の断面図を概略的に示す。 多層偏光繊維の部分断面図の写真を示す写真である。 異なる層厚さの多層偏光繊維に対して測定された反射のグラフを示す図である。 異なる層厚さの多層偏光繊維に対して測定された透過のグラフを示す図である。

本発明は様々な変更例及び代替形状に柔軟に従うことができるが、それらの細目は図面で例を用いてこれまで示しており、また詳細に記述されるであろう。しかし、その意図は、記述した特定の実施形態に本発明を限定することではないことを理解されるべきである。反対に、その意図は、添付された特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲内にあるすべての変更例、同等の方法及び代わりの方法を網羅しようとするものである。

本発明は、光学システム、特に偏光光学システムに適用することができる。新しい種類の反射偏光フィルムは、繊維偏光フィルムであり、それは、内部複屈折性境界面、すなわち複屈折性材料と他の材料との間に境界面を有する多数の繊維を包含するマトリックス層である。繊維偏光子フィルムの繊維のパラメーターは、改善された偏光特性をもたらすように選択されることが重要である。

本明細書で使用するとき、用語「正反射」及び「正反射率」は、物体からの光線の反射率を指し、そこでは、反射角は実質的に入射角に等しく、角度は物体表面に対する法線を基準として測定される。換言すれば、光が特定の角度分布で物体に入射するとき、反射光は実質的に同じ角度分布を有する。用語「拡散反射」又は「拡散反射率」は、光線の反射を指し、反射光の一部の角度は入射角と等しくない。従って、光が特定の角度分布で物体に入射するとき、反射光の角度分布は入射光のそれとは異なる。用語「全反射率」又は「全反射」は、全ての光の組合わされた反射率、すなわち正反射と拡散を指す。

同様に、用語「正透過」及び「正透過率」は、本明細書では物体を通った光透過率を指すのに使用され、スネルの法則により全ての変化が調節される透過光の角度分布は実質的に入射光のそれと同じである。用語「拡散透過」及び「拡散透過率」は、物体を通った光透過率を説明するために使用され、透過光は入射光の角度分布と異なる角度分布を有する。用語「全透過」又は「全透過率」は、全ての光の組合わされた透過率、すなわち正反射と拡散を指す。

反射偏光子フィルム１００が、図１Ａ及び１Ｂに概略的に示されている。本明細書に取り入れられた取り決めでは、フィルムの厚さ方向は、ｚ−軸として取り入れられ、ｘ−ｙ平面は、フィルムの平面に対して平行である。無偏光光１０２が偏光子フィルム１００に入射すると、偏光子フィルム１００の透過軸線と平行に偏光される光１０４は実質的に透過されるが、偏光子フィルム１００の反射軸線と平行に偏光される光１０６は実質的に反射される。反射光の角度分布は、偏光子１００の種々の特性に依存する。例えば、いくつかの例示の実施形態では、光１０６は、図１Ａに概略的に示すように拡散して反射されてよい。他の実施形態では、反射光は、正反射と拡散構成成分の両方を含んでもよく、これに対して、いくつかの実施形態では、反射は、実質的に全てが正反射であってよい。図１Ａに示した実施形態では、偏光子の透過軸線は、ｘ−軸と平行であり、偏光子１００の反射軸線は、ｙ−軸と平行である。他の実施形態では、これらは逆であってよい。透過光１０４は、例えば図１Ａに概略的に示すように正透過されてもよく、例えば図１Ｂに概略的に示すように拡散して透過されてもよく、又は正反射と拡散構成成分との組合わせで透過されてよい。透過光の半分超が拡散して透過されるとき、偏光子は実質的に光を拡散して透過し、透過光の半分超が正透過されるとき、偏光子は実質的に光を正透過する。

本発明の例示の実施形態による反射偏光子体の一部を切り取った図を概略的に図２に示す。反射偏光子体２００は、連続相とも呼ばれるポリマーマトリックス２０２を含む。ポリマーマトリックスは、光学的等方性であってもよく又は光学的複屈折性であってよい。例えば、ポリマーマトリックスは、１軸的に又は２軸的に複屈折性であってもよく、ポリマーの屈折率が１つの方向に沿って異なり２つの直交する方向で同じであってもよく（１軸）又は全ての３つの直交する方向で異なっていてよい（２軸）ことを意味する。

偏光繊維２０４は、マトリックス２０２内に配置される。偏光繊維２０４は、少なくとも２つのポリマー材料を含み、その少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの例示の実施形態では、材料の一方は複屈折性であり、それに対して他方の材料は等方性である。他の実施形態では、繊維を形成する２つ以上の材料は複屈折性である。いくつかの実施形態では、等方性材料から形成される繊維はマトリックス２０２内に存在していてよい。

第１繊維材料のｘ−、ｙ−、及びｚ−方向の屈折率は、ｎ_１ｘ、ｎ_１ｙ及びｎ_１ｚと呼ばれてよく、第２繊維材料のｘ−、ｙ−、及びｚ−方向の屈折率は、ｎ_２ｘ、ｎ_２ｙ、及びｎ_２ｚと呼ばれてよい。材料が等方性の場合、ｘ−、ｙ−、及びｚ−方向の屈折率は、全て実質的に適合される。第１繊維材料が複屈折性の場合、ｘ−、ｙ−、及びｚ−屈折率の少なくとも１つは他と異なる。

各繊維２０４内には第１繊維材料と第２繊維材料との間に形成される多数の境界面がある。例えば、２つの材料が境界面でｘ−及びｙ−屈折率及びｎ_１ｘ≠ｎ_１ｙを示す場合、すなわち第１材料は複屈折性であり、境界面は複屈折性である。偏光繊維の他の代表的な実施形態を以下に述べる。

繊維２０４は、図のｘ−軸として示されるように一般に軸線と平行に配置される。ｘ−軸、ｎ_１ｘ−ｎ_２ｘに対して平行に偏光される光に対する繊維２０４内の複屈折性境界面での屈折率差は、ｙ−軸、ｎ_１ｙ−ｎ_２ｙに対して平行に偏光される光に対する屈折率差と異なっていてよい。境界面での屈折率差が異なる方向に対して異なる場合、境界面は複屈折性と言われる。従って、複屈折性境界面の場合、Δｎ_ｘ≠Δｎ_ｙであり、式中、Δｎ_x＝│ｎ_１ｘ−ｎ_２ｘ│及びΔｎ_ｙ＝│ｎ_１ｙ−ｎ_２ｙ│である。

１つの偏光状態の場合、繊維２０４の複屈折性境界面での屈折率差は、比較的小さくてよい。いくつかの例示の場合では、屈折率差は、０．０５未満であってよい。この条件は、実質的に屈折率適合であると考えられる。この屈折率差は、０．０３未満、０．０２未満、又は０．０１未満であってよい。この偏光方向がｘ−軸と平行である場合、ｘ−偏光光は、ほとんど又は全く反射がない状態で反射偏光子体２００を通過する。換言すれば、ｘ−偏光光は、反射偏光子体２００を高度に透過する。

繊維の複屈折性境界面での屈折率差は、直交偏光状態では光に対して比較的大きくてよい。いくつかの代表的な例では、屈折率差は、少なくとも０．０５であってよく、例えば０．１を超えていてよく、又は０．１５若しくは０．２であってよい。この偏光方向がｙ−軸と平行である場合、ｙ−偏光光は複屈折性境界面で反射される。従って、ｙ−偏光光は、反射偏光子体２００により反射される。繊維２０４内の複屈折性境界面が互いに対して実質的に平行である場合、反射は、本質的に正反射であってよい。他方、繊維２０４内の複屈折性境界面が実質的に互いに平行でない場合、反射は実質的に拡散であってよい。複屈折性境界面のいくつかは平行であってよく、その他の境界面は平行でなくてよく、それが正反射と拡散構成成分の両方を包含する反射光につながっていてよい。また、複屈折性境界面は湾曲し、又は比較的小さくてよく、換言すれば、入射光の波長の桁内でそれは拡散散乱を引き起こしてよい。

いま記載された代表的な実施形態は、ｙ−方向の相対的に大きい屈折率差を伴ったｘ−方向の屈折率の適合に関するが、他の代表的な実施形態は、ｘ−方向の相対的に大きい屈折率差を伴ったｙ−方向の屈折率の適合を包含する。

ポリマーマトリックス２０２は、例えば、約０．０５未満、好ましくは０．０１未満の複屈折性ｎ_３ｘ−ｎ_３ｙを有する実質的に光学的等方性であってよく、ｘ−及びｙ−方向に対するマトリックスの屈折率は、それぞれｎ_３ｘ及びｎ_３ｙである。他の実施形態では、ポリマーマトリックス２０２は、複屈折性であってよい。従って、いくつかの実施形態では、ポリマーマトリックスと繊維材料との間の屈折率差は、異なる方向で異なっていてよい。例えば、ｘ−屈折率差、ｎ_１ｘ−ｎ_３ｘは、ｙ−屈折率差、ｎ_１ｙ−ｎ_３ｙと異なっていてよい。いくつかの実施形態では、これらの屈折率差の１つは、その他の屈折率差の少なくとも２倍ほど大きくてよい。

いくつかの実施形態では、屈折率差、複屈折性境界面の程度及び形状、及び複屈折性境界面の相対位置が、他の偏光を超える入射偏光の１つの拡散散乱をもたらしてよい。前記散乱は、主として後方散乱（拡散反射）、前方散乱（拡散透過）又は後方と前方散乱の両方の組合わせであってよい。

ポリマーマトリックス及び／又は繊維に使用される適した材料としては、所望の光波長範囲にわたって透明である熱可塑性及び熱硬化性ポリマーが挙げられる。いくつかの実施形態では、ポリマーが水に不溶性であることが特に有用な場合がある。更に、適したポリマー材料は、非晶質又は部分的結晶性であってもよく、ホモポリマー、コポリマー又はこれらのブレンドが挙げられる。ポリマー材料の例としては、ポリ（カーボネート）（ＰＣ）；シンジオタクチック及びアイソタクチックポリ（スチレン）（ＰＳ）；Ｃ１〜Ｃ８アルキルスチレン；ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）及びＰＭＭＡコポリマーを含むアルキル、芳香族、及び脂肪族環含有（メタ）アクリレート；エトキシル化及びプロポキシル化（メタ）アクリレート；多官能（メタ）アクリレート；アクリル化エポキシ；エポキシ；及び他のエチレン性不飽和剤材料；環状オレフィン及び環状オレフィン性コポリマー；アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）；スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）；エポキシ；ポリ（ビニルシクロヘキサン）；ＰＭＭＡ／ポリ（ビニルフルオリド）ブレンド；ポリ（フェニレンオキシド）合金；スチレン系ブロックコポリマー；ポリイミド；ポリスルフォン；ポリ（塩化ビニル）；ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）；ポリウレタン；不飽和ポリエステル；低複屈折性率ポリエチレンを含むポリ（エチレン）；ポリ（プロピレン）（ＰＰ）；ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）などのポリ（アルカンテレフタレート）；ポリ（エチレンナフタレート）（ＰＥＮ）などのポリ（アルカンナフタレート）；ポリアミド；アイオノマー；ビニルアセテート／ポリエチレンコポリマー；酢酸セルロース；ブチル酢酸セルロース；フッ素化ポリマー；ポリ（スチレン）−ポリ（エチレン）コポリマー；ポリオレフィン性ＰＥＴ及びＰＥＮを含むＰＥＴ及びＰＥＮコポリマー；及びポリ（カーボネート）／脂肪族ＰＥＴブレンドが挙げられるが、これらに限定されない。（メタ）アクリレートという用語は、対応するメタクリレート又はアクリレート化合物のいずれかであるとして定義される。シンジオタクチックＰＳを例外として、これらのポリマーは、光学的等方性の形態で使用されてよい。

これらのポリマーのいくつかは、配向されたときに複屈折性になる場合がある。特に、ＰＥＴ、ＰＥＮ、及びこれらのコポリマー、並びに液晶ポリマーは、配向されたときに比較的大きな値の複屈折性を表す。ポリマーを、押出成形及び延伸を含む異なる方法を用いて配向してもよい。延伸は、それが高度な配向を可能にし、さらにいくつかの容易に制御可能な外部パラメーター、例えば温度及び延伸比、により制御してもよいため、ポリマーを配向するために特に有用な方法である。配向及び未配向の多数の代表的なポリマーの屈折率を以下の表１に示す。

ＰＣＴＧ及びＰＥＴＧ（グリコール−変性ポリエチレンテレフタレート）は、例えば、テネシー州キングスポート（Kingsport）のイーストマンケミカル社（Eastman Chemical Co.）からイースター（Eastar）（商標）商標名として入手可能な種類のコポリエステルである。ＴＨＶは、ミネソタ州セントポール（St. Paul）の３Ｍ社（3M Company）から商標名ダイネオン（Dyneon）（商標）として入手可能なテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデンのポリマーである。ＰＳ／ＰＭＭＡコポリマーは、コポリマーの１例であり、その屈折率は、所望の屈折率値を実現するためコポリマーの構成モノマー比を変更することにより「調整」されてよい。「Ｓ．Ｒ．」と表示した列は、延伸比である。延伸比１は、材料が未延伸及び未配向であることを意味する。延伸比６は、試料がその元の長さの６倍に延伸されたことを意味する。適正な温度条件下で延伸される場合、ポリマー分子は配向され、材料は複屈折性となる。しかし、分子を配向することなしに材料を延伸することは可能である。「Ｔ」で表示された列は、試料が延伸された温度を示す。延伸試料は、シートとして延伸された。ｎ_ｘ、ｎ_ｙ及びｎ_ｚで表示した列は、材料の屈折率を指す。ｎ_ｙ及びｎ_ｚに対して表に値が表示されていない場合、ｎ_ｙ及びｎ_ｚの値はｎ_ｘと同じである。

繊維を延伸した状態での屈折率の挙動は、シートを延伸する場合のものと類似しているが必ずしも同じでない結果を与えることが予想される。高分子繊維は、所望の屈折率値をもたらす任意の所望の値に延伸することができる。例えば、いくつかの高分子繊維は、少なくとも３、おそらく少なくとも６の延伸比をもたらすように延伸することができる。いくつかの実施形態では、高分子繊維は、それ以上に、例えば２０まで又はそれ以上の延伸比に延伸できる。

複屈折性を実現するために延伸するのに適した温度は、ケルビンで表わされるポリマー融点の約８０％である。複屈折性は、押出成形及びフィルム形成工程時にこうむるポリマー融解の流れにより誘発される応力により引き起こされてもよい。複屈折性は、フィルム物品内の繊維などの隣接した表面との配列により発現されてもよい。複屈折性は、正又は負のいずれであってよい。正複屈折性は、それがポリマーの配向又は配列表面と平行である際に、直線偏光光に対する電界軸線の方向が最も高い屈折率を受けるときとして定義される。負複屈折性は、それがポリマーの配向又は配列表面と平行である際に直線偏光光に対する電界軸線の方向が最も低い屈折率を受けるときとして定義される。正複屈折性ポリマーの例としては、ＰＥＮ及びＰＥＴが挙げられる。負複屈折性ポリマーの例としては、シンジオタクチックポリスチレンが挙げられる。

マトリックス２０２及び／又高分子繊維２０４は、反射偏光子体２００に所望の特性をもたらすため種々の添加剤含んでいてよい。例えば、添加剤は、耐候剤、紫外線吸収剤、ヒンダードアミン光安定剤、酸化防止剤、分散剤、潤滑剤、静電気防止剤、顔料又は染料、核剤、難燃剤及び発泡剤のうちの１つ以上を含んでいてもよい。ポリマーの屈折率を変え、材料の強度を増加させるため他の添加剤が含まれてよい。そのような添加剤としては、例えば、高分子ビーズ又は粒子及び高分子ナノ粒子などの有機添加剤、又はガラス、セラミック又は金属酸化物ナノ粒子などの無機添加剤、若しくは粉砕ビーズ、粉末ビーズ、フレーク又は粒子状ガラス、セラミック又はガラスセラミックなどが挙げられる。これらの添加剤の表面には、ポリマーに結合するための結合剤が含まれてよい。例えば、シラン結合剤が、ガラス添加剤をポリマーに結合するためにガラス添加剤とともに使用されてよい。

いくつかの実施形態では、マトリックス２０２又は繊維２０４の構成成分は、不溶性、若しくは少なくとも溶媒に耐性であることが好ましい場合がある。溶媒耐性である適した材料の例としては、ポリプロピレン、ＰＥＴ及びＰＥＮが挙げられる。他の実施形態では、マトリックス２０２又は高分子繊維２０４の構成成分は、有機溶媒に可溶性であることが好ましい場合がある。例えば、ポリスチレンから形成されるマトリックス２０２又は繊維構成成分は、アセトンなどの有機溶媒に可溶性である。他の実施形態では、マトリックスが水溶性であることが好ましい場合がある。例えば、ポリビニルアセテートから形成されるマトリックス２０２又は繊維構成成分は、水に可溶性である。

光学要素のいくつかの実施形態での材料の屈折率は、繊維の長さに沿ってｘ−方向に変化してよい。例えば、要素は均一な延伸をされなくてよいが、いくつかの領域では他よりもより大きい程度に延伸されてよい。従って、配向性材料の配向度は、要素に沿って均一ではない、それゆえ、複屈折性は、要素に沿って空間的に変化することができる。

更に、マトリックス内への繊維の組込みで光学要素の機械的特性を改善してよい。特に、ポリエステルなどのいくつかのポリマー材料は、フィルムの形態よりも繊維の形態によってより強度を示す、それゆえ、繊維を含有する光学要素は、繊維を含有しない類似寸法のものよりも強度を示すことができる。繊維２０４は、直線であってよいが、直線である必要はない、例えば、繊維２０４はよじれ、らせん状又はけん縮されていてよい。

いくつかの実施形態では、偏光子層に存在する繊維の一部又は全てが高分子偏光繊維であってよい。他の実施形態では、偏光子は、等方性ポリマーなどの等方性材料又はガラス、セラミック若しくはガラス−セラミックなどの無機材料から形成される繊維を含有してもよい。それゆえに、フィルムへの無機繊維の使用が、米国特許出願公開第２００６／０２５７６７８でより詳細に述べられている。無機繊維は、偏光子層に追加の剛性、及び湿度及び／又は温度の異なる条件下でのねじれ及び形状変化に対する耐性をもたらす。

いくつかの実施形態では、無機繊維材料は、マトリックスの屈折率に適合した屈折率を有す、他の実施形態では、無機繊維は、マトリックスの屈折率と異なった屈折率を有する。任意の透明な種類のガラスが使用されてもよく、Ｅガラス、Ｓガラス、ＢＫ７、ＳＫ１０及びその類などの高品質ガラスが挙げられる。一部のセラミックはまた、適切に適合した屈折率を有するマトリックスポリマー中にそれらが埋め込まれた場合に透明に見えるように、十分に小さい結晶サイズを有する。ミネソタ州セントポール（St. Paul）の３Ｍ社（3M Company）から入手可能なネクステル（Nextel）（商標）セラミック繊維は、この種の材料の例であり、糸、織り糸及び織マットとして既に入手可能である。興味深いガラス−セラミックは、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、及びＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２−ＳｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、及びＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２を含む組成を有するが、これらに限定されない。

偏光子層は、多くの異なる方法でマトリックス内に配置される偏光繊維を含んでよい。例えば、繊維は、マトリックスの断面の範囲に対して無作為に位置決めされてよい。また、他のより規則的な断面配置が使用されてもよい。例えば、図２に概略的に示した例示の実施形態では、繊維２０４は、隣接した繊維２０４間に規則的に隔置した状態でマトリックス２０２内に一次元配列に配置される。この実施形態のいくつかの変化態様では、隣接した繊維２０４間の空隙部は全ての繊維２０４に対して同じである必要はない。示した実施形態では、繊維２０４の単一層は、要素２００の２つの面２０６及び２０８間の中間に位置決めされる。これは、そうである必要はなく、繊維２０４の層は、面２０６、２０８のいずれかに近接して位置決めされてよい。

他の例示の実施形態では、図３Ａに断面図で概略的に示されるように、偏光子フィルム３００は、マトリックス３０２内に位置決めされた繊維３０４ａ、３０４ｂの２つの層を含む。この実施形態では、上部層内の繊維３０４ａは、下部層内の繊維３０４ｂと同じ中心間空隙部により互いから離れて隔置される。また、上部層内の繊維３０４ａは、下部層内の繊維３０４ｂの位置合わせ精度（ｙ−方向に配列される）で位置決めされる。これは、そうである必要はなく、中心間空隙部は、異なっていてよく及び／又はｙ−配列は異なっていてよい。例えば、図３Ｂに概略的に示した偏光子３１０の実施形態では、上部層内の繊維３０４ａ間の中心間空隙部は、下部層の繊維３０４ｂの場合と同じである。しかし、繊維３０４ａは、ｙ−方向で繊維３０４ｂからオフセットされる。この実施形態の１つの可能な利点は、繊維３０４ａの上部層が下部層内の繊維間の空間を「埋める」ことができることであり、それゆえ、繊維３０４ａ又は３０４ｂと交差する光線３１６を垂直に伝搬し、従って偏光される機会は増加する。

繊維の追加の層が使用されてよい。例えば、図３Ｃに概略的に示された偏光子フィルム３２０の実施形態では、マトリックス３２２は、繊維３２４ａ、３２４ｂ及び３２４ｃの３層を包含する。この特定の実施形態では、繊維３２４ｂの中間層は、ｙ−方向で繊維３２４ａ、３２４ｃの上部並びに下部層からオフセットされる。また、この実施形態は、ｙ−方向の繊維間の空隙部がｚ−方向の繊維間の空隙部と異なってよいことを示している。

偏光繊維は、マトリックス内で単一繊維として又は多くの他の配置で構成されてよい。いくつかの例示の配置では、繊維は、織り糸、ポリマーマトリックス内で１つの方向に配置されたトウ（繊維又は織り糸の）、織物、不織布、チョップトファイバー、チョップトファイバーマット（無作為又は規則的なフォーマットを有する）、又はこれらフォーマットの組合わせの形態で偏光子内に含まれてよい。チョップトファイバーマット又は不織布は、繊維の無作為の配置を有するのではなく、不織布又はチョップトファイバーマット内に繊維の何らかの配列を提供するように、延伸され、圧力をかけられ、又は配向されてよい。マトリックス内に偏光繊維の配置を有する偏光子の形成が、米国特許出願公開第２００６／１９３５７７により詳しく記載されている。

繊維は、１つ以上の繊維織物の形態でマトリックス内に含まれてよい。織物４００が、図４に概略的に示されている。偏光繊維は、縦糸４０２の一部及び／又は横糸４０４の一部を形成してよい。無機繊維は、織物に含まれてもよく、縦糸４０２及び／又は横糸４０４の一部を形成してもよい。更に、縦糸４０２又は横糸４０４の繊維の一部は、等方性高分子繊維であってよい。図４に示した織物４００の実施形態は、５通糸繻子織であるが、別の種類の織物、例えば他の種類の繻子織物、平織物及びその類が使用されてよい。

いくつかの実施形態では、１つを超える織物がマトリックス内に含まれてよい。例えば、偏光子フィルムは、偏光繊維を包含する１つ以上の織物及び無機繊維だけを包含する１つ以上の織物を含んでよい。他の実施形態では、別の織物が、偏光繊維と無機繊維の両方を含んでよい。繊維の３層を有する偏光子３２０は、例えば、繊維の３織布層で形成されてよい。

偏光子は、例えば米国特許出願公開第２００６／０１９３５７７により詳細に記載されたように構造体が一方又は両方の表面に備えられていてもよい。そのような表面としては、例えば、輝度強化表面、レンズ表面、拡散表面及びその類が挙げられる。また、偏光繊維及び／又はその他の繊維の密度は、偏光子の容積全体にわたって均一である必要はなく、変更されてよい。図では、一部の繊維は、反射又は透過のいずれかの拡散をもたらすために使用され、例えば偏光子に対する照度の不均一性を減少させてよい。これは、繊維の密度が光源上でより大きく光源から離れて減少する状態で偏光子の後ろに位置決めされる光源を覆い隠すために行われてよい。

１つの例示の実施形態では、繊維に使用される複屈折性材料は、配向で屈折率の変化を受ける種類のものである。従って、繊維が配向されるとき、屈折率適合又は不適合は、配向の方向に沿ってもたらされてよく、非配向方向に沿ってもたらされてもよい。配向パラメーター及び他の処理条件の慎重な操作により、複屈折性材料の正又は負複屈折性は、所定の軸線に沿った一方又は両方の光の偏光の反射又は透過を引き起こすために使用することができる。透過と拡散反射との間の相対比は、繊維の複屈折性境界面濃度、繊維寸法、複屈折性境界面での屈折率の差の二乗、複屈折性境界面の寸法及び形状、並びに入射光の波長又は波長範囲などの多くの要因に依存するが、これらに限定されない。

特定の軸線に沿った屈折率適合又は不適合の規模は、その軸線に沿って偏光される光の散乱度合に影響を及ぼす。一般に、散乱能は、屈折率不適合の二乗として変化する。従って、特定の軸線に沿った屈折率の不適合が大きくなればなるほど、その軸線に沿って偏光される光の散乱は強くなる。逆に、特定の軸線に沿った不適合が小さいと、軸線に沿って偏光される光はより少ない程度に散乱され、物体の容積を介する透過は次第に正反射性となる。

非複屈折性材料の屈折率が、ある軸線に沿った複屈折性材料のそれと適合する場合、この軸線と平行な電界で偏光される入射光は、複屈折性材料の部分の寸法、形状、及び密度にかかわりなく散乱しない繊維を通過することになる。更に、その軸線に沿った屈折率が、偏光子体のポリマーマトリックスのそれとも実質的に適合する場合、光は、実質的に散乱しない物体を通過する。２つの屈折率間の実質的な適合は、屈折率間の差が多くて０．０５未満、好ましくは０．０３、０．０２又は０．０１未満であるときに行われる。

前後方向の散乱力は、約λ／３０より大きい寸法の所定の断面積を有する散乱の屈折率不適合の規模により少なくとも部分的に求められる、ここでλは偏光子への入射光の波長である。不適合境界面の厳密な寸法、形状及び配列が、どの程度の量の光がその境界面から種々の方向に散乱又は反射されるのかを決める役割を果たす。

偏光子に使用される前に繊維は延伸により処理されてもよく交差延伸面内方向へのいくらかの寸法緩和を可能にし、そのため複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率差は、第１軸線に沿って比較的大きく他の２つの直交する軸線に沿って小さくなる。このことが、異なる偏光の電磁放射線に対する大きい光学異方性をもたらす。

前方散乱と後方散乱の比率は、複屈折性と非複屈折性材料との間の屈折率差、複屈折性境界面濃度、複屈折性境界面の寸法及び形状、並びに繊維の全厚さに依存する。一般に、楕円形拡散板は、複屈折性と非複屈折性材料との間に比較的小さい屈折率差を有する。

本発明による繊維に使用されるために選択される材料、及びこれらの材料の配向度は、好ましくは最終的な繊維の複屈折性と非複屈折性材料が関連する屈折率が実質的に等しい少なくとも１つの軸線を有するように選定される。典型的であって必ずしも必要ではないその軸線に関する屈折率の適合は、配向方向に対して横方向の軸線であり、その結果、偏光平面では実質的に光の反射をもたらさない。

内部複屈折性境界面を有し本発明のいくつかの実施形態に使用されるのに適した偏光繊維の１つの例示の実施形態は、多層偏光繊維である。多層繊維は、異なるポリマー材料の多数の層を包含する繊維であり、その少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの例示の実施形態では、多層繊維は第１材料と第２材料の一連の交互層を包含し、前記材料の少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの実施形態では、第１材料は、第２材料のそれとほぼ同じである１つの軸線に沿った屈折率と第２材料のそれと異なる直交する軸線に沿った屈折率とを有する。追加の材料の層は、多層繊維にも使用される。

１つの種類の多層繊維は、同心多層繊維と呼ばれる。同心多層繊維では、層は繊維の中心コアを完全に取り囲んで形成されてよい。同心多層偏光繊維５００の１つの例示の実施形態による断面が、断面図で図５Ａに概略的に示されている。繊維５００は、第１材料５０２と第２材料５０４の交互層を包含する。第１材料は複屈折性であり、第２材料は複屈折性又は等方性のいずれかであってよく、そのため隣接した層間の境界面５０６は複屈折性である。

繊維５００は、クラッド層５０８により取り囲まれていてよい。クラッド層５０８は、第１材料、第２材料、繊維が埋め込まれるポリマーマトリックス材料、又は何か他の材料から作製されてよい。クラッドは、装置全体の性能に機能的に寄与してよく、又はクラッドは、機能しなくてよい。クラッドは、繊維とマトリックスとの境界面で光の減偏光を最小にすることによるなどで反射偏光子の光学系を機能的に改善してよい。任意に、クラッドは、繊維と連続相材料との間に所望の接着水準をもたらすことによるなどにより偏光子を機械的に強化してよい。いくつかの実施形態では、クラッド５０８は、例えば繊維５００と取り囲むポリマーマトリックスとの間にある屈折率適合をもたらすことにより反射防止機能を付与するために使用されてよい。

繊維５００は、繊維５００の所望の光学特性により異なる数の層及び異なる寸法で形成されてよい。例えば、繊維５００は、関連する厚さ範囲を有する約１０層から数百の層で形成されてよい。繊維幅の値は５μｍ〜約５，０００μｍの範囲に入ってよいが、繊維幅はこの範囲から外れてもよい。いくつかの実施形態では、層５０２、５０４は、特定の波長又は波長範囲に対して４分の１波長厚である厚さを有してよいが、これは発明に必要な条件ではない。４分の１波長層の配置は、凝集散乱及び／又は反射をもたらし、それゆえ、大きい反射／散乱効果は、散乱／反射が非凝集である場合よりもより少ない層で得ることができる。これが偏光子の効率を増加させ、所望の偏光水準を得るのに必要な材料の量を減少させる。層は、厚さｔが屈折率で除した波長の４分の１に等しいとき４分の１波長厚さを有するといわれ、ｔ＝λ／（４ｎ）であり、式中、ｎは屈折率であり、λは波長である。

同心多層繊維５００は、材料の多数の層を多層繊維に共押出し、複屈折性材料を配向し複屈折性境界面をもたらすように延伸するそれに続く工程により作られてよい。複屈折性材料として使用されてよい適したポリマー材料のいくつかの例としては、上述のようなＰＥＴ、ＰＥＮ及びそれらの様々なコポリマーが挙げられる。非複屈折性材料として使用されてよい適したポリマー材料のいくつかの例としては、上述のような光学的等方性材料が挙げられる。一般に、繊維に使用されるポリマー材料が互いにぬれた状態であり相溶する処理温度を有するとき、多層繊維はより容易に作られることが見出されている。

異なる種類の断面を有する多層繊維が使用されてもよい。例えば、同心繊維は形状が円形である必要はなく、楕円形、長方形等などの何か他の形状を有していてよい。例えば、図５Ｂに断面図で概略的に示される多層繊維５１０の他の例示の実施形態は、交互の第１材料５１２と第２材料５１４の同心層で形成されてよい、ここで、第１材料５１２は複屈折性であり、第２材料５１４は等方性又は複屈折性のいずれかであってよい。この例示の実施形態では、繊維５１０は、繊維５２０の長さに沿って延在する交互層５１２、５１４間に同心複屈折性境界面５１６を含む。この実施形態では、繊維５１０は、非円形対称であり、１つの方向に沿って伸長される。図の座標系を使用して繊維断面をｙ−方向に伸長する、従って、ｙ−方向の寸法ｄ_ｙはｚ−方向の寸法ｄ_ｚよりも大きい。

同心多層繊維のいくつかの実施形態では、多数の層は、中心繊維コアのまわりに提供されてよい。このことが図５Ｃに概略的に示されており、コア５２６のまわりに交互材料層５２２、５２４を有する繊維５２０を示している。コア５２６は、層５２２、５２４のいずれかと同じ材料から形成されてよく、又は異なる材料から形成されてよい。例えば、コア５２６は異なるポリマー材料又はガラスなどの無機材料から形成されてよい。

多層偏光繊維の他の代表的な実施形態は、らせん状に巻かれた繊維であり、米国特許出願第１１／２７８，３４８号（２００６年３月３１日申請）により詳細に記載されている。らせん状に巻かれた繊維の代表的な実施形態が図５Ｄに概略的に示されている。この実施形態では、繊維５３０は、それ自体のまわりに巻き付けられ、らせん状を形成する２層シート５３２のように形成される。２層シートは、複屈折性である第１ポリマー材料の層と等方性又は複屈折性であってよい第２材料の第２層を包含する。複屈折性ポリマー材料（複数）は、繊維が形成される前又は後に配向されてよい。隣接した層間の境界面５３４は、複屈折性材料と別の材料との間の境界面であり、それゆえ、複屈折性境界面と考えられる。らせん状に巻かれた繊維は、本明細書では同心多層繊維であると考えられる。らせん状に巻かれた繊維は、いくつかの異なる方法で製造することができる。例えば、らせん状に巻かれた繊維は、２つ以上の層を含有するシートを押出成形又はロール成形することにより形成されてよい。これらの方法は、米国特許出願第１１／２７８，３４８号により詳細に述べられている。

他の種類の多層繊維は積み重ね多層繊維であり、層は積み重ね体に形成される。積み重ね多層繊維５４０の１つの例示の実施形態の断面が図５Ｅに概略的に示されている。第１ポリマー材料のこの実施形態の層５４２は、第２ポリマー材料の層５４４間に配置される。繊維５４０は、任意のカバー層５４６を含んでよい。この実施形態では、層５４２、５４４は、平面である。

いくつかの実施形態では、多層繊維の層は、全て同じ厚さを有してよい。他の実施形態では、多層繊維の層は、全部が同じ厚さではない。例えば、偏光子が、全可視波長領域、約４００ｎｍ〜７００ｎｍにわたる偏光光で有効であることが望ましい場合がある。従って、偏光子は異なる繊維でもたらされてもよく、そこでは各繊維は均一厚さの層を有するが、いくつかの繊維は他よりも厚い繊維を有し、そのため異なる繊維は、他よりもむしろいくつかの波長を偏光するときに有効である。広帯域幅効果をもたらす他の方法は、その厚さが範囲にわたって変化する層を有する繊維を提供することである。例えば、多層繊維には多くの層が含まれていてよく、そこでは、層厚さは繊維内の位置により変化する。繊維５５０のような１つの例示の実施形態が断面図で図５Ｆに概略的に示されている。この実施形態では、層厚さｔは、繊維の底部からの距離ｓとともに減少する。従って、層５５４よりも繊維５５０の底部側から遠い層５５２は、層５５４よりも薄い。

異なる厚さを有する繊維５６０の他の例示の実施形態が断面図で図５Ｇに概略的に示されている。この実施形態では、繊維５６０の中心に近接する層５６２は厚さｔを有し、それは、中心からより遠くにある層５４４の厚さを超える。換言すれば、この特定の実施形態では、層厚さｔは層の半径ｒとともに減少する。

多層繊維５７０の他の実施形態の断面が、図５Ｈに概略的に示されている。この実施形態では繊維５７０のコア５７６に近接する層５７２は厚さｔを有し、それは、繊維５７０の中心からより遠くにある層５７４の厚さ未満である。換言すれば、この特定の実施形態では層厚さｔは層の半径ｒとともに増加する。

繊維の層厚さは、異なる方法で変えられてよい。例えば、層厚さは、繊維の内部から外部に一定の勾配で徐々に増加又は減少させてよい。他の実施形態では、繊維は、層の群でもたらされてよく、例えば、そこでは、第１群の層は第１厚さを有し、第２群の層は第１厚さと異なる第２厚さを有する等である。ここで、多数の異なる層厚さの特性を図６Ａ〜６Ｈを参照して説明する。これらの図は、代表的な層厚さ特性を繊維起点からの距離ｄの関数とし、光学厚さｏｔとして示す。繊維起点は、そこから層までの距離が測定される地点である。積み重ね多層フィルムの場合、起点は積み重ね体の一方の側が用いられ、そのため、距離ｄは、単に積み重ね体による距離である。同心繊維の場合、起点は繊維の中心である。同心繊維は断面が円形のとき、距離ｄは、半径と等しい。物理的な厚さと層の屈折率の積である光学厚さは、これらの異なる実施形態のいくつかを説明するのに有用である、というのは、多層繊維には１つの偏光状態に対する反射効率を最大にするため４分の１波長層が含まれてよいからである。従って、層の光学厚さは、繊維の反射特性を理解する有用なパラメーターである。本明細書に示される層厚さ特性は、繊維全体、又は繊維の一部の層特性を表わすことができる。

図６Ａ及び６Ｂでは、層の光学厚さは、繊維起点からの距離とともにそれぞれ直線的に増加又は減少する。図６Ｃ及び６Ｄでは、層の光学厚さは、繊維起点からの距離とともにそれぞれ非直線的に増加又は減少する。非直線性の形状は、繊維の所望の設計パラメーターにもよるが示されたものから異なっていてよい。

図６Ｅでは、層の光学厚さは、繊維起点と繊維縁部との間の中間領域あたりで最小となる。従って、この実施形態では、繊維起点からの第１距離に関して、例えば第１ポリマー材料の層は、ｉ）第１距離よりも小さい繊維起点からの第２距離を有する第１ポリマー材料の第２層の光学厚さよりも小さい光学厚さと、ｉｉ）第１距離よりも大きい繊維起点からの第３距離を有する第１ポリマー材料の第３層の光学厚さよりも小さい光学厚さとを有する。

図６Ｆでは、層の光学厚さは、繊維起点と繊維縁部との間の中間領域あたりで最大となる。従って、この実施形態では、繊維起点からの第１距離に関して、第１ポリマー材料の層は、ｉ）第１距離よりも小さい繊維起点からの第２距離を有する第１ポリマー材料の第２層の光学厚さよりも大きい光学厚さと、ｉｉ）第１距離よりも大きい繊維起点からの第３距離を有する第１ポリマー材料の第３層の光学厚さよりも大きい光学厚さとを有する。

いくつかの実施形態では、層はパケット内に形成されてよく、そこでは同じ光学厚さの多数の層が緊密に集まっている。異なるパケットは、異なる光学厚さであってよい。多数の層パケットを有する繊維の例が図６Ｇのプロファイルに示されており、そこでは、パケットは、パケット位置が繊維起点から外側に移動するときに光学厚さが増加する。他の例を図６Ｈに示す。繊維起点とは別に増加するパケットの場合、パケットは、より大きい及びより小さい光学厚さの層が交互に存在する。本明細書に記載した異なる層厚さ特性は代表的なものであって、網羅的であるとはみなされない。多くの他の異なる層厚さ特性が可能である。

ここで、多層偏光繊維の縁部での入射光を図７Ａを参照して述べ、それは、偏光子フィルム７００のマトリックス７０２内に埋め込まれた単一同心多層偏光繊維７０４を概略的に示す。本記述では偏光子７００に垂直に入射する光だけを考慮する。本明細書に記述された概念が他の角度で偏光子に入射する光に拡張されてよいことはいうまでもない。光線７０６は、繊維７０４層に垂直に入射するように繊維７０４の中心に向けられる。従って、１つの偏光状態の光７０８は、その偏光状態の光の残りが透過された状態で第１反射スペクトルで繊維７０４から反射される。しかし、繊維７０４層に対して垂直でない入射角で繊維７０４に入射する光線７１０は、反射光７０８の第１反射スペクトルと異なるスペクトルで繊維７０４から反射される光７１２をもたらす。多層構造体の反射スペクトルは、多層構造体への入射角度が増加するとき典型的に青色にシフトする。従って、反射された光７１２のスペクトルは、反射光７０８のスペクトルを基準としてシフトする青色である。このことが、偏光子により透過又は反射された光のスペクトルの不均一性をまねく場合がある。例えば、多層繊維が可視領域４００ｎｍ〜７００ｎｍにわたって反射する層を有する場合、垂直に入射する光に対して、大きい角度で入射する赤色光は、反射スペクトルの青色シフトにより青色光よりもより少ない程度に影響を及ぼすであろう。

青色シフトの影響を減少させるために種々の方法が使用されてよい。例えば、１つの方法では、多層繊維には、偏光子に入射する光の範囲よりも長い波長を有する光に対して４分の１波長層である層が含まれていてよい。偏光子が表示システムに使用されている場合、問題の光の波長範囲は、典型的に約４００ｎｍ〜７００ｎｍである。従って、多層繊維７０４には、近赤外範囲、例えば９００ｎｍを越えるまでの波長で７００ｎｍよりも長い波長に対して４分の１波長層である層が含まれていてよい。光が、例えば、２００ｎｍ未満だけスペクトルをシフトする角度で入射する場合、繊維は、入射の大きい角度でも偏光赤色光で依然として有効であってよい。

青色シフトの影響を減少させる他の方法は、繊維への入射角を減少させることである。図７Ｂの偏光子７２０に概略的に示すように、このことは、例えば、マトリックス７２２の屈折率ｎ１を異なる繊維層７２４の材料の屈折率よりも少ない値に減少させることにより達成されてよい。マトリックス７２２の比較的低い屈折率材料から繊維７２４の比較的高い屈折率材料に通過させると、入射光７２６は、繊維層の法線に向けて屈折させられ、それゆえ、光が繊維の多層構造体内を伝搬する角度は減少する。光線７２８は、繊維７２４を介して透過する光の方向を示し、光線７３０は、繊維７２４により反射される光を示す。マトリックス７２２に使用されてよい低屈折率ポリマーの例としては、ＰＭＭＡ（屈折率約１．４９）；ＴＨＶ、約１．３４の屈折率を有するミネソタ州セントポール（St. Paul）の３Ｍ社（3M Company）から入手可能なフッ素化ポリマー；典型的に約１．４７〜１．５の範囲の屈折率を有する低分子量二官能性ウレタンアクリレート類；及び約１．４１の屈折率を有することができるいくつかのシリコーンが挙げられる。

青色シフトの影響を減少させる他の方法は、低屈折率コーティングを有する繊維を提供することである。この方法は、図８に概略的に示されており、それは、マトリックス８０２内に埋め込まれた多層繊維８０４を有する偏光子８００を示している。各繊維８０４には、マトリックス８０２の屈折率よりも比較的低い低屈折率を有するコーティング８０６と繊維８０４に使用される材料とが含まれる。コーティング８０６は、前項で挙げた低屈折率材料の１つから形成されてよい。この実施形態では、光８０８は、繊維８０４の縁部領域に向かって伝播するような方向で偏光子８００に入射する。低屈折率コーティング８０６がない状態では、光８０８は、垂直でない入射角で縁部に近接した繊維８０４に交差することになる。しかし、光８０８は、低屈折率コーティング８０６とマトリックス８０２との間の境界面に入射する。ｉ）マトリックス８０２とコーティング８０６との間の屈折率差、及びｉｉ）入射角が十分に大きい場合、光８０８は、完全に内部に反射されてよい。図示した実施形態では、完全に内部に反射された光は、隣接した繊維８０４に向けられ、そこで、光は、完全に内部に２回目の反射をする。全内部反射の角度と他の繊維の位置にもよるが、完全に内部に反射された光は、他の繊維で反射され又は他の繊維を通って透過されてよい。

青色シフトの影響を減少させる他の方法は、層厚さの勾配に対して適切な方向を設定することである。この方法を図９〜１１に更に記載する。全波数値モデルを開発し、同心多層偏光繊維により光の散乱（反射）を探求した。モデルを図９に示す。繊維９００は、１０μｍのコアを有すると仮定し、５０個の別の材料の４分の１波長層が組合わされた１つ材料の５０個のの４分の１波長層で形成した。材料層の光学厚さは、５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の波長に対して４分の１波長層として直線的に変化した。光は、示された方向に入射し、反射率と透過率の散乱断面を波長範囲３００ｎｍ〜８００ｎｍにわたり全繊維幅に対して計算した。散乱断面は、偏光状態と通過及びブロック偏光状態の両方の光に対して計算した。図１０Ａ及び１０Ｂは、コアに近接した厚い層と繊維の外側に近接した薄い層が配置された層を有する繊維に対して計算した結果を示す。曲線１００２は、繊維に対して通過状態で偏光される光の透過率を示す。繊維を介する透過は、スペクトル全体にわたって比較的平坦である。曲線１００４は、繊維に対してブロック状態で偏光される光に対する繊維を介した透過率を示す。曲線は、繊維を介した透過が、約４００ｎｍ未満及び約６００ｎｍを超える波長に対して比較的高く、約４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長に対して極度に減少することを示す。この挙動は予想される。多層積み重ね体は、５００〜６００ｎｍの範囲の波長に対して４分の１波長積み重ね体であるため、繊維の効率はこの範囲外で相対的に劣るからである。

図１０Ｂの曲線１０１２は、繊維に対して通過状態で偏光される光の反射を示す。図１０Ａに示した高透過率ということからして予想されるように、反射は、スペクトル全体にわたって低い。曲線１０１４は、繊維に対してブロック状態で偏光される光に対する繊維による反射を示す。曲線は、実質的に曲線１００４の補体である。これらのグラフから判るように、層厚さは５００ｎｍ〜６００ｎｍで４分の１波長から均一に変化しているにもかかわらず、反射率は５００ｎｍの僅かに下の波長でピークに達し、反射率は５００ｎｍ〜６００ｎｍで単調に減少する。これが垂直でない角度で繊維に入射する光に対する反射率スペクトルの青色シフトの結果である。

繊維の挙動は、層厚さの勾配が逆方向になり、薄い層が繊維コアに近接し、厚い層が繊維の外側に近接するときに異なる。図１１Ａの曲線１１０２は、繊維に対して通過状態で偏光される光の透過を示すが、曲線１１０４は、繊維に対してブロック状態で偏光される光に対する繊維を介する透過を示す。図１１Ｂの曲線１１１２は、繊維に対して通過状態で偏光される光の反射を示す。曲線１１１４は、繊維に対してブロック状態で偏光される光に対する繊維による反射を示す。曲線１１１４は、実質的に曲線１１０４の補体である。繊維コアに向かって薄い層を有する繊維の反射率は、厚い層が繊維コアに向かうときよりも５００〜６００ｎｍの範囲にわたり有意により均一であり、これは、偏光子に改善された偏光特性をもたらす。この改善は、反射スペクトルに対する入射角のより適切な適合に起因すると考えられる。繊維縁部の層は、反射帯域に対する意図した設計波長のまわりにより適切に位置決めされる高角度反射スペクトルを有するが、これに対して繊維コアの層は、意図した設計波長のまわりに同様により適切に位置決めされる垂直反射スペクトルを有する。

繊維に対して垂直に偏光される前方散乱光と繊維に対して平行に偏光される前方散乱光の比率は、透過偏光関数（ＴＰＦ）と呼ばれる。繊維に対して平行に偏光される後方散乱光と繊維に対して垂直に偏光される後方散乱光の比率は、反射偏光関数（ＲＰＦ）と呼ばれる。図１２Ａは、繊維層の厚さが半径の増加とともに減少する場合の波長の関数としてのＴＰＦ（曲線１２０２）とＲＰＦ（曲線１２０４）の値を示す。図１２Ｂは、繊維層の厚さが半径の増加とともに増加する場合の波長の関数としてのＴＰＦ（曲線１２１２）とＲＰＦ（曲線１２１４）の値を示す。ＲＰＦ曲線１２０２は、５００ｎｍ〜６００ｎｍで図１０Ｂの反射スペクトルと同じ傾斜挙動を示すが、これに対してＲＰＦ曲線１２１２は、同じ範囲にわたり図１１Ｂの反射スペクトルと同じ実質的に均一な挙動を示す。従って、傾斜層厚さを有する多層繊維の偏光特性は、層厚さが半径とともに増加するときにより均一となる。

偏光子の特性に及ぼす青色シフトの影響を減少させる他の方法は、入射光に対してほとんど断面積が存在しない繊維を使用することであり、そこでは、繊維は高入射角であり、繊維が低入射角の場合よりも多くの断面積が存在する。これを実現する１つの方法は、例えば図５Ｂ及び５Ｃに示すようにその断面が他方に対して一方の方向に伸長される繊維を使用することである。そのような偏光子１３００の例を概略的に図１３に示す。繊維１３０４は、マトリックス１３０２内に埋め込まれる。繊維１３０４は、偏光子１３００の表面と平行な方向に伸長される。この構成では、例えば、円形断面を有する繊維よりも低入射角である入射光に対してより多くの繊維表面積が存在する。

実施例−単一繊維
多層同心偏光繊維は、下記のプロセスを使用して製造した。ＸポリマーとＹポリマーの多数の交互同心環から成るフィラメントをそれぞれが１２５μｍ（０．００５”）厚さである９５２個のシムから構成されるダイを使用して製造した。２個のシムを使用して環を製造すため、９５２シムダイは、４７６個の環から成るフィラメントを製造するように設計した。これらの環の半分はＸポリマーから作製し、半分はＹポリマーから作製した。このダイは２つの入口引き込み口を有し、１つは溶融Ｘポリマー用であり１つは溶融Ｙポリマー用であった。

Ｘポリマーは、３Ｍ社（3M Company）から入手可能な９０％ＰＥＮ／１０％ＰＥＴから作製されたコポリマー、ＬＭＰＥＮであった。Ｙポリマーは、以下の実質的に等方性の材料の１つであった：
ｉ）テネシー州キングスポート（Kingsport）のイーストマンケミカル社（Eastman Chemical Company）からのイースター（Eastar）６７６３ ＰＥＴＧ、
ｉｉ）イーストマンケミカル社（Eastman Chemical Company）からのＳＡ１１５ ＰＣ／ＰＣＴ−Ｇブレンド、
ｉｉｉ）マサチューセッツ州ピッツフィールド（Pittsfield）のＧ．Ｅ．プラスチックスからのキシレックス（Xylex）７２００ ＰＣ／ＰＣＣＴ−Ｇブレンド、及び
ｉｖ）カナダ、アルバータ州カルガリー（Calgary）のノバケミカルズ社（Nova Chemicals Corporation）からのＮＡＳ ３０ ＰＳ／ＰＭＭＡブレンドである。

形成される層数は、ダイのシム数を変更し、更に流量及び温度などのプロセス条件を変更することにより制御できる。積み重ね体のシムの設計は、繊維環の厚さ特性を調節することにより変更できる。紡糸口金パック内のシムは、レーザー切断を使用して形成した。繊維ダイは、層厚さ勾配と層厚さの比率をもたらすように特別に設計し、それが、具体的な形成及び延伸プロセス後に広帯域可視ブラッグ干渉反射をもたらすことになる。

２つのポリマーの固化ペレットを２台の２軸押出機の１台に別々に供給した。これらの押出成形機は、２６０℃〜３００℃の温度、４０〜７０ｒｐｍの範囲のスクリュー速度で操作した。典型的な押出圧力は、約２．１×１０^６Ｐａ〜約２．１×１０^７Ｐａの範囲であった。各押出成形機は、正確な量の溶融ポリマーをフィラメント紡績ダイに供給する計量ギアポンプを装備していた。各計量ギアポンプは、０．１６ｃｃ／回転であり、これらのギアポンプは、１０〜８０ｒｐｍの範囲のおおむね同じ速度で操作した。溶融ポリマーを加熱ステンレス鋼ネックチューブを使用して計量ポンプからダイに移動した。

溶融ポリマー流は、ダイに入り、シムを通って流れた。第１シム組はフィラメントのコアを形成し、第２シム組はコアのまわりに第１環を形成し、第３シム組は第１環の外側に第２環を形成していき、４７６環まで形成した。続いて、この溶融多環フィラメントは、ダイを出て、水のタンクで急冷された。フィラメントを引張り処理ロールを使用し水中に引き入れた。フィラメントは、引張り処理ロールを出て、レベルワインダを使用しコアに巻き付けられた。計量ポンプ速度と巻き付け速度の組合わせでフィラメントの直径を制御する。このプロセスの典型的な速度は、約０．５ｍｓ^−１〜４ｍｓ^−１の範囲であった。

押出成形後、多層繊維を延伸及び配向し、複屈折性及び反射偏光特性を発現させ、層厚さを適切な寸法（可視光線の場合おおむね４分の１波長光学厚さ）に減少させた。

この工程では、フィラメントは巻き戻され、引張り処理ロールステーション、続いて加熱片持ち圧盤、続いて別の引張り処理ロールステーション、最後にワインダにかけられた。圧盤温度は、一般に１２０℃〜１８２℃の範囲であった。第２引張り処理ロールステーションは、一般に第１引張り処理ロールステーションの約６〜８倍で運転され、フィラメントはそれが圧盤で加熱されるときに延伸された。第１引張り処理ロールステーションの典型的な速度は、約０．２ｍｓ^−１であり、これに対して第２引張り処理ロールステーションは、１．２ｍｓ^−１〜１．６ｍｓ^−１の範囲であった。ワインダは、第２引張り処理ロールステーションと同じ速度で運転された。

今しがた説明した技術を使用して製造された繊維の部分断面図を図１４に示す。繊維は、設計層厚さ特性と勾配を有する交互材料の約４００個の層を有し、広帯域偏光凝集反射をもたらす。この繊維は、ポリマーＹとしてキシレックス（Xylex）を使用した。非常に良好な短範囲規則と均一性は、凝集反射を実現するのに重要であり、それは、繊維材料で光の相互作用長さを減少させ、光吸収の機会を最小にし、それにより、効率を最大にする。

単一延伸繊維の偏光選択性を測定する技術が開発された。レーザーからの前方と後方の散乱光（光学軸から７°円錐未満）を繊維に対して平行に偏光される光及び繊維に対して垂直に偏光される光に対して測定した。多層偏光繊維に対するＴＰＦとＲＰＦの値が測定され、５４３．５ｎｍでそれぞれ２．３と５．６であった。等方性繊維のＴＰＦとＲＰＦは、１と２である。これは、単一繊維からの明瞭な偏光選択反射率と散乱を示す。

実施例−覆いのない繊維配列
上記方法を使用して作製された覆いのない繊維の配列を広い波長帯域にわたって解析し、延伸繊維の光学特性を特徴づけた。空中に吊るされた繊維配列を透過又は反射光の実質的に全てを捕捉する積算球体を使用しパーキンエルマー（PerkinElmer）ＵＶ−Ｖｉｓ分光計で広帯域偏光透過率と反射率について分析した。一連の繊維の結果を図１５及び１６に示す。これらの図は、延伸繊維の偏光選択反射率を示すばかりではなく、それらは、繊維層厚さを変えることによりブロック状態の偏光の反射帯域をシフトする能力も示す。繊維層厚さの増加と反射波長の増加との間の対応する関係（通過軸線偏光の比較的一様な反射と組合わされた）は、多層繊維構造体からの凝集干渉系反射の明瞭なしるしである。

更に、これらの結果は、繊維は、内部に埋め込まれていない状態でも使用でき、反射偏光子をもたらすことを示している。従って、繊維の配列又は布地は、埋め込み樹脂マトリックスを使用することなく反射偏光物品にすることができる。これらの繊維布地又は配列は、いくつかのケースで、ブルースター角による通過状態の場合の高透過率が繊維表面で生じる状態でそれらが通過状態の偏光の光に対してある拡散をもたらす点でいくつかの利益がある。繊維が埋め込まれているいないにかかわりなく、それらは、篭織り、紗織り、あや織り等などの様々な織物で横断方向に織られた等方性繊維と組合わせることができる。

全ての繊維に対して非常に類似したプロセス条件を使用するが、繊維層厚さを変えるため押出形成工程時のワインダ速度を変更したＬＭＰＥＮ及びＰＥＴＧ材料から延伸された繊維配列の場合の図１５は反射を示し、これに対して図１６は透過を示す。各繊維は、均一光学厚さの多数の層を有していた。厚い繊維は、厚い層とより長い波長に対する反射及び透過帯域の相当するシフトを有し、凝集干渉系反射並びに偏光選択性を明瞭に示す。通過状態スペクトルは、全て実質的に一様であり、グラフからは省略した。

本発明は、上に記載した特定の実施例に限られるとみなすべきではなく、添付の請求項で明確に提示されているとおり、本発明のあらゆる態様を網羅していると理解すべきである。種々の変更例、同等のプロセスだけでなく、本発明を適用してもよい多数の構造も、本明細書を検討すれば、本発明に関連する当業者には容易にはっきりと理解されるであろう。本特許請求の範囲は、そのような修正及び装置を網羅しようと意図するものである。

Claims (29)

1. 少なくとも第１及び第２ポリマー材料の層を含む第１多層繊維を含む光学体であり、前記第１ポリマー材料の層が前記第２ポリマー材料の層間に配置され、前記第１及び第２ポリマー材料の少なくとも１つが複屈折性であって、
   前記第１ポリマー材料の少なくとも第１層が、前記第１ポリマー材料の第２層と異なる第１厚さを有する、光学体。
2. 前記層が、積み重ね体の１つの中にあり、同心の配置である、請求項１に記載の光学体。
3. 前記第１及び第２ポリマー材料の前記層が、前記繊維の起点から次第に間隔をあけた層毎に層厚さが増加する状態で、光学層厚さのそれぞれの勾配で配置される、請求項１に記載の光学体。
4. 前記第１及び第２ポリマー材料の前記層が、前記繊維の起点から次第に間隔をあけた層毎に層厚さが減少する状態で、光学層厚さのそれぞれの勾配で配置される、請求項１に記載の光学体。
5. 前記勾配が、直線状である、請求項４に記載の光学体。
6. 前記勾配が、非直線状である、請求項４に記載の光学体。
7. 繊維起点からの第１距離が関連付けられる前記第１ポリマー材料の少なくとも第１層が、ｉ）第１距離よりも小さい繊維起点からの第２距離を有する前記第１ポリマー材料の第２層の光学厚さよりも大きい光学厚さを有し、ｉｉ）第１距離よりも大きい繊維起点から第３距離を有する前記第１ポリマー材料の第３層の光学厚さよりも大きい光学厚さを有する、請求項１に記載の光学体。
8. 繊維起点からの第１距離が関連付けられる前記第１ポリマー材料の少なくとも第１層が、ｉ）第１距離よりも小さい繊維起点からの第２距離を有する前記第１ポリマー材料の第２層の光学厚さよりも小さい光学厚さを有し、ｉｉ）第１距離よりも大きい繊維起点から第３距離を有する前記第１ポリマー材料の第３層の光学厚さよりも小さい光学厚さを有する、請求項１に記載の光学体。
9. 前記第１及び第２ポリマー材料の層が、実質的に等しい光学厚さのパケット内に配置され、各パケットは、前記繊維起点からのそれぞれの距離範囲が関連付けられる、請求項１に記載の光学体。
10. 層のそれぞれのパケットが関連付けられる前記光学厚さが、前記繊維起点からの距離でおおよそ直線的に変化する、請求項９に記載の光学体。
11. 層のそれぞれのパケットが関連付けられる前記光学厚さが、前記繊維起点からの距離の増加で、交互に増加及び減少する、請求項９に記載の光学体。
12. 前記第１及び第２ポリマー層の少なくともいくつかが、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光に対して４分の１波長厚さに相当する厚さを有する、請求項１に記載の光学体。
13. 前記ポリマー層の少なくともいくつかが、７００ｎｍよりも長い波長を有する光に対して４分の１波長厚さに相当する厚さを有する、請求項１２に記載の光学体。
14. 前記第１多層繊維を取り囲むコーティング層を更に含む、請求項１に記載の光学体。
15. 前記コーティング層が、前記第１及び第２ポリマー材料の１つの層を含む、請求項１４に記載の光学体。
16. 前記コーティング層が、前記第１及び第２ポリマー材料の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３ポリマー材料の層を含む、請求項１４に記載の光学体。
17. ポリマーマトリックスを更に含み、前記第１多層繊維が前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれ、前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれた少なくとも第２及び第３多層繊維を更に含む、請求項１に記載の光学体。
18. 少なくとも第１及び第２ポリマー材料の層を含む第１多層繊維を含む光学体であり、前記第１ポリマー材料の層が前記第２ポリマー材料の層間に配置され、前記第１及び第２ポリマー材料の少なくとも１つが複屈折性であって、
    第１及び第２ポリマー材料の前記層の少なくともいくつかが、７００ｎｍを超える波長を有する光に対して４分の１波長厚さとして選択される厚さを有する、光学体。
19. 第１及び第２ポリマー材料の前記層の第２の組が、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光の４分の１波長厚さとして選択される厚さを有し、前記層の第２組が、前記層の第１組よりも前記第１多層繊維の中心により近接して位置決めされる、請求項１８に記載の光学体。
20. 前記層が、積み重ね体の１つの中にあり、同心の配置である、請求項１８に記載の光学体。
21. 前記第１多層繊維を取り囲むコーティング層を更に含む、請求項１８に記載の光学体。
22. 前記コーティング層が、前記第１及び第２ポリマー材料の１つの層を含む、請求項２１に記載の光学体。
23. 前記コーティング層が、前記第１及び第２ポリマー材料の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３ポリマー材料の層を含む、請求項２１に記載の光学体。
24. ポリマーマトリックスを更に含み、前記第１多層繊維が前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれ、前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれた少なくとも第２及び第３多層繊維を更に含む、請求項１８に記載の光学体。
25. 前記第１及び第２ポリマー材料の前記層が、前記繊維の起点から次第に間隔をあけた層毎に層厚さが増加する状態で、光学層厚さのそれぞれの勾配で配置される、請求項１８に記載の光学体。
26. 前記第１及び第２ポリマー材料の前記層が、前記繊維の起点から次第に間隔をあけた層毎に層厚さが減少する状態で、光学層厚さのそれぞれの勾配で配置される、請求項１８に記載の光学体。
27. 前記第１及び第２ポリマー材料の層が、実質的に等しい光学厚さのパケット内に配置され、各パケットは、前記繊維起点からのそれぞれの距離範囲が関連付けられる、請求項１８に記載の光学体。
28. 層のそれぞれのパケットが関連付けられる前記光学厚さが、前記繊維起点からの距離でおおよそ直線的に変化する、請求項２７に記載の光学体。
29. 層のそれぞれのパケットが関連付けられる前記光学厚さが、前記繊維起点からの距離の増加で、交互に増加及び減少する、請求項２７に記載の光学体。

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