JP3448626B2

JP3448626B2 - 反射偏光子ディスプレイ

Info

Publication number: JP3448626B2
Application number: JP51748595A
Authority: JP
Inventors: オウダーカーク、アンドリュー・ジェイ; ウェバー、マイケル・エフ; ジョンザ、ジェームス・エム; ストーバー、カール・エイ; コブ、サンフォード・ジュニア; ウォートマン、デビッド・エル; ベンソン、オレスター・ジュニア
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: KR20030097905A; WO1995017699A1; JP2006343757A; JP4130836B2; KR100430351B1; JP3704523B2; DE69430997D1; AU1434795A; KR960706652A; DE69430997T2; JP2006011389A; CN1084483C; JP2004004699A; JP2004004700A; EP0736196A1; JP3927215B2; IL112070A0; CN1138379A; KR100432457B1; EP0736196B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、光学ディスプレイの改良に関する。

背景光学ディスプレイは、ラップトップ型コンピュータ、
携帯型計算器、デジタル式腕時計などに広く用いられて
いる。よくある液晶（LC）ディスプレイは、このような
光学ディスプレイの代表的な例である。通常のLCディス
プレイは、一対の吸収偏光子の間に、液晶とマトリクス
電極とを備えている。LCディスプレイにおいては、液晶
は、電界の印加により部分的に光学状態が変わるように
なっている。この方法により、偏光における情報の「ピ
クセル」を表示するのに必要なコントラストが生じる。

この理由で、従来のLCディスプレイは、正面偏光子と
背面偏光子を有している。一般に、これらの偏光子は、
ある一つの偏光方向の光を、直角偏光方向よりも強く吸
収する二色性染料を使用している。通常、正面偏光子の
透過軸は背面偏光子の透過軸と「交差して」いる。交差
角度は、零度から90度まで変えることができる。液晶、
正面偏光子及び背面偏光子が一緒になって、LCDアセン
ブリが構成される。

LCディスプレイは、照明源によって分類することがで
きる。「反射」ディスプレイは、「正面」からディスプ
レイに入射する周囲の光によって照らされる。一般に、
LCDアセンブリの「後ろ」に、ブラシ研磨したアルミニ
ウムの反射器が配置される。この反射面は、LCDアセン
ブリに光を戻し、かつ、反射面に入射した光の偏光方向
を保つ。

周囲の光の強さが観察に不十分である場合、ブラシ研
磨したアルミニウムの反射面の代わりに「バックライ
ト」アセンブリを用いることは一般的である。代表的な
バックライトアセンブリは、光学キャビティと、ランプ
または光を発する他の構成を含んでいる。周囲光とバッ
クライトの両方で観察するディスプレイは、「半透過反
射型」と呼ばれている。半透過反射型ディスプレイの一
つの問題は、一般的なバックライトが、従来のブラシ研
磨したアルミニウムの面のようには能率的な反射器でな
いことである。また、バックライトは、光の偏光方向を
ランダム化し、さらに、LCディスプレイを照明するのに
用いられる光量を少なくする。したがって、バックライ
トをLCディスプレイに追加すると、ディスプレイを周囲
の光で見るときの明るさが低下する。

このため、周囲光とバックライトの照明の両方の条件
で適当な明るさとコントラストが得られるディスプレイ
が望まれている。

要約本発明の光学ディスプレイは、３つの基本エレメント
を有している。第１のエレメントは反射偏光子である。
この反射偏光子は、それぞれ第２と第３のエレメントを
構成する液晶ディスプレイ（LCD）アセンブリと光学キ
ャビティの間に配置されている。

図面の簡単な説明図面は、本発明の代表的で説明的な例を示している。
各図を通じ、同じ参照番号は同じ構成物を示している。

図１は本発明に係る光学ディスプレイの概略断面図で
ある。

図２は本発明に係る説明的な光学ディスプレイの概略
断面図である。

図３は本発明に係る説明的な光学ディスプレイの概略
断面図である。

図４は本発明の反射偏光子の拡大断面図である。

図５は反射偏光子の性能のグラフである。

図６は明るさを増した本発明の光学ディスプレイの概
略図である。

図７は明るさ増進器の作用を示す略図である。

図８は明るさ増進器の作用を示すグラフである。

図９は説明的な光学ディスプレイの概略断面図であ
る。

図10は説明的な光学ディスプレイの概略断面図であ
る。

図11は説明的な光学ディスプレイの概略断面図であ
る。

図12はテスト結果のグラフである。

図13は説明的な光学ディスプレイの概略断面図であ
る。

図14は明るさ増進型反射偏光子の概略断面図である。

図15は一つの境界面を形成した、２層に重ねたフィル
ムを示している。

図16及び17は屈折率が1.60の媒質内での一軸性複屈折
システムにおける角度に対する反射率の曲線を示してい
る。

図18は屈折率1.0の媒質内での一軸性複屈折システム
における角度に対する反射率の曲線を示している。

図19、20及び21は一軸性複屈折システムにおける面内
屈折率とｚ屈折率の間の種々の関係を示している。

図22は２つの異なった一軸性複屈折システムにおける
波長に対する軸ずれ屈折率を示している。

図23は二軸性の複屈折フィルムにおいてｙ屈折率を変
えることの効果を示している。

図24は二軸性の複屈折フィルムにおいてｚ屈折率を変
えることの効果を示している。

図25は図18及び19からの情報を要約した線図を示して
いる。

図26〜31はあるミラーの例における多層ミラーの光学
性能を示している。

図32〜35はある偏光子の例における多層偏光子の光学
性能を示している。

詳細な説明図１は３つの主な構成要素を含んだ説明的な光学ディ
スプレイ10の概略図である。これらには、LCDアセンブ
リ16として示されている偏光ディスプレイモジュール、
反射偏光子12、及び光学キャビティ24が含まれる。

この図に示されたLCDアセンブリ16は、反射偏光子12
と光学キャビティ24から供給される偏光した光によって
照らされる。

光線60として表された、ディスプレイ10に入射する周
囲の光は、LCDモジュール16と反射偏光子12を横切り、
光学キャビティ24の拡散反射面37に当たる。光線62は、
この光が拡散反射面37で反射して反射偏光子12へ向かう
ものとして示している。

光学キャビティ24の中から発生した光を光線64で示し
ている。この光も、反射偏光子12の方へ向かい、拡散反
射面37を透過する。光線62と64の両方は、偏光状態（a,
b）の両方を呈する光を含んでいる。

図２は、正面偏光子18、液晶20及び背面偏光子23を有
する三層LCDアセンブリ15とともに光学ディスプレイ11
の概略を示している。この実施形態において、光学キャ
ビティ24は、反射式のランプハウジング32の中にランプ
30を有するエッジ照射式のバックライトである。ランプ
30からの光は、ライトガイド34に導かれ、スポット36な
どの拡散反射構造体に当たるまでその中を伝播する。こ
のスポットの不連続な配列は、ランプの光を抜き出して
LCDモジュール15の方へ向かわせるようになっている。
光学キャビティ24に入る周囲の光は、スポットに当たる
か、スポットの間の隙間部分を通ってライトガイドから
出て行く。このような光線を遮って反射するために、ラ
イトガイド34の下に、拡散反射層39が配置されている。
光学キャビティ24から出てくる全ての光線を光束38によ
って示している。この光束は、「（ａ）」で表される第
１の偏光方向を持った光を通し、直角な偏光方向（ｂ）
を持った光を効果的に反射する反射偏光子12に入射す
る。したがって、光束42によって示された、光のある部
分は反射偏光子12を透過し、残りの光の相当量は、光束
40で示しているように反射する。反射偏光子に好ましい
材料は高能率で、反射偏光子内での吸収による全損失は
非常に少ない（１パーセント程度）。この損失した光を
光束44で示している。反射偏光子12によって反射した偏
光状態（ｂ）を有する光は、再度光学キャビティ24に入
り、スポット36または拡散反射層39などの拡散反射構造
体に当たる。拡散反射面は、光学キャビティ24によって
反射した光の偏光状態をランダム化するように作用す
る。この再循環及びランダム化を経路48で示している。
光学キャビティ24は完全な反射器ではなく、拡散及び吸
収によるキャビティ内での光の損失を光束46によって示
している。これらの損失もまた少ない（20パーセント程
度）。光学キャビティ24と反射偏光子12の組み合わせに
よりもたらされる複数回の再循環によって、光を観察者
への最終的な伝達のために状態（ｂ）から状態（ａ）へ
変換する効果的な機構が構成されている。

この方法の効率は、ここで開示した反射偏光子が示す
低い吸収率と、多数の拡散反射面が示す高い反射率とラ
ンダム化特性によって決まる。図２において、スポット
36によって示された不連続の層と連続した拡散反射層39
の両方は、チタニウム酸化物の着色材料から形成するこ
とができる。（図１に示した）拡散反射面37を、表面を
粗くしたポリカーボネートの透明な面で形成できること
が理解されるべきである。この材料は、入射光を図２に
示した形態にランダム化するためにライトガイド34の上
方に配置することができる。特定の、そして最適の形態
は、光学ディスプレイの完成品の特定の用途によって決
まる。

一般に、システムのゲインは、反射偏光子本体12と光
学キャビティ24の両方の効率にかかっている。性能は、
入射光の偏光状態のランダム化の要件に合った、反射率
の高い光学キャビティ24と、損失の極めて少ない反射偏
光子12によって最大限に高められる。

図３は、正面偏光子18と液晶20を含む二層のLCDアセ
ンブリ17を備えた光学ディスプレイ14の概要を示してい
る。この実施形態において、光学キャビティ24はエレク
トロルミネセンスパネル21を備えている。通常のエレク
トロルミネセンスパネル21は燐光物質19で被覆され、電
子が当たったときに光を発し、入射光が衝突したときに
は拡散反射する。通常、エレクトロルミネセンスディス
プレイは、燐光物質のコーティングに応じて効率が変化
するために「グレイニー（grainy）」である。しかし、
反射偏光子12によって戻った光は、光の射出を「均一に
する」傾向があり、光学ディスプレイ14によって示され
る照射の全体的な均一性が高められる。例示した光学デ
ィスプレイ14において、LCDアセンブリ17は背面偏光子
を欠いている。この光学ディスプレイ14において、反射
偏光子12は、図２の光学ディスプレイ11の中に示された
背面偏光子23と通常は関連して機能をなす。

図４は反射偏光子12の一つのセグメントの概略の斜視
図である。この図は、反射偏光子12の説明において用い
るX,Y及びＺ方向を定めた座標系を含んでいる。

例示した反射偏光子12は、２つの異なったポリマー材
からなる交互の層（ABABA…）で形成されている。図と
説明を通じて、これらを材料「（Ａ）」と材料
「（Ｂ）」と言う。この二つの材料は、一緒に押し出し
成形されて、結果として出来た複数の層（ABABA…）の
材料は、一方の軸（Ｘ）に沿って延伸されていて（5:
1）、他方の軸（Ｙ）に沿っては、ほとんど伸びていな
い（1:1）。Ｘ軸を「延伸」方向と言い、Ｙ軸を「横」
方向と言う。

（Ｂ）材料は、延伸工程によって実質的に変わらない
公称屈折率（例えばｎ＝1.64）を有している。

（Ａ）材料は、延伸工程によって屈折率が変わる特性
を有している。例えば、（Ａ）材料の一軸延伸シート
は、延伸方向についての一つの屈折率（例えばｎ＝1.8
8）と、横方向についての別の屈折率（例えばｎ＝1.6
4）を有する。明確にするために、面内軸（フィルムの
面に平行な軸）に関連する屈折率は、偏光面がその軸に
平行な、面偏光した入射光の有効屈折率である。

したがって、延伸後、多層になった材料のスタック
（ABABA…）は、延伸方向については層間に大きな屈折
率の差（Δｎ＝1.88−1.64＝0.24）を呈する。一方、横
方向においては、層間で屈折率は本質的に同一となる
（Δｎ＝1.64−1.64＝0.0）。これらの光学特性によ
り、多層の積層体が、軸22に対して正確に方向づけられ
た入射光の偏光成分を透過する反射偏光子として機能す
ることになる。この軸は、透過軸22として定められ、図
４に示されている。反射偏光子12から射出する光を、第
１の偏光方向（ａ）を有していると言う。

反射偏光子12を透過しない光は、第１方向（ａ）とは
異なる偏光方向（ｂ）を有している。この偏光方向
（ｂ）を有する光は、屈折率の差によって反射すること
になる。このことにより、図４に軸25として示した、い
わゆる「吸光」軸が定められる。このようにして、反射
偏光子12は、選択された偏光（ａ）状態の光を通す。

実施例好ましい「Ａ」層は、ポリエチレンナフタレート（PE
N）などの結晶質のナフタリンジカルボン酸ポリエステ
ルであり、好ましい「Ｂ」層は、ナフタリンジカルボン
酸とテレフタル酸またはイソフタル酸の共ポリエステル
（coPEN）である。PENと70ナフタレート/30テレフタレ
ートの共ポリエステル（coPEN）は、ジオールとしてグ
リコールを使用して標準的なポリエステル樹脂ケトルの
中で合成することができる。満足できる204層偏光子
は、PENとcoPENを51スロットの供給ブロックで押出成形
した後、２層重ねマルチプライヤーを成形品（extrusio
n）に直列に使用することによって作ることができる。
マルチプライヤーは、供給ブロックから出た押出成形さ
れた材料を２本の半分の幅の流れに分け、さらに、この
半分の幅の流れを互いに重ね合わせる。このようなマル
チプライヤーは、この技術分野において公知である。押
出成形は、約295℃で行った。PENは、0.50dl/gの固有粘
度を有し、coPENは0.60dl/gの固有粘度を有していた。P
EN材料の押出速度は22.5lb/hrで、coPENの押出速度は1
6.5lb/hrであった。成形されたウェブは厚さが約0.0038
インチで、長手方向へ5:1の比率で一軸延伸され、サイ
ドは、延伸の際に空気温度が140℃に抑えられた。外皮
層を除き、すべての層の対は、550nmの設計波長に対し
て、1/2波長の光学厚さに形成された。

以上のようにして作られた２つの204層偏光子を、接
着剤を使って手で積層した。接着剤の屈折率は、等方性
のcoPEN層の屈折率と一致するのが好ましい。

反射偏光子12の光学性能は、種々の層の光学厚さによ
ってある程度定まる。厚いフイルムと薄いフィルムの両
方を使った構成は有用である。層が光の種々の波長の長
さの光学経路を有する場合は、反射偏光子12の光学特性
は本質的に広帯域となる。層が光の波長よりも小さな光
学厚さを有する場合は、選択された波長についての反射
偏光子12の光学性能を高めるために、構造的干渉を利用
することができる。

この実施例において説明した製造方法により、可視ス
ペクトルを越える光の波長よりも薄い光学厚さを有する
均一な層を形成することができる。構造的干渉は、対に
なった層（A,B）の光学厚さが入射光の波長の半分を増
す場合（Ａ＋Ｂ＝λ/2）に生じる。この半波長の条件に
より、設計波長における狭帯域の構造的干渉が生じる。
広帯域の光学性能は、複数の狭い帯域のスタックを積層
するか、または連結することによって得られる。例え
ば、同じ厚さ（Ａ＋Ｂ＝λ/2）を有する層の第１グルー
プ37を、異なる厚さ（Ａ＋Ｂ＝λ'/2）を有する第２の
グループ35に積層することができる。通常は、能率的な
広帯域の応答性を得るために多数の層（ABAB…）が重ね
合わされるが、図４では、分かりやすくするために、少
ない数の層のみを示している。好ましくは、反射偏光子
12は、対象とするあらゆる角度と波長の光を反射するよ
うに構成すべきである。

２つの材料のみからなる交互の層を含む典型的な多層
構造に関して反射偏光子12を説明したが、反射偏光子12
が多くの形態を取り得ることを理解すべきである。例え
ば、多層構造の中に追加的なタイプの層を含ませること
ができる。また、場合によっては、反射偏光子は、一方
を延伸した一対のみの層（AB）を含むことができる。さ
らに、二色性偏光子を反射偏光子12に直接に接合するこ
とができる。

光学キャビティ24の他の重要な特性は、キャビティに
よる偏光ランダム化作用によって入射光の方向が変わる
ことである。一般に、かなりの量の光が、光学キャビテ
ィの軸からずれて射出する。したがって、反射偏光子内
でのこのような光の経路は、ほぼ直角な光の経路長より
も長い。この効果は、システムの光学性能を最適化する
ようになっていなければならない。この例で説明されて
いる反射偏光子本体12は、軸ずれした光線に適合するの
に望ましい長波長への広帯域透過が可能である。図５
は、広範囲の波長での80％を越える透過性を表す線図31
を示している。線図33は、可視スペクトルの大部分にわ
たっての効率的な広帯域反射性を示している。最適反射
性の線図は赤外域まで広がり、400nmから800nmまで広が
っている。

別の実施形態においては、ディスプレイの目に見える
明るさが、明るさ増進型フィルムの使用によって増して
いる。図６は、３つの主要部分を有する光学ディスプレ
イ164を示している。それらは、光学ディスプレイモジ
ュール142、明るさ増進型反射偏光子110、及び光学キャ
ビティ140である。一般に、完全な光学ディスプレイ164
は、観察者146が見たときに平坦で平面視長方形であ
り、さらに、３つの主要部分を互いに重ね合わせたとき
に断面が比較的薄い。

使用時には、ディスプレイモジュール142は、明るさ
増進型反射偏光子110と光学キャビティ140によって処理
された光で照射される。これら２つのエレメントは、協
働して、偏光した光を、ある角度で概略的に示した観察
領域136に方向づける。この光は、ディスプレイモジュ
ール142を通って観察者146の方向へ向かう。ディスプレ
イモジュール142は、一般に、情報をピクセルとして表
示する。ピクセルを透過した偏光した光は液晶材料の複
屈折性の電気的な制御によって調節される。このことに
より光の偏光状態が変わり、ディスプレイモジュール14
2の一部を形成する第２偏光子層によるその相対吸収に
影響が及ぼされる。

図示しているように、光の供給のための２つの光源が
ある。第１は、光線162によって示した周囲の光であ
る。この光はディスプレイモジュール142と明るさ増進
型反射偏光子110を透過し、光学キャビティ140に入射す
る。光学キャビティは光線165で示したように光を反射
する。第２の光源は、光線163で示したように光学キャ
ビティ自体の中で作られる。光学キャビティ140がバッ
クライトの場合は、主要な照射源が光学キャビティ140
内に生じ、光学ディスプレイは「バックライト型」と呼
ばれる。主要な照射源が光線162と光線165で示された周
囲の光である場合、光学ディスプレイは「反射型」また
は「パッシブ型」と呼ばれる。ディスプレイが周囲の光
とキャビティで作られた光の両方の下で見られる場合、
ディスプレイは「半透過反射型」と呼ばれる。本発明
は、これらのディスプレイのタイプのそれぞれについて
有用である。

光の発生源に関係なく、明るさ増進型反射偏光子110
と光学キャビティ140は、光を「再循環」するために協
働し、最大限の量の光が適切に偏光し、観察領域136に
制限される。

一般に、明るさ増進型反射偏光子110は２つのエレメ
ントを含んでいる。第１は特定偏光の光を観察領域に13
6に透過する反射偏光子本体116である。第２のエレメン
トは観察領域136の境界を定める光学構造層113である。

光学キャビティ140はいくつかの機能を有している
が、明るさ増進型反射偏光子110との相互作用につい
て、重要なパラメータは、入射光に対する高反射率の値
と、入射光の方向と偏光状態の両方を変える光学キャビ
ティ140の能力である。通常の光学キャビティはこれら
の要求を満たしている。

どのような光学システムでも、光の反射、損失、透過
の合計は、必ず100％となる。この損失の大きな原因は
吸収である。本発明において、明るさ増進型反射偏光子
110は、ある種の光に対して、非常に低い吸収率と高い
反射率を有している。このため、観察領域136へ直接通
過しない光は光学キャビティ140へ能率的に進み、そこ
で変換されてキャビティから射出し、観察領域136の光
に適切な特性が与えられる。

光学ディスプレイ164に関し、システム全体のゲイン
は、光学キャビティ140の反射率と明るさ増進型反射偏
光子110の反射率に依存している。本発明は、明るさ増
進型反射偏光子110からの入射光の方向と偏光状態を変
えるための能力に合った高反射率の背面を有する低吸収
性の光学キャビティとともに使用した場合に最も効果的
である。これらの目的のため、光学キャビティをアクリ
ル樹脂などの透明誘電材料で満たすことができることに
注意すべきである。

好適な構造面112は幾何光学（geometric optic）とし
て機能するが、回折またはホログラフィー用光学エレメ
ントを、幾何光学によって示される光の方向づけの性質
を効果的に模倣するように形成できることはよく知られ
ている。したがって、構造面112という用語が、比較的
狭い観察領域136に光を制限する幾何及び回折光学シス
テムの両方を言うものと理解されるべきである。

図７は、本発明において明るさ増進器として機能する
構造面材料の拡大図である。既に述べたように、構造面
材料218は平滑面220と構造面222とを有している。好適
な実施形態において、構造面222は、多数の三角プリズ
ムを有している。好適な実施形態において、このような
プリズムは直角二等辺プリズムであるが、70度から110
度の範囲の頂角を有するプリズムも、発明の効果の度合
いは変わるが使用できる。構造面材料218は空気よりも
屈折率の大きなあらゆる透明材料で形成できるが、一般
に、より高い屈折率を有する材料の方がよい結果とな
る。屈折率が1.586のポリカーボネートが非常に効果的
であることが分かっている。本発明の説明のために、構
造面222のプリズムは、90度の角度を有するものと仮定
し、構造面材料218は、ポリカーボネートであると仮定
する。この代わりに、他の構造面材料を使用することも
できる。対称な立方体のコーナーのシートは、優れた結
果を生じることが示されている。

図８は、構造面材料218の作用を示している。図８は
２本の軸226と228を有するグラフである。これらの軸
は、平滑面220の垂線に対して光線がなす角度を表して
いる。特に、軸226は、構造面222の構造体の直線範囲
（linear extent）に平行な面に光線の方向を投影した
場合に光線がなす角度を表している。同様に、軸228
は、構造面22の構造体の直線範囲に直角な面に光線の方
向を投影した場合に光線が平滑面220の垂線に対してな
す角度を表している。したがって、平滑面220に直角に
衝突する光線は、０゜と表示した、図８のグラフの原点
によって表される。図示しているように、図８は領域23
0、232、234に分割されている。領域230に入る角度で当
たる光は構造面材料218に入射するが、構造面222によっ
て全体に内側へ反射し、平滑面220を再度通過して、光
学キャビティに再度入射する。平滑面220に対して、領
域232または234に入るような角度で当たる光線は、透過
するが、直角に対して別の角度で屈折する。ポリカーボ
ネートの性能を示す図８に示されているように、直角に
対して9.4度よりも小さな角度で平滑面に当たる光線220
は、すべて反射する。

図７に戻ると、４つの代表的な光線が示されている。
まず、光線236は、平滑面に対して、グレージング角、
つまり、垂線に対して90度に近い角度で近づく。光線23
6が、構造面材料218に当たるときに面220の垂線に対し
て89.9度の角度をなす場合、光線は、構造面材料218を
透過するときに垂線に対して39.1度の角度をなすように
屈折する。構造面222に達すると、光線は再度屈折す
る。構造面222の構造体によって、光線は、構造面220の
垂線に対してより小さな角度となるように屈折する。こ
の実施形態において、それは35.6度の角度をなす。

光線238は、平滑面220に対して、カットオフ角（cut
off angle）により近い角度で接近する。この光線も、
平滑面220を通過するときに屈折するが、その度合いは
小さい。光線238が平滑面220の垂線に対して10度の角度
で平滑面220に接近する場合、それは、平滑面220の垂線
に対して、その垂線と反対側へ37.7度の角度で構造面22
2から射出する。

光線240は、カットオフ角よりも小さな角度で接近
し、構造面222によって全体が２度内側へ反射し、光学
キャビティの内部へ戻る。

そして、光線242は、光線が構造面222のプリズムの第
２サイドでなく第１サイドで全体的に内側へ反射するよ
うな位置において、光線238の角度に近い角度で平滑面2
20に近づく。結果として、光線は、平滑面220の垂線に
対して大きな角度で射出する。このような反射は、光線
が当たる面に対して大きな入射角度をなす方向に進行し
ている光線に対してのみ生じるので、プリズムは、この
ような光線に対して非常に小さな横断面となる。さら
に、これらの光線の大部分は、次のプリズムに入射し
て、再びディスプレイ210へ戻る。

第５種類めの光線は図７には示していない。これは平
滑面220によって反射した光線の集合であり、構造面材
料218に入射しない。このような光線は、反射して光学
キャビティに戻った他の光線と単に一緒になる。この説
明から分かるように、ディスプレイの軸に対して大きな
角度でディスプレイから射出した光は、ディスプレイの
軸が平滑面220に対して直角である場合に、その軸に近
い方向へ向けられる。少量の光は、軸に対して大きな角
度で方向づけられる。したがって、所定の角度よりも大
きな入射角で平滑面220を通って構造面材料218に入射す
る光は、インプットウェッジ（input wedge）よりもせ
まいアウトプットウェッジ（output wedge）に方向づけ
られ、所定の角度よりも小さな入射角度で平滑面220を
通って構造面材料18に入射する光の大半は、反射して光
学キャビティへ戻る。

反射して光学キャビティへ戻った光は、拡散反射器に
当たる。反射した光は構造面材料218まで逆に進行し、
一般に１回目とは違った角度をなす。そして、より多く
の光がより小さなウェッジに再び方向づけられるように
上記作用が繰り返される。本発明の重要な点は、構造面
材料218が、角度に関してあらかじめ定められた第１の
グループについては、それに当たる光を反射し、角度に
関してあらかじめ定められた第２のグループについて
は、それに当たる光を透過・屈折することである。な
お、第２グループの角度は第１グループの角度よりも大
きく、第２グループの角度の光は、インプットウェッジ
よりもせまいアウトプットウェッジに屈折する。この説
明において、第１及び第２グループの角度は、ディスプ
レイの表面、つまり液晶、に対して直角なディスプレイ
軸に対するものである。

図９は、明るさ増進型反射偏光子110のない場合の性
能の比較のために、部分的に明るさ増進型反射偏光子11
0を設けていない光学ディスプレイ164の概略を示してい
る。一般に、光学キャビティ140のユニット領域から現
れる、光束148で示した光は、ランダムに偏光して、
（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）の光学状態を有す
る。光の約半分である、状態（ｂ）と（ｄ）の光は、デ
ィスプレイモジュール142の一部を構成する２色性吸収
偏光子150によって吸収される。状態が（ａ）と（ｃ）
の光の残りは、２色性吸収偏光子150を通過する。ディ
スプレイモジュール142から現れる、光束152で示した光
は、したがって、状態（ａ）と（ｃ）の光を含んでい
る。状態（ａ）の光は観察者146の方へ進行するが、状
態（ｃ）の光はその方向へ進行しない。状態（ｂ）と
（ｄ）を有する残りの光は、２色性吸収偏光子150で吸
収される。したがって、光学キャビティによって供給さ
れた光の約４分の１だけが、ディスプレイが観察者146
によってみられるときの明るさに寄与する。

明るさ増進器は、光学キャビティ140によって利用で
きるようにされた光をより効率的に使用できるようにす
るために機能する。光束154で示している同じユニット
量の光が明るさ増進型反射偏光子110へ進行する場合、
約４分の１の光（状態（ａ）の光）が、明るさ増進型反
射偏光子110を第１回目に通る。この光は、２色性吸収
偏光子150の透過軸に合った正しい偏光を有し、光束161
で示している。しかし、状態（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）
の残りの光は、明るさ増進型反射偏光子110によって反
射して光学キャビティへ戻る。この光は、光学キャビテ
ィ140によって、部分的に方向関係がランダム化され、
偏光状態が（ａ）になる。したがって、この光は、光束
157で示しているように、状態（ａ），（ｂ），（ｃ）
及び（ｄ）を有して光学キャビティから射出する。再循
環した状態（ａ）の光は、光束160で示した最初に透過
した光に加えられる。したがって、光束160と光束161に
よって示された光の量は、「再循環」によって増える。
２色性吸収偏光子150の透過軸に一致した正しい偏光の
光だけ（状態（ａ））が明るさ増進型反射偏光子110を
通過するため、光束163で示された、ディスプレイから
発されたより多くの光が観察者146に達する。さらに、
状態（ｂ）と（ｄ）の光が明るさ増進型反射偏光子110
によって反射するため、ごくわずかのみが２色性吸収偏
光子150によって吸収される。その結果、ディスプレイ
から発される、光束163によって示した光量が、光線152
によって示された光量よりも70パーセント明るくなる。

図10は光学ディスプレイ170を示している。この光学
ディスプレイモジュール142は、正面偏光子149と背面偏
光子150の間に配置された液晶マトリクス147を有してい
る。この実施形態において、光学構造層113は、反射偏
光本体116から、ギャップ171だけ隔てられている。ギャ
ップ171は、望ましくない状態（ａ）の光線を反射する
ために設けられている。このディスプレイ170におい
て、光学キャビティ140は、光源反射器173の中にランプ
172を有するバックライトである。ランプ172からの光は
ライトガイド174の中に入って、スポット176などの拡散
反射面に当たるまで進行する。ライトガイド174から光
を効率的に引き出すために、スポットを不連続に配置す
るのが望ましいが、断続的な面は光を完全に再循環する
のに十分ではない。したがって、再循環プロセスを促進
するために、不連続面の下に、連続した拡散反射面175
を配置することが好ましい。

図11は、光学構造層113及び構造面112が、反射偏光子
本体116に近接するが直接貼着されていない別部材であ
る光学ディスプレイ179を示している。これら２つの部
材は、協働して、ギャップ181に沿って明るさ増進型反
射偏光子110を形成している。使用時に、光学キャビテ
ィ14は、ディスプレイのための光を供給するとともに、
明るさ増進型反射偏光子110から戻った光の偏光状態と
方向を再度変える。光学キャビティ140は、拡散反射面1
37として作用する燐光物質のコーティングを有するエレ
クトロルミネセンスパネル139を備えている。明るさ増
進型反射偏光子110のこの実施形態と図10のものとの違
いのひとつは、臨界角134よりも大きな角度で構造面112
に接近する光が、その偏光状態にかかわらず全体に内側
へ反射することによって光学キャビティへ戻ることであ
る。別の違いは、光学構造面113によって透過した光
が、直角に近い角度で反射偏光子本体116を通過するこ
とである。さらに別の違いは、ディスプレイモジュール
143の中に、正面偏光子149を設けて背面偏光子を設けて
いないことである。バックライトが支配的な光源である
実施形態においては、明るさ増進型反射偏光子に並置し
た吸収偏光子を使用せずに適当なコントラストが得られ
る。

図12は、標準的なエレクトロルミネセンスのバックラ
イトとともにとった、明るさ増進型反射偏光子の実施例
のテスト結果を示している。エレクトロルミネセンスの
バックライトは、入射光の方向と偏光方向のランダム化
に関して、光学キャビティとしての上述した要件を満た
している。比較の根拠として、曲線162は、２色性偏光
子のみを単体で有し、明るさ増進型反射偏光子本体を有
していないディスプレイに関する光の透過を示してい
る。曲線164は、図12に関して上述したように、反射偏
光子本体と近接層としての構造面とを有する形態の明る
さ増進型反射偏光子を備えたディスプレイのＹ−Ｚ面に
関する、光の角度分布に対する光の強さを示している。
曲線164は、２色性偏光子単独の場合に比較して、軸上
で約60パーセントの明るさの増加を示している。また、
軸から60度ずれたところでは、約50パーセントの明るさ
の低下が見られる。

標準的なバックライトを使用したさらに別の実施例に
おいては、図11に関して上述したように、反射偏光子本
体と近接層としての構造面とを有する明るさ増進型反射
偏光子を備えた状態で、観察面に直角なディスプレイに
沿って、２色性偏光子単独のものに対して明るさが100
パーセント増大することが測定された。反射偏光子単独
では明るさが30パーセント増え、構造面単独では明るさ
が70パーセント増え、結果的に、軸上の観察で、全体の
明るさの増加が100パーセントとなった。

これら２つの実施例の間での明るさの増え方の違い
は、使用されている光学キャビティの違いによる所が大
きい。図12の曲線はエレクトロルミネセンスのバックラ
イトとともにとられており、後者の実施例は標準的なバ
ックライトとともにとられている。各タイプの光学キャ
ビティの反射と損失は、達成される全体的な明るさの増
えに影響する。

図13に示した別形態の好適なディスプレイ192を用い
て、明るさ増進型反射偏光子本体から射出する光線の二
次元制御が可能である。それぞれが構造面112及び184を
有する２つの光学構造層113及び182が、各々、互いに近
接し、かつ反射偏光子本体116に近接している。これら
の３つのエレメントが明るさ増進型反射偏光子本体110
を構成している。図13において２つの光学構造層が反射
偏光子本体116の下方に示されているが、反射偏光子本
体116を本発明の範囲から逸脱する事なく、光学構造層1
12及び182の間や下に配置することができることが理解
されるべきである。二次元制御は、構造面112及び184の
配向軸の交差によってすることができる。軸は、ディス
プレイの用途や組み合わされる偏光条件に応じて、90度
または90度よりも大きな他の角度で配向することができ
る。

使用時には、第１光学構造層により、Y,Z面において
約70度、X,Z面において110度の観察領域が生じる。第１
光学構造層182から出る光は、第２光学構造層113用の光
源となり、その構造面112は、光学構造層182の構造面18
4とは違う配向軸を有している。例えば、２つの光学構
造層113及び184の軸が90度で配向されている場合、光学
構造層182はX,Z面の110度の角度内の光に作用してX,Z面
の観察角度を70度よりもいくらか小さな狭い範囲に圧縮
し、それによって、明るさがさらに増す。

図14は、明るさ増進型反射偏光子110を単独で示す概
略斜視図である。図は、本発明の構成の説明を容易にす
るため、縮尺どおりには示していない。図14は、本発明
の説明の中でX,Y,Z方向を定める座標系を含んでいる。

図14に示すように、明るさ増進型反射偏光子110は、
構造面112を有する光学構造層113を有している。図14に
おいて、この光学構造層113は反射偏光子116上に成形さ
れたポリマー層に重ねられ、好適な一体構造になってい
る。図14に示したもののような一体構造は、反射偏光子
が、米国特許第５、175、030号において述べられている
ような作用において基材として機能する場合、反射偏光
子上の構造面材料のヒートラミネーションまたは成形及
び硬化などの、２枚のフィルムを接合する種々の公知技
術で形成できる。その目的のため、反射偏光子と明るさ
増進器が一体構造であるという説明は、それらが互いに
接合されることも意味していることを理解すべきであ
る。

図14に示した好適で説明的な構造面112は、プリズム1
14によって代表される、プリズムアレイである。各プリ
ズムは、Ｘ方向へのびる尾根状の頂部を有している。Y,
Z面において、各プリズム114は二等辺三角形の断面形状
を有し、プリズムの頂角120は90度である。プリズムア
レイは好ましいが、その用途の特定の要件に合わせて、
プリズムの幾何図形的配列と頂角120を変えてもよい。
図14に示したプリズムアレイは、光学ディスプレイから
出る光を図６に示した比較定狭い観察領域136に制限す
るのが望ましい場合に特に有用である。しかし、他の観
察角度が望ましい場合、光学構造層113は他の形態をと
ることができる。好ましい構造面112は幾何光学として
機能するが、回折またはホログラフィー用の光学エレメ
ントを、幾何光学によって示される光の方向づけの特性
を効果的に模倣するように構成できることはよく知られ
ていた。したがって、構造面112という用語は、比較的
狭い観察領域136（図６）に光を制限する幾何及び回折
の両方の光学システムを説明するためとして理解されな
ければならない。プリズムアレイが本質的に有している
偏光性は、一般的に言えば、プリズムの軸が反射偏光子
の延伸方向に平行に走るときに、最大限の性能が得られ
る。

多層スタックの光学作用上述した図４に示したような多層スタックの光学作用
について、より一般的な用語で説明する。多層スタック
は無数の層を含むことができ、各層は多数の異なった材
料の何で形成してもよい。特定のスタックのための材料
の選択を決定する特性は、そのスタックの望ましい光学
性能に依拠している。

スタックは、スタックの中に含まれる層と同じ数の材
料を含むことができる。製造を容易にするために、好適
な薄い光学フィルムのスタックでは、異なった数種の材
料のみが含まれる。分かりやすくするため、この説明で
は２つの材料を含む多層スタックについて述べる。

素材間、もしくは物理的な特性の異なる科学的に同一
の素材間の境界は、段階的または漸進的にすることがで
きる。分析解法によるいくつかの単純な場合を除き、屈
折率が連続的に変わる後者のタイプの層状体は、段階的
な境界を持っているが隣り合った層間で特性がわずかに
のみ変わる、より多くの薄い層として扱われる。

すべての方位角からすべての入射角度での反射作用
は、フィルムスタックの各フィルム層の屈折率によって
決まる。フィルムスタックのすべての層が同じ作用条件
を受けると仮定すれば、スタック全体の作用を角度の機
能として理解するために、スタックの２つの構成部分の
間の単一の境界面を見るだけでよい。

したがって、説明を分かりやすくするために、単一境
界面の光学作用について述べる。しかしながら、ここで
述べられる原理による現実の多層スタックは、無数の層
から形成できる。図15に示すもののような単一境界面で
の光学作用を説明するために、ｚ軸と一つの面内光軸を
含む入射面に対するｓ偏光とｐ偏光の入射角度の関数と
しての反射率をプロットする。

図15は、単一境界面を形成する２素材のフィルム層
を、いずれも、屈折率がn₀の等方性の媒質の中に浸せき
した状態で示している。分かりやすくするために、この
説明は、２つの素材の光軸を揃え、一方の光軸（ｚ）を
フィルム面に直角にし、他方の光軸をｘ軸及びｙ軸に合
わせた状態の、直交式多層複屈折システムについて行
う。しかし、光軸が直交している必要はなく、非直交シ
ステムが本発明の本質及び範囲内に十分含まれることが
理解されるべきである。さらに、本発明で意図した範囲
内に含ませるために、光軸を必ずしもフィルム軸に揃え
なくてもよいことも理解されるべきである。

すべての厚さのフィルムのあらゆるスタックの光学特
性（optics）を算出するための基本的な数理ビルディン
グブロック（mathematical building blocks）は、個々
のフィルム境界面における、よく知られたフレネルの境
界面における、よく知られたフレネルの反射係数と透過
係数である。フレネル係数は、既知の境界面の反射率の
大きさを、あらゆる入射角度について、ｓ偏光とｐ偏光
について別々の式をもって求めるものである。

誘電性境界面の反射率は、入射角度の関数として変化
し、等方性材料に関してはｐ偏光とｓ偏光で大きく異な
る。ｐ偏光の最小反射率は、いわゆるブルースター効果
によるものであり、反射率がゼロになる角度はブルース
ター角と呼ばれる。

あらゆるフィルムスタックにおけるあらゆる入射角度
での反射率の作用は、含まれるすべてのフィルムの誘電
性テンソルによって決まる。この問題の通常の理論的な
扱いは、ノース・オランダ（north−holland）によって
1987年に発行された、アール・エム・エイ・アザム（R.
M.A.Azzam）とエヌ・エム・バシャラ（N.M.Bashara）の
論文「エリプサムトリー（Ellipsometry）と偏光」にお
いて述べられている。結果は、一般的によく知られたマ
クスウェル方程式によって直接導かれる。

あるシステムにおける単一境界面の反射性は、それぞ
れ、方程式１及び２によって求められるｐ偏光及びｓ偏
光の反射係数の絶対値を二乗することによって計算され
る。方程式１及び２は、２成分の軸を揃えた一軸性の直
交系について有効である。

ここで、θは等方性媒質について測定した。

１軸性複屈折システムにおいては、n1x＝n1y＝n1oで
あり、n2x＝n2y＝n2oである。

２軸性複屈折システムについて、方程式１及び２は、
図15に示したように、ｘ−ｚまたはｙ−ｚ面に平行な偏
光面の光のみに有効である。したがって、２軸性システ
ムについて、ｘ−ｚ面の光の入射に関し、方程式１にお
いて（ｐ偏光について）は、n1o＝n1xでn2o＝n2xであ
り、方程式２において（ｓ偏光について）は、n1o＝n1y
でn2o＝n2yである。ｙ−ｚ面の光の入射に関し、方程式
１において（ｐ偏光について）は、n1o＝n1yでn2o＝n2y
であり、方程式２において（ｓ偏光について）は、n1o
＝n1xでn2o＝n2xである。

方程式１及び２は、反射率が、スタックの各材料のx,
y及びｚ方向における屈折率によって決まることを示し
ている。等方性材料においては、３つの屈折率がすべて
等しく、nx＝ny＝nzである。nx,ny及びnzの間の関係に
よって、材料の光学特性が定まる。３つの屈折率の間の
関係の相違により、等方性、１軸性複屈折、及び２軸複
屈折という材料の３つの一般的なカテゴリーが決まる。

１軸性複屈折材料は、一方向の屈折率が他の二方向の
屈折率とは異なるものとして定義される。この問題のた
め、１軸性複屈折システムを表す規則は、nx＝ny≠nzで
ある。ｘ軸及びｙ軸は面内軸として定められ、各屈折率
nx及びnyは、面内屈折率と呼ばれる。

１軸性複屈折システムを作る一つの方法は、ポリマー
の多層スタックを２軸延伸すること（例えば２寸法方向
に沿って伸ばすこと）である。多層スタックの２軸延伸
により、両軸に平行な面に関し、重なった層間で屈折率
に差が生じ、その結果、両方の偏光面において光の反射
が生じる。

１軸性複屈折材料は、正または負のどちらかの１軸的
複屈折性を有している。正の１軸的複屈折性は、ｚ屈折
率が面内屈折率よりも大きい場合（nz＞nx及びny）に生
じる。負の１軸的複屈折性は、ｚ屈折率が面内屈折率よ
りも小さい場合（nz＜nx及びny）に生じる。

２軸性複屈折材料は、３つの軸に関する屈折率が異な
る（nx≠ny≠nz）ものとして定義される。この場合も、
nx及びnyの屈折率は、面内屈折率と呼ばれる。２軸性複
屈折システムは、多層スタックを一方向へ延伸すること
により作ることができる。言い換えれば、スタックは１
軸方向へ伸ばされる。この問題のため、ｘ方向を２軸性
複屈折スタックの延伸方向という。

１軸性複屈折システム（鏡）１軸性複屈折システムの光学特性について以下に述べ
る。上述したように、１軸性複屈折材料の一般的な条件
はnx＝ny≠nzである。したがって、図15の各層102及び1
04が１軸的複屈折性であれば、n1x＝n1yであり、n2x＝n
2yである。この問題のため、層102が層104よりも大きな
面内屈折率を有し、したがって、ｘ方向及びｙ方向の両
方でn1＞n2であると仮定する。１軸的複屈折性の多層シ
ステムの光学的作用は、n1z及びn2zの値を変えることに
よって調整して正または負の複屈折性を異なったレベル
にすることができる。

上述した方程式１は、図15に示したような２層からな
る１軸性複屈折システムにおける単一境界面の反射率を
求めるのに使用することができる。方程式２は、ｓ偏光
に関して、等方性フィルム（nx＝ny＝nz）の単純な場合
のそれに同一であるように簡単に示しているので、方程
式１のみを検討すればよい。はっきりとさせるため、フ
ィルムの屈折率を一般的な値に特定する。n1x＝n1＝1.7
5、n1z＝可変、n2x＝n2y＝1.50、そしてn2z＝可変とす
る。このシステムにおいて種々可能なブルースター角を
説明するため、周囲の等方性媒質に関して、no＝1.60と
する。

図16は、n1zがn2zよりも大きいかもしくは等しい場合
（n1z≧n2z）に、等方性媒質から複屈折層に入射したｐ
偏光の、角度に対する反射率の曲線を示している。図16
に示された曲線は、以下のｚ屈折率の値に関するもので
ある。

ａ）n1z＝1.75,n2z＝1.50 ｂ）n1z＝1.75,n2z＝1.57 ｃ）n1z＝1.70,n2z＝1.60 ｄ）n1z＝1.65,n2z＝1.60 ｅ）n1z＝1.61,n2z＝1.60 ｆ）n1z＝1.60＝n2z n1zがn2zに近づくとき、ブルースター角、つまり反射率
がゼロになる角度が大きくなる。ａ〜ｅの曲線は、角度
に大きく左右される。しかし、n1z＝n2z（曲線ｆ）の場
合、反射率が角度に左右されることはない。言い換えれ
ば、曲線ｆの反射率は、すべての入射角について一定で
ある。その点で、方程式１は、（n2o−n1o）／（n2o＋n
1o）という、角度から独立した形に約すことができる。
n1z＝n2zの場合、ブルースター効果はなく、すべての入
射角度について反射率が一定になる。

図17は、n1zがn2zよりも小さいかもしくは等しい場合
の入射角度に対する反射率の曲線を示している。光は、
等方性媒質から複屈折層に入射する。これらの場合、反
射率は、入射角度に伴って単調に増加する。このこと
は、ｓ偏光について見られる作用である。図17の曲線ａ
は、ｓ偏光の一つのケースを示している。曲線ｂ〜ｅ
は、nzが以下の種々の値をとる場合の、ｐ偏光のケース
を示している。

ｂ）n1z＝1.50,n2z＝1.60 ｃ）n1z＝1.55,n2z＝1.60 ｄ）n1z＝1.59,n2z＝1.60 ｅ）n1z＝1.60＝n2z また、n1z＝n2z（曲線ｅ）の場合、ブルースター効果は
なく、すべての入射角度について反射率が一定になる。

図18は、図16及び図17と同じで、屈折率no＝1.0（空
気）の媒質の場合の入射を示している。図18の曲線は、
n2x＝n2y＝1.50,n2z＝1.60の正の１軸性材料と、n1x＝n
1y＝1.75の負の１軸性複屈折材料の単一境界面における
ｐ偏光についてプロットしたものであり、n1zの値は、
上から下へ、以下の通りである。

ａ）1.50 ｂ）1.55 ｃ）1.59 ｄ）1.60 ｆ）1.61 ｇ）1.65 ｈ）1.70 ｉ）1.75 なお、図16及び17において示したように、n1zとn2zの値
が一致している場合（曲線ｄ）、反射率は角度に左右さ
れない。

図16、17及び18は、一方のフィルムのｚ軸の屈折率が
他方のフィルムのｚ軸の屈折率に等しい場合に一つのタ
イプの作用から他へのクロスオーバーが生じることを示
している。このことは、負及び正の１軸性複屈折材料及
び等方性材料のいくつかの組み合わせについて当てはま
る。他の状況は、ブルースター角がより大きな角度また
はより小さな角度に変わった場合に生じる。

面内屈折率とｚ軸屈折率の間で有り得る種々の関係を
図19、20及び21に示している。縦軸は屈折率の相対値を
示し、横軸は種々の条件を分けるためだけに使用されて
いる。各図は、ｚ屈折率が面内屈折率と同じ場合に、２
枚の等方性フィルムについて左側で開始する。一方が右
側へ向かって進むと、面内屈折率は一定に保持されたま
ま種々のｚ軸屈折率が増加または減少し、正または負の
複屈折性が示される。

図16、17及び18に関して上述したケースを図19に示し
ている。材料１の面内屈折率は材料２の面内屈折率より
も大きく、材料１は負の複屈折性（面内屈折率よりも小
さなn1z）を有し、材料２は正の複屈折性（面内屈折率
よりも大きなn2z）を有している。ブルースター角が消
え、反射率がすべての入射角度について一定になる点
は、２つのｚ軸屈折率が同じところである。この点は、
図16の曲線ｆ、図17の曲線ｅ、または図18の曲線ｄに対
応している。

図16において、材料１は材料２よりも大きな面内屈折
率を有するが、材料１は正の複屈折性を有し、材料２は
負の複屈折性を有している。このケースでは、ブルース
ターの最小値は、より小さな角度の値にのみシフトする
ことができる。

図19及び20は、いずれも、２枚のフィルムの一方が等
方性である場合に限って有効である。２つのケースは、
材料１が等方性で材料２が正の複屈折性を有する場合、
または、材料２が等方性で材料１が負の複屈折性を有す
る場合である。ブルースター効果のないポイントは、複
屈折材料のｚ軸屈折率が等方性フィルムの屈折率に等し
いところである。

他のケースは、両方のフィルムが同じタイプ、つま
り、両方が負または両方が正の複屈折性のフィルムの場
合である。図21は、両方のフィルムが負の複屈折性を有
する場合を示している。しかし、２枚の正の複屈折層の
ケースが、図21に示した２枚の負の複屈折層のケースに
近似していることが理解されるべきである。前述したよ
うに、ブルースターの最小値は一方のｚ軸屈折率が他の
フィルムのそれと等しいか交差する場合にのみ無くな
る。

さらに別のケースは、２つの材料の面内屈折率が等し
く、ｚ軸屈折率が異なる場合に生じる。図19〜21に示さ
れた３つのケースの部分集合であるこのケースにおい
て、ｓ偏光はすべての角度で反射せず、ｐ偏光の反射率
は入射角度の増加に伴って増加する。このタイプの物品
は、入射角度が増加するときに増加するｐ偏光に関する
反射率を有し、ｓ偏光に対して透明である。この物品
は、「ｐ偏光子」と呼ぶことができる。

当業者であれば、１軸性複屈折システムの作用を説明
した上述の原理を、幅広い状況に合わせて望みの光学効
果を得るために適用できることを容易に認識できるであ
ろう。多層スタックの層の屈折率は、所望の光学特性を
有する装置を製造するために調整することができる。多
くの負及び正の１軸性複屈折システムを、種々の面内屈
折率及びｚ軸屈折率をもって製造することができ、か
つ、ここで説明した原理を使用して、多くの有用な装置
を設計製作することができる。

２軸性複屈折システム（偏光子）再び図15を参照して、２構成要素の直交２軸性複屈折
システムについて以下に説明する。この場合も、システ
ムは多数の層を含むことができるが、一つの境界面での
光学作用について検討することによって、スタックの光
学作用を理解することができる。

２軸性複屈折システムは、一方の軸に平行な偏光面を
持った光をすべての入射角度について高反射率にするこ
とができ、同時に、他の軸に平行な偏光面を持った光を
すべての入射角度について低反射率にすることができ
る。その結果、２軸性複屈折システムは偏光子として作
用し、１つの偏光方向の光を透過し、他の偏光方向の光
を反射する。各フィルムにおける、nx,ny及びnzの３つ
の屈折率を調整することによって、所望の偏光子の作用
を得ることができる。

上述したPEN/coPENからなる多層反射偏光子は、２軸
性複屈折システムの一つの例である。しかし、一般に多
層スタックを構成するのに使用される材料がポリマー材
料である必要はないことを理解すべきである。ここで説
明される一般原則に入るあらゆる材料を、多層スタック
を構成するために使用することができる。

再度図15を参照して、分かりやすくするために、以下
の値をフィルムの屈折率と仮定する。つまり、n1x＝1.8
8、n1y＝1.64、n1z＝可変、n2x＝1.65、n2y＝可変、n2z
＝可変である。ｘ方向を吸光方向と言い、ｙ方向を透過
方向という。

方程式１は、延伸方向または非延伸方向における入射
面を持った光の２つの重要なケースに関して、２軸性複
屈折システムの角度的な作用を求めるために用いること
ができる。偏光子は一つの偏光方向に関しては鏡であ
り、他の方向に関しては窓である。延伸方向において、
多数の層からなる多層スタックにおける、1.88−1.65＝
0.23という大きな屈折率の差は、ｓ偏光に関して非常に
高い反射率をもたらす。ｐ偏光に関して、種々の角度で
の反射率は、n1zとn2z屈折率の差に左右される。

ほとんどの用途において、理想的な反射偏光子は、す
べての入射角度において、一方の軸に沿って高反射率
で、他方に沿って反射率がゼロである。透過軸に沿って
反射性が生じる場合、そしてそれが種々の波長で異なる
場合は、偏光子の効率が低下し、透過した光に色が生じ
る。これらは、いずれも望ましくない結果である。この
ことは、たとえ面内のｙ屈折率が一致していても、ｚ屈
折率が大きくずれていることによって引き起こされる。
したがって、その結果としてのシステムは、ｐ偏光に関
して大きな反射率を有し、ｓ偏光については透明性が高
い。このケースは、鏡の場合の検討において、「ｐ偏光
子」と称したものである。

図22は、PEN/coPENの800層のスタックについて、非延
伸方向に入射面を有するｐ偏光に関する75゜での反射率
（−LOG［１−Ｒ］としてプロット）を示している。反
射率は、可視スペクトル全体の波長（400〜700nm）の関
数としてプロットされている。曲線ａについて、550nm
での関連屈折率は、n1y＝1.64、n1z＝1.52、n2y＝1.6
4、そしてn2z＝1.63である。模型としたスタックの構成
は、四分の一波長のペアの単純な直線的厚さ等級（simp
le lenear thickness grade）で、各ペアが前のペアよ
りも0.3％厚くなっている。すべての層には、ガウス分
布と５％の標準偏差をもったランダムな厚さの誤差が与
えられた。

曲線ａは、透過軸（ｙ軸）に沿って可視スペクトル全
体の高い軸ずれ反射率と、異なった波長が異なった程度
の反射率につながることを示している。スペクトルが、
フィルムの厚さなどの層の厚さの誤差と空間的な不均一
性に敏感であるため、このことによって、２軸性複屈折
システムが、非常に不均一で、「カラフル」な外観とな
る。ある種の用途では色の度合いが高いことが望ましい
が、LCDディスプレイや他のタイプのディスプレイな
ど、均一さと外観上の色合いの薄さが必要な用途では、
軸ずれの色の度合いを調整して、それを最小限にするこ
とが望ましい。

フィルムスタックが全ての可視波長について同じ反射
率を得るように構成された場合、均一なニュートラルグ
レイの反射が得られる。しかし、このことは、ほとんど
完全な厚さ調整を必要とする。その代わりに、軸ずれの
反射率と軸ずれの色は、ブルースター条件の軸ずれを生
じる非延伸の面内屈折率（n1y及びn2y）に屈折率の不一
致を導くことによって最小限にすることができ、このと
き、ｓ偏光の反射率を最小限に保つことができる。

図23は、２軸性複屈折システムの透過軸に沿って、軸
ずれの反射率を小さくすることによって、ｙ屈折率の不
一致を導入することの効果を調べるものである。n1z＝
1.52及びn2z＝1.63（Δnz＝0.11）で、以下の条件でｐ
偏光についてプロットした。

ａ）n1y＝n2y＝1.64 ｂ）n1y＝1.64,n2y＝1.62 ｃ）n1y＝1.64,n2y＝1.66 曲線ａは、面内屈折率n1yとn2yが等しい場合の屈折率を
示している。曲線ａは０゜のときに最小の反射率を有
し、20゜を越えると急激に上昇している。曲線ｂについ
ては、n1y＞n2yで、反射率は急速に増加している。曲線
ｃは、n1y＜n2yで、38゜のときに反射率が最小で、その
後急激に上昇している。曲線ｄによって示されているよ
うに、n1y≠n2yのｓ偏光に関して、担当の反射が生じ
る。図23の曲線ａ〜ｄは、ｙ屈折率の不一致（n1y−n2
y）の表れが、存在するブルースターの最小値のため、
ｚ屈折率の不一致（n1z−n2z）と同じであるべきである
ことを示している。n1y＝n2yの場合、ｓ偏光の反射率は
全ての角度でゼロである。

層間のｚ軸屈折率の差を小さくすることによって、軸
ずれの反射率をさらに小さくすることができる。n1zがn
2zと等しい場合、図18は、吸光軸が、それが直角入射で
するときに高反射率の軸ずれ角度を有し、両屈折率が一
致している（例えば、n1y＝n2y及びn1z＝n2z）ために、
非延伸軸に沿ってどんな角度でも反射が生じないことを
示している。

２つのｙ屈折率と２つのｚ屈折率を正確に一致させる
ことは、ある種のポリマー系では可能ではない。もしｚ
軸の屈折率が偏光子の構成に合っていなければ、面内屈
折率n1yとn2yにわずかな不一致が必要になるであろう。
他の例を、n1y＝1.56及びn2z＝1.60（Δnz＝0.04）と仮
定して、以下のｙ屈折率、すなわち、ａ）n1y＝1.64,n2
y＝1.65;b）n1y＝1.64,n2y＝1.63で図24にプロットし
た。曲線ｃは両方のケースのｓ偏光についてである。ｙ
屈折率の不一致の表れがｚ屈折率の不一致と同じ曲線ａ
の場合、最も低い軸ずれ角度の反射率となった。

図24の曲線ａの条件の下で、75゜の入射角での800層
のフィルムのスタックの軸ずれの反射率の計算値を、図
22の曲線ｂにプロットしている。図22の曲線ｂを曲線ａ
と比較すると、曲線ｂにプロットされた条件に関して、
はるかに小さい軸ずれの反射率、したがってより小さな
知覚色があることが示されている。550nmでの曲線ｂの
関連屈折率は、n1y＝1.64,n1z＝1.56,n2y＝1.65,n2z＝
1.60である。

図25は、ｐ偏光について、図15に関連して説明した軸
ずれの反射率を要約する方程式１の輪郭のプロットを示
している。非延伸方向に含まれる４つの独立した屈折率
を、２つの屈折率の不一致ΔnzとΔnyに変えた。プロッ
トは、入射角を、０゜から75゜までの15度ずつの複数の
角度での、６つのプロットの平均値である。反射率は、
0.4×10^-4の一定の増分で、輪郭ａの0.4×10^-4から、輪
郭ｊの4.0×10^-4までの範囲である。プロットは、一つ
の光学軸に沿った屈折率の不一致によって生じた高反射
率が、他の軸に沿った不一致によってどのようにオフセ
ットし得るかを示している。

したがって、２軸性複屈折システムの層間のｚ屈折率
の不一致を小さくすることによって、及び／またはブル
ースター効果を生じるためにｙ屈折率の不一致を導入す
ることによって、軸ずれの反射率，したがって軸ずれの
色が、多層反射偏光子の透過軸に沿って最小限になる。

また、せまい波長範囲で機能する狭帯域偏光子を、こ
こで説明した原理を用いて構成することができることに
も注意すべきである。これらは、例えば、赤、緑、青、
シアン、マゼンタまたはイエローの偏光子を製造するた
めに用いることができる。

材料選択及び加工上述した構成を考慮すれば、当業者であれば、所望の
屈折率の関係を生じるように選択された条件下で処理す
るときに、本発明に係る多層の鏡または偏光子を形成す
るために多種の材料を使用できることを容易に理解でき
るであろう。一般に、要求されるもの全ては、材料の一
つが、第２の材料に比較して、選択した方向に異なった
屈折率を有することである。この差異は、（例えば有機
ポリマーの場合の）フィルム形成の際またはその後の延
伸、（例えば液晶材料の場合の）押出成形、またはコー
ティングなどの、種々の方法で得ることができる。さら
に、２つの材料が、それらを同時に押出成形することが
できるように、同様の流動特性（例えば溶融粘度）を有
していることが好ましい。

一般に、適当な組み合わせは、第１材料として結晶質
もしくは半結晶質の有機ポリマーを第２材料として有機
ポリマーを選択することによって行われる。第２材料
は、結晶質、半結晶質、または非晶質としたり、第１材
料とは逆の複屈折性を有するものにしたりできる。

好ましい材料の実例としては、ポリエチレンナフタレ
ート（PEN）とそのアイソマー（例えば、2,6−、1,4
−、1,5−、2,7−、及び2,3−PEN）、ポリアルキレンテ
レフタレート（例えば、ポリエチレンテレフタレート、
ポリブチレンテレフタレート、及びポリ−1,4−シクロ
ヘキサンジメチレンテレフタレート）、ポリイミド（例
えばポリアクリル酸イミド）、ポリエーテルイミド、ア
タクティックポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメ
タクリレート（例えば、ポリイソブチルメタクリレー
ト、ポリプロピルメタクリレート、ポリエチルメタクリ
レート、及びポリメチルメタクリレート）、ポリアクリ
レート（例えば、プリブチルアクリレート及びポリメチ
ルアクリレート）、セルロース誘導体（例えば、エチル
セルロース、セルロースアセテート、セルロースプロピ
オネート、セルロースアセテートブチレート、及びニト
ロセルロース）、ポリアルキレンポリマー（例えば、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリイソ
ブチレン、及びポリ（４−メチル）ペンテン）、フッ素
化ポリマー（例えば、ペルフルオロアルコキシ樹脂、ポ
リテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレン−プロピ
レン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、及びポリクロロ
トリフルオロエチレン）、塩化ポリマー（例えば、ポリ
塩化ビニリデン及びポリ塩化ビニル）、ポリスルホン、
ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリア
ミド、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリ酢酸ビニル、
ポリエーテル−アミド、アイオノマー樹脂、エラストマ
ー（例えば、ポリブタジエン、ポリイソプレン、及びネ
オプレン）、及びポリウレタンがある。他の好ましいも
のには、例えば、PENの共重合体（例えば、2,6−、1,4
−、1,5−、2,7−、及び／または2,3−ナフタリンジカ
ルボン酸またはそのエステルと、（ａ）テレフタル酸ま
たはそのエステル、（ｂ）イソフタル酸またはそのエス
テル、（ｃ）フタル酸またはそのエステル、（ｄ）アル
ケングリコール、（ｅ）シクロアルケングリコール（例
えば、シクロヘキサンジメタノールジオール）、（ｆ）
アルケンジカルボン酸、及び／または（ｇ）シクロアル
ケンジカルボン酸（例えば、シクロヘキサンジカルボン
酸）と、の共重合体）、ポリアルキレンテレフタレート
の共重合体（例えば、テレフタル酸またはそのエステル
と、（ａ）ナフタリンジカルボン酸またはそのエステ
ル、（ｂ）イソフタル酸またはそのエステル、（ｃ）フ
タル酸またはそのエステル、（ｄ）アルケングリコー
ル、（ｅ）シクロアルケングリコール（例えば、シクロ
ヘキサンジメタノールジオール）、（ｆ）アルケンジカ
ルボン酸、及び／または（ｇ）シクロアルケンジカルボ
ン酸（例えば、シクロヘキサンジカルボン酸）と、の共
重合体、及びスチレン共重合体（例えば、スチレン−ブ
タジエン共重合体及びスチレン−アクリロニトリル共重
合体、4,4'−ビベンゾイック（bibenzoic）酸及びエチ
レングリコールがある。さらに、個々の層は、それぞ
れ、上述した重合体または共重合体の２つ以上の混合体
（例えば、SPSとアタクティックポリスチレンの混合
体）を含ませることができる。

偏光子の場合に特に好ましい層の組み合わせには、PE
N/coPEN、ポリエチレンテレフタレート（PET）/co−PE
N、PEN/SPS、PET/SPS、PEN/イーステア（Eastair）、及
びPET/イーステアが含まれる。ここで、「co−PEN」
は、（上述した）ナフタリンジカルボン酸を基にした共
重合体または混合体を言い、イーステアは、イーストマ
ン・ケミカル・カンパニーから入手可能なポリシクロヘ
キサンジメチレンテレフタレートである。

鏡の場合に特に好ましい層の組み合わせには、PET/エ
クデル（Ecdel）、PEN/エクデル、PEN/SPS、PEN/THV、P
EN/co−PET、及びPET/SPSが含まれる。ここで、「co−P
ET」は、（上述した）テレフタル酸を基にした共重合体
または混合体を言い、エクデルはイーストマン・ケミカ
ル・カンパニーから入手可能な熱可塑性ポリエステルで
あり、THVはスリーエム・カンパニーから入手可能なフ
ルオロポリマーである。

この装置の層の数は、経済的な理由で、最小限の数の
層で所望の光学特性が得られるように選択される。偏光
子と鏡の両方のケースで、層の数は10,000よりも少ない
ことが好ましく、より好ましくは5,000よりも少なく、
（さらに好ましくは）2,000よりも少ない。

上述したように、種々の屈折率の間の所望の関係（し
たがって多層装置の光学特性）を達成する能力は、多層
装置を製作するのに使用される処理条件によって影響さ
れる。延伸によって方向づけることができる有機ポリマ
ーの場合、この装置は、多層フィルムを形成するために
個々のポリマーを同時に押出成形し、選定された温度で
延伸することによってフィルムを配向し、さらに、その
後に、必要に応じて選定された温度でヒートセットする
ことによって、作成される。また、押出成形と配向ステ
ップは同時に行うことができる。偏光子の場合、フィル
ムは実質的に一方向（１軸方向）へ延伸され、鏡の場
合、フィルムは実質的に２方向（２軸方向）へ延伸され
る。

フィルムは、延伸交差方向において、延伸交差の自然
な減少（延伸率の平方根と等しい）から、圧縮される
（すなわち、延伸交差方向の寸法に実質的な変化はな
い）まで、寸法的な弛緩が可能なようになっている。フ
ィルムは、レングスオリエンター（length orienter）
を使って機械の方向へ、テンターを使って幅方向へ、あ
るは斜め方向へ延伸できる。

予延伸温度、延伸温度、延伸速度、延伸率、ヒートセ
ット温度、ヒートセット時間、ヒートセット緩和、及び
延伸交差緩和は、所望の屈折率の関係を有する多層装置
を生産するために選定される。これらの変数は相互依存
しており、したがって、例えば、比較的遅い延伸速度
は、例えば比較的低い延伸温度と一緒であれば使用する
ことができる。所望の多層装置を得るためにこれらの変
数の適当な組み合わせをどのように選択するかは、当業
者であれば明らかであろう。しかし、一般に、1:2〜10
（より好ましくは1:3〜７）の延伸率が、偏光子の場合
には、好ましい。鏡の場合には、一方の軸に沿った延伸
率が1:2〜10（より好ましくは1:2〜８、最も好ましくは
1:3〜７）の範囲内で、第２の軸に沿った延伸率が1:−
0.5〜10（より好ましくは1:1〜７、最も好ましくは1:3
〜６）の範囲内である。

好適な多層装置は、スピンコーティング（例えば、ジ
ェイ・ポリム・サイエンス（J.polym.Sci）Ｂ巻30:1321
（1992）（ボーズ（Boese）他）に記載されている）や
真空蒸着などの技術を使って製作することもできる。後
者の技術は、結晶質ポリマーの有機及び無機材料の場合
に特に有用である。

次に、以下の実施例によって本発明を説明する。この
実施例において、光学吸収は無視できるので、反射率は
１から透過率を引いたもの（Ｒ＝１−Ｔ）に等しい。

鏡の実施例 PET:エクデル,601 601層を含む同時押出成形のフィルムを、連続したフ
ラットフィルム製造ライン上で、同時押出成形工程によ
り作成した。固有粘度が0.6dl/g（60重量％のフェノー
ル/40重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンテレ
フタレート（PET）を一つの押出成形機から１時間に75
ポンドの速度で押し出し、エクデル9966（イーストマン
・ケミカルから入手可能な熱可塑性エラストマー）を、
他の押出成形機から１時間に65ポンドの速度で押し出し
た。PETは、表面層に用いた。601層の押し出し物を製造
する２つのマルチプライヤーに通される151層を作り出
すため、（米国特許第3,801,429号に記載されているよ
うな）フィードブロック（feedblock）法を使用した。
米国特許3,565,985号は、代表的な同時押出成形のマル
チプライヤーを説明している。ウェブは、約210゜Fのウ
ェブ温度で、約3.6の延伸率まで長さ配向（length orie
nt）された。フィルムは、続いて、約235゜Fに約50秒間
予熱され、１秒当たり約６％の割合で約4.0の延伸率ま
で横方向に延伸された。このフィルムは、さらに、400
゜Fにセットされたヒートセットオーブンのなかで、そ
の最大幅の約５％弛緩された。完成したフィルムの厚さ
は2.5ミルであった。

製造された成形ウェブは、空気側の面の組織が粗く、
図26に示したような透過率を備えていた。60゜の角度
（曲線ｂ）でのｐ偏光の透過率％は、直角入射（曲線
ａ）での値と同様であった（波長シフト）。

比較のため、メアール・コーポレイション（Mearl Co
rporation）によって製造された、等方性材料と推定さ
れるフィルム（図27参照）は、ｐ偏光に関し、60゜の角
度で、反射率の顕著な損失を示している（曲線ｂ、直角
入射の曲線ａと比較）。

PET:エクデル,151 151層を含む同時押出成形のフィルムを、連続したフ
ラットフィルム製造ライン上で、同時押出成形工程によ
り作成した。固有粘度が0.6dl/g（60重量％のフェノー
ル/40重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンテレ
フタレート（PET）を一つの押出成形機から１時間に75
ポンドの速度で押し出し、エクデル9966（イーストマン
・ケミカルから入手可能な熱可塑性エラストマー）を、
他の押出成形機から１時間に65ポンドの速度で押し出し
た。PETは、表面層に用いた。151層を作り出すため、フ
ィードブロック法を使用した。ウェブは、約210゜Fのウ
ェブ温度で、約3.5の延伸率まで長さ配向された。フィ
ルムは、続いて、約215゜Fに約12秒間予熱され、１秒当
たり約25％の割合で約4.0の延伸率まで横方向に延伸さ
れた。このフィルムは、さらに、400゜Fにセットされた
ヒートセットオーブンのなかで、約６秒間、その最大幅
の約５％弛緩された。完成したフィルムの厚さは0.6ミ
ルであった。

このフィルムの透過率を図28に示している。60゜の角
度（曲線ｂ）でのｐ偏光の透過率％は、波長をシフトし
た直角入射（曲線ａ）での値と同様であった。同じ押出
条件でウェブ速度を落として、厚さが約0.8ミルの赤外
線フィルムを作成した。その透過率を図29に示してい
る。（直角入射の曲線ａ、60度での曲線ｂ）。

PEN:エクデル,225 225層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキ
ャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室
のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成し
た。固有粘度が0.5dl/g（60重量％のフェノール/40重量
％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート
（PEN）を一つの押出成形機から１時間に18ポンドの速
度で押し出し、エクデル9966（イーストマン・ケミカル
から入手可能な熱可塑性エラストマー）を、他の押出成
形機から１時間に17ポンドの速度で押し出した。PEN
は、表面層に用いた。225層の押し出し物を製造する２
つのマルチプライヤーに通される57層を作り出すため、
フィードブロック法を使用した。成形されたウェブは、
厚さが12ミルで、幅が12インチであった。ウェブは、そ
の後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定の割合で両
方向に同時に延伸するためのパンタグラフを使う研究室
延伸装置を用いて２軸方向に配向した。7.46cm平方のウ
ェブを100℃で延伸器にローディングし、130℃に60秒間
加熱した。その後、延伸を（元の寸法に基づいて）100
％/secで開始し、サンプルを約3.5×3.5に伸ばした。延
伸後すぐに、サンプルを、室温の空気を吹き付けること
によって冷却した。

図30は、この多層フィルムの光学応答性を示している
（直角入射の曲線ａ、60度の曲線ｂ）。ｐ偏光の透過率
％が、60゜の角度で、（いくぶん波長をシフトした状態
での）直角入射の場合と同様であることに注目された
い。

PEN:THV 500,449 449層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキ
ャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室
のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成し
た。固有粘度が0.53dl/g（60重量％のフェノール/40重
量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート
（PEN）を一つの押出成形機から１時間に56ポンドの速
度で押し出し、THV500（ミネソタ・マイニング・アンド
・マニュファクチュアリング・カンパニーから入手可能
なフルオロポリマー）を、他の押出成形機から１時間に
11ポンドの速度で押し出した。PENは、表面層に用い、P
ENの50％を２つの表面層に用いた。449層の押し出し物
を製造する２つのマルチプライヤーに通される57層を作
り出すため、フィードブロック法を使用した。キャスト
ウェブは、厚さが20ミルで、幅が12インチであった。ウ
ェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定
の割合で両方向に同時に延伸するためのパンタグラフを
使う研究室延伸装置を用いて２軸方向に配向した。7.46
cm平方のウェブを100℃で延伸器にローディングし、140
℃に60秒間加熱した。その後、延伸を（元の寸法に基づ
いて）10％/secで開始し、サンプルを約3.5×3.5に伸ば
した。延伸後すぐに、サンプルを、室温の空気を吹き付
けることによって冷却した。

図31は、この多層フィルムの透過率を示している。こ
の場合も、曲線ａは直角入射での反応を示し、曲線ｂは
60度での反応を示している。

偏光子の例 PEN:CoPEN,449−−ローカラー 449層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキ
ャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室
のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成し
た。固有粘度が0.56dl/g（60重量％のフェノール/40重
量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート
（PEN）を一つの押出成形機から１時間に43ポンドの速
度で押し出し、固有粘度が0.52（60重量％のフェノール
/40重量％のジクロロベンゼン）のCoPEN（70mol％の2,6
NDCと30mol％のDMT）を、他の押出成形機から１時間に2
5ポンドの速度で押し出した。PENは、表面層に用い、PE
Nの40％を２つの表面表面層に用いた。449層の押し出し
物を製造する３つのマルチプライヤーに通される57層を
作り出すため、フィードブロック法を使用した。キャス
トウェブは、厚さが10ミルで、幅が12インチであった。
ウェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一
定の割合で一方向へ延伸するとともに他方向へ拘束する
ためのパンタグラフを使う研究室延伸装置を用いて１軸
方向に配向した。7.46cm平方のウェブを100℃で延伸器
にローディングし、140℃に60秒間加熱した。その後、
延伸を（元の寸法に基づいて）10％/secで開始し、サン
プルを約5.5×１に伸ばした。延伸後すぐに、サンプル
を、室温の空気を吹き付けることによって冷却した。

図32は、この多層フィルムの透過率を示している。曲
線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ
偏光の60度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の
直角入射での透過率を示している。直角及び60゜の入射
の両方での非常に高いｐ偏光の透過率に注目されたい
（85〜100％）。空気/PENの境界面が60゜に近いブルー
スター角を有しているために60゜の入射でのｐ偏光の透
過率が高いので、60゜の入射での透過はほぼ100％であ
る。また、曲線ｃによって示したｓ偏光の可視範囲（40
0〜700nm）での高い吸光度にも注目されたい。

PEN及びCoPEN,601−−ハイカラー 601層を含む同時押出成形のフィルムを、ウェブを押
出成形し、その二日後に、フィルムを他の実施例で説明
したものとは別のテンター（幅出し機）で配向すること
によって作成した。固有粘度が0.5dl/g（60重量％のフ
ェノール/40重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレ
ンナフタレート（PEN）を一つの押出成形機から１時間
に75ポンドの速度で押し出し、固有粘度が0.55（60重量
％のフェノール/40重量％のジクロロベンゼン）のCoPEN
（70mol％の2,6NDCと30mol％のDMT）を、他の押出成形
機から１時間に65ポンドの速度で押し出した。PENは、
表面層に用いた。601層の押し出し物を製造する２つの
マルチプライヤーに通される151層を作り出すため、フ
ィードブロック法を使用した。米国特許第3,565,985号
は、同様の同時押出成形用マルチプライヤーを説明して
いる。全ての延伸はテンターの中で行った。フィルムは
約280゜Fに20秒間予熱され、１秒間に約６％の割合で、
約4.4の延伸率に横方向へ延伸された。その後、フィル
ムは、460゜Fにセットされたヒートセットオーブンの中
で、その最大幅の約２％弛緩された。完成したフィルム
の厚さは1.8ミルであった。

このフィルムの透過率を図33に示している。曲線ａは
ｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ偏光の
60度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の直角入
射での透過率を示している。直角及び60゜の入射の両方
でのｐ偏光の不均一な透過率に注目されたい。また、曲
線ｃによって示したｓ偏光の可視範囲（400〜700nm）で
の不均一な吸光度にも注目されたい。

PET:CoPEN,449 449層を含む同時押出成形のフィルムを、一工程でキ
ャストウェブを押出成形し、その後、フィルムを研究室
のフィルム延伸装置の中で配向することによって作成し
た。固有粘度が0.60dl/g（60重量％のフェノール/40重
量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナフタレート
（PET）を一つの押出成形機から１時間に26ポンドの速
度で押し出し、固有粘度が0.53（60重量％のフェノール
/40重量％のジクロロベンゼン）のCoPEN（70mol％の2,6
NDCと30mol％のDMT）を、他の押出成形機から１時間に2
4ポンドの速度で押し出した。PETは、表面層に用いた。
449層の押し出し物を製造する３つのマルチプライヤー
に通される57層を作り出すため、フィードブロック法を
使用した。米国特許第3,565,985号は、同様の同時押出
成形用のマルチプライヤーを説明している。キャストウ
ェブは、厚さが7.5ミルで、幅が12インチであった。ウ
ェブは、その後、フィルムの正方形部分をつかみ、一定
の割合で一方向へ延伸するとともに他方向へ拘束するた
めのパンタグラフを使う研究室延伸装置を用いて１軸方
向に配向した。7.46cm平方のウェブを100℃で延伸器に
ローディングし、120℃に60秒間加熱した。その後、延
伸を（元の寸法に基づいて）10％/secで開始し、サンプ
ルを約5.0×１に伸ばした。延伸後すぐに、サンプル
を、室温の空気を吹き付けることによって冷却した。完
成したフィルムの厚さは約1.4ミルであった。このフィ
ルムは、層の剥離を生じる事なく配向工程を乗り切るの
に十分な接着性を有していた。

図34は、この多層フィルムの透過率を示している。曲
線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ
偏光の60度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の
直角入射での透過率を示している。直角及び60゜の入射
の両方での非常に高いｐ偏光の透過率に注目されたい
（80〜100％）。

PEN:coPEN,601 601層を含む同時押出成形のフィルムを、連続したフ
ラットフィルム製造ライン上で、同時押出成形工程によ
って作成した。固有粘度が0.54dl/g（60重量％のフェノ
ールと40重量％のジクロロベンゼン）のポリエチレンナ
フタレート（PEN）を一つの押出成形機から１時間に75
ポンドの速度で押し出し、coPENを、他の押出成形機か
ら１時間に65ポンドの速度で押し出した。coPENは、70m
ol％の2,6ナフタレートジカルボン酸メチルエステル
と、15％のジメチルイソフタレートと、エチレングリコ
ールを含む15％のジメチルテレフタレートの共重合体で
あった。151層を作り出すため、フィードブロック法を
用いた。フィードブロックは、PENに1.22でcoPENに1.22
の光学層の厚さの割り当て量で、層を勾配分布（gradie
nt distribution）するように構成された。PENの表面層
は、光学スタックの外面で同時押出成形し、同時押出成
形層の８％の全厚であった。光学スタックは、２つの連
続したマルチプライヤーで複合化した。マルチプライヤ
ーの公称複合比は、それぞれ、1.2及び1.22であった。
このフィルムを、続いて、310゜Fに約40秒間予熱し、１
秒間に６％の割合で、5.0の延引率まで横方向へ延引し
た。完成したフィルムの厚さは約２ミルであった。

図35は、この多層フィルムの透過率を示している。曲
線ａはｐ偏光の直角入射での透過率を示し、曲線ｂはｐ
偏光の60度の入射での透過率を示し、曲線ｃはｓ偏光の
直角入射での透過率を示している。直角及び60゜の入射
の両方での非常に高いｐ偏光の透過率に注目されたい
（80〜100％）。また、曲線ｃによって示したｓ偏光の
可視範囲（400〜700nm）での非常に高い吸光度にも注目
されたい。吸光度は、500と650nmの間でほぼ100％であ
る。

57層のフィードブロックを使用したこれらの例では、
全ての層はただ一つの光学的厚さ（550nmの1/4）に構成
したが、押出成形装置により、スタックじゅうの層の厚
さにずれを生じ、かなり広帯域の光学反応が生じる結果
となった。151層のフィードブロックで作られた実施例
に関し、フィードブロックは、可視スペクトルの一部を
カバーするために層の厚さを区分けするように構成され
ている。そして、非対称の多層を、層の厚さの分布を広
げるために使用し、米国特許第5,094,788号及び第5,09
4,793号で記載されているように可視スペクトルのほと
んどをカバーした。

多層フィルムの光学的作用に関する上述の原理と例
は、図１〜３、６、９〜11または13に示したディスプレ
イの形態のどれにでも適用することができる。図１〜３
に示したようなディスプレイにおいては、反射偏光子が
LCDパネルと光学キャビティの間に位置している場合、
ハイカラー偏光子が使われるであろう。ハイカラー偏光
子は、広い角度で光を均一に透過しないので、不均一な
外観を呈し、軸ずれで「色のついた」状態となる。しか
し、高度に平行にした光線が望まれるこれらの用途で
は、ハイカラーの反射偏光子の軸ずれ性能はさほど重要
ではない。

また、反射偏光子とLCDパネルの間にディフューザー
を配置する用途においては、広角度のローカラー偏光子
が望ましい。この構成において、ディフューザは、反射
偏光子から入射した光の方向をランダム化するように作
用する。反射偏光子がハイカラーであった場合は、反射
偏光子によって生じた軸ずれの色のいくらかが、ディフ
ューザーによって直角に向かって再度方向づけられる。
このことは、直角の観察角度でディスプレイが不均一な
外観となるので望ましくない。したがって、反射偏光子
とLCDパネルの間にディフューザーが配置されているデ
ィスプレイに関しては、ローカラーで広角度の偏光子が
好ましい。

図１〜３に示したディスプレイにおける、ローカラー
で広角度の偏光子の他の利点は、望ましくない偏光が、
直角の入射角度だけでなく、非常に大きな軸ずれ角度で
も反射することである。このことにより、光のさらなる
ランダム化と再循環が生じ、その結果、ディスプレイシ
ステムにおける明るさが増すことになる。

図９及び10に示したディスプレイの構成に関しては、
LCDパネルと光学キャビティの間に明るさ増進型反射偏
光子が配置されている。これらの構成においては、ロー
カラーで広角度の反射偏光子が好ましい。このことは、
構造面材料の光線ターン効果によるものである。この効
果は、図７に関して説明することができる。明るさ増進
型反射偏光子では、光は、まず反射偏光エレメントを透
過する。したがって、図７に示した光線236のように大
きな軸ずれ角を有する光線は、反射偏光エレメントを透
過して構造面材料218の平坦面に当たる。図７は、構造
面材料218が、光線236を、この材料の構造面側から出る
ときに直角方向に向け直す光線ターンレンズとして作用
することを示している。したがって、ローカラーで広角
度の反射偏光子が明るさ増進型反射偏光子として好まし
く、それは、そうでなければ望ましくない色の光が観察
者の通常の観察角度に向けられるためである。広角度で
ローカラーの反射偏光子を使用することによって、通常
の観察角度でのディスプレイの均一性が維持される。

したがって、明るさ増進型反射偏光子は、直角からず
れた角度でのブルースター効果を導入することによって
軸ずれの色が減じられる、図23〜25、特に図24に関する
上述の説明から利益を得ることができる。上述したよう
に、このことは、多層になった反射偏光子の層の間でｙ
屈折率を不一致にすることと、層の間でｚ屈折率の不一
致を小さくすることによって達成される。したがって、
明るさ増進型反射偏光子のあらゆる所望の組み合わせ
は、（90゜の構造面材料に関して図７及び８に示したよ
うな各光学作用が与えられた）構造面材料のプリズムの
角度を調整することによって、（図23〜25に関して上述
したようにこの作用を調整できるので）ｙ屈折率を不一
致にするとともにｚ屈折率の不一致を小さくすることに
よって調整可能な所望の軸ずれの色の性能まで、行うこ
とができる。

図11に示したようなディスプレイの構成において、反
射偏光子は、構造面の高光度フィルムとLCDパネルの間
に配置される。この構成において、反射偏光子の拘束
は、ハイカラーまたはローカラーに関して限定的ではな
い。このことは、構造面材料の光線パターン効果による
ものである。構造面材料が光を直角方向へ向けて光を非
常に広角度では透過しないため（例えば図８参照）、ロ
ーカラーで広角度の反射偏光子は必ずしも必要ではな
い。この効果は、構造面材料の交差した２つのピースが
反射偏光子の後ろに配置された、図13のディスプレイに
おいてより顕著である。この結果、反射偏光子に入射し
た光の二次元視準が生じる。

例示的な実施例に関して本発明を説明したが、添付の
請求の範囲に規定されている本発明の本質と範囲から逸
脱することなく種々の変更が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者オウダーカーク、アンドリュー・ジェイアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (72)発明者ウェバー、マイケル・エフアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (72)発明者ジョンザ、ジェームス・エムアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (72)発明者ストーバー、カール・エイアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (72)発明者コブ、サンフォード・ジュニアアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (72)発明者ウォートマン、デビッド・エルアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (72)発明者ベンソン、オレスター・ジュニアアメリカ合衆国 55133−3427ミネソタ州、セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427番（番地の表示なし) (56)参考文献特開平６−51399（ＪＰ，Ａ) 特開平５−203950（ＪＰ，Ａ) 欧州公開573905（ＥＰ，Ａ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】以下を含むディスプレイ：（ａ）ディスプレイモジュール；（ｂ）エッジ照射式のバックライト；（ｃ）前記バックライトと前記ディスプレイモジュー
ルとの間に配置された幾何学的な構造面を有する材料；
及び（ｄ）前記バックライトと前記ディスプレイモジュー
ルの間に配置された反射偏光子であって、その反射偏光
子が、第一の偏光状態の光がリサイクルするためにバッ
クライトの方向へ反射され、第二の偏光状態の光が反射
偏光子を通過するように配置された複屈折性材料を有し
多層構造である反射偏光子。
【請求項２】幾何学的な構造面を有する材料が、バック
ライトと反射偏光子との間に配置された請求項１に記載
されたディスプレイ。
【請求項３】ディスプレイモジュールの反射偏光子側に
配置された吸収偏光子をさらに含む請求項１又は請求項
２に記載されたディスプレイ。
【請求項４】幾何学的な構造面を有する材料が、その幾
何学的構造面を有する材料の表面に配置された複数のプ
リズムを含む請求項１〜３のいずれかに記載されたディ
スプレイ。
【請求項５】複数のプリズムがディスプレイモジュール
に対面している請求項４に記載されたディスプレイ。
【請求項６】反射偏光子が、ローカラーで、広角度の偏
光子を含む請求項１〜５のいずれかに記載されたディス
プレイ。