JP3687976B2 - 反射状態と透過状態との間で切換可能な光学パネル - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、反射状態と透過状態との間で切換ができる光学装置に関する。本発明は、また、それぞれがそのような切換可能な光学装置を有する、切換可能な窓および透過反射型の光学ディスプレイにも関連する。
発明の背景
開放(透過)状態と閉鎖(非透過)状態との間で切換が可能な窓は、通常、人から見られないようにする窓や、人から見られないようにするカーテンに使用されている。現在、このような窓に使われている技術は、一般に、光吸収、あるいは光散乱の仕組みを基にしている。光吸収を行う窓が閉鎖状態にあるとき、この窓に入射する光の大部分は吸収され、この窓は黒く不透明になる。このタイプの窓は、日光に当たると、過熱状態になって望ましくない。このような窓の例としては、エレクトロクロミックデバイスや、光吸収をする偏光子を有する液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)のシャッタがある。
光散乱機構を採用する窓は、閉鎖状態にあるとき、光を前方に分散させるように散乱させ、この窓が白く見えるようにする。従って、この窓は実質的には入射光を阻止しているのではないので、家庭やオフィスビルなどの建物におけるエネルギー制御には向いていない。このような窓がアメリカ合衆国特許第４，４３５，０４７号に述べられている。
ＬＣＤなどの光学ディスプレイは、ラップトップ・コンピュータ、手持ち型電卓、ディジタル時計などに広く使用されている。従来のＬＣＤ組立品では、電極マトリクスを有する液晶パネルが前部吸収偏光子と後部吸収偏光子との間に配置されている。ＬＣＤにおいては、電界を印加すると、液晶が部分的にその光学状態を変える。このプロセスによって、偏光内の情報の画素、即ちピクセルを表示するのに必要なコントラストを生じさせるのである。
通常、吸収偏光子には２色性色素(dichroic dyes)を使用し、これが１つの偏光方向の光をこの方向と直交する偏光方向より強く吸収する。一般に、前部偏光子の透過軸は後部偏光子の透過軸に対して“クロス”している。その角度は、０〜９０度とすることができる。
光学ディスプレイは、光源によって分類することができる。反射型ディスプレイは、このディスプレイに前方から入ってくる周辺光によって照らされる。通常、ブラシ研磨仕上げのアルミニウムの反射器がＬＣＤ組立品の後ろに配置されている。その反射面は、そこに入射した光をその偏光方向を維持しながらＬＣＤ組立品へと反射する。
周辺光の強さが見るのに不十分な利用分野では、反射面の代わりにバックライトを使うのが普通である。典型的なバックライト組立品は、光学的な空洞と、ランプあるいは光を発するその他の装置を含んでいる。ラップトップ・コンピュータなどの可搬型表示装置の場合は、バックライトは電池で駆動される。周辺光照明、バックライト照明のいずれの条件でも見るようにされたディスプレイは“透過反射型(transflective)”と呼ばれる。透過反射型ディスプレイに関する１つの問題は、通常のバックライトが従来からあるブラシ研磨仕上げのアルミニウム表面ほどに効率的な反射要素ではないということである。また、バックライトも光の偏光を不揃いにし、よって、ＬＣＤを照らすための光量を減少させてしまう。従って、ＬＣＤ組立品にバックライトを加えると、周辺光の下で見たときディスプレイが暗くなってしまうのである。
受動型透過反射器を透過反射型ディスプレイのＬＣＤとバックライトの間におくと、周辺光照明、バックライト照明のいずれの条件の下でも輝度を改善することができる。受動型透過反射器は、単一状態において、透過器および反射器の両方として動作する光学装置である。残念ながら、受動型透過反射器は、いずれの場合でも効率が悪く、通常、バックライトの光を３０％しか通さないし、周辺光を６０％しか反射せず、残りの１０％は吸収してしまう。
第３のタイプの光学ディスプレイは、周辺光のレベルに関係なく、そのディスプレイが作動しているときはいつもオンになっている専用バックライトを組み込んでいる。このようなバックライトは、可搬型のディスプレイデバイスの電池を著しく浪費してしまうことになる。
発明の要約
本発明によって提供される装置は、第１および第２の主表面を有する透明な光学的活性層と、第１主表面に配置されている第１反射偏光子と、第２主表面に配置されている第２反射偏光子と、を有する切換可能な光学パネルを備える。本発明の装置は、また、反射状態と透過状態との間でこのパネルを切り換える手段も有している。
ある実施態様においては、光学的活性層は液晶デバイスを備えており、この液晶デバイスは、平行に整合されてその間に空洞を規定する１対の透明基板を備えている。基板は、空洞に面する内面と外面とを有している。液晶デバイスは、各基板の内面に設けられた導電材料と、前記空洞に封入された液晶材料とをさらに含んでいる。この実施態様では、切換手段は、導電材料に接続されて液晶デバイスに電圧を印加する駆動エレクトロニクスのシステムである。導電材料は、アドレス可能な薄膜電極のマトリクスを各基板内面上に備えてピクセル化された液晶デバイスを形成していてもよいし、または、各基板内面上に連続した透明導電層を備えていてもよい。液晶デバイスはツイステッド・ネマチック液晶デバイスであることが好ましい。
第１および第２反射偏光子は、それぞれ、隣接する材料層のペアを多数積層して構成されることが好ましい。各ペア層の隣接する層は、偏光子の面内の第１の方向における屈折率が異なり、偏光子の面内で第１の方向に直交する第２の方向においては屈折率が本質的に異ならないことが好ましい。
最も好ましくは、本発明の装置は、ツイステッド・ネマチック液晶デバイスを備える切換可能な光学パネルを備える。ツイステッド・ネマチック液晶デバイスは、平行に整合されてその間に空洞を規定する第１および第２の透明基板であって、各基板が外面と内面を有している基板と、この空洞に閉じこめられている液晶材料と、を有する。この液晶デバイスは、さらに、基板内面に設けられた連続的な透明導電層と、第１基板の外面に設けられた第１の反射偏光子と、第２基板の外面に設けられた第２の反射偏光子と、を備えている。第１および第２の反射偏光子のそれぞれが、少なくとも１００のペア層を積層して構成されており、各ペア層が他のポリマー層に隣接する複屈折層を有しており、該ポリマー層は等方性または複屈折層である。この装置は、パネルの導電層に接続された駆動エレクトロニクスのシステムをさらに備えており、これによって、パネルを反射状態と透過状態との間で電子的に切り換えることができるようにしている。
代わりの構成として、本発明の装置は、液晶デバイスを備える切換可能なパネルを備えていてもよい。液晶デバイスは、平行に整合されてその間に空洞を規定する１対の反射偏光子であって、各反射偏光子のそれぞれがこの空洞に面する内面と外面とを有している反射偏光子を備えている。液晶デバイスは、さらに、空洞に閉じ込められた液晶材料と、反射偏光子内面に設けられた透明導電層と、を備えている。この装置は、導電層に接続された駆動エレクトロニクスのシステムをさらに備えており、これによって、パネルを反射状態と透過状態との間で電子的に切り換えることができるようにしている。
本発明により、前述の切換可能な光学パネルと、このパネルに電界をかけてオープン状態とクローズド状態との間で切り換えるための手段と、を備えた切換可能な窓がさらに提供される。切換可能な光学パネル内の各反射偏光子は、前述のような多層シートであることが好ましい。この窓は、切換可能な光学パネルに対して平行かつ近傍に配置された少なくとも１枚の透明窓ガラスをさらに含む。
この窓は、“ノーマリー・オープン”あるいは“ノーマリー・クローズド”の構成にすることができる。ノーマリー・オープンの構成では、電界がかかっていなければ窓は透過性となり、一方、ノーマリー・クローズドの構成では、電界がかかっていなければ窓は非透過性となる。
本発明により、オープン状態とクローズド状態との間で機械的に切り換えることができる窓がさらに提供される。この窓は、第１および第２の主表面を有する第１の透明窓ガラスと、第１の透明窓ガラス上に設けられた第１の反射偏光子と、少なくとも１つのシャッタと、を備えている。シャッタは、第２の透明窓ガラスと、第２の透明窓ガラス上に設けられた第２の反射偏光子と、第２の透明ガラス上であって第２反射偏光子とは反対側に設けられた光学的活性層と、を備えている。この窓は、シャッタを回転させる手段をさらに備えており、該手段は、光学的活性層または第２反射偏光子のいずれかを第１反射偏光子に隣接しこれと平行に位置せしめる。
本発明の切換可能な窓においては、ビル、家および自動車において他から見られないようにすること、光を制御することおよびエネルギー制御をすることを目的として、窓の透過率を電子的または機械的に制御することができる。この窓は、外光をさほど吸収せず、したがって、過剰に加熱されることのない光学吸収窓を提供する。
本発明により、液晶ディスプレイデバイスと、液晶ディスプレイデバイスを照らすバックライトと、液晶ディスプレイデバイスとバックライトとの間に配置された光学ディフューザと、光学ディフューザとバックライトとの間に配置された切換可能な透過反射器と、を備えた透過反射型光学ディスプレイがさらに提供される。液晶ディスプレイデバイスは、前部吸収偏光子と、後部吸収偏光子と、これらの間に配置されたピクセル化された液晶ディスプレイデバイスと、を備えている。切換可能な透過反射器は、後部吸収偏光子に隣接する前面と、後面とを有する、ピクセル化されていない液晶デバイスを備えている。この液晶デバイスは、前面に関しては前部整合方向を、後面に関しては後部整合方向を有しており、さらに、ピクセル化されていない液晶デバイスの後面上でバックライトに近接して配置された反射偏光子を有している。この光学ディスプレイは、透過反射器を反射状態と透過状態との間で電子的に切り換える手段をさらに備えている。後部吸収偏光子の偏光方向は、液晶デバイスの前部整合方向と平行とされている。各反射偏光子は、前述の多層シートで構成されることが好ましい。
切換可能な透明反射器は、透過態でも反射状態でも効率がよいので、本発明の透明反射型光学ディスプレイは、光源の種類に関わらず、ＬＣＤを照らす光の少なくとも８０％を利用することができる。透明反射器の効率がよいので、通常の周辺光の条件の下ではバックライトを消して、電池の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の１つの実施態様による切換可能な光学装置の略斜視図である。
図２は、本発明において使用される反射偏光子の１部分の略斜視図である。
図３は、本発明の１つの実施態様による切換可能な光学パネルの略斜視図である。
図４は、電界が印加された後における図３のパネルの略斜視図である。
図５は、本発明の１つの実施態様による切換可能な窓の略側面図である。
図６ａ、６ｂ、７ａおよび７ｂは、図５の切換可能な窓の動作を示す略側面図である。
図８は、本発明の１つの実施態様による切換可能な窓の略斜視図である。
図９は、本発明の１つの実施態様による透過反射型光学ディスプレイの略側面図である。
図１０および１１は、図９の透過反射型光学ディスプレイの動作を示す略側面図である。
図１２−１４には、それぞれ、例１−３の反射偏光子の光学的性能を示している。
詳細な説明
本発明の装置は、２つの主表面を有する透明な光学的活性層と、一方の主表面に配置されている第１反射偏光子と、他方の主表面に配置されている第２反射偏光子と、を含む切換可能な光学パネルを備えている。この装置は、また、反射状態と透過状態との間でこのパネルを切り換える手段も有している。
図１に、この装置の好適実施態様を示している。装置８は切換可能な光学パネル１０を含み、このパネルにおいては、光学的活性層は液晶デバイス１２で構成されている。液晶デバイス１２は、互いに間隔をおいて平行に重ねられた１対の透明な平面基板１４および１６を有している。基板の周縁は、接着シール剤(図示していない)で接着・密封され、閉塞空洞を形成している。この空洞には液晶材料１８が満たされている。導電材料が基板の内面に設けられており、液晶材料に対して電圧を印加できるようにしている。導電材料は、図１に示している連続した透明導電層２０、２２の形態、またはアドレス可能な薄膜電極のマトリクスであり、ピクセル化された液晶デバイスを形成する。ピクセル化された液晶デバイスは、数千の小さな画素、即ち“ピクセル”からなり、これらは黒、白、あるいはグレーにも見えるようにすることができる。標準的な液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)の部分として使用されると、個々のピクセルを適切に操作して画像を表示することができる。
透明導電層の内面に設けられている整合層(alignment layer)２４および２６によって、各基板との界面における液晶材料１８の配向を所望の向きにすることができる。矢印２８および３０は、電界がかかっていない状態では液晶材料の分子がこの整合層によってほぼ９０°捻られている(ツイスト)のを示している。液晶デバイスは、回転角が０°〜９０°のツイステッド・ネマチック(ＴＮ)液晶デバイスであることが好ましい。回転角は、８０°〜９０°であることがより好ましい。また、液晶デバイスは、１８０°〜２７０°の回転角のスーパー・ツイステッド・ネマチックデバイス(ＳＴＮ)であってもよい。強誘電性ＬＣＤなど、別のタイプのＬＣＤを使うこともできる。
基板１４および１６は、ガラスでもプラスチック材料でも、光学的に透明で、複屈折が少なく、そしてこの切換可能な光学装置の製造中、および使用中に遭遇する条件の下で妥当な寸法安定性を有していればよい。基板同士の間の間隔を均一に保持するために、幾つかある公知の離間方法の内の１つを採用しなければならない。例えば、ビーズあるいは繊維を基板の間の空洞に入れたり、アメリカ合衆国特許第５，２６８，７８２号に述べられているように、少なくとも１枚の基板をモールドして一体になったスペーサリブを形成することもできる。
図１を参照すると、反射偏光子３２および３４が、それぞれ、基板１４および１６の外面に設けられている。概ね、本発明の反射偏光子はランダムに偏光した光から平面偏光成分を分離する働きを有している。ランダムに偏光した光は、偏光状態(ａ)および(ｂ)を有する、同じ大きさの２つの直交する平面偏光成分の合成として見ることができる。最適な条件の下では、反射偏光子は、この偏光子の延伸方向に直交している偏光状態(ａ)の光すべてを透過し、偏光状態(ｂ)の光を反射する。反射偏光子３２の偏光方向は、矢印３０で示した液晶１２の整合方向に対して、平行(ｅモード)または直角(ｃモード)であればよい。反射偏光子３２および３４の偏光方向は、互いに直交(クロス)しているか平行になっていればよい。
装置８は、光学リターダ、例えば負の複屈折光学リターダなどの複屈折補償フィルム(図示していない)を含んでいることが好ましい。複屈折補償フィルムを基板１４と反射偏光子３２との間、および／または基板１６と反射偏光子３４との間に設ける。このフィルムによって、可視波長範囲および非正常角において、装置８が所望の光学特性を維持できる。
図２は、好適な反射偏光子３６の断片の略斜視図である。この図には、ｘ、ｙおよびｚ方向を規定する座標軸系３８を含めている。反射偏光子３６は、異なる２種類の材料を交互に多数積層したものである。図および説明において、これらの材料を材料“Ａ”および材料“Ｂ”と呼ぶ。材料Ａおよび材料Ｂの隣接する層４１および４３は、例示的なペア層４４をなす。ペア層４４の隣接する層４１と４３とでは、ｘ軸方向の屈折率に差があり、ｙ軸方向の屈折率には実質的な差はない。
本発明の装置の好適実施例においては、第１および第２反射偏光子は、それぞれ、材料ＡとＢを交互に多数積層した多層シートで構成されており、各層の平均厚さは０．５μｍを越えない。材料Ｂの層に隣接している材料Ａの層でペア層をなしている。ペア層の数は、約１０〜２０００が好ましく、約２００〜１０００がさらに好ましい。
多層シートは、材料ＡとＢを一緒に押出し成形し、次にｘ方向に一軸延伸して形成する。延伸比は、延伸前の寸法で延伸後の寸法を割算したものと定義されている。延伸比は、好ましくは２：１〜１０：１、更に好適には３：１〜８：１、最も好適には４：１〜７：１、例えば６：１とするのがよい。シートは、ｙ方向には引き延ばさない。材料Ａは、応力を受けて複屈折を示すか、引き延ばされて屈折率が変化するように選定されたポリマ材料である。例えば、材料Ａの一軸延伸シートは、延伸方向に関してｎAxの屈折率(例えば、ｎAx＝１．８８)、その横方向に関してはｎAyの異なる屈折率(例えば、ｎAy＝１．６４)を有している。材料Ａは、延伸方向とこれの横方向との間の屈折率の差(ｎAx−ｎAy)が少なくとも０．０５、好ましくは少なくとも０．１０、更に好適には少なくとも０．２０である。材料Ｂは、多層フィルムを延伸した後も屈折率ｎByが実質的にｎAyに等しくなるように選定されたポリマ材料である。延伸されるとｎBxの値が減少するのが好ましい。
この実施態様の多層シートは、延伸されると、隣接する層間の延伸方向の屈折率に大きな差(Δｎx＝ｎAx−ｎBxと定義される)が生じる。しかし、前記横方向においては、隣接する層間の屈折率の差(Δｎy＝ｎAy−ｎByと定義される)は実質的にはゼロある。これらの光学的特性によって、この多数積層体が反射偏光子として機能し、図２に示している透過軸４０に平行な、ランダムに偏光した光の偏光成分を透過させる。反射偏光子３６を透過した光の部分は、偏光状態(ａ)を有しているものとする。反射偏光子３６を通過しなかった光の部分は、図２に示した消光軸４２に対応している偏光状態(ｂ)を有している。消光軸４２は延伸方向ｘに対して平行である。従って、(ｂ)-偏光は屈折率の差Δｎxによって反射されるのである。反射偏光子は、少なくとも５０％、更に好ましくは少なくとも９０％の(ｂ)-偏光を反射することが好ましい。第３の屈折率の差Δｎzは、反射偏光子の軸外れの反射(off-axis reflectivity)を制御するのに重要である。大きな角度の入射光に対して(ｂ)-偏光を高い割合で消光し、(ａ)-偏光をよく透過するためには、Δｎz＝ｎAz−ｎBzは、０．５Δｎxよりも小さいことが好ましく、０．２Δｎxよりも小さいことがさらに好ましく、０．１Δｎxよりも小さいことが最も好ましい。
このような反射偏光子の光学的挙動と設計は、譲受人による同時係属の１９９５年３月１０日付けのアメリカ合衆国出願番号第０８／４０２０４１号(発明の名称：“光学フィルム”)に更に詳細に述べている。
通常の熟練者であれば、この所望の屈折率関係を達成するための適切な材料を選定することができるであろう。概して、材料Ａは、半晶質ナフタレン・ジカルボキシル酸エステルや、ポリエチレン・ナフタレート(ＰＥＮ)およびその異性体(例えば、２，６−、１，４−、１，５−、２，７−および２，３−ＰＥＮ)などの半晶質のポリマ材料から選定することができる。材料Ａは、また、ポリエチレン・テレフタレート(ＰＥＴ)、ポリエチレン・イソフタレート(ＰＥＩ)およびＰＥＮ、ＰＥＴおよびＰＥＩの共重合体などの他の半晶質ポリマ材料から選ぶこともできる。本明細書では、ｃｏＰＥＮはＰＥＮの共重合体を含み、ｃｏＰＥＴはＰＥＴの共重合体を含むものとする。材料Ｂは、半晶質または非晶質のポリマ材料とされる。例えば、シンジオタクチック・ポリスチレン(ｓＰＳ)や、ｃｏＰＥＮ、ｃｏＰＥＴなどの共重合体や、Eastar(イーストマン・ケミカル社から販売されているポリシクロヘキサンジメチレン・テレフタレート)の共重合体などである。上記のｃｏＰＥＮは、少なくとも１成分がナフタレン・ジカルボキシル酸をベースにした高分子で、別の成分がＰＥＴ、ＰＥＮあるいはｃｏＰＥＮなどの他のポリエステル、またはポリカーボネートであるペレットのブレンドであってもよい。材料ＡおよびＢは、一緒に押し出し成形ができるように同じような流動特性(溶融粘性など)を有するように選定することが好ましい。
この反射偏光子は、材料Ａと材料Ｂを一緒に押し出し成形して多層フィルムを形成し、それから所定の温度で実質的に一方向に(一軸方向に)延伸して配光づけを行い、任意ではあるが、続いて所定の温度で熱硬化させて作成する。フィルムは、延伸方向とクロスする方向(延伸方向に直交)においては、該方向での自然縮小(延伸比の平方根に等しい)から該方向での縮小無し(完全な拘束に対応)までの範囲におて寸法的に緩和してもよい。このフィルムは、長手方向配向機によって機械の方向に延伸することもできるし、幅出し機によって幅方向に延伸することもできる。
熟練者にとっては、延伸温度、延伸比、熱硬化温度、および延伸方向とクロスする方向における緩和などのプロセス変数の組み合わせを選定し、所望の屈折率関係を有する反射偏光子を得ることは容易である。
特に好適な実施態様においては、上記のように多層シートが材料ＡとＢのペア層を多数積層したもので構成されており、この積層体が１つまたは２上のペア層セグメントに分割されている。各セグメントは、ある帯域の光に対する反射性が最大となるように設計されている。このことは、各ペア層の複合厚さ(combined thickness)を、そのセグメントに対する帯域幅の中心波長の約半分とすることによって達成される。ペア層の厚さが異なるセグメントを組み合わせることによって、比較的広い帯域幅の光を反射する反射偏光子を得ることができる。
例えば、多層シートには、ペア層の複合厚さが１００ｎｍ〜２００ｎｍである１０のセグメントを含ませることができる。各セグメントは、１０〜５０のペア層を備える。この偏光子は４００〜８００ｎｍの波長の光を反射することが可能である。あるいは、ペア層の厚さを１００〜２００ｎｍまで連続的に変化させることもできる。４００〜２０００ｎｍの波長の範囲に対しては、ペア層の厚さは約１００〜５００ｎｍの範囲にすべきである。
反射偏光子としては、上記の多層光学フィルムが好ましいのであるが、他の反射偏光子を使うこともできる。例えば、ミクロ構造のマクニール偏光子(MacNeille polarizer)や、１／４波長板を取り付けたコレステリック偏光子(cholesteric polarizer)等である。
反射偏光子はＬＣＤに積層しても、ＬＣＤ端部において該ＬＣＤに接着してもよく、あるいは機械的にＬＣＤに固着してもよい。
図１を再び参照すると、リード線２１および２３を介して電源１９など駆動エレクトロニクスシステムを使って導電層２０および２２を介して液晶材料１８に電界を印加することができる。電界を印加すると、全領域の液晶分子は、その誘電的異方性によって再配向されて“非捻れ(アンツイスト、untwist)”となる。この挙動によって、これらの分子は、捻り状態(ツイステッド・ステート、twisted state)にあるときは偏光を９０°回転させ、非捻り状態のときは回転させないで光を透過させる。反射偏光子３２と３４を組み合わせて使用すると、この偏光を回転させる能力によって、切換可能な光学パネル１０を反射状態と透過状態との間で切り換える手段を提供できる。
同じ反射偏光子をペアにして使うと、透過状態から反射状態に切り換えたとき、光学パネルの反射性はほぼ２倍になる(ポリマ材料および導電材料の前面および後面での反射は無視する)。この反射比の値は、反射偏光子の質によって変化することは殆ど無い。しかし、透過状態と反射状態とでの透過比は、２つの偏光子の消光値によって大きく変化する。非常に漏れの大きい偏光子(仮に、偏光を消光する割合が高いもの(完全な消光を１００％とする)に対する消光比率が５０％であるとする)の場合には、透過状態で７５％、反射状態で５０％の光がパネルで通過する。この“漏れの大きい”光学パネルの透過比はわずか１．５である。透過比１．５の光学パネルは、他から見られないようにするシャッタとしてはあまり使いものにならないが、ビルや自動車の外窓として使用すれば、かなりのエネルギー制御を行うことができる。９９．９％消光可能な良好な偏光子では、透過状態での透過が約５０％であるのに対して閉鎖状態での透過はわずか０．１％であり、透過比は５００にもなる。
ある偏光子の消光値は、使用者にとって関心のある光学的帯域によって変わる。レーザ分野にとっては、帯域は狭くて十分である。他から見れないようにする窓の帯域は、少なくとも可視光のスペクトルをカバーしていなければならないし、太陽エネルギー制御の窓は可視光も近赤外部分のスペクトルも両方(４００〜１２００ｎｍ)ともカバーしていることが望ましい。上記の多層フィルム反射偏光子は、上記の帯域はいずれもカバーすることができる。
切換の概念を説明するために、図３に切換可能な光学パネル４６の略斜視図を示している。図３では、偏光状態(ａ)と(ｂ)の両方を含むランダムに偏光した光線４８が反射偏光子５０に当たっている。光線４８に含まれている光のうち、偏光状態(ｂ)を有する光(光線５２で表している)は反射し、偏光状態(ａ)を有する光(光線５４で表している)は反射偏光子５０を透過する。電界が印加されていなければ、液晶５６によって光線５４の偏光状態が約９０°回転し、その後、反射偏光子５８(これは反射偏光子５０に対してクロスしている)を透過する。このように、互いにクロスする反射偏光子５０および５８を有する切換可能光学パネルは、実質的に透過性である。これを“ノーマリー・オープン”状態と称する。最適条件下では、光学的に切換可能なフィルムは５０％の透過性を有する。残留吸収、偏光方向の不完全な回転、前後の反射、および導電層からの反射(図示していない)に起因して、透過は、通常、約２５〜４０％になる。
図４に示しているように切換可能な光学パネル４６に電界を印加すると、光線４８は、反射偏光子５０において透過光線(光線５５として示している)と反射光線５３とに再度分割される。しかしこの状況では、光線５５は回転せずに液晶５６を通過し、反射偏光子５８で反射される。光線６０で示した反射光は、回転せずに液晶５６を再通過し、ついには反射偏光子５０を透過してしまう。このように、切換可能な光学パネル４６は、この状態では殆ど完全な反射性を有する。導電層および反射偏光子における吸収損失は小さく、例えば、１〜５％位である。
切換可能な光学パネル４６の光学的挙動は、反射偏光子５０と５８をクロスさせずに互いに平行に配置することによって変更できる(すなわち、パネルが、電界を印加すると透過性となり、電界がないと反射性となる)ということが理解できるだろう。これを“ノーマリー・クローズド”状態にあると称する。
切換可能な光学パネルの反射性をグレー・スケールに沿って調整可能とすることもまた望ましい。このような調整可能性は、ツイステッド・ネマチック液晶デバイスを使用するとともに印加電圧を変更し、透過光の強度を調整することによって達成できる。しかしながら、このような試みは困難である。何故なら、グレー・スケールを均一にするためには、基板の間隔を正確に均一にし、液晶分子を広い領域にわたって均一に揃えるとともに、均一な温度と電界が必要だからである。これらの条件が少しでも変動すれば、このディスプレイ上での反射性が変動し、斑に見えるようになる。代わりに、ピクセル化した液晶を使用し、ピクセルの一部だけを切り換えれば、肉眼で(離れて)見れば中間調に見える有効なグレー・スケールが得られる。
別の実施態様では、切換可能な光学パネルは、前記の反射偏光子のペアを有し、これらは、互いに間隔をおいて平行に配置され、液晶材料を封入する空洞を形成する。こうすれば、反射偏光子は、前記のような液晶の基板の代わりとして機能する。前記実施態様では基板に連結されていた導電層、整合層、拡散バリヤおよびその他総ての適切な要素が、この実施形態においても含まれるということが理解されるだろう。
本発明の他の実施態様では、前記液晶以外の光学的活性層に、種々の複屈折材料を含めることができる。一軸配向された複屈折熱可塑性プラスチックや、アメリカ合衆国特許第４，４３５，０４７号に開示された切換可能な高分子分散液晶デバイス等である。反射状態から透過状態にフィルムを切り換える手段は、その複屈折材料の特性と、そのフィルムの用途に応じて選択される。例えば、切換えのための手段としては、光学的活性層を延伸してその複屈折を変化させることや、平面偏光の回転を防止するために反射偏光子の間から光学的活性層を除去したりすることを含む。
図５に本発明の切換可能な窓６２の略図を示している。窓６２は、１対の透明な窓ガラス６４および６６と、これらの窓ガラス間に配置されている切換可能な光学パネル６８とを有している。切換可能な光学パネル６８は、前記のように、液晶デバイス７０を備えていることが好ましい。液晶デバイス７０は、１対の平行な透明で平らな基板７２、７４と、これらの基板の間の空洞に封入された液晶材料７６と、基板７２、７４の内面に設けられた導電層７８、８０とで構成される。反射偏光子８２および８４が、それぞれ、基板７２および７４の外面に設けられ、互いにクロスまたは平行とされる。以下の説明においては、反射偏光子８２および８４は平行になっているとする。吸収偏光子８６および８８が、図５に示しているように、反射偏光子８２および８４の表面に配置されることが好ましい。各吸収偏光子の偏光方向は、それが配置されている反射偏光子の透過偏光方向と平行であることが好ましい。導電層７８および８０は、リード線９０および９２等の手段で電源９４に接続されている。
透明な窓ガラス６４および６６は、ガラスか、窓に使用するのに適切な、その他の透明で硬く、気候に対して安定している材料でできていればよい。反射偏光子８２および８４は、それぞれ、前に説明し図２に示したように、ポリマ材料層を交互に多数積層したもので構成されていることが好ましい。吸収偏光子８６および８８は、ヨウ素、または染料を含み配向づけされたポリビニルアルコールをもとにしたダイクロイック偏光子(dichroic polarizer)など、この分野で良く知られたどのようなタイプのものであってよい。代わりの構成として、吸収偏光子は、反射偏光子の表層として含められてもよい。
図６ａ、６ｂ、７ａおよび７ｂに切換可能な窓６２の動作を説明している。図６ａでは、リード線９０および９２を通じて窓に電界が印加され、液晶材料７６が前記のように“非捻れ”とされている。日光など、偏光状態(ａ)と(ｂ)を同じ量だけ含んでいる、ランダムに偏光されている外光９６の例示的な光線が窓ガラス６４全体を通過する。反射偏光子８２によって反射されている光線９６の１部分(良好な反射偏光子では５０％近く)を、偏光状態(ａ)を有する光線９８として示している。残りの光(偏光状態(Ｂ)を有している)は、光線１００として示しているが、吸収偏光子８６と液晶７０を回転せずに通過し、最後には、反射偏光子８４および吸収偏光子８８を透過して室内から見える。この状態では、窓は約５０％の透過性を有するので、この状態を“オープン”状態と呼ぶ。
同じ状態において、ランダムに偏光されている室内光１０２の例示的な光線は、図６ｂに示しているように窓ガラス６６を通過する。(ａ)-偏光を有する光線１０２の成分は、反射偏光子８４に到達する前に吸収偏光子８８で吸収される。光線１０４として示している残りの光は、(ｂ)-偏光を有しており、窓の残りの部分を透過する。従って、吸収偏光子８８は、反射偏光子８４で反射して室内に戻る室内光を吸収し、以て、望ましくない鏡のように見えることを防止する。
窓６２を反射(“クローズド”)状態に切り換えるには、電界を取り除き、液晶材料７６を捻り状態に戻すのである。この状態では、図７ａに示しているが、例示的な外光線１０６は、“オープン”状態のときに述べたように反射偏光子８２によって約５０％が反射される。反射光は(ａ)-偏光を有する光線１０８として示している。(ｂ)-偏光を有する光線１１０として示している残りの光は、吸収偏光子８６を透過するが、液晶７０によって回転し(ａ)-偏光を有するようになる。この結果、光は、反射偏光子８４で反射し、液晶７０によって再度回転し、そして吸収偏光子８６、反射偏光子８２および窓ガラス６４を透過して外に戻る。図７ｂを参照すると、室内光の光線１１２の(ａ)偏光成分は吸収偏光子８８で吸収され、一方、(ｂ)偏光成分(光線１１４として示している)は吸収偏光子８６で吸収される。従って、“クローズド”状態の窓６２は、昼間、外から見ると鏡のように、室内から見ると暗く見えるのである。
もう１つの実施態様では、切換可能な窓１１４を図８に示している。この窓は、シャッタ１１６と、透明な窓ガラス１１８と、反射偏光子１２０とを含んでいる。シャッタ１１６は、一方の側に複屈折層１２４を、もう一方の側に反射偏光子１２６を備える透明な窓ガラス１２２を含んでいる。複屈折層１２４は、ＰＥＴなどの高分子シートであるのが好ましい。透過を最大にするために、このシートは無色の１／２波長リターダか、ＬＣＤになっている。どのような場合でも、この層１２４は透過が最大になるように配向すべきである。反射偏光子１２０と１２６とはクロスしている。
シャッタ１１６は軸支点１２３の回りに回転できるように、窓枠などに取り付けられており、以て、シャッタが“オープン”位置になったり“クローズド”位置になったりできるようにする。回転手段としては、例えばベネチアン・ブラインドの場合には、人手あるいはモータ駆動によるものが適切である。３枚の同じシャッタを図８には示しているが、これらは離して取り付けられて、自由に回転できるが、機械的に閉鎖されると連続したパネルとなる。本発明の切換可能な窓は、シャッタは１枚でも複数枚でもよい。一方の面に反射偏光子１２０を備えた透明窓ガラス１１８はその位置を固定されている。
“オープン”位置の１つの例においては、複屈折層１２４が反射偏光子１２０に隣接して平行になる位置にシャッタが回転させられる。この位置では、複屈折層１２４は反射偏光子１２０と１２６との間にある。従って、窓１１４に当たるランダムに偏光した光線は、前記実施態様で説明した切換可能な窓の場合のように、複屈折層１２４によって平面偏光が回転することによって、部分的に透過され、部分的に反射されるのである。これに対して“クローズド”位置においては、反射偏光子１２０が反射偏光子１２６に隣接して平行になり、そして複屈折層１２４が反射偏光子１２０とは反対側に向くこととなるように、シャッタ１１６が回転させられる。この位置においては、複屈折層１２４は、反射偏光子１２０および１２６を透過した平面偏光の回転に影響する位置にはない。反射偏光子１２０と１２６とはクロスしているので、１つの反射偏光子を透過した平面偏光は、もう１つの反射偏光子で反射され、外部、あるいは内部から見ると実質的に反射窓になるのである。
任意ではあるが、少なくとも１枚の吸収偏光子を、反射偏光子１２０の内側(見る側)か、反射偏光子１２６と窓ガラス１２２との間か、あるいはこれらの両方に配置することもできる。吸収偏光子の偏光方向は、これに隣接する反射偏光子の偏光方向に平行になっている。吸収偏光子によって前記実施態様で説明した非反射特性が与えられる。
この実施態様の特別な特徴というのは、窓が“オープン”状態にあろうと、“クローズド”状態にあろうと、これらのシャッタが常に物理的に閉鎖して連続したパネルを形成するということである。この特徴によって、窓は、どの角度から見てもよく透き通って見え、シャッタが物理的に開放になっている場合よりも良好な断熱性を与える。
図９は、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)デバイス１３０と、バックライト１３２と、光学ディフューザ１３４と、そして切換可能な透過反射器１３６とを含んでいる透過反射型光学ディスプレイ１２８の略図である。通常、完全な透過反射型光学ディスプレイ１２８は、観察者１２９から見ると平らで矩形をしており、断面は部品が非常に近接していてかなり薄いものである。光学ディスプレイ１２８は、また、前記のような電源とリード線など、反射状態と透過状態との間で透過反射器１３６を切り換える電子的手段(図示していない)を含んでいる。
ＬＣＤデバイス１３０は、公知の構成であって、前部吸収偏光子１３８と、後部吸収偏光子１４０と、ピクセル化された液晶パネル１４２とを含んでいる。ＬＣＤデバイスは、ピクセル領域によって、情報と画像を表示するように設計されている。ピクセル領域は、マトリクス状のアドレス電極を使用して、この分野で良く知られた方法でオンとオフとが切り換えられる。
バックライト１３２は、エレクトロルミネセンス・パネルでも、反射性ハウジングに収容された、または光導体に結合された冷陰極蛍光ランプであってもよい。バックライトは、吸収が少なく拡散をすべきである。
光学ディフューザ１３４によって、ＬＣＤは広い視認角度で見ることができる。光学ディフューザ１３４は、一般的には、偏光状態保存材料のシートであり、例えば、複屈折しないベース・フィルムに入れた透明な球状粒子等である。ディフューザが偏光状態を保存しないと、ダイクロイック偏光子１４０が更に光を吸収してしまうのである。
切換可能な透過反射器１３６は、任意ではあるが反射偏光子１４４と、ピクセル化されていない液晶デバイス１４６と、反射偏光子１４８とを含んでいる。反射偏光子１４４(使用されてる場合)の偏光方向は、吸収偏光子１４０の偏光方向に平行でなければならない。この液晶デバイスは、前部基板１５０と後部基板１５２とを有し、これらが液晶材料１５４を囲んでいる。ピクセル化されていない液晶デバイスは、また、連続した透明導電層１５６および１５８を含んでいる。これにより、切換可能な透過反射器１３６の全面が、前記のように、反射状態と透過状態との間で電子的に切り換わることが可能になる。この液晶デバイス１４６は、また、整合層(図示していない)を含んでいる。整合層は、前部基板の前部整合方向、および後部基板の後部整合方向を与える。
反射偏光子１４４および１４８は、図２を参照して説明したように、それぞれ、２種類の異なる材料を交互に多数に積層したものであることが好ましい。反射偏光子１４４および１４８は、それぞれ、ＰＥＮとｃｏＰＥＮを交互に前記構成のように多数積層したものとするのが最も好ましい。
一般に、切換可能な透過反射器１３６は、ＬＣＤデバイス１３０がバックライト１３２で照らされているときに光を透過するようにされる。バックライト１３２を消して液晶デバイス１３０を周辺光で見るときは、切換可能な透過反射器１３６は、ディスプレイの輝度とコントラストを上げるために反射性となる。透過反射型光学ディスプレイ１２８の動作を図１０および１１に示している。
透過反射型光学ディスプレイがバックライトで見える好適なモードでは、図１０に示しているが、電界が透過反射器１３６に印加され、反射偏光子１４４と１４８とは平行になっている。偏光状態(ａ)および(ｂ)を含むランダムに偏光した光の例示的な光線１６４がバックライト１３２で作られる。(ｂ)-偏光を有する光線１６４の部分は、切換可能な透過反射器１３６を回転せずに透過するが、これは、切換可能な透過反射器に印加された電界がその内部の液晶材料を“非捻れ”にして、反射偏光子１４４および１４８の偏光方向が平行になっているからである。光線１６８として示している透過光は、ディフューザ１３４を通過して、吸収偏光子１４０を透過できる偏光を有するようにされる。一方、光線１６６として示している(ａ)-偏光を有する光線１６４の部分は、反射偏光子１４８で反射されてバックライトに戻され、ここで散乱され偏光が解消される。この光は、バックライト１３２から光線１７０となって再び飛び出し、切換可能な透過反射器１３６によって一部が透過され、一部が反射される。このように、反射と偏光解消が繰り返され、最終的にはバックライト１３２からのかなりの割合の光が“再利用”され、正しい偏光で切換可能な透過反射器１３６を通過する。
液晶パネル１４６が駆動状態において光学的に全く不活性であれば、切換可能な透過反射器１３６に反射偏光子１４４を設ける必要はないということに注意すべきである(即ち、反射偏光子１４８を透過する光は転しない)。しかし、液晶パネル１４６が、電界が印加されたときに少しでも複屈折するのなら、切換可能な透過反射器１３６を透過した可視光の成分には、概して、吸収偏光子１４０に対して正しい偏光状態になっていないものがいくらかある。この場合、これらの成分を前記再利用プロセスによって再配向し、以て、吸収偏光子１４０で吸収されないようにするために、反射偏光子１４４が必要となる。
同じ透過反射型ディスプレイが周辺光で照らされるモードでは、図１１に示しているが、バックライト１３２は消灯し、切換可能な透過反射器１３６には電界は印加されていない。従って、切換可能な透過反射器１３６は、図４を参照して説明したように反射状態にある。ランダムに偏光した周辺光の例示的な光線１７２は、その一部が吸収偏光子１３８を透過し、一部が吸収される。光線１７２がＬＣＤ１３０の透明なピクセルに当たると、吸収偏光子１３８を透過した光の部分(偏光状態(ｂ)-を有する光線１７４として示している)は、吸収偏光子１４０をも透過する。光線１７４は続いてディフューザ１４０を通り、切換可能な透過反射器１３６で反射されて、吸収偏光子１４０に以前と同じ偏光状態で戻る。光線１７４は、ＬＣＤ１３０を透過して戻り、視る人に明るく見えるピクセルを作り出す。逆に、光線１７２が黒いピクセル(図示していない)に当たった場合には、光線１７４は吸収偏光子１４０で吸収されてしまう。
このモードでは、ディフューザ１３４は、ピクセルがいろいろな角度から見ても明るく見えるようにしなければならない。バックライト・モードの場合のように、液晶パネル１４６がほとんどの光を正しく回転させるならば、反射偏光子１４４を省略することができる。反射偏光子１４８と吸収偏光子１４０との間の視差によって、黒に近いピクセルでの光の吸収が原因となって、かなりの輝度の損失が引き起こされるので、ディフューザ１３４と液晶パネル１４６とは可能な限り薄くすることが重要である。従って、反射偏光子１４８を吸収偏光子１４０の近くに置くためには、反射偏光子１４４を省略するのが有利である。
好適な実施態様においては、切換可能な透過反射器は、液晶材料を閉じこめる基板として機能する１対の反射偏光子を有している。この構成にすると、反射偏光子１４８と吸収偏光子１４０との間の間隔を可能な限り小さくすることができる。
本発明の透過反射型光学ディスプレイは、反射偏光子１４４と１４８とをクロスさせた構成とすることもできる。あるいは、反射偏光子１４４を使用しないなら、吸収偏光子１４０と反射偏光子１４８とをクロスさせた構成に設計することもできる。この場合、切換可能な透過反射器は、バックライト・モードでは駆動せず、周辺光モードで駆動する。
図９の光学ディスプレイでは、切換可能な透過反射器は、バックライトおよび／またはＬＣＤデバイスの後部に積層したり、その他同様に接着したり取り付けたりすることもできよう。バックライトに切換可能な透過反射器を積層すれば、その間の空隙が省略でき、これによって、空気と切換可能な透過反射器の境界に発生するであろう表面反射を減じることができる。
本発明を次の例によって更に説明しよう。総ての測定値は概数である。
例１
本発明に使用する反射偏光子を構成した。反射偏光子は、光学接着剤で一緒に積層した６０１層の偏光子２つで構成された。６０１層の各偏光子は、ウェブを共押し出しして幅出し機で２日後に配向して作成した。固有粘性が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)を毎時３４ｋｇの割合で１つの押し出し機によって供給し、固有粘性が０．５５ｄｌ／ｇ(６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン)のＣｏＰＥＮ(７０モル％の２，６ＮＤＣ(ナフタレン・ジガルボキシル酸)、および３０モル％のＤＭＴ(ジメチル・テレフタレート))を毎時３０ｋｇの割合でもう１つの押し出し機によって供給した。ＰＥＮは、表層上に配置した。この表層は、同一の供給ブロック全体にわたる厚い外表層として共押し出しされて、マルチプライア(multiplier)で内表層および外表層として畳み込まれたものである。内側および外側の表層は、偏光子の全厚さの８％になった。供給ブロック法を使って１５１層を作り、これを２つのマルチプライアを通すことによって６０１層の押し出し成型物を作った。アメリカ合衆国特許第３，５６５，９８５号に同じような共押し出しマルチプライアが述べられている。延伸は、総て幅出し機(tenter)で行った。このフィルムを約２０秒間１４０℃で予熱した後、毎秒約６％の速度で横方向に引っ張って、延伸比を約４．４とした。それから、２４０℃にセットした熱硬化炉(heat-set oven)内でフィルムをその最大幅を約２％緩和した。最終的なフィルム厚は４６μｍであった。
単一の６０１層フィルムの透過率を図１２に示している。曲線ａは法線方向に入射した(ａ)-偏光に対する透過率を、曲線ｂは６０°で入射した(ａ)-偏光の透過率を、曲線ｃは法線方向で入射した(ｂ)-偏光の透過率を示している。(ａ)-偏光は、法線方向でも、６０°方向でも一様には透過しないということに注意されたい。また、曲線ｃが示すように、可視光範囲(４００−７００ｎｍ)において(ｂ)-偏光が一様には消光されていないということにも注意されたい。
例２
本発明に使用する別の反射偏光子を構成した。反射偏光子は、６０３層を有し、共押し出しプロセスを介して連続平坦フィルム製造ラインで作成した。固有粘性が０．４７ｄｌ／ｇ(６０重量％のフェノールおよび４０重量％のジクロロベンゼン中で)のポリエチレン・ナフタレート(ＰＥＮ)を毎時３８ｋｇの割合で１つの押し出し機によって供給し、ＣｏＰＥＮを毎時３４ｋｇで別の押し出し機によって供給した。このＣｏＰＥＮは、７０モル％の２，６ナフタレン・ジカルボキシレート・メチル・エステルと、１５モル％のＤＭＴと、エチレン・グリコールを有する１５モル％のジメチル・イソフタレートとの共重合体である。供給ブロック法を使って１５１層を作った。この供給ブロックは、層に傾斜を与えるように設計されていた。その傾斜は、光学層の厚さの比が、ＰＥＮに対して１．２２、ＣｏＰＥＮに対して１．２２であった。この光学的積層を連続する２台のマルチプライアに通した。２台のマルチプライアの公称のマルチプリケーション比は、それぞれ、１．２および１．４であった。最後のマルチプライアとダイとの間で、第３の押し出し機を使って毎時４８ｋｇの総合的な割合で分配された前記とおなじＣｏＰＥＮに表層が加えられた。続いて、このフィルムを約３０秒間１５０℃で予熱した後、毎秒約２０％の初期速度で引っ張って、延伸比を約６とした。仕上がったフィルム厚は約８９μｍであった。
図１３にこの反射偏光子の光学的性能を示している。曲線ａは、法線方向に入射した非延伸方向の偏光の透過率を、曲線ｂは、５０°の角度で入射した、非延伸方向に平行な入射面および偏光面を有する光の透過率を、曲線ｃは、法線方向に入射した延伸方向の偏光の透過率を示している。非延伸方向の偏光の透過率が非常に大きいということに注意されたい。４００−７００ｎｍにおける曲線ａの平均透過率は８７％である。また、曲線ｃで示されるように、可視光範囲(４００−７００ｎｍ)において、延伸方向の偏光の消光が非常に大きいということにも注意されたい。曲線ｃにおいては、４００〜７００ｎｍでのフィルムの平均透過率は２．５％である。曲線ｂに対する色の％ＲＭＳは５％である。色の％ＲＭＳとは、対象とする波長範囲での光透過率の二乗平均平方根値である。
例３
本発明で使用する、更に別の反射偏光子を構成した。この反射偏光子は、４８１層を含む共押し出しフィルムで構成されていた。フィルムは、１度の操作でキャストウェブを押し出し、その後、ラボ(laboratory)のフィルム延伸装置でフィルムを配向づけすることによって作られた。６１層の供給ブロックと、３つの(２ｘ)マルチプライアと用いた供給ブロック法が使用された。厚い表層が最終のマルチプライアとダイとの間で加えられた。固有粘性が０．４７ｄｌ／ｇ(６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）のポリエチレン・ナフタレート(ＰＥＮ)を１つの押し出し機で毎時１１．４ｋｇの割合で供給ブロックに供給した。グリコールで改質したポリエチレン・シクロヘキサン・ジメタン・テレフタレート（イーストマン社のＰＣＴＧ５４４５)をもう１台の押し出し機で毎時１１．４ｋｇの割合で供給した。前記押し出し機から別のＰＥＮ流を表層として毎時１１ｋｇの割合で付け加えた。キャストウェブの厚さは
で幅が
であった。このウェブをラボ用延伸装置で一軸方向に配向づけした。この延伸装置はパンタグラフを使っており、フィルムの１つの部分を掴んで、該フィルムを１方向に均一な割合で延伸するとともに、その間フィルムがもう一方向には自由に緩和することを許容するものである。この装置にかけたサンプルウェブは、幅(拘束されていない方向)が
で、パンタグラフの把持部間での長さが
であった。このウェブを、約１００℃の状態で延伸機にかけ、４５秒間１３５℃に加熱した。それから、毎秒２０％(元の寸法を基準に)で延伸を開始し、サンプルが約６：１(把持部間での測定値を基準とする)になるまで延伸した。延伸後直ちに、室温の空気を吹き付けてこのサンプルを冷却した。サンプルは、その中心において２．０の率で(by a factor of 2.0)緩和されていた。
図１４にこの多層フィルムの透過率を示している。曲線ａは、法線方向で入射した非延伸方向の偏光の透過率を、曲線ｂは、６０°の角度で入射した、非延伸方向に平行な入射面および偏光面を有する光(ｐ偏光)の透過率を、曲線ｃは、法線方向で入射した延伸方向の偏光の透過率を示している。４００〜７００ｎｍにおける曲線ａの平均透過率は８９．７％、４００〜７００ｎｍにおける曲線ｂの平均透過率は９６．９％、４００〜７００ｎｍにおける曲線ｃの平均透過率は４．０％である。曲線ａにおける色の％ＲＭＳは１．０５％で、曲線ｂにおける色の％ＲＭＳは１．４４％である。
例４
ここで説明したような光学多層積層体で構成される反射偏光子を、吸収偏光子を取り除いたＳＴＮピクセル化液晶ディスプレイの片側に取り付けて、本発明の切換可能な光学パネルを作製した。反射偏光子がその端部に沿って接着テープを巻くことによってＬＣＤに固着された。各反射偏光子の偏光方向は、各基板上の液晶の整合方向と平行とされた。これによって、各反射偏光子がクロスする反射モードにおいて、可視光の消光が最大となった。
この光学パネルを周辺光の中において観察した。電圧を印加しない状態では、このパネルは部分的に透明に見えた。電圧を掛けると、このパネルは鏡のような外観に切り換わった。
例５
機械的に切換可能な窓は、次のように構成した。５６０ｎｍにおいて１／４波長であるポラロイド社の複屈折フィルムを、
の透明なガラス板の片側に積層した。例１のように作製した第１の反射偏光子をガラス板の反対側に積層した。第１のものと同じ構成の第２の反射偏光子を第２の透明ガラス板に積層した。これらの板を平行なスロットに保持し、手動で切り換えた。
この切換可能な窓を、“クローズド”位置にあるときと“オープン”位置にあるときの両方でこの窓の光透過を測定することによって評価した。光源は、１２ボルトのタングステン−ハロゲン・ランプであった。透過光の強度を、可視光だけに感度を有するアモルファス・シリコン・フォトダイオードで測定した。“クローズド”位置においては、第１の板は第２の板に平行に、複屈折フィルムは第２の板から外側に、または最も離れて配置された。“オープン”位置に切り換えるために、第１の板を１８０°くるっと回すと、複屈折フィルムは第２の板よりの位置、または第２の板に最も近づいて、２つの偏光子の間に位置した。２つの制御された透過は、１)偏光子も複屈折フィルムもない２枚のガラス板を使用する条件、および２)２つの反射偏光子をその偏光方向を平行にしてガラス板に積層する条件、においても測定された。第２の制御は、偏光子間に完全に複屈折するフィルムがあることをシミュレートするために行った。その結果を下記の表に示している。
２枚のガラス板の場合の透過率を１００％とした。１)、２)、および４)における％相対透過率は、この値に対する比率である。この窓は、透過率を５％と３５％の間で機械的に切り換えらるということが示された。位置４で示されたように、理論的に完全な複屈折フィルムに対しては透過率は４２％であった。
本発明は、反射状態と透過状態との間で切換ができる光学装置に関する。本発明は、また、それぞれがそのような切換可能な光学装置を有する、切換可能な窓および透過反射型の光学ディスプレイにも関連する。
発明の背景
開放(透過)状態と閉鎖(非透過)状態との間で切換が可能な窓は、通常、人から見られないようにする窓や、人から見られないようにするカーテンに使用されている。現在、このような窓に使われている技術は、一般に、光吸収、あるいは光散乱の仕組みを基にしている。光吸収を行う窓が閉鎖状態にあるとき、この窓に入射する光の大部分は吸収され、この窓は黒く不透明になる。このタイプの窓は、日光に当たると、過熱状態になって望ましくない。このような窓の例としては、エレクトロクロミックデバイスや、光吸収をする偏光子を有する液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)のシャッタがある。
光散乱機構を採用する窓は、閉鎖状態にあるとき、光を前方に分散させるように散乱させ、この窓が白く見えるようにする。従って、この窓は実質的には入射光を阻止しているのではないので、家庭やオフィスビルなどの建物におけるエネルギー制御には向いていない。このような窓がアメリカ合衆国特許第４，４３５，０４７号に述べられている。
ＬＣＤなどの光学ディスプレイは、ラップトップ・コンピュータ、手持ち型電卓、ディジタル時計などに広く使用されている。従来のＬＣＤ組立品では、電極マトリクスを有する液晶パネルが前部吸収偏光子と後部吸収偏光子との間に配置されている。ＬＣＤにおいては、電界を印加すると、液晶が部分的にその光学状態を変える。このプロセスによって、偏光内の情報の画素、即ちピクセルを表示するのに必要なコントラストを生じさせるのである。
通常、吸収偏光子には２色性色素(dichroic dyes)を使用し、これが１つの偏光方向の光をこの方向と直交する偏光方向より強く吸収する。一般に、前部偏光子の透過軸は後部偏光子の透過軸に対して“クロス”している。その角度は、０〜９０度とすることができる。
光学ディスプレイは、光源によって分類することができる。反射型ディスプレイは、このディスプレイに前方から入ってくる周辺光によって照らされる。通常、ブラシ研磨仕上げのアルミニウムの反射器がＬＣＤ組立品の後ろに配置されている。その反射面は、そこに入射した光をその偏光方向を維持しながらＬＣＤ組立品へと反射する。
周辺光の強さが見るのに不十分な利用分野では、反射面の代わりにバックライトを使うのが普通である。典型的なバックライト組立品は、光学的な空洞と、ランプあるいは光を発するその他の装置を含んでいる。ラップトップ・コンピュータなどの可搬型表示装置の場合は、バックライトは電池で駆動される。周辺光照明、バックライト照明のいずれの条件でも見るようにされたディスプレイは“透過反射型(transflective)”と呼ばれる。透過反射型ディスプレイに関する１つの問題は、通常のバックライトが従来からあるブラシ研磨仕上げのアルミニウム表面ほどに効率的な反射要素ではないということである。また、バックライトも光の偏光を不揃いにし、よって、ＬＣＤを照らすための光量を減少させてしまう。従って、ＬＣＤ組立品にバックライトを加えると、周辺光の下で見たときディスプレイが暗くなってしまうのである。
受動型透過反射器を透過反射型ディスプレイのＬＣＤとバックライトの間におくと、周辺光照明、バックライト照明のいずれの条件の下でも輝度を改善することができる。受動型透過反射器は、単一状態において、透過器および反射器の両方として動作する光学装置である。残念ながら、受動型透過反射器は、いずれの場合でも効率が悪く、通常、バックライトの光を３０％しか通さないし、周辺光を６０％しか反射せず、残りの１０％は吸収してしまう。
第３のタイプの光学ディスプレイは、周辺光のレベルに関係なく、そのディスプレイが作動しているときはいつもオンになっている専用バックライトを組み込んでいる。このようなバックライトは、可搬型のディスプレイデバイスの電池を著しく浪費してしまうことになる。
発明の要約
本発明によって提供される装置は、第１および第２の主表面を有する透明な光学的活性層と、第１主表面に配置されている第１反射偏光子と、第２主表面に配置されている第２反射偏光子と、を有する切換可能な光学パネルを備える。本発明の装置は、また、反射状態と透過状態との間でこのパネルを切り換える手段も有している。
ある実施態様においては、光学的活性層は液晶デバイスを備えており、この液晶デバイスは、平行に整合されてその間に空洞を規定する１対の透明基板を備えている。基板は、空洞に面する内面と外面とを有している。液晶デバイスは、各基板の内面に設けられた導電材料と、前記空洞に封入された液晶材料とをさらに含んでいる。この実施態様では、切換手段は、導電材料に接続されて液晶デバイスに電圧を印加する駆動エレクトロニクスのシステムである。導電材料は、アドレス可能な薄膜電極のマトリクスを各基板内面上に備えてピクセル化された液晶デバイスを形成していてもよいし、または、各基板内面上に連続した透明導電層を備えていてもよい。液晶デバイスはツイステッド・ネマチック液晶デバイスであることが好ましい。
第１および第２反射偏光子は、それぞれ、隣接する材料層のペアを多数積層して構成されることが好ましい。各ペア層の隣接する層は、偏光子の面内の第１の方向における屈折率が異なり、偏光子の面内で第１の方向に直交する第２の方向においては屈折率が本質的に異ならないことが好ましい。
最も好ましくは、本発明の装置は、ツイステッド・ネマチック液晶デバイスを備える切換可能な光学パネルを備える。ツイステッド・ネマチック液晶デバイスは、平行に整合されてその間に空洞を規定する第１および第２の透明基板であって、各基板が外面と内面を有している基板と、この空洞に閉じこめられている液晶材料と、を有する。この液晶デバイスは、さらに、基板内面に設けられた連続的な透明導電層と、第１基板の外面に設けられた第１の反射偏光子と、第２基板の外面に設けられた第２の反射偏光子と、を備えている。第１および第２の反射偏光子のそれぞれが、少なくとも１００のペア層を積層して構成されており、各ペア層が他のポリマー層に隣接する複屈折層を有しており、該ポリマー層は等方性または複屈折層である。この装置は、パネルの導電層に接続された駆動エレクトロニクスのシステムをさらに備えており、これによって、パネルを反射状態と透過状態との間で電子的に切り換えることができるようにしている。
代わりの構成として、本発明の装置は、液晶デバイスを備える切換可能なパネルを備えていてもよい。液晶デバイスは、平行に整合されてその間に空洞を規定する１対の反射偏光子であって、各反射偏光子のそれぞれがこの空洞に面する内面と外面とを有している反射偏光子を備えている。液晶デバイスは、さらに、空洞に閉じ込められた液晶材料と、反射偏光子内面に設けられた透明導電層と、を備えている。この装置は、導電層に接続された駆動エレクトロニクスのシステムをさらに備えており、これによって、パネルを反射状態と透過状態との間で電子的に切り換えることができるようにしている。
本発明により、前述の切換可能な光学パネルと、このパネルに電界をかけてオープン状態とクローズド状態との間で切り換えるための手段と、を備えた切換可能な窓がさらに提供される。切換可能な光学パネル内の各反射偏光子は、前述のような多層シートであることが好ましい。この窓は、切換可能な光学パネルに対して平行かつ近傍に配置された少なくとも１枚の透明窓ガラスをさらに含む。
この窓は、“ノーマリー・オープン”あるいは“ノーマリー・クローズド”の構成にすることができる。ノーマリー・オープンの構成では、電界がかかっていなければ窓は透過性となり、一方、ノーマリー・クローズドの構成では、電界がかかっていなければ窓は非透過性となる。
本発明により、オープン状態とクローズド状態との間で機械的に切り換えることができる窓がさらに提供される。この窓は、第１および第２の主表面を有する第１の透明窓ガラスと、第１の透明窓ガラス上に設けられた第１の反射偏光子と、少なくとも１つのシャッタと、を備えている。シャッタは、第２の透明窓ガラスと、第２の透明窓ガラス上に設けられた第２の反射偏光子と、第２の透明ガラス上であって第２反射偏光子とは反対側に設けられた光学的活性層と、を備えている。この窓は、シャッタを回転させる手段をさらに備えており、該手段は、光学的活性層または第２反射偏光子のいずれかを第１反射偏光子に隣接しこれと平行に位置せしめる。
本発明の切換可能な窓においては、ビル、家および自動車において他から見られないようにすること、光を制御することおよびエネルギー制御をすることを目的として、窓の透過率を電子的または機械的に制御することができる。この窓は、外光をさほど吸収せず、したがって、過剰に加熱されることのない光学吸収窓を提供する。
本発明により、液晶ディスプレイデバイスと、液晶ディスプレイデバイスを照らすバックライトと、液晶ディスプレイデバイスとバックライトとの間に配置された光学ディフューザと、光学ディフューザとバックライトとの間に配置された切換可能な透過反射器と、を備えた透過反射型光学ディスプレイがさらに提供される。液晶ディスプレイデバイスは、前部吸収偏光子と、後部吸収偏光子と、これらの間に配置されたピクセル化された液晶ディスプレイデバイスと、を備えている。切換可能な透過反射器は、後部吸収偏光子に隣接する前面と、後面とを有する、ピクセル化されていない液晶デバイスを備えている。この液晶デバイスは、前面に関しては前部整合方向を、後面に関しては後部整合方向を有しており、さらに、ピクセル化されていない液晶デバイスの後面上でバックライトに近接して配置された反射偏光子を有している。この光学ディスプレイは、透過反射器を反射状態と透過状態との間で電子的に切り換える手段をさらに備えている。後部吸収偏光子の偏光方向は、液晶デバイスの前部整合方向と平行とされている。各反射偏光子は、前述の多層シートで構成されることが好ましい。
切換可能な透明反射器は、透過態でも反射状態でも効率がよいので、本発明の透明反射型光学ディスプレイは、光源の種類に関わらず、ＬＣＤを照らす光の少なくとも８０％を利用することができる。透明反射器の効率がよいので、通常の周辺光の条件の下ではバックライトを消して、電池の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の１つの実施態様による切換可能な光学装置の略斜視図である。
図２は、本発明において使用される反射偏光子の１部分の略斜視図である。
図３は、本発明の１つの実施態様による切換可能な光学パネルの略斜視図である。
図４は、電界が印加された後における図３のパネルの略斜視図である。
図５は、本発明の１つの実施態様による切換可能な窓の略側面図である。
図６ａ、６ｂ、７ａおよび７ｂは、図５の切換可能な窓の動作を示す略側面図である。
図８は、本発明の１つの実施態様による切換可能な窓の略斜視図である。
図９は、本発明の１つの実施態様による透過反射型光学ディスプレイの略側面図である。
図１０および１１は、図９の透過反射型光学ディスプレイの動作を示す略側面図である。
図１２−１４には、それぞれ、例１−３の反射偏光子の光学的性能を示している。
詳細な説明
本発明の装置は、２つの主表面を有する透明な光学的活性層と、一方の主表面に配置されている第１反射偏光子と、他方の主表面に配置されている第２反射偏光子と、を含む切換可能な光学パネルを備えている。この装置は、また、反射状態と透過状態との間でこのパネルを切り換える手段も有している。
図１に、この装置の好適実施態様を示している。装置８は切換可能な光学パネル１０を含み、このパネルにおいては、光学的活性層は液晶デバイス１２で構成されている。液晶デバイス１２は、互いに間隔をおいて平行に重ねられた１対の透明な平面基板１４および１６を有している。基板の周縁は、接着シール剤(図示していない)で接着・密封され、閉塞空洞を形成している。この空洞には液晶材料１８が満たされている。導電材料が基板の内面に設けられており、液晶材料に対して電圧を印加できるようにしている。導電材料は、図１に示している連続した透明導電層２０、２２の形態、またはアドレス可能な薄膜電極のマトリクスであり、ピクセル化された液晶デバイスを形成する。ピクセル化された液晶デバイスは、数千の小さな画素、即ち“ピクセル”からなり、これらは黒、白、あるいはグレーにも見えるようにすることができる。標準的な液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)の部分として使用されると、個々のピクセルを適切に操作して画像を表示することができる。
透明導電層の内面に設けられている整合層(alignment layer)２４および２６によって、各基板との界面における液晶材料１８の配向を所望の向きにすることができる。矢印２８および３０は、電界がかかっていない状態では液晶材料の分子がこの整合層によってほぼ９０°捻られている(ツイスト)のを示している。液晶デバイスは、回転角が０°〜９０°のツイステッド・ネマチック(ＴＮ)液晶デバイスであることが好ましい。回転角は、８０°〜９０°であることがより好ましい。また、液晶デバイスは、１８０°〜２７０°の回転角のスーパー・ツイステッド・ネマチックデバイス(ＳＴＮ)であってもよい。強誘電性ＬＣＤなど、別のタイプのＬＣＤを使うこともできる。
基板１４および１６は、ガラスでもプラスチック材料でも、光学的に透明で、複屈折が少なく、そしてこの切換可能な光学装置の製造中、および使用中に遭遇する条件の下で妥当な寸法安定性を有していればよい。基板同士の間の間隔を均一に保持するために、幾つかある公知の離間方法の内の１つを採用しなければならない。例えば、ビーズあるいは繊維を基板の間の空洞に入れたり、アメリカ合衆国特許第５，２６８，７８２号に述べられているように、少なくとも１枚の基板をモールドして一体になったスペーサリブを形成することもできる。
図１を参照すると、反射偏光子３２および３４が、それぞれ、基板１４および１６の外面に設けられている。概ね、本発明の反射偏光子はランダムに偏光した光から平面偏光成分を分離する働きを有している。ランダムに偏光した光は、偏光状態(ａ)および(ｂ)を有する、同じ大きさの２つの直交する平面偏光成分の合成として見ることができる。最適な条件の下では、反射偏光子は、この偏光子の延伸方向に直交している偏光状態(ａ)の光すべてを透過し、偏光状態(ｂ)の光を反射する。反射偏光子３２の偏光方向は、矢印３０で示した液晶１２の整合方向に対して、平行(ｅモード)または直角(ｃモード)であればよい。反射偏光子３２および３４の偏光方向は、互いに直交(クロス)しているか平行になっていればよい。
装置８は、光学リターダ、例えば負の複屈折光学リターダなどの複屈折補償フィルム(図示していない)を含んでいることが好ましい。複屈折補償フィルムを基板１４と反射偏光子３２との間、および／または基板１６と反射偏光子３４との間に設ける。このフィルムによって、可視波長範囲および非正常角において、装置８が所望の光学特性を維持できる。
図２は、好適な反射偏光子３６の断片の略斜視図である。この図には、ｘ、ｙおよびｚ方向を規定する座標軸系３８を含めている。反射偏光子３６は、異なる２種類の材料を交互に多数積層したものである。図および説明において、これらの材料を材料“Ａ”および材料“Ｂ”と呼ぶ。材料Ａおよび材料Ｂの隣接する層４１および４３は、例示的なペア層４４をなす。ペア層４４の隣接する層４１と４３とでは、ｘ軸方向の屈折率に差があり、ｙ軸方向の屈折率には実質的な差はない。
本発明の装置の好適実施例においては、第１および第２反射偏光子は、それぞれ、材料ＡとＢを交互に多数積層した多層シートで構成されており、各層の平均厚さは０．５μｍを越えない。材料Ｂの層に隣接している材料Ａの層でペア層をなしている。ペア層の数は、約１０〜２０００が好ましく、約２００〜１０００がさらに好ましい。
多層シートは、材料ＡとＢを一緒に押出し成形し、次にｘ方向に一軸延伸して形成する。延伸比は、延伸前の寸法で延伸後の寸法を割算したものと定義されている。延伸比は、好ましくは２：１〜１０：１、更に好適には３：１〜８：１、最も好適には４：１〜７：１、例えば６：１とするのがよい。シートは、ｙ方向には引き延ばさない。材料Ａは、応力を受けて複屈折を示すか、引き延ばされて屈折率が変化するように選定されたポリマ材料である。例えば、材料Ａの一軸延伸シートは、延伸方向に関してｎAxの屈折率(例えば、ｎAx＝１．８８)、その横方向に関してはｎAyの異なる屈折率(例えば、ｎAy＝１．６４)を有している。材料Ａは、延伸方向とこれの横方向との間の屈折率の差(ｎAx−ｎAy)が少なくとも０．０５、好ましくは少なくとも０．１０、更に好適には少なくとも０．２０である。材料Ｂは、多層フィルムを延伸した後も屈折率ｎByが実質的にｎAyに等しくなるように選定されたポリマ材料である。延伸されるとｎBxの値が減少するのが好ましい。
この実施態様の多層シートは、延伸されると、隣接する層間の延伸方向の屈折率に大きな差(Δｎx＝ｎAx−ｎBxと定義される)が生じる。しかし、前記横方向においては、隣接する層間の屈折率の差(Δｎy＝ｎAy−ｎByと定義される)は実質的にはゼロある。これらの光学的特性によって、この多数積層体が反射偏光子として機能し、図２に示している透過軸４０に平行な、ランダムに偏光した光の偏光成分を透過させる。反射偏光子３６を透過した光の部分は、偏光状態(ａ)を有しているものとする。反射偏光子３６を通過しなかった光の部分は、図２に示した消光軸４２に対応している偏光状態(ｂ)を有している。消光軸４２は延伸方向ｘに対して平行である。従って、(ｂ)-偏光は屈折率の差Δｎxによって反射されるのである。反射偏光子は、少なくとも５０％、更に好ましくは少なくとも９０％の(ｂ)-偏光を反射することが好ましい。第３の屈折率の差Δｎzは、反射偏光子の軸外れの反射(off-axis reflectivity)を制御するのに重要である。大きな角度の入射光に対して(ｂ)-偏光を高い割合で消光し、(ａ)-偏光をよく透過するためには、Δｎz＝ｎAz−ｎBzは、０．５Δｎxよりも小さいことが好ましく、０．２Δｎxよりも小さいことがさらに好ましく、０．１Δｎxよりも小さいことが最も好ましい。
このような反射偏光子の光学的挙動と設計は、譲受人による同時係属の１９９５年３月１０日付けのアメリカ合衆国出願番号第０８／４０２０４１号(発明の名称：“光学フィルム”)に更に詳細に述べている。
通常の熟練者であれば、この所望の屈折率関係を達成するための適切な材料を選定することができるであろう。概して、材料Ａは、半晶質ナフタレン・ジカルボキシル酸エステルや、ポリエチレン・ナフタレート(ＰＥＮ)およびその異性体(例えば、２，６−、１，４−、１，５−、２，７−および２，３−ＰＥＮ)などの半晶質のポリマ材料から選定することができる。材料Ａは、また、ポリエチレン・テレフタレート(ＰＥＴ)、ポリエチレン・イソフタレート(ＰＥＩ)およびＰＥＮ、ＰＥＴおよびＰＥＩの共重合体などの他の半晶質ポリマ材料から選ぶこともできる。本明細書では、ｃｏＰＥＮはＰＥＮの共重合体を含み、ｃｏＰＥＴはＰＥＴの共重合体を含むものとする。材料Ｂは、半晶質または非晶質のポリマ材料とされる。例えば、シンジオタクチック・ポリスチレン(ｓＰＳ)や、ｃｏＰＥＮ、ｃｏＰＥＴなどの共重合体や、Eastar(イーストマン・ケミカル社から販売されているポリシクロヘキサンジメチレン・テレフタレート)の共重合体などである。上記のｃｏＰＥＮは、少なくとも１成分がナフタレン・ジカルボキシル酸をベースにした高分子で、別の成分がＰＥＴ、ＰＥＮあるいはｃｏＰＥＮなどの他のポリエステル、またはポリカーボネートであるペレットのブレンドであってもよい。材料ＡおよびＢは、一緒に押し出し成形ができるように同じような流動特性(溶融粘性など)を有するように選定することが好ましい。
この反射偏光子は、材料Ａと材料Ｂを一緒に押し出し成形して多層フィルムを形成し、それから所定の温度で実質的に一方向に(一軸方向に)延伸して配光づけを行い、任意ではあるが、続いて所定の温度で熱硬化させて作成する。フィルムは、延伸方向とクロスする方向(延伸方向に直交)においては、該方向での自然縮小(延伸比の平方根に等しい)から該方向での縮小無し(完全な拘束に対応)までの範囲におて寸法的に緩和してもよい。このフィルムは、長手方向配向機によって機械の方向に延伸することもできるし、幅出し機によって幅方向に延伸することもできる。
熟練者にとっては、延伸温度、延伸比、熱硬化温度、および延伸方向とクロスする方向における緩和などのプロセス変数の組み合わせを選定し、所望の屈折率関係を有する反射偏光子を得ることは容易である。
特に好適な実施態様においては、上記のように多層シートが材料ＡとＢのペア層を多数積層したもので構成されており、この積層体が１つまたは２上のペア層セグメントに分割されている。各セグメントは、ある帯域の光に対する反射性が最大となるように設計されている。このことは、各ペア層の複合厚さ(combined thickness)を、そのセグメントに対する帯域幅の中心波長の約半分とすることによって達成される。ペア層の厚さが異なるセグメントを組み合わせることによって、比較的広い帯域幅の光を反射する反射偏光子を得ることができる。
例えば、多層シートには、ペア層の複合厚さが１００ｎｍ〜２００ｎｍである１０のセグメントを含ませることができる。各セグメントは、１０〜５０のペア層を備える。この偏光子は４００〜８００ｎｍの波長の光を反射することが可能である。あるいは、ペア層の厚さを１００〜２００ｎｍまで連続的に変化させることもできる。４００〜２０００ｎｍの波長の範囲に対しては、ペア層の厚さは約１００〜５００ｎｍの範囲にすべきである。
反射偏光子としては、上記の多層光学フィルムが好ましいのであるが、他の反射偏光子を使うこともできる。例えば、ミクロ構造のマクニール偏光子(MacNeille polarizer)や、１／４波長板を取り付けたコレステリック偏光子(cholesteric polarizer)等である。
反射偏光子はＬＣＤに積層しても、ＬＣＤ端部において該ＬＣＤに接着してもよく、あるいは機械的にＬＣＤに固着してもよい。
図１を再び参照すると、リード線２１および２３を介して電源１９など駆動エレクトロニクスシステムを使って導電層２０および２２を介して液晶材料１８に電界を印加することができる。電界を印加すると、全領域の液晶分子は、その誘電的異方性によって再配向されて“非捻れ(アンツイスト、untwist)”となる。この挙動によって、これらの分子は、捻り状態(ツイステッド・ステート、twisted state)にあるときは偏光を９０°回転させ、非捻り状態のときは回転させないで光を透過させる。反射偏光子３２と３４を組み合わせて使用すると、この偏光を回転させる能力によって、切換可能な光学パネル１０を反射状態と透過状態との間で切り換える手段を提供できる。
同じ反射偏光子をペアにして使うと、透過状態から反射状態に切り換えたとき、光学パネルの反射性はほぼ２倍になる(ポリマ材料および導電材料の前面および後面での反射は無視する)。この反射比の値は、反射偏光子の質によって変化することは殆ど無い。しかし、透過状態と反射状態とでの透過比は、２つの偏光子の消光値によって大きく変化する。非常に漏れの大きい偏光子(仮に、偏光を消光する割合が高いもの(完全な消光を１００％とする)に対する消光比率が５０％であるとする)の場合には、透過状態で７５％、反射状態で５０％の光がパネルで通過する。この“漏れの大きい”光学パネルの透過比はわずか１．５である。透過比１．５の光学パネルは、他から見られないようにするシャッタとしてはあまり使いものにならないが、ビルや自動車の外窓として使用すれば、かなりのエネルギー制御を行うことができる。９９．９％消光可能な良好な偏光子では、透過状態での透過が約５０％であるのに対して閉鎖状態での透過はわずか０．１％であり、透過比は５００にもなる。
ある偏光子の消光値は、使用者にとって関心のある光学的帯域によって変わる。レーザ分野にとっては、帯域は狭くて十分である。他から見れないようにする窓の帯域は、少なくとも可視光のスペクトルをカバーしていなければならないし、太陽エネルギー制御の窓は可視光も近赤外部分のスペクトルも両方(４００〜１２００ｎｍ)ともカバーしていることが望ましい。上記の多層フィルム反射偏光子は、上記の帯域はいずれもカバーすることができる。
切換の概念を説明するために、図３に切換可能な光学パネル４６の略斜視図を示している。図３では、偏光状態(ａ)と(ｂ)の両方を含むランダムに偏光した光線４８が反射偏光子５０に当たっている。光線４８に含まれている光のうち、偏光状態(ｂ)を有する光(光線５２で表している)は反射し、偏光状態(ａ)を有する光(光線５４で表している)は反射偏光子５０を透過する。電界が印加されていなければ、液晶５６によって光線５４の偏光状態が約９０°回転し、その後、反射偏光子５８(これは反射偏光子５０に対してクロスしている)を透過する。このように、互いにクロスする反射偏光子５０および５８を有する切換可能光学パネルは、実質的に透過性である。これを“ノーマリー・オープン”状態と称する。最適条件下では、光学的に切換可能なフィルムは５０％の透過性を有する。残留吸収、偏光方向の不完全な回転、前後の反射、および導電層からの反射(図示していない)に起因して、透過は、通常、約２５〜４０％になる。
図４に示しているように切換可能な光学パネル４６に電界を印加すると、光線４８は、反射偏光子５０において透過光線(光線５５として示している)と反射光線５３とに再度分割される。しかしこの状況では、光線５５は回転せずに液晶５６を通過し、反射偏光子５８で反射される。光線６０で示した反射光は、回転せずに液晶５６を再通過し、ついには反射偏光子５０を透過してしまう。このように、切換可能な光学パネル４６は、この状態では殆ど完全な反射性を有する。導電層および反射偏光子における吸収損失は小さく、例えば、１〜５％位である。
切換可能な光学パネル４６の光学的挙動は、反射偏光子５０と５８をクロスさせずに互いに平行に配置することによって変更できる(すなわち、パネルが、電界を印加すると透過性となり、電界がないと反射性となる)ということが理解できるだろう。これを“ノーマリー・クローズド”状態にあると称する。
切換可能な光学パネルの反射性をグレー・スケールに沿って調整可能とすることもまた望ましい。このような調整可能性は、ツイステッド・ネマチック液晶デバイスを使用するとともに印加電圧を変更し、透過光の強度を調整することによって達成できる。しかしながら、このような試みは困難である。何故なら、グレー・スケールを均一にするためには、基板の間隔を正確に均一にし、液晶分子を広い領域にわたって均一に揃えるとともに、均一な温度と電界が必要だからである。これらの条件が少しでも変動すれば、このディスプレイ上での反射性が変動し、斑に見えるようになる。代わりに、ピクセル化した液晶を使用し、ピクセルの一部だけを切り換えれば、肉眼で(離れて)見れば中間調に見える有効なグレー・スケールが得られる。
別の実施態様では、切換可能な光学パネルは、前記の反射偏光子のペアを有し、これらは、互いに間隔をおいて平行に配置され、液晶材料を封入する空洞を形成する。こうすれば、反射偏光子は、前記のような液晶の基板の代わりとして機能する。前記実施態様では基板に連結されていた導電層、整合層、拡散バリヤおよびその他総ての適切な要素が、この実施形態においても含まれるということが理解されるだろう。
本発明の他の実施態様では、前記液晶以外の光学的活性層に、種々の複屈折材料を含めることができる。一軸配向された複屈折熱可塑性プラスチックや、アメリカ合衆国特許第４，４３５，０４７号に開示された切換可能な高分子分散液晶デバイス等である。反射状態から透過状態にフィルムを切り換える手段は、その複屈折材料の特性と、そのフィルムの用途に応じて選択される。例えば、切換えのための手段としては、光学的活性層を延伸してその複屈折を変化させることや、平面偏光の回転を防止するために反射偏光子の間から光学的活性層を除去したりすることを含む。
図５に本発明の切換可能な窓６２の略図を示している。窓６２は、１対の透明な窓ガラス６４および６６と、これらの窓ガラス間に配置されている切換可能な光学パネル６８とを有している。切換可能な光学パネル６８は、前記のように、液晶デバイス７０を備えていることが好ましい。液晶デバイス７０は、１対の平行な透明で平らな基板７２、７４と、これらの基板の間の空洞に封入された液晶材料７６と、基板７２、７４の内面に設けられた導電層７８、８０とで構成される。反射偏光子８２および８４が、それぞれ、基板７２および７４の外面に設けられ、互いにクロスまたは平行とされる。以下の説明においては、反射偏光子８２および８４は平行になっているとする。吸収偏光子８６および８８が、図５に示しているように、反射偏光子８２および８４の表面に配置されることが好ましい。各吸収偏光子の偏光方向は、それが配置されている反射偏光子の透過偏光方向と平行であることが好ましい。導電層７８および８０は、リード線９０および９２等の手段で電源９４に接続されている。
透明な窓ガラス６４および６６は、ガラスか、窓に使用するのに適切な、その他の透明で硬く、気候に対して安定している材料でできていればよい。反射偏光子８２および８４は、それぞれ、前に説明し図２に示したように、ポリマ材料層を交互に多数積層したもので構成されていることが好ましい。吸収偏光子８６および８８は、ヨウ素、または染料を含み配向づけされたポリビニルアルコールをもとにしたダイクロイック偏光子(dichroic polarizer)など、この分野で良く知られたどのようなタイプのものであってよい。代わりの構成として、吸収偏光子は、反射偏光子の表層として含められてもよい。
図６ａ、６ｂ、７ａおよび７ｂに切換可能な窓６２の動作を説明している。図６ａでは、リード線９０および９２を通じて窓に電界が印加され、液晶材料７６が前記のように“非捻れ”とされている。日光など、偏光状態(ａ)と(ｂ)を同じ量だけ含んでいる、ランダムに偏光されている外光９６の例示的な光線が窓ガラス６４全体を通過する。反射偏光子８２によって反射されている光線９６の１部分(良好な反射偏光子では５０％近く)を、偏光状態(ａ)を有する光線９８として示している。残りの光(偏光状態(Ｂ)を有している)は、光線１００として示しているが、吸収偏光子８６と液晶７０を回転せずに通過し、最後には、反射偏光子８４および吸収偏光子８８を透過して室内から見える。この状態では、窓は約５０％の透過性を有するので、この状態を“オープン”状態と呼ぶ。
同じ状態において、ランダムに偏光されている室内光１０２の例示的な光線は、図６ｂに示しているように窓ガラス６６を通過する。(ａ)-偏光を有する光線１０２の成分は、反射偏光子８４に到達する前に吸収偏光子８８で吸収される。光線１０４として示している残りの光は、(ｂ)-偏光を有しており、窓の残りの部分を透過する。従って、吸収偏光子８８は、反射偏光子８４で反射して室内に戻る室内光を吸収し、以て、望ましくない鏡のように見えることを防止する。
窓６２を反射(“クローズド”)状態に切り換えるには、電界を取り除き、液晶材料７６を捻り状態に戻すのである。この状態では、図７ａに示しているが、例示的な外光線１０６は、“オープン”状態のときに述べたように反射偏光子８２によって約５０％が反射される。反射光は(ａ)-偏光を有する光線１０８として示している。(ｂ)-偏光を有する光線１１０として示している残りの光は、吸収偏光子８６を透過するが、液晶７０によって回転し(ａ)-偏光を有するようになる。この結果、光は、反射偏光子８４で反射し、液晶７０によって再度回転し、そして吸収偏光子８６、反射偏光子８２および窓ガラス６４を透過して外に戻る。図７ｂを参照すると、室内光の光線１１２の(ａ)偏光成分は吸収偏光子８８で吸収され、一方、(ｂ)偏光成分(光線１１４として示している)は吸収偏光子８６で吸収される。従って、“クローズド”状態の窓６２は、昼間、外から見ると鏡のように、室内から見ると暗く見えるのである。
もう１つの実施態様では、切換可能な窓１１４を図８に示している。この窓は、シャッタ１１６と、透明な窓ガラス１１８と、反射偏光子１２０とを含んでいる。シャッタ１１６は、一方の側に複屈折層１２４を、もう一方の側に反射偏光子１２６を備える透明な窓ガラス１２２を含んでいる。複屈折層１２４は、ＰＥＴなどの高分子シートであるのが好ましい。透過を最大にするために、このシートは無色の１／２波長リターダか、ＬＣＤになっている。どのような場合でも、この層１２４は透過が最大になるように配向すべきである。反射偏光子１２０と１２６とはクロスしている。
シャッタ１１６は軸支点１２３の回りに回転できるように、窓枠などに取り付けられており、以て、シャッタが“オープン”位置になったり“クローズド”位置になったりできるようにする。回転手段としては、例えばベネチアン・ブラインドの場合には、人手あるいはモータ駆動によるものが適切である。３枚の同じシャッタを図８には示しているが、これらは離して取り付けられて、自由に回転できるが、機械的に閉鎖されると連続したパネルとなる。本発明の切換可能な窓は、シャッタは１枚でも複数枚でもよい。一方の面に反射偏光子１２０を備えた透明窓ガラス１１８はその位置を固定されている。
“オープン”位置の１つの例においては、複屈折層１２４が反射偏光子１２０に隣接して平行になる位置にシャッタが回転させられる。この位置では、複屈折層１２４は反射偏光子１２０と１２６との間にある。従って、窓１１４に当たるランダムに偏光した光線は、前記実施態様で説明した切換可能な窓の場合のように、複屈折層１２４によって平面偏光が回転することによって、部分的に透過され、部分的に反射されるのである。これに対して“クローズド”位置においては、反射偏光子１２０が反射偏光子１２６に隣接して平行になり、そして複屈折層１２４が反射偏光子１２０とは反対側に向くこととなるように、シャッタ１１６が回転させられる。この位置においては、複屈折層１２４は、反射偏光子１２０および１２６を透過した平面偏光の回転に影響する位置にはない。反射偏光子１２０と１２６とはクロスしているので、１つの反射偏光子を透過した平面偏光は、もう１つの反射偏光子で反射され、外部、あるいは内部から見ると実質的に反射窓になるのである。
任意ではあるが、少なくとも１枚の吸収偏光子を、反射偏光子１２０の内側(見る側)か、反射偏光子１２６と窓ガラス１２２との間か、あるいはこれらの両方に配置することもできる。吸収偏光子の偏光方向は、これに隣接する反射偏光子の偏光方向に平行になっている。吸収偏光子によって前記実施態様で説明した非反射特性が与えられる。
この実施態様の特別な特徴というのは、窓が“オープン”状態にあろうと、“クローズド”状態にあろうと、これらのシャッタが常に物理的に閉鎖して連続したパネルを形成するということである。この特徴によって、窓は、どの角度から見てもよく透き通って見え、シャッタが物理的に開放になっている場合よりも良好な断熱性を与える。
図９は、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)デバイス１３０と、バックライト１３２と、光学ディフューザ１３４と、そして切換可能な透過反射器１３６とを含んでいる透過反射型光学ディスプレイ１２８の略図である。通常、完全な透過反射型光学ディスプレイ１２８は、観察者１２９から見ると平らで矩形をしており、断面は部品が非常に近接していてかなり薄いものである。光学ディスプレイ１２８は、また、前記のような電源とリード線など、反射状態と透過状態との間で透過反射器１３６を切り換える電子的手段(図示していない)を含んでいる。
ＬＣＤデバイス１３０は、公知の構成であって、前部吸収偏光子１３８と、後部吸収偏光子１４０と、ピクセル化された液晶パネル１４２とを含んでいる。ＬＣＤデバイスは、ピクセル領域によって、情報と画像を表示するように設計されている。ピクセル領域は、マトリクス状のアドレス電極を使用して、この分野で良く知られた方法でオンとオフとが切り換えられる。
バックライト１３２は、エレクトロルミネセンス・パネルでも、反射性ハウジングに収容された、または光導体に結合された冷陰極蛍光ランプであってもよい。バックライトは、吸収が少なく拡散をすべきである。
光学ディフューザ１３４によって、ＬＣＤは広い視認角度で見ることができる。光学ディフューザ１３４は、一般的には、偏光状態保存材料のシートであり、例えば、複屈折しないベース・フィルムに入れた透明な球状粒子等である。ディフューザが偏光状態を保存しないと、ダイクロイック偏光子１４０が更に光を吸収してしまうのである。
切換可能な透過反射器１３６は、任意ではあるが反射偏光子１４４と、ピクセル化されていない液晶デバイス１４６と、反射偏光子１４８とを含んでいる。反射偏光子１４４(使用されてる場合)の偏光方向は、吸収偏光子１４０の偏光方向に平行でなければならない。この液晶デバイスは、前部基板１５０と後部基板１５２とを有し、これらが液晶材料１５４を囲んでいる。ピクセル化されていない液晶デバイスは、また、連続した透明導電層１５６および１５８を含んでいる。これにより、切換可能な透過反射器１３６の全面が、前記のように、反射状態と透過状態との間で電子的に切り換わることが可能になる。この液晶デバイス１４６は、また、整合層(図示していない)を含んでいる。整合層は、前部基板の前部整合方向、および後部基板の後部整合方向を与える。
反射偏光子１４４および１４８は、図２を参照して説明したように、それぞれ、２種類の異なる材料を交互に多数に積層したものであることが好ましい。反射偏光子１４４および１４８は、それぞれ、ＰＥＮとｃｏＰＥＮを交互に前記構成のように多数積層したものとするのが最も好ましい。
一般に、切換可能な透過反射器１３６は、ＬＣＤデバイス１３０がバックライト１３２で照らされているときに光を透過するようにされる。バックライト１３２を消して液晶デバイス１３０を周辺光で見るときは、切換可能な透過反射器１３６は、ディスプレイの輝度とコントラストを上げるために反射性となる。透過反射型光学ディスプレイ１２８の動作を図１０および１１に示している。
透過反射型光学ディスプレイがバックライトで見える好適なモードでは、図１０に示しているが、電界が透過反射器１３６に印加され、反射偏光子１４４と１４８とは平行になっている。偏光状態(ａ)および(ｂ)を含むランダムに偏光した光の例示的な光線１６４がバックライト１３２で作られる。(ｂ)-偏光を有する光線１６４の部分は、切換可能な透過反射器１３６を回転せずに透過するが、これは、切換可能な透過反射器に印加された電界がその内部の液晶材料を“非捻れ”にして、反射偏光子１４４および１４８の偏光方向が平行になっているからである。光線１６８として示している透過光は、ディフューザ１３４を通過して、吸収偏光子１４０を透過できる偏光を有するようにされる。一方、光線１６６として示している(ａ)-偏光を有する光線１６４の部分は、反射偏光子１４８で反射されてバックライトに戻され、ここで散乱され偏光が解消される。この光は、バックライト１３２から光線１７０となって再び飛び出し、切換可能な透過反射器１３６によって一部が透過され、一部が反射される。このように、反射と偏光解消が繰り返され、最終的にはバックライト１３２からのかなりの割合の光が“再利用”され、正しい偏光で切換可能な透過反射器１３６を通過する。
液晶パネル１４６が駆動状態において光学的に全く不活性であれば、切換可能な透過反射器１３６に反射偏光子１４４を設ける必要はないということに注意すべきである(即ち、反射偏光子１４８を透過する光は転しない)。しかし、液晶パネル１４６が、電界が印加されたときに少しでも複屈折するのなら、切換可能な透過反射器１３６を透過した可視光の成分には、概して、吸収偏光子１４０に対して正しい偏光状態になっていないものがいくらかある。この場合、これらの成分を前記再利用プロセスによって再配向し、以て、吸収偏光子１４０で吸収されないようにするために、反射偏光子１４４が必要となる。
同じ透過反射型ディスプレイが周辺光で照らされるモードでは、図１１に示しているが、バックライト１３２は消灯し、切換可能な透過反射器１３６には電界は印加されていない。従って、切換可能な透過反射器１３６は、図４を参照して説明したように反射状態にある。ランダムに偏光した周辺光の例示的な光線１７２は、その一部が吸収偏光子１３８を透過し、一部が吸収される。光線１７２がＬＣＤ１３０の透明なピクセルに当たると、吸収偏光子１３８を透過した光の部分(偏光状態(ｂ)-を有する光線１７４として示している)は、吸収偏光子１４０をも透過する。光線１７４は続いてディフューザ１４０を通り、切換可能な透過反射器１３６で反射されて、吸収偏光子１４０に以前と同じ偏光状態で戻る。光線１７４は、ＬＣＤ１３０を透過して戻り、視る人に明るく見えるピクセルを作り出す。逆に、光線１７２が黒いピクセル(図示していない)に当たった場合には、光線１７４は吸収偏光子１４０で吸収されてしまう。
このモードでは、ディフューザ１３４は、ピクセルがいろいろな角度から見ても明るく見えるようにしなければならない。バックライト・モードの場合のように、液晶パネル１４６がほとんどの光を正しく回転させるならば、反射偏光子１４４を省略することができる。反射偏光子１４８と吸収偏光子１４０との間の視差によって、黒に近いピクセルでの光の吸収が原因となって、かなりの輝度の損失が引き起こされるので、ディフューザ１３４と液晶パネル１４６とは可能な限り薄くすることが重要である。従って、反射偏光子１４８を吸収偏光子１４０の近くに置くためには、反射偏光子１４４を省略するのが有利である。
好適な実施態様においては、切換可能な透過反射器は、液晶材料を閉じこめる基板として機能する１対の反射偏光子を有している。この構成にすると、反射偏光子１４８と吸収偏光子１４０との間の間隔を可能な限り小さくすることができる。
本発明の透過反射型光学ディスプレイは、反射偏光子１４４と１４８とをクロスさせた構成とすることもできる。あるいは、反射偏光子１４４を使用しないなら、吸収偏光子１４０と反射偏光子１４８とをクロスさせた構成に設計することもできる。この場合、切換可能な透過反射器は、バックライト・モードでは駆動せず、周辺光モードで駆動する。
図９の光学ディスプレイでは、切換可能な透過反射器は、バックライトおよび／またはＬＣＤデバイスの後部に積層したり、その他同様に接着したり取り付けたりすることもできよう。バックライトに切換可能な透過反射器を積層すれば、その間の空隙が省略でき、これによって、空気と切換可能な透過反射器の境界に発生するであろう表面反射を減じることができる。
本発明を次の例によって更に説明しよう。総ての測定値は概数である。
例１
本発明に使用する反射偏光子を構成した。反射偏光子は、光学接着剤で一緒に積層した６０１層の偏光子２つで構成された。６０１層の各偏光子は、ウェブを共押し出しして幅出し機で２日後に配向して作成した。固有粘性が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)を毎時３４ｋｇの割合で１つの押し出し機によって供給し、固有粘性が０．５５ｄｌ／ｇ(６０重量％のフェノール／４０重量％のジクロロベンゼン)のＣｏＰＥＮ(７０モル％の２，６ＮＤＣ(ナフタレン・ジガルボキシル酸)、および３０モル％のＤＭＴ(ジメチル・テレフタレート))を毎時３０ｋｇの割合でもう１つの押し出し機によって供給した。ＰＥＮは、表層上に配置した。この表層は、同一の供給ブロック全体にわたる厚い外表層として共押し出しされて、マルチプライア(multiplier)で内表層および外表層として畳み込まれたものである。内側および外側の表層は、偏光子の全厚さの８％になった。供給ブロック法を使って１５１層を作り、これを２つのマルチプライアを通すことによって６０１層の押し出し成型物を作った。アメリカ合衆国特許第３，５６５，９８５号に同じような共押し出しマルチプライアが述べられている。延伸は、総て幅出し機(tenter)で行った。このフィルムを約２０秒間１４０℃で予熱した後、毎秒約６％の速度で横方向に引っ張って、延伸比を約４．４とした。それから、２４０℃にセットした熱硬化炉(heat-set oven)内でフィルムをその最大幅を約２％緩和した。最終的なフィルム厚は４６μｍであった。
単一の６０１層フィルムの透過率を図１２に示している。曲線ａは法線方向に入射した(ａ)-偏光に対する透過率を、曲線ｂは６０°で入射した(ａ)-偏光の透過率を、曲線ｃは法線方向で入射した(ｂ)-偏光の透過率を示している。(ａ)-偏光は、法線方向でも、６０°方向でも一様には透過しないということに注意されたい。また、曲線ｃが示すように、可視光範囲(４００−７００ｎｍ)において(ｂ)-偏光が一様には消光されていないということにも注意されたい。
例２
本発明に使用する別の反射偏光子を構成した。反射偏光子は、６０３層を有し、共押し出しプロセスを介して連続平坦フィルム製造ラインで作成した。固有粘性が０．４７ｄｌ／ｇ(６０重量％のフェノールおよび４０重量％のジクロロベンゼン中で)のポリエチレン・ナフタレート(ＰＥＮ)を毎時３８ｋｇの割合で１つの押し出し機によって供給し、ＣｏＰＥＮを毎時３４ｋｇで別の押し出し機によって供給した。このＣｏＰＥＮは、７０モル％の２，６ナフタレン・ジカルボキシレート・メチル・エステルと、１５モル％のＤＭＴと、エチレン・グリコールを有する１５モル％のジメチル・イソフタレートとの共重合体である。供給ブロック法を使って１５１層を作った。この供給ブロックは、層に傾斜を与えるように設計されていた。その傾斜は、光学層の厚さの比が、ＰＥＮに対して１．２２、ＣｏＰＥＮに対して１．２２であった。この光学的積層を連続する２台のマルチプライアに通した。２台のマルチプライアの公称のマルチプリケーション比は、それぞれ、１．２および１．４であった。最後のマルチプライアとダイとの間で、第３の押し出し機を使って毎時４８ｋｇの総合的な割合で分配された前記とおなじＣｏＰＥＮに表層が加えられた。続いて、このフィルムを約３０秒間１５０℃で予熱した後、毎秒約２０％の初期速度で引っ張って、延伸比を約６とした。仕上がったフィルム厚は約８９μｍであった。
図１３にこの反射偏光子の光学的性能を示している。曲線ａは、法線方向に入射した非延伸方向の偏光の透過率を、曲線ｂは、５０°の角度で入射した、非延伸方向に平行な入射面および偏光面を有する光の透過率を、曲線ｃは、法線方向に入射した延伸方向の偏光の透過率を示している。非延伸方向の偏光の透過率が非常に大きいということに注意されたい。４００−７００ｎｍにおける曲線ａの平均透過率は８７％である。また、曲線ｃで示されるように、可視光範囲(４００−７００ｎｍ)において、延伸方向の偏光の消光が非常に大きいということにも注意されたい。曲線ｃにおいては、４００〜７００ｎｍでのフィルムの平均透過率は２．５％である。曲線ｂに対する色の％ＲＭＳは５％である。色の％ＲＭＳとは、対象とする波長範囲での光透過率の二乗平均平方根値である。
例３
本発明で使用する、更に別の反射偏光子を構成した。この反射偏光子は、４８１層を含む共押し出しフィルムで構成されていた。フィルムは、１度の操作でキャストウェブを押し出し、その後、ラボ(laboratory)のフィルム延伸装置でフィルムを配向づけすることによって作られた。６１層の供給ブロックと、３つの(２ｘ)マルチプライアと用いた供給ブロック法が使用された。厚い表層が最終のマルチプライアとダイとの間で加えられた。固有粘性が０．４７ｄｌ／ｇ(６０重量％フェノール／４０重量％ジクロロベンゼン）のポリエチレン・ナフタレート(ＰＥＮ)を１つの押し出し機で毎時１１．４ｋｇの割合で供給ブロックに供給した。グリコールで改質したポリエチレン・シクロヘキサン・ジメタン・テレフタレート（イーストマン社のＰＣＴＧ５４４５)をもう１台の押し出し機で毎時１１．４ｋｇの割合で供給した。前記押し出し機から別のＰＥＮ流を表層として毎時１１ｋｇの割合で付け加えた。キャストウェブの厚さは
図１４にこの多層フィルムの透過率を示している。曲線ａは、法線方向で入射した非延伸方向の偏光の透過率を、曲線ｂは、６０°の角度で入射した、非延伸方向に平行な入射面および偏光面を有する光(ｐ偏光)の透過率を、曲線ｃは、法線方向で入射した延伸方向の偏光の透過率を示している。４００〜７００ｎｍにおける曲線ａの平均透過率は８９．７％、４００〜７００ｎｍにおける曲線ｂの平均透過率は９６．９％、４００〜７００ｎｍにおける曲線ｃの平均透過率は４．０％である。曲線ａにおける色の％ＲＭＳは１．０５％で、曲線ｂにおける色の％ＲＭＳは１．４４％である。
例４
ここで説明したような光学多層積層体で構成される反射偏光子を、吸収偏光子を取り除いたＳＴＮピクセル化液晶ディスプレイの片側に取り付けて、本発明の切換可能な光学パネルを作製した。反射偏光子がその端部に沿って接着テープを巻くことによってＬＣＤに固着された。各反射偏光子の偏光方向は、各基板上の液晶の整合方向と平行とされた。これによって、各反射偏光子がクロスする反射モードにおいて、可視光の消光が最大となった。
この光学パネルを周辺光の中において観察した。電圧を印加しない状態では、このパネルは部分的に透明に見えた。電圧を掛けると、このパネルは鏡のような外観に切り換わった。
例５
機械的に切換可能な窓は、次のように構成した。５６０ｎｍにおいて１／４波長であるポラロイド社の複屈折フィルムを、
この切換可能な窓を、“クローズド”位置にあるときと“オープン”位置にあるときの両方でこの窓の光透過を測定することによって評価した。光源は、１２ボルトのタングステン−ハロゲン・ランプであった。透過光の強度を、可視光だけに感度を有するアモルファス・シリコン・フォトダイオードで測定した。“クローズド”位置においては、第１の板は第２の板に平行に、複屈折フィルムは第２の板から外側に、または最も離れて配置された。“オープン”位置に切り換えるために、第１の板を１８０°くるっと回すと、複屈折フィルムは第２の板よりの位置、または第２の板に最も近づいて、２つの偏光子の間に位置した。２つの制御された透過は、１)偏光子も複屈折フィルムもない２枚のガラス板を使用する条件、および２)２つの反射偏光子をその偏光方向を平行にしてガラス板に積層する条件、においても測定された。第２の制御は、偏光子間に完全に複屈折するフィルムがあることをシミュレートするために行った。その結果を下記の表に示している。
Claims (7)
- 切換可能な光学パネル(１０)を備えた切換可能な光学装置(８)であって、
切換可能な光学パネル(１０)は、
−第１および第２の主表面を有する透明な光学的活性層(１２)と、
−光学的活性層の第１の主表面に設けられた第１反射偏光子(３２)と、
−光学的活性層の第２の主表面に設けられた第２反射偏光子(３４)と、
−該パネルを反射状態と透過状態との間で切り換える手段(１９、２１、２３)と、
を備えており、
前記第１および第２の反射偏光子のそれぞれが、隣接する材料層のペアを多層積層して構成されており、
各ペア層の隣接する層は、偏光子の面内の第１の方向における屈折率が異なり、偏光子の面内で第１の方向に直交する第２の方向においては屈折率が本質的に異ならない、光学装置(８)。 - 前記光学パネルが液晶デバイス(７０)である、請求項１記載の切換可能な光学装置であって、
該液晶デバイス(７０)は、
平行に整合されておりその間に空洞を規定する第１および第２の透明平坦基板(７２、７４)であって、各基板が外面とこの空洞に面する内面とを有している基板と、
空洞に閉じ込められている液晶材料(７６)と、で構成されている、光学装置。 - 請求項１または２記載の切換可能な光学装置であって、
隣接する層間の前記第１の方向における屈折率の異なりが、第２の方向におけるそれよりも、少なくとも０．０５だけ大きい、光学装置。 - 請求項１または２記載の切換可能な光学装置であって、
前記第１および第２の反射偏光子のそれぞれが、第１および第２の材料の層を交互に積層してなる多層シートで構成されており、
第１の材料は、応力で誘起される複屈折を示し、このシートが一軸延伸されている、光学装置。 - 請求項１、２または３記載の切換可能な光学装置であって、
偏光子の面に直交する第３の方向における隣接する層間の屈折率の異なりが、第１の方向におけるそれの約０．２倍よりも小さくされている、光学装置。 - −第１および第２の主表面を有する第１の透明窓ガラス(１１８)と、
−第１の透明窓ガラス上に設けられた第１の反射偏光子(１２０)と、
−第２の透明窓ガラス(１２２)と、第２の透明窓ガラス上に設けられた第２の反射偏光子(１２６)と、第２の透明ガラス上であって第２反射偏光子とは反対側に設けられた複屈折層(１２４)と、を備えた少なくとも１つのシャッタと、
−複屈折層または第２反射偏光子のいずれかを第１反射偏光子に隣接しこれと平行になるように位置せしめ、これによって、窓をオープン状態とクローズド状態との間で機械的に切り換えることができるようにする、シャッタ回転手段と、
を備えた切換可能な窓(１１４)であって、
−前記第１および第２の反射偏光子のそれぞれが、隣接する材料層のペアを多層積層して構成されており、
各ペア層の隣接する層は、偏光子の面内の第１の方向における屈折率が異なり、偏光子の面内で第１の方向に直交する第２の方向においては屈折率が本質的に異ならない、窓。 - −前部吸収偏光子(１３８)と、後部吸収偏光子(１４０)と、これらの間に配置されたピクセル化された液晶ディスプレイデバイス(１４２)と、を備えた液晶ディスプレイデバイス(１３０)と、
−液晶ディスプレイデバイスを照らすバックライト(１３２)と、
−液晶ディスプレイデバイスとバックライトとの間に配置された光学ディフューザ(１３４)と、
−光学ディフューザとバックライトとの間に配置された切換可能な透過反射器(１３６)と、を備えた透過反射型光学ディスプレイ(１２８)であって、
切換可能な透過反射器は、
−ピクセル化されていない液晶デバイス(１４６)と、
−該デバイスの後部基板上でバックライトに近接して配置された反射偏光子(１４８)と、
−透過反射器を反射状態と透過状態との間で電子的に切り換える手段(１５６、１５８)とを備えており、
ピクセル化されていない液晶デバイス(１４６)は、
−光学ディフューザに面する前部基板(１５０)と、該基板と平行に整合されその間に空洞を規定する後部基板(１５２)とであって、各基板が空洞に面している内面と、外面とを有している各基板と、
−各基板内面上に設けられた導電材料(１５６、１５８)と、
−空洞に閉じ込められた液晶材料(１５４)と、を備えており、
ピクセル化されていない液晶デバイスは、前部基板に関しては前部整合方向を、後部基板に関しては後部整合方向を有しており、
透過反射器を反射状態と透過状態との間で電子的に切り換える前記手段(１５６、１５８)においては、後部吸収偏光子の偏光方向がピクセル化されていない液晶デバイスの前部整合方向と平行になっており、
前記第１および第２の反射偏光子のそれぞれが、隣接する材料層のペアを多層積層して構成されており、
各ペア層の隣接する層は、偏光子の面内の第１の方向における屈折率が異なり、偏光子の面内で第１の方向に直交する第２の方向においては屈折率が本質的に異ならない、透過反射型光学ディスプレイ(１２８)。
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