JP3947786B2 - 高効率光学装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は光学装置分野に関する。より詳細には、本発明は多層光学フィルムを反射器および/または偏光器として用いた光学装置に関する。
発明の背景
反射器を用いた光学装置は、例えばラップトップコンピュータや手のひらサイズの計算機、デジタル時計および同様の装置の他、照明標識、ライトパイプ、バックライトアセンブリおよびその他多くの装置において利用されている。
着色表面、銀張ミラー、研磨金属またはメッキ面などを含む従来の反射器は、多くの用途で様々な欠点がある。従来の反射器は、表面に入射する光に対する吸収率が比較的高く、一般に入射する光の約4〜10％を吸収する。この結果、反射後に残る光の量は最初に入射した光の量よりも少なくなる。複数の反射が利用されている装置では、光学装置全体としての出力が実質的に限られてしまうこともある。さらに、従来の反射器の多くは多くの用途、特にラップトップコンピュータディスプレイおよびその他の携帯用装置では、かさが大きすぎるおよび/または重すぎる。
多くの光学装置は、反射器と一緒または組み合わせて偏光器を用いて実質的に1つの偏光面を有する光を提供している。偏光された光は、ラップトップコンピュータや時計などの多くの携帯用装置において用いられている液晶(LC)ディスプレイにおいて特に有用である。LCディスプレイはLCを通過する偏光された光を利用して情報を可視表示しているためである。
偏光器は一般に、吸収型または反射型のいずれかに分類できる。一般的な吸収型偏光器は配向着色ポリマーフィルムであり、一般的な反射型偏光器はMacNeille偏光器としても知られいている傾斜薄膜偏光器である。もちろん、吸収型偏光器はそれを用いている光学装置の吸収損失の原因になるため、これらの装置の出力には限界がある。
光学装置をマイクロ反復輝度増強フィルムなどの輝度増強フィルムまたは一般に光が複数の反射によって移動され、反射ごとに吸収損失が増幅されるその他の反射型偏光器と一緒に用いる場合に、周知の反射器および偏光器の吸収損失はより一層重要になる。例えば輝度増強フィルム1枚と反射型偏光器および後方反射器とを組み合わせた場合、あるいは輝度増強フィルム2枚を直交させた場合の最高ゲインでは、実効吸収損失によって光学表示装置の全潜在光出力が10〜30％減少してしまうことがある。
この吸収損失の原理は、非全内反射表面を用いている光学装置にも同様にあてはまる。収束反射面を有する構造に光が送られる光学ウェッジが1つの例である。光学ウェッジは一般に、装置から出る前に何度も光を反射させる。しかしながら、反射するごとにウェッジに入る光の一部が従来の反射器によって吸収されてしまう。この結果、装置から出る光の量は一般に装置に入る光の量よりも実質的に少なくなる。
一般に反射面を用いているもう1つの光学装置としては、有限数の光源および光学キャビティ内での複数の反射によって光を分散させ、標識の表面を一般に均一に照明する照明標識が挙げられる。吸収損失の問題を解決するために、多数の光源を利用している標識が一般的である。したがって、標識の製造や運用にかかるコストがましてしまう。
光学損失によって制限されてしまうもう1つの光学装置としては、光がパイプに入射して長さ方向に沿って何度も反射した後に所望の場所で出射する光パイプが挙げられる。従来の反射器を用いていると反射するたびに多かれ少なかれ吸収が生じるため、光パイプのスループットには限界がある。
従来の反射器における重量、かさ、吸収の問題をいくつか解決するために、多層ポリマーフィルムを用いて光を反射および/または偏光している。しかしながら、このようなポリマーフィルムには、イリデセンスの他、フィルム表面に光軸から外れた光が近づくと反射率が悪くなるなどの多数の欠点がある。光軸から外れた光は一般に、反射されるのではなくフィルムを通過するため、吸収損失ではなく透過損失が発生する。いずれにしても、吸収であろうと透過であろうと光が失われることは、結果として光学装置の出力を制限してしまうことになる。
反射器および/または偏光器を得るために用いられている周知の多層ポリマーフィルムにおける他の問題は、フィルムを製造するために利用される材料および方法が光透過性、押出性の悪さやコスト高であることなど、多くの重大な問題をかかえているということである。
発明の開示
本発明による光学装置は多層光学フィルムを含む。本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置は、フィルムの吸収率が低く、フィルムに対して狭角で入射する光から垂直に入射する光まで反射できるため、多くの利点がある。
完全反射が望ましいような場合には、本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置はフィルム表面に衝突する光の99％以上を反射することができる。
反射偏光器が望ましい場合には、ある偏光面の光を有意な量で透過するとともに、直交方向に偏光した光を有意な量で反射する多層光学フィルムで光学装置を構成することができる。さらに有利なのは、透過/反射光の相対比率を本発明において用いる多層光学フィルムによって大幅に調節することができるという点である。
多層光学フィルムの他にはない特性がゆえに、本発明による光学装置は、フィルム表面に対して垂直であろうと光軸から外れていようと、光の反射および透過時および/または偏光した光の透過時に極めて効率がよい。
反射を利用して光を透過する本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置のもう1つの利点は、多層光学フィルムの吸収率が低いため光を透過するのに必要な反射の回数を減らす上で光学装置を対称のものにする必要はないという点である。
本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置のもう1つの利点は、従来の多くの反射器および/偏光器と比べると比較的軽量であるという点である。
本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置のさらにもう1つの利点は、従来の反射器および/または偏光器と比べてフィルム自体が比較的薄いため、光学装置を用いるシステムの限られた空間のみを占める程度の装置を製造することができるという点である。
本発明による光学装置の他の特徴および利点については、一例として挙げる以下の実施例の詳細な説明を読めば明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
図1aおよび図1bは、本発明による多層光学フィルムの図である。
図2は、1つの界面を形成しているフィルムの2層重ね部分を示す図である。
図3乃至図6、図7Aおよび図7Bは、実施例1〜5において説明する多層光学フィルムの光学性能を示す図である。
図8は、多層光学フィルムおよび標準的な反射器の反射面での光線反射回数（x軸）と光線の相対強度（y軸）との関係を示すグラフ図である。
図9は、本発明による他の光学装置の概略断面図である。
図10は、光学装置の少なくとも1つの面がメッセージを表示するためのものである、図9に示す装置の斜視図である。
図11は、本発明による収束ウェッジ光学装置の概略断面図である。
図12は、本発明による発散ウェッジ光学装置の概略断面図である。
図13は、本発明による多層光学フィルムを用いた光パイプの概略断面図である。
図14は、光パイプの長手方向の軸を横切る面に沿って切った、図13に示す装置の概略断面図である。
図15は、本発明による多層光学フィルムを用いて構成された光学装置の一例を示す斜視図である。
本発明の実施例の詳細な説明
I. 多層光学フィルム
本願明細書において説明する光学装置は、多層光学フィルムの他にはない有利な特性に依存している。かかるフィルムの利点、特徴および製造については、1995年3月10日に発明の名称OPTICAL FILMでファイルされ、本願と同一の譲受人に譲渡された係属中の米国特許出願第08/402,041号において最も完全に記載されている。この多層光学フィルムは、例えば高効率ミラーおよび/または偏光器として有用である。多層光学フィルムの特性および特徴についての比較的簡単な説明を後述し、続いて本発明による多層光学フィルムを用いたバックライト系の実施例を説明する。
本発明において用いられる多層光学フィルムは、入射光に対する吸収率が比較的低く、光軸から外れた光ならびに直交光線に対しては高率で反射する。これらの特性は一般に、フィルムを純粋な反射用として用いているか反射偏光用として用いているかに関係なく得られるものである。多層光学フィルムの他にはない特性および利点がゆえに、周知のバックライト系と比較して吸収損失の低い高効率なバックライト系を設計できるようになる。
図1Aおよび図1Bに示されるような一例としての本発明の多層光学フィルムは、少なくとも2種類の材料12および14からなる層が交互に積層された多層スタック10を含む。これらの材料のうち少なくとも一方は、材料の屈折率(n)が延伸工程に影響される応力誘導複屈折の特性を有する。図1Aは、両方の材料の屈折率が同じである延伸工程前の多層スタックの一例を示している。光線13は屈折率が変化することなくスタックを通過する。図1Bでは、同じスタックを延伸して材料12の屈折率が高くなった状態を示している。層同士の境界部分でそれぞれ屈折率が異なることで、光線15の一部が反射する。多層スタックを一軸方向および二軸方向に延伸することで、異なる方向に配向した面偏光入射光の反射率が様々に変化する。したがって、この多層スタックを反射偏光器またはミラーとして有効利用することができる。
本発明によって構成された多層光学フィルムは、Brewster角(層界面で入射光に対する反射率がゼロになる角度)が極めて大きいかまたは全く存在しない。これとは対照的に、周知の多層ポリマーフィルムは、層界面においてBrewster角が比較的小さくなるため、光の透過および/または望ましくないイリデセンスが生じてしまう。しかしながら、本発明による多層光学フィルムは、ｐ偏光に対する反射率が入射角と共に徐々に小さくなるか、あるいは入射角とは無関係または法線から離れる方向に入射角が大きくなるにつれて反射率が増加するミラーや偏光器を構成できるようにする。この結果、s偏光とp偏光の両方に対して広い帯域かっ広い角度範囲で高反射率を有する多層スタックを達成することができる。
図2は、多層スタックの2つの層を示し、各層について三次元方向の屈折率を示したものである。各層の屈折率は、層102がn1x、n1yおよびn1z、層104がn2x、n2yおよびn2zである。各フィルム層の屈折率同士の関係およびフィルムスタックにおける他層の屈折率との関係によって、全ての方位方向からのあらゆる入射角における多層スタックの反射率挙動が決まる。米国特許出願第08/402,041に記載されている設計原理および検討内容は、いずれも広範囲にわたる環境および用途で所望の光学効果を有する多層スタックを作製する上で適用できるものである。多層スタックの各層の屈折率を操作して任意の値に調節し、所望の光学特性を達成することができる。
再び図1Bを参照すると、多層スタック10は、数十、数百または数千の層を有し、各層は何種類の材料から作られたものであってもよい。特定のスタックに対する材料が決まる根拠となる特徴は、スタックの所望の光学特性によって様々である。スタックには、その積層数と同じだけの材料を含むことも可能である。製造を簡単にするために、好ましい光学薄膜は2、3種類の材料を含むのみである。
材料間の境界または特性は異なるが化学的に同一の材料間の特性を急激に変化するものにすることも、徐々に変化するものにすることもできる。分析によってソリューションが得られているいくつかの単純なケースを除き、屈折率が連続的に変化する後者の成層メディアは通常、急激に変化する境界を有する一層薄い均一な層がより多数含まれるが隣接する層同士の特性の変化は少ないものとして扱われる。
好ましい多層スタックは、低/高屈折率フィルムの対からなるものであり、各低/高屈折率層対の複合光学厚さは、反射するよう設計された帯域中心波長の1/2である。このようなフィルムのスタックは一般に、四分の一波スタックと呼ばれている。可視光波長および近赤外線波長用の多層光学フィルムでは、四分の一波スタック構造にすることで多層スタックの各層の平均厚さが0.5ミクロンを超えなくなる。
反射フィルム(例えばミラーなど)が望ましい用途では、各偏光の所望の平均透過率および入射面での平均光透過率は一般に、反射フィルムの意図された用途によって様々である。多層ミラーフィルムを作製するための方法の1つとして、低/高屈折率層対の高屈折率層として複屈折材料を含む多層スタックを二軸延伸することが挙げられる。高効率の反射フィルムについては、可視スペクトル(400〜700nm)での普通の入射光に対する各延伸方向への平均透過率は、望ましくは10％未満(反射率が90％を上回る)であり、好ましくは5％未満(反射率が95％を上回る)、より好ましくは2％未満(反射率が98％を上回る)であって、1％未満(反射率が99％を上回る)とより一層好ましい。400〜700nmで法線から60°での平均透過率は、望ましくは20％未満(反射率が80％を上回る)、好ましくは10％未満(反射率が90％を上回る)、より好ましくは5％未満(反射率が95％を上回る)、さらに好ましくは2％未満(反射率が98％を上回る)であって、1％未満(反射率が99％を上回る)とより一層好ましい。
また、用途によっては非対称の反射フィルムが望ましい場合もある。そのような場合には、例えば可視スペクトル(400〜700nm)の帯域幅または可視スペクトルと近赤外線(400〜850nmなど)帯域幅で、一延伸方向への平均透過率は好ましくは例えば50％未満であり、その他の延伸方向への平均透過率は好ましくは例えば20％未満とすることができる。
多層光学フィルムを反射偏光器として動作するよう設計することもできる。多層反射偏光器を作製するための1つの方法として、低/高屈折率対の高屈折率の層に複屈折率材料を含有する多層スタックを一軸延伸することが挙げられる。このようにして得られた反射偏光器は、広い入射角にわたって偏光面が1つの軸(延伸方向)に平行な光に対する反射率が高い上、他の軸(非延伸方向)に対して平行な偏光面の光については、広い入射角にわたって低反射率かつ高透過率である。各フィルムの3つの屈折率すなわちnx、nyおよびnzを調節することによって、所望の偏光挙動を得ることができる。
多くの用途では、理想的な反射偏光器は、全ての入射各について1本の軸(いわゆる吸光軸)に沿った反射率が高く、その他の軸(いわゆる透過軸)に沿った反射率がゼロのものである。偏光器の透過軸については、一般に対象となる帯域全体かつ角度範囲全体にわたって、透過軸方向に偏光した光の透過率を最大限にできるものであると好ましい。
可視スペクトル(400〜700nmの300nmの帯域)を横切る透過軸における偏光器の垂直入射時の平均透過率は、少なくとも50％であると望ましく、好ましくは少なくとも70％、より好ましくは少なくとも85％、さらに好ましくは少なくとも90％である。400〜700nmの偏光器の法線から60°の角度(p偏光の透過軸に沿って測定)での平均透過率は、少なくとも50％であることが望ましく、好ましくは少なくとも70％、より好ましくは少なくとも80％、さらに好ましくは少なくとも90％である。
可視スペクトル(400〜700nmの300nmの帯域)を横切る吸光軸方向に偏光した光の垂直入射時の多層反射偏光器の平均透過率は、50％未満であることが望ましく、好ましくは30％未満、より好ましくは15％未満、さらに好ましくは5％未満である。400〜700nmから吸光軸の方向に偏光した光に対する偏光器の法線から60°の角度(p偏光の透過軸に沿って測定)での平均透過率は、好ましくは30％未満、より好ましくは15％未満、さらに好ましくは5％未満である。
用途によっては、法線から外れた角度での偏光面が透過軸と平行なp偏光を高反射させることが好ましい場合もある。透過軸に沿って偏光した光の平均反射率は、法線から少なくとも30°の角度で20％を上回る値でなければならない。
さらに、反射偏光フィルムおよび非対称反射フィルムについて本願明細書では別々に説明しているが、このようなフィルムを2枚以上設け、実質的に全ての入射光を反射するようにすることも可能である(但し、互いに正しく配向している場合に限る)。このような構成は一般に、本発明によるバックライト系における反射器として多層光学フィルムを用いたような場合に望ましいものである。
透過軸にそって反射が生じる場合には、非法線角での偏光器の効率が悪くなることもある。透過軸に沿った反射が波長によって異なる場合、透過光が着色されることもある。色を測定するための方法の1つとして、対象となる波長範囲について選択した1つまたは複数の角度での透過率の根二乗平均(RMS)値を求めることが挙げられる。％RMS色C_RMSは以下の式によって求められる。

ここで、範囲λ1〜λ2は対象となる波長範囲すなわち帯域であり、Tは透過軸に沿った透過率、

は対象となる波長範囲における透過軸に沿った平均透過率である。低色偏光器が望ましいような用途では、％RMS色は、法線に対して少なくとも30°、好ましくは法線に対して少なくとも45°、さらに好ましくは法線に対して少なくとも60°の角度で、10％未満とすべきであり、好ましくは8％未満、より好ましくは3.5％未満、さらに好ましくは2％未満である。
好ましくは、反射偏光器は、特定の用途に対する透過軸に沿った所望の％RMS色と、対象となる帯域を横切る吸光軸に沿った所望の反射量とを組み合わせるものである。可視範囲における帯域(400〜700nmすなわち300nmの帯域)を有する偏光器の場合、垂直入射時の吸光軸に沿った平均透過率は40％未満であることが望ましく、より望ましくは25％未満、好ましくは15％未満、さらに好ましくは5％未満でより一層好ましくは3％未満である。
材料の選択および処理
上述した米国特許出願第08/402,041号に記載されている設計内容を考慮し、所望の屈折率関係が得られるよう選択された条件下で処理する場合、様々な材料を利用して本発明による多層反射フィルムまたは偏光器を作製できることは当業者であれば容易に理解できよう。フィルム成形時またはフィルム成形後の延伸(例えば、有機ポリマーの場合)、押出(例えば液晶材料の場合)またはコーティングなどの様々な方法で、所望の屈折率関係を達成することができる。また、同時押出できるよう、2種類の材料が似たようなレオロジー特性(例えば、溶融粘度など)を有していると好ましい。
一般に、第1の材料として結晶質または半結晶質材料、好ましくはポリマーを選択することによって、適当な組み合わせを達成することができる。第2の材料は、結晶質、半結晶質または非晶質のものでよい。第2の材料の複屈折は第1の材料の逆であってもよい。あるいは、第2の材料は複屈折のないものであるか、第1の材料よりも低い複屈折を有するものであってもよい。
適した材料の具体例としては、ポリエチレンナフタレート(PEN)およびそのイソマー(例えば、2,6-、1,4-、1,5-、2,7-および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およびポリ-1,4-シクロヘキサンジメチレンテレフタレートなど)、ポリイミド(例えば、ポリアクリルイミドなど)、ポリエーテルイミド、アタクチックポリスチレン、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およびポリメチルメタクリレートなど)、ポリアクリレート(例えば、ポリブチルアクリレートおよびポリメチルアクリレート)、シンジオタクチックポリスチレン(sPS)、シンジオタクチックポリ-α-メチルスチレン、シンジオタクチックポリジクロロスチレンコポリマーおよびこれらのポリスチレンの任意の配合物、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トおよびセルロースニトレートなど)、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、ポリイソブチレンおよびポリ(4-メチル)ペンテンなど)、フッ化ポリマー(例えば、パーフルオロアルキル樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレン-プロピレンコポリマー、ポリビニリデンフルオリドおよびポリクロロトリフルオロエチレンなど)、塩化ポリマー(例えば、ポリビニリデンクロリドおよびポリ塩化ビニルなど)、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアセテート、ポリエーテルアミド、イオノマー樹脂、エラストマー(例えば、ポリブタジエン、ポリイソプレンおよびネオプレンなど)およびポリウレタンなどが挙げられる。また、例えばPENのコポリマー(例えば2,6-、1,4-、1,5-、2,7-および/または2,3-ナフタレ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)アルカングリコール、(e)シクロアルカングリコール、(f)アルカンジカルボン酸および/または(g)シクロアルカンジカルボン酸(例えばテレフタル酸またはそのエステルと、(a)ナフタレ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)アルカングリコール、(e)シクロアルカングリコール(例えばシクロヘキサンジメタンジオールなど)、(f)アルカンジカルボン酸および/または(g)シクロアルカンジカルボン酸(例えばシクロヘキサンジカルボン酸など)とのコポリマーなど)、とのコポリマーなど)、およびスチレンコポリマー(例えばスチレン-ブタジエンコポリマーおよびスチレン-アクリロニトリルコポリマーなど)、4,4-ビベンジル酸およびエチレングリコールなどのコポリマーも適している。また、各層は上述したポリマーまたはコポリマー2種類以上の配合物(例えば、sPSとアタクチックポリスチレンとの配合物など)を含んでいてもよい。上述したcoPENも、少なくとも1つの成分がナフタレンジカルボン酸を主成分とするポリマーであって、他の成分がPETやPENまたはco-PEN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配合物であってもよい。
偏光器の場合に特に好ましい層の組み合わせとしては、PEN/co-PEN、ポリエチレンテレフタレート(PET)/co-PEN、PEN/sPS、PET/sPS、PEN/Eastar、およびPET/Eastarが挙げられる。ここで「co-PEN」はナフタレンジカルボン酸(上述)を主成分とするコポリマーまたは配合物を意味し、Eastarは、イーストマンケミカル社(Eastman Chemical Co.)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。
反射フィルムの場合に特に好ましい層の組み合わせとしては、PET/Ecdel、PEN/Ecdel、PEN/sPS、PEN/THV、PEN/co-PETおよびPET/sPSが挙げられる。ここで、「co-PET」は(上述した)テレフタレートを主成分とするコポリマーまたは配合物を意味し、Ecdelはイーストマンケミカル社(Eastman Chemical Co.)から入手可能な熱可塑性ポリエステルであり、THVはミネソタ州サンパウロのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリング社(Minnesota Mining and Manufacturing Company)から入手可能なフルオロポリマーである。
フィルムに用いられる層の数を選択し、フィルム厚、可撓性および経済面での理由から最小数の層を利用して所望の光学特性を得る。偏光フィルムおよび反射フィルムの両方の場合において、層数は好ましくは10,000未満、より好ましくは5,000未満、さらに好ましくは2,000未満である。
上述したように、様々な屈折率(よって、多層フィルムの光学特性)の中から所望の関係を達成する機能は、多層フィルムを作製する際の処理条件に影響される。延伸によって配向させることのできる有機ポリマーの場合には、フィルムは一般に、個々のポリマーを同時押出して多層フィルムを形成した上で選択された温度でフィルムを延伸して配向させ、任意に選択された温度で熱硬化させて得られるものである。あるいは、押出ステップおよび配向ステップを同時に実施することもできる。偏光器の場合には、フィルムは実質的に一方向に延伸される(一軸延伸)が、反射フィルムの場合には、フィルムは実質的に二方向に延伸される(二軸延伸)。
フィルムをクロス延伸(延伸速度の二乗根と等しい)の自然減少からクロス延伸方向に自由に自然縮小させることもできる。これは、クロス延伸方向における実質的な変化を制限するためだけのものである。あるいは、クロス延伸方向にアクティブに延伸させることも可能である。長さ配向機によって機械方向にフィルムを延伸するか、あるいはテンターを利用して幅方向に延伸することができる。
予備延伸温度、延伸温度、延伸速度、延伸比率、熱硬化温度、熱硬化時間、熱硬化弛緩およびクロス延伸弛緩を選択し、所望の屈折率関係を有する多層フィルムを得る。これらの変数は内部依存的なものであるため、例えば、比較的低い延伸温度と組み合わせると比較的低い延伸速度にすることができる。これらの変数を適当に組み合わせて所望の多層フィルムを達成できることは当業者であれば明らかであろう。しかしながら、一般に、延伸比率は延伸方向で1:2〜1:10の範囲、(より好ましくは1:3〜1:7)、延伸方向に対して直交する方向で1:0.2〜1:10(より好ましくは1:0.3〜1:7)であると好ましい。
適した多層フィルムを、例えば複屈折ポリアミドについてはスピンコーティング(例えば、Boese et al.、J. Polym. Sci.: Part B, 30:1321(1992)に記載されているものなど)、結晶質有機化合物については真空蒸着(例えばZang et.aL,Appl. Phys. Letters, 59:823(1991)に記載されている)などの技術を用いて作製することもできる。後者の技術は、特定の結晶質有機化合物と無機材料とを組み合わせた場合に特に有用である。
一例としての多層反射ミラーフィルムおよび多層反射偏光器を以下の実施例において説明する。
実施例1(PEN:THV 500, 449,ミラー)
一操作でキャストウェブを押し出した後、実験室のフィルム延伸装置でフィルムを配向させて449層を含む同時押出フィルムを作製した。固有粘度が0.53dl/g(60wt.％フェノール/40wt.％ジクロロベンゼン)であるポリエチレンナフタレート(PEN)を一方の押出機から時間あたり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社(Minnesota Mining and Manufacturing Company)から入手可能なフルオロポリマー)を別の押出機で時間あたり11ポンドの速度で搬送した。PENはスキン層上、PENの50％が2枚のスキン層上にあった。フィードブロック法を利用して57層を作製し、これを3つのマルチプライヤーに通して449層にした。キャストウェブは厚さ20ミル、幅12インチとした。このウェブを後に実験室の延伸装置で二軸延伸した。この装置は、パントグラフでフィルムの四角い部分を把持し、これを両方向に同一速度で同時に延伸するものである。7.46cm四方のウェブを約100℃で延伸機に入れ、60秒間で140℃まで加熱した。次に、サンプルが約3.5×3.5になるまで(最初の寸法に基づいて)10％/秒で延伸した。延伸直後、室温の空気を吹き付けてサンプルを冷却した。
図3は、この多層フィルムの透過率を示すものである。曲線(a)は垂直入射時の応答、曲線(b)はp偏光について60°での応答を示すものである。
実施例2(PEN:PMMA, 601,ミラー)
同時押出プロセスによってシーケンシャル平滑フィルム作製ラインで601層を含む同時押出フィルムを作製した。固有粘度が0.57dl/g(60wt.％フェノール/40wt.％ジクロロベンゼン)であるポリエチレンナフタレート(PEN)を押出機Aから時間あたり114ポンドの速度で押し出し、時間あたり64ポンドでフィードブロックに送り、残りを後述するスキン層に載せる。時間あたり61ポンドの速度で押出機BによってPMMA(ICI of Americas製CP-82)を搬送した。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を利用してフィードブロック法で151層を作製した後、フィードブロックの2枚のスキン層を、押出機Aで搬送したPENの場合と同じタイプで時間あたり30ポンドで押出機Cにて同時押出した。この押出物を2つのマルチプライヤに通し、約601層の押出物を作製した。米国特許第3,565,985号には、同様の同時押出マルチプライヤが記載されている。押出物を他の装置に通し、押出機AからPENのスキン層を時間あたり50ポンドの総速度で同時押出した。ウェブを延伸速度約3.2でウェブ温度を約280°Fとして長さ方向に配向させた。次にこのフィルムを38秒で約310°Fまで予備加熱し、延伸比率約4.5まで1秒あたり約11％の速度で横方向に延伸した。次にこのフィルムを弛緩が生じないようにして440°Fで熱硬化させた。最終的に得られたフィルム厚は約3ミルであった。
図4において示されるように、曲線(a)すなわち垂直入射時の帯域幅は約350nmであり、平均帯域内吸光が99％を上回っていた。光吸収量は値が小さいため測定するのは困難であるが、1％未満である。法線から約50°の入射角で、s偏光(曲線(b))およびp偏光(曲線(c))はいずれも同様の吸光を呈し、帯域は予想通り小さい波長側にシフトした。s偏光に対する赤帯域エッジはp偏光ほどは青い方にシフトしなかった。s偏光では予想通り帯域幅が広く、PEN層ではp偏光によって屈折率が低くなるためである。
実施例3(PEN:PCTG, 449,偏光器)
一操作でキャストウェブを押し出した後、実験室のフィルム延伸装置でフィルムを配向させて481層を含む同時押出フィルムを作製した。61層のフィードブロックおよび3つ(2x)のマルチプライヤーを用いてフィードブロック法を利用した。最終的なマルチプライヤとダイとの間に厚いスキン層を追加した。固有粘度が0.47dl/g(60wt.％フェノール/40wt.％ジクロロベンゼン)であるポリエチレンナフタレート(PEN)を一方の押出機から時間あたり25.0ポンドの速度で押し出した。グリコール変性ポリエチレンジメチルシクロヘキサンテレフタレート(イーストマン(Eastman)製のPCTG 5445)を時間あたり25.0ポンドの速度で他の押出機によって搬送した。上述した押出機からのPENの他の流れを、時間あたり25.0ポンドの速度でマルチプライヤに通した後スキン層として加えた。キャストウェブは厚さ0.007インチで幅12インチとした。このウェブを後に実験室の延伸装置で一軸層配向した。この装置は、パントグラフでフィルムの一部を把持し、これを一方向に一定速度で延伸しつつ、他方向には自由に弛緩させるものである。用いたウェブのサンプルは5.40cm幅(自由方向)で長さ7.45cmのものであり、これをパントグラフの把持部分で把持した。ウェブを約100℃で延伸機に入れ、45秒間で135℃まで加熱した。次に、サンプルが約6:1になるまで(最初の寸法に基づいて)20％/秒で延伸した。延伸直後、室温の空気を吹き付けてサンプルを冷却した。中央部分でサンプルは2.0倍に弛緩していることが分かった。
図5は、この多層フィルムの透過率を示すものである。ここで、曲線aは垂直入射時に非延伸方向に偏光した光の透過率であり、曲線bは60°の入射角で非延伸方向に偏光した光のp偏光透過率であり、曲線cは垂直入射時に延伸方向に偏光した光の透過率である。400〜700nmの曲線aについての平均透過率は89.7％であり、400〜700nmの曲線bについての平均透過率は96.9％であり、400〜700nmの曲線cについての平均透過率は4.0％であった。曲線aの％RMS色は1.05％、曲線bの％RMS色は1.44％である。
実施例4(PEN:CoPEN, 601,偏光器)
同時押出プロセスによってシーケンシャル平滑フィルム作製ラインで601層を含む同時押出フィルムを作製した。固有粘度が0.54dl/g(60wt.％フェノール/40wt.％ジクロロベンゼン)であるポリエチレンナフタレート(PEN)を時間あたり75ポンドの速度で押出機によって搬送し、時間あたり65ポンドの速度で他の押出機によってcoPENを搬送した。coPENは、2,6ナフタレンジカルボキシレートメチルエステル70モル％と、ジメチルイソフタレート15％と、ジメチルテレフタレート15％と、エチレングリコールとのコポリマーであった。フィードブロック法を利用して151層を作製した。フィードブロックは、厚さ勾配が上から下まであり、最も厚い層に対する最も薄い層の厚さ比が1.22のフィルムのスタックを製造するよう設計された。同時押出層の8％の総厚で光学スタックの外側にPENスキン層を同時押出した。2つのシーケンシャルマルチプライヤによって光学スタックをかけあわせた。マルチプライヤの見かけ上のかけあわせ比はそれぞれ1.2および1.27とした。続いてこのフィルムを約40秒で310°Fまで予備加熱し、延伸比約5.0で1秒あたり6％の速度で横方向に延伸させた。最終的に得られたフィルム厚は約2ミルであった。
図6は、多層フィルムの透過率を示す。曲線aは垂直入射時に非延伸方向に偏光した光の透過率であり、曲線bは60°の入射角で非延伸方向に偏光した光のp偏光透過率であり、曲線cは垂直入射時に延伸方向に偏光した光の透過率である。垂直入射時および60°での入射時のいずれも非延伸方向でのp偏光の透過率は80〜100％と極めて高いことに注意されたい。また、曲線cで示される可視領域(400〜700nm)における延伸方向への偏光の反射率も極めて高い。反射率は500〜650nmの間で99％に近い。
実施例5(PEN:sPS, 481,偏光器)
イーストマンケミカルズ(Eastman Chemicals)から購入した60wt.％フェノールおよび40wt.％ジクロロベンゼンにおいて測定した固有粘度が0.56dl/gのポリエチレンナフタレート(PEN)およびシンジオタクチックポリスチレン(sPS)ホモポリマー(重量平均分子量=200,000ダルトンであるダウコーポレーション(Dow Corporation)製のサンプル)から481層の多層の多層フィルムを作製した。PENを外側の層にして時間あたり26ポンドで押出し、pPSを時間あたり23ポンドで押し出した。使用したフィードブロックから61層を作製した。これら61層は各々ほぼ同一の厚さとした。3つ(2x)のマルチプライヤをフィードブロックの後に利用した。フィードブロックに供給される同一のPENを含有した厚さの同じスキン層を最終マルチプライアの後に時間あたり22ポンドの総比率で加えた。幅12インチのダイを利用してウェブを厚さ約0.011インチ(0.276mm)に押し出した。押出温度は290℃とした。
このウェブを周囲温度条件で9日間保管した後、テンターで一軸配向した。フィルムを約25秒で約320°F(160℃)まで予備加熱し、延伸比約6:1まで1秒あたり約28％の速度で横方向に延伸した。延伸方向には弛緩が生じないようにした。最終的に得られたフィルムの厚さは約0.0018インチ(0.046mm)であった。
図7は、この481層からなるPEN:sPS反射偏光器の光学特性を示す図である。曲線aは垂直入射時に非延伸方向に偏光した光の透過率であり、曲線bは60°の入射角で非延伸方向に偏光した光のp偏光透過率であり、曲線cは垂直入射時に延伸方向に偏光した光の透過率である。垂直入射時および60°での入射時のいずれもp偏光の透過率は極めて高いことに注意されたい。400〜700nmの曲線aについての平均透過率は86.2％であり、400〜700nmの曲線bについての平均透過率は79.7であった。曲線cで示される可視領域(400〜700nm)における延伸方向への偏光の反射率も極めて高い。このフィルムは、400〜700nmの間で曲線cに対する平均透過率は1.6％である。曲線aの％RMS色は3.2％、曲線bの％RMS色は18.2％である。
実施例6(PEN:coPEN, 603,偏光器)
同時押出プロセスによってシーケンシャル平滑フィルム作製ラインで603層を含む反射偏光器を作製した。固有粘度が0.47dl/g(60wt.％フェノール/40wt.％ジクロロベンゼン)であるポリエチレンナフタレート(PEN)を時間あたり83ポンド(38kg)の速度で押出機によって搬送し、時間あたり75ポンド(34kg)の速度で他の押出機によってCoPENを搬送した。CoPENは、2,6ナフタレンジカルボキシレートメチルエステル70モル％と、ジメチルテレフタレート15％と、ジメチルイソフタレート15％と、エチレングリコールとのコポリマーであった。フィードブロック法を利用して151層を作製した。フィードブロックは、厚さ勾配が上から下まであり、最も厚い層に対する最も薄い層の厚さ比が1.22のフィルムのスタックを製造するよう設計された。2つのシーケンシャルマルチプライヤによって光学スタックをかけあわせた。マルチプライヤの見かけ上のかけあわせ比はそれぞれ1.2および1.4とした。最終マルチプライヤと第との間に、上述したものと同じCoPENからなるスキン層を加え、時間あたり106ポンド(48kg)の総速度で第3の押出機によって搬送した。続いてこのフィルムを約30秒で300°F(150℃)まで予備加熱し、延伸比約6で1秒あたり約20％の初期速度で横方向に延伸させた。最終的に得られたフィルム厚は約0.0035インチ(0.089mm)であった。
図7Bは、実施例6の偏光器の光学特性を示す図である。曲線aは垂直入射時に非延伸方向に偏光した光の透過率であり、曲線bは50°の入射角で非延伸方向に偏光した光のp偏光透過率であり、曲線cは垂直入射時に延伸方向に偏光した光の透過率である。非延伸方向に偏光した光の透過率が極めて高いことに注意されたい。400〜700nmの曲線aについての平均透過率は87％であり、曲線cで示される可視領域(400〜700nm)における延伸方向への偏光の反射率も極めて高い。このフィルムは、400〜700nmの間で曲線cに対する平均透過率は2.5％である。曲線bの％RMS色は5％である。
II. 多層光学フィルムを用いた光学装置
本発明による光学装置は、多層光学フィルムを利用して光を偏光および/または反射している。光の反射を必要とする光学装置に多層光学フィルムを用いることの利点を、図8においてグラフ表示する。曲線aは、反射率96％(すなわち、光が反射されるたびに吸収される量は約4％)の重ライン反射器における反射回数の関数としての全反射率を示している。曲線aから分かるように、光を反射する表面が光の約4％しか吸収しない場合、反射する光の強度は反射回数が比較的少ないうちから大幅に弱くなる。これとは対照的に、曲線bは反射率約99.4％の多層ミラーフィルムの全反射率を示している。曲線bは全反射率がかなり小さい。この差異はわずか2〜4回後に特に顕著になった。
例えば、5回反射すると、光の強度は本発明による多層光学フィルムから反射する光で約97％であるが、約3.5％効率が悪いだけの従来の反射器から反射する光の場合、強度は約81.5％まで落ちる。光がバックライト系で何回反射したかを測定するのは今anであるが、どのようなバックライト系でもアスペクト比(以下においてより完全に定義する)の増加量として反射の数を推測することはできる。反射回数が増えると、従来の反射器を利用したバックライト系の効率には大きなロスが発生する。これは、本発明による多層光学フィルム反射器を利用したバックライト系では見られないことである。
この特徴の実用的な価値は、本光学装置の効率が従来の反射器を用いているシステムと比べて大幅に改善されているという点である。もう1つの方法では、装置全体の出力に実質的に影響することなく、本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置において特定の光線の場合に許容できる反射回数を、周知の反射器/偏光器を用いている光学装置と比較して大幅に増やすことができる。これは、現段階で知られている従来の反射器よりも効率よく遠距離まで本発明の光学装置を光の透過および送信用に利用できるということを意味する。
多層光学フィルムを用いた光学装置は一般に、装置に入射および/または装置から出射する光の少なくとも一部が多層光学フィルムを有する光学面から反射する装置として説明されることが最も多い。本発明を説明するにあたり、「光学面」は、任意に偏光されて入射する光の少なくとも一部を反射する平面またはその他の面として定義される。より好ましくは、光学装置を介して移動する光の少なくとも一部が光学面によって2回以上反射され、多層光学フィルムの利点を享受している。
本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置のサブセットは2つ以上の光学面を有し、一般に、光学面が平行または非平行の対向構成になっている装置として分類できる。
実質的に平行な光学面を有する光学装置としては、光パイプ、光ボックス、矩形の光ガイドなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。光パイプなど一カ所から他の位置に光を送信するよう設計された装置では、光学面に入射する光が光学面によって吸収されて送信される量は最小限に押さえられることが好ましく、実質的に全ての光が反射されると好ましい。光ボックスや光ガイドなどのその他の装置では、一般に反射性の光学面を利用して選択した領域に光を送信した後、周知の予め定められた方法で光を装置から送り出すことができると望ましい場合がある。このような装置では、光学面の一部を部分的に反射性にして、予め定められた方法で光を装置外に出せるようにしておくことができる。このような装置の例については以下において詳述する。
2つ以上の反射性光学面を含む他の光学装置としては、反射性光学面が光源(または装置への入射点)からの距離が長くなるにつれて収束する装置が挙げられる。この構成は、光源から放出された光を光が装置に入射した方向に戻すことが望ましい光学装置において特に有用である。反射性光学面が収束する光学装置は一般に、光の大部分をほぼ光源の方向に反射する。
2つ以上の反射性光学面を含む他の光学装置としては、反射性光学面が光源(または装置への入射点)からの距離が長くなるにつれて発散される装置が挙げられる。発散していく反射性光学面を有する光学装置は一般に、光線を平行化することが多い。平行化の量および度合いは、装置の狭い端部に対する光源の位置および多層反射性光学フィルム面の発散率によって様々である。
好ましい実施例では、光学装置は中空である。これは、光が光学装置によって運ばれる際、中空にすることで反射するごとに吸収される光の量を少なくできることが多いためである。
タスクライティングや太陽熱集熱器などの光を特定の標的に向けて送ろうとする場合など、発散用の光学面がパラボラ形または円錐を形成すると好ましい。パラボラ形を利用する場合、パラボラの焦点を通過またはここから出る光の場合に平行化が最もよく達成される。このような装置の形状を設計する際の仕様は当業者であれば周知であり、本願明細書においてはその説明を省略する。
さて、本発明による光学装置の一例としての実施例が示されている図面にもどる。図9および図10は、一例としての光学装置を示すものであり、図9には断面概略図、図10には斜視図を示す。光学装置110は一般に光ボックスと呼ばれ、図示のように実質的に矩形であるか、あるいは見た目または機能面での評価結果に基づいて所望の任意の形をとることができる。光ボックスは一般に、1つ以上の光源が配置された実質的に囲まれた領域である。この領域は反射面と同一線上にあると好ましく、部分的反射領域または空隙を有し、これによって予め定められたパターンまたは方法で光ボックスから出るようになっている。
図９及び10に示される図示の光ボックス110は、多層光学フィルムからなる少なくとも2つの対向する反射性および/または部分反射性光学面112および114を有する。光ボックス110の内反射面が全て多層光学フィルムによって覆われていると最も好ましい。光ボックス110内の反射面全てに対して本発明の多層光学フィルムを利用することで、従来の反射器および/または偏光器を用いた装置と比較して吸収損失が大幅に減少する。しかしながら、光学面112および114の一方または両方の全体または一部を他の材料で構成することも可能である。
多層光学フィルムを任意の光学装置に利用する場合、これを支持体(それ自体が透明、半透明反射性またはこれらの任意の組み合わせ)に積層するか、あるいは適当なフレームを利用するかまたは他の支持体構造を利用して支持することができる。場合によっては、多層光学フィルム自体が、図10に示すもののように光学装置に自分で支持され得るほどの剛性を有していないこともあるためである。
図9に示される光学装置110は、共通に118で示される2本の光源118aおよび118bを備える。この光源は、装置110の内部に向かって光を放出する。光源118から放出される光は一般に、表面112と114との間で数回反射した後、表面112の図10において参照符号130で示す部分的に反射性の領域または透過性の空隙を介して装置110から出る。
説明の目的で、光線120および122を、光源118aから放出されて層112の130のような領域から外に出るまで光学装置110内で反射するものとして示してある。光学装置110として示される照明サインでは、領域130は一般に広告または他の情報メッセージを含んでいるか、あるいは、何らかのデコレーションディスプレイを含んでいる。光学面112を介して光を送信するものとして示されているのは領域130のみであるが、表面112およびl14の任意の一部または全部を装置110から出る光の送信用に利用することもできる。
光を送信する領域130は、様々な材料および構成で作製できるものである。領域130は、多層光学フィルムまたは他の透過性または部分的に透過性の材料で作製できる。領域130を通して光が移動できるようにするための方法の1つとして、光学面112において部分的に反射および部分的に透過性である領域を光学面112に設けることである。本発明による領域130においては、様々な手段によって多層光学フィルムに部分的な反射性を持たせることができる。
一態様において、領域130は、一軸延伸されて1つの偏光面を有する光を透過するとともに、透過される光に直交する偏光面をゆうする光を反射することができる多層光学フィルムからなるものであってもよい。図9に示される光線120aおよび120bは、一偏光方向を有する光が足そう光学フィルム130を通して送信され、直交する偏光方向を有する光が光学装置110の方に反射して戻る状況を示している。
僚機130が多層反射偏光フィルムから得られる場合、光学装置110には、反射によって装置110の内部に戻る光線の偏光方向をランダムにするための機構を含んでいるとよい。偏光方向をランダムにするための機構の1つとして、薄い着色コーティングを光学面114上に被覆し、偏光をランダムにするとともに領域130から反射してくる光を散乱させることが挙げられる。他の機構としては、複屈折ポリマーフィルムを加えることや、複屈折スキン層をMOFミラー表面に持たせることなどが挙げられる。しかしながら、光が戻り領域130に戻って理論的には光の一部が適した偏光配向を持って領域130を通過して光学装置110から出た後に、反射して戻ってくる光120bの偏光方向を反射偏光領域130からの反射後に変化させることのできる機構であれば、どのようなものを利用してもよい。
光線122は、本発明による光学装置110における領域130を介して光を送信するための別の手段の効率を示す。光線122は、光学面112に形成された空隙を介して反射することなく領域[130を通過する。この結果、上述した光線120の場合とは逆に光線122の部分反射は起こらない。この状況で、光学面112はそれ自体、実質的な反射なしに光を透過する領域130に形成された空隙以外は、実質的に完全に反射性である。
「空隙」という語は、光学面112を貫通する実際の物理的な開口と、実質的に光を反射しない、光学面112に設けられた透明すなわち光透過性の領域とを指すものとして用いられる。光学面112の領域130における複数の開口の数および大きさを変えて領域130を通過する光の量を制御することもできる。極端な例として、領域130を光学面112に形成された空隙のみで構成することも可能であるが、装置110の内部を塵やほこりから保護する上では大きな空隙を作ることは望ましくないのが一般的である。
光学面112の少なくとも領域130が多層光学フィルムを全く含まず、構造化部分反射フィルムなどの別のクラスの部分反射フィルムを含む、光学装置110の別の実施例を提供することもできる。マイクロ複製構造化部分反射フィルムの例としては、ミネソタ州サンパウロのミネソタマイニングアンドマニュファクチュアリング社(Minnesota Mining and Manufacturing Company)からオプティカルライティングフィルム(Optical Lighting Film)として市販されているものや、ブライトネスエンハンスメントフィルムとして市販されているものが挙げられる。
効率の低い多層光学フィルムが用いられているような例(すなわち、多層光学フィルム面に入射する光の一部が透過によって失われてしまう)では、多層光学フィルムの後面すなわち、装置110の外側に向いている側の面に、薄い金属または反射性のコーティングを施し、もともと透過によって失われてしまう光を反射し、多層光学フィルムの反射率を改善すると有利な場合がある。もちろん、金属またはその他の反射性コーティングの中には吸収損失が起こるものもあるが、フィルムを通過する光の画分は一般にフィルムに入射する光全体の5％未満(より好ましくは1％未満)である。金属またはその他の反射性コーティングはまた、狭い波長帯域の光が多層光学フィルムで漏れているような場合には、目に見えるイリデセンスを減少させる上でも有用である。しかしながら、一般に、高効率の多層反射性フィルムが好ましい。
多層光学フィルムは光学装置110における光反射効率が高いため、領域130を均一に照明するために必要な光源118の数および強度を減らすことができる。装置110において図10に示されかつ上述したように出射する前に光線が反射する回数を、光学装置の設計時にあまり考慮しなくてもよくなる。
装置110のアスペクト比は一般に、図10においてDで示される光ボックスの奥行きと装置110の長さLおよび高さHとを比較することによって求められる。場合によっては、光学装置110の長さ×高さによって規定される領域と奥行きDとを比較した比がアスペクト比になることもある。
図11は、多層光学フィルムを利用した、本発明による収束ウェッジ光学装置210の概略断面図である。収束ウェッジデザインを利用した光学装置では、光学面212および214は、装置210に設けられた開口211からの距離が長くなるにしたがって互いに収束していく収束関係で配置される。好ましい実施例において、表面212および214は多層光学フィルムからなる。また、光学装置210は好ましくは中空で、吸収損失が最小限になるようにしてある。
光学装置210は、2枚の略平面状の光学面212および214を備えていてもよい。収束ウェッジデザインの具体的な例の1つとして、液晶表示装置用のバックライトアセンブリに用いられる光ガイドが挙げられる。図11に示される光学装置のもう1つの具体例としては、装置210の長手方向の軸に沿った断面が略円錐形のものである。円錐形の装置において、光学面212および214は、図11の断面では不連続に見えるが実際には連続した面であってもよい。
光線220は、図示のように開口211を介して光学装置210に入射し、何回も反射された後に装置210への入射方向とほぼ同じ方向に出射する。光学面212および214は、多くの異なる材料で構成されていてもよい。例えば、光学面212および214がいずれも本発明による多層光学フィルムで構成されていてもよく、あるいは光学面212および214の一部または全部が完全反射性または部分反射性であってもよい。
反射性の光学面212および214に効率の低い多層光学フィルムを利用し、かつこれらの面での光の透過を防止できると望ましい場合には、薄い金属層またはその他の反射性コーティングを用いて「外側の」面に反射性コーティングを施すとよい。この追加した層は、層212および214が光を透過しないようにする助けになる。しかしながら、場合によっては多層光学フィルム212および214の一方または両方を部分反射性にし、偏光した光またはそうでない光を、一定またはその他の制御された方法で表面212および/または表面214を介して光を漏洩させるようにしてもよい。光の均一な分散が望ましい装置210の具体例の1つとして、光ガイド液晶装置用のバックライトアセンブリが挙げられる。
図12は、本発明による発散ウェッジ光学装置310の概略断面図である。発散ウェッジデザインを利用している光学装置では、光学面312および314は、光源318からの距離が長くなるにしたがって発散する発散関係で配置される。好ましい実施例において、表面312および314は多層光学フィルムからなる。また、光学装置310は好ましくは中空で、吸収損失が最小限になるようにしてある。収束ウェッジ装置210と同様に、図12に示される発散ウェッジも2枚のほぼ平らな光学面312および314を備え、装置310は略円錐形、パラボラ形またはその他の形状のものでよい。ここで、図示の断面は、装置310の長手方向に沿って切った状態を示したものである。このような光学装置において、光学面312および314は図11の断面では不連続に見えるが実際には連続した面であってもよい。
発散光学面を含む光学装置は、光線320および322で示すように装置から出射する光を平行化することが多い。図12に示される装置310は、装置310への入射箇所に位置する光源318を含む。しかしながら、発散光学装置に複数の光源318を設けてもよいことは理解できよう。装置310がパラボラ形に近い形状のものであった場合には、光源318がパラボラの焦点付近に位置していると光の平行化はより一層顕著になる。あるいは、発散光学装置310は、実際の開口から離れた位置に設けられた1つまたは複数の光源で生成されて発散光学装置310に入射する光に依存するものであってもよい。
一般に、このような装置310から出る光の平行化の度合いおよび量は、光線の装置への入射角、光源の位置、光学面312と314の形状および/または角度関係などを含む多数の要因に依存する。
図13は、本発明による多層光学フィルムを用いて形成された他の光学装置410の概略断面図である。図13に示される装置410の断面は、長手方向に沿って得られたものであり、略平行な2つの光学面412および414を示している。もう1つの図が図14に示されている。同図は、長手方向を横断する方向に沿って切った装置410の断面を示すものである。図示のように、装置410は略円形である。
装置410のような光学装置は一般に、2カ所の間で光を送信するのに用いられ、通常は「光パイプ」と呼ばれている。このような装置は長手方向の軸を有し、この軸を横切る方向への断面が閉じた平面になる。代表的な断面の例としては、円形(図14に示すものなど)、楕円形、多角形、閉じた不規則な曲線、三角形、正方形、長方形またはその他の多角形状が挙げられる。閉じた断面形状を有する装置410はいずれも、長手方向の断面が図13に示すような2つの面になるが、実際の装置410は1つの連続した光学面で形成されている。
本発明による多層光学フィルムは入射してくる光を実質的に吸収しないため、本発明による多層光学フィルムで構成された光パイプはスループットの大幅な低下を伴うことなく比較的長距離にわたって延在することができる。
装置を伝搬する光の大部分が狭角で装置表面に入射する光パイプなどの装置に多層光学フィルムを用いると特に有利である。周知の多層ポリマー反射フィルムは、狭角で入射してくる光に対する反射効率はよいとは言えず、よって大きな透過損失が大きくなる。しかしながら、本発明の多層光学フィルムは、このような光を表面に対して垂直に入射する時と同様に効率よく反射することができる。
あるいは、光パイプ410などの装置に、部分的に透過性で光を装置から外に出すことのできる部分を設けておいてもよいことは理解できよう。透過機構は、反射性の多層偏光部分、空隙または上述した実施例で説明したようなその他の機構などを含んでもよい。しかしながら、このような設計は、図9および図10において上述した光ボックスまたは光ガイドに似たものとなる。
図15は、他の光学装置を示している。図5に示される光学装置505は、例えば、花やボールなどの装飾用として利用することができる。装置505は、ほぼ中央で支柱やその他の機構などによって接続された複数の多層光学フィルム層(層510および512など)で構成されている。各層は略円形に示されているが、その他様々な形状であってもよいことは理解できよう。
これらの層にはシワがつけられるか、あるいは装置505のかさを増やすような処理が施されていてもよい。シワのついた多層光学フィルム層に、装置505に入射する戻り光に略垂直に配置された複数の収束ウェッジを有する装置510を設けてもよい。
必須条件ではないが、装置505の多層光学フィルムを通って漏れるすなわちこのフィルムを透過する光は問題にせず、フィルムの隣の層によって形成される隣接した発散ウェッジによって装置505から光が外に反射していくようにしてもよい。装置505の隣接した発散ウェッジがあることで、1つのウェッジから出る光を隣接したウェッジに入射させることができ、垂直方向に配置された収束ウェッジ間の光の漏洩を高効率で有効利用することができるようになる。この結果、装置505は極めて輝いた装置になる。
また、多層光学フィルムを細長いストリップ状のものにすることもできる。このようなフィルムストリップは、例えば、米国特許第3,637,455号(ピーソンズら(Pearson et al.))、同第4,329,382号(トルスコラスキら(Truskolaski et al.))、同第4,476,168号(青山(Aoyama))、同第4,515,837号(チョン(Chong))および米国特許出願第08/031,560号(フス(Huss))および同第08/153,373号(Huss)において記載されているもののような装飾用の弓などで利用できる光学装置のその他の形を形成するのに有利に利用できる。
光学装置505は、本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置の他の有意な利点すなわち、装置を効率化する上で左右対称にする必要はないということも示している。事実、本発明の光学装置は線対称である必要も面対象である必要もない。多層光学フィルムに対して垂直であっても、法線から離れる方向に角度をなした状態であっても、入射する光に対する吸収率が低く反射率が高いためである。
多くの場合、装置を伝搬する光の反射回数を最小限に抑えるために光学装置を対称にしている。反射を最小限にすることは、特に従来の反射器を用いた場合には吸収率が比較的高い(図8および該当する説明を参照のこと)重要なことである。本発明による多層光学フィルムを用いた光学装置は吸収率が大幅に小さくなっているため、反射回数を減らすことはさほど重要ではなく、光学装置の効率を維持する上で対称性は重要な要素ではない。
したがって、上述した光学装置は少なくとも1本の軸についてほぼ線対称であるが、本発明は対称軸を有する光学装置に限定されるものではない。さらに、一例としての実施例について本発明を説明したが、添付の請求の範囲において定義される本発明の範囲を逸脱することなく、上述の内容を修正することも可能である。

Claims (8)

1. 第１及び第２の対向する光学面を備えた光学装置であって、これらの光学面の各々が当該各光学面に入射したランダムに偏光した光の少なくとも一部を反射するように作られており、前記第１の光学面及び第２の光学面の各々が、第１の偏光方向の光を対向する光学面に向けて反射するとともに第２の偏光方向の光を透過する多層フィルムを備え、第１の面内方向での前記多層フィルム中の少なくとも２つの隣接する層の間での屈折率差が第２の面内方向でのそれらの層の間での屈折率差よりも大きく、前記第１の偏光方向の光の透過率が垂直入射で３０％未満であるとともに法線から６０°の角度で３０％未満である光学装置。
2. 少なくとも２つの対向する光学面を有する本体を備えた光学装置であって、これらの光学面のうちの１つの少なくとも一部が反射性フィルムを備え、前記反射性フィルムが複数の層を含んで成り、前記反射性フィルムのｐ偏光に対する反射率が、入射角とともに徐々に小さくなるか、入射角とは無関係であるか、または当該フィルムの法線から離れる方向に入射角が大きくなるにつれて増加するように、前記複数の層の屈折率が調節されている光学装置。
3. 少なくとも２つの対向する光学面を備えた光学装置であって、それらの光学面の各々が、対象とする帯域で少なくとも１つの偏光方向を有する垂直入射光の２％未満を透過する反射性多層ポリマーフィルムを備えており、さらに前記少なくとも２つの対向する光学面の前記多層フィルムにおいて５回反射後に入射光の約１０％未満が前記光学装置により吸収されることを特徴とする光学装置。
4. 少なくとも２つの対向する光学面を有する本体を備えた光学装置であって、前記光学面の各々の少なくとも一部が、対象とする帯域で少なくとも１つの偏光方向を有する垂直入射光を反射する反射性フィルムを備え、前記光学面の各々の前記反射性フィルムが複数の層を含んで成り、前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が複屈折性であることを特徴とする光学装置。
5. 前記対向する光学面が、互いに実質的に平行に配置された面内に実質的に位置している請求項1〜４のいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記本体が収束又は発散ウェッジ光学装置を構成する請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。
7. 前記本体が光パイプを構成する請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。
8. 前記反射性フィルムがブルースター角を有しない請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。

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