JP4130836B2 - 反射偏光子ディスプレイ - Google Patents

Description

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。

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１
６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６
２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３
６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４
８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１
２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（ＡＢ
ＡＢＡ…）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＝１．８８）と、横
方向についての別の屈折率（例えばｎ＝１．６４）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。

好ましい「Ａ」層は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）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（extrusion）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。ＰＥＮ材料の押出速度は２２．５１ｂ／ｈｒで、ｃｏＰＥＮの押出
速度は１６．５１ｂ／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。
厚いフィ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１
２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、４０
０ｎｍ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１
１０、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１４２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１３６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２
１８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２２２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２２
０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２３０、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２２
０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２３６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２２２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１１０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１４
２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、反射偏光子本体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１４
０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１３７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本体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１１
２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１
１０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１８４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１１４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１２
０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に示した比較的狭い観察領域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１１
３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る。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の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ｎ_o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軸に沿わせた状態の、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。

式１

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＝ｎ１
ｘ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軸性複屈折
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
１０４が１軸的複屈折性であれば、ｎ１ｘ＝ｎ１ｙであり、ｎ２ｘ＝ｎ２ｙ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＝１．７５、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＝１．５０ｂ）ｎ１ｚ＝１．７５，ｎ２ｚ＝１．５７ｃ
）ｎ１ｚ＝１．７０，ｎ２ｚ＝１．６０ｄ）ｎ１ｚ＝１．６５，ｎ２ｚ＝１．６０ｅ）ｎ
１ｚ＝１．６１，ｎ２ｚ＝１．６０ｆ）ｎ１ｚ＝１．６０＝ｎ２ｚｎ１ｚ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＋ｎ１ｏ）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＝１．６０ｃ）ｎ１ｚ＝１．５５，ｎ２ｚ＝１．６０ｄ
）ｎ１ｚ＝１．５９，ｎ２ｚ＝１．６０ｅ）ｎ１ｚ＝１．６０＝ｎ２ｚまた、ｎ１ｚ＝ｎ
２ｚ（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＝ｎ１ｙ＝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）１．５０ｂ）１．５５ｃ）１．５９ｄ）１．６０ｆ）１．６１ｇ）１．６５ｈ）１
．７０ｉ）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＝１．８８、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、ｎ１
ｚ＝１．５２、ｎ２ｙ＝１．６４、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（simple lenear thickness grad
e）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
について、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＝１．５
２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＝１．６４ｂ）ｎ１ｙ＝１．６４，ｎ２ｙ＝１．６２ｃ）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、ｎ１
ｙ＜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、相当の反射が生じる。図２
３の曲線ａ〜ｄは、ｙ−屈折率の不一致（ｎ１ｙ−ｎ２ｙ）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ｎ２ｚ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＝ｎ２
ｙ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、ｎ１ｚ＝１．５６及びｎ２
ｚ＝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，ｎ２ｙ＝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、ＰＥＮ／ｃｏＰＥＮ、ポリエチレン
テレフタレート（ＰＥＴ）／ｃｏ−ＰＥＮ、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、ＰＥＮ／ｃｏ−ＰＥＴ、及びＰＥＴ／ＳＰ
Ｓが含まれる。ここで、「ｃｏ−ＰＥＴ」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 orien
ter）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．p
olym．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 o
rient）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、４
００°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 Corporation）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中で、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約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ミルの赤外線反射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、１３
０℃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、ＰＥＮ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。７．４６ｃｍ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２，６ＮＤＣと３０ｍｏｌ％のＤＭＴ）を、他の押
出成形機から１時間に２５ポンドの速度で押し出した。ＰＥＮは、表面層に用い、ＰＥＮ
の４０％を２つの表面層に用いた。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１
００℃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（４００〜７０
０ｎｍ）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
ポリエチレンテレフタレート（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２，６ＮＤＣと３０ｍｏｌ％のＤＭＴ）を、他の
押出成形機から１時間に２４ポンドの速度で押し出した。ＰＥＴは、表面層に用いた。４
４９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、７０ｍｏｌ％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ｃｏ
ＰＥＮに１．２２の光学層の厚さの割り当て量で、層を勾配分布（gradient distributio
n）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（４
００〜７００ｎｍ）での非常に高い吸光度にも注目されたい。吸光度は、５００と６５０
ｎｍ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５，０９４，７
９３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、ディフューザーは、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ない。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。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１
３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。

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。
本発明に係る光学ディスプレイの概略断面図である。 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。 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。 本発明の反射偏光子の拡大断面図である。 反射偏光子の性能のグラフである。 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。 明るさ増進器の作用を示す略図である。 明るさ増進器の作用を示すグラフである。 説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。 説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。 説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。 テスト結果のグラフである。 説明的な光学ディスプレイの概略断面図である。 明るさ増進型反射偏光子の概略断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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１８及び１９からの情報を要約した線図を示している。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

Claims (4)

1. 光学ディスプレイであって、
   ＬＣＤモジュール、
   光学キャビティ、及び、
   前記光学キャビティとＬＣＤモジュールとの間に配置された広角度の高分子反射偏光子であって、その広角度の高分子反射偏光子は第一の偏光状態の光を透過し、直角の入射角と軸ずれ角の入射角で入射する第一の偏光状態を有さない光を反射するように、少なくとも１つの複屈折材料、及び、少なくとも１つの第二の材料を有し、その第二の材料は前記複屈折材料に関して選ばれる屈折率を有し、かつ、前記複屈折材料と前記第二の材料とが互いに接する境界面が複数存在するように構成されている広角度の高分子反射偏光子
   を含む、光学ディスプレイ。
2. 前記ＬＣＤモジュールと前記光学キャビティとの間に配置された吸収偏光子をさらに含み、前記広角度の高分子反射偏光子が、前記光学キャビティと前記吸収偏光子との間に配置されている、請求項１に記載の光学ディスプレイ。
3. ディスプレイであって、
   光学キャビティ、
   情報を表示するために変更され得る光学状態を有するディスプレイモジュール、及び、
   前記光学キャビティと前記ディスプレイモジュールとの間に配置された広角度の高分子反射偏光子であって、第一の偏光状態の光が前記広角度の高分子反射偏光子によって実質的に反射され、一方第二の偏光状態の光が実質的に前記広角度の高分子反射偏光子を透過できるように、少なくとも１つの複屈折材料、及び、少なくとも１つの第二の材料を有し、その第二の材料は前記複屈折材料に関して選ばれる屈折率を有し、かつ、前記複屈折材料と前記第二の材料とが互いに接する境界面が複数存在するように構成されている広角度の高分子反射偏光子、
   を含む、ディスプレイ。
4. ディスプレイであって、
   光源、
   前記光源と隣接する端を有し、前記光源からの光が、ライトガイドの端に入り、前記ライトガイドの出口表面を通って前記ライトガイドを出るライトガイド、
   表示モジュール、及び、
   ライトガイドとディスプレイモジュールとの間に配置され、直角の入射角と軸ずれ角の入射角で入射する第一の偏光状態の光を高度に透過し、前記第一の偏光状態を有さない直角の入射角と軸ずれ角の入射角で入射する光を反射するように、少なくとも１つの複屈折材料、及び、少なくとも１つの第二の材料を有し、その第二の材料は前記複屈折材料に関して選ばれる屈折率を有し、かつ、前記複屈折材料と前記第二の材料とが互いに接する境界面が複数存在するように構成されている広角度の高分子反射偏光子、
   を含む、ディスプレイ。

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