JP4827223B2 - 偏光制御素子 - Google Patents
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Description
本発明は、２００３年１２月１１日に出願された米国特許出願第６０／５２９，３１５号、２００４年７月１４日に出願された第６０／５８７，９２４号、および２００４年７月１９日に出願された第６０／５８９，１６７号の優先権を主張するものであり、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、液晶表示システム用の偏光制御素子（ＰＣＥ）に係り、特に、直線光重合型ポリマー（ＬＰＰ）を使用して光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）フィルムを配向し、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）マイクロディスプレイに基づく投影表示システムのコントラストを高めるトリム・リターダ（trim retarder）ＰＣＥに関する。（ＰＣＥ：Polarization Controlling Element，ＬＰＰ：Linearly Photopolymerizable Polymer，ＬＣＰ：Liquid Crystal Polymer）
図１を参照すると、従来型のＬＣｏＳ投影システムは、高出力光線を発生するための光源６および実質的にすべての光が直線偏光、例えば水平偏光になるようにするための偏光変換光パイプ（ＰＣＬＰ）７を備えている。第１のレンズ素子８ａは、光線を第１の折曲げ鏡９ａに送り、この鏡により光線を第１のダイクロイック・フィルタ１０に向ける。第１のダイクロイック・フィルタ１０は、残りの光から緑色の光を分離し、その緑色の光を第２および第３のレンズ素子８ｂおよび８ｃ、および第２および第３の折曲げ鏡９ｂおよび９ｃを介して第１のＬＣｏＳ表示パネル１５ａに向ける。緑色の光は、第１のＬＣｏＳ表示パネル１５ａに入る前に、ワイヤ・グリッド偏光子などの第１の偏光子２０ａおよび第１のトリム・リターダＰＣＥ２１’を通過する。所望の量の緑色の光の偏光は、第１の表示パネル１５ａにより、例えば、水平偏光に対し９０°回転され、それにより、反射した後、所望の量の緑色の光が第１の偏光子２０ａによりカラー・キューブ１９に向けて反射され、投影レンズ１８を介してスクリーン（図には示されていない）上に送られる。
残りの光は、第４および第５のレンズ素子８ｄおよび８ｅ、および第４の折曲げ鏡９ｄを介して、第２のダイクロイック・フィルタ１２に向けられ、これにより、残りの光は青色と赤色の光に分離される。赤色の光は、第２の偏光子２０ｂおよび第２のトリム・リターダＰＣＥ２１’’を介して第２のＬＣｏＳ表示パネル１５ｂに向けられる。上述のように、第２の表示パネルにより、所望の量の赤色の光の偏光が回転され、それにより偏光子２０ｂは赤色の光をカラー・キューブ１９へ反射し、投影レンズ１８を介してスクリーン（図示しない）に送る。
同様に、青色の光は、第３の偏光子２０ｃおよび第３のＰＣＥ２１’’’を通り第３のＬＣｏＳ表示パネル１５ｃに向けられる。所望の量の青色の光の偏光は回転され、それにより、反射後、青色の光は第３の偏光子２０ｃによりカラー・キューブ１９へ反射され、投影レンズ１８を介してスクリーン（図示しない）に送られる。
ＬＣｏＳマイクロディスプレイは、通常、ＬＣｏＳセル内の液晶（ＬＣ）分子の配向のせいで、暗（オフ）状態ではある程度の残留複屈折を持つ。したがって、マイクロディスプレイを照らす直線偏光は反射後わずかに楕円偏光となり、スクリーン上への暗状態光漏れが生じ、投影システムのコントラストが制限を受ける。システムのコントラストを改善し、残留リターダンス（residual retardance）を補正するために、トリム・リターダＰＣＥ２１’をＬＣｏＳ表示パネル１５ａの前の光経路内に置く。従来の１／２λ波長板とは異なり、トリム・リターダが与えるリターダンスは約１ｎｍから５０ｎｍにすぎない。ＰＣＥ２１’では、照明光の偏光状態を準備し、それにより、ＬＣｏＳ表示パネル１５ａから反射して戻りＰＣＥ２１’を通過した後も、反射光の偏光状態は実際に変化がない、つまり、回転して元の偏光状態に戻るため、スクリーン上に光の漏れはない。また、ＰＣＥ２１’から反射された光の偏光状態は、事実上変化がないか、またはシステム・コントラストの喪失に寄与する。
２００１年４月１０日にＳｃｈａｄｔ ｅｔ ａｌに発行された米国特許第６２１５５３９号、および２０００年１２月１２日にＳｃｈａｄｔ ｅｔ ａｌに発行された米国特許第６１６０５９７号では、従来の１／４λおよび１／２λ波長板で使用する光の偏光状態を生じさせる複屈折フィルムの製造方法を教示している。直線光重合型ポリマー（ＬＰＰ）は、透明低複屈折基板をＬＰＰの薄い層でコーティングし、直線偏光に露光させることでＬＰＰ層を配列し、そのＬＰＰの光配列層をＬＣＰ層でコーティングすることにより、光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）フィルムを配向するために使用される。この構造の熱処理中に、配向されたＬＰＰ層は光重合型ＬＣＰ層内に配向を生じさせる（核形成する）。その後、配向された光重合型ＬＣＰ層は、十分なエネルギーの露光により固定され、光誘起架橋が生じる。
米国特許第６２１５５３９号
米国特許第６１６０５９７号
本発明の目的は、ＬＰＰ／ＬＣＰ偏光フィルムを液晶（ＬＣ）表示パネルのトリム・リターダ偏光補正素子（ＰＣＥ）として利用することにより従来技術の欠点を克服することである。
本発明の他の目的は、ＬＣＰ層を備えるＬＰＰ／ＬＣＰ ＰＣＥに低いΔＮ複屈折値を与えることである。
本発明のさらに他の目的は、適当な材質の界面に誘電体層を導入することによりＬＰＰ／ＬＣＰ ＰＣＥ内の反射および干渉事象の発生数を減らすことである。
したがって、本発明は、液晶分子の配向のため暗状態で残留複屈折を持つＬＣ表示パネルと、残留複屈折を少なくとも部分的に補正するための偏光補正素子とを備える、後方反射（back-reflection）偏光変換を低減するための液晶（ＬＣ）表示装置に関する。この偏光補正素子は、第１の重合体光配列（ＬＰＰ）層と、前記第１のＬＰＰ層に載せられた第１の硬化（cured）光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）層とを含み、第１のＬＣＰ層の平面内（in-plane）速軸（fast axis）配向は、実質的に、方位角上（azimuthally）、ＬＣ表示パネルの平面内遅軸（slow axis）に関して０°から９０°の範囲の角度で配列される。
本発明の他の特徴は、液晶（ＬＣ）表示パネルの１ｎｍから５０ｎｍの範囲の残留平面内複屈折を補正するトリム・リターダ・デバイスに関係し、液晶表示パネルは、第１の重合体光配列（ＬＰＰ）層と、前記第１のＬＰＰ層に載り、可視スペクトルで０．００１から０．０７までと比較的低い平面内ΔＮ複屈折値を持つ第１の硬化光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）層とを含む。
本発明は、好ましい実施形態を表す付属の図面を参照しながら詳細に説明される。
図２および図３を参照すると、直線光重合型ポリマー層１（ＬＰＰ）を使用して、光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）フィルム２を配向するが、そのためにまず透明低複屈折基板５をＬＰＰ １の薄い層でコーティングする。基板５は、シリカベースのガラス、シリカベースのセラミック、サファイヤ、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリクロロトリフルオロエチレン、またはシクロオレフィンとすることができ、通常、屈折率は５８９ｎｍで１．３５から２．７である。通常、硬化ＬＣＰ層の屈折率は、５８９ｎｍで測定して１．４３から１．７５の範囲である。ＬＰＰ層１は、スピン・コート、ディップ・コート、カーテン・コート、またはメニスカス・コートの配列を使用してコーティングすることができる。その後、ＬＰＰ層１を熱して溶剤を蒸発させ、直線偏光紫外線に曝して、ＬＰＰ層１と所望の分子配向との架橋を形成する。ＬＣＰ層２は、上述の適当なコーティング方法の１つを使用して光配列ＬＰＰ層１上にコーティングされる。その構造のその後の熱処理のあいだに、配向されたＬＰＰ層１は、タイプＡ板を形成する、Ｘ軸にそって配列されたＬＣＰ分子３として表されている、光重合型ＬＣＰ層２内に配向を誘起する（核形成する）。その後、配向された光重合型ＬＣＰ層２は、十分なエネルギーを持つ紫外線または電子ビーム・エネルギーに曝されて固定され、光誘起架橋が生じる。残っている溶剤を蒸発させるために、さらに熱を加えることができる。１５分未満の間さらに１７５℃までの温度で熱を加えることにより、ＬＣＰ層２に存在する残留溶剤を蒸発させることができる。ＬＰＰ／ＬＣＰフィルムは、ＬＣ表示パネルの最上面に積層するか、または空隙によりそこから離すことができる。
ＬＰＰ／ＬＣＰ複屈折フィルム技術を使用する光学素子は、比較的簡単に製造することができ、ＬＣベースの表示装置により生じる複屈折収差を補正するためにＰＣＥとして使用される他のタイプの液晶（ＬＣ）または非ＬＣベースの複屈折素子と比較して優れた性能および安定性を示す。ＬＣＰ／ＬＰＰ ＰＣＥトリム・リターダは、個々の投影表示装置に必要な最終的配向補正特性を達成することを示しており、補正の種類と範囲は、光エネルギーの量、入射角度および／またはＬＰＰポリマーを硬化させるために使用される偏光の入射の方位角配向、ＬＣＰ層の厚さを変化させ、ＬＰＰおよびＬＣＰ層の複数のペアをコーティングし、個々のＬＰＰ層を硬化させるために使用される偏光の入射角度を変化させ、ＬＰＰおよび／またはＬＣＰ層の化学的構造を変化させることにより制御することができる。さらに、装置構造および誘電体コーティングも、実現される補正の種類と範囲にかかわる。
図４および図５は、多層板を例示しており、第２のＬＰＰ層１’および第２のＬＣＰ層２’はそれぞれ、すでに堆積されているＬＰＰ層１およびＬＣＰ層２に直接コーティングされている。分子３および３’の光軸は、同じ配向を持つか、または図５のように、配向は直交であってもよい。この場合、ＬＰＰ層１およびＬＣＰ層２は上述のように形成されるが、第２のＬＰＰ層１’はＺ方向で直線偏光により硬化され、それによりＬＣＰ層２’内の分子３’はＺ軸にそって配列される。図５の特定の配置は、負の一軸性物質をシミュレートする有効なタイプ「−Ｃ」板を形成する。
タイプＯ板は、図６に例示されており、ＬＰＰ層１ａを硬化するために使用される直線偏光の電界に平行な方位角にそって固定軸のところで傾斜するＬＰＰ層１ａを含む。ロッド４は、光軸を表し、ＬＰＰ表面１ａ付近約８２°から始まる。ＬＰＰ表面１ａから離れるにしたがい、ＬＣＰ光軸の傾斜角は、ＬＣＰ層２ａの上面で約５０°まで下がる、層の他のさまざまな組み合わせも可能であり、図７に例示されているように、タイプＯ板をタイプＡ板の上に配置することを含む。
続けて複数のＬＰＰ／ＬＣＰ層ペアをコーティングする代わりに、単一または複数のＬＰＰ／ＬＣＰペアの組み合わせを積層して１つにし、適当な接着剤を使用して単一のＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを形成することができる。図８を参照すると、図５の有効な負のＣ板は、適当な接着剤２２を使用して図６のタイプＯ板に取り付けられている。
一般に、使用において、ＬＣＰ層２の平面内速軸配向は、公称的に、方位角上、ＬＣｏＳ表示パネルの平面内遅軸に配列され、ＬＣｏＳ表示パネルとＬＣＰ層２は公称的に同じ大きさの入力リターダンス量を持つ。それとは別に、ＬＣＰ層２の平面内リターダンスがＬＣｏＳパネルよりも大きい場合、ＬＣＰ層２は、方位角上、平面内リターダンスが等しくなるようにＬＣｏＳ表示パネルの遅軸に関して０°から９０°の範囲の角度で配列される。ＬＣｏＳに必要な平面内補正のレベルは、最大コントラストが得られるまで暗状態の表示パネルを照らしてそこから後方反射する光の中で既知の偏光のタイプＡ板を回転することにより決定される。特定のＬＣｏＳ表示パネルに必要なＰＣＥ平面内補正のレベルは、既知のタイプＡ板により生じる補正の量と同じである。本発明は、ＬＣ表示パネル内の残留複屈折を補正することに関するが、図１に例示されているように、前述のプロセスが投影システム全体の組み立て後に実行される場合、トリム・リターダは、ＬＣ表示パネル内の場合だけでなく、システム内の残留複屈折を実際に補正する。
基板上でＬＰＰ／ＬＣＰペアを高い固有ΔＮ複屈折値のＬＣＰでコーティングし、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを生産する詳細な手順を以下に示す。
Ｃｏｒｎｉｎｇ １７３７（登録商標）の１００ｍｍ×０．７ｍｍのガラス片の汚れを落とす。３０００ＲＰＭの回転数で、３０秒間、４８ｎｍの厚さのＬＰＰフィルムをガラス基板（Ｓｔａｒａｌｉｇｎ ２１００（登録商標）Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧの２％固溶体）にスピンコートする。５分間、１８０℃でＬＰＰコーティング・ガラスを焼く。ＬＰＰを平行な直線偏光のＵＶ光に露光させ、それに対しＬＰＰ分子を配列する、例えば、λ＝３００ｎｍから３４０ｎｍで２５０ｍＪ／ｃｍ２、Φe＝０°＝基板基準エッジに対する電界配向とする。３３５０ＲＰＭの回転数で、６０秒間、配列されたＬＰＰ層、例えばＲＯＦ−５１０３（登録商標）Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧの１５％固溶体の上に直接ＬＣＰ層をスピン・コーティングする。コーティングされたサンプルを、５分間、５１℃の温度で焼きなましする。窒素雰囲気中でコーティングされたサンプルを１Ｊ／ｃｍ２のＵＶＢ光に露光させてから、ＬＰＰ／ＬＣＰペアを、１０分間、１６０℃の温度で焼く。
リターダンス測定は、１ｍｍの空間分解能でＨｉｎｄｓ Ｅｘｉｃｏｒ １５０ＡＴ（登録商標）（λ〜６３２．８ｎｍで）を使用して行われた。サンプルの中心の直径７６ｍｍの領域は、±０．８５ｎｍの不均一性で２１．７４ｎｍの平均リターダンスを持つことがわかった。速軸の平均配向は、不均一性±０．３°で９０．４°であった。
残念なことに、通常のＬＰＰ／ＬＣＰ複屈折フィルム・ペアに基づくＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダはかなりの光漏れがあり、このため、光が部分的変換偏光状態でＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダ自体から後方反射するので、得られるコントラストは制限される。後方反射された偏光変換光は、硬化ＬＣＰ層２、硬化ＬＰＰ配列層１、基板５、大気、および積層接着剤（使用されている場合）の間の界面の屈折率同士の不整合によるものである。一般的には、これらの効果は、リターダンス値の変化およびＰＣＥを通るまたはそこから反射する光の偏光の望ましくない変化をもたらし、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダの性能を低下させる、反射と干渉の事象の組み合わせを表すということである。
市販のＬＰＰ／ＬＣＰフィルムは、比較的高いΔＮ複屈折値を持ち、例えば、ＬＣＰ Ｏｐａｌｖａ ２１３０（登録商標）（Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧ）を使用するＬＰＰ／ＬＣＰフィルムのΔＮ複屈折値は青のときの＞０．１４１から赤のときの＞０．１０７までの範囲である。従来のアプリケーション、例えば、ＬＣ表示装置の偏光フィルタでは、ＬＣＰ層の重要な特性の１つは、高いΔＮ複屈折値を持つことであり、これはいくつかの理由から望ましいことである。ＬＰＰ層がＬＣＰ層内に配向を誘起する能力は厚さの制限を受ける、つまり、ＬＣＰ層のある厚さを超えると、ＬＰＰ層が制御されたレベルの配向をＬＣＰ層に誘起する能力が減少するということである。さらに、スピン・コーティングは、ＬＰＰ／ＬＣＰコーティングには望ましい塗布方法であるが、ある特定の厚さを超えると、光開始剤およびＬＣＰポリマーの光吸収特性のためＬＣＰフィルムを硬化させることが難しくなる。その結果、メーカーはその労力を、高いΔＮ複屈折値を持つＬＣＰ材料の開発に注ぎ込んでおり、ＬＰＰ／ＬＣＰフィルムの比較的薄い単一ペアをＬＣ表示装置の偏光フィルタ・アプリケーション用に製造することができる。図９は、屈折率ｎｅおよびｎｏに対する等方性のある希釈液の量を増やすことの影響を例示している。
既知のプロセスにより作られるＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダでは、偏光補正素子として使用される場合に表示アプリケーションにおいてあるレベルのコントラスト改善が得られるが、最新のＬＰＰ／ＬＣＰフィルムに固有の後方反射偏光変換および干渉の事象のレベルは表示アプリケーション内の補正素子に使用される他の種類の材料よりも劣ることがわかった。
高いΔＮ ＬＣＰ材料で製造されたＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダの平面内複屈折のレベルが高いので、定常波および異常波の反射係数に違いがあるため、反射光の偏光状態は部分的に変換される。２つの波の反射係数の違いにより、ＬＰＰ／ＬＣＰ表面の界面と単一物質との間で屈折率を一致させることは不可能である。
ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダにおける反射および干渉の事象を減少させる１つの手段は、ＬＣＰ材料のΔ複屈折特性を最小にすることであり、それにより、定常波および異常波の反射係数のギャップを閉じ、反射光の後方反射および偏光変換を減少する。さらに、反射係数の差を最小にすることで、反射防止（ＡＲ）コーティングの屈折率を正確に一致させることが可能になる。ＡＲコーティングは、１つの屈折率についてしか最適化できず、この場合、これは、定常および異常の屈折率の間の平均屈折率となる。定常屈折率と異常屈折率との差を小さくすることにより、ＡＲコーティングの屈折率の一致度合いが大きくなる。ＬＰＰ／ＬＣＰコーティングに利用可能な従来のＬＣＰは、本質的に高いΔＮ複屈折値、例えば、青色の＞０．１４１から赤色の＞０．１０７までの値を持つ。したがって、前述の従来の値以下、０．０００１以上のΔＮ複屈折値が望ましいが、しかし０．０７から０．０００１までの値は、特に有用であるが、可視スペクトルの０．０５から０．０００１までの値および０．０２から０．０００１までの範囲の値も、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダには有用である。本発明では、本質的に高いΔＮ複屈折値を持つ材料から作られるＬＰＰ／ＬＣＰコーティングのΔＮ複屈折値は、処理することで、ΔＮ複屈折値を下げることができる。低い有効平面内ΔＮ複屈折値は、さらに、Ｏ板タイプＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを使用して得られる。
第１の例では、少量の等方性有機化合物をＬＣＰ層に加えて、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダのΔＮ複屈折値を減らす。等方性有機化合物は、コーティング前に、または実際に硬化されているＬＣＰ層を等方性化合物の中に浸し、その後、ＬＣＰ層をＵＶ放射線の第２の照射に曝して硬化を完成することによりＬＣＰ層内に調合することができる。特に、等方性化合物は、ＬＣＰが硬化フィルムから移動しないようにするため、ＬＣＰ層と反応できるものを選択する。物理的にＬＣＰ調合と親和性のある単量体アクリル酸官能基を含む化合物に基づく等方性調合により、平面内ΔＮ複屈折値が低くなる。このようなＬＣＰ調合は、６０重量％のＲＯＦ−５１０３（登録商標）、Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧ．、および４０重量％の混合ＵＶ硬化アクリラート基接着剤、Ｗｏｒｌｄ Ｒｏｃｋ ＺＫ−１０１（登録商標）、Ｋｙｏｒｉｔｓｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｃｏ． Ｌｔｄ．からなる。この調合を使用して生産したＰＣＥでは、生のＲＯＦ−５１０３（登録商標）から作られたＬＣＰ層に基づくＰＣＥの６３２．８ｎｍで０．１０７８の測定された平面内ΔＮ複屈折値と比較した６３２．８ｎｍで０．０６７の平面内ΔＮ複屈折値を持っていた。
ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダおよび硬化ＬＰＰ／ＬＣＰ層の平面内ΔＮ複屈折は、さらに、ＬＣＰ層の架橋を完成させるために必要な以上のレベル、好ましくは３４０ｎｍ未満の波長のＵＶ放射線または電子ビーム・エネルギーに露光させることにより低くすることもできる。図１０および図１１は、ＵＶエネルギーへの露光を延長することにより誘起されるさまざまな開始平面内リターダンス値のＬＰＰ／ＬＣＰ ＰＣＥに対する平面内リターダンスの減少、つまり、平面内ΔＮの減少を例示している。図１２に例示されている未処理ＰＣＥリターダとは対照的に、平面内ΔＮが０．０１５に下げられるまで８３５Ｊ／ｃｍ２のＵＶＢエネルギーで処理されたＰＣＥリターダは、図１３のように、一貫して、２００００を超えるコントラストを実現している。図１４は、０．１４の平面内ΔＮを持つ未処理ＰＣＥリターダの平均コントラストと平面内ΔＮが約０．０２１から０．０１４の間のＵＶ処理済みＰＣＥリターダのコントラストとを比較したものである。
ＵＶエネルギーへの露光を大きくするために低いΔＮ複屈折特性を持つＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを製造する方法の詳細な例を以下に示す。円周５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの石英ガラス基板を洗浄する。３０００ｒｐｍで、６０秒間、厚さ約５ｎｍのＬＰＰのフィルム、例えばシクロペンタノンで０．５重量％に希釈されたタイプＳＡ２１００（登録商標）２％でスピン・コートする。１８０℃で５分間、ＬＰＰフィルムを焼く。平行な直線偏光、例えば通常入射、波長約３００ｎｍから３４０ｎｍ、方位角０°の４０ｍＪ／ｃｍ２に曝すことによりＬＰＰを配列する。１２０秒間、３０００ｒｐｍで、例えば、アニソールで１５重量％に希釈されたタイプＲＯＦ−５１０３／２５Ａ（登録商標）（２５重量％）（Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧ）のＬＰＰ層の上に直接スピン・コーティングすることによりＬＣＰ層を塗布する。コーティングされたサンプルを、５分間、５１℃の温度で焼きなましする。Ｎ２中でコーティングされたサンプルをパージし、コーティングされたサンプルを３６０Ｊ／ｃｍ２のＵＶＢ照射に曝す。コーティングされたサンプルを、１０分間、１５０℃の温度で焼く。このときに、ＬＣＰフィルムは約３６ｎｍの平面内リターダンスを示し、その平面内複屈折を測定したところ、６３３ｎｍで０．１１であった。その後、フィルムを高強度ＵＶの複数回の照射に徐々に曝した（Ｆｕｓｉｏｎ ＵＶランプ）。平面内リターダンスを測定すると、照射線量の関数として減少することがわかった。最終的に、２４０ｎｍから４２０ｎｍの範囲で約４０Ｊ／ｃｍ２の線量を受けた後、平面内リターダンスは、約３．７ｎｍのレベルに達し、その時点で、平面内複屈折を測定したところ６３３ｎｍで約０．０１１であった。
ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダおよびＬＰＰ／ＬＣＰコーティングのΔＮ複屈折値を下げる他の方法は、上述の方法に似ているが、ただしＬＣＰ層をＵＶ放射線で完全硬化する代わりに、ＬＣＰ層を低レベルのＵＶ放射線に曝し、ＬＣＰ層内の分子の均一分散部分のみが硬化するようにする。次に、ＬＰＰ／ＬＣＰコーティングはさらに加熱ステップが実行され、ＬＣＰ層の未硬化分子の均一分散部分の配向をランダム化する。その後、ＬＣＰ層は、２回目のＵＶ放射線露光で完全に硬化され、前には未硬化であったＬＣＰ分子の部分のランダム化された配向が固定される。
部分的硬化および加熱のため低いΔＮ複屈折特性を持つＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを製造する方法の詳細な例を以下に示す。面積１００ｍｍ２×厚さ０．７ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ−１７３７（登録商標）ガラス基板を使用する。ガラス基板の片側にＡＲコーティングを行う。ガラス基板のもう一方の側を、３０００ｒｐｍの回転数で６０秒間、厚さ約５０ｎｍのＬＰＰのフィルム、例えばシクロペンタノン中のタイプＳＡ２１００（登録商標）２％でスピン・コーティングする。１８０℃で５分間、ＬＰＰフィルムを焼く。平行な直線偏光、例えば通常入射、波長約３００ｎｍから３４０ｎｍ、方位角０°で２５０ｍＪ／ｃｍ２に曝すことによりＬＰＰを配列する。３０００ｒｐｍで、１２０秒間、例えば、タイプＲＯＦ−５１０３／５０Ａ（登録商標）（５０重量％）（Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧ）のＬＰＰ層の上に直接スピン・コーティングすることによりＬＣＰ層を塗布する。コーティングされたサンプルを、５分間、５１℃の温度で焼きなましする。Ｎ２中でコーティングされたサンプルをパージし、コーティングされたサンプルを０．０２４ｍＪ／ｃｍ２のＵＶＢ照射に曝す。このときに、ＬＣＰフィルムは、部分的に架橋され、約３１１．３ｎｍの平面内リターダンス、および６３３ｎｍで０．１１の平面内複屈折を示した。その後、フィルムをＮ２のもとで１５０℃で１０分間、加熱し、さらに、１５０℃の温度、Ｎ２雰囲気中で１Ｊ／ｃｍ２のＵＶＢに露光することにより硬化した。室温まで冷ました後、平面内リターダンスを測定したところ、７．１ｎｍであり、平面内複屈折は約０．００２５であった。
ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダおよびＬＰＰ／ＬＣＰコーティングのΔＮ複屈折値は、さらに、硬化されたＬＰＰ／ＬＣＰ層を、長時間、例えば３０から６０時間、好ましくは４０時間の間、非酸化性雰囲気内で、高い温度、例えば５０℃から２５０℃までの範囲の温度、好ましくは１４５℃から２００℃までの範囲の温度に曝すことにより、低くすることもできる。図１５は、高温、つまり２５０℃の温度に曝すことを延長する、つまり０から５０時間とすることにより誘起されるさまざまな開始平面内リターダンス値のＬＰＰ／ＬＣＰリターダに対する平面内リターダンスの減少、つまり、平面内ΔＮの減少を例示している。熱処理済みＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダのコントラストと波長とを対比したグラフが図１６に例示されている。
熱処理に曝す時間を延長したため低いΔＮ複屈折特性を持つＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダまたはＬＰＰ／ＬＣＰコーティングを製造する方法の詳細な例を以下に示す。面積１００ｍｍ２×厚さ０．７ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ−１７３７ガラス基板を洗浄する。ガラス基板の片面にＡＲコーティングを行う。ガラス基板のもう一方の側を、３０００ｒｐｍの回転数で６０秒間、厚さ約５０ｎｍのＬＰＰのフィルム、例えばシクロペンタノン中のタイプＳＡ２１００（登録商標）２％でスピン・コーティングする。１８０℃で５分間、ＬＰＰフィルムを焼く。平行な直線偏光、例えば通常入射で、波長約３００から３４０ｎｍ、方位角配向０°で４０ｍＪ／ｃｍ２に曝すことによりＬＰＰを配列する。１２０秒間、２３００ｒｐｍで、例えば、タイプＲＯＦ−５１０３／５０Ａ（登録商標）（５０重量％）、Ｖａｎｔｉｃｏ ＡＧをスピン・コーティングすることによりＬＣＰ層を直接ＬＰＰ層の上に塗布する。コーティングされたサンプルを、１０分間、５１℃の温度で焼きなましする。Ｎ２中でコーティングされたサンプルをパージし、コーティングされたサンプルを１Ｊ／ｃｍ２のＵＶＢ照射に曝す。このときに、ＬＣＰフィルムは約２７１ｎｍの平面内リターダンス、および６３３ｎｍで０．１１の平面内複屈折を示した。その後、フィルムを２５０℃の温度で４０時間かけて焼いた。平面内リターダンスを測定すると、２５０℃で総時間数の関数として減少することがわかった。最後に、平面内リターダンスは２１ｎｍのレベルに達し、そのときに、平面内複屈折を測定したところ６３３ｎｍで約０．００９であった。次に、基板および／またはＬＣＰ材料の屈折率に似た屈折率を持つ適切な光接着剤である接着剤により、フィルムを他のＡＲコーティング基板（積層されている反対側にＡＲコーティング）に積層した。
近似ホメオトロピック・タイプ（near homeotropic type）のＬＰＰ調合で作られたＬＰＰ／ＬＣＰコーティングのペア、例えばＲＯＰ−１０３／２ＣＰ（登録商標）またはＲＯＰ−１１９／２ＣＰ（登録商標）、Ｒｏｌｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ．、および近似ホメオトロピック・タイプのＬＣＰ調合、例えばＲＯＦ５１０６／２５Ａ（登録商標）、Ｒｏｌｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＴＤ．は、ＬＰＰ／ＬＣＰコーティングの近似ホメオトロピックの配列を誘起するように配列されたときに、熱またはＵＶ処理の時間を延長せずに低平面内ΔＮ複屈折値のＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダおよびＬＰＰ／ＬＣＰコーティングを生産するために使用できる。光エネルギー量、入射角度、およびＬＰＰポリマーを硬化させるために使用される偏光の入射の方位角配向を制御しながら、ＬＰＰ ＲＯＰ−１０３／２ＣＰ（登録商標）またはＲＯＰ−１１９／２ＣＰ（登録商標）コーディング調合を直線偏光に露光させることにより、近似ホメオトロピックの配向が近似ホメオトロピック・タイプのＬＣＰ調合、例えばＲＯＦ５１０６／２５Ａ（登録商標）内で誘起されるようにＬＰＰ層を配向できる。近似ホメオトロピックのＬＣＰコーティングでは、近似ホメオトロピック特性を持たない調合よりも高い平均傾斜角度を持つ光軸配向が得られる。高い平均傾斜角度である結果として、近似ホメオトロピックのＬＣＰコーティングは、低い平面内ΔＮ複屈折を持つ。ＲＯＦ５１０６／２５Ａ（登録商標）の平面内ΔＮ複屈折は、短時間の熱処理によりさらに下げられる。ＬＣＰ層が硬化されるときに、ＵＶ露光により活性化されるＬＣＰ分子の一部がＬＣＰ層の配列マトリックス内にトラップされる。ＬＰＰ／ＬＣＰフィルムが短時間の熱処理を受けると、これらの反応性のある部分の移動度が高まり、反応部分が反応し、架橋することができる。このような二次的架橋が生じるが、マトリックスのこれらの領域はランダムに配向され、もはやＬＣＰ層平面内ΔＮ複屈折にかかわらない。その結果、ＬＣＰフィルムの平面内ΔＮ複屈折は、短時間の熱処理前に同じフィルムと比べて低い。
図１７は、６３２．８ｎｍの平面内ΔＮ複屈折とＬＣＰ光軸傾斜角とを対比したグラフを例示している。点Ａは、傾斜角度を持たないＡ板を表し、範囲Ａは、傾斜角度が２８°未満の元のＬＰＰ／ＬＣＰ Ｏ板を表す。しかし、前述の近似ホメオトロピックのＬＰＰ／ＬＣＰ材料（範囲Ｂ）では、３５°から７５°までの範囲の傾斜角度が得られ、これは０．０７から０．０１までの範囲の平面内ΔＮ複屈折値に対応する。
例えば、ＲＯＰ−１０３／２ＣＰ（登録商標）またはＲＯＰ−１１９／２ＣＰ（登録商標）ＬＰＰコーティング調合を直線偏光に露光させながら、光エネルギーの量、入射角度、および入射の方位角配向を使用して、ＬＰＰを配向し、それにより、近似ホメオトロピックのＬＣＰ調合、例えば、ＲＯＦ５１０６／２５Ａ（登録商標）内に近似ホメオトロピックの配向を誘起することができる。近似ホメオトロピックのＬＣＰコーティングでは、近似ホメオトロピック特性を持たない調合よりも高い平均傾斜角度を持つ光軸配向が得られる。高い平均傾斜角度である結果として、近似ホメオトロピックのＬＣＰコーティングは、低い平面内ΔＮ複屈折を持つ。
基板上で近似ホメオトロピックのＬＰＰ／ＬＣＰ層を低い固有ΔＮ複屈折値のＬＣＰでコーティングし、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを生産する一般的手順を以下に示す。面積１００ｍｍ２×厚さ０．７ｍｍのＣｏｒｎｉｎｇ−１７３７（登録商標）ガラス基板を洗浄する。ガラスの片面にＡＲコーティングを行う。ガラス基板の他方の片面を、３０００ｒｐｍの回転数で６０秒間、厚さ約５０ｎｍのＬＰＰのフィルム（タイプＲＯＰ−１１９／２ＣＰ（登録商標）Ｒｏｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）でスピン・コーティングする。１８０℃で１５分間、ＬＰＰフィルムを焼く。平行な直線偏光、例えば垂直から４０°の入射角度、波長約３００から３４０ｎｍ、方位角０°で１２００ｍＪ／ｃｍ２に曝すことによりＬＰＰを配列する。３０００ｒｐｍで、１２０秒間、例えば、アニソールで１８重量％に希釈されたタイプＲＯＦ−５１０６／２５Ａ（登録商標）（２５重量％）（Ｒｏｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）のＬＰＰ層の上に直接スピン・コーティングすることによりＬＣＰ層を塗布する。コーティングされたサンプルを、５分間、５１℃の温度で焼きなましする。Ｎ２中でコーティングされたサンプルをパージし、コーティングされたサンプルを３Ｊ／ｃｍ２のＵＶＡ照射に曝す。コーティングされたサンプルを、１０分間、１５０℃の温度で焼く。次に、ガラス基板および／またはＬＣＰ材料の屈折率に似た屈折率を持つ適切な光接着剤である接着剤により、コーティングされたサンプルを他のＡＲコーティング基板（積層されている反対側にＡＲコーティング）に積層する。
図１８から２２を参照すると、本発明の他の実施形態は、材料界面に誘電体層をベースとするＡＲコーティングを塗布することにより材料界面に生じる反射を減らすことに関係する。誘電体層は、独立して使用できるが、低ΔＮ複屈折値を持つＬＣＰ層と組み合わせて使用するのが好ましい。誘電体層をＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダ構造内に加えることで、他の望ましい特徴、例えば、ＬＣＰ／ＬＰＰ層、色補正、化学バリア、および物理バリア層の劣化を引き起こす可能性のあるＵＶおよびＩＲ放射の除去を導入できる。反射防止誘電体コーティングおよび紫外線誘電体フィルタを偏光補正素子に組み込むと、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダの安定性が改善され、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダ基板／空気界面から反射して戻る光の量が減るためコントラスト性能も高まる。誘電体層は、無機、ポリマー、有機−無機の混合および／または複合材料からなり、モノリシックでもよいし、厚さ２ｎｍから１０ミクロンの範囲の副層の積み重ね構造であってもよい。誘電体層は、屈折率１．３５から２．５までの材料からなるのが好ましい。誘電体層は、光等方性または光異方性を持つことができる。誘電体層の透過率は、３８０ｎｍから７８０ｎｍのスペクトル範囲で＞８５％であるのが好ましい。
本発明の一実施形態によれば、誘電体層は、ガラス基板、ＬＰＰ配列層、および複屈折ＬＣＰ層で構成される構造内の複数の内部反射および光の干渉により生じる空間的「リターダンス・リップル（retardance ripples）」を抑制するために使用される。テストを行うと、ＡＲコーティングなしでガラス基板上にコーティングされた２０ｎｍのＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダの場合、リターダンス・リップルの頂点から谷までの大きさは約３から５ｎｍであることがわかる。リップルの空間的周期は、通常、４から１０ｍｍのオーダーであることが観察され、基板の非平行性に関係する。
透過される光は、一次シングル・パス・ビームとかなり低い振幅の二次多重内部反射ビームの組み合わせである。簡単のため、多重反射ビームは、複数の反射次数すべてを足したものとみなす。一次ビームと比較して二次ビームはきわめて小さい振幅であるが、ＬＣＰリターダ層を複数回通過するためかなり高いリターダンスを示す。したがって、透過リターダンス全体は、一次および二次のビームのリターダンス、強度、および位相関係の正味の効果である。位相関係は、基板が完全な平行性を持たない場合に基板上で空間的に変化する。したがって、特定の基板厚さについて、干渉同士の強め合い効果、つまり、リップルの頂点があるが、それと別の厚さについては、干渉は弱め合う効果、つまり、リップルの谷がある。
空間的リターダンス・リップルの抑制は、高水準のリターダンス一様性を必要とするアプリケーションの場合に特に重要である。リターダンス・リップルをなくすには、高反射防止コーティングを界面に塗布するが、これは、多重内部反射の一因となり、その結果、干渉の強め合い／弱め合いが生じ、リップルが形成される。この場合のＡＲコーティングの目的は、二次ビームが強度が透過リターダンスにかかわる度合いを減らし、それにより、リップルの大きさを大幅に低減する、つまり頂点と谷との差を小さくすることである。
図１８は、空気／基板界面と一致する屈折率に対し基板５の外部表面上にＡＲコーティング３１、および空気／ＬＣＰ層界面と一致する屈折率に対しＬＣＰ層２の外部表面にＡＲコーティング３２がある、図３の構造により加工されたＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを例示しており、これにより、リターダンス・リップルの頂点と谷との差は、約０．１５ｎｍから０．２５ｎｍの範囲に縮められる。
また、積層されＡＲコーティングされたリターダ構造内に追加誘電体層を塗布する利点もある、つまり、ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダ内の界面境界に生じる偏光変換の量を最小限に抑えられる。図１９を参照すると、屈折層がＬＣＰ２および積層ポリマー２２の屈折率と一致する厚さ４５ｎｍの重合誘電体層３３がある。その結果、内部反射の少ない、したがって機能性が改善された積層ＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダが得られた。接着層２２の屈折率は、ＬＣＰ層２およびそれと接触する基板５の平均屈折率に公称的に等しい。
さまざまな界面に発生する反射による偏光変換の測定結果は、入射状態に直交する偏光状態でＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダから反射する光の量であり、これをＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダを通過する光と比較する。反射光の偏光変換がない理想的なシステムでは、コントラストは無限大である。図２０は、積層２２と複屈折ＬＣＰ層２との間の追加誘電体層３３がある場合とない場合の、上から照明されている、図１９に示されているような２０ｎｍリターダのコントラストを例示している。追加誘電体層３３は、コントラストを改善し、偏光変換を減らす。
図２１ａ、２１ｂ、２２ａ、および２２ｂは、さまざまな層の間に誘電体層を配置する、本発明の他の実施形態を例示している。図２１ａおよび２１ｂに例示されているＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダでは、誘電体フィルム層３４および３５は、それぞれＬＰＰ層１および接着層２２の前に基板５の表面にコーティングされる。図２２ａおよび２２ｂを参照すると、図４および８のように、複数の層および積層されたＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダがそれぞれ例示されており、誘電体フィルム層３６は、さらに、第１のＬＰＰ／ＬＣＰペアのＬＣＰ層２と一致する屈折率に対する第２のＬＰＰ／ＬＣＰペアのＬＰＰ層１’との間に堆積される。
図２３を参照すると、本発明によるＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダは、一体型液晶表示装置を形成するＬＣｏＳ表示パネル１５に直接コーティングすることができる。ＡＲコーティングとして作用する誘電体層３８は、ＬＣｏＳパネル１５とＬＰＰ／ＬＣＰトリム・リターダとの間に堆積するのが好ましい。空気／基板ＡＲコーティング３１は、接着層２２によりＬＣＰ層２に積層されている、基板５上に堆積される。基板５および接着層２２は、さらに、ＬＰＰ層１およびＬＣｏＳ表示パネル１５により支えられているＬＣＰ層２を残して除去することも可能である。
それとは別に、図２４のように、ＬＰＰ層１およびＬＣＰ層２を基板５上にコーティングし、その後、安定している接着剤２２を使用してＬＣｏＳ表示パネル１５上に積層することができる。再び、空気／基板界面にＡＲコーティング３１が堆積され、ＡＲコーティング３９は接着／表示パネル界面に堆積する。再び、基板５を除去して、ＬＰＰ層１およびＬＣｏＳ表示パネル１５で支えられているＬＣＰ層２を残すことができる。
１ 直線光重合型ポリマー層
１’ 第２のＬＰＰ層
１ａ ＬＰＰ層
２ 光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）フィルム
２’ 第２のＬＣＰ層
３ ＬＣＰ分子
３’ 分子
５ 透明低複屈折基板
６ 光源
７ 偏光変換光パイプ（ＰＣＬＰ）
８ａ 第１のレンズ素子
８ｂ 第２のレンズ素子
８ｃ 第３のレンズ素子
８ｄ 第４のレンズ素子
８ｅ 第５のレンズ素子
９ａ 第１の折曲げ鏡
９ｂ 第２の折曲げ鏡
９ｃ 第３の折曲げ鏡
９ｄ 第４の折曲げ鏡
１０ 第１のダイクロイック・フィルタ
１５ａ 第１のＬＣｏＳ表示パネル
１５ｂ 第２のＬＣｏＳ表示パネル
１５ｃ 第３のＬＣｏＳ表示パネル
１８ 投影レンズ
１９ カラー・キューブ
２０ａ 第１の偏光子
２０ｂ 第２の偏光子
２０ｃ 第３の偏光子
２１’ 第１のトリム・リターダＰＣＥ
２１’’ 第２のトリム・リターダＰＣＥ
２１’’’ 第３のＰＣＥ
２２ 接着剤
３１、３２、３９ ＡＲコーティング
３３ 重合誘電体層
３４および３５ 誘電体フィルム層
３８ 誘電体層
１’ 第２のＬＰＰ層
１ａ ＬＰＰ層
２ 光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）フィルム
２’ 第２のＬＣＰ層
３ ＬＣＰ分子
３’ 分子
５ 透明低複屈折基板
６ 光源
７ 偏光変換光パイプ（ＰＣＬＰ）
８ａ 第１のレンズ素子
８ｂ 第２のレンズ素子
８ｃ 第３のレンズ素子
８ｄ 第４のレンズ素子
８ｅ 第５のレンズ素子
９ａ 第１の折曲げ鏡
９ｂ 第２の折曲げ鏡
９ｃ 第３の折曲げ鏡
９ｄ 第４の折曲げ鏡
１０ 第１のダイクロイック・フィルタ
１５ａ 第１のＬＣｏＳ表示パネル
１５ｂ 第２のＬＣｏＳ表示パネル
１５ｃ 第３のＬＣｏＳ表示パネル
１８ 投影レンズ
１９ カラー・キューブ
２０ａ 第１の偏光子
２０ｂ 第２の偏光子
２０ｃ 第３の偏光子
２１’ 第１のトリム・リターダＰＣＥ
２１’’ 第２のトリム・リターダＰＣＥ
２１’’’ 第３のＰＣＥ
２２ 接着剤
３１、３２、３９ ＡＲコーティング
３３ 重合誘電体層
３４および３５ 誘電体フィルム層
３８ 誘電体層
Claims (7)
- 後方反射偏光変換を低減するための液晶（ＬＣ）表示装置であって、
液晶分子の配向のため暗状態で残留複屈折を持つＬＣ表示パネルと、
前記残留複屈折を少なくとも部分的に補正するための偏光補正素子とを備え、
前記偏光補正素子が、第１の重合体光配列（ＬＰＰ）層と、前記第１のＬＰＰ層に載せられた第１の硬化光重合型液晶ポリマー（ＬＣＰ）層とを含み、
前記第１のＬＣＰ層の平面内速軸配向が、実質的に、方位角上、ＬＣ表示パネルの平面内遅軸に関して０°から９０°の範囲の角度で配列され、
前記第１のＬＣＰ層が、前記第１のＬＰＰ層により誘起された近似ホメオトロピック配列を持ち、それにより可視スペクトルにおいて０．０００１から０．０５の範囲の平面内ΔＮ複屈折値を持つ前記装置。 - 前記第１のＬＰＰ層が、近似ホメオトロピック配列を持つ請求項１に記載の装置。
- さらに、前記第１のＬＰＰ層を支える第１の透明基板を備え、前記第１の透明基板が、空間的リターダンス・リップルを抑制するため、複数の薄膜誘電体層により１つまたは複数の表面上にコーティングされる請求項１に記載の装置。
- さらに、第２の透明基板と、前記第２の透明基板を前記第１のＬＣＰ層に貼り付けるための接着層とを備えた請求項３に記載の装置。
- 複数の薄膜誘電体層が、発生する偏光変換の量を最小限にするため、前記第２の透明基板の片面または両面に配置される請求項４に記載の装置。
- 偏光補正素子を製造する方法であって、
ａ）透明基板を用意する工程と、
ｂ）前記透明基板の片面に第１のＬＰＰ層を堆積する工程と、
ｃ）ＬＰＰ分子を配列するため前記第１のＬＰＰ層を直線偏光に露光させる工程と、
ｄ）コーティング・サンプルを形成する前記第１のＬＰＰ層上に第１のＬＣＰ層を堆積する工程と、
ｅ）前記第１のＬＰＰ層により前記第１のＬＣＰ層に近似ホメオトロピック配列を誘起し、それにより前記第１のＬＣＰ層の平面内ΔＮ複屈折値を可視スペクトルにおいて０．０００１から０．０５の範囲に下げるため前記コーティング・サンプルを熱処理する工程と、
ｆ）前記コーティング・サンプルを紫外線または電子ビーム放射線に曝して前記コーティング・サンプルを硬化させる工程と
を備えた方法。 - 前記方法が、さらに、
ｇ１）前記平面内ΔＮ複屈折値を可視スペクトル内で０．０００１から０．０５の範囲に下げるため熱処理する工程を備えた請求項６に記載の方法。
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