JP5529944B2

JP5529944B2 - 偏光ビームスプリッタを作製する方法

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Publication number: JP5529944B2
Application number: JP2012224867A
Authority: JP
Inventors: イー．ダンカン，ジョン; ダブリュ．オキーフ，マイケル; マ，チアイン; エー．パーレット，ラスティー
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Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-06-25
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Description

本開示は、画像表示システムで使われるような偏光分離装置を作製する方法に関する。具体的には、本開示は、ポリマー偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を作製する方法に関する。

ＰＢＳを内臓している画像表示システムは、投写型ディスプレイなどの表示スクリーン上に画像を形成させるために用いる。典型的な画像表示システムには照明源が内臓されており、前記照明源は、投写させたい画像が含まれているイメージャに、前記照明源から発せられる光線が反射するように配置されている。このような従来型システムの中には、一般に光線を折り曲げて、前記照明源から発せられる光線と投影画像の光線がＰＢＳとイメージャの間の同じ物理的空間を共有するようにするものもある。

画像表示システムのイメージャは典型的には反射型液晶（ＬＣｏＳ）などの偏光回転型画像形成装置であり、前記装置は、光線の偏光を回転させることによって機能する。ＬＣｏＳイメージャは偏光回転型であり、これは、偏光線を、最暗状態をもたらすために実質的に無修正の偏光で透過させるか、所望のグレースケールをもたらすために回転させた偏光で透過させることを意味する。したがって、偏光線が含まれている入力ビームは一般に、ＬＣｏＳイメージャを照明する目的で使われる。

本開示はＰＢＳを作製する方法に関する。ある１つの実施形態では、前記方法には、成型型内に偏光フィルムを担持させること、前記偏光フィルムの第１の面に隣接させてポリマー材を成型型の中に注入すること、第１のポリマー材を固化させて第１のプリズムを形成させること、及び、第２のプリズムを偏光フィルムの第２の面に固定することが含まれている。

別の実施形態では、前記方法には、第１のポリマー材を含む偏光ビームスプリッタの構成要素を射出成形すること、及び、第１のポリマー材のガラス転移温度よりも約２０℃低い温度を超えない温度まで前記第１の構成要素を熱処理することが含まれている。

本開示の方法に従って作製した代表的なＰＢＳ１０の分解斜視図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。本開示の方法に従ってＰＢＳを作製する際に用いてよい射出成形システムの模式図。射出成形システムのダイインサートとともに用いられている偏光フィルムの代表的実施形態の正面斜視図。本開示の方法に従って構築したＰＢＳの更なる代表的実施形態の分解斜視図。本開示の方法に従って構築したＰＢＳの更なる代表的実施形態の分解斜視図。本開示の方法に従って構築したＰＢＳの更なる代表的実施形態の分解斜視図。本開示の方法に従って構築したＰＢＳの更なる代表的実施形態の分解斜視図。

上記の図面には本開示の複数の代表的実施形態が記載されているが、論議の中で記述したとおり、その他の実施形態も考えられる。すべての場合において、本開示では、限定的な例ではなく代表例によって本発明を説明している。本開示の原理の精神及び範囲内に収まる他の修正及び実施形態を当業者が数多く考案可能であることを理解すべきである。図面は縮尺通りに描かれていない場合もある。複数の図を通じて同様の参照番号を用い、同様の部分を示している。

本開示の方法に従って作製したＰＢＳを用いることによって魅力的なデザインを得られる。これは、例えば、光線を偏光させる機能と屈曲させる機能の双方を前記ＰＢＳが果たすことができるためである。図１はＰＢＳ１０の分解斜視図であり、本開示に従って作製可能な代表的なＰＢＳである。ＰＢＳ１０には、第１のプリズム１２、第２のプリズム１４、及び、偏光フィルム１６が備わっている。代表的な実施形態の一部では、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４は、偏光フィルム１６の対向する側面上に、相互に隣接し合うように配置されている低複屈折ポリマープリズムである。

偏光フィルム１６は典型的にはポリマー反射偏光フィルムであり、第１の面１８と第２の面２０を備えている。偏光フィルム１６用として適切なフィルムの例については後に論じる。偏光フィルム１６は、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４を通った光を反射偏光成分（Ｓ偏光）と透過偏光成分（Ｐ偏光）に分離させる。この結果として、ＰＢＳ１０は、様々な画像表示システムで光線を偏光及び屈折させるのに適している。

本開示の代表的なＰＢＳ１０作製法の一部には、偏光フィルム１６の第１の面１８に直接接するように第１のプリズム１２を射出成形することが含まれている。これによって、第１のプリズム１２を偏光フィルム１６に固定する。続いて、第２のプリズム１４を偏光フィルム１６の第２の面２０に固定してもよい。本開示のある１つの実施形態では、第２のプリズム１４も、偏光フィルム１６の第２の面２０に直接接するように射出成形してよい。これによって、第２のプリズム１４を偏光フィルム１６と第１のプリズム１２に固定する。或いは、第２のプリズム１４は別に形成させてから、偏光フィルム１６の第２の面２０に固定してもよい。本開示の別の実施形態では、第１のプリズム１２を成形してから、偏光フィルム１６の第１の面１８を第１のプリズム１２に固定してもよい。続いて、第２のプリズム１４を偏光フィルム１６の第２の面２０に直接接するように射出成形してよい。後に論じるように、ＰＢＳ１０を熱処理して、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４のうちの少なくとも１つの複屈折を改善（すなわち減少）させてもよい。

図１に更に示したように、代表的な第１のプリズム１２には湾曲外面２２が備わっており、代表的な第２のプリズム１４には湾曲外面２４が備わっている。湾曲外面２２及び２４は、ＰＢＳ１０を貫通した光線の方向を変える目的でＰＢＳ１０に組み込まれているレンズと同様の形の屈折力がある屈折面として機能することができる。本開示の方法は、特定の用途で求められる様々な表面機構、例えば湾曲面、回折機構、マイクロレンズ、フレネルレンズ、及び、これらの組み合わせを備えている第１のプリズム１２と第２のプリズム１４を形成させるのにとりわけ適している。湾曲面を備えている適切なＰＢＳであって、本開示に従って構築可能なＰＢＳの例は、「偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter）」という表題が付された同時継続中の同一所有者による出願（代理人整理番号第６１０５ＵＳ００２号）に開示されており、この開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。

図２Ａ〜２Ｈは射出成形システム２６の模式図であり、本開示の代表的な方法に従ってＰＢＳ１０を作製する際の前記システムの利用法が図解されている。射出成形システム２６は２回射出式成形システムで、本開示に従ってＰＢＳ１０を作製するための適切なシステムの１例である。

図２Ａに示したとおり、代表的な射出成形システム２６には左ブロック２８と右ブロック３０が備わっており、これらは、それぞれに対して開閉することになりうる対向ダイブロックである。左、右という表記は論じやすくするためのものに過ぎず、限定することは意図していない。左ブロック２８には、回転プラテン３２、第１の成型型３４、及び、第２の成型型３６が備わっている。回転プラテン３２は左ブロック２８を担持しており、左ブロック２８が軸３８を中心に回転できるようにする。この代表的な成形システムでは、第１の成型型３４には湾曲壁３４ａが、第２の成型型３６には湾曲壁３６ａが備わっており、第１の成型型３４と第２の成型型３６は、ＰＢＳ１０を複数構築するための全く同じ成型型である。ただし、第１の成型型３４と第２の成型型３６のうちの１つ又は双方に平面壁を搭載してよく（上記の表面機構の有無は問わない）、或いは、第１の成型型３４と第２の成型型３６には、異なる湾曲部又は異なる種類の湾曲部（例えば凹部又は凸部）を備えている壁を搭載してよい。第１の成型型３４と第２の成型型３６は、軸３８から等間隔で配置して、左ブロック２８が回転した場合に、対応する部分が入れ替わるようにするのが好ましい。

右ブロック３０には、第１の成形壁４０、第２の成形壁４２、ダイインサート４４、第１の注入線４６（図示なし）、及び、第２の注入線４８（図示なし）が備わっている。第１の成形壁４０は、右ブロック３０の面のうち、第１の成型型３４と合わさる面であり、第２の成形壁４２は、右ブロック３０の面のうち、第２の成型型３６と合わさる面である。代表的な実施形態の一部では、第２の成形壁４２に湾曲部５０を搭載してよく、湾曲部５０は、第２の成形壁４２に接合させるか、第２の成形壁４２と一体形成させるかしてよい。ダイインサート４４は、一般にその寸法の一部がＰＢＳ１０の第２のプリズムのものと同じである成形コンポーネントであり、第１の成形壁４０に接合されている。或いは、ダイインサート４４は第１の成形壁４０と一体形成させてもよい。第１の注入線４６と第２の注入線４８はスプルー・ランナーシステムであり、前記システムは、右ブロック３０を貫いて伸びているか、又は、別の形で、流動性ポリマー材を成型型３４及び３６に注入させて第１のプリズム１２と第２のプリズム１４を形成させる構造になっている。第１の注入線４６と第２の注入線４８は、ポリマー材を供給するための外部押出システム（図示なし）に接合している。

ＰＢＳ１０を製造するためには、まず偏光フィルム１６をダイインサート４４の上に担持させ、ダイインサート４４に接するように第２の面２０が配置されるようにするとともに、第１の面１８が第１の成型型３４と向かい合うようにする。偏光フィルム１６は、様々な手段、例えば摩擦、接着、真空（すなわちダイインサート４４内の真空ベント）、及び、静電気で、並びに、ピン、又は、その他の類似の締結装置を用いて、ダイインサート４４の上に担持させてよい。前記締結装置は、図３と関連させながら以下で論じるように、偏光フィルム１６の周辺縁部又は角部を通じて挿入させる。偏光フィルム１６は、張力をかけた状態でダイインサート４４の上に担持させるのも望ましい。これによって偏光フィルム１６の平面平滑性が向上し、それに応じて、偏光フィルム１６の偏光機能が維持される。偏光フィルム１６をダイインサート４４の上に担持させたら、右ブロック３０と接するように左ブロック２８を閉じる。

図２Ｂには、左ブロック２８が右ブロック３０と接するように閉じた状態にある代表的な射出成形システム２６が描かれている。図示したように、ダイインサート４４と偏光フィルム１６は第１の成型型３４の中に挿入されており、第１の成型型壁４０は第１の成型型３４を密封している。偏光フィルム１６／ダイインサート４４と第１の成型型３４の露出壁によって画定される空間によって、第１のキャビティ５２が形成される。第１のキャビティ５２は、寸法的な面でＰＢＳ１０の第１のプリズム１２を画定するとともに、第１の注入線４６に接合する。

左ブロック２８と右ブロック３０を合わせて閉じたら、続いて第１のポリマー材を第１の注入線４６を通じて、第１のキャビティ５２の中に注入してよい。偏光フィルム１６を備えているダイインサート４４は、第１の成型型３４の壁に最低限の空隙をもたらし、それによって、第１のポリマー材を第１のキャビティ５２の中に閉じ込める。ＰＢＳ１０が、射出成形システム２６で製造した最初のＰＢＳである場合には、第２の注入線４８を通じて注入される材料はない。

図２Ｃは、第１のポリマー材が充填されている第１のキャビティ５２を示している。射出工程の後、第１のポリマー材を固化させて、第１のキャビティ５２の寸法を備えている第１のプリズム１２を形成させる。図示したように、代表的な第１のプリズム１０には、湾曲壁３４ａの湾曲によって成形された湾曲外面２２が備わっている。

第１のポリマー材は様々な方法で固化させてよく、特定の方法は一般に、用いるポリマー材によって決まる（例えば熱可塑性材の場合は冷却）。第１のプリズム１２に適しているポリマー材の例としては、アクリルポリマー類（例えばポリメチルメタクリレート）、環状オレフィンコポリマー類、ポリカーボネート類、及び、これらの混合物などの透明光学ポリマー類が挙げられる。熱可塑性アクリルポリマー類は、左ブロック２８内の熱伝達管によって第１の成型型キャビティ３４の中で急冷されるため、望ましい。とりわけ適しているポリマー材の例としては、「オプトレッツ（OPTOREZ）ＯＺ−１３３０」シリーズポリマーという商品名で日本の東京の日立化成工業社から市販されているアクリルポリマー類が挙げられる。また、注入前に、アクリルポリマー材を高温（例えば約１００℃）で乾燥させて、前記材料内の含水量を減少させるのが望ましい。周囲空気を除去するとともに、アクリルポリマー材を乾燥した状態に保つために、乾燥窒素ガスを加えてもよい。

また、第１のポリマー材の固化は典型的に、第１のプリズム１２と偏光フィルム１６の間の接着接合ももたらす。これによって、偏光フィルム１６を第１のプリズム１２に固定する一方で、偏光フィルム１６に張力が加わる。この結果、第１のプリズム１６に接着する時、偏光フィルム１６に張力が加わった状態が保たれ、これによって、偏光フィルム１６の平面平滑性が維持される。

図２Ｄに示したように、第１のポリマー材を固化させて第１のプリズム１２を形成させた後、左ブロック２８を右ブロック３０から離して開く。これによって、第１の成型型３４から第１の成型型壁４０が分離し、第１の成型型３４からダイインサート４４が外れる。偏光フィルム１６は第１のプリズム１２にしっかり接着しているため、偏光フィルム１６はダイインサート４４から外れて、第１のプリズム１２に接着した状態に保たれる。

図２Ｅは、第１の成型型３４と第２の成型型３６の位置が入れ替わるように、回転プラテン３２と左ブロック２８を軸３８を中心に回転させた射出成形システム２６を示している。第１のプリズム１２を形成させた後、矢印５４で示したように、回転プラテン３２を手動又は自動で回転させてよい。これによって、第１の成型型３４が第２の成型型壁４２及び湾曲部分５０と揃うとともに、第２の成型型３６が第１の成型型壁４０及びダイインサート４４と揃う。これに加えて、第２の偏光フィルム１６’をダイインサート４４の上に担持させて、上記の方法と同じ方法で第２のＰＢＳ１０（ＰＢＳ１０’）を作製し始めてもよい。偏光フィルム（例えば偏光フィルム１６及び１６’）は手動又は自動でダイインサート４４の上に担持させてよい。つまり、本開示物は、複数のＰＢＳを製造する連続工程としての射出成形システム２６によって予備形成させてよい。

図２Ｆに示したように、回転工程の後、右ブロック３０と接するように左ブロック２８を再び閉じる。この結果、第２の成型型壁４２が第１の成型型３４を密封するとともに、この代表的システムに湾曲部５０が備わっている場合には、前記密封によって、湾曲部分５０が第１の成型型３４の中に入る。第１のプリズム１２／偏光フィルム１６、第１の成型型３４の露出壁、及び、第２の成型型壁４２の湾曲部分５０によって画定される空間によって、第２のキャビティ５６が形成される。第２のキャビティ５６は、寸法的な面でＰＢＳ１０の第２のプリズム１４を画定するとともに、第２の注入線４８に接合する。

同様に、第１の成型型壁４０は第２の成型型３６を密封し、それによって、ダイインサート４４が第２の成型型３６の中に入る。偏光フィルム１６’／ダイインサート４４と第１の成型型３４の露出壁によって画定される空間によって、第３のキャビティ５７が形成される。第３のキャビティ５７は、上記と同じ方法で、寸法的な面でＰＢＳ１０’の第２のプリズム１２’を画定するとともに、第１の注入線４６に接合する。

続いて、第２のポリマー材を第２の注入線４８を通じて、第２のキャビティ５６の中に注入する。第２のポリマー材は、第１のプリズム１２で用いたポリマー材と同じでも、同じでなくてもよい。ただし、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４は、同じポリマー材から形成させて、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の間の光偏差を減少させるのが望ましい。第２のプリズム１４に適しているポリマー材の例としては、図２Ｃの部分で第１のプリズムについて上述した透明ポリマー類と同じものが挙げられる。第１及び第２のポリマー材は、同じ材料にも、異なる材料にもすることができる。これに加えて、第２のポリマー材を第２のキャビティ３４に注入する一方で、第１のポリマー材を第１の注入線４６を通じて、第３のキャビティ５７の中に注入して、第１のプリズム１２’を形成させる。

図２Ｇは、第２のポリマー材が充填されている第２のキャビティ５６、及び、第１のポリマー材が充填されている第３のキャビティ５７を示している。注入工程の後、第２のポリマー材を第２のキャビティ５６の中で固化させて、第２のキャビティ５６の寸法を備えている第２のプリズム１４を形成させる。このプリズムには、第２のプリズム１４の湾曲外面２４が備わっており、前記外面は湾曲部分５０の湾曲によって成形されている。また、第２のポリマー材の固化は典型的に、第２のプリズム１４と偏光フィルム１６の第２の面２０の間の接着接合ももたらす。これによって、偏光フィルム１６を第２のプリズム１４に固定する一方で、偏光フィルム１６に張力が加わった状態が維持される。この結果、偏光フィルム１６が第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の間に固定される。同様に、第１のプリズム１２に関して上述した方法と同じ方法で、第１のポリマー材を第３のキャビティ５７の中で固化して第１のプリズム１２’を形成させる。この結果、第１のプリズム１２’には、この代表的システムの湾曲壁３６ａの湾曲によって成形される湾曲外面２２’が備わる。

図２Ｈに示したように、第２のプリズムと第１のプリズム１２’を形成させたら、再び、左ブロック２８を右ブロック３０から離して開く。これによって、第１の成型型３４から第２の成型型壁４２が分離し、第１の成型型３４から湾曲部分５０が外れる。続いてＰＢＳ１０を第１の成型型３４から取り出してよく、また、以下に示すように、その後に続く成形後工程を実施してよい。左ブロック２８と右ブロック３０を開くことによっても、第２の成型型３６から第１の成型型壁４０が離れ、第２の成型型３４からダイインサート４４が外れる。偏光フィルム１６’はダイインサート４４から外れて、上に記したとおり、第１のプリズム１２’に接着した状態に保たれる。続いて、左ブロック２８を再び回転させてよく、また、上記の方法を繰り返して本開示に従って引き続きＰＢＳを製造してもよい。

上では、射出成形システム２６は代表的なＰＢＳ１０を作製するためのシステムとして説明されているが、射出成形システム２６を用いて、様々な寸法、湾曲、全体構造（例えばプリズム型以外の構造）を備えているＰＢＳを作製してもよい。例えば、第１及び第２の成型型の寸法を変更してもよい。或いは、互換性のある成型型インサートを用いて、様々な表面機構を第１及び第２のプリズムにもたらしてもよい。つまり、本開示を用いて、広範な用途向けのＰＢＳを作製してもよい。

図３は、右ブロック３０のダイインサート４４に担持されている偏光フィルム１６の代表的実施形態の正面斜視図である。図示したとおり、ダイインサート４４にはピン４４ａ〜４４ｄが備わっており、これらのピンはそれぞれ、偏光フィルム１６のタブ１６ａ〜１６ｄを通して挿入してある。偏光フィルム１６は、タブ１６ａ〜１６ｄとともに事前に切断してから、ダイインサート４４の上で延伸（又は伸張）させて、タブ１６ａ〜１６ｄを通じてピン４４ａ〜４４ｄを挿入してよい。この処置によって、張力がかかった状態で偏光フィルム１６をダイインサート４４で担持させることが可能になり、偏光フィルム１６の平面平滑性が向上し、それによって、偏光フィルム１６の偏光機能が維持される。また、前記処置によって、左ブロック２８を右ブロック３０から離して開いた時に偏光フィルム１６をダイインサート４４から外すこと（及び、第１のプリズムに接着させ続けること）ができるようになる。

本開示の実施形態において偏光フィルム１６として用いるのに適している反射偏光フィルムの例としては、ジョンザ（Jonza）らの米国特許第５，８８２，７７４号、ウェバー（Weber）らの米国特許第６，６０９，７９５号、及び、マガリル（Magarill）らの米国特許第６，７１９，４２６号に記載されているような複屈折ポリマーフィルム、例えばミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Corporation）が製造している多層光学フィルム（ＭＯＦ）反射偏光フィルムが挙げられ、前記開示はこれによって本明細書に組み込まれる。偏光フィルム１６に適している反射偏光フィルムとしては、異なるポリマー材から成る複数の層を備えているポリマー反射偏光フィルムも挙げられる。例えば、偏光フィルム１６には第１の層と第２の層を搭載してよく、この場合、第１及び第２の層のポリマー材は異なっており、第１及び第２の層の少なくとも１つは複屈折フィルムである。本開示のある１つの実施形態では、偏光フィルム１６には、ウェバー（Weber）らの米国特許第６，６０９，７９５号に開示されているように、異なるポリマー材から成る第１及び第２の代替層の多層積層体を搭載してよい。本開示の別の実施形態では、複数の反射偏光フィルムを用いてもよい。

適切な反射偏光フィルムは典型的に、第１のポリマー材と第２のポリマー材の屈折率の差が、前記フィルム面の第１の方向沿いでは大きく、第１のポリマー材と第２のポリマー材の屈折率の差が、前記フィルム面の第２の方向（前記第１の方向と直交している方向）沿いでは小さいことを特徴としている。代表的な実施形態の一部では、反射偏光フィルムも、第１のポリマー材と第２のポリマー材（例えば異なるポリマー材から成る第１の層と第２の層）の屈折率の差が、前記フィルムの厚み方向沿いでは小さいことを特徴としている。第１のポリマー材と第２のポリマー材の屈折率の適切な差のうち、延伸方向（すなわちｘ方向）沿いの差の例は、約０．１５〜約０．２０である。非伸長方向（すなわちｙ方向とｚ方向）の屈折率は、所定の材料又は層のそれぞれの約５％以内であるとともに、異なる材料又は隣接層の当該非伸長方向の約５％以内であるのが望ましい。

代表的な多層反射偏光フィルム１６の層用として選択されるポリマー材としては、吸光性のレベルが低い材料を挙げてよい。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の吸収係数は１．０×１０^−５ｃｍ^−１未満である。したがって、ＰＥＴが含まれており、厚みが約１２５マイクロメートルである反射偏光フィルム３４では、予測吸収率は約０．００００２２３％であり、同等のワイヤグリッド偏光子の吸収率の約１／２００，０００である。

低い吸収率が好ましい。これは、ＰＢＳ内で用いる偏光子が非常に高い密度にさらされ、それによって、偏光子の機能不全につながる可能性があるためである。例えば、吸収型偏光フィルムは、不要な偏光とともに、すべての光を吸収する。これによって、かなりの熱が発生する。このため、偏光フィルムを避けるように熱を伝導させるためには、サファイアのような熱伝導率の高い基材が必要になる。さらには、前記基材に高い熱負荷がかかり、それに応じて、前記基材内で熱複屈折が発生する。前記基材内における熱複屈折は、画像表示システムのような光学システムのコントラストとコントラストの均一性を低下させる。このため、従来型ＰＢＳの基材用として適した材料はごくわずかしかない（例えばサファイア、石英、鉛含有ガラス、セラミックス）。

同様に、透明基材上にコーティングされている薄い金属片（例えばアルミニウム片）を用いているワイヤグリッド偏光子は、受容光のごく一部を吸収する。これによって、基材内に熱も発生する。例えば、アルミニウムミラーの表面と同じように、前記アルミニウム片は光の５〜１０％を吸収する。ワイヤグリッド偏光子の性能は、前記金属片の幾何学的安定性の影響を受けやすいため、熱膨張によって基材がわずかに変化すると、前記偏光子の性能が低下する可能性がある。

対照的に、吸収係数の低いポリマー材（例えばＰＥＴ）を用いることによって、反射偏光フィルム１６を避けるように熱を伝導させる目的で熱伝導率の高い基材を必要とすることなしに、反射偏光フィルム１６を用いることができるようになる。このため、反射偏光フィルム１６は第１のプリズム１２と第２のプリズム１４とともに長期間にわたり用いてよい。

上記の反射偏光フィルムとともにポリマープリズム（すなわち第１のプリズム１２及び第２のプリズム１４）を用いることの別の利点は、偏光フィルムとプリズムの双方をポリマー材から作製できる点である。これによって、プリズムと反射偏光フィルムの間を更に容易に接合及び光結合可能になる。

図４Ａ〜４Ｄは代表的ＰＢＳ１１０、２１０、３１０、及び、４１０の分解斜視図であり、第１のプリズムを第２のプリズムに固定するための代表的な嵌合機構が描かれている。ＰＢＳ１１０、２１０、３１０、及び４１０には、ＰＢＳ１０と同様の全体構造が備わっており、各参照番号は１００、２００、３００、４００の順に増えている。嵌合機構については、「偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter）」という表題が付された同時継続中の同一所有者による出願（代理人整理番号第６１０５ＵＳ００２号）で更に論じられている。嵌合機構は、偏光フィルムを所定の配置に保ち、それによって、組立て中に、各プリズムに対する偏光フィルムの位置と配向を所定の配置に固定するのにも適している。

図４Ａに示したように、ＰＢＳ１１０の第１のプリズム１１２には更に、１つ以上の雄部材１５８ａ及び１５８ｂのような１つ以上の凸部が備わっており、前記雄部材は第１のプリズム１１２から伸びている。同様に、第２のプリズム１１４には、第２のプリズム１１４内に配置されている１つ以上の雌部１６０ａ及び１６０ｂが備わっており、各雌部は、雄部材１５８ａ、１５８ｂのうちの１つを中に受け入れることができる。ＰＢＳ１１４は、第１のプリズム１１２から伸びている雄部材１５８ａ及び１５８ｂとともに、並びに、第２のプリズム１１４内に配置されている雌部１６０ａ及び１６０ｂとともに描かれているが、代替的に反対の定位を用いてもよい。この代替的な設計では、雄部材１５８ａ及び１５８ｂは第２のプリズム１１４から伸びており、雌部１６０ａ及び１６０ｂは第１のプリズム１１２の中に配置されている。別の代替的な設計では、第１のプリズム１１２には、第２のプリズム１１４の第２の雄部材及び第２の雌部に相当する第１の雄部材及び第２の雌部を搭載してもよい。

図４Ｂには、ＰＢＳ１１０に似ているとともに、第１のプリズム２１２と第２のプリズム２１４を備えているＰＢＳ２１０が描かれており、第１のプリズム２１２には雄部材２５８ａと雌部２６０ａが備わっており、第２のプリズム２１４には雄部材２５８ｂと雌部２６０ｂが備わっている。この代表的な実施形態の雄部材２５８ａ及び２５８ｂは、反射偏光フィルムに隣接している表面から突出しているペグである。同様に、雌部２６０ａ及び２６０ｂは、反射偏光フィルムに隣接している表面内に配置されているとともに、前記表面内に形成されている凹部又はスロットとして設定されている。

図４Ｃには、ＰＢＳ１１０に似ているとともに、第１のプリズム３１２と第２のプリズム３１４を備えているＰＢＳ３１０が描かれており、第１のプリズム３１２には雄部材３５８ａ及び３５８ｂが備わっており、第２のプリズム３１４には雌部３６０ａ及び３６０ｂが備わっている。雄部材３５８ａ及び３５８ｂは、第１のプリズム３１２の表面のうち、反射偏光フィルムに隣接している表面上に配置されている「Ｌ」字型部材であり、前記表面から突出している。同様に、雌部３６０ａ及び３６０ｂは、反射偏光フィルムに隣接している第２のプリズム３１４の表面内に配置されている「Ｌ」字型凹部である。

図４Ｄには、ＰＢＳ１１０に似ているとともに、第１のプリズム４１２と第２のプリズム４１４を備えているＰＢＳ４１０が描かれており、第１のプリズム４１２には雄部材４５８が備わっており、第２のプリズム４１４には雌部４６０が備わっている。雄部材４５８は、反射偏光フィルムに隣接しているとともに、反射偏光フィルムから突出している第１のプリズム４１２の表面の大半を包み込んでいる長方形の面である。同様に、雌部４６０は、反射偏光フィルムに隣接している第２のプリズム４１４の表面の大半の中に配置されている長方形の凹部である。

図４Ａ〜４Ｄに示されている雄部材と雌部をその他の嵌合機構と置き換えて、対向するプリズム内に配置されている各雌部と嵌合する構造になっている雄部材が少なくとも１つ、１つのプリズムに備わるようにしてもよい。上で述べたように、雄部材と雌部はＰＢＳ１１０〜４１０とともに用いた形で示してあるが、代替的な嵌合機構は、本開示のいずれのＰＢＳにも適している。当業者であれば、本明細書で例示した数とは異なる数の雄部材及び雌部を本開示に従って用いてもよいことを容易に理解するであろう。例えば、代表的なＰＢＳには、３つ以上の雌部の中に収まる３つ以上の雄部材を搭載してもよい。

上記の雄部材及び雌部は、対応する第１及び第２のプリズムで成形させてもよい。続いて、雄部材及び雌部の力によって第１及び第２のプリズムを合わせて固定して、ＰＢＳ（例えばＰＢＳ１１０、２１０、３１０、及び、４１０）を形成させてもよい。この技法には、第１のプリズムと第２のプリズムの間に反射偏光フィルムを配置することを含めてもよい。続いて、第１のプリズムを第２のプリズムと相対する方向に向けて、雄部材が当該雌部と揃うようにしてもよい。この配列は、第２のプリズムと相対するように第１のプリズムを正確に配置するようにするのに有益である。続いて、雄部材を当該雌部に一斉に挿入することによって、第１のプリズムを第２のプリズムに嵌合させてよい。これによって、第１のプリズムと第２のプリズムの入射面の間に反射偏光フィルムが押し込まれ、平滑な平面接合部をもたらす。雄部材は接着剤で当該雌部に固定してよい。これに加えて、雄部材を当該雌部に嵌めこむか、及び／又は、溶接すること（例えば超音波、赤外線、熱かしめ、スナップ嵌め、プレス嵌め、及び、化学溶接）によって、第１のプリズムを第２のプリズムに固定してよい。

或いは、雄部材及び雌部は、図２Ａ〜２Ｈの部分で上述したように、２回射出式成形の実施中に第１及び第２のプリズムで形成させてもよい。以下の論議は、図４Ａに示したＰＢＳ１１０を対象としているが、上記の嵌合機構のいずれにも同様に当てはまる。雄部材１５８ａ及び１５８ｂは、第２のプリズム１１４の雌部１６０ａ及び１６０ｂを寸法的な面で画定する溝付きのダイインサート４４を機械加工することによって、第１のプリズム１１２で成形させてよい。第１の密閉キャビティ５２の中に第１のポリマー材を注入すると、第１のポリマー材の一部がダイインサート４４の溝の中に流入し、第１のプリズム１１２の残部とともに固化して雄部材１５８ａ及び１５８ｂを形成させる。続いて、第２のポリマー材を第２のキャビティ５６の中に注入すると、雌部１６０ａ及び１６０ｂが形成される。第２のポリマー材は、注入時には雄部材１５８ａ及び１５８ｂの周囲を流れ、第２のプリズム１１４の残部とともに、雄部材１５８ａ及び１５８ｂの周囲で固化して雌部１６０ａ及び１６０ｂを形成させる。

第１のポリマー材と第２のポリマー材のガラス転移温度が近い場合（例えば、第２のポリマー材と第２のポリマー材が同じ材料である場合）、代表的な実施例の一部では、第２のポリマー材の高温化によって、第２のポリマー材とともに、雄部材１５８ａ及び１５８ｂの一部が溶解及び流入すると思われる。このため、第２のポリマー材が固化すると、雌部１６０ａ及び１６０ｂの位置で、雄部材１５８ａ及び１５８ｂが第２のプリズム１１４と融合する。これによって、第１のプリズム１１２が第２のプリズム１１４に物理的に固定されるとともに、偏光フィルム１１６が第１のプリズム１１２と第２のプリズム１１４の間に配置される。

代替的な設計では、雄部材１５８ａ及び１５８ｂは第２のプリズム１１４から伸ばしてよく、雌部１６０ａ及び１６０ｂは第１のプリズム１１２内に配置されている。これは、雄部材１５８ａ及び１５８ｂを寸法的な面で画定する延伸部を備えているダイインサート４４を形成させることによって行ってよい。第１のキャビティ５２の中に第１のポリマー材を注入すると、第１のポリマー材がダイインサート４４の延伸部の中に流入してから固化して、第１のプリズム１１２内に雌部１６０ａ及び１６０ｂを形成させる。続いて、第２のポリマー材を第２のキャビティ５６の中に注入すると、雄部材１５８ａ及び１５８ｂが形成される。第２のポリマー材の一部が雌部１６０ａ及び１６０ｂの中に流入し、プリズム１１４の残部とともに固化して雄部材１５８ａ及び１５８ｂを形成させる。この配列でも、雄部材１５８ａ及び１５８ｂが雌部１６０ａ及び１６０ｂに融合すると思われる。

上に示したプロセス又は別の適切なプロセスに従って成形した後、第１のプリズム、第２のプリズム、又は、ＰＢＳ１０全体に成形後加工、例えば熱処理、研磨、機械加工、及び、これらの組み合わせを施してもよい。本開示のある１つの実施形態では、第１のプリズム、第２のプリズム、又は、ＰＢＳ１０全体に熱処理加工を施して、構成要素である第１のポリマー、第２のポリマー、又は、これら双方の複屈折を改善（すなわち減少）させてもよい。代表的な熱処理加工としては、室温に近い温度を、第１のポリマー材及び第２のポリマー材のガラス転移温度よりも約２０℃低い最高温度まで上昇させる温度に、第１のプリズム、第２のプリズム、又は、ＰＢＳ１０全体をさらすことが挙げられる。第１のポリマー材と第２のポリマー材が異なる材料である場合には、最高温度は、第１のポリマー材のガラス転移温度と第２のガラス転移温度のうち低い方の温度よりも約２０℃低いのが望ましい。温度は、約１時間超にわたって上昇させるのが望ましい。

続いて、用いるポリマー材とＰＢＳ１０の寸法に応じて約１時間〜約２４時間にわたって前記最高温度を維持させる。前記維持時間が経過した後、続いて、約３℃／時〜約７℃／時の速度で温度を室温に近い温度まで低下させる。熱処理によって、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の中の分子が緩和され、それに応じて、第１のプリズム及び／または第２のプリズムの構造応力が低下する。前記応力の低下によって、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の各々の複屈折を減少させることができ、前記プリズムの双方を熱処理する場合には、それによって、ＰＢＳから投影される画像のコントラストが向上する。

ポリメチルメタクリレートのようなアクリルポリマー類の場合の適切な熱処理条件としては、約１時間にわたって温度を室温に近い温度から最高温度まで上昇させることが挙げられる。適切な最高温度の例は約６０℃〜約９５℃であり、とりわけ適切な最高温度は約８０℃〜約９０℃である。続いて、約２時間〜約１０時間にわたって最高温度を維持させる。最後に、約５℃／時の速度で温度を最高温度から室温に近い温度まで低下させる。

最高温度をポリマー材のガラス転移温度よりも約２０℃低くに保つことによって、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の表面機構の変形が回避される。例えば、ポリマー材のガラス転移温度でＰＢＳ１０を熱処理すると、湾曲外面２２及び２４の湾曲が変形するであろう。これは結果的に、ＰＢＳ１０の所望の光学的品質を低下させるであろう。しかし、本開示の熱処理加工によって、第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の変形が実質的に回避されるとともに、該当する複屈折も改善される。これによって、複屈折が小さく、画像装置用として高品質な表面機構を備えているプリズムをＰＢＳにもたらす。

本開示の別の実施形態にしたがってＰＢＳ１０の性能を更に高めるためには、上記のとおりに、または、別の適切な成形法によって第１のプリズム１２を成形し、任意に応じて上記のとおりに熱処理してから、偏光フィルム１６を受け入れる構造になっているプリズム面を機械加工するとともに、任意に応じて所望の平坦度になるまで前記プリズム面を研磨することができる。ＰＢＳ１０を組み立てる前に、同じ又は同様のプロセスを第２のプリズム１４に対して繰り返し、偏光フィルム１２を第１のプリズム１２と第２のプリズム１４の間に接着又はその他の方法で固定することができる。

好ましい実施形態を参照しながら本開示を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲で形態及び細部の変更を行えることは、当業者であれば理解できるであろう。

Claims

偏光ビームスプリッタを作製する方法であって、
第１の面と第２の面を備えている偏光フィルムを成型型内に担持させる工程と、
前記偏光フィルムの前記第１の面に隣接させて第１の熱可塑性材を前記成型型の中に注入する工程と、
前記第１の熱可塑性材を冷却により固化させて第１のプリズムを形成させる工程と、
第２のプリズムを前記偏光フィルムの前記第２の面に固定する工程と、
を含み、前記第１および第２のプリズムの一方が、前記偏光フィルムに隣接する表面上に配されかつ前記偏光フィルムから突出している少なくとも一つの雄部材を備え、前記第１および第２のプリズムの他方が、前記少なくとも一つの雄部材を中に受け入れることのできる少なくとも一つの雌部を備えている、方法。
偏光ビームスプリッタを作製する方法であって、
第１の面と第２の面を備えている偏光フィルムを第１の成型型内に担持させる工程と、
前記偏光フィルムの前記第１の面に隣接させて第１の熱可塑性材を前記第１の成型型の中に注入する工程と、
前記第１の熱可塑性材を冷却により固化させて第１のプリズムを形成させる工程と、
前記偏光フィルムの前記第２の面に隣接させて第２の熱可塑性材を第２の成型型の中に注入する工程と、
前記第２の熱可塑性材を冷却により固化させて第２のプリズムを形成させる工程と、
を含み、前記偏光フィルムを前記第１のプリズムと前記第２のプリズムの間に配し、
前記第１および第２のプリズムの一方が、前記偏光フィルムに隣接する表面上に配されかつ前記偏光フィルムから突出している少なくとも一つの雄部材を備え、前記第１および第２のプリズムの他方が、前記少なくとも一つの雄部材を中に受け入れることのできる少なくとも一つの雌部を備えている、方法。
前記第１の熱可塑性材のガラス転移温度又は前記第２の熱可塑性材のガラス転移温度よりも２０℃低い温度を超えない温度まで前記偏光ビームスプリッタを熱処理する工程を更に含む、請求項１または２に記載の方法。