JPH06508449A - 再帰反射偏光子 - Google Patents
再帰反射偏光子Info
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- JPH06508449A JPH06508449A JP5500872A JP50087292A JPH06508449A JP H06508449 A JPH06508449 A JP H06508449A JP 5500872 A JP5500872 A JP 5500872A JP 50087292 A JP50087292 A JP 50087292A JP H06508449 A JPH06508449 A JP H06508449A
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- G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
- G02B5/3066—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state involving the reflection of light at a particular angle of incidence, e.g. Brewster's angle
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
再帰反射偏光子
技術分野
本発明は、構造化された表面をもつ基板上に塗布された薄膜の堆積を偏光するこ
とに関する。
貢二
マクネイル(MacNeille)偏光子は、大きな基板材料上に配置された1
対の薄膜材料の交互に繰り返す層からなる。1対の薄膜材料は、1つの低屈折率
材料と1つの高屈折率材料からなる。上記2つの屈折率は、マクネイル対と呼ば
れ、与えられた光線の入射角に対し、p−偏光(r、)に対する反射率は、各薄
膜の界面において本質的にOであるように、選定される。r、が0である角度は
、ブリュースター角と呼ばれ、このブリュースター角を屈折率の数値に関連づけ
る公式は、マクネイル条件と呼ばれる。S−偏光(r、)の反射係数は、各薄膜
の界面において0ではない。そのため、薄膜層が更に追加されるにつれ、S−偏
光の全反射率は増加する一方、p−偏光の反射率は依然として本質的に0である
。このように、偏光されていないライトビーム、即ち薄膜の堆積上への入射光は
、いくらが、もしくは全てのS−偏光成分が反射される一方で、本質的に全ての
p−偏光成分が透過される。
そのような薄膜の堆積は、2つの一般的な型の基板上に蒸着される。基板は、更
に液浸もしくは非液浸のいずれかとして製造され、偏光子の型を分類する。例え
ば、もし、薄膜が、直角(ポロ)プリズムの斜辺側を形成する平面上に蒸着され
、同じ−のプリズムの同様な面に接着されるならば、偏光子は、液浸偏光子であ
る。薄膜が、透明媒体の2つの面状平板(planer 5tab)の間に接着
されたならば、偏光子は、非液浸偏光子である。一般的に、バルクの形成用樹脂
の形状が、薄膜材料m1における光線の液浸定数n、*5in(θ1)に影響を
与えない場合、偏光子は、非液浸である。
液浸もしくは非液浸偏光子の何れに対しても、入射光線のp−偏光成分は、透過
される一方、S−偏光成分は、入射角に等しい角度で薄膜堆積から反射される。
入射方向からのS−偏光成分の方向における全体的な変化は、立方体偏光子に対
して90°、及び平板偏光子に対しては通常は約60°である。このように、も
し、追加の光学部材が、S−偏光成分を再び向は直すために使用されなければ、
S−偏光成分は、典型的には後の使用に用いることができず、利用できる光の全
体的な強度の減少を招(。例えば、(ゴールデンバーグ(Goldenberg
)等による)米国特許4.913.529号には、両成分を再結合する2個の反
射板、偏光回転子及びプリズムを用いる液晶支持体(LCD)テレビジョン投影
システムが開示されている。
そのようなシステムは、オーバーヘッドプロジェクタ−のような多くの普通の映
像表示システム、特に、薄い形状が要求されるポータプルもしくはラップトツブ
のコンピュータの表示に用いるのには、好ましくない大きさである。
発明の説明
本発明は、
(a)並んで配列された本質的に直角の2等辺の係数のプリズムの直線的な配列
からなる構造化表面を有し、この構造化平面と反対の平滑な表面への接面に関し
てほぼ45°の角度を形成する垂直な係数の面を有する第1の材料と、(b)本
質的に第2の材料と同じ第2の材料と、(C)少なくとも1つの材料の構造化平
面上にあり、選択された光学的な厚さの高屈折率材料及び低屈折率材料の交互に
重なる層からなる少なくとも1つの光学的な堆積とからなり、
第1及び第2の材料は、全て光学的に接合され、単一ユニットを形成し、この単
一ユニットにおいて、第1及び第2の材料の屈折率及び上記光学的堆積の複数の
層の上記屈折率及び光学的厚さは、偏光された光の選択的な反射を生成するよう
に全て選ばれて、
(d)上記光学的な堆積の1部の内部において、混合された偏光の入射光線が、
S−偏光成分及びp−偏光成分に分離され、(e)上記S−偏光成分は、上記光
学的な堆積の他の部分で反射され、その部分で入射光線に平行に反射されるが、
入射光と逆の方向に進み、(f)上記p−偏光成分は、入射光線に対して平行に
透過することを特徴とする再帰反射偏光子。
図面の簡単な説明
図1は、本発明の好ましい1実施例の一部の断面図である。
図2は、図1の実施例の一部の拡大断面図である。
図3は、本発明を用いる光システムの概略図である。
図4は、本発明の1実施例に入射する光の透過及び反射率のグラフである。
発明の詳細な説明
図1及び図2は、発明の再帰反射偏光子10を示す。この復帰反射偏光子10は
、2枚の透明基板12及び14からなり、この2枚の基板の間には、合成光学堆
積16が存在する。
基板12.14は、それぞれ(互いに面する)構造化表面及び非構造化表面とを
備える。図に示すように、基板12は、上部層であり、また基板14は支持体で
あるが、全体の組立品は、機能性の低下を伴わずに逆にでき、2つの基板の役割
を本質的に交換する。
この実施例が示すように、合成光学堆積16は、上部の基板12の構造化表面上
に蒸着され、下部の基板14は、単一ユニットを形成するために接着剤24によ
り合成光学堆積16に光学的に接合される(即ち、透明接着剤の非常に薄い層に
より接着される)。しかし、合成光学堆積は、接着剤24をその間に備える2つ
の副堆積から構成することができる。ここで、一方の上記副堆積は上部層に接し
て配され、もう他方の上記副堆積が基板上に配される。
合成光学堆積は、相互に比して低い屈折率及び高い屈折率を有する材料の複数の
交互の対からなる少なくとも1組からなる。層の厚さは、174波長の基準が各
層20及び22により入射平行光線18の波長に対して満たされているように選
ばれる。構造化表面の形状、基板材料の光学的特性、及び合成光学堆積の性質は
、全て結合して、入射光線を2つの偏光成分に分割する。一方の成分18−8は
、再帰反射、即ち、光線18の光源に沿って帰るように方向づけらるように、2
回反射される。他の成分18−5は、入射ビーム18に対して平行に透過される
。
(図2において、入射光18の成分18−8及び18−pへの分割は、基板及び
合成光学堆積の間の最初の界面で生じるように示されているが、これは、図示の
みのためである。実際には、若干の分割は、薄膜間の各界面において起こり、図
示されるような正味の結果を生じる。)図示する本実施例では、合成光学堆積は
、1対の材料が繰り返す堆積からなる。
一方の材料は、比較的低い屈折率(nL)の材料20であり、もう一方の材料は
、比較的高い屈折率(no)の材料22である。そのような堆積16の構成は、
(Hし)!と略される。一般的に、(HL)5堆積のような、より多くの層が用
いられ、一般的に各材料の平均の光学的な厚さは、興味ある選ばれた波長(典型
的に可視スペクトルにおいて、しかし、可視スペクトルである必要はない)に関
連し、1/4波長である。しかし、機能を最も発揮させるため、全ての薄膜のそ
れぞれの厚さは、周知の原理に従って、所望する値を計算する商業的に利用でき
るソフトウェアを用い、平均の厚さかられずかに変更される。
また、(H1L H) ’ + (H2L 2 ) ’のような、材料もしくは
平均の厚さの2つ以上の対が用いられてもよい。これは、発明の有用な光学的バ
ンド幅即ち発明が本質的に全てのS−偏光された光を反射する角度の範囲を拡大
するために使用される。
基板12及び14のそれぞれは、透明の、好ましくは、並んで配列された本質的
に直角の2等辺のプリズムの直線形配列からなる構造化表面を有する一体の(即
ち、組豆品または積層品に対するものとしての単一の連続する部品)材料を構成
する。各プリズムの垂直複数の面側は、構造化表面の反対側の清らがな表面に関
して(もしくは、より一般的な可撓性基板において、構造面に接する面に関して
)はぼ45°の角度を形成する。45°以外の角度は、池の用途に利用できるが
、45°付近(例えば、40°〜50°)の角度が、本発明において好ましい。
これは、光学的な堆積の設計上の制約を課す。即ち、3つの屈折率(光学的な堆
積のnL及びnHと、基板のno)の2つだけが、独立して選択できる。(もう
一つの制約は、p−偏光された光の高い透過が全ての波長で要求されるならば、
nLは、常にnoよりも小さいことである。)これらの値は、各材料の界面のブ
リュースター角を、界面を形成する材料の屈折率の数値に関連づけるマクネイル
条件により決定される。即ち、θ。をθ、及びθ□に関連っけるスネルの(Sn
ell’ s)の法則により、
tan(θL)= (nH/NL)
もしくは、
jan(θH)= (nL/n++)。
理論的には、no及びnLの値の無限の集合が、与えられたnoに対して存在す
る。しかし、実例では、基板及び薄膜用の材料の利用することのできる選択は、
限定され、本発明の設計は、noの値あたりの08及びnLの値の限られた集合
の中からどれが所望する結果を生成するかの選択に狭められる。nu及びnLの
間が大きいほど、本発明が入射光を分離した偏光に分割する光学的なバンド幅が
広(なる。
基板の適切な厚さは、滑らかな表面から溝の最も低い点まで0.36ミリメード
ルである。適切な溝の高さく真正に測定されたもの)は、0.18mmである。
そのような薄膜では、1センチ当たり28個のピークが望ましいが、寸法におい
ては広い自由度がある。
好ましい基板材料は可撓性で、均一で、等方的である。適切な材料は、それぞれ
1.49及び1.59の公称屈折率の市販のアクリル樹脂及びポリカーボネート
を含む。他に用いることのできる材料は、要求された機能を提供するように選択
され、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン及び塩化ビニルを含む。
一般的に、ポリウレタンは、比較的高い屈折率、透明度、及び物理的性質のため
、好ましい。
より大きな屈折率の材料は、ポリスルホン(及びポリエーテルスルホン及びポリ
アリールスルホンのような変形)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、及
びポリエチレンナフタレート(PEN)を含む。スルホンは、高い処理温度を必
要とするが、一方で、より高い周囲温度での使用に耐える。PET及びPENは
、結晶化し、もしくは処理パラメータに依存する複屈折を示す。全てのこれら材
料は、163〜] 65の範囲内の屈折率を有し、そのため、S、02/T。
02の薄膜対の使用を可能にする一方で、p−偏光された光の高い透過を保持す
る。
a 切f; 材料は、米国特許4.805.984号(コブ、ジュニア(Co
b b。
Jr、))により開示される。しかし、この発明において、材料の光学的な性質
は、この発明に用いられた際、大きく変化されるので、材料の全体の内面反射特
性は、関係しない。
薄膜20及び22に適した材料は、関心のスペクトルにおいて、(低い吸収を示
す)透明などんな材料をも含む。高帯域可視光に対して適切な薄膜材料は、二酸
化シリコン(S、02)(n=1.45)と、非晶質水素含有窒化シリコン(a
−SiN:H)(n=1.68〜2.0)と、二酸化チタ:/(T i○2.)
(n=2.2〜2.5)と、フッ化マグネシウム(MgFz)(n=1.38)
と、氷晶石(Na3A] Fa)(n−1,35)と、硫化亜鉛(ZnS)(n
=2.1〜2.4)と、酸化ンルコニウム(ZrO2)(n=2.05)と、酸
化/1フニウム(n=2.0)と、窒化アルミニウム(n=2.2)である。窒
化/リコン(S13N4)は、適しているが、好ましいポリカードネートの基板
上でうまく形成さてきる。熱及び電子ビーム発散、及びイオンビームスパッター
は、精密な光学的コーティングのための選択される方法であり、後者の方法は、
基板への接着、硬度、及び環境の安定性に関して優れた薄膜を生成する。また、
マグネトロンスパッターは、ガラス上の反射防止コーティングのような高帯域コ
ーティングに対して広く用いられ、特に立体ガラスのような広い分野への適用に
用いられる。しかし、全体的に、熱及び電子ヒーム発散は、良好な品質の薄膜及
び容認できる製造速度に対する十分に高い蒸着速度を提供するばずである。より
重要なことは、フッ化マグネシウム及び氷晶石のような低い屈折率の薄膜は、個
の方法により蒸着できることである。電子ビーム蒸着は、二酸化チタン、酸化ジ
ルコニウム、酸化ハフニウム、及び窒化アルミニウムのような高い屈折率の材料
に対し、コーティング産業において通常に用いられている。
発明を実施するための方法は、プラズマ補助化学的蒸着(PACVD)であった
。PACVDの使用により、以下の手順及び結果としての生成物が可能である。
二酸化シリコンは、約50〜100 (watt/ft2)の電極領域で低出力
RFプラズマを使用し、50及び250ミリTorr間にある酸素もしくは亜酸
化窒素を用いたPACVD処理においてシラン(S 1H4)もしくはほとんど
任意の有機シランを反応して蒸着される。亜酸化窒素は、気相において一般によ
り少ない粒子束じるため、いくぶん好ましい。
TiO□は、同一の出力レベルにおいて、酸素及び亜酸化窒素を用いて四塩化チ
タン(TiCL)を反応することにより形成できる。TiC1,蒸気の与えられ
た流れに対する02及びNeoの相対的源流及び絶対的流量の双方を変化するこ
とにより、薄膜の屈折率は、容易に2.0から2.4に変化される。薄膜内の残
留塩素は、ポリカーボネートへの不十分な接着を生じる。反応性気体を数倍越え
る酸素の流れが好ましい。
可視的に透明なa−8iN:H材料は、蒸着温度の関数として主に変化する屈折
率を有し、250℃以上の温度を要求するより高い屈折率を有する。薄膜は、シ
ラン、アンモニア、窒素の混成物より蒸着される。高い屈折率の薄膜(即ち、シ
ラン、不十分な窒素、存在しないアンモニア)に対して適切な状態から低い温度
で形成された薄膜は、所望しない青い光の大きな吸収を生じる。低い屈折率の薄
膜は幾分もろいけれども、低い光学的吸収を有し、100℃より下でポリカーボ
ネート上に1.68と1.8との間の屈折率を有する薄膜を形成することは可畦
である。
P A CV D法は、米国特許4.841.908号及び4.874.631
号(双方ともンヤコブソン等による)による蒸着/ステムを用いで実行された。
簡単に言えば、このマルチ・チャンバー蒸着システムは、異なる組成の層に対す
る複数の蒸着チャンバーを含む大きな容積の真空チャンバーを採用し、各チャン
バーは、隣接する蒸着チャンバーからのドーパント気体の逆流を最小限にするた
めの独立したシールを有する。基板の連続的ロールは、各蒸着チャンバーを通る
供給ロールから、最終の取出しロール上へと進む。ウェブ輸送の方向は、反復す
る屈折率材料の多重層を生成するために繰り返し逆にされる。
接着剤24の屈折率(nA)は、上部及び下部基板12及び14の屈折率に可能
な限り近くに整合されるべきである。接着剤の屈折率が隣の基板の屈折率より小
さいとき、接着剤のOでない厚さは、元の光線方向から離れた光の幾つかの屈折
を招く。n、=1.56の接着剤は、ノーランドカンパニー(Norlund
Counpany)から入手することができる。適切な接着剤は、ノーランド番
号61及び81の光セメント(n A= 1. 56 )である。他の紫外線硬
化性樹脂(nA=1.50)は、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(Minesota Mining and Man
ufacturing Company)の41−4201−91185番の、
1%(重量)のスルフオニウム塩開始剤を用いて、ユニオン・カーバイl’ (
Uni。
nCarbide)ERL4221番のエポキシ樹脂がら形成することができる
。上記開始剤は、エポキシとの混合の前に蒸発されねばならない塩化メチレンに
融解される。他のUV硬化性混合物は、好ましくないが、ウレタンアクリレート
に基づく樹脂、ンアクリレート希釈剤、及び適当な光開始剤から生成することが
できる。
UV硬化性接着剤は、主にスペクトルの青色の終端において、約1〜2%の完成
された偏光子において、わずかな吸収を起こすであろう。どの熱硬化性の接着剤
もしくはエポキシも、もし低い光吸収及び高い屈折率を有するならば、うまくい
く。
整合された1/4波長の光学的な厚さからなる交互の薄膜の層は、(コブジュニ
ア(Cobb、Jr、)による)米国特許4.805.984号に記載される好
ましい14ミルの厚さの基板材料のポリカーボネート型の構造化された面に塗布
される。例1において、コーティングは、5インチ幅及び8インチ長さの気体”
シャワーヘッド”型電極を用い、上で記載されたプラズマ補助化学的蒸着(PA
CVD)法により実行される。再帰反射偏光子を形成するため、TIR材料の塗
布されない基板は、光学的な接着剤を用いて光学的な堆積に接着された。
例1において、上記偏光子は、3つの光学的な堆積を備え、各光学的な堆積は、
二酸化シリコン(SiOz)もしくは二酸化チタン(TiOz)のいずれかの1
2個の層を有する。上述のPACVD技術は、溝の底部に対向するプリズム先端
近くに均一な薄膜厚さを生成することができなかったため、普通でない多くの層
が、必須とされた。最初の堆積は、400nmを中心とする1/4波長厚さを有
し、次は550nmを中心とする1/4波長厚さを有し、3番目は700nmを
中心とする1/4波長厚さを有する。偏光子の特性は、図4に示される。S−偏
光成分の透過率T (s)は、はとんど全ての可視スペクトル中、0もしくはほ
ぼOである一方、S−偏光成分の反射率R(s)は、最も効率的な普通の反射板
の95%のレベルに近づく。p−偏光成分の透過率T (p)は、非常に滴定で
きるものであり、可視スペクトルにおいてほぼ80%以上である。
再帰反射偏光子の角度依存性の詳細を説明することは有益である。第1の特徴は
、1つのプリズム小面を通るP−偏光に対する透過率の角度依存性である。角度
θは、再帰反射偏光子の外部表面に対する単位ベクトル法線から空中で測定され
る。前提とされる薄膜堆積は、入射光の全角度で可視スペクトルを含むように設
計された3つの堆積の組み合わせである。角度に対する透過スペクトルは、より
大きな波長でより広くなる(650 nmで±45°)。この堆積は、28の層
からなる。8個の層は、600nmで中心とされ、45° (液浸)であり、各
々10個の層の2重堆積は、15°に設計され、450及び600nmの中心波
長を有する。
コンピュータで計算された透過率の角度依存性は、450nmの波長に対し、θ
の正及び負の値に対するp−偏光透過の非対称性を示す。これは、基板表面から
45°でのプリズム小面の傾斜から発生する。これに対し、角度θは、外部表面
に対する法線から空中で測定される。偏光子を通る全体の透過は、相補的角度で
2つの向かい合う小面を通る2つの透過の合計である。双方の項が考慮されると
き、透過曲線は対称的になる。なお、第2プリズムで側部へ透過された光からの
第3の及びより高次の反射率は、同様に考慮できるが、曲線の形状に大きな影響
はもたない。
像里迭
本発明は、偏光されていない光源から得られる偏光された光の強度の増加から利
益をうける偏光を要求する用途、特に、比較的広い範囲にわたる偏光された光を
要求する、及び/または比較的小型(特に薄い)な用途に適する。
例えば、本発明にかかる再帰反射偏光子は、入射光線の2つの成分を単一の偏光
の成分に再結合するための1/4波長遅延板、及び反射板を用いて、非常に簡単
な手法で結合できる。そのような配置は図3に示される。結合された反射板及び
入射光118の光源は、130としてづしきできに示される。入射光118は、
混成された偏光を有し、1/4波長遅延板により影響を受けないが、再帰反射偏
光子100により成分118−1)及び119−sに分割される。成分118−
pは、表示装置110に直接的に伝送される。成分118−sは、119により
示される1/4波長遅延板120を通って、後方に再帰反射され、121で示さ
れるように再び1/4波長遅延板を通って後方に反射される(そして成分121
として明確に上に横方向に置き換えられる)。1/4波長遅延板を通る2つの光
路は、90°の全回転表す。即ち、成分118−sは、いま成分118−pとし
て同じ偏光方向を有し、そして、表示装置110の方へ方向づけられる。このた
め、偏光されていない入射光118のほぼ全ての強度は、表示装置110で偏光
された形で利用することができる。
このシステムにおける本発明の大きな利点は、全ての成分が領域内で比較的薄く
かつ広(、及び実質的に同一の光軸上に存在するため、システムの外形が大幅に
減少できることである。外形の減少が関心がない場合やもしくは他の理由で都合
がよい場合は、光軸は、−殺性を失うことなく再び方向づけることができる。
反射光源130は、バック光コンピュータ支持体の光源でよく、もしくはミネソ
タ・マイニング・アンド・マニュファクチュアから広(利用できるモデルのよう
なオーバヘッドプロジェクタ−の光源でもよい。表示装置110は、1以上の複
屈折なLCDパネルのグループであり、(コナー等による)米国特許4,917
.465号及び(コナーによる)米国特許4.966.441号に開示されるよ
うな単色もしくはカラーの用途に使用される。
この応用に対して、屈折率n。=1.586のポリカーボネートの支持体を仮定
するならは、理想的な最小の薄膜屈折率は、no=2.0及びnt=1.35で
ある。この屈折率の対を用いて、ボテイック(Phototic)に対して(可
視スペクトルを完全に含む)の2つの組の再帰反射偏光子のための理論的に最小
の合成光学堆積は、8層、即ち、(HL) ’+ (H’L’) ’である。1
つの組は、425nmを中心とする帯域幅を有し、他の組は、650 nmを中
心とする帯域幅を有する。氷晶石は、最も望ましい低い組(n−=1.35)を
有するが、柔らかく、わずかに湿りやすいため、フッ化マグネシウム(nL=1
.38)が好ましい。
幾つかの他の材料が適当であるけれども、酸化亜鉛(nH=2.05)は、1つ
の好ましい高屈折率材料である。
国際調査報告
Claims (2)
- 1.(a)並んで配列された本質的に直角の2等辺の係数のプリズムの直線的な 配列からなる構造化表面を有し、この構造化平面と反対の平滑な表面への接面に 関してほぼ45°の角度を形成する垂直な係数の面を有する第1の材料と、(b )本質的に第2の材料と同じ第2の材料と、(c)少なくとも1つの材料の構造 化平面上にあり、選択された光学的な厚さの高屈折率材料及び低屈折率材料の交 互に重なる層からなる少なくとも1つの光学的な堆積とからなり、 第1及び第2の材料は、全て光学的に接合され、単一ユニットを形成し、この単 一ユニットにおいて、第1及び第2の材料の屈折率及び上記光学的堆積の複数の 層の上記屈折率及び光学的厚さは、偏光された光の選択的な反射を生成するよう に全て選ばれて、 (d)上記光学的な堆積の1部の内部において、混合された偏光の入射光線が、 S−偏光成分及びp−偏光成分に分離され、(e)上記S−偏光成分は、上記光 学的な堆積の他の部分で反射され、その部分で入射光線に平行に反射されるが、 入射光と逆の方向に進み、(f)上記p−偏光成分は、入射光線に対して平行に 透過することを特徴とする再帰反射偏光子。
- 2.共通の光軸に沿って設けられた (a)混合された偏光の入射光の光源と、(b)反射板と、 (c)1/4波長遅延板と、 (d)請求項1の再帰反射偏光子 (e)偏光された光を用いる表示装置からなり、p−偏光成分は、表示装置に伝 送され、s−偏光成分は、1/4波長遅延板を反射板に通り抜け、1/4波長遅 延板を通って戻り、表示装置に進む前に、第2のp−偏光成分となる光学システ ム。
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