ポリマー繊維偏光子
偏光フィルムは、マトリックス内に埋め込まれた多層偏光繊維で作製される。繊維は、少なくとも第１及び第２のポリマー材料の層で形成される。第１のポリマー材料の層は、第２のポリマー材料の層の間に配置される。第１及び第２のポリマー材料の少なくとも１つが、複屈折性である。いくつかの実施形態では、材料の少なくとも１つの厚さは繊維によって変化する。繊維は、第１又は第２のポリマー材料のいずれかより低い屈折率を有する材料内に埋め込まれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学表示システム、より具体的には、横方向から照らされる複屈折性ポリマー繊維を含む光学素子を包含する光学表示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非偏光光を偏光するためのいくつかの異なる種類の偏光フィルムが入手可能である。吸収（二色性）偏光子は、含有相として、ポリマーマトリックス内に整列された偏光依存吸収種、多くの場合ヨード含有鎖を有する。そのようなフィルムは、吸収種に平行に整列される電界ベクターで偏光された光を吸収し、吸収種に垂直に偏光された光を透過する。別のタイプの偏光フィルムは、反射偏光子であり、これはある状態の光を透過し、他の状態の光を反射することにより、異なる偏光状態の光を分離する。１つのタイプの反射偏光子は、多層光学フィルム（ＭＯＦ）であり、これは交互に重なるポリマー材料の多くの層の積み重ね体で形成される。１つの材料は、光学的等方性であるが、一方他は、その屈折率の１つが等方性材料の屈折率に整合する複屈折性である。１つの偏光状態の光入射は、整合する屈折率を受け、偏光子を通して実質的に正反射して透過される。しかしながら、他の偏光状態の光入射は、異なる層の間の境界面で多重の可干渉性（coherent）又は非干渉性（incoherent）反射を受け、偏光子により反射される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
別のタイプの反射偏光フィルムは、連続相マトリックス内に分散した含有物（inclusion）から構成される。含有物は、フィルムの幅及び高さに対して小さい。これらの含有物の特徴を操作し、フィルムに種々の反射及び透過特性を提供することができる。含有物は、連続相マトリックス内の分散ポリマー相を構成する。含有物の寸法及び配列は、フィルムを延伸することにより変更することができる。連続相又は分散相のいずれかは、複屈折性材料の屈折率の１つが他の相の屈折率に整合する複屈折性であり、これは光学的等方性である。延伸の程度に加えて、連続相及び分散相用の材料の選択は、分散相と連続相との間の複屈折率の不整合の程度に影響を与える可能性がある。他の特性を調節し、光学性能を向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの特定の実施形態は、少なくとも第１及び第２のポリマー材料の層を含む第１の多層繊維を含む光学体を目的とする。第１のポリマー材料の層は、第２のポリマー材料の層の間に配置される。第１及び第２のポリマー材料の少なくとも１つは、複屈折性である。第３のポリマー材料は第１の多層繊維を取り囲み、第３のポリマー層は、第１及び第２のポリマー材料のいずれかの屈折率より低い屈折率を有する。
【０００５】
本発明の上記の概要は、本発明の各図示された実施形態又は全ての実施を説明しようと意図されるものではない。図及び以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
添付の図面と関連して本発明の様々な実施形態の以下の「発明を実施するための形態」を検討することで、本発明はより完全に理解され得る。
【図１Ａ】偏光子フィルムの操作を概略的に示す図。
【図１Ｂ】偏光子フィルムの操作を概略的に示す図。
【図２】本発明の原理によるポリマー層の実施形態の切欠図を概略的に示す図。
【図３Ａ】本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図３Ｂ】本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図３Ｃ】本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図４】本発明のいくつかの実施形態で用い得る繊維織物を概略的に示す図。
【図５Ａ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｂ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｃ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｄ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｅ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｆ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｇ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｈ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図６Ａ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｂ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｃ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｄ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｅ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｆ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｇ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｈ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図７Ａ】多層偏光繊維と入射光の相互作用を示す、偏光子の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図７Ｂ】多層偏光繊維と入射光の相互作用を示す、偏光子の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図８】本発明の原理による多層偏光繊維を取り囲む低屈折率の被膜を有する偏光子の断面図を概略的に示す図。
【図９】多層偏光繊維の挙動を分析するために用いられるモデルのパラメーターを概略的に示す図。
【図１０Ａ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１０Ｂ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１１Ａ】半径の増加とともに層厚さも増加する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１１Ｂ】半径の増加とともに層厚さも増加する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１２Ａ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維の偏光特性を示すグラフ。
【図１２Ｂ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維の偏光特性を示すグラフ。
【図１３】繊維が偏光子の表面に平行なより長い寸法を有する非円形対称横断面を有する繊維偏光子の断面図を概略的に示す図。
【図１４】多層偏光繊維の部分断面図の写真。
【図１５】異なる層厚さの多層偏光繊維について測定された反射及び透過のそれぞれのグラフ。
【図１６】異なる層厚さの多層偏光繊維について測定された反射及び透過のそれぞれのグラフ。
【０００７】
本発明は様々な変更例及び代替形態に柔軟に従うことができるが、それらの細目は図面で例を用いてこれまでに示され、また詳細に記述されるであろう。しかしながら、その意図は、記述された特定の実施形態に本発明を限定することではないことを理解するべきである。反対に、その意図は、添付された特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変更例、同等の方法、及び代替方法を網羅しようとするものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、光学システムに適用可能であり、より具体的には偏光された光学システムに適用可能である。新しいタイプの反射偏光フィルムは、繊維偏光フィルムであり、これは内部複屈折境界面、すなわち複屈折性材料と別の材料との間に境界面を有する多重繊維を包含するマトリックス層である。繊維偏光子フィルム内の繊維のパラメーターは、偏光特性が改善されるように選択されることが重要である。
【０００９】
本明細書で使用するとき、用語「正反射」及び「正反射率」とは、反射角が実質的に入射角と等しく、角度が本体表面の法線に対して測定される本体からの光線の反射率を指す。換言すれば、光が特定の角度分布で本体上に入射するとき、反射光は実質的に同じ角度分布を有する。用語「拡散反射」又は「拡散反射率」とは、一部の反射光の角度が入射角と等しくない光線の反射を指す。したがって、光が特定の角度分布で本体上に入射するとき、反射光の角度分布は入射光とは異なる。用語「全反射率」又は「全反射」とは、全ての光、すなわち正反射光及び拡散光の組み合わされた反射率を指す。
【００１０】
同様に、用語「正透過」及び「正透過性」とは、本明細書で使用されるとき、スネルの法則（Snell’s law）による任意の変化に応じて調節された透過光の角度分布が実質的に入射光と同じである、本体を通過する光透過率を指す。用語「拡散透過」及び「拡散透過性」を用いて、光透過率が入射光の角度分布と異なる角度分布を有する、本体を通過する透過光を説明する。用語「全透過」又は「全透過性」とは、全ての光、すなわち正反射光及び拡散光の組み合わされた透過率を指す。
【００１１】
反射偏光子フィルム１００が、図１Ａ及び１Ｂに概略的に示される。本明細書で採用した従来法では、フィルムの厚さ方向をｚ軸とし、ｘ−ｙ平面はフィルムの平面に対して平行である。非偏光光１０２が偏光子フィルム１００に入射するとき、偏光子フィルム１００の透過軸に平行に偏光された光１０４は、実質的に透過されるが、偏光子フィルム１００の反射軸に平行に偏光された光１０６は、実質的に反射される。反射光の角度分布を、偏光子１００の様々な特性に応じて決定する。例えば、いくつかの例示の実施形態では、図１Ａに概略的に示されたように、光１０６は拡散して反射される場合がある。他の実施形態では、反射光は、正反射性及び拡散性成分の両方を含んでよく、一方いくつかの実施形態では、反射は実質的に全て正反射性であってよい。図１Ａに示された実施形態では、偏光子の透過軸はｘ軸に平行であり、偏光子１００の反射軸はｙ軸に平行である。他の実施形態では、これらは逆であってもよい。透過光１０４は、例えば図１Ａに概略的に示されたように正反射して透過されてよく、例えば図１Ｂに概略的に示されたように拡散して反射されてもよく、又は正反射性及び拡散性成分の組み合わせで透過されてもよい。偏光子は、透過光の半分以上が拡散して透過されるとき、実質的に拡散して光を透過させ、透過光の半分以上が正反射して透過されるとき、実質的に正反射して光を透過させる。
【００１２】
本発明の例示の実施形態による反射偏光子本体の切欠図が図２に概略的に示される。本体２００は、連続相とも呼ばれるポリマーマトリックス２０２を含む。ポリマーマトリックスは、所望により光学的等方性であってよく、又は光学的複屈折性であってもよい。例えば、ポリマーマトリックスは、単軸又は双軸的に複屈折性であってよく、これはポリマーの屈折率が１方向に沿って異なってよく、２つの直交する方向で同様（単軸）であってもよい又は３つの直交する方向全てで異なってもよい（双軸）ことを意味する。
【００１３】
偏光繊維２０４は、マトリックス２０２内に配置される。偏光繊維２０４は、少なくとも２つのポリマー材料を含み、そのうち少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの例示の実施形態では、材料の１つは複屈折性であるが、他の材料は等方性である。他の実施形態では、繊維を形成する材料の２つ以上が複屈折性である。いくつかの実施形態では、等方性材料で形成された繊維もまた、マトリックス２０２内に存在してよい。
【００１４】
第１の繊維材料のｘ、ｙ及びｚ方向の屈折率は、ｎ１ｘ、ｎ１ｙ及びｎ１ｚと呼ばれることがあり、第２の繊維材料のｘ、ｙ及びｚ方向の屈折率は、ｎ２ｘ、ｎ２ｙ及びｎ２ｚと呼ばれることがある。材料が等方性である場合、ｘ、ｙ及びｚ屈折率は、全て実質的に整合されている。第１の繊維材料が複屈折性である場合、ｘ、ｙ及びｚ屈折率の少なくとも１つは他とは異なる。
【００１５】
各繊維２０４内には、第１の繊維材料と第２の繊維材料との間に形成される多重の境界面が存在する。例えば、２つの材料が境界面におけるｘ及びｙ屈折率を示し、ｎ１ｘ≠ｎ１ｙである、すなわち、第１の材料が複屈折性である場合、境界面は複屈折性である。偏光繊維の異なる例示の実施形態については、以下で論じられる。
【００１６】
繊維２０４は、図中にｘ軸として示されたように、概して軸に平行に配置される。ｘ軸に平行に偏光された光についての繊維２０４内の複屈折境界面における屈折率の差ｎ１ｘ−ｎ２ｘは、ｙ軸に平行に偏光された光についての屈折率の差ｎ１ｙ−ｎ２ｙとは異なる場合がある。境界面は、境界面における屈折率の差が方向により異なるとき、複屈折性であると言われる。したがって、複屈折境界面の場合、Δｎｘ≠Δｎｙであり、この場合Δｎｘ＝｜ｎ１ｘ−ｎ２ｘ｜及びΔｎｙ＝｜ｎ１ｙ−ｎ２ｙ｜である。
【００１７】
１つの偏光状態では、繊維２０４の複屈折境界面における屈折率の差は、比較的小さい場合がある。いくつかの例示の事例では、屈折率の差は０．０５未満であってよい。この条件は、実質的に屈折率が整合していると考えられる。この屈折率の差は、０．０３未満、０．０２未満又は０．０１未満であってよい。この偏光方向がｘ軸に平行である場合、ｘ偏光光はわずかに反射し、又は全く反射せず、本体２００を通過する。換言すれば、ｘ偏光光は本体２００をほとんど透過する。
【００１８】
繊維内の複屈折境界面における屈折率の差は、直交する偏光状態の光に対して比較的大きな場合がある。いくつかの例示の例では、屈折率の差は、少なくとも０．０５であってよく、例えば０．１若しくは０．１５のようにそれより大きくてもよく、又は０．２であってもよい。この偏光方向がｙ軸に平行である場合、ｙ偏光光は複屈折境界面において反射される。したがって、ｙ偏光光は本体２００により反射される。繊維２０４内の複屈折境界面が実質的に互いに平行である場合、反射は実質的に正反射性であってよい。他方、繊維２０４内の複屈折境界面が実質的に互いに平行ではない場合、反射は実質的に拡散性であってよい。複屈折境界面のいくつかは平行であってよく、他の境界面は非平行であってもよく、これは正反射性及び拡散性成分の両方を包含する反射光を導く場合がある。また、複屈折境界面は湾曲していてよく、又は比較的小さくてもよく、換言すれば、入射光の波長の桁内で、これは拡散性散乱を導く場合がある。
【００１９】
ここで記載されたばかりの例示の実施形態は、ｙ方向に比較的大きな屈折率の差を有する、ｘ方向の屈折率の整合を目的とし、他の例示の実施形態は、ｘ方向に比較的大きな屈折率の差を有する、ｙ方向の屈折率の整合を含む。
【００２０】
ポリマーマトリックス２０２は、例えば約０．０５未満、好ましくは０．０１未満の複屈折性ｎ３ｘ−ｎ３ｙを有する、実質的に光学的等方性であってよく、ここでｘ及びｙ方向のマトリックス内の屈折率はそれぞれｎ３ｘ及びｎ３ｙである。他の実施形態では、ポリマーマトリックス２０２は複屈折性であってよい。したがって、いくつかの実施形態では、ポリマーマトリックスと繊維材料との間の屈折率の差は、方向により異なる場合がある。例えば、ｘ屈折率の差ｎ１ｘ−ｎ３ｘは、ｙ屈折率の差ｎ１ｙ−ｎ３ｙとは異なってよい。いくつかの実施形態では、これらの屈折率の差のうち１つが、他の屈折率の差の少なくとも２倍であってよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、屈折率の差、複屈折境界面の程度及び形状、並びに複屈折境界面の相対位置により、他の偏光を超える、入射偏光のうち１つの拡散的散乱が生じる場合がある。そのような散乱は、主に後方散乱（拡散反射）、前方散乱（拡散透過）又は後方及び前方散乱の組み合わせであってよい。
【００２２】
ポリマーマトリックス及び／又は繊維で用いるのに好適な材料としては、所望の範囲の光波長の間で透明である熱可塑性及び熱硬化性ポリマーが挙げられる。いくつかの実施形態では、非水溶性であるポリマーが特に有用である場合がある。更に、好適なポリマー材料は、非晶質又は半結晶性であってよく、ホモポリマー、コポリマー、又はこれらのブレンドを含んでもよい。ポリマー材料の例としては、ポリ（カーボネート）（ＰＣ）；シンジオタクチック及びアイソタクチックポリ（スチレン）（ＰＳ）；Ｃ１〜Ｃ８アルキルスチレン；ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）及びＰＭＭＡコポリマーを含む、アルキル、芳香族、及び脂肪族環含有（メタ）アクリレート；エトキシル化及びプロポキシル化（メタ）アクリレート；多官能性（メタ）アクリレート；アクリレート化エポキシ；エポキシ；及び他のエチレン性不飽和物質；環状オレフィン及び環状オレフィン性コポリマー；アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）；スチレンアクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）；エポキシ；ポリ（ビニルシクロヘキサン）；ＰＭＭＡ／ポリ（ビニルフロライド）ブレンド；ポリ（フェニレンオキシド）合金；スチレン系ブロックコポリマー；ポリイミド；ポリスルホン；ポリ（ビニルクロライド）；ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）；ポリウレタン；不飽和ポリエステル；低複屈折性ポリエチレンを含むポリ（エチレン）；ポリ（プロピレン）（ＰＰ）；ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）のようなポリ（アルカンテレフタレート）；ポリ（エチレンナフタレート）（ＰＥＮ）のようなポリ（アルカンナフタレート（alkane napthalates））；ポリアミド；アイオノマー；ビニルアセテート／ポリエチレンコポリマー；セルロースアセテート；セルロースアセテートブチレート；フルオロポリマー；ポリ（スチレン）−ポリ（エチレン）コポリマー；ポリオレフィン性ＰＥＴ及びＰＥＮを含むＰＥＴ及びＰＥＮコポリマー；並びにポリ（カーボネート）／脂肪族ＰＥＴブレンドが挙げられるが、これらに限定されない。用語（メタ）アクリレートは、対応するメタクリレート又はアクリレート化合物のいずれかであるとして定義される。シンジオタクチックＰＳを例外として、これらのポリマーは、光学的等方性の形態で使用されてもよい。
【００２３】
これらのポリマーのいくつかは、配向されたときに複屈折性になることがある。特に、ＰＥＴ、ＰＥＮ、及びこれらのコポリマー、並びに液晶ポリマーは、配向されたときに比較的大きな値の複屈折性を表す。ポリマーは、押出成形及び延伸を含む様々な方法を用いて配向されてよい。延伸は、それが高度な配向を可能にし、温度及び延伸比のような多くの容易に制御可能な外部パラメーターにより制御され得るため、ポリマーを配向するのに特に有用な方法である。配向された及び配向されていない、多くの例示のポリマーの屈折率が以下の表Ｉに示される。
【００２４】
【表１】
【００２５】
ＰＣＴＧ及びＰＥＴＧ（グリコール修飾ポリエチレンテレフタレート）は、例えば、イーストマン・ケミカル社（Eastman Chemical Co.）（テネシー州キングスポート（Kingsport）から商品名イーストマン（商標）として入手可能なコポリエステルのタイプである。ＴＨＶは、３Ｍ社（ミネソタ州セントポール（St. Paul））から商品名ダイネオン（Dyneon）（商標）として入手可能な、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデンのポリマーである。ＰＳ／ＰＭＭＡコポリマーは、コポリマー中の構成モノマーの比が変化することによりその屈折率が「同調」され、所望の値の屈折率を得ることがあるコポリマーの例である。「Ｓ．Ｒ．」と表示されている列は延伸比を包含する。延伸比１は、材料が延伸しておらず、かつ配向されていないことを意味する。延伸比６は、試料が元の長さの６倍に延伸されていたことを意味する。正確な温度条件下で延伸した場合、ポリマー分子は配向され、材料は複屈折性になる。しかしながら、分子を配向することなく材料を延伸することが可能である。「Ｔ」と表示された列は、試料が延伸した温度を示す。延伸した試料は、シート状に延伸した。ｎｘ、ｎｙ及びｎｚと表示された列は、材料の屈折率を指す。ｎｙ及びｎｚの値が表中に列挙されていない場合、ｎｙ及びｎｚの値はｎｘと同じである。
【００２６】
繊維の延伸下での屈折率の挙動も、同様の結果が得られると予想されるが、必ずしもシートを延伸するときと同じではない。ポリマー繊維は、所望の値の屈折率が生じる任意の所望の値に延伸されてよい。例えば、いくつかのポリマー繊維を延伸し、少なくとも３、恐らく少なくとも６の延伸比を生じさせ得る。いくつかの実施形態では、ポリマー繊維は、例えば２０以下、又はそれ以上の延伸比にさえ延伸される場合がある。
【００２７】
複屈折性を実現するために延伸に好適な温度は、ケルビン（Kelvin）で表されるポリマーの融点のおよそ８０％である。複屈折性はまた、押出成形及びフィルム形成プロセス中経験されるポリマー溶融物の流動により誘導される応力によっても誘導される場合もある。複屈折性はまた、フィルム物品中の繊維のような隣接する表面と整列することによって生じる場合もある。複屈折は、正又は負のいずれかであってよい。正の複屈折は、直線偏光光の電界軸の方向が、ポリマーの配向に対して平行である又は表面と整列するとき最も高い屈折率を受ける場合として定義される。負の複屈折は、直線偏光光の電界軸の方向が、ポリマーの配向に対して平行である又は表面と整列するとき最も低い屈折率を受ける場合として定義される。正の複屈折性ポリマーの例としては、ＰＥＮ及びＰＥＴが挙げられる。負の複屈折性ポリマーの例としては、シンジオタクチックポリスチレンが挙げられる。
【００２８】
マトリックス２０２及び／又はポリマー繊維２０４は、本体２００に所望の特性を提供するために種々の添加剤を備えられていてよい。例えば、添加剤は、耐候剤、紫外線吸収剤、ヒンダードアミン光安定剤、酸化防止剤、分散剤、潤滑剤、静電気防止剤、顔料又は染料、成核剤、難燃剤、及び発泡剤のうちの１つ以上を含んでよい。他の添加剤は、ポリマーの屈折率を変化させる又は材料の強度を増大させるために提供されてよい。そのような添加剤としては、例えば、ポリマービーズ若しくは粒子及びポリマーナノ粒子のような有機添加剤、又はガラス、セラミック若しくは金属酸化物ナノ粒子又は粉砕、粉末、ビーズ、フレーク若しくは粒子状ガラス、セラミック若しくはガラスセラミックのような無機添加剤を挙げてよい。これらの添加剤の表面は、ポリマーに結合するための結合剤を備えられていてよい。例えば、シランカップリング剤をガラス添加剤とともに用いて、ガラス添加剤をポリマーに結合させる場合がある。
【００２９】
いくつかの実施形態では、マトリックス２０２又は繊維２０４の成分は非可溶性、又は少なくとも溶媒抵抗性であることが好ましい場合がある。溶媒抵抗性である好適な材料の例としては、ポリプロピレン、ＰＥＴ及びＰＥＮが挙げられる。他の実施形態では、マトリックス２０２又はポリマー繊維２０４の成分は有機溶媒に可溶性であることが好ましい場合がある。例えば、マトリックス２０２又はポリスチレンで形成された繊維成分は、アセトンのような有機溶媒に可溶性である。他の実施形態では、マトリックスは水溶性であることが好ましい場合がある。例えば、マトリックス２０２又はポリビニルアセテートで形成された繊維成分は、水溶性である。
【００３０】
光学素子のいくつかの実施形態では、材料の屈折率は、ｘ方向の繊維の長さに沿って変化する場合がある。例えば、素子は均一に延伸されなくてよいが、一部の領域では他の領域より大きく延伸されてよい。したがって、配向可能な材料の配向の程度は、素子に沿って均一ではなく、そのため複屈折性は素子に沿って空間的に変化する場合がある。
【００３１】
更に、マトリックス内に繊維を組み込むと、光学素子の機械的特性を向上させる場合がある。具体的には、ポリエステルのようないくつかのポリマー材料は、フィルム形態より繊維形態の方が強く、よって繊維を含有する光学素子は繊維を含有しない同様の寸法のものより強いことがあり得る。繊維２０４は直線であってよいが、直線である必要はなく、例えば繊維２０４はねじれていてよく、らせん状でもよく、又は縮れていてもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態では、偏光子層に存在する繊維の一部又は全部は、ポリマー偏光繊維であってよい。他の実施形態では、偏光子はまた、等方性ポリマーのような等方性材料、又はガラス、セラミック若しくはガラスセラミックのような無機材料で形成され得る繊維も包含してよい。したがって、フィルム中に無機繊維を使用することは、米国特許出願第２００６／０２５７６７８号でより詳細に論じられている。無機繊維は、偏光子層に更に剛性を付与し、様々な湿度及び／又は温度条件下で湾曲及び形状変化に対する耐性を付与する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、無機繊維材料は、マトリックスの屈折率に整合する屈折率を有し、他の実施形態では、無機繊維はマトリックスの屈折率とは異なる屈折率を有する。Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス、ＢＫ７、ＳＫ１０などのような高品質ガラスを含む、任意の透明なタイプのガラスが用いられてよい。一部のセラミックはまた、適切に整合する屈折率を有するマトリックスポリマー中にそれらが埋め込まれた場合に透明に見えるように、十分に小さい結晶寸法をも有する。ミネソタ州セントポールの３Ｍ社から入手可能なネクステル（Nextel）（商標）セラミック繊維は、このタイプの材料の例であり、既に糸、織り糸、及び織布マットとして入手可能である。関心のあるガラスセラミックは、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、及びＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、及びＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２を含む組成を有するが、これらに限定されない。
【００３４】
偏光子層は、多くの様々な方法でマトリックス内に配置された偏光繊維を含んでよい。例えば、繊維は、マトリックスの断面積に対して不規則に位置される場合がある。他には、より規則的な、断面配置がまた使用されてもよい。例えば、図２に概略的に示された例示の実施形態では、繊維２０４は、マトリックス２０２内に一次元配列で配置され、隣接する繊維２０４の間に規則的な空隙部を有する。この実施形態のいくつかの変形では、隣接する繊維２０４間の空隙部は、全ての繊維２０４について同じである必要はない。図示された実施形態では、単一層の繊維２０４は、素子２００の２つの面２０６、２０８の間の中程に位置される。こうである必要はなく、繊維２０４の層は面２０６、２０８のいずれかに近く位置されてもよい。
【００３５】
別の例示の実施形態では、図３Ａに断面図で概略的に示されたように、偏光子フィルム３００は、マトリックス３０２内に位置される２層の繊維３０４ａ、３０４ｂを含む。この実施形態では、上層の繊維３０４ａは、下層の繊維３０４ｂと同じ中心間距離で互いに離間されている。また、上層中の繊維３０４ａは、下層の繊維３０４ｂと重なって（in registration）（ｙ方向に整列される）位置される。こうである必要はなく、中心間距離は異なっていてよく、及び／又は、ｙ方向の位置合わせが異なっていてもよい。例えば、図３Ｂに概略的に示された偏光子３１０の実施形態では、上層の繊維３１４ａの中心間距離は、下層の繊維３１４ｂと同じである。しかしながら、繊維３０４ａは、繊維３０４ｂからｙ方向に片寄っている。この実施形態で見込まれる利点の１つは、繊維３１４ａの上層が下層の繊維３１４ｂ間の空隙部を「埋める」ことができ、よって垂直に伝播している光線３１６が繊維３０４ａ又は３０４ｂと交差し、偏光させる機会が増加することである。
【００３６】
更なる繊維層が使用されてよい。例えば、図３Ｃに概略的に示された偏光子フィルム３２０の実施形態では、マトリックス３２２は３層の繊維３２４ａ、３２４ｂ及び３２４ｃを包含する。この特定の実施形態では、中層の繊維３２４ｂは、上層の繊維３２４ａ及び下層の繊維３２４ｃからｙ方向に片寄っている。また、この実施形態は、ｙ方向の繊維間距離が、ｚ方向の繊維間距離とは異なっていてよいことを示す。
【００３７】
偏光繊維は、単一繊維として又は多くの他の配列でマトリックス内で組織化される場合がある。いくつかの例示の配置では、繊維は、織り糸、ポリマーマトリックス内の１方向に配置された（繊維又は織り糸の）トウ、織物、不織布、チョップト繊維（chopped fiber）、チョップト繊維マット（不規則的な又は規則的な形式による）、又はこれらの形式の組み合わせの形態で偏光子に含まれる場合がある。チョップト繊維マット又は不織布は、繊維の不規則的な配列を有するのではなく、不織布又はチョップト繊維マット内に繊維の何らかの配列を提供するように、延伸されるか、圧力をかけられるか、又は配向されてよい。マトリックス内に偏光繊維の配列を有する偏光子の形成は、米国特許出願第２００６／０１９３５７７号により完全に記載されている。
【００３８】
繊維は、１つ以上の繊維織物の形態でマトリックス内に含まれてよい。織物４００が図４に概略的に示される。偏光繊維は、縦糸４０２の一部及び／又は横糸４０４の一部を形成し得る。無機繊維が織物中に含まれてよく、縦糸４０２及び／又は横糸４０４の一部が形成されてもよい。更に、縦糸４０２又は横糸４０４の繊維の一部は、等方性ポリマー繊維であってよい。図４に示された織物４００の実施形態は、５ハーネス（five-harness）の繻子織物（satin weave）であるが、異なるタイプの織物、例えば他のタイプの繻子織物、平織物などが用いられてもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、１つ以上の織物がマトリックス内に含まれる場合がある。例えば、偏光子フィルムは、偏光繊維を含有する１つ以上の織物と、無機繊維のみを含有する１つ以上の織物とを含む場合がある。他の実施形態では、異なる織物が偏光繊維と無機繊維の両方を含む場合がある。３層の繊維を有する偏光子３２０は、例えば、３層の繊維の織布層で形成されてよい。
【００４０】
偏光子はまた、例えば米国特許出願第２００６／０１９３５７７号により詳細に論じられているように、一方又は両方の表面上に構造を備えられていてもよい。そのような表面としては、例えば、輝度強化表面、レンズ化表面、拡散表面などを挙げてよい。また、偏光繊維及び／又は他の繊維の密度は、偏光子の体積全体に渡って均一である必要はないが、変化してよい。図では、いくつかの繊維が用いられて、反射又は透過のいずれかにおいて拡散をもたらし、例えば偏光子に対する照度の不均一性を低減することがある。これを行い、偏光子の背後に位置される光源を隠すことができ得て、繊維の密度は、光源より上方で増加し、光源から離れると減少する。
【００４１】
１つの例示の実施形態では、繊維に用いられる複屈折性材料は、配向時屈折率が変化するタイプのものである。したがって、繊維が配向されるとき、屈折率の整合又は不整合は、配向方向に沿ってもたらされる場合があり、非配向方向に沿ってもたらされる場合もある。配向パラメーター及び他の処理条件を注意深く操作することにより、複屈折性材料の正又は負の複屈折が用いられて、所与の軸に沿った光の偏光の一方又は両方の反射又は透過を誘導することができる。透過及び拡散反射の間の相対比は、繊維中の複屈折境界面の濃度、繊維の寸法、複屈折境界面における屈折率の差の二乗、複屈折境界面の寸法及び形状、並びに入射光の波長又は波長範囲などであるが、これらに限定されない多くの要因に依存する。
【００４２】
特定の軸に沿った屈折率の整合又は不整合の大きさは、その軸に沿って偏光された光の錯乱の程度に影響を与える。一般に、散乱能は、屈折率不整合の二乗につれて変化する。したがって、特定の軸に沿った屈折率の不整合が大きくなるにつれて、その軸に沿って偏光された光の散乱が強くなる。逆に、特定の軸に沿った不整合が小さいとき、その軸に沿って偏光された光が散乱される程度は低く、本体の体積を通る透過は次第に正反射性になる。
【００４３】
非複屈折性材料の屈折率がいくつかの軸に沿った複屈折性材料の屈折率と整合する場合、この軸に平行な電界で偏光された入射光は、複屈折性材料のいくつかの寸法、形状及び密度にかかわらず、散乱していない繊維を通過する。更に、その軸に沿った屈折率もまた偏光子本体のポリマーマトリックスの屈折率に整合する場合、光は実質的に散乱していない本体を通過する。２つの屈折率の間の実質的な整合は、屈折率の差が最大０．０５未満、好ましくは０．０３、０．０２又は０．０１であるときに生じる。
【００４４】
反射及び／又は散乱の強度は、少なくともいくつかにおいて、約λ／３０より大きな寸法を有する所与の断面積を有する散乱体の屈折率不整合の大きさにより決定され、ここでλは偏光子中の入射光の波長である。不整合境界面の正確な寸法、形状及び整列は、どの程度の光が境界面から種々の方向に散乱又は反射されるかを決定する役割を果たす。
【００４５】
偏光子内で使用する前に、繊維を、複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率の差が、第１の軸に沿って比較的大きく、他の２つの直交する軸に沿って小さいように延伸し、交差する延伸面内方向でいくらかの寸法に弛緩させることにより処理されてよい。これは、異なる偏光の電磁放射線に対して、大きな光学異方性を生じさせる。
【００４６】
前方散乱の後方散乱に対する比は、複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率の差、複屈折境界面の濃度、複屈折境界面の寸法及び形状、並びに繊維の全体厚さに依存する。一般に、楕円形のディフューザーは、複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率の差が比較的小さい。
【００４７】
本発明にしたがって繊維で用いるために選択された材料及びこれらの材料の配向の程度は、好ましくは、最終繊維中の複屈折性材料及び非複屈折性材料が、少なくとも１本の軸を有し、そのために関連する屈折率が実質的に等しいように選択される。典型的には配向方向を横断する軸であるが、必ずしもそうである必要はない軸に関連する屈折率の整合により、偏光の平面内で実質的に光は反射しない。
【００４８】
内部複屈折境界面を有し、本発明のいくつかの実施形態における使用に好適な偏光繊維の１つの例示の実施形態は、多層偏光繊維である。多層繊維は、異なるポリマー材料の複数の層を包含し、そのうち１つが複屈折性である繊維である。いくつかの例示の実施形態では、多層繊維は第１の材料と第２の材料が交互に重なった一連の層を包含し、材料の少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの実施形態では、第１の材料は、第２の材料と大体同じ１本の軸に沿った屈折率と、第２の材料とは異なる直交する軸に沿った屈折率とを有する。追加材料の層もまた、多層繊維で用いられる。
【００４９】
１つのタイプの多層繊維は、同心多層繊維と呼ばれる。同心多層繊維では、層は繊維の中心コアを完全に取り囲むように形成され得る。同心多層偏光繊維５００の１つの例示の実施形態の断面が、図５Ａに断面図で概略的に示される。繊維５００は、第１の材料５０２と第２の材料５０４とが交互に重なった層を包含する。第１の材料は複屈折性であり、第２の材料は複屈折性又は等方性のいずれであってもよく、その結果隣接する層の間の境界面５０６は複屈折性である。
【００５０】
繊維５００は、クラッド（cladding）層５０８に取り囲まれていてよい。クラッド層５０８は、第１の材料、第２の材料、繊維が埋め込まれたポリマーマトリックス材料、又はいくつかの他の材料で作製されてよい。クラッドは、装置全体の機能性に対して機能的に寄与する場合があるか、又はクラッドは機能しない場合もある。クラッドは、例えば繊維及びマトリックスの境界面で光の偏光解消（depolarization）を最小限に抑えることにより、反射偏光子の光学を機能的に改善する場合がある。所望により、クラッドは、例えば繊維と連続相材料との間の所望の水準の接着を提供することにより、偏光子を機械的に強化し得る。いくつかの実施形態では、クラッド５０８が用いられて、例えば繊維５００と周囲のポリマーマトリックスとの間にある程度の屈折率整合をもたらすことにより、反射防止機能を提供する場合がある。
【００５１】
繊維５００は、繊維５００の所望の光学特性に応じて、異なる数の層で、様々な寸法で形成されてよい。例えば、繊維５００は、厚さの関連する範囲を有する、約１０層から数百層までで形成される場合がある。繊維の幅の値は、５μｍ〜約５０００μｍの範囲に入る場合もあるが、繊維の幅はまた、この範囲の外に入る場合もある。いくつかの実施形態では、層５０２、５０４は、特定の波長又は波長範囲の４分の１波長（quarter-wave）の厚さである厚さを有し得るが、これは本発明の必要条件ではない。４分の１波長層の配置は、可干渉性散乱及び／又は反射を提供し、よって大きな反射／散乱効果は、散乱／反射が非干渉性である場合より少ない層で得られることができる。これは、所望の水準の偏光を得るために、偏光子の効率を増大させ、必要な材料の量を減少させる。層は、厚さｔが、屈折率で除された波長の４分の１に等しいとき、４分の１波長の厚さを有すると言われ、よってｔ＝λ／（４ｎ）（式中、ｎは屈折率であり、λは波長である）である。
【００５２】
同心多層繊維５００は、多層材料を多層繊維に共押出しし、続いて複屈折性材料を配向させ、複屈折境界面をもたらすように延伸することにより、作製され得る。複屈折性材料として使用され得る好適なポリマー材料のいくつかの例としては、上述のように、ＰＥＴ、ＰＥＮ及びこれらの種々のコポリマーが挙げられる。非複屈折性材料として使用され得る好適なポリマー材料のいくつかの例としては、上述のような光学的等方性材料が挙げられる。一般に、多層繊維は、繊維で用いられるポリマー材料が互いに湿潤しており、適合する処理温度を有するとき、より容易に作製されることが見出されている。
【００５３】
異なるタイプの断面を有する多層繊維がまた用いられてよい。例えば、同心繊維は円形である必要はなく、楕円形、矩形などのようないくつかの他の形状を有してもよい。例えば、図５Ｂに断面図で概略的に示された多層繊維５１０の別の例示の実施形態は、第１の材料５１２と第２の材料５１４とが交互に重なった同心層で形成されてよく、ここで第１の材料５１２は複屈折性であり、第２の材料５１４は等方性又は複屈折性のいずれかであってよい。この例示の実施形態では、繊維５１０は、交互に重なった層５１２と５１４との間に、繊維５２０の長さに沿って延在する同心複屈折境界面５１６を含む。この実施形態では、繊維５１０は非円形対称であり、１方向に沿って細長い。図の座標系を用ると、繊維の断面はｙ方向に細長く、それ故ｙ方向の寸法ｄｙは、ｚ方向の寸法ｄｚより大きい。
【００５４】
同心多層繊維のいくつかの実施形態では、複数の層は、中心繊維コアの周囲に提供される場合がある。これは図５Ｃに概略的に示され、コア５２６の周囲に交互に重なる層５２２と５２４とを有する繊維５２０を示す。コア５２６は、層５２２、５２４のいずれかと同じ材料で形成されてよく、又は異なる材料で形成されてもよい。例えば、コア５２６は、異なるポリマー材料又はガラスのような無機材料で形成されてよい。
【００５５】
多層偏光繊維の別の例示の実施形態は、米国特許出願第１１／２７８，３４８号（２００６年３月３１日出願）により詳細に記載されている、らせん状に巻かれた繊維である。らせん状に巻かれた繊維の例示の実施形態が、図５Ｄに概略的に示される。この実施形態では、繊維５３０は、らせんを形成するためにそれ自体の周りに巻かれた２層のシート５３２のように形成される。２層のシートは、複屈折性である第１のポリマー材料及び等方性又は複屈折性であり得る第２の材料を含有する。複屈折性ポリマー材料は、繊維が形成される前又は後に配向されてよい。隣接する層の間の境界面５３４は、複屈折性材料と別の材料との間の境界面であり、よって複屈折境界面であると考えられる。らせん状に巻かれた繊維は、ここでは同心多層繊維であると考えられる。らせん状に巻かれた繊維は、いくつかの異なる方法で製造され得る。例えば、らせん状に巻かれた繊維は、２層以上含有するシートを押出成形する又は圧延する（rolling）ことにより形成されてよい。これらの方法は、米国特許出願第１１／２７８，３４８号により詳細に論じられている。
【００５６】
別のタイプの多層繊維は、積層多層繊維であり、ここで層は積み重ね体を形成される。積層多層繊維５４０の１つの例示の実施形態の断面が、図５Ｅに概略的に示される。この実施形態では、第１のポリマー材料の層５４２は、第２のポリマー材料の層５４４の間に配置される。繊維５４０は、任意の被覆層５４６を含んでよい。この実施形態では、層５４２、５４４は平面である。繊維層５４２、５４４は平面である必要はなく、いくつかの他の形状をとる場合がある。
【００５７】
いくつかの実施形態では、多層繊維中の層は全て同じ厚さを有してよい。他の実施形態では、多層繊維中の層は全てが同じ厚さではない。例えば、偏光子が約４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光線範囲全体に渡って光の偏光に有効であることが望ましい場合がある。それ故、偏光子は、異なる繊維を備えられていてよく、ここで各繊維は均一な厚さの層を有するが、いくつかの繊維は他より厚い層を有し、その結果異なる繊維は他よりむしろ一部の波長の偏光により有効である。広い帯域幅に有効性をもたらすための別の方法は、厚さが範囲とともに変化する層を有する繊維を提供することである。例えば、多層繊維は、多くの層を備えられていてよく、ここで層厚さは繊維内の位置によって変化する。そのような繊維５５０の１つの例示の実施形態が、図５Ｆに断面図で概略的に示される。この実施形態では、層厚さｔは、繊維の底部からの距離ｓとともに減少する。したがって、層５５４より繊維５５０の底側から離れている層５５２は、層５５４より薄い。
【００５８】
異なる厚さの層を有する繊維５６０の別の例示の実施形態が、図５Ｇに断面図で概略的に示される。この実施形態では、繊維５６０の中心に近い層５６２は、中心からより離れた層５４４の厚さより厚い厚さｔを有する。換言すれば、この特定の実施形態では、層厚さｔは層の半径ｒとともに減少する。
【００５９】
多層繊維５７０の別の実施形態の断面図が、図５Ｈに概略的に示される。この実施形態では、繊維５７０のコア５７６により近い層５７２は、繊維５７０の中心からより離れた層５７４の厚さより薄い厚さｔを有する。換言すれば、この特定の実施形態では、層厚さｔは層の半径ｒとともに増加する。
【００６０】
繊維の層厚さは、様々な方法で変化させ得る。例えば、層厚さは、一定の勾配で、繊維の内から外へ次第に増加又は減少する場合がある。他の実施形態では、繊維は、例えば第１群の層は第１の厚さを有し、第２群の層は第１の厚さとは異なる第２の厚さを有するなどの、繊維群を備えられていてよい。多くの異なる層厚さ特性について、ここで図６Ａ〜６Ｈを参照して記載する。これらの図は、光学的厚さｏｔの関数として、繊維の起点からの距離ｄの関数としての例示の層厚さ特性を示す。繊維の起点は、そこから層への距離が測定される位置である。積層多層繊維の場合、起点は、距離ｄが単純に積み重ね体を通した距離であるように、積み重ね体の片側とされる。同心繊維の場合、起点は繊維の中心とされる。同心繊維の断面が円形であるとき、距離ｄは半径に等しい。層の物理的厚さと屈折率との積である光学的厚さは、多層繊維がある偏光状態の反射効率を最大化するために４分の１波長の層を備えられている場合があるため、これらの異なる実施形態のいくつかを説明するのに有用である。したがって、層の光学的厚さは、繊維の反射特性を理解するのに有用なパラメーターである。ここに示された層厚さ特性は、繊維全体又は繊維のいくつかの層特性を表す場合がある。
【００６１】
図６Ａ及び６Ｂでは、層の光学的厚さはそれぞれ、繊維の起点からの距離とともに直線的に増加及び減少する。図６Ｃ及び６Ｄでは、層の光学的厚さはそれぞれ、繊維の起点からの距離とともに非直線的に増加及び減少する。形状の非直線性は、繊維の所望の設計パラメーターによって、示されたものとは異なってよい。
【００６２】
図６Ｅでは、層の光学的厚さは、繊維の起点と繊維縁部との間の中間領域のどこかで最小になる。したがって、この実施形態では、例えば繊維の起点からの第１の距離に関連する第１のポリマー材料の層は、ｉ）第１の距離より小さな繊維の起点からの第２の距離を有する第１のポリマー材料の第２の層の光学的厚さより小さな光学的厚さを有し、ｉｉ）第１の距離より大きな繊維の起点からの第３の距離を有する第１のポリマー材料の第３の層の光学的厚さより小さな光学的厚さを有する。
【００６３】
図６Ｆでは、層の光学的厚さは、繊維の起点と繊維縁部との間の中間領域のどこかで最大になる。したがって、この実施形態では、繊維の起点からの第１の距離に関連する第１のポリマー材料の層は、ｉ）第１の距離より小さな繊維の起点からの第２の距離を有する第１のポリマー材料の第２の層の光学的厚さより大きな光学的厚さを有し、ｉｉ）第１の距離より大きな繊維の起点からの第３の距離を有する第１のポリマー材料の第３の層の光学的厚さより大きな光学的厚さを有する。
【００６４】
いくつかの実施形態では、層はパケット（packet）内に形成されてよく、ここで同じ光学的厚さの多数の層は一緒にグループ化される。異なるパケットは、異なる光学的厚さに関連する場合がある。多数の層パケットを有する繊維の例が図６Ｇの特性に示され、ここでパケットは、パケット位置が繊維の起点から外側に移動するにつれて増加する光学的厚さの層に関連する。別の例が図６Ｈに示され、ここでは、繊維の起点から分離されたパケット増加に対して、パケットは交互に、より大きな光学的厚さの層とより小さな光学的厚さの層に関連する。本明細書で記載された様々な層厚さ特性は代表的なものであり、網羅的であるとは考えられない。多くの他の異なる層厚さ特性が可能である。
【００６５】
多層偏光繊維の縁部における光の入射について、偏光子フィルム７００のマトリックス７０２に埋め込まれた単一同心多層偏光繊維７０４を概略的に示す図７Ａを参照して論じられる。本議論では、偏光子７００に垂直入射する光のみについて考える。本明細書で論じられる概念は他の角度で偏光子に入射する光に拡大され得ることが理解されよう。光線７０６は、繊維７０４の層に垂直入射するように、繊維７０４の中心に向けられる。したがって、１つの偏光状態にある光７０８は、第１の反射スペクトルで繊維７０４から反射され、残りの光は透過された偏光状態にある。しかしながら、光線７１０、繊維７０４の層への入射角が垂直ではない繊維７０４への入射は、反射光７０８の第１の反射スペクトルとは異なるスペクトルで繊維７０４から反射する光７１２を生じさせる。多層構造の反射スペクトルは、典型的には、多層構造の入射角が増加するとき、青色に偏移する。したがって、反射した光７１２のスペクトルは、反射光７０８のスペクトルに対して偏移した青色である。これは、偏光子により透過及び反射された光のスペクトルに不均一性をもたらす場合がある。例えば、多層繊維が４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視領域に渡って反射する層を有する場合、例えば垂直入射光などの、高角度で入射する赤色光は、反射スペクトルの青色偏移のために、青色光より小さな角度に影響される場合がある。
【００６６】
種々の方法が用いられて、青色偏移の影響を低下させてよい。例えば、１つの方法では、多層繊維は、偏光子に入射する光の範囲より長い波長を有する光の４分の１波長の層を備えられていてよい。偏光子が表示システムで用いられる場合、関心のある光の波長範囲は典型的には約４００ｎｍ〜７００ｎｍである。したがって、多層繊維７０４は、例えば９００ｎｍ以下又はそれを超える近赤外線範囲の波長で、７００ｎｍより長い波長の４分の１波長の層である層を備えられていてよい。光が例えば２００ｎｍ未満スペクトルを偏移させる角度で入射する場合、繊維は高入射角でさえ赤色光の偏光に依然として有効であり得る。
【００６７】
青色偏移の影響を低下させる別の方法は、繊維への入射角を減少させることである。これは、例えば、マトリックス７２２の屈折率ｎ１を、図７Ｂの偏光子７２０で概略的に示されたように、異なる繊維層７２４の材料の屈折率より低い値に減少させることにより実現され得る。マトリックス７２２の比較的屈折率の低い材料から、繊維７２４の比較的屈折率の高い材料へ通過するとき、入射光２６は繊維層に対して垂直に屈折され、よって繊維の多層構造内で光が伝播する角度が減少される。光線７２８は、繊維７２４を透過した光の方向を示し、光線７３０は繊維７２４により反射された光を示す。マトリックス７２２で用いられ得る低屈折率ポリマーの例としては、ＰＭＭＡ（屈折率約１．４９）、ＴＨＶ、３Ｍ社（ミネソタ州セントポール）から入手可能なフッ素化ポリマー（屈折率約１．３４）、低分子量二官能性ウレタンアクリレート（典型的には、屈折率約１．４７〜１．５）、及び約１．４１の屈折率を有し得るいくつかのシリコーンが挙げられる。
【００６８】
青色偏移の影響を低下させる別の方法は、低屈折率の被膜を有する繊維を提供することである。この方法は図８に概略的に示され、ここではマトリックス８０２内に埋め込まれた多層繊維８０４を有する偏光子８００を示す。各繊維８０４は、マトリックス８０２及び繊維８０４で用いられている材料の屈折率より小さな、比較的低い屈折率を有する被膜８０６を備えられている。被膜８０６は、前の章に列挙された低屈折率材料のうち１つから形成されてよい。この実施形態では、光８０８は、繊維８０４の縁部領域に伝播するような方向で、偏光子８００に入射する。低屈折率の被膜８０６のない場合、光８０８は非垂直な入射角で縁部に近い繊維８０４と交差する。しかしながら、光８０８は低屈折率の被膜８０６とマトリックス８０２との間の境界面に入射する。ｉ）マトリックス８０２と被膜８０６との間の屈折率の差、及びｉｉ）入射角が十分に大きい場合、光８０８は完全に内部で反射されることがある。図示された実施形態では、完全に内部で反射された光は、隣接する繊維８０４に向けられ、ここで光は２度目に完全に内部で反射される。全ての内部反射の角度及び他の繊維の位置に応じて、完全に内部で反射された光が、他の繊維で反射される場合がある、又は他の繊維を透過される場合がある。
【００６９】
青色偏移の影響を低下させる別の方法は、層厚さの勾配に対して適切な方向を設定することである。この方法について、図９〜１１を参照して更に記載される。全波数値モデルが開発され、同心多層偏光繊維により光の散乱（反射）を調査した。モデルが、図９に示される。繊維９００は、１０μｍのコアを有すると仮定され、別の材料の５０個の４分の１波長の層と織り合わされた、１つの材料の５０個の４分の１波長の層で形成された。波長の４分の１波長の層として直線的に並べられた材料層の光学的厚さは、５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲である。光は、図示された方向に入射し、反射率及び透過率に対する散乱断面積が、３００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲に渡って、繊維の幅全体について算出された。散乱断面積は、両方の偏光状態、通過偏光（pass polarization）及び遮蔽偏光（block polarization）状態の光について算出された。図１０Ａ及び１０Ｂは、コアに近いより厚い層と繊維の外側に近いより薄い層とに配置された層を有する繊維について算出された結果を示す。曲線１００２は、通過状態の繊維で偏光された光の透過率を表す。繊維の透過率は、全体のスペクトルに渡って比較的に均一である。曲線１００４は、遮蔽状態の繊維で偏光された光の、繊維の透過率を表す。曲線は、繊維の透過率が約４００ｎｍ未満及び約６５０ｎｍ超の波長で比較的高く、約４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長で著しく減少することを示す。この挙動は、多層積み重ね体が５００〜６００ｎｍの波長の４分の１波長の積み重ね体であり、繊維の有効性がこの範囲外では比較的乏しいことから、予測されたものである。
【００７０】
図１０Ｂの曲線１０１２は、繊維の通過状態で偏光された光の反射を表す。反射は、図１０Ａに示された所与の高い透過率が予測されたように、スペクトル全体に渡って低い。曲線１０１４は、繊維の遮蔽状態で偏光された光に対する、繊維による反射を示す。曲線は実質的に曲線１００４と補完的である。これらのグラフから分かるように、層厚さが５００ｎｍ〜６００ｎｍで４分の１波長から均一に変化したとしても、反射率は５００ｎｍをわずかに下回る波長でピークに達し、反射率は５００ｎｍ〜６００ｎｍで単調減少する。これは、非垂直角で繊維に入射する光の反射率スペクトルの青色偏移の結果である。
【００７１】
繊維の挙動は、層厚さの勾配が逆であるとき、より薄い層が繊維コアに近いとき、及びより厚い層が繊維の外側に近いとき異なる。図１１Ａの曲線１１０２は、繊維の通過状態で偏光された光の透過率を示し、一方曲線１１０４は繊維の遮蔽状態で偏光された光に対する繊維の透過率を表す。図１１Ｂの曲線１１１２は、繊維の通過状態で偏光された光の反射を表す。曲線１１１４は、繊維の遮蔽状態で偏光された光に対する繊維による反射を表す。曲線１１１４は、実質的に曲線１１０４と補完的である。繊維コアに向かってより薄い層を有する繊維の反射率は、５００〜６００ｎｍの範囲に渡って有意に均一であり、繊維コアに向かって層がより厚くなるとき、偏光子の偏光特性が改善される。この改善は、入射角の反射スペクトルに対するより適切な整合から生じると考えられる。繊維縁部の層は、反射帯域の目的とする設計波長（intended design wavelength）についてより適切に集中した高角度反射スペクトルを有し、一方繊維コアの層は、目的とする設計波長について同様により適切に集合した垂直反射スペクトルを有する。
【００７２】
繊維に垂直に偏光された前方散乱光の、繊維に平行に偏光された前方散乱光に対する比は、透過率偏光関数（Transmission Polarization Function）（ＴＰＦ）と呼ばれる。繊維に平行に偏光された後方散乱光の、繊維に垂直に偏光された後方散乱光に対する比は、反射偏光関数（Reflection Polarization Function）（ＲＰＦ）と呼ばれる。図１２Ａは、繊維層の厚さが半径の増加とともに減少する場合の、波長の関数としてのＴＰＦ（曲線１２０２）とＲＰＦ（曲線１２０４）の値を示す。図１２Ｂは、繊維層の厚さが半径の増加とともに増加する場合の、波長の関数としてのＴＰＦ（曲線１２１２）とＲＰＦ（曲線１２１４）の値を示す。ＲＰＦ曲線１２０２は、５００ｎｍ〜６００ｎｍで図１０Ｂの反射スペクトルと同じ傾斜挙動（sloped behavior）を示し、一方ＲＰＦ曲線１２１２は同じ範囲に渡って図１１Ｂの反射スペクトルと同じ実質的に均一な挙動を示す。したがって、段階層（graded layer）の厚さを有する多層繊維の偏光特性は、層厚さが半径とともに増加するとき、より均一である。
【００７３】
偏光子の特性における青色偏移の影響を低下させる別の方法は、入射光への断面積が小さな繊維を使用することであり、そこで繊維は高入射角であり、繊維が低入射角である場合より大きな断面積を示す。これを実現する方法の１つは、例えば図５Ｂ及び５Ｃに示されたような、他の方向に比べて１方向に細長い断面を有する繊維を使用することである。そのような偏光子１３００の例が、図１３に概略的に示される。繊維１３０４は、マトリックス１３０２内に埋め込まれている。繊維１３０４は、偏光子１３００の表面に平行な方向に細長い。この構成は、例えば円形断面を有する繊維より、低い入射角での入射光に対してより大きな繊維断面積を示す。
【実施例】
【００７４】
実施例−単一繊維
以下のプロセスを使用して、多層同心偏光繊維を作製した。それぞれ厚さ１２５μｍ（０．００５”）である９５２個のシム（shim）からなるダイを用いることにより、Ｘポリマー及びＹポリマーの多層交互同心環からなる長繊維を製造した。２つのシムを用いて環を作製するため、この９５２個のシムダイを４７６個の環からなる長繊維を製造するよう設計した。これらの環の半分をＸポリマーから、もう半分をＹポリマーから作製した。このダイは２つの入口ポートを有し、一方は溶融Ｘポリマー用、もう一方は溶融Ｙポリマー用であった。
【００７５】
ＸポリマーはＬＭＰＥＮ、すなわち３Ｍ社から入手可能な９０％ＰＥＮ／１０％ＰＥＴから作製されたコポリマーであった。Ｙポリマーは、以下の実質的に等方性である材料のうち１つであった。
【００７６】
ｉ）イーストマン・ケミカル社（Eastman Chemical Company）（テネシー州キングスポート（Kingspor）製イースター（Eastar）６７６３ ＰＥＴＧ
ｉｉ）イーストマン・ケミカル社製ＳＡ１１５ ＰＣ／ＰＣＴ−Ｇブレンド
ｉｉｉ）Ｇ．Ｅ．プラスチックス（G.E. Plastics）（マサチューセッツ州ピッツフィールド（Pittsfield）製キレックス（Xylex）７２００ ＰＣ／ＰＣＣＴ−Ｇブレンド
ｉｖ）ノバ・ケミカルズ社（Nova Chemicals Corporation）（カナダ、アルバータ州カルガリー）製ＮＡＳ ３０ ＰＳ／ＰＭＭＡブレンド
形成される層の数を、ダイのシムの数を変化させること並びに流速及び温度のようなプロセス条件を変化させることにより制御することができる。積み重ね体中のシムの設計を変化させて、繊維環の厚さ特性を調節することができる。紡糸口金パック中のシムをレーザー切断を使用して形成した。特定の形成及び延伸プロセス後、広域帯可視ブラッグ干渉反射（broadband visible Bragg interference reflection）が生じる層厚さ勾配及び層厚さ比を提供するために、繊維ダイを特別に設計した。
【００７７】
２つのポリマーの固化ペレットを２つの２軸押出機のうち１つに別々に送った。これらの押出機を、２６０℃〜３００℃の範囲の温度及び４０〜７０ｒｐｍの範囲の送り速度で操作した。典型的な押出成形圧は、約２．１×１０６Ｐａ〜約２．１×１０７Ｐａの範囲であった。各押出機は、正確な量の溶融ポリマーを長繊維スピニングダイに供給する計量ギアポンプ（metering gear pump）を備えていた。各計量ギアポンプの寸法は０．１６ｃｃ／ｒｅｖであり、これらのギアポンプを一般に１０〜８０ｒｐｍの範囲の同一速度で操作した。溶融ポリマーを、加熱したステンレススチールネックチューブを使用して計量ポンプからダイに移動させた。
【００７８】
溶融ポリマー流はダイに入り、シムを通じて流れた。第１のシム対が長繊維のコアを作製し、第２のシム対がコアの周囲の第１の環を形成し、第３のシム対が第１の環の外側に第２の環を形成するなど、４７６個の環を形成するまで続く。次いで、この溶融多環長繊維をダイから出させて、水のタンク中で急冷した。プルロール（pull roll）を用いて長繊維を水に引き込んだ。長繊維をプルロールから出させて、均等巻機を使用してコアに巻き付けた。計量ポンプ速度と巻き付け速度との組み合わせで長繊維の直径を制御する。このプロセスの典型的な速度は、約０．５ｍｓ−１〜４ｍｓ−１の範囲であった。
【００７９】
押出成形後、多層繊維を延伸し、配向して、複屈折性及び反射偏光特性を生じさせ、層厚さを適切な寸法に減少させる（およそ可視光線の４分の１波長光学的厚さ）。
【００８０】
この工程では、長繊維の巻きを解いて、プルロール所（station）、次いで加熱された片持ち圧盤、別のプルロール所、最終的に巻き取り機に送った。圧盤温度は一般に１２０℃〜１８２℃の範囲であった。第２のプルロール所は一般に、約６〜８回第１のプルロール所の速度で稼働し、それを圧盤上で加熱するにつれて長繊維が延伸した。第１のプルロール所の典型的な速度は約０．２ｍｓ−１であり、一方第２のプルロール所は１．２ｍｓ−１〜１．６ｍｓ−１の範囲であった。巻き取り機は第２のプルロール所と同じ速度で稼働した。
【００８１】
記載したばかりの技術を使用して製造した繊維の部分断面図を図１４に示す。繊維は、広帯域偏光可干渉性反射を生じる所望の層厚さ特性及び勾配を有する約４００層の交互に重なる材料を有していた。この繊維はポリマーＹとしてキレックスを用いた。非常に良好な狭範囲秩序（short-range order）及び均一性は、可干渉性反射の実現において重要であり、これは繊維材料で光の相互作用長を低減し、光吸収の機会を最小限に抑え、それにより効率を最大化する。
【００８２】
単一引き出し繊維（single drawn fibe）の偏光選択性を測定するための技術を開発した。繊維に平行に偏光された光及び繊維に垂直に偏光された光について、レーザーからの前方及び後方散乱光（光軸から７度錐未満）を測定した。多層偏光繊維のＴＰＦ及びＲＰＦの値を、それぞれ５４３．５ｎｍで２．３及び５．６であると測定した。等方性繊維のＲＰＦ及びＴＰＦは１〜２である。これは、単一繊維からの偏光選択性反射及び散乱を明白に示す。
【００８３】
実施例−裸繊維（Naked Fiber）配列
上記方法を使用して作製した裸繊維の配列を、広波長帯域に渡って分析し、引き出し繊維の光学特性を特徴付けた。空気中に吊るされた繊維配列を、実質的に全ての透過又は反射光を捕捉するために積分球（integrating sphere）を用いて、パーキンエルマー（PerkinElmer）ＵＶ−ビス分光計で広帯域偏光透過及び反射について分析した。一連の繊維から得た結果を図１５及び１６に示す。これらの図は、引き出し繊維の偏光選択性反射を示すだけでなく、繊維の層厚さを変化させることにより遮蔽状態偏光の反射帯域を偏移させる能力をも示す。増加する繊維層厚さと増加する反射波長との間の一致（通過軸偏光の比較的不変である反射と組み合わせた）は、多層繊維構造からの可干渉性干渉に基づく反射を明示する。
【００８４】
更に、これらの結果は、反射偏光子を作製するために、未封入の状態でさえ繊維を使用することができることを示す。したがって、繊維の配列又は布地は、封入樹脂マトリックスを用いることなく反射偏光物品を作製し得る。これらの繊維布又は配列は、場合によっては、繊維表面でブルースター角（Brewster’s angle）効果のために通過状態で高透過である、通過状態偏光における光をいくらか拡散させるという点においていくつかの利点を有し得る。繊維を封入しているかどうかにかかわらず、バスケット、絡み織り、綾織などのような種々の織物において横断方向に等方性繊維織布と組み合わせることができる。
【００８５】
全ての繊維に対して非常に類似したプロセス条件を用いるが、繊維層厚さを変化させるために押出成形工程中巻き取り速度を変化させて、ＬＭＰＥＮ及びＰＥＴＧ材料から引き出した繊維の配列に対する、図１５は反射を示し、一方図１６は透過を示す。各繊維は、均一な光学的厚さの多重の層を有していた。より厚い繊維は、より厚い層を有し、より長い波長への反射及び透過帯域の偏移に対応し、可干渉性干渉に基づく反射並びに偏光選択性を明らかに示す。通過状態のスペクトルは、全て実質的に不変であり、グラフから省略した。
【００８６】
本発明は、上に記載した特定の実施例に限られるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲で明確に提示されているとおり、本発明のあらゆる態様を網羅していると理解されるべきである。種々の変更例、同等のプロセス、並びに本発明を適用することができる多数の構造は、本明細書を検討すれば、本発明に関連する当業者には容易にはっきりと理解されるであろう。特許請求の範囲は、そのような修正及び装置を網羅することを意図されるものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学表示システム、より具体的には、横方向から照らされる複屈折性ポリマー繊維を含む光学素子を包含する光学表示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非偏光光を偏光するためのいくつかの異なる種類の偏光フィルムが入手可能である。吸収（二色性）偏光子は、含有相として、ポリマーマトリックス内に整列された偏光依存吸収種、多くの場合ヨード含有鎖を有する。そのようなフィルムは、吸収種に平行に整列される電界ベクターで偏光された光を吸収し、吸収種に垂直に偏光された光を透過する。別のタイプの偏光フィルムは、反射偏光子であり、これはある状態の光を透過し、他の状態の光を反射することにより、異なる偏光状態の光を分離する。１つのタイプの反射偏光子は、多層光学フィルム（ＭＯＦ）であり、これは交互に重なるポリマー材料の多くの層の積み重ね体で形成される。１つの材料は、光学的等方性であるが、一方他は、その屈折率の１つが等方性材料の屈折率に整合する複屈折性である。１つの偏光状態の光入射は、整合する屈折率を受け、偏光子を通して実質的に正反射して透過される。しかしながら、他の偏光状態の光入射は、異なる層の間の境界面で多重の可干渉性（coherent）又は非干渉性（incoherent）反射を受け、偏光子により反射される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
別のタイプの反射偏光フィルムは、連続相マトリックス内に分散した含有物（inclusion）から構成される。含有物は、フィルムの幅及び高さに対して小さい。これらの含有物の特徴を操作し、フィルムに種々の反射及び透過特性を提供することができる。含有物は、連続相マトリックス内の分散ポリマー相を構成する。含有物の寸法及び配列は、フィルムを延伸することにより変更することができる。連続相又は分散相のいずれかは、複屈折性材料の屈折率の１つが他の相の屈折率に整合する複屈折性であり、これは光学的等方性である。延伸の程度に加えて、連続相及び分散相用の材料の選択は、分散相と連続相との間の複屈折率の不整合の程度に影響を与える可能性がある。他の特性を調節し、光学性能を向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの特定の実施形態は、少なくとも第１及び第２のポリマー材料の層を含む第１の多層繊維を含む光学体を目的とする。第１のポリマー材料の層は、第２のポリマー材料の層の間に配置される。第１及び第２のポリマー材料の少なくとも１つは、複屈折性である。第３のポリマー材料は第１の多層繊維を取り囲み、第３のポリマー層は、第１及び第２のポリマー材料のいずれかの屈折率より低い屈折率を有する。
【０００５】
本発明の上記の概要は、本発明の各図示された実施形態又は全ての実施を説明しようと意図されるものではない。図及び以下の詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
添付の図面と関連して本発明の様々な実施形態の以下の「発明を実施するための形態」を検討することで、本発明はより完全に理解され得る。
【図１Ａ】偏光子フィルムの操作を概略的に示す図。
【図１Ｂ】偏光子フィルムの操作を概略的に示す図。
【図２】本発明の原理によるポリマー層の実施形態の切欠図を概略的に示す図。
【図３Ａ】本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図３Ｂ】本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図３Ｃ】本発明の原理による偏光子フィルムの実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図４】本発明のいくつかの実施形態で用い得る繊維織物を概略的に示す図。
【図５Ａ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｂ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｃ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｄ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｅ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｆ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｇ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図５Ｈ】本発明の原理による多層偏光繊維の別の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図６Ａ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｂ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｃ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｄ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｅ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｆ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｇ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図６Ｈ】多層偏光繊維の別の実施形態の例示の層厚さ特性を示すグラフ。
【図７Ａ】多層偏光繊維と入射光の相互作用を示す、偏光子の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図７Ｂ】多層偏光繊維と入射光の相互作用を示す、偏光子の実施形態の断面図を概略的に示す図。
【図８】本発明の原理による多層偏光繊維を取り囲む低屈折率の被膜を有する偏光子の断面図を概略的に示す図。
【図９】多層偏光繊維の挙動を分析するために用いられるモデルのパラメーターを概略的に示す図。
【図１０Ａ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１０Ｂ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１１Ａ】半径の増加とともに層厚さも増加する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１１Ｂ】半径の増加とともに層厚さも増加する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維からの透過及び反射を示すグラフ。
【図１２Ａ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維の偏光特性を示すグラフ。
【図１２Ｂ】半径の増加とともに層厚さが減少する層厚さ勾配を有する多層偏光繊維の偏光特性を示すグラフ。
【図１３】繊維が偏光子の表面に平行なより長い寸法を有する非円形対称横断面を有する繊維偏光子の断面図を概略的に示す図。
【図１４】多層偏光繊維の部分断面図の写真。
【図１５】異なる層厚さの多層偏光繊維について測定された反射及び透過のそれぞれのグラフ。
【図１６】異なる層厚さの多層偏光繊維について測定された反射及び透過のそれぞれのグラフ。
【０００７】
本発明は様々な変更例及び代替形態に柔軟に従うことができるが、それらの細目は図面で例を用いてこれまでに示され、また詳細に記述されるであろう。しかしながら、その意図は、記述された特定の実施形態に本発明を限定することではないことを理解するべきである。反対に、その意図は、添付された特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変更例、同等の方法、及び代替方法を網羅しようとするものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、光学システムに適用可能であり、より具体的には偏光された光学システムに適用可能である。新しいタイプの反射偏光フィルムは、繊維偏光フィルムであり、これは内部複屈折境界面、すなわち複屈折性材料と別の材料との間に境界面を有する多重繊維を包含するマトリックス層である。繊維偏光子フィルム内の繊維のパラメーターは、偏光特性が改善されるように選択されることが重要である。
【０００９】
本明細書で使用するとき、用語「正反射」及び「正反射率」とは、反射角が実質的に入射角と等しく、角度が本体表面の法線に対して測定される本体からの光線の反射率を指す。換言すれば、光が特定の角度分布で本体上に入射するとき、反射光は実質的に同じ角度分布を有する。用語「拡散反射」又は「拡散反射率」とは、一部の反射光の角度が入射角と等しくない光線の反射を指す。したがって、光が特定の角度分布で本体上に入射するとき、反射光の角度分布は入射光とは異なる。用語「全反射率」又は「全反射」とは、全ての光、すなわち正反射光及び拡散光の組み合わされた反射率を指す。
【００１０】
同様に、用語「正透過」及び「正透過性」とは、本明細書で使用されるとき、スネルの法則（Snell’s law）による任意の変化に応じて調節された透過光の角度分布が実質的に入射光と同じである、本体を通過する光透過率を指す。用語「拡散透過」及び「拡散透過性」を用いて、光透過率が入射光の角度分布と異なる角度分布を有する、本体を通過する透過光を説明する。用語「全透過」又は「全透過性」とは、全ての光、すなわち正反射光及び拡散光の組み合わされた透過率を指す。
【００１１】
反射偏光子フィルム１００が、図１Ａ及び１Ｂに概略的に示される。本明細書で採用した従来法では、フィルムの厚さ方向をｚ軸とし、ｘ−ｙ平面はフィルムの平面に対して平行である。非偏光光１０２が偏光子フィルム１００に入射するとき、偏光子フィルム１００の透過軸に平行に偏光された光１０４は、実質的に透過されるが、偏光子フィルム１００の反射軸に平行に偏光された光１０６は、実質的に反射される。反射光の角度分布を、偏光子１００の様々な特性に応じて決定する。例えば、いくつかの例示の実施形態では、図１Ａに概略的に示されたように、光１０６は拡散して反射される場合がある。他の実施形態では、反射光は、正反射性及び拡散性成分の両方を含んでよく、一方いくつかの実施形態では、反射は実質的に全て正反射性であってよい。図１Ａに示された実施形態では、偏光子の透過軸はｘ軸に平行であり、偏光子１００の反射軸はｙ軸に平行である。他の実施形態では、これらは逆であってもよい。透過光１０４は、例えば図１Ａに概略的に示されたように正反射して透過されてよく、例えば図１Ｂに概略的に示されたように拡散して反射されてもよく、又は正反射性及び拡散性成分の組み合わせで透過されてもよい。偏光子は、透過光の半分以上が拡散して透過されるとき、実質的に拡散して光を透過させ、透過光の半分以上が正反射して透過されるとき、実質的に正反射して光を透過させる。
【００１２】
本発明の例示の実施形態による反射偏光子本体の切欠図が図２に概略的に示される。本体２００は、連続相とも呼ばれるポリマーマトリックス２０２を含む。ポリマーマトリックスは、所望により光学的等方性であってよく、又は光学的複屈折性であってもよい。例えば、ポリマーマトリックスは、単軸又は双軸的に複屈折性であってよく、これはポリマーの屈折率が１方向に沿って異なってよく、２つの直交する方向で同様（単軸）であってもよい又は３つの直交する方向全てで異なってもよい（双軸）ことを意味する。
【００１３】
偏光繊維２０４は、マトリックス２０２内に配置される。偏光繊維２０４は、少なくとも２つのポリマー材料を含み、そのうち少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの例示の実施形態では、材料の１つは複屈折性であるが、他の材料は等方性である。他の実施形態では、繊維を形成する材料の２つ以上が複屈折性である。いくつかの実施形態では、等方性材料で形成された繊維もまた、マトリックス２０２内に存在してよい。
【００１４】
第１の繊維材料のｘ、ｙ及びｚ方向の屈折率は、ｎ１ｘ、ｎ１ｙ及びｎ１ｚと呼ばれることがあり、第２の繊維材料のｘ、ｙ及びｚ方向の屈折率は、ｎ２ｘ、ｎ２ｙ及びｎ２ｚと呼ばれることがある。材料が等方性である場合、ｘ、ｙ及びｚ屈折率は、全て実質的に整合されている。第１の繊維材料が複屈折性である場合、ｘ、ｙ及びｚ屈折率の少なくとも１つは他とは異なる。
【００１５】
各繊維２０４内には、第１の繊維材料と第２の繊維材料との間に形成される多重の境界面が存在する。例えば、２つの材料が境界面におけるｘ及びｙ屈折率を示し、ｎ１ｘ≠ｎ１ｙである、すなわち、第１の材料が複屈折性である場合、境界面は複屈折性である。偏光繊維の異なる例示の実施形態については、以下で論じられる。
【００１６】
繊維２０４は、図中にｘ軸として示されたように、概して軸に平行に配置される。ｘ軸に平行に偏光された光についての繊維２０４内の複屈折境界面における屈折率の差ｎ１ｘ−ｎ２ｘは、ｙ軸に平行に偏光された光についての屈折率の差ｎ１ｙ−ｎ２ｙとは異なる場合がある。境界面は、境界面における屈折率の差が方向により異なるとき、複屈折性であると言われる。したがって、複屈折境界面の場合、Δｎｘ≠Δｎｙであり、この場合Δｎｘ＝｜ｎ１ｘ−ｎ２ｘ｜及びΔｎｙ＝｜ｎ１ｙ−ｎ２ｙ｜である。
【００１７】
１つの偏光状態では、繊維２０４の複屈折境界面における屈折率の差は、比較的小さい場合がある。いくつかの例示の事例では、屈折率の差は０．０５未満であってよい。この条件は、実質的に屈折率が整合していると考えられる。この屈折率の差は、０．０３未満、０．０２未満又は０．０１未満であってよい。この偏光方向がｘ軸に平行である場合、ｘ偏光光はわずかに反射し、又は全く反射せず、本体２００を通過する。換言すれば、ｘ偏光光は本体２００をほとんど透過する。
【００１８】
繊維内の複屈折境界面における屈折率の差は、直交する偏光状態の光に対して比較的大きな場合がある。いくつかの例示の例では、屈折率の差は、少なくとも０．０５であってよく、例えば０．１若しくは０．１５のようにそれより大きくてもよく、又は０．２であってもよい。この偏光方向がｙ軸に平行である場合、ｙ偏光光は複屈折境界面において反射される。したがって、ｙ偏光光は本体２００により反射される。繊維２０４内の複屈折境界面が実質的に互いに平行である場合、反射は実質的に正反射性であってよい。他方、繊維２０４内の複屈折境界面が実質的に互いに平行ではない場合、反射は実質的に拡散性であってよい。複屈折境界面のいくつかは平行であってよく、他の境界面は非平行であってもよく、これは正反射性及び拡散性成分の両方を包含する反射光を導く場合がある。また、複屈折境界面は湾曲していてよく、又は比較的小さくてもよく、換言すれば、入射光の波長の桁内で、これは拡散性散乱を導く場合がある。
【００１９】
ここで記載されたばかりの例示の実施形態は、ｙ方向に比較的大きな屈折率の差を有する、ｘ方向の屈折率の整合を目的とし、他の例示の実施形態は、ｘ方向に比較的大きな屈折率の差を有する、ｙ方向の屈折率の整合を含む。
【００２０】
ポリマーマトリックス２０２は、例えば約０．０５未満、好ましくは０．０１未満の複屈折性ｎ３ｘ−ｎ３ｙを有する、実質的に光学的等方性であってよく、ここでｘ及びｙ方向のマトリックス内の屈折率はそれぞれｎ３ｘ及びｎ３ｙである。他の実施形態では、ポリマーマトリックス２０２は複屈折性であってよい。したがって、いくつかの実施形態では、ポリマーマトリックスと繊維材料との間の屈折率の差は、方向により異なる場合がある。例えば、ｘ屈折率の差ｎ１ｘ−ｎ３ｘは、ｙ屈折率の差ｎ１ｙ−ｎ３ｙとは異なってよい。いくつかの実施形態では、これらの屈折率の差のうち１つが、他の屈折率の差の少なくとも２倍であってよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、屈折率の差、複屈折境界面の程度及び形状、並びに複屈折境界面の相対位置により、他の偏光を超える、入射偏光のうち１つの拡散的散乱が生じる場合がある。そのような散乱は、主に後方散乱（拡散反射）、前方散乱（拡散透過）又は後方及び前方散乱の組み合わせであってよい。
【００２２】
ポリマーマトリックス及び／又は繊維で用いるのに好適な材料としては、所望の範囲の光波長の間で透明である熱可塑性及び熱硬化性ポリマーが挙げられる。いくつかの実施形態では、非水溶性であるポリマーが特に有用である場合がある。更に、好適なポリマー材料は、非晶質又は半結晶性であってよく、ホモポリマー、コポリマー、又はこれらのブレンドを含んでもよい。ポリマー材料の例としては、ポリ（カーボネート）（ＰＣ）；シンジオタクチック及びアイソタクチックポリ（スチレン）（ＰＳ）；Ｃ１〜Ｃ８アルキルスチレン；ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）及びＰＭＭＡコポリマーを含む、アルキル、芳香族、及び脂肪族環含有（メタ）アクリレート；エトキシル化及びプロポキシル化（メタ）アクリレート；多官能性（メタ）アクリレート；アクリレート化エポキシ；エポキシ；及び他のエチレン性不飽和物質；環状オレフィン及び環状オレフィン性コポリマー；アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）；スチレンアクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）；エポキシ；ポリ（ビニルシクロヘキサン）；ＰＭＭＡ／ポリ（ビニルフロライド）ブレンド；ポリ（フェニレンオキシド）合金；スチレン系ブロックコポリマー；ポリイミド；ポリスルホン；ポリ（ビニルクロライド）；ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）；ポリウレタン；不飽和ポリエステル；低複屈折性ポリエチレンを含むポリ（エチレン）；ポリ（プロピレン）（ＰＰ）；ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）のようなポリ（アルカンテレフタレート）；ポリ（エチレンナフタレート）（ＰＥＮ）のようなポリ（アルカンナフタレート（alkane napthalates））；ポリアミド；アイオノマー；ビニルアセテート／ポリエチレンコポリマー；セルロースアセテート；セルロースアセテートブチレート；フルオロポリマー；ポリ（スチレン）−ポリ（エチレン）コポリマー；ポリオレフィン性ＰＥＴ及びＰＥＮを含むＰＥＴ及びＰＥＮコポリマー；並びにポリ（カーボネート）／脂肪族ＰＥＴブレンドが挙げられるが、これらに限定されない。用語（メタ）アクリレートは、対応するメタクリレート又はアクリレート化合物のいずれかであるとして定義される。シンジオタクチックＰＳを例外として、これらのポリマーは、光学的等方性の形態で使用されてもよい。
【００２３】
これらのポリマーのいくつかは、配向されたときに複屈折性になることがある。特に、ＰＥＴ、ＰＥＮ、及びこれらのコポリマー、並びに液晶ポリマーは、配向されたときに比較的大きな値の複屈折性を表す。ポリマーは、押出成形及び延伸を含む様々な方法を用いて配向されてよい。延伸は、それが高度な配向を可能にし、温度及び延伸比のような多くの容易に制御可能な外部パラメーターにより制御され得るため、ポリマーを配向するのに特に有用な方法である。配向された及び配向されていない、多くの例示のポリマーの屈折率が以下の表Ｉに示される。
【００２４】
【表１】
【００２５】
ＰＣＴＧ及びＰＥＴＧ（グリコール修飾ポリエチレンテレフタレート）は、例えば、イーストマン・ケミカル社（Eastman Chemical Co.）（テネシー州キングスポート（Kingsport）から商品名イーストマン（商標）として入手可能なコポリエステルのタイプである。ＴＨＶは、３Ｍ社（ミネソタ州セントポール（St. Paul））から商品名ダイネオン（Dyneon）（商標）として入手可能な、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデンのポリマーである。ＰＳ／ＰＭＭＡコポリマーは、コポリマー中の構成モノマーの比が変化することによりその屈折率が「同調」され、所望の値の屈折率を得ることがあるコポリマーの例である。「Ｓ．Ｒ．」と表示されている列は延伸比を包含する。延伸比１は、材料が延伸しておらず、かつ配向されていないことを意味する。延伸比６は、試料が元の長さの６倍に延伸されていたことを意味する。正確な温度条件下で延伸した場合、ポリマー分子は配向され、材料は複屈折性になる。しかしながら、分子を配向することなく材料を延伸することが可能である。「Ｔ」と表示された列は、試料が延伸した温度を示す。延伸した試料は、シート状に延伸した。ｎｘ、ｎｙ及びｎｚと表示された列は、材料の屈折率を指す。ｎｙ及びｎｚの値が表中に列挙されていない場合、ｎｙ及びｎｚの値はｎｘと同じである。
【００２６】
繊維の延伸下での屈折率の挙動も、同様の結果が得られると予想されるが、必ずしもシートを延伸するときと同じではない。ポリマー繊維は、所望の値の屈折率が生じる任意の所望の値に延伸されてよい。例えば、いくつかのポリマー繊維を延伸し、少なくとも３、恐らく少なくとも６の延伸比を生じさせ得る。いくつかの実施形態では、ポリマー繊維は、例えば２０以下、又はそれ以上の延伸比にさえ延伸される場合がある。
【００２７】
複屈折性を実現するために延伸に好適な温度は、ケルビン（Kelvin）で表されるポリマーの融点のおよそ８０％である。複屈折性はまた、押出成形及びフィルム形成プロセス中経験されるポリマー溶融物の流動により誘導される応力によっても誘導される場合もある。複屈折性はまた、フィルム物品中の繊維のような隣接する表面と整列することによって生じる場合もある。複屈折は、正又は負のいずれかであってよい。正の複屈折は、直線偏光光の電界軸の方向が、ポリマーの配向に対して平行である又は表面と整列するとき最も高い屈折率を受ける場合として定義される。負の複屈折は、直線偏光光の電界軸の方向が、ポリマーの配向に対して平行である又は表面と整列するとき最も低い屈折率を受ける場合として定義される。正の複屈折性ポリマーの例としては、ＰＥＮ及びＰＥＴが挙げられる。負の複屈折性ポリマーの例としては、シンジオタクチックポリスチレンが挙げられる。
【００２８】
マトリックス２０２及び／又はポリマー繊維２０４は、本体２００に所望の特性を提供するために種々の添加剤を備えられていてよい。例えば、添加剤は、耐候剤、紫外線吸収剤、ヒンダードアミン光安定剤、酸化防止剤、分散剤、潤滑剤、静電気防止剤、顔料又は染料、成核剤、難燃剤、及び発泡剤のうちの１つ以上を含んでよい。他の添加剤は、ポリマーの屈折率を変化させる又は材料の強度を増大させるために提供されてよい。そのような添加剤としては、例えば、ポリマービーズ若しくは粒子及びポリマーナノ粒子のような有機添加剤、又はガラス、セラミック若しくは金属酸化物ナノ粒子又は粉砕、粉末、ビーズ、フレーク若しくは粒子状ガラス、セラミック若しくはガラスセラミックのような無機添加剤を挙げてよい。これらの添加剤の表面は、ポリマーに結合するための結合剤を備えられていてよい。例えば、シランカップリング剤をガラス添加剤とともに用いて、ガラス添加剤をポリマーに結合させる場合がある。
【００２９】
いくつかの実施形態では、マトリックス２０２又は繊維２０４の成分は非可溶性、又は少なくとも溶媒抵抗性であることが好ましい場合がある。溶媒抵抗性である好適な材料の例としては、ポリプロピレン、ＰＥＴ及びＰＥＮが挙げられる。他の実施形態では、マトリックス２０２又はポリマー繊維２０４の成分は有機溶媒に可溶性であることが好ましい場合がある。例えば、マトリックス２０２又はポリスチレンで形成された繊維成分は、アセトンのような有機溶媒に可溶性である。他の実施形態では、マトリックスは水溶性であることが好ましい場合がある。例えば、マトリックス２０２又はポリビニルアセテートで形成された繊維成分は、水溶性である。
【００３０】
光学素子のいくつかの実施形態では、材料の屈折率は、ｘ方向の繊維の長さに沿って変化する場合がある。例えば、素子は均一に延伸されなくてよいが、一部の領域では他の領域より大きく延伸されてよい。したがって、配向可能な材料の配向の程度は、素子に沿って均一ではなく、そのため複屈折性は素子に沿って空間的に変化する場合がある。
【００３１】
更に、マトリックス内に繊維を組み込むと、光学素子の機械的特性を向上させる場合がある。具体的には、ポリエステルのようないくつかのポリマー材料は、フィルム形態より繊維形態の方が強く、よって繊維を含有する光学素子は繊維を含有しない同様の寸法のものより強いことがあり得る。繊維２０４は直線であってよいが、直線である必要はなく、例えば繊維２０４はねじれていてよく、らせん状でもよく、又は縮れていてもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態では、偏光子層に存在する繊維の一部又は全部は、ポリマー偏光繊維であってよい。他の実施形態では、偏光子はまた、等方性ポリマーのような等方性材料、又はガラス、セラミック若しくはガラスセラミックのような無機材料で形成され得る繊維も包含してよい。したがって、フィルム中に無機繊維を使用することは、米国特許出願第２００６／０２５７６７８号でより詳細に論じられている。無機繊維は、偏光子層に更に剛性を付与し、様々な湿度及び／又は温度条件下で湾曲及び形状変化に対する耐性を付与する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、無機繊維材料は、マトリックスの屈折率に整合する屈折率を有し、他の実施形態では、無機繊維はマトリックスの屈折率とは異なる屈折率を有する。Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス、ＢＫ７、ＳＫ１０などのような高品質ガラスを含む、任意の透明なタイプのガラスが用いられてよい。一部のセラミックはまた、適切に整合する屈折率を有するマトリックスポリマー中にそれらが埋め込まれた場合に透明に見えるように、十分に小さい結晶寸法をも有する。ミネソタ州セントポールの３Ｍ社から入手可能なネクステル（Nextel）（商標）セラミック繊維は、このタイプの材料の例であり、既に糸、織り糸、及び織布マットとして入手可能である。関心のあるガラスセラミックは、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、及びＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、及びＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２を含む組成を有するが、これらに限定されない。
【００３４】
偏光子層は、多くの様々な方法でマトリックス内に配置された偏光繊維を含んでよい。例えば、繊維は、マトリックスの断面積に対して不規則に位置される場合がある。他には、より規則的な、断面配置がまた使用されてもよい。例えば、図２に概略的に示された例示の実施形態では、繊維２０４は、マトリックス２０２内に一次元配列で配置され、隣接する繊維２０４の間に規則的な空隙部を有する。この実施形態のいくつかの変形では、隣接する繊維２０４間の空隙部は、全ての繊維２０４について同じである必要はない。図示された実施形態では、単一層の繊維２０４は、素子２００の２つの面２０６、２０８の間の中程に位置される。こうである必要はなく、繊維２０４の層は面２０６、２０８のいずれかに近く位置されてもよい。
【００３５】
別の例示の実施形態では、図３Ａに断面図で概略的に示されたように、偏光子フィルム３００は、マトリックス３０２内に位置される２層の繊維３０４ａ、３０４ｂを含む。この実施形態では、上層の繊維３０４ａは、下層の繊維３０４ｂと同じ中心間距離で互いに離間されている。また、上層中の繊維３０４ａは、下層の繊維３０４ｂと重なって（in registration）（ｙ方向に整列される）位置される。こうである必要はなく、中心間距離は異なっていてよく、及び／又は、ｙ方向の位置合わせが異なっていてもよい。例えば、図３Ｂに概略的に示された偏光子３１０の実施形態では、上層の繊維３１４ａの中心間距離は、下層の繊維３１４ｂと同じである。しかしながら、繊維３０４ａは、繊維３０４ｂからｙ方向に片寄っている。この実施形態で見込まれる利点の１つは、繊維３１４ａの上層が下層の繊維３１４ｂ間の空隙部を「埋める」ことができ、よって垂直に伝播している光線３１６が繊維３０４ａ又は３０４ｂと交差し、偏光させる機会が増加することである。
【００３６】
更なる繊維層が使用されてよい。例えば、図３Ｃに概略的に示された偏光子フィルム３２０の実施形態では、マトリックス３２２は３層の繊維３２４ａ、３２４ｂ及び３２４ｃを包含する。この特定の実施形態では、中層の繊維３２４ｂは、上層の繊維３２４ａ及び下層の繊維３２４ｃからｙ方向に片寄っている。また、この実施形態は、ｙ方向の繊維間距離が、ｚ方向の繊維間距離とは異なっていてよいことを示す。
【００３７】
偏光繊維は、単一繊維として又は多くの他の配列でマトリックス内で組織化される場合がある。いくつかの例示の配置では、繊維は、織り糸、ポリマーマトリックス内の１方向に配置された（繊維又は織り糸の）トウ、織物、不織布、チョップト繊維（chopped fiber）、チョップト繊維マット（不規則的な又は規則的な形式による）、又はこれらの形式の組み合わせの形態で偏光子に含まれる場合がある。チョップト繊維マット又は不織布は、繊維の不規則的な配列を有するのではなく、不織布又はチョップト繊維マット内に繊維の何らかの配列を提供するように、延伸されるか、圧力をかけられるか、又は配向されてよい。マトリックス内に偏光繊維の配列を有する偏光子の形成は、米国特許出願第２００６／０１９３５７７号により完全に記載されている。
【００３８】
繊維は、１つ以上の繊維織物の形態でマトリックス内に含まれてよい。織物４００が図４に概略的に示される。偏光繊維は、縦糸４０２の一部及び／又は横糸４０４の一部を形成し得る。無機繊維が織物中に含まれてよく、縦糸４０２及び／又は横糸４０４の一部が形成されてもよい。更に、縦糸４０２又は横糸４０４の繊維の一部は、等方性ポリマー繊維であってよい。図４に示された織物４００の実施形態は、５ハーネス（five-harness）の繻子織物（satin weave）であるが、異なるタイプの織物、例えば他のタイプの繻子織物、平織物などが用いられてもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、１つ以上の織物がマトリックス内に含まれる場合がある。例えば、偏光子フィルムは、偏光繊維を含有する１つ以上の織物と、無機繊維のみを含有する１つ以上の織物とを含む場合がある。他の実施形態では、異なる織物が偏光繊維と無機繊維の両方を含む場合がある。３層の繊維を有する偏光子３２０は、例えば、３層の繊維の織布層で形成されてよい。
【００４０】
偏光子はまた、例えば米国特許出願第２００６／０１９３５７７号により詳細に論じられているように、一方又は両方の表面上に構造を備えられていてもよい。そのような表面としては、例えば、輝度強化表面、レンズ化表面、拡散表面などを挙げてよい。また、偏光繊維及び／又は他の繊維の密度は、偏光子の体積全体に渡って均一である必要はないが、変化してよい。図では、いくつかの繊維が用いられて、反射又は透過のいずれかにおいて拡散をもたらし、例えば偏光子に対する照度の不均一性を低減することがある。これを行い、偏光子の背後に位置される光源を隠すことができ得て、繊維の密度は、光源より上方で増加し、光源から離れると減少する。
【００４１】
１つの例示の実施形態では、繊維に用いられる複屈折性材料は、配向時屈折率が変化するタイプのものである。したがって、繊維が配向されるとき、屈折率の整合又は不整合は、配向方向に沿ってもたらされる場合があり、非配向方向に沿ってもたらされる場合もある。配向パラメーター及び他の処理条件を注意深く操作することにより、複屈折性材料の正又は負の複屈折が用いられて、所与の軸に沿った光の偏光の一方又は両方の反射又は透過を誘導することができる。透過及び拡散反射の間の相対比は、繊維中の複屈折境界面の濃度、繊維の寸法、複屈折境界面における屈折率の差の二乗、複屈折境界面の寸法及び形状、並びに入射光の波長又は波長範囲などであるが、これらに限定されない多くの要因に依存する。
【００４２】
特定の軸に沿った屈折率の整合又は不整合の大きさは、その軸に沿って偏光された光の錯乱の程度に影響を与える。一般に、散乱能は、屈折率不整合の二乗につれて変化する。したがって、特定の軸に沿った屈折率の不整合が大きくなるにつれて、その軸に沿って偏光された光の散乱が強くなる。逆に、特定の軸に沿った不整合が小さいとき、その軸に沿って偏光された光が散乱される程度は低く、本体の体積を通る透過は次第に正反射性になる。
【００４３】
非複屈折性材料の屈折率がいくつかの軸に沿った複屈折性材料の屈折率と整合する場合、この軸に平行な電界で偏光された入射光は、複屈折性材料のいくつかの寸法、形状及び密度にかかわらず、散乱していない繊維を通過する。更に、その軸に沿った屈折率もまた偏光子本体のポリマーマトリックスの屈折率に整合する場合、光は実質的に散乱していない本体を通過する。２つの屈折率の間の実質的な整合は、屈折率の差が最大０．０５未満、好ましくは０．０３、０．０２又は０．０１であるときに生じる。
【００４４】
反射及び／又は散乱の強度は、少なくともいくつかにおいて、約λ／３０より大きな寸法を有する所与の断面積を有する散乱体の屈折率不整合の大きさにより決定され、ここでλは偏光子中の入射光の波長である。不整合境界面の正確な寸法、形状及び整列は、どの程度の光が境界面から種々の方向に散乱又は反射されるかを決定する役割を果たす。
【００４５】
偏光子内で使用する前に、繊維を、複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率の差が、第１の軸に沿って比較的大きく、他の２つの直交する軸に沿って小さいように延伸し、交差する延伸面内方向でいくらかの寸法に弛緩させることにより処理されてよい。これは、異なる偏光の電磁放射線に対して、大きな光学異方性を生じさせる。
【００４６】
前方散乱の後方散乱に対する比は、複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率の差、複屈折境界面の濃度、複屈折境界面の寸法及び形状、並びに繊維の全体厚さに依存する。一般に、楕円形のディフューザーは、複屈折性材料と非複屈折性材料との間の屈折率の差が比較的小さい。
【００４７】
本発明にしたがって繊維で用いるために選択された材料及びこれらの材料の配向の程度は、好ましくは、最終繊維中の複屈折性材料及び非複屈折性材料が、少なくとも１本の軸を有し、そのために関連する屈折率が実質的に等しいように選択される。典型的には配向方向を横断する軸であるが、必ずしもそうである必要はない軸に関連する屈折率の整合により、偏光の平面内で実質的に光は反射しない。
【００４８】
内部複屈折境界面を有し、本発明のいくつかの実施形態における使用に好適な偏光繊維の１つの例示の実施形態は、多層偏光繊維である。多層繊維は、異なるポリマー材料の複数の層を包含し、そのうち１つが複屈折性である繊維である。いくつかの例示の実施形態では、多層繊維は第１の材料と第２の材料が交互に重なった一連の層を包含し、材料の少なくとも１つは複屈折性である。いくつかの実施形態では、第１の材料は、第２の材料と大体同じ１本の軸に沿った屈折率と、第２の材料とは異なる直交する軸に沿った屈折率とを有する。追加材料の層もまた、多層繊維で用いられる。
【００４９】
１つのタイプの多層繊維は、同心多層繊維と呼ばれる。同心多層繊維では、層は繊維の中心コアを完全に取り囲むように形成され得る。同心多層偏光繊維５００の１つの例示の実施形態の断面が、図５Ａに断面図で概略的に示される。繊維５００は、第１の材料５０２と第２の材料５０４とが交互に重なった層を包含する。第１の材料は複屈折性であり、第２の材料は複屈折性又は等方性のいずれであってもよく、その結果隣接する層の間の境界面５０６は複屈折性である。
【００５０】
繊維５００は、クラッド（cladding）層５０８に取り囲まれていてよい。クラッド層５０８は、第１の材料、第２の材料、繊維が埋め込まれたポリマーマトリックス材料、又はいくつかの他の材料で作製されてよい。クラッドは、装置全体の機能性に対して機能的に寄与する場合があるか、又はクラッドは機能しない場合もある。クラッドは、例えば繊維及びマトリックスの境界面で光の偏光解消（depolarization）を最小限に抑えることにより、反射偏光子の光学を機能的に改善する場合がある。所望により、クラッドは、例えば繊維と連続相材料との間の所望の水準の接着を提供することにより、偏光子を機械的に強化し得る。いくつかの実施形態では、クラッド５０８が用いられて、例えば繊維５００と周囲のポリマーマトリックスとの間にある程度の屈折率整合をもたらすことにより、反射防止機能を提供する場合がある。
【００５１】
繊維５００は、繊維５００の所望の光学特性に応じて、異なる数の層で、様々な寸法で形成されてよい。例えば、繊維５００は、厚さの関連する範囲を有する、約１０層から数百層までで形成される場合がある。繊維の幅の値は、５μｍ〜約５０００μｍの範囲に入る場合もあるが、繊維の幅はまた、この範囲の外に入る場合もある。いくつかの実施形態では、層５０２、５０４は、特定の波長又は波長範囲の４分の１波長（quarter-wave）の厚さである厚さを有し得るが、これは本発明の必要条件ではない。４分の１波長層の配置は、可干渉性散乱及び／又は反射を提供し、よって大きな反射／散乱効果は、散乱／反射が非干渉性である場合より少ない層で得られることができる。これは、所望の水準の偏光を得るために、偏光子の効率を増大させ、必要な材料の量を減少させる。層は、厚さｔが、屈折率で除された波長の４分の１に等しいとき、４分の１波長の厚さを有すると言われ、よってｔ＝λ／（４ｎ）（式中、ｎは屈折率であり、λは波長である）である。
【００５２】
同心多層繊維５００は、多層材料を多層繊維に共押出しし、続いて複屈折性材料を配向させ、複屈折境界面をもたらすように延伸することにより、作製され得る。複屈折性材料として使用され得る好適なポリマー材料のいくつかの例としては、上述のように、ＰＥＴ、ＰＥＮ及びこれらの種々のコポリマーが挙げられる。非複屈折性材料として使用され得る好適なポリマー材料のいくつかの例としては、上述のような光学的等方性材料が挙げられる。一般に、多層繊維は、繊維で用いられるポリマー材料が互いに湿潤しており、適合する処理温度を有するとき、より容易に作製されることが見出されている。
【００５３】
異なるタイプの断面を有する多層繊維がまた用いられてよい。例えば、同心繊維は円形である必要はなく、楕円形、矩形などのようないくつかの他の形状を有してもよい。例えば、図５Ｂに断面図で概略的に示された多層繊維５１０の別の例示の実施形態は、第１の材料５１２と第２の材料５１４とが交互に重なった同心層で形成されてよく、ここで第１の材料５１２は複屈折性であり、第２の材料５１４は等方性又は複屈折性のいずれかであってよい。この例示の実施形態では、繊維５１０は、交互に重なった層５１２と５１４との間に、繊維５２０の長さに沿って延在する同心複屈折境界面５１６を含む。この実施形態では、繊維５１０は非円形対称であり、１方向に沿って細長い。図の座標系を用ると、繊維の断面はｙ方向に細長く、それ故ｙ方向の寸法ｄｙは、ｚ方向の寸法ｄｚより大きい。
【００５４】
同心多層繊維のいくつかの実施形態では、複数の層は、中心繊維コアの周囲に提供される場合がある。これは図５Ｃに概略的に示され、コア５２６の周囲に交互に重なる層５２２と５２４とを有する繊維５２０を示す。コア５２６は、層５２２、５２４のいずれかと同じ材料で形成されてよく、又は異なる材料で形成されてもよい。例えば、コア５２６は、異なるポリマー材料又はガラスのような無機材料で形成されてよい。
【００５５】
多層偏光繊維の別の例示の実施形態は、米国特許出願第１１／２７８，３４８号（２００６年３月３１日出願）により詳細に記載されている、らせん状に巻かれた繊維である。らせん状に巻かれた繊維の例示の実施形態が、図５Ｄに概略的に示される。この実施形態では、繊維５３０は、らせんを形成するためにそれ自体の周りに巻かれた２層のシート５３２のように形成される。２層のシートは、複屈折性である第１のポリマー材料及び等方性又は複屈折性であり得る第２の材料を含有する。複屈折性ポリマー材料は、繊維が形成される前又は後に配向されてよい。隣接する層の間の境界面５３４は、複屈折性材料と別の材料との間の境界面であり、よって複屈折境界面であると考えられる。らせん状に巻かれた繊維は、ここでは同心多層繊維であると考えられる。らせん状に巻かれた繊維は、いくつかの異なる方法で製造され得る。例えば、らせん状に巻かれた繊維は、２層以上含有するシートを押出成形する又は圧延する（rolling）ことにより形成されてよい。これらの方法は、米国特許出願第１１／２７８，３４８号により詳細に論じられている。
【００５６】
別のタイプの多層繊維は、積層多層繊維であり、ここで層は積み重ね体を形成される。積層多層繊維５４０の１つの例示の実施形態の断面が、図５Ｅに概略的に示される。この実施形態では、第１のポリマー材料の層５４２は、第２のポリマー材料の層５４４の間に配置される。繊維５４０は、任意の被覆層５４６を含んでよい。この実施形態では、層５４２、５４４は平面である。繊維層５４２、５４４は平面である必要はなく、いくつかの他の形状をとる場合がある。
【００５７】
いくつかの実施形態では、多層繊維中の層は全て同じ厚さを有してよい。他の実施形態では、多層繊維中の層は全てが同じ厚さではない。例えば、偏光子が約４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光線範囲全体に渡って光の偏光に有効であることが望ましい場合がある。それ故、偏光子は、異なる繊維を備えられていてよく、ここで各繊維は均一な厚さの層を有するが、いくつかの繊維は他より厚い層を有し、その結果異なる繊維は他よりむしろ一部の波長の偏光により有効である。広い帯域幅に有効性をもたらすための別の方法は、厚さが範囲とともに変化する層を有する繊維を提供することである。例えば、多層繊維は、多くの層を備えられていてよく、ここで層厚さは繊維内の位置によって変化する。そのような繊維５５０の１つの例示の実施形態が、図５Ｆに断面図で概略的に示される。この実施形態では、層厚さｔは、繊維の底部からの距離ｓとともに減少する。したがって、層５５４より繊維５５０の底側から離れている層５５２は、層５５４より薄い。
【００５８】
異なる厚さの層を有する繊維５６０の別の例示の実施形態が、図５Ｇに断面図で概略的に示される。この実施形態では、繊維５６０の中心に近い層５６２は、中心からより離れた層５４４の厚さより厚い厚さｔを有する。換言すれば、この特定の実施形態では、層厚さｔは層の半径ｒとともに減少する。
【００５９】
多層繊維５７０の別の実施形態の断面図が、図５Ｈに概略的に示される。この実施形態では、繊維５７０のコア５７６により近い層５７２は、繊維５７０の中心からより離れた層５７４の厚さより薄い厚さｔを有する。換言すれば、この特定の実施形態では、層厚さｔは層の半径ｒとともに増加する。
【００６０】
繊維の層厚さは、様々な方法で変化させ得る。例えば、層厚さは、一定の勾配で、繊維の内から外へ次第に増加又は減少する場合がある。他の実施形態では、繊維は、例えば第１群の層は第１の厚さを有し、第２群の層は第１の厚さとは異なる第２の厚さを有するなどの、繊維群を備えられていてよい。多くの異なる層厚さ特性について、ここで図６Ａ〜６Ｈを参照して記載する。これらの図は、光学的厚さｏｔの関数として、繊維の起点からの距離ｄの関数としての例示の層厚さ特性を示す。繊維の起点は、そこから層への距離が測定される位置である。積層多層繊維の場合、起点は、距離ｄが単純に積み重ね体を通した距離であるように、積み重ね体の片側とされる。同心繊維の場合、起点は繊維の中心とされる。同心繊維の断面が円形であるとき、距離ｄは半径に等しい。層の物理的厚さと屈折率との積である光学的厚さは、多層繊維がある偏光状態の反射効率を最大化するために４分の１波長の層を備えられている場合があるため、これらの異なる実施形態のいくつかを説明するのに有用である。したがって、層の光学的厚さは、繊維の反射特性を理解するのに有用なパラメーターである。ここに示された層厚さ特性は、繊維全体又は繊維のいくつかの層特性を表す場合がある。
【００６１】
図６Ａ及び６Ｂでは、層の光学的厚さはそれぞれ、繊維の起点からの距離とともに直線的に増加及び減少する。図６Ｃ及び６Ｄでは、層の光学的厚さはそれぞれ、繊維の起点からの距離とともに非直線的に増加及び減少する。形状の非直線性は、繊維の所望の設計パラメーターによって、示されたものとは異なってよい。
【００６２】
図６Ｅでは、層の光学的厚さは、繊維の起点と繊維縁部との間の中間領域のどこかで最小になる。したがって、この実施形態では、例えば繊維の起点からの第１の距離に関連する第１のポリマー材料の層は、ｉ）第１の距離より小さな繊維の起点からの第２の距離を有する第１のポリマー材料の第２の層の光学的厚さより小さな光学的厚さを有し、ｉｉ）第１の距離より大きな繊維の起点からの第３の距離を有する第１のポリマー材料の第３の層の光学的厚さより小さな光学的厚さを有する。
【００６３】
図６Ｆでは、層の光学的厚さは、繊維の起点と繊維縁部との間の中間領域のどこかで最大になる。したがって、この実施形態では、繊維の起点からの第１の距離に関連する第１のポリマー材料の層は、ｉ）第１の距離より小さな繊維の起点からの第２の距離を有する第１のポリマー材料の第２の層の光学的厚さより大きな光学的厚さを有し、ｉｉ）第１の距離より大きな繊維の起点からの第３の距離を有する第１のポリマー材料の第３の層の光学的厚さより大きな光学的厚さを有する。
【００６４】
いくつかの実施形態では、層はパケット（packet）内に形成されてよく、ここで同じ光学的厚さの多数の層は一緒にグループ化される。異なるパケットは、異なる光学的厚さに関連する場合がある。多数の層パケットを有する繊維の例が図６Ｇの特性に示され、ここでパケットは、パケット位置が繊維の起点から外側に移動するにつれて増加する光学的厚さの層に関連する。別の例が図６Ｈに示され、ここでは、繊維の起点から分離されたパケット増加に対して、パケットは交互に、より大きな光学的厚さの層とより小さな光学的厚さの層に関連する。本明細書で記載された様々な層厚さ特性は代表的なものであり、網羅的であるとは考えられない。多くの他の異なる層厚さ特性が可能である。
【００６５】
多層偏光繊維の縁部における光の入射について、偏光子フィルム７００のマトリックス７０２に埋め込まれた単一同心多層偏光繊維７０４を概略的に示す図７Ａを参照して論じられる。本議論では、偏光子７００に垂直入射する光のみについて考える。本明細書で論じられる概念は他の角度で偏光子に入射する光に拡大され得ることが理解されよう。光線７０６は、繊維７０４の層に垂直入射するように、繊維７０４の中心に向けられる。したがって、１つの偏光状態にある光７０８は、第１の反射スペクトルで繊維７０４から反射され、残りの光は透過された偏光状態にある。しかしながら、光線７１０、繊維７０４の層への入射角が垂直ではない繊維７０４への入射は、反射光７０８の第１の反射スペクトルとは異なるスペクトルで繊維７０４から反射する光７１２を生じさせる。多層構造の反射スペクトルは、典型的には、多層構造の入射角が増加するとき、青色に偏移する。したがって、反射した光７１２のスペクトルは、反射光７０８のスペクトルに対して偏移した青色である。これは、偏光子により透過及び反射された光のスペクトルに不均一性をもたらす場合がある。例えば、多層繊維が４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視領域に渡って反射する層を有する場合、例えば垂直入射光などの、高角度で入射する赤色光は、反射スペクトルの青色偏移のために、青色光より小さな角度に影響される場合がある。
【００６６】
種々の方法が用いられて、青色偏移の影響を低下させてよい。例えば、１つの方法では、多層繊維は、偏光子に入射する光の範囲より長い波長を有する光の４分の１波長の層を備えられていてよい。偏光子が表示システムで用いられる場合、関心のある光の波長範囲は典型的には約４００ｎｍ〜７００ｎｍである。したがって、多層繊維７０４は、例えば９００ｎｍ以下又はそれを超える近赤外線範囲の波長で、７００ｎｍより長い波長の４分の１波長の層である層を備えられていてよい。光が例えば２００ｎｍ未満スペクトルを偏移させる角度で入射する場合、繊維は高入射角でさえ赤色光の偏光に依然として有効であり得る。
【００６７】
青色偏移の影響を低下させる別の方法は、繊維への入射角を減少させることである。これは、例えば、マトリックス７２２の屈折率ｎ１を、図７Ｂの偏光子７２０で概略的に示されたように、異なる繊維層７２４の材料の屈折率より低い値に減少させることにより実現され得る。マトリックス７２２の比較的屈折率の低い材料から、繊維７２４の比較的屈折率の高い材料へ通過するとき、入射光２６は繊維層に対して垂直に屈折され、よって繊維の多層構造内で光が伝播する角度が減少される。光線７２８は、繊維７２４を透過した光の方向を示し、光線７３０は繊維７２４により反射された光を示す。マトリックス７２２で用いられ得る低屈折率ポリマーの例としては、ＰＭＭＡ（屈折率約１．４９）、ＴＨＶ、３Ｍ社（ミネソタ州セントポール）から入手可能なフッ素化ポリマー（屈折率約１．３４）、低分子量二官能性ウレタンアクリレート（典型的には、屈折率約１．４７〜１．５）、及び約１．４１の屈折率を有し得るいくつかのシリコーンが挙げられる。
【００６８】
青色偏移の影響を低下させる別の方法は、低屈折率の被膜を有する繊維を提供することである。この方法は図８に概略的に示され、ここではマトリックス８０２内に埋め込まれた多層繊維８０４を有する偏光子８００を示す。各繊維８０４は、マトリックス８０２及び繊維８０４で用いられている材料の屈折率より小さな、比較的低い屈折率を有する被膜８０６を備えられている。被膜８０６は、前の章に列挙された低屈折率材料のうち１つから形成されてよい。この実施形態では、光８０８は、繊維８０４の縁部領域に伝播するような方向で、偏光子８００に入射する。低屈折率の被膜８０６のない場合、光８０８は非垂直な入射角で縁部に近い繊維８０４と交差する。しかしながら、光８０８は低屈折率の被膜８０６とマトリックス８０２との間の境界面に入射する。ｉ）マトリックス８０２と被膜８０６との間の屈折率の差、及びｉｉ）入射角が十分に大きい場合、光８０８は完全に内部で反射されることがある。図示された実施形態では、完全に内部で反射された光は、隣接する繊維８０４に向けられ、ここで光は２度目に完全に内部で反射される。全ての内部反射の角度及び他の繊維の位置に応じて、完全に内部で反射された光が、他の繊維で反射される場合がある、又は他の繊維を透過される場合がある。
【００６９】
青色偏移の影響を低下させる別の方法は、層厚さの勾配に対して適切な方向を設定することである。この方法について、図９〜１１を参照して更に記載される。全波数値モデルが開発され、同心多層偏光繊維により光の散乱（反射）を調査した。モデルが、図９に示される。繊維９００は、１０μｍのコアを有すると仮定され、別の材料の５０個の４分の１波長の層と織り合わされた、１つの材料の５０個の４分の１波長の層で形成された。波長の４分の１波長の層として直線的に並べられた材料層の光学的厚さは、５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲である。光は、図示された方向に入射し、反射率及び透過率に対する散乱断面積が、３００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲に渡って、繊維の幅全体について算出された。散乱断面積は、両方の偏光状態、通過偏光（pass polarization）及び遮蔽偏光（block polarization）状態の光について算出された。図１０Ａ及び１０Ｂは、コアに近いより厚い層と繊維の外側に近いより薄い層とに配置された層を有する繊維について算出された結果を示す。曲線１００２は、通過状態の繊維で偏光された光の透過率を表す。繊維の透過率は、全体のスペクトルに渡って比較的に均一である。曲線１００４は、遮蔽状態の繊維で偏光された光の、繊維の透過率を表す。曲線は、繊維の透過率が約４００ｎｍ未満及び約６５０ｎｍ超の波長で比較的高く、約４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長で著しく減少することを示す。この挙動は、多層積み重ね体が５００〜６００ｎｍの波長の４分の１波長の積み重ね体であり、繊維の有効性がこの範囲外では比較的乏しいことから、予測されたものである。
【００７０】
図１０Ｂの曲線１０１２は、繊維の通過状態で偏光された光の反射を表す。反射は、図１０Ａに示された所与の高い透過率が予測されたように、スペクトル全体に渡って低い。曲線１０１４は、繊維の遮蔽状態で偏光された光に対する、繊維による反射を示す。曲線は実質的に曲線１００４と補完的である。これらのグラフから分かるように、層厚さが５００ｎｍ〜６００ｎｍで４分の１波長から均一に変化したとしても、反射率は５００ｎｍをわずかに下回る波長でピークに達し、反射率は５００ｎｍ〜６００ｎｍで単調減少する。これは、非垂直角で繊維に入射する光の反射率スペクトルの青色偏移の結果である。
【００７１】
繊維の挙動は、層厚さの勾配が逆であるとき、より薄い層が繊維コアに近いとき、及びより厚い層が繊維の外側に近いとき異なる。図１１Ａの曲線１１０２は、繊維の通過状態で偏光された光の透過率を示し、一方曲線１１０４は繊維の遮蔽状態で偏光された光に対する繊維の透過率を表す。図１１Ｂの曲線１１１２は、繊維の通過状態で偏光された光の反射を表す。曲線１１１４は、繊維の遮蔽状態で偏光された光に対する繊維による反射を表す。曲線１１１４は、実質的に曲線１１０４と補完的である。繊維コアに向かってより薄い層を有する繊維の反射率は、５００〜６００ｎｍの範囲に渡って有意に均一であり、繊維コアに向かって層がより厚くなるとき、偏光子の偏光特性が改善される。この改善は、入射角の反射スペクトルに対するより適切な整合から生じると考えられる。繊維縁部の層は、反射帯域の目的とする設計波長（intended design wavelength）についてより適切に集中した高角度反射スペクトルを有し、一方繊維コアの層は、目的とする設計波長について同様により適切に集合した垂直反射スペクトルを有する。
【００７２】
繊維に垂直に偏光された前方散乱光の、繊維に平行に偏光された前方散乱光に対する比は、透過率偏光関数（Transmission Polarization Function）（ＴＰＦ）と呼ばれる。繊維に平行に偏光された後方散乱光の、繊維に垂直に偏光された後方散乱光に対する比は、反射偏光関数（Reflection Polarization Function）（ＲＰＦ）と呼ばれる。図１２Ａは、繊維層の厚さが半径の増加とともに減少する場合の、波長の関数としてのＴＰＦ（曲線１２０２）とＲＰＦ（曲線１２０４）の値を示す。図１２Ｂは、繊維層の厚さが半径の増加とともに増加する場合の、波長の関数としてのＴＰＦ（曲線１２１２）とＲＰＦ（曲線１２１４）の値を示す。ＲＰＦ曲線１２０２は、５００ｎｍ〜６００ｎｍで図１０Ｂの反射スペクトルと同じ傾斜挙動（sloped behavior）を示し、一方ＲＰＦ曲線１２１２は同じ範囲に渡って図１１Ｂの反射スペクトルと同じ実質的に均一な挙動を示す。したがって、段階層（graded layer）の厚さを有する多層繊維の偏光特性は、層厚さが半径とともに増加するとき、より均一である。
【００７３】
偏光子の特性における青色偏移の影響を低下させる別の方法は、入射光への断面積が小さな繊維を使用することであり、そこで繊維は高入射角であり、繊維が低入射角である場合より大きな断面積を示す。これを実現する方法の１つは、例えば図５Ｂ及び５Ｃに示されたような、他の方向に比べて１方向に細長い断面を有する繊維を使用することである。そのような偏光子１３００の例が、図１３に概略的に示される。繊維１３０４は、マトリックス１３０２内に埋め込まれている。繊維１３０４は、偏光子１３００の表面に平行な方向に細長い。この構成は、例えば円形断面を有する繊維より、低い入射角での入射光に対してより大きな繊維断面積を示す。
【実施例】
【００７４】
実施例−単一繊維
以下のプロセスを使用して、多層同心偏光繊維を作製した。それぞれ厚さ１２５μｍ（０．００５”）である９５２個のシム（shim）からなるダイを用いることにより、Ｘポリマー及びＹポリマーの多層交互同心環からなる長繊維を製造した。２つのシムを用いて環を作製するため、この９５２個のシムダイを４７６個の環からなる長繊維を製造するよう設計した。これらの環の半分をＸポリマーから、もう半分をＹポリマーから作製した。このダイは２つの入口ポートを有し、一方は溶融Ｘポリマー用、もう一方は溶融Ｙポリマー用であった。
【００７５】
ＸポリマーはＬＭＰＥＮ、すなわち３Ｍ社から入手可能な９０％ＰＥＮ／１０％ＰＥＴから作製されたコポリマーであった。Ｙポリマーは、以下の実質的に等方性である材料のうち１つであった。
【００７６】
ｉ）イーストマン・ケミカル社（Eastman Chemical Company）（テネシー州キングスポート（Kingspor）製イースター（Eastar）６７６３ ＰＥＴＧ
ｉｉ）イーストマン・ケミカル社製ＳＡ１１５ ＰＣ／ＰＣＴ−Ｇブレンド
ｉｉｉ）Ｇ．Ｅ．プラスチックス（G.E. Plastics）（マサチューセッツ州ピッツフィールド（Pittsfield）製キレックス（Xylex）７２００ ＰＣ／ＰＣＣＴ−Ｇブレンド
ｉｖ）ノバ・ケミカルズ社（Nova Chemicals Corporation）（カナダ、アルバータ州カルガリー）製ＮＡＳ ３０ ＰＳ／ＰＭＭＡブレンド
形成される層の数を、ダイのシムの数を変化させること並びに流速及び温度のようなプロセス条件を変化させることにより制御することができる。積み重ね体中のシムの設計を変化させて、繊維環の厚さ特性を調節することができる。紡糸口金パック中のシムをレーザー切断を使用して形成した。特定の形成及び延伸プロセス後、広域帯可視ブラッグ干渉反射（broadband visible Bragg interference reflection）が生じる層厚さ勾配及び層厚さ比を提供するために、繊維ダイを特別に設計した。
【００７７】
２つのポリマーの固化ペレットを２つの２軸押出機のうち１つに別々に送った。これらの押出機を、２６０℃〜３００℃の範囲の温度及び４０〜７０ｒｐｍの範囲の送り速度で操作した。典型的な押出成形圧は、約２．１×１０６Ｐａ〜約２．１×１０７Ｐａの範囲であった。各押出機は、正確な量の溶融ポリマーを長繊維スピニングダイに供給する計量ギアポンプ（metering gear pump）を備えていた。各計量ギアポンプの寸法は０．１６ｃｃ／ｒｅｖであり、これらのギアポンプを一般に１０〜８０ｒｐｍの範囲の同一速度で操作した。溶融ポリマーを、加熱したステンレススチールネックチューブを使用して計量ポンプからダイに移動させた。
【００７８】
溶融ポリマー流はダイに入り、シムを通じて流れた。第１のシム対が長繊維のコアを作製し、第２のシム対がコアの周囲の第１の環を形成し、第３のシム対が第１の環の外側に第２の環を形成するなど、４７６個の環を形成するまで続く。次いで、この溶融多環長繊維をダイから出させて、水のタンク中で急冷した。プルロール（pull roll）を用いて長繊維を水に引き込んだ。長繊維をプルロールから出させて、均等巻機を使用してコアに巻き付けた。計量ポンプ速度と巻き付け速度との組み合わせで長繊維の直径を制御する。このプロセスの典型的な速度は、約０．５ｍｓ−１〜４ｍｓ−１の範囲であった。
【００７９】
押出成形後、多層繊維を延伸し、配向して、複屈折性及び反射偏光特性を生じさせ、層厚さを適切な寸法に減少させる（およそ可視光線の４分の１波長光学的厚さ）。
【００８０】
この工程では、長繊維の巻きを解いて、プルロール所（station）、次いで加熱された片持ち圧盤、別のプルロール所、最終的に巻き取り機に送った。圧盤温度は一般に１２０℃〜１８２℃の範囲であった。第２のプルロール所は一般に、約６〜８回第１のプルロール所の速度で稼働し、それを圧盤上で加熱するにつれて長繊維が延伸した。第１のプルロール所の典型的な速度は約０．２ｍｓ−１であり、一方第２のプルロール所は１．２ｍｓ−１〜１．６ｍｓ−１の範囲であった。巻き取り機は第２のプルロール所と同じ速度で稼働した。
【００８１】
記載したばかりの技術を使用して製造した繊維の部分断面図を図１４に示す。繊維は、広帯域偏光可干渉性反射を生じる所望の層厚さ特性及び勾配を有する約４００層の交互に重なる材料を有していた。この繊維はポリマーＹとしてキレックスを用いた。非常に良好な狭範囲秩序（short-range order）及び均一性は、可干渉性反射の実現において重要であり、これは繊維材料で光の相互作用長を低減し、光吸収の機会を最小限に抑え、それにより効率を最大化する。
【００８２】
単一引き出し繊維（single drawn fibe）の偏光選択性を測定するための技術を開発した。繊維に平行に偏光された光及び繊維に垂直に偏光された光について、レーザーからの前方及び後方散乱光（光軸から７度錐未満）を測定した。多層偏光繊維のＴＰＦ及びＲＰＦの値を、それぞれ５４３．５ｎｍで２．３及び５．６であると測定した。等方性繊維のＲＰＦ及びＴＰＦは１〜２である。これは、単一繊維からの偏光選択性反射及び散乱を明白に示す。
【００８３】
実施例−裸繊維（Naked Fiber）配列
上記方法を使用して作製した裸繊維の配列を、広波長帯域に渡って分析し、引き出し繊維の光学特性を特徴付けた。空気中に吊るされた繊維配列を、実質的に全ての透過又は反射光を捕捉するために積分球（integrating sphere）を用いて、パーキンエルマー（PerkinElmer）ＵＶ−ビス分光計で広帯域偏光透過及び反射について分析した。一連の繊維から得た結果を図１５及び１６に示す。これらの図は、引き出し繊維の偏光選択性反射を示すだけでなく、繊維の層厚さを変化させることにより遮蔽状態偏光の反射帯域を偏移させる能力をも示す。増加する繊維層厚さと増加する反射波長との間の一致（通過軸偏光の比較的不変である反射と組み合わせた）は、多層繊維構造からの可干渉性干渉に基づく反射を明示する。
【００８４】
更に、これらの結果は、反射偏光子を作製するために、未封入の状態でさえ繊維を使用することができることを示す。したがって、繊維の配列又は布地は、封入樹脂マトリックスを用いることなく反射偏光物品を作製し得る。これらの繊維布又は配列は、場合によっては、繊維表面でブルースター角（Brewster’s angle）効果のために通過状態で高透過である、通過状態偏光における光をいくらか拡散させるという点においていくつかの利点を有し得る。繊維を封入しているかどうかにかかわらず、バスケット、絡み織り、綾織などのような種々の織物において横断方向に等方性繊維織布と組み合わせることができる。
【００８５】
全ての繊維に対して非常に類似したプロセス条件を用いるが、繊維層厚さを変化させるために押出成形工程中巻き取り速度を変化させて、ＬＭＰＥＮ及びＰＥＴＧ材料から引き出した繊維の配列に対する、図１５は反射を示し、一方図１６は透過を示す。各繊維は、均一な光学的厚さの多重の層を有していた。より厚い繊維は、より厚い層を有し、より長い波長への反射及び透過帯域の偏移に対応し、可干渉性干渉に基づく反射並びに偏光選択性を明らかに示す。通過状態のスペクトルは、全て実質的に不変であり、グラフから省略した。
【００８６】
本発明は、上に記載した特定の実施例に限られるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲で明確に提示されているとおり、本発明のあらゆる態様を網羅していると理解されるべきである。種々の変更例、同等のプロセス、並びに本発明を適用することができる多数の構造は、本明細書を検討すれば、本発明に関連する当業者には容易にはっきりと理解されるであろう。特許請求の範囲は、そのような修正及び装置を網羅することを意図されるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１及び第２のポリマー材料の層を含む第１の多層繊維と、
前記第１のポリマー材料の層は、前記第２のポリマー材料の層の間に配置され、前記
第１及び第２のポリマー材料の少なくとも１つは、複屈折性である、
前記第１の多層繊維を取り囲む第３のポリマー材料と、
前記第３のポリマーの層は、前記第１及び第２のポリマー材料のいずれかの屈折率よ
り低い屈折率を有する、
を含む光学体。
【請求項２】
前記第３のポリマー材料が、前記第１の多層ポリマー繊維を取り囲む低屈折率の被膜を構成する、請求項１に記載の光学体。
【請求項３】
前記第３のポリマー材料が、ポリマーマトリックスを構成し、そして前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれた少なくとも第２及び第３の多層ポリマー繊維を更に含む、請求項１に記載の光学体。
【請求項４】
前記第１及び第２のポリマー材料の層が、積層配置されている、請求項１に記載の光学体。
【請求項５】
前記第１及び第２のポリマー材料の層が、同心配置されている、請求項１に記載の光学体。
【請求項６】
前記第１及び第２のポリマー材料の層の光学的厚さが、前記繊維に渡って変化する、請求項１に記載の光学体。
【請求項７】
前記層の光学的厚さが、前記繊維の起点からの勾配によって変化し、前記繊維の起点から離れた層が、繊維の起点により近い層よりも厚い光学的厚さを有する、請求項６に記載の光学体。
【請求項８】
前記第１及び第２のポリマー層の少なくともいくつかが、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光の４分の１波長の厚さに対応する厚さを有する、請求項１に記載の光学体。
【請求項９】
前記ポリマー層の少なくともいくつかが、７００ｎｍより長い波長を有する光の４分の１波長の厚さに対応する厚さを有する、請求項８に記載の光学体。
【請求項１０】
前記ポリマー繊維が、被膜層を含む、請求項１に記載の光学体。
【請求項１１】
前記被膜層が、前記第１及び第２のポリマー材料のうちの１つの層を含む、請求項１０に記載の光学体。
【請求項１２】
前記被膜層が、前記第１及び第２のポリマー材料の屈折率より低い屈折率を有する前記第３のポリマー材料の層を含む、請求項１０に記載の光学体。
【請求項１３】
ポリマーマトリックスを更に含み、
前記第１の多層ポリマー繊維は、前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれている、
そして、少なくともポリマーマトリックス内に埋め込まれた第２及び第３の多層ポリマー繊維を更に含む、請求項１に記載の光学体。
【請求項１】
少なくとも第１及び第２のポリマー材料の層を含む第１の多層繊維と、
前記第１のポリマー材料の層は、前記第２のポリマー材料の層の間に配置され、前記
第１及び第２のポリマー材料の少なくとも１つは、複屈折性である、
前記第１の多層繊維を取り囲む第３のポリマー材料と、
前記第３のポリマーの層は、前記第１及び第２のポリマー材料のいずれかの屈折率よ
り低い屈折率を有する、
を含む光学体。
【請求項２】
前記第３のポリマー材料が、前記第１の多層ポリマー繊維を取り囲む低屈折率の被膜を構成する、請求項１に記載の光学体。
【請求項３】
前記第３のポリマー材料が、ポリマーマトリックスを構成し、そして前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれた少なくとも第２及び第３の多層ポリマー繊維を更に含む、請求項１に記載の光学体。
【請求項４】
前記第１及び第２のポリマー材料の層が、積層配置されている、請求項１に記載の光学体。
【請求項５】
前記第１及び第２のポリマー材料の層が、同心配置されている、請求項１に記載の光学体。
【請求項６】
前記第１及び第２のポリマー材料の層の光学的厚さが、前記繊維に渡って変化する、請求項１に記載の光学体。
【請求項７】
前記層の光学的厚さが、前記繊維の起点からの勾配によって変化し、前記繊維の起点から離れた層が、繊維の起点により近い層よりも厚い光学的厚さを有する、請求項６に記載の光学体。
【請求項８】
前記第１及び第２のポリマー層の少なくともいくつかが、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光の４分の１波長の厚さに対応する厚さを有する、請求項１に記載の光学体。
【請求項９】
前記ポリマー層の少なくともいくつかが、７００ｎｍより長い波長を有する光の４分の１波長の厚さに対応する厚さを有する、請求項８に記載の光学体。
【請求項１０】
前記ポリマー繊維が、被膜層を含む、請求項１に記載の光学体。
【請求項１１】
前記被膜層が、前記第１及び第２のポリマー材料のうちの１つの層を含む、請求項１０に記載の光学体。
【請求項１２】
前記被膜層が、前記第１及び第２のポリマー材料の屈折率より低い屈折率を有する前記第３のポリマー材料の層を含む、請求項１０に記載の光学体。
【請求項１３】
ポリマーマトリックスを更に含み、
前記第１の多層ポリマー繊維は、前記ポリマーマトリックス内に埋め込まれている、
そして、少なくともポリマーマトリックス内に埋め込まれた第２及び第３の多層ポリマー繊維を更に含む、請求項１に記載の光学体。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１０−５０３０２２（Ｐ２０１０−５０３０２２Ａ）
【公表日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２６８３３（Ｐ２００９−５２６８３３）
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７６７４５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０２７８０３
【国際公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７６７４５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０２７８０３
【国際公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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