JP2021516364A - 偏光基底ベクトルの変換のためのリターダスタックペア - Google Patents

Abstract

光の偏光を操作するためのデバイスであって、入力光の偏光を第１の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ１）から第２の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ２）に変換する第１のリターダスタック（スタック１）と、光の偏光をＰＢＶ２からＰＢＶ１に戻す第２のリターダスタック（スタック２）と、スタック１とスタック２との間の１つまたは複数の光学機能層とを含む、デバイスが開示される。スタック１は、複数の層を有し、スタック１における層の数、リタデーション値、および層の配向は、所定の波長範囲にわたって実質的にスペクトル均一であるＰＢＶ２を生成するように選択される。ＰＢＶ１は、スタック１とスタック２を組み合わせた非自明な固有偏光である。スタック２は、複数の層を有し、スタック１と直列に配置される。代替的に、２つの異なるスタックの代わりに、スタック１を介してリターンパスを生成するために、リフレクタが使用されてもよい。

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１８年３月２日に出願の米国仮特許出願第６２／６３４，８３２号の優先権を主張し、その内容は、その全体が引用により本明細書に組み込まれる。

設計されたインパルス応答を有するリターダスタックは、波長選択性偏光の変換に有用である。光学システムにおけるリターダスタックの使用のための実際的な問題の１つは、容易に利用可能な一軸性リターダ材料の厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）である。Ｒ_thは、オフノーマルのインパルス応答の破損によってリターダスタックの受光角を制限する効果を有し得る。特定の偏光スペクトル要件によって、インパルスの数、したがって複合Ｒ_thを判定することができるリターダ層の数が決まる。これは、このような材料を使用するときのインパルス列におけるサンプルの数とリターダスタックの有用な受光角との間に存在することができるトレードオフを際立たせている。

また、先行技術には、リターダスタックペアに関連付けられた、より設計が制約されたインパルス応答も記載され、ここで、リターダの厚さおよび角度の関係性は、望ましいインパルス応答または偏光スペクトルを達成するためにスタックの各々の対応する層の間に存在し得る。その制約は、具体的な偏光状態（state of polarization：ＳＯＰ）がスタック間およびペアの出力の両方で生成されるという追加要件の形をとり得る。この例はスペクトルスイッチ（スタックペア間の液晶デバイス）であり、ここで、スタック間の位置でのＳＯＰは、ＬＣデバイスがＳＯＰを切り替えることができる波長範囲を判定する（たとえば米国特許第６，８８２，３８４号を参照し、これは引用によって本明細書に組み込まれる）。

リターダスタックペアはまた、第１の偏光基底ベクトル（first polarization basis vector：ＰＢＶ１）（たとえば線形）から第２の偏光基底ベクトル（second polarization basis vector：ＰＢＶ２）（たとえば円形）への変換に有用である。これは、システムで使用されるさまざまなタイプの偏光光学コンポーネント（たとえば線形偏光子およびコレステリック液晶）間の互換性の問題に対処するのに有用であり得る。その後、第２のスタックはＰＢＶ１を復元することができる。このような基底ベクトルの変換は、多くの場合、波長および入射角に非感受性である必要がある。

リターダスタックペアの角度関係性の例は、たとえば、Robinson、ChenおよびSharpによるChapter 6（１４３頁−１５１頁）Polarization Engineering for LCD Projectionで述べられており、これは引用により本明細書に組み込まれる。とりわけ、これらは、（１）逆順序（ＲＯ）、（２）反射を伴う逆順序、（３）逆順序反射／回転、および（４）逆順序回転（別名、交差逆順序（ＲＯＣ））を含む。スタック間の特定の対称性は、ＰＢＶ２を判定するインパルス応答を制約するのに有用であり得る。

この背景技術に対して、本明細書に記載される技術が開発された。

本明細書には、入力光の偏光を第１の偏光基底ベクトル（first polarization basis vector：ＰＢＶ１）から第２の偏光基底ベクトル（second polarization basis vector：ＰＢＶ２）に変換する第１のリターダスタック（スタック１）を含む、光の偏光を操作するためのデバイスが開示され、スタック１は、複数の層を有し、スタック１における層の数、リタデーション値、および層の配向は、所定の波長範囲にわたって実質的にスペクトル均一であるＰＢＶ２を生成するように選択される。当該デバイスはまた、光の偏光をＰＢＶ２からＰＢＶ１に戻す第２のリターダスタック（スタック２）を含み、ＰＢＶ１は、スタック１とスタック２を組み合わせた非自明（non-trivial）な固有偏光であり、スタック２は複数の層を有し、スタック２はスタック１と直列に配置される。当該デバイスはまた、スタック１とスタック２との間に１つまたは複数の光学機能層を含む。

スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有してもよく、スタック１およびスタック２のベースリターダ層は各々、Ｒ_th≧Ｒ_e／２を有している。スタック２の層は、スタック１の層に対して逆順序（ＲＯ）配置を有している。スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有してもよく、スタック１およびスタック２のベースリターダ層は各々、ゼロに近い複屈折分散を有している。スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有してもよく、スタック１およびスタック２のベースリターダ層は、逆の複屈折分散を有している。スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有ししてもよく、スタック１およびスタック２のベースリターダ層は、環状オレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー、またはポリカーボネートの１つであり得る。

スタック１およびスタック２の層は、互いに溶剤結合され得る。ＰＢＶ１は線形偏光であってもよく、ＰＢＶ２は、ＰＢＶ１を±４５°回転させたものであり得る。スタック１は、２つ以上の半波長リターダを含み得る。正のｃプレートおよび交差する負のａプレートの１つまたは両方が、複合Ｒ_thを減少させるために、スタック１とスタック２との間に挿入され得る。

ＰＢＶ１は線形偏光であってもよく、ＰＢＶ２は円偏光であり得る。当該デバイスは、スタック１の前に第１の線形偏光子およびスタック２の後に第２の線形偏光子をさらに含んでもよく、第１および第２の線形偏光子は平行な吸収軸を有している。第１の線形偏光子の層は、Ｒ_th＜５ｎｍを有する保護基板で覆われ得る。ＰＢＶ２の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で少なくとも０．９５であり得る。ＰＢＶ２の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で少なくとも０．９８であり得る。スタック２の層は、スタック１の層に対し、０°に対する逆順序投影（ＲＯＲＡＺ）の配置を有し得る。スタック１は、１つまたは複数の半波長リターダの後に、１／４波長リターダを含み得る。スタック１は、（α₂＞２α₁、α₃＞２α₂．．．）のように角度（α₁、α₂．．．α_M）で配向される遅相軸を有し、配向β＝２（α_M−α_M-1＋α_M-2−・・・）で準線形回転するＳＯＰを生成するＭ半波長リターダの後に、実質的にα₀＝（β＋π／４）に沿った遅相軸配向を有する１／４波長リターダを含み得る。当該デバイスは、複合Ｒ_thを減少させるために、スタック１とスタック２との間に挿入される正のｃプレートおよび交差する負のａプレートの１つまたは両方をさらに含み得る。

また、光の偏光を操作するためのデバイスが開示され、当該デバイスは、順方向パスの光の偏光を所定の波長範囲にわたって線形偏光（ＰＢＶ１）から円偏光（ＰＢＶ２）に変換するリターダスタックであって、リターダスタックが、各々がＲ_th≧Ｒ_e／２を有する複数のベースリターダ層を有し、リターダスタックが、（α₂＞２α₁、α₃＞２α₂．．．）のように角度（α₁、α₂．．．α_M）で配向される遅相軸を有し、配向β＝２（α_M−α_M-1＋α_M-2−・・・）で準線形回転したＳＯＰを生成するＭ半波長リターダの後に、実質的にα₀＝（β＋π／４）に沿って配向される遅相軸を有する１／４波長リターダを含み、Ｍおよび特定の角度が、所定の波長範囲にわたって１に近い楕円率を有するＰＢＶ２を生成するように選択される、リターダスタックと、偏光維持反射を生成し、順方向パスの光の少なくとも一部を逆偏光（opposite handedness）でリターダスタックに戻すリフレクタであって、戻り光が、リターダスタックの有効な逆順序（ＲＯ）パスを受け、出射光の偏光が、ＰＢＶ１に実質的に直交する、リフレクタと、を含む。

当該デバイスは、スタック１の前に、線形偏光子を含み得る。線形偏光子の層は、Ｒ_th＜５ｎｍを有する保護基板で覆われ得る。当該デバイスは、複合Ｒ_thを減少させるために、スタック１とリフレクタとの間に挿入される正のｃプレートおよび交差する負のａプレートの１つまたは両方をさらに含み得る。Ｍは、１に等しくてもよく、α₁は、約１４．５°であってもよく、α₀は、約７４°であってもよく、およびＣプレートのリタデーションは、５０ｎｍ≦Ｒ_th≦３００ｎｍであり得る。Ｍは、３に等してもよく、α₁は、約２°であってもよく、α₂は、約１４°であってもよく、α₃は、約４８°であってもよく、α₀は、約−６３°であってもよく、およびＣプレートのリタデーションは、５０ｎｍ≦Ｒ_th≦３００ｎｍであり得る。順方向のパスでリターダスタックを出射する総計の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で＞０．９１であり得る。順方向のパスでリターダスタックを出射する総計の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で＞０．９８であり得る。

リタデーションおよび一般的な角度の関係性が一致した先行技術のリターダスタックペアを示す。 先行技術の交差逆順序（reverse order crossed：ＲＯＣ）のリターダスタックペアを示す。 広範囲の入射角および波長にわたって線形偏光と円偏光との間で変換させるために使用される、本明細書に開示されるタイプの逆順序（reverse-order：ＲＯ）のリターダスタックを示す。 図３の構成を使用する本開示のアイソレータの明所コントラストを示す。 広範囲の入射角および波長にわたって線形偏光と円偏光との間で変換させるために使用される、本開示の約０°に対する逆順序投影（reverse-order reflection about zero：ＲＯＲＡＺ）のスタックペアを示す。 先行技術の交差逆順序の構成と比較した、本開示の図５の構成のための（ワーストケースの方位角での）明所コントラスト対入射角を示し、両方とも補償は伴わない。 ２００ｎｍの＋Ｃプレート補償を伴う、先行技術の交差逆順序の構成と比較した、図５の構成のための（ワーストケースの方位角での）コントラスト対入射角を示す。 （ａ）補償なし、（ｂ）１３０ｎｍの＋Ｃプレート補償、および（ｃ）各々が１３０ｎｍのリタデーションを伴う一対のＣＮＡＰリターダという、３つの構成のための３０°の入射角での緑色（５４０ｎｍ）のコントラスト対方位角を示す。 線形偏光と４５°回転した線形偏光との間で変換させるための本開示のリターダスタックペアを示す。 先行技術の交差逆順序構成に対する、図９の構成のための明所コントラストを示す。

本明細書に開示される特定の実施形態は、様々な修正および代替形態が可能であるが、その特定の実施形態は、図面において例として示されており、本明細書で詳細に説明される。しかし、本発明を開示される特定の形態に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明が、特許請求の範囲によって定義される本発明の実施形態のすべての修正、同等物、および代替物を網羅することを意図するものであることを理解されたい。本開示は図面を参照して説明され、同様の参照番号は実質的に同様の要素を示す。

本発明は、概して、線形リターダスタックによって生成された偏光変換に関連する。リターダスタックの必要性は、多くの場合、利用可能な異方性材料の特性の欠陥が原因で、必要に迫られて生まれる。このような欠陥は、垂直入射および／またはオフノーマルの挙動に影響を及ぼしかねない。たとえば、線形偏光から円偏光への無彩色の変換が、原則的に、すべての関連する波長での複屈折分散の特定を可能にする線形リターダ材料を使用して、単層で達成され得る。無彩色のリタデーションに関して、光路長差の増大（つまり複屈折の増大）により、波長の増大を補うことができ、これにより、一定の位相リタデーションを維持する。さらに、厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）がゼロになるように二軸性が制御され得る場合、理想的な性能がオフノーマルで維持され得る。このような材料がない場合、リターダスタックは、垂直入射偏光の変換スペクトルを合成するための魅力的な代替手段になり得る。しかし、このようなスタックの厚さ方向のリタデーションは、一軸性リターダを使用するときに有用な受光角を制限しかねない。

典型的な一軸延伸ポリマーリタデーダフィルムに関して、面内の経路長差は、Ｒ_e＝（ｎ_x−ｎ_y）ｄで与えられ、式中、ｎ_xは延伸方向（通常は縦方向）の屈折率であり、ｎ_yは横方向（またはクロスウェブ）の屈折率であり、およびｄはフィルム厚さである。これらの屈折率は波長依存性であるため、その差（別名、複屈折）は、典型的に波長とともに減少する。通常の位相リタデーションは、（波長依存性）経路長差対波長の比率に関連付けられた角度である。

平均の面内の屈折率の増大は、厚さ方向の経路長差をもたらし、これは以下によって与えられる：

式中、ｎ_zは厚さ方向の屈折率である。典型的な一軸性（別名、Ａプレート）リターダに関して、ｎ_y＝ｎ_z＝ｎ₀およびｎ_x＝ｎ_e（つまり、通常のおよび異常な屈折率）である。一般的な正の一軸性リターダは、厚さ方向よりも面内の平均屈折率（Ｒ_e）が大きい。関連付けられた経路長差は、概して面内の経路長差の半分であり、すなわちＲ_th＝＋Ｒ_e／２である。

光がオフノーマルの入射であるとき、厚さ方向のリタデーションは、典型的に偏光変換を劣化させるリターダスタックのインパルス列の複素振幅を修正する効果を有している。劣化の具体的な性質は、スタックにおけるリターダの分布に対する入射面（ＰＯＩ）の方位角の配向に依存している。しかし、概して、（Ａ）入射角（ＡＯＩ）が増大するにつれ性能が次第に悪化し、（Ｂ）特定の変換の質を改善するために層の数を増加させることによって、複合（または累積）Ｒ_thが増大し、結果としてＡＯＩでの性能の急速な低下をもたらすことは真実である。この問題に対する解決策は、より新奇のおよび／または複雑なリターダスタック材料の使用、またはコリメートされた入力を有する光学システムを設計することを含む。これらはいずれも、特定の用途では実用的でない場合がある。

図１は、先行技術の特定のリターダスタックペアを示し、スタック１の各層の垂直入射のリタデーション（Γ₁）は、スタック２における対応する層のリタデーションと同一である。対応する層は、示されるように中間点で鏡のように反映されている。スタック１の層に対する具体的な光軸の角度（α_i）は、ＰＢＶ１からＰＢＶ２に変換する際の望ましいインパルス応答に依存する。スタック１とスタック２の対応する層の各々の角度間の関係性（α’_i）は、目的が（たとえば）ＰＢＶ１を復元することである場合は、さらに制約され得る。

先行技術の設計方法において、これは、次の通りに達成することができる。

１．個別のＰＢＶ１から特定のＰＢＶ２を決定させることによって、第１のスタック設計を直接的に制約する。代替的に、個別のＰＢＶ２が決定されるように、特定の対称性を持つスタックペアのインパルス応答を制約する。

２．図２に示されるように、交差逆順序（ＲＯＣ）のスタックペアを形成するように、第２のスタックを配置する。ＲＯＣ配置では、スタック１における各層は、同じリタデーションを有し、スタック２における対応する層と交差している。この構成は、ＰＢＶ２に関係なく、複合のジョーンズ行列が垂直入射での単位行列であることを保証するので、元のＰＢＶ１がすべての波長で復元されることを保証している。

３．入射角および波長範囲にわたって、垂直入射のインパルス応答を最適に維持するために、必要に応じてＲ_th補償器を挿入する。

ＲＯＣ配置では、スタック１とスタック２が組み合わさったジョーンズ行列は、概して単位行列である（つまり、非対角項は同じゼロであり、対角成分は同一の複素振幅を有する）。これは、本明細書では「自明なケース」と呼ばれ、これは、スタック２が、具体的な入力基底ベクトル（ＰＢＶ１）、またはＰＢＶ２への具体的な変換のいずれにも関係なく、常に形成することができるためである。解決策のより広い空間では、非対角項の大きさは、設計によって最小化される（対角項の大きさが、ロスのないリターダスタックに対して１であると述べるのと同等である）が、任意の位相差が、ＰＢＶ１空間の対角成分間に存在し得る。この位相差は、本明細書では「線形の複合リタデーション（linear compound-retardation）」と呼ばれ、小さい複合Ｒ_thで設計を特定するために利用することができる変数である。ジョーンズ行列は、概して対角線にあるため、スタック１とスタック２を組み合わせた「固有偏光」と呼ばれる。つまり、本発明の設計は、スタック１とスタック２を組み合わせた非自明な固有偏光を表すＰＢＶ１空間のジョーンズ行列を表している。繰り返しになるが、自明なケースよりも本質的に低い固有のＡＯＩ感度を有する、より広いこの設計空間での解決策が好ましい。

問題なのは、先行技術の手法が、設計空間を過剰に制約するという事実にある。すなわち、本開示は、スタックペアの変換がいくつかのケースでは単位行列である必要がないことを認識している。重要なことに、ＰＢＶ１の復元のためのＲＯＣ配置は、ＡＯＩ依存性を緩和する際の固有のＡＯＩ感度および／または補償スキームの有効性を制限し得る。いくつかの例では、Ｒ_thの方位角と波長依存性により、ＲＯＣによる解決策の効果的な補正は実際には不可能になる可能性がある。本発明の一態様では、リターダスタックペアは、広範囲の波長および入射角にわたって、性能を維持するための実用的な補償スキームに好適に応答する必要なＰＢＶ変換を最小限の複合Ｒ_thで達成する。Ｒ_thの方位角依存性が、等しい大きさで、符号が反対であり、単純な補償装置（たとえばＣプレート）に一致させることができる程度まで、構造はすべてのＡＯＩに対する垂直入射インパルス応答を維持することができる。

最も一般的な意味では、スタック１は、１つ（または複数）のスペクトルバンドを生成し、そのスペクトルバンドにわたって、偏光は、ＰＢＶ１からＰＢＶ２に変換される。さらに、スタック１は、ＳＯＰが中間偏光状態にある１つ（または複数）の遷移スペクトルバンドとともに、１つ（または複数）のスペクトルバンドがＰＢＶ１を保持する設計を含んでもよい。スタック１を設計するための方法は、インパルス応答を直接制約することである。有限インパルス応答（ＦＩＲ）のフィルター設計方法は、スタック設計の識別に有用であることが知られているが、概して偏光変換を特定することはできない。線形システム理論は、電力伝送をインパルス応答に関連付けることができ、ここで、（典型的に線形偏光子間における）特定の透過スペクトルを生成する一連の設計を特定することができる。本開示では、その目的は、出力伝送スペクトルの制約を満たす、より一般的な解決策から特定の偏光変換スペクトルを生成するスタック設計のサブセットを特定することである。この付加的な制約は、特定の（リタデーション／角度）対称性を有するリターダスタックペアを使用して課されてもよい。

線形偏光入力に関して、円形、±４５°回転した線形、またはポアンカレ球の（Ｓ₂／Ｓ₃）平面にある他の楕円偏光など、スタック（ＰＢＶ２）間のＳＯＰが中間であることが必要とされてもよい。しかし、ＰＢＶ２への変換、および関連付けられた波長依存性は、用途によって必要とされ得るように、実際には任意である。さらに、第２のスタックがＰＢＶ１を回復するか、または別の基底ベクトルに変換することが必要されることがある。

いくつかの例では、スタック１を使用して、無彩色（別名、広帯域）の第１の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ１）から、無彩色の第２の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ２）に変換し、その後、スタック２を使用して、光をＰＢＶ１に戻す、スタックペア設計が必要とされる。これらの状況下で、本開示は、入力偏光が、スタック１とスタック２が組み合わせた固有偏光と見なすことができることを認識している。言い換えれば、その組み合わせは、（ロスのない）対角化したジョーンズ行列を表している。物理的には、その構造は、波長安定性があり、入力偏光に平行／垂直である複合の光軸を有している。ＰＢＶ１からＰＢＶ２に変換する具体的なスタック設計を特定するために、追加の制約が必要とされる。議論されるように、先行技術の解決策は、後者を特定し、その後、交差逆順序（ＲＯＣ）配置を構築することである。ＲＯＣの場合、ジョーンズ行列は単位行列を表し。これは十分ではあるが不要な制約である。物理的には、ＲＯＣ配置は、垂直入射で等方性であるように見え、定義上、透過時の入力偏光を維持する。本開示は、最小限の複合Ｒ_thを有するスタック、または光がオフノーマルの入射であるときの比較的堅牢なインパルス応答を特定する意図で、ＲＯＣ以外の解決策を求めている。本開示はさらに、利用可能な補償スキームに好適に応答する設計を含む。

他の例では、スタック１を使用して、無彩色の第１の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ１）から、第２の無彩色の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ２）に変換し、その後、スタック２を使用して、光をＰＢＶ１に直交する状態に戻す、スタックペア設計が対象となる。一例では、スタックペアは、逆順序（ＲＯ）の関係性を有するか、またはＲＯに効果的な反射モードで動作する（たとえば、再帰反射器がスタック１に続く）。その一例は、光アイソレータであり、ここでスタック１は、線形偏光から円偏光に変換し、スタック１の逆順序パスは、円偏光から直交線形偏光に変換する。この光は、線形偏光子の吸収軸に沿って配向するので、消失される。もちろん、この配置は、伝送モードにおいてＲＯ構造を形成するように、スタック２を配置することによっても構築することができる。議論されるように、広範囲の波長にわたって線形偏光から円偏光に効果的に変換するスタックは、いくつかの層を必要とし、これによって、優れた垂直入射挙動を付与するが、多くの場合、オフノーマルの性能（たとえばアイソレータのコントラスト）を犠牲にする。

本開示の目的は、入射角の範囲にわたって、垂直入射インパルス応答を最良に維持することができる、利用可能な（たとえば正の一軸性）材料および実用的な補償器を使用して、最適なスタック設計を特定することである。補償器は、典型的に、垂直入射での偏光変換には寄与しないが、光がオフノーマルの入射であるときに偏光エラーを補正しようとするリターダ層を指している。本発明の１つの手法は、リターダスタックの各層を補償するよりもむしろ、補償を（たとえば）スタックペア間の単一の位置に統合する解決策のための設計空間を求めることである。一軸性スタックにおける入射角感度から垂直入射の性能を分離するように補償するための方法が、発明の名称が「Wide-Angle Compensation of Uniaxial Retarder-Stack Pairs」である同時係属中の米国特許出願公開第２０１９／００１８１７７号明細書に記載され、その内容は、引用により組み込まれる。本開示は、対称性がより好適なＡＯＩの性能を可能にするという注目すべき利点を有して、必要な偏光変換を実施するための（たとえば、ＲＯＣに限定されない）より広範な一連の解決策を特定しようとしている。これは、（たとえば）解決策を十分に制約するスタック間の対称性を利用することによって行われる。

最近の用途は、線形偏光と円偏光との間の順方向／逆方向の変換を正確に変換する偏光光学系を必要としている。多くの場合、この変換は、波長と入射角の両方に非感受性でなければならない。多くの場合、構成要素は、説明される設計上の課題を生み出し得る正の一軸性リターダに限定される。実施例では、コレステリック液晶、幾何学的位相回折光学素子（レンズ、ビームステアラーなど）、および円形固有偏光を有するホログラフィック光学素子を含んでいる。線形偏光子は、非常に一般的であるため、各偏光光学系の性能を最適化するために、偏光基底ベクトルを切り替える変換が必要とされる。

別の例では、液晶デバイスなどの偏光スイッチを含んでいる。たとえば（各々が引用により本明細書に組み込まれる米国特許第５，６１９，３５５号明細書および米国特許第６，８８２，３８４号明細書に記載されるように）、入力偏光状態の配向、楕円率、位相、または掌性を切り替えるために、ＬＣ可変リターダを使用することができる。そのような変調に対する前提条件にＳＯＰを変換するために、リターダスタックを使用することができる。本発明では、広い受光角を有する広帯域変換を広角広帯域ＬＣスイッチと組み合わせて、新しいクラスの変調器を作り出することができる。後者の例は、発明の名称が「Self-Compensating Liquid Crystal Retardation Switch」である同時係属中の米国特許出願第１６／１９５，６１８号明細書に開示されており、その内容全体は、引用により本明細書に組み込まれる。

別の例では、典型的に線形吸収型偏光子に続いて１／４波長リターダで構成される、偏光依存型アイソレータ（polarization-based isolator）を含んでいる。この配置では、順方向パスで偏光子によって透過された光が、逆方向パスで偏光子によって吸収されるが、戻り光は、下流での純粋な鏡面反射からのものであり、リターダは、往復で半波長のリタデーションを提供することを前提としている。これらの単純なアイソレータは、ＣＲＴモニタからグレアを除去するなどの用途に使用されていた。今日、それらは（たとえば）携帯電話の直射日光下の可読性に関連している。これは、時に、アドレス指定構造からの反射の影響を非常に受けやすいＯＬＥＤディスプレイに当てはまる。しかし、ＯＬＥＤは、（たとえばＬＣＤに対して）他に偏光子を必要せず、戻り光は、事実上鏡面であるため、このアイソレータは、非常に効果的であり得る。典型的に、アイソレータのコントラストは、線形から準円形への変換の波長と入射角依存性によって制限される。このように、本発明の設計は、ＯＬＥＤディスプレイに非常に関連している。

別の例では、その内容全体が引用により本明細書に組み込まれる、発明の名称が「Hollow Triple-Pass Optical Elements」である同時係属中の米国特許出願第１６／２６０，９０３号明細書に記載されるような、広角コリメータを含んでいる。この場合、順方向パス（スタック１＋スタック２）は、入力ＳＯＰを復元することが必要であるとともに、その後のスタック２のダブルパス（つまりＲＯ）は、入力ＳＯＰから直交ＳＯＰに変換することが必要である。これは、典型的には、スタック１を介した線形から円形へのＰＢＶ変換を必要とし、スタック２のダブルパスは、無彩色の半波長リターダとして機能する。このような構造は、典型的に、可視光バンドの全体にわたって、かつ、迷光やゴースト画像を回避するために広範囲の入射角にわたって、動作する必要がある。以下の例示的な例に関して、その目的は、ＰＢＶ１からＰＢＶ２への変換のスペクトル範囲のバンド幅およびダイナミックレンジを可能な限り最大化するために、スタック１を明示的に使用することである。スペクトルの対応範囲（spectral coverage）を広げるために、層の数が増加すると、複合Ｒ_thも増大されるので、補償要件を修正する（および、多くの例では、増加させる）ことができる。後者はまた、実施例１および２に示されるように、偏光変換にも特異的である。

前述されたように、概して、１つまたは複数の層が、スタック１とスタック２との間に挿入される場合がある。これらの層は、一般的に「光学機能」層と呼ばれ、好ましくは、光学機能層は、ＰＢＶ１ではなく、ＰＢＶ２を有する光を受光する。光学機能層は、補償層、受動／能動部品、偏光光学系、屈折要素、反射要素、回折要素を含む、前述の例のすべてを含む。ＰＢＶ２への偏光変換は、ＰＢＶ１が導入されるよりも最適に近い１つまたは複数の光学機能層からの光学応答を生成することを意図している。いくつかの例では、ＰＢＶ２は、最適なＳＯＰを表すため、波長とＡＯＩが安定している必要がある。

本開示の実施例１では、広範囲の波長にわたって、線形偏光から円偏光に変換するために、正の一軸性リターダスタック１が使用される。スタック２は、直交ＳＯＰに変換するために逆順序（ＲＯ）スタックを形成するか、またはスタック１の後にミラーを形成して、逆方向パスで効果的なＲＯ配置を決定する。この設計には、広範囲の可視波長にわって動作し、単一の位置で＋Ｃプレート補償を介して、オフノーマルでその挙動を維持することが必要とされる。

関連する実施例２では、スタックペアは、中間点で線形基底ベクトル（ＰＢＶ１）から円偏光基底ベクトル（ＰＢＶ２）に変換し、第２のスタック後にＰＢＶ１を復元する。

本実施例で使用される設計ステップは次の通りである。

１．可能な限り広いスペクトル帯域を直交ＳＯＰに変換するように（奇数の層を含む）逆順序（ＲＯ）スタックを制約する。その制約は、フーリエ正弦級数でのインパルス応答の非対角項の展開を使用することができる。この場合、すべての層は、設計波長で半波長である同じリタデーションを有する。

２．ＲＯスタックを半分に分割して、スタック１を形成する。スタックペアが奇数の層を有しているため、最後の層は、概して設計波長で１／４波長リターダである。ＲＯスタックを直交ＳＯＰに変換するために、リタデーションのみ（ゼロ回転）で変換する必要がある。そのため、中間点のＳＯＰは円形に制約される。

３．スタック２をスタック１の約０°に対する逆順序投影（reverse-order reflection about zero：ＲＯＲＡＺ）配置として形成する。すなわち、ＲＯＲＡＺは、逆順序スタックであり、スタック１の角度の符号は、スタック２において反転される。ＲＯＲＡＺの特徴は、回転を２倍にしながら、スタック１からの任意の遅延を無効にすることである。ＲＯ設計は、最小の回転を有するように制約されているため、ＲＯＲＡＺ配置は、元のＳＯＰを復元することができる。

４．補償器をスタックペア間に挿入して、複合Ｒ_thを抑制し、垂直入射インパルス応答の角度依存性を最小化する。

ステップ１で特定される具体的な解決策は、サイドローブのレベルとスペクトルの対応範囲との間のデジタルフィルタリングのトレードオフに依存する。典型的に、一連の解決策の数と基本的な特徴は一貫しており、小さな角度調整がトレードオフから結果として生じる。この例に関して、（コントラストを判定する偏光純度に関連付けられた）パワースペクトルのサイドローブのレベルは０．００１未満に維持され、これは、各設計のスペクトルの対応範囲を大きく左右する。唯一の例外は、Ｎ＝３の場合であり、十分な可視スペクトルの対応範囲を提供するために、より高いサイドローブが可能になっている。Ｎ＝３のＲＯによる解決策は、信号処理アルゴリズムの恩恵なしに１９５０年代におけるPancharatnamによる無彩色の半波リターダに対して導出されたものに非常に近いことに留意されたい。

層の数が少ない設計は、典型的に、広いスペクトルの対応範囲を有して、高度の偏光制御を同時に有することができないことに留意することが重要である。この状況では、垂直入射での明所コントラストに影響を与える光漏れは、サイドローブ、不十分なスペクトルの対応範囲（つまり、バンドエッジ）、またはその２つの組み合わせから結果として生じることがある。オフノーマルのリタデーションシフトが、サイドローブのレベルを増大させ得るか、バンドエッジをさらに可視にシフトさせ得るか、またはその両方を行い得る。したがって、ある設計は、垂直入射で適切に実施され得るが、ＡＯＩの増大に伴って性能を維持するために、層の数を増加させる必要がある場合がある。

通常、ステップ１から結果として生じる同じインパルス応答を有する複数の設計がある。Ｎ＝３、５、７、および９の層に対するＲＯによる解決策が生成された。たとえば、（Ｎ＝３）のケースは、２つの解決策を生成し、（Ｎ＝５）は、４つの解決策を有し、（Ｎ＝７）は、８つの解決策を有し、（Ｎ＝９）は、同じインパルス応答を有する１２の解決策を有している。表１の記載は、ＨＷ層が「扇状（ｆａｎ）」の角度配置を有する、特定の一連の解決策を表している。

Ｎ層およびＲＯ対称を有する、ステップ１によるスタックペアは、（Ｎ＋１）／２の層を有するスタック１設計を生成する。表１は、３つ、５つ、７つ、および９つの層を有するＲＯ設計に好ましいスタック１のリタデーション／角度の一例を示す。表１はまた、ステップ３によるスタック１から派生するスタック２の層のリタデーション／角度を示している。

本開示は、同一（垂直入射）のインパルス応答を有するスタック設計のすべてが、必ずしも同じオフノーマルの挙動を有するわけではないことを認識している。さらに、スタック設計のすべてが、必ずしも利用可能な（たとえばＣプレートの）補償装置を使用して効果的に補償され得るわけではない。好ましい一群の解決策の１つは、図３に例示され、図３は、半波（ＨＷ）リターダと、その後の単一の１／４波長（ＱＷ）リターダの特定の配置を含む。具体的には、ＨＷリターダは、表１に示されるように、連続的に増大する配向（つまり、α₂＞２α₁、α₃＞２α₂など）を有し、その結果、ポアンカレ球上で観察される偏光変換の大きさは、各ＨＷリターダとともに増大する。正味の効果は、設計波長での回転した線形状態であり、ここで、最後のＨＷリターダを出射する偏光の配向は、ＱＷリターダの光軸に対して４５°の角度を形成する。ＨＷスタックの目的は、前もってＳＯＰの条件を整え、その楕円スペクトルをＱＷリターダによって最後の変換に導入される楕円スペクトルに一致させることである。理想的な状況下では、この一致によって、ＱＷリターダは、すべての関連する波長をポアンカレ球の極に変換することを可能にする。

前述されたように、半波長層の数を増加させることによって、インパルス応答の精度を増大させることができ、リターダスタックのスペクトルの対応範囲およびダイナミックレンジの増大が可能になる。これに関連して、半波長スタックの目的は、１／４波長リターダの楕円率スペクトルと一致する楕円率スペクトル（つまり、赤道上／下の緯度における楕円率のスペクトル分布）を有する一定の偏光配向を生成することである（つまり、すべての波長はポアンカレ球上で同じ長さを有する）。可視光の適用のために、緑色光は、赤道上にあり、青色光は、赤道の下にあり、赤の光は、赤道の上にあり、それによって、ＱＷリターダは、３つのバンドすべてを極にマッピングする。この変換は、層の数が増加するにつれて、より正確にすることができ、十分なＨＷ層があれば、ＱＷリターダによって導入されたものと実質的に同じ一致になり得る。したがって、ＱＷを出射する光は、原則として、すべての波長で１の楕円率を有することができる。

本開示は、広範囲の波長を線形ＳＯＰから円形ＳＯＰ（およびその逆）に変換する具体的なリターダスタック設計の必要性を予想し、また、利用可能な材料を使用して効果的に補償される（たとえば＋Ｃプレートリターダ）。＋Ｃプレートリターダは、反応性メソゲン、またはリターダスタックに直接適用することができる液晶ポリマーコーティングを使用して、ディスプレイ業界向けに開発された。図３に準拠する一群のスタック設計は、これらの特性を有することができ、同じインパルス応答を有する他の設計よりも好ましい。

以下は、本開示のリターダスタックペアの性能を評価するのに有用であり得る指標の例である。

１．ＰＢＶ２の垂直入射の偏光楕円率のスペクトル。繰り返しになるが、これは、材料（分散）特性Ｎによって、かつ、いくらか中心波長の選択によって、制限される。これを評価するための方法は、スタック１のＲＯバージョンと対となるスタック１をモデル化／測定し、（たとえば）平行偏光子間の明所コントラストを評価することである。直交ＳＯＰに変換するスタックペアの能力は、ＰＢＶ２の楕円率の指標である。

２．ＰＢＶ１の垂直入射の復元。差し当たり、ＲＯＣが使用されていない場合、これは、Ｎおよび中心波長の影響も受け得る。交差偏光子間のスタックペアの（たとえば明所）コントラストによって、性能を付与することができる。ＲＯＣは、ここでは、すべてのＰＢＶ２に対して、無限のコントラストを付与するが、ここで議論される解決策では、ＰＢＶ１は、組み合わされるスタックの安定した固有偏光である必要があることを思い出してほしい。関連付けられる変換は、不完全であって、コントラストを制限してもよい。

３．補償されたスタック１に対するＰＢＶ２の偏光楕円率のスペクトルのＡＯＩ依存性。指標１にあるように、これをモデル化／測定するための潜在的な方法は、スタック１をスタック１のＲＯバージョンとペアリングし、平行偏光子間のコントラストの極プロットを評価することによって行われる。

４．ＰＢＶ１の復元のＡＯＩ依存性。指標２にあるように、これをモデル化／測定するための潜在的な方法は、補償されたスタック１とスタック２をペアリングし、交差偏光子間のコントラストの極プロットを評価することによって行われる。

本開示の実施例１では、性能は、ここでは、上記の指標３を使用して特徴付けられる。選択される設計は、表１に示される角度を有する、３つのＨＷ層を使用する設計である。この場合、そのモデルはスタック１の真のダブルパスを表し、Ｃプレートの補償リタデーションが、リターンパスでの偏光子を通るオフノーマルの漏れを最小限にするように選択される。参考までに、理想的なアイソレータは、すべての関連する波長および入射角に対するスタック１のダブルパス後に偏光子の吸収軸に沿って線形ＳＯＰを生成する。この逆は、アイソレータのコントラストを付与する。

本開示によれば、図３のＨＷの角度は、概略β＝２（α_M−α_M-1＋α_M-2−α_M-3＋・・・）の回転角を生成するように選択され、ＱＷの配向は、およそα₀＝（β＋π／４）によって与えられる。表１の３つのＨＷの例に関して、β＝６５．２°であり、これは、−６９．８°の計算されるＱＷ角度を与える。図４は、入射角に応じたワーストケースの方位角でのコントラストの極プロットによる折れ線グラフである。そのコントラストは、フラットトップ型の入力スペクトルを想定したスタックのダブルパス後に、偏光子を通る漏れのルーメンで割った入力ルーメンの比率として計算される。これは、垂直入射での直交ＳＯＰに対する＞３０，０００：１の出力変換を示し、１９°のＡＯＩでは１，０００：１を示す。ＨＷ／ＱＷリターダは、分散がなく、中心波長は５００ｎｍであり、分散のないＣプレートは、８０ｎｍの正のＲ_th（シングルパス）を有する。偏光子は、吸収軸に沿う透過がゼロであり、直交方向での透過が１である。

本発明の実施例２では、本明細書で教示される４つの設計ステップは、スタック１を介して線形ＰＢＶ１から円形ＰＢＶ２に変換し、その後、スタック２を介して入力ＳＯＰを復元するために使用される。その性能は、先行技術のＲＯＣ手法を使用して設計に対してベンチマークテストにかけられ、ここでは、４つの指標のすべてが関連している。本実施例では、表１の最も単純なスタック（Ｎ＝３）が使用され、実施例１と同じ材料特性が与えられる。本発明および先行技術の設計手法の両方が同じスタック１を特定することができるため、上記の指標１は、両方に対して同じであると想定される。指標３は、スタックペアの角度性能を最大化するＣプレートのリタデーションを選択することによって最適化することができる。指標２は、単位行列を生み出すため、ＲＯＣ配置にとって例示的なものであるが、本明細書で教示される技術に対して設計依存性である。その比較は指標４の比較にかなり焦点を当てている。

光学構成（たとえば広角コリメータ）によって、指標３および指標４に対する補償の最適化は、ステップ４に従って、独立して行われ得る。その目的は、ＰＢＶ２のオフノーマルの安定性を最適化するスタック１の補償を特定することであり、これは、組み合わせられたスタックの補償とも互換性がある。たとえば、リタデーションΓ₁を有するＣプレートの補償装置は、ＰＢＶ２を最適化することができ、リタデーションΓ₂を有するＣプレートの補償装置は、全体的な変換を最適化することができる。これは、リタデーションΓ₁およびリタデーション（Γ₂−Γ₁）を有する一対のＣプレートを使用して達成することができる。図５は、その例である。

図５は、実施例２によって最適化された設計の配置を示す。図６は、本明細書で教示される技術に関するワーストケースの方位角でのコントラスト対入射角（空気中）と、ＲＯＣ配置とを比較している。図６は、スタックペア間に任意の補償を挿入する前であっても、後者の性能が比較的低いことを実証している。ＲＯＣによる解決策は、ＡＯＩがゼロに近づくにつれ無限コントラストに収束するため、８°未満の角度に対して、本明細書で教示される技術のこのＲＯＲＡＺの例より性能が優れていることに留意されたい。しかし、クロスオーバーコントラスト（cross-over contrast）は、約４，０００：１であり、これは、垂直入射であっても典型的なシステムの測定値よりも高い。垂直入射でのより高い明所コントラストは、追加の層を加えることによって、または典型的にスペクトルの緑色／黄色部分における性能を強化する効果を有するＮ＝３の設計に対してわずかな調整を行うことによって、得られ得ることに留意されたい。

スタックペアのコントラストの極プロットの最大化に基づいて、２００ｎｍの正の組み合わされたＣプレートのリタデーションが選択された（つまり、Ｒ_th＝−２００ｎｍ）（指標４）。＋Ｃプレートに対する最適なリタデーションは、ＲＯＣのケースに対して、より高いと判定され（２４０ｎｍ）、これにより、２つのケースに対するＰＢＶ２の角度性能間にわずかな差が生成し得る。図７は、ワーストケースの方位角における補償されたＲＯＣ配置の角度依存性コントラストと本明細書で教示される技術の角度依存性コントラストとを比較している。前述のように、ＲＯＣ設計は、小さな角度でより優れた性能を発揮するが、クロスオーバーコントラスト（cross-over contrast）は、ここでは、約６，０００：１である。より大きなすべての角度に関して、本明細書で教示される技術の性能は、大幅に向上している。図６と図７を比較すると、ＲＯＣのケースは、補償を伴う漸進的なコントラストの改善がある一方で、ＲＯＲＡＺのケースは、劇的な改善があることを示している。繰り返しになるが、これは、オフノーマルでＲ_thによって導入されたリタデーションの大部分が、方位角で比較的均一な挙動を有し、そのため、単一の＋Ｃプレートで補償され得るためである。実施例２のＲＯＲＡＺ設計に関して、図７は、１，０００：１のコントラスト境界が、約２６°のＡＯＩであり、５００：１が、３２°であり、２００：１が、４１°であり、１００：１をはるかに超えると、４６°であることを示している。２４°を超える任意のＡＯＩに関して、本明細書で教示される技術は、補償されたＲＯＣのケースよりも８〜９倍高いコントラストをもたらす。

スタックＲ_thの補償は、多くの形態をとることができる。正の一軸性材料を使用するとき、Ｒ_thは正であり、通常、負のＲ_thを有する補償装置を必要とする。この例では、正のＣプレート（光軸が基板に垂直な正の一軸性材料）、またはリタデーションが一致する交差する負のＡプレート（光軸が面内にある負の一軸性材料）を含んでいる。典型的な解決策では、二軸延伸一軸フィルム、液晶ポリマー、さらには無機結晶を含んでいる。これらの挙動の主な違いは、適用される補償器の方位角依存性である。どちらの補償装置も、垂直入射ではＳＯＰに影響を与えない。スタック間のＳＯＰが実質的に円形である場合には、両方の補償装置が、オフノーマルで任意の光入射にリタデーションシフトを用いる。補償の大きさは、ＡＯＩとともに増大する。その違いは、Ｃプレートに対して投影された光軸の配向は、概して入射面（ＰＯＩ）に含まれる一方で、交差する負のＡプレート（ＣＮＡＰ）構成の光軸は、配向において実質的に固定されていることである。ＣＮＡＰの光軸を含むＰＯＩでは、２つの補償装置は、実質的に同じように機能する（すべてが同じベースのリタデーションを有することを想定している）。しかし、ＰＯＩがこれに対して±４５°であるとき、２つの補償装置の光軸の配向間の方位角の差は、最大になる。さらに、この方位角では、ＣＮＡＰリターダの光軸は、幾何学的な回転により、交差して出現することはない。

必要とされる補償の量（および、その波長依存性）は、具体的なスタック設計に依存する。ＣプレートとＣＮＡＰ補償装置の組み合わせは、これを最良に実現するために、さまざまな構成で使用することができる。実施例２のＲＯＲＡＺ設計は、正のＣプレートおよびＣＮＡＰ補償装置が、このスタック設計で使用される２つの単純なケースの違いを実証している。ここで使用される指標は、ポアンカレ球の赤道に関してスタック１を出射するＳＯＰのための仰角（ＥＡ）であり、これは、ＰＢＶ２の楕円率の尺度である。理想的な仰角は、もちろん９０°、すなわち１の楕円率である。図８は、補償なしのスタック１、１３０ｎｍの＋Ｃプレートによる補償、および一対の１３０ｎｍのＣＮＡＰリターダによる補償に対する、３０°のＡＯＩでの緑色（５４０ｎｍ）のポアンカレＥＡの方位角依存性を示している。もちろん、補償の効果は、他の波長では異なる。ＰＯＩがＣＮＡＰの光軸を含むときのこれらの補償スキームに対して、ポアンカレＥＡは、同じであることに留意されたい。この場合、ＣＮＡＰの光軸は±４５°である。また、この特定の場合において、方位角によるＥＡでの山から谷までの変調が、ＣＮＡＰを使用するときよりもＣプレートを使用するときに大きいが、両方が、実質的に各タイプによって導入される−Ｒ_th補償から恩恵を得ることに留意されたい。

楕円率は、楕円偏光のフレーム内の電場比としても表すことができ、ここで、電場比（ＦＲ）は、円形のＳＯＰに対しては、１である。｜Ｅ_y｜＜｜Ｅ_x｜を有する楕円のＳＯＰに関して、電場比（≦１）は、角度ε＝ｔａｎ^-1ＦＲ、またはε＝ｔａｎ^-1｜Ｅ_y｜／｜Ｅ_x｜によって楕円率に関連している。たとえば、本明細書に開示されるような高性能のリターダスタックは、分散のないゼロ次リターダを使用するときに、可視光スペクトル全体にわたって、Ｎ＝３で＞０．９５およびＮ＝７で＞０．９８の総計のＦＲを生成することができる。総計の楕円率の電場比も、眼がセンサとして使用される場合に、明順応した重み付けとして表すことができる。補償装置の目的は、可能な限り広範囲の入射角にわたって、総計のＦＲを１近くに維持するために、複合Ｒ_thを最小限に抑えることである。

実施例３．別の例は、無彩色の座標軸の回転が必要とされる場合である。本実施例では、スタックペアが、第２のスタック後にＰＢＶ１を復元しながら、中間点で無彩色の４５°回転した線形偏光基底ベクトル（ＰＢＶ２）を生成する。本実施例で使用される設計ステップは以下の通りである。

１．スペクトル帯域を可能な限り広く直交ＳＯＰに変換するように（偶数の層を含む）ＲＯＲＡＺスタックを制約する。その制約は、フーリエ正弦級数でのインパルス応答の非対角項の展開を使用することができる。この場合、すべての層は、設計波長で半波長である同じリタデーションを有する。

２．ＲＯＲＡＺスタックを半分に分割して、スタック１を形成する。スタックペアが偶数の層を有しているため、スタック１のすべての層は、設計波長での半波長である。ＲＯＲＡＺスタックを直交ＳＯＰに変換するために、回転のみ（ゼロのリタデーション）で変換する必要がある。そのため、中間点のＳＯＰは、４５°の線形に制約される。

３．スタック２をスタック１の逆順序（ＲＯ）配置として形成する。ＲＯの特徴は、回転を２倍にしながら、スタック１からの任意の回転を無効にすることである。ＲＯ設計が最小の回転を有するように制約されているため、その配置は、元のＳＯＰを復元することができる。

Ｎ層を有するステップ１によるＲＯＲＡＺ対称性を有するスタックペアは、Ｎ／２層を有するスタック１の設計を生成する。表２は、４つ、６つ、８つ、および１０の層を有するＲＯ設計に対するスタック１の角度を示し、ここでは、すべての層は、設計波長での半波長リターダであり、サイドローブのレベルは、０．００１未満に維持される。繰り返しになるが、同じインパルス応答を有する複数の設計があることに留意されたい。たとえば、（Ｎ＝４）のケースには、４つの解決策があり、（Ｎ＝６）には、８つの解決策があり、（Ｎ＝８）には、１６の解決策があり、および（Ｎ＝１０）には、３２の解決策がある。表２の例は、実施例２におけるように、ＨＷ層が「扇状」の特性を有する、特定の一連の解決策を表している。表２はまた、スタック１から導出されたスタック２の角度も示している。

実施例３では、図６に示されるように、Ｎ＝６であるスタックペアが使用される。層はすべて、ゼロの複屈折分散を有する５３０ｎｍでの半波リターダである。

実施例３の（回転子）の設計の特徴の１つは、リタデーションに対する補償が、ほとんど影響を及ぼさないことである。一軸性材料を使用する複合Ｒ_thは、概してゼロ以外であるが、その大部分は、光軸が安定しており、入力と位置合わせされる線形の複合リタデーションの形態とすることができる。そのため、実施例３の本来のコントラストの性能と対応するＲＯＣの性能と比較するために、このケースでは、指標４が使用される。

図９は、実施例３の設計および対応するＲＯＣ設計に対するワーストケースの方位角での（指標４の）コントラスト対入射角を示している。ＲＯＣ設計は、８°未満でより高いコントラストをもたらすが、実施例３のコントラストは、これよりも小さい角度に対しては１０，０００：１を超えたままである。１６°を超える角度に対して、実施例３の設計は、ＲＯＣ設計のコントラストより３〜４倍大きなコントラストを提供する。

本発明の一態様では、スタック１は、特定のＰＢＶ変換を生成するように設計することができる。その後、入力ＰＢＶを復元するために、スタック１とスタック２との間で設計角度の対称性が利用される（たとえば、実施例２および３）。これは、代替的に、実施例１におけるように、第３のＰＢＶに変換するために使用することができる。一連の解決策は、概して、垂直入射インパルス応答の劣化を軽減するために、中間点で補償することができる。これは、任意のＰＢＶのケースに当てはまり、設計方法を例示するために３つの実施例が与えられている。それはまた、（たとえば）線形から直交線形、円形から線形、円形から（逆偏光の）円形などのＰＢＶ変換を含む。与えられる実施例は、例示的であって、本発明の範囲を限定するようには意図されてない。

広角の波長選択性の偏光変換は、たとえば、画像投影および直視型ディスプレイ、画像キャプチャ、センサ、偏光計測、拡張／仮想／複合現実感ヘッドセット、サングラス、分析、および通信に有用である。本明細書で教示される技術は、光がオフノーマルで入射したときに、リターダスタックの垂直入射インパルス応答の保持が維持される必要がある状況に適用することができる。これらの技術は、構成要素が、一軸性リターダ、またはゼロ以外のＲ_thを有する任意のリターダである状況で特に有用である。本明細書で教示される設計は、ＵＶ、近赤外線、および赤外線バンドを含む、任意のスペクトルバンドに適用することができる。

適用可能な材料は、線形リターダとして機能する任意の有機層または無機層を含んでいる。延伸した有機のリターダ材料は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリカーボネートコポリマー、ポリスチレン、および環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）または環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）を含んでいる。さらに、液晶ポリマー／反応性メソゲンが含まれる。無機材料は、石英、ニオブ酸リチウム、サファイアなどの結晶を含んでいる。

広帯域（たとえば、無彩色）になるように設計される本発明の実施形態は、複屈折分散が小さいベースリターダ材料から恩恵を得る。たとえば、ＣＯＰは、ＰＣよりも複屈折分散が小さいため、特定の無彩色のスタック設計は、前者でのスペクトルの対応範囲がより広くなる。別の言い方をすれば、ＰＣと比較して、より少ない層でＣＯＰを使用して同じ性能を達成する可能性がある。しかし、本開示は、これを超える価値、すなわち、逆分散を有するベースフィルムを使用して、無彩色のリターダスタックを形成する価値を認識している（つまり、複屈折は、波長とともに増大する）。この場合、すでに準無彩色であるベースフィルムは、わずか数層の単純なスタック設計を使用して、極端な波長非感受性を有するリターダスタックを生成することができる。たとえば、帝人株式会社は、無彩色のリターダスタックのベースフィルムとして使用することができるような、逆分散（ＷＲ−Ｍ）を有するコポリマーを製造している。たとえば、表１の３つのＨＷ層のスタックは、実施例１に示されるゼロ分散のケースよりも広いスペクトルの対応範囲を有するアイソレータを作り出すために使用することができる。代替的に、十分に無彩色のベースフィルムが、２つのＨＷ層を使用して、または潜在的に１つのＨＷ層を使用しても、３つのＨＷ層のスタックの垂直入射の性能を発揮することができる。

本発明の実施形態は、図面および前述の記載において詳細に例示され、説明されているが、そのような例示および説明は、例と考えられるべきであって、特徴を限定するものではない。たとえば、上記で説明された特定の実施形態は、他の説明された実施形態と組み合わせ、および／または他の方法で配置することができる（たとえば、プロセスの要素は他の順序で実行されてもよい）。したがって、例示的な実施形態およびその変形のみが示され、説明されていることを理解されたい。

Claims (27)

1. 光の偏光を操作するためのデバイスであって、
   入力光の偏光を第１の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ１）から第２の偏光基底ベクトル（ＰＢＶ２）に変換する第１のリターダスタック（スタック１）であって、スタック１が、複数の層を有し、スタック１における層の数、リタデーション値、および層の配向が、所定の波長範囲にわたって実質的にスペクトル均一なＰＢＶ２を生成するように選択される、第１のリターダスタック（スタック１）と、
   光の偏光をＰＢＶ２からＰＢＶ１に戻す第２のリターダスタック（スタック２）であって、ＰＢＶ１が、スタック１とスタック２を組み合わせた非自明な固有偏光であり、スタック２が、複数の層を有し、スタック１と直列に配置される、第２のリターダスタック（スタック２）と、
   スタック１とスタック２との間の１つまたは複数の光学機能層と
   を備える、デバイス。
2. スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有し、スタック１およびスタック２のベースリターダ層が各々、Ｒ_th≧Ｒ_e／２を有している、請求項１記載のデバイス。
3. スタック２の層は、スタック１の層に対して逆順序（ＲＯ）配置を有している、請求項２記載のデバイス。
4. スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有し、スタック１およびスタック２のベースリターダ層が各々、ゼロに近い複屈折分散を有している、請求項１記載のデバイス。
5. スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有し、スタック１およびスタック２のベースリターダ層が、逆の複屈折分散を有している、請求項１記載のデバイス。
6. スタック１およびスタック２の各々は、ベースリターダ層を有し、スタック１およびスタック２のベースリターダ層が、環状オレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー、またはポリカーボネートの１つである、請求項１記載のデバイス。
7. スタック１およびスタック２の層は、互いに溶剤結合されている、請求項１記載のデバイス。
8. ＰＢＶ１は、線形偏光であり、ＰＢＶ２は、ＰＢＶ１を±４５°回転させたものである、請求項１記載のデバイス。
9. スタック１は、２つ以上の半波長リターダを含む、請求項８記載のデバイス。
10. 正のｃプレートおよび交差する負のａプレートの１つまたは両方が、複合Ｒ_thを減少させるために、スタック１とスタック２との間に挿入される、請求項８記載のデバイス。
11. ＰＢＶ１は、線形偏光であり、ＰＢＶ２は、円偏光である、請求項１記載のデバイス。
12. スタック１の前に第１の線形偏光子およびスタック２の後に第２の線形偏光子をさらに含み、前記第１の線形偏光子および前記第２の線形偏光子は、平行な吸収軸を有している、請求項１１記載のデバイス。
13. 前記第１の線形偏光子の層は、Ｒ_th＜５ｎｍを有する保護基板で覆われている、請求項１２記載のデバイス。
14. ＰＢＶ２の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で少なくとも０．９５である、請求項１１記載のデバイス。
15. ＰＢＶ２の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で少なくとも０．９８である、請求項１１記載のデバイス。
16. スタック２の層は、スタック１の層に対し、０°に対する逆順序投影（ＲＯＲＡＺ）の配置を有している、請求項１１記載のデバイス。
17. スタック１は、１／４波長リターダの後に、１つまたは複数の半波長リターダを含む、請求項１１記載のデバイス。
18. スタック１は、（α₂＞２α₁、α₃＞２α₂．．．）のように角度（α₁、α₂．．．α_M）で配向される遅相軸を有し、配向β＝２（α_M−α_M-1＋α_M-2−・・・）で準線形回転するＳＯＰを生成するＭ半波長リターダの後に、実質的にα₀＝（β＋π／４）に沿った遅相軸配向を有する１／４波長リターダを含む、請求項１７記載のデバイス。
19. 複合Ｒ_thを減少させるために、スタック１とスタック２との間に挿入される正のｃプレートおよび交差する負のａプレートの１つまたは両方をさらに含む、請求項１６記載のデバイス。
20. 光の偏光を操作するためのデバイスであって、
    順方向パスの光の偏光を所定の波長範囲にわたって線形偏光（ＰＢＶ１）から円偏光（ＰＢＶ２）に変換するリターダスタックであって、前記リターダスタックが、各々がＲ_th≧Ｒ_e／２を有する複数のベースリターダ層を有し、前記リターダスタックが、（α₂＞２α₁、α₃＞２α₂．．．）のように角度（α₁、α₂．．．α_M）で配向される遅相軸を有し、配向β＝２（α_M−α_M-1＋α_M-2−・・・）で準線形回転したＳＯＰを生成するＭ半波長リターダの後に、実質的にα₀＝（β＋π／４）に沿って配向される遅相軸を有する１／４波長リターダを含み、Ｍおよび特定の角度が、所定の波長範囲にわたって１に近い楕円率を有するＰＢＶ２を生成するように選択される、リターダスタックと、
    偏光維持反射を生成し、順方向パスの光の少なくとも一部を逆偏光で前記リターダスタックに戻すリフレクタであって、戻り光が、前記リターダスタックの有効な逆順序（ＲＯ）パスを経て、出射光の偏光が、ＰＢＶ１に実質的に直交する、リフレクタと
    を含む、デバイス。
21. スタック１の前に、線形偏光子をさらに含む、請求項２０記載のデバイス。
22. 前記線形偏光子の層は、Ｒ_th＜５ｎｍを有する保護基板で覆われている、請求項２１記載のデバイス。
23. 複合Ｒ_thを減少させるために、スタック１とリフレクタとの間に挿入される正のｃプレートおよび交差する負のａプレートの１つまたは両方をさらに含む、請求項２０記載のデバイス。
24. Ｍ＝１であり、α₁は、約１４．５°であり、α₀は、約７４°であり、Ｃプレートのリタデーションは、５０ｎｍ≦Ｒ_th≦３００ｎｍである、請求項２０記載のデバイス。
25. Ｍ＝３であり、α₁は、約２°であり、α₂は、約１４°であり、α₃は、約４８°であり、α₀は、約−６３°であり、Ｃプレートのリタデーションは、５０ｎｍ≦Ｒ_th≦３００ｎｍである、請求項２１記載のデバイス。
26. 順方向パスにおいてリターダスタックを出射する総計の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で＞０．９１である、請求項２４記載のデバイス。
27. 順方向パスおいてリターダスタックを出射する総計の楕円率の電場比は、スペクトルの赤、緑、および青の部分で＞０．９８である、請求項２５記載のデバイス。

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