JP2022504675A - 角度感受性の透過率を有する偏光系フィルタ - Google Patents

Abstract

本明細書に開示される偏光系光角度フィルタは、入射角および方位の関数として所定量の光を透過させるように設計することが可能である。そうしたフィルタは、アーチファクトを生成することなく光を透過し、それらを光学システムの画像パスに適したものにすることが可能である。１つの例は、入力円偏光子、検光円偏光子、および複数の円偏光子間に位置付けられるリターダを有する角度フィルタを含み、リターダが厚さ方向のリタデーションを有し得る。リターダの厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）は、所定の入射角依存性の透過関数を生成するように選択され、複数の円偏光子は、透過関数における方位依存性の量を低減させる。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１８年１０月１２日付で出願された米国仮出願第６２／７４５，０６０号に対する優先権を主張するものであり、その内容全体を参照により本明細書に援用する。

特定の光学システムの性能は、入射角（面法線に対する角度、および方位）に依存し、およびいくつかの場合には、位置に依存する透過率を有するフィルタを特定の場所において挿入することにより、向上させることが可能である。角度フィルタは、（たとえば）ランバート的なものから、より限定されたものに、光源の放射パターン（すなわち、強度（単位：立体角毎ワット／ルーメン））を実際に変更することが可能である。たとえば、（たとえばスリーエム（３Ｍ）による）プリズム状の光制御フィルムは、どの入射光線の角度が効率的に透過され、ならびにどれが入射角および方位の関数として反射されるかを定めることが可能である。そうしたフィルタは、画像パスにおいて必要な光学的品質の重要度がより低い照明経路において、特に有用である。

光線角度（すなわち、法線に対する角度、および方位）の関数として所定の透過率を生成するように設計された、偏光系光学フィルタについて説明する。いくつかの場合には、垂直入射に近い、所定の範囲の角度内で光を効率的に透過させるフィルタを設計することが有益である。いくつかの場合には、所望のカットオフ角および角度遷移帯域幅を規定することが有益である。透過率が最小となる遷移帯域を超える角度幅を規定することがさらに必要であり得る。いくつかの場合には、このカットオフ角は、方位依存性であり、および、他の場合には、これは、好ましくは、方位に対する感受性のないことがある。前述のものは、方位不変ローパス角度フィルタについて説明している。いくつかの場合には、（たとえば）可視帯にわたって中性である角度フィルタプロファイルを生成するために、フィルタ関数の波長依存性が最小となる。他の場合には、角度フィルリングプロファイルが特定の波長依存性を有していることが好ましいことがある。本明細書において記載される複数の角度フィルタは、潜在的には、ディスプレイ装置における、画像捕捉装置における視覚の向上（たとえば、屋外アイウェア）に、および、一般に、イメージングシステムの性能の向上に有用である。それらは、（たとえば）情報担持光を透過させる一方で、迷光を減衰させることにより、放射測定システムの性能を向上させることも可能である。

本明細書においては、角度フィルタが開示され、角度フィルタは、入力円偏光子と、検光円偏光子と、複数の円偏光子間に位置付けられるリターダであって、リターダが厚さ方向のリタデーションを有する、リターダとを備える。リターダの厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）は、所定の入射角依存性の透過関数を生成するように選択され、複数の円偏光子は、透過関数における方位依存性の量を低減させる。

複数の円偏光子はそれぞれ、１／４波長リターダと組合される直線偏光子で構成され得る。直線偏光子はそれぞれ、吸収型偏光子、反射型偏光子、または結晶偏光子のうちの１つであり得る。検光円偏光子は偏光子軸周りに反転させた入力円偏光子であり得る。１／４波長リターダは、赤色における光路長差が青色における光路長差を超えるような逆分散を有し得る。１／４波長リターダはＲ_th＜Ｒｅ／２を有し、Ｒｅは面内リタデーションであり得る。１／４波長リターダはＲ_th＝０を有し得る。複数の偏光子は、平行であることがあり、ＱＷ光軸は±４５°で交差していることがある。１／４波長リターダは、延伸ポリマー、反応性ミソゲンリターダ、または結晶リターダのうちの１つであり得る。

リターダは、Ｃプレート、Ｏプレート、または二軸性リターダのうちの１つであり得る。リターダはＲ_th＜０、またはＲ_th＞０を有し得る。リターダは、絶対値｜Ｒ_th｜＞４００ｎｍを有するＣプレートであり得る。透過関数は、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはハイパスフィルタのうちの１つであり得る。５０％透過角における方位変動は、±１０％未満で変動し得る。５０％透過角における方位変動は、±２０％未満で変動し得る。幾何学的補償子は、入力直線偏光子と１／４波長リターダとの間に、検光直線偏光子と１／４波長リターダとの間に、または両方の間に配置され得る。

一対のアイウェアが上述の角度フィルタを含むことがあり、そこでは、角度フィルタが、迷光の量を低減させる所定の角度依存性の透過関数を有する。画像捕捉装置が上述の角度フィルタを含むことがあり、そこでは、角度フィルタが、迷光の量を低減するために、所定の角度依存性の透過関数を有する。ディスプレイ装置が上述の角度フィルタを含むことがあり、そこでは、角度フィルタが、ディスプレイによって反射される迷光の量を低減させるか、バックライト装置のエテンデュを低減させるか、または両方のために、所定の角度依存性の透過関数を有する。放射測定システムが、エテンデュを低減する目的で、受信器経路、照明経路、または両方において配置される、上述の角度フィルタを含むことがある。

さらに、第１の入力円偏光子、第１の検光円偏光子、および第１の複数の円偏光子間の第１のリターダを備える第１の段と、第２の入力円偏光子、第２の検光円偏光子、および第２の複数の円偏光子間の第２のリターダを備える第２の段とを備える、直列に配置される二段の角度フィルタが開示される。第１のリターダの厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th1）および第２のリターダの厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th2）は、所定の入射角依存性の透過関数を生成するように選択され、複数の円偏光子は、透過関数における方位依存性の量を低減させる。

複数の円偏光子は、１／４波長リターダと組合される直線偏光子で構成され得る。第１の段の検光円偏光子および第２の段の入力円偏光子は共通の直線偏光子を共有し得る。複数の偏光子は、すべて平行であることがあり、第１の段および第２の段におけるＱＷ光軸が±４５°で交差していることがある。複数のリターダは、Ｃプレート、Ｏプレート、または二軸性リターダのうちの１つであり得る。第１のリターダおよび第２のリターダは、絶対値｜Ｒ_th｜＞４００ｎｍであるＣプレートであり得る。透過関数はローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはハイパスフィルタのうちの１つであり得る。５０％透過角における方位変動は±１０％未満で変動し得る。５０％透過角における方位変動は±２０％未満で変動し得る。幾何学的補償子は、一方または両方の段における、入力直線偏光子と１／４波長リターダとの間に、検光直線偏光子と１／４波長リターダとの間に、または両方に配置され得る。

本明細書において開示される単段の角度フィルタの断面図を示す。 垂直入射近くの角度フィルタの透過応答を示す。 臨界カットオフ角θ_Cでの角度フィルタの透過応答を示す。 （負の）ＣプレートリタデーションΓの関数として透過ルーメン値が最小となる入射角を示す。 単段フィルタについての角度依存性の光透過関数の一例を示す。この例は、６００ｎｍの（負の）Ｃプレートリタデーションと、１３８ｎｍのリタデーションとを有する、交差する０次ＱＷリターダに対するものである。 無彩色ＱＷリターダと、６００ｎｍのＣプレートリターダとを使用した、入射角の関数としての最小透過率の波長を示す。 無彩色ＱＷと、無彩色Ｃプレートリターダとを使用した、単段の角度フィルタについての入射角に対する透過率を示す。 第１の段がＣプレートリタデーションΓ₁を有し、第２の段がＣプレートリタデーションΓ₂を有する、二段の角度フィルタを示す。 Γ₁＝４００ｎｍであり、Γ₂＝７００ｎｍである、図７の設計についてのフィルタ透過率の角度依存性を示す。 単段の高コントラスト単色ローパス角度フィルタを示す。 二段の高コントラスト単色ローパス角度フィルタを示す。 選択された方位値についての、二段の高コントラスト単色ローパス角度フィルタに対する入射角に対する透過率を示す。 単段の高コントラスト単色バンドパス角度フィルタを示す。 ゼロ方位についての、単段の単色バンドパス角度フィルタにおける入射角に対する透過率を示す。 明るい状態での観察の品質を向上させるための、アイウェアにおける角度フィルタの使用を示す。 カメラレンズの受光角での光の透過を漸減させるための角度フィルタの使用を示す。 明るい状態での観察の品質を向上させるための、ディスプレイ装置における角度フィルタの使用を示す。 ディスプレイ装置からの放射光の透過を漸減させるための角度フィルタの使用を示す。

本明細書において示される複数の実施形態は種々の修正および代替形態の余地があり、それらの特定の実施形態は例として示されている。しかし、開示される特定の形態に本発明を限定することが意図されておらず、むしろ、本発明が、請求項によって規定される、すべての修正形態、均等形態、および代替形態を包含するものであることが理解されるべきである。

ある一定の場合には、以下の仕様を含み得るローパス角度フィルタが必要である。
１．所定の最大角までの減衰が最小である、垂直入射における高い透過率。
２．透過率が（たとえば）９０％、５０％、および１０％まで減衰する角点によってしばしば特徴付けられる角度遷移帯域。
３．超過されざるべき透過率、または平均帯域外透過率によってしばしば特徴付けられる角度阻止帯域。透過率がある一定の値を超え得ない重要な角度範囲が存在し得る阻止帯域幅がさらに含まれることがあり、それを超えると透過率がシステム性能に対して影響を及ぼさない（inconsequential）「無視（don't-care）」帯域幅が続くことがある。
４．たとえば、フィルタが画像パス位置に存在するなど、透過波の光学品質を保持することが必要であり得る。
５．上記要件の方位依存性には、ある一定の公差が存在していることがあり、いくつかの場合には、上記は、最小の方位依存性を有していることが重要であり得る。
６．上記要件の波長依存性には、ある一定の公差が存在していることがあり、いくつかの場合には、上記は、最小の波長依存性を有していることが重要であり得る。
７．フィルタは、偏光依存性が重要でない場所（たとえば、偏光のない入力／出力）に存在していることがあるか、または、システムが特定の入力および出力の偏光状態に対応することが必要であり得る。

入射角（ＡＯＩ）依存性の透過率を生成するための重要な要素は、平均面内屈折率（average in-plane refractive index）とは実質的に異なる、厚さ方向の屈折率を有する偏光光学系である。たとえば、Ｃプレート（リターダ）は、垂直方向の屈折率が面内屈折率よりも高いか、または低い等方性面内屈折率を有する。Ｃプレートが一対の（たとえば、平行の）偏光子間に配置されるときに、方位依存性が高い、（Ｃプレート路長差に依存する）ＡＯＩ依存性の透過率プロファイルを作製し得る。Ｃプレートの光軸（ＯＡ）の投影された向きが入射面内に含まれるので、投影されたリタデーションが半波長であり、投影されたＯＡが偏光子の吸収軸に対して±４５度であるときにのみ、高コントラストの透過率最小値が生じ得る。このことは、高コントラスト角度フィルタリングが、コントラストの極座標プロットの４つの小領域においてのみ、生じ得ることを意味している。本明細書において開示される手法は、それにわたって高コントラストの角度フィルタリングが生じ得るその方位空間を拡張しようとしている。いくつかの場合には、その目的は、方位不変の角度フィルタプロファイルを得ることである。

図１は、本明細書において開示される単段の角度フィルタのいくつかの基本要素を示す。一対の平行な直線偏光子は、外側の１／４波長（ＱＷ）リターダと接し、外側の１／４波長（ＱＷ）リターダは、中央のＣプレートリターダと接する。図に示される楕円は、負のＣプレートを示すが、正、または負のＣプレートが有効である。Ｃプレートのリタデーションは、Γ＝２πΔｎｄ／λによって表され、ここで、Δｎｄは光路長差であり、およびλは入射波長である。係数Δｎは、面内の屈折率と厚さ方向の屈折率との間の差分である。

より一般的な意味合いでは、本明細書において開示されるＣプレートは、一対の円偏光子によって囲まれている。そういうものとして、従来技術の任意の円偏光子が、直線偏光子とＱＷリターダとの組合せの代わりに使用され得る。図１では、本明細書において開示される円偏光子は、同一の構成（すなわち、同じ利き手）であることがあり、検光ＣＰは、偏光子の吸収軸周りに反転させた入力ＣＰと同一である。本明細書において開示される複数の円偏光子ユニットは、それらがない状態で方位空間の４つの極座標の向きのみにおいて通常生じ得ることを広範囲の方位角に広がり得るように、角度フィルタリング動作を均質化（homogenizing）する機能を有する。

上述の単一のＣプレート構成では、方位に対する急速な減衰は、ＰＯＩ方位と一致する、投影されたＯＡの回転によって支配される。しかし、本明細書において開示される手法が、高性能な構成において補償を必要とし得る、さらなる幾何学的回転を有し得るということに留意すべきである。単純なＣプレートの例では、このことは、通常、コントラストの極座標プロットにおける小さな方位回転として表れる。このことは、偏光子間のＣプレートの例の場合では、比較的少ない機能的影響を及ぼすが、このことは、より複雑な構成では、性能を制約するものとなり得る。

偏光系角度フィルタは、ディスプレイおよびフォトニクス業界用に開発された偏光光学系を使用して設計され得る。潜在的に有用なビルディングブロック（building-block）は、（たとえば）色素／ヨウ素溶液の分子を配向させる延伸ポリビニルアルコールフィルムを使用して製造される直線シート偏光子を含む。旭化成（Asahi-Kasei）、モックステック（Moxtek）によるワイヤグリッド型偏光子、およびスリーエム（3M）による多層共押出型などの、反射型の直線偏光子も使用され得る。さらに、グラントムソン（Glan-Thomson）偏光子などの結晶ベースの偏光子が使用され得る。所定の光路長差を生成するように加熱されて延伸される鋳造／押出ポリカーボネート、環状オレフィンポリマーフィルムなどを使用して製造される直線リターダをさらに含み得る。一軸性面内延伸フィルムは、２つの入射波間の位相差（Ｒｅ）を生成する従来のリターダである。また、当該技術分野において知られている特定の面内リタデーション（Ｒｅ）および厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）を生成するように、二軸性の面内延伸されたフィルムをさらに含み得る。この部分集合（subset）は、ゼロ面内リタデーション、および所定のＲ_th値を有するように、二軸に延伸されたＣプレートリターダフィルムを含む。本明細書において開示される手法は、Ｒ_thを最小にするように、面内方向および厚さ方向のいずれにおいても延伸された二軸性フィルムも利用し得る。通常のポリマーは、延伸される（Ｒ_thを増加させる）と、増加した屈折率を生成するが、延伸されると、減少したＲ_thを有する特定のポリマーが存在する。前者は、負のＣプレートを生成することがあり、後者は、正のＣプレートを生成することがある。さらに、延伸フィルムの代替策である、石英、サファイア、ニオブ酸リチウムなどの無機（結晶）材料を含む。これらの材料は、正または負のいずれかの固有複屈折を有し得る。一部の無機異方性結晶は、特定（たとえば、無彩色（achromatic））の波長依存性リタデーションを生成するように、ポリマー中にドープされる。Ｃプレートは、蒸着薄膜コーティングのスタックを使用して製造することもできる。

Ｃプレートリターダは、二軸に延伸されたリタデーションフィルムか、またはＣカットサファイアなどの、単層の適切に切断／研磨された無機結晶を使用して製造し得る。リタデーションＲ_thが３００ｎｍを上回る延伸フィルムを製造することは困難であり得るので、必要な値を実現するために、多層の積層がなされ得る。これらのフィルムは、圧力感受性接着剤（ＰＳＡ）または溶剤結合を使用してロール・ツー・ロール方式で積層され得る。Ｃプレートリターダは、ホメオトロピック配向を有する液晶材料、および架橋可能な反応性ミソゲン（ＲＭ）材料を使用して生成することもできる。正のＣプレートは通常、厚さ方向において均質（homeotropic）のホメオトロピックＬＣ／ＲＭによって形成される。あるいは、大きくねじれたＬＣ構造は、厚さ方向の率に対する、平均の面内の率を増加させ、そうすることで、負のＣプレートリターダを形成することを可能となり得る。１／４波長（ＱＷ）リターダは従来、延伸フィルムか、または配向しているＲＭによって生成されている。分散制御された単層リターダは、広帯域角度フィルタを作製する際の、波長に対するリタデーション誤差に関連する性能の影響を緩和し得る。同様に、設計されたリターダスタックは、同様の機能を提供し得るが、性能に対するＲ_thの影響を管理する必要がある。単色システムでは、最適なＲｅ値を有するＱＷリターダを生成することは比較的簡単である。例示的なＱＷリターダはさらに、関連する全入射角において円偏光が生成されるように、ゼロＲ_th値を有し得る。これにより、より多くの等方性の角度フィルタリングが可能にし得る。ゼロＲ_th値は、厚さ方向の屈折率が平均面内屈折率と一致したときに、生成し得る。本明細書において開示される複数の手法は、いくつかの設計例によって示される。これらの設計は、多層異方性構造を介して偏光ベクトルを伝播する、厳密なベレマン（Berreman）４×４行列法を使用してモデリングされている。

実施例１：単段の彩色ローパスフィルタ
可視帯にわたって方位不変の角度透過関数を有することが望ましい場合（すなわち、上述の項目５）について考えてみる。新規な角度フィルタの単純な形態を図１に示す。それは、直線入力偏光子、直線検光偏光子、（±４５度で）交差する一対の１／４波長（ＱＷ）リターダ、および中央のＣプレートリターダを含む。垂直入射近くでは、入力ＱＷリターダは、円偏光状態（ＳＯＰ）を生成する役割を果たし、出力ＱＷリターダは入力直線ＳＯＰを復元する役割を果たす。Ｃプレートリターダは、入射角依存性のリタデーションを導入する役割を果たし、垂直入射においてゼロであり、入射角に対して所定の率で増加する。

Ｃプレートリターダは、基板に対して垂直な光軸を有するので、垂直入射では、単一の波のみが生成され、偏光状態の変化はない。光が非垂直で入射すると、投影される光軸は、方位依存性が実質的にない状態で入射面内にある。Ｃプレートが０度または９０度に吸収軸を有する平行の偏光子間に配置されると、非垂直な全入射角に対する透過率は、これらの方位角で１のままとなる。これは、光軸が偏光子吸収軸に投影され、単一の波のみが生成されるためである。しかし、±４５度の方位角では、実質的に等しい振幅の２つの波が生成され、透過したＳＯＰは、入射角およびＣプレートのリタデーションに依存する。すなわち、高コントラストのヌル（null）の条件は、振幅の分割が略５０：５０であることと、リタデーションが略半波長であるということである。このことは、特定の適用分野においては望ましくないことがある高方位依存性の構成を表している。ＱＷリターダは、中央のＣプレートリターダのリタデーションによって導入される透過率の方位依存性を低減させる効果を有することができるので、０／９０度の方位での透過率プロファイルは、±４５度の方位での透過率プロファイルに非常に近くなる。

図１のフィルタは、位相遅延が入射角とともに増加する２ビーム干渉計と考えることができる。（平行な偏光子間の）最小透過点は、生成された２つの波の振幅が略一致するときに生じ、誘起されるリタデーションは、設計波長での半波長（ＨＷ）を表す。これよりも大きな角度については、透過率は増加し、および、２ビーム干渉計で一般的であるように、一般的に振動性を有する。（ａ）偏光子が理想的であり（吸収軸に沿う全波長に対しては、ゼロの透過率であり、直交方向に沿う場合には、略１の透過率である）、（ｂ）ＱＷは、５５０ｎｍにおける、分散のない一軸性１／４波長リターダであり、（ｃ）（分散のない負の）Ｃプレートリタデーションは変動することが可能である場合について考えてみる。

図２ａは、光が垂直入射するときの各成分の透過後のＳＯＰを示す。偏光子／ＱＷによって導入されるＬＨ円ＳＯＰは、Ｃプレート後も、変化のない状態のままである。第２のＱＷは、入力ＳＯＰを復元し、検光子は、光を効率的に透過させる。図２ｂは、光が臨界角θ_Cで導入され、Ｃプレートリタデーションおよび交差するＱＷリターダの組合せは、投影されたリタデーションであるＨＷを生成する。後者は、交差する一軸性ＱＷリターダがＲ_thリタデーションであるＱＷに寄与することを表す。臨界角では、Ｃプレートは、円ＳＯＰの利き手を逆にし、第２のＱＷは、直交直線ＳＯＰを透過させる。この角度では、実質的にすべての光が、検光偏光子によって遮断される。

図１（および図２）のフィルタは、ポアンカレ球上の一連の３つの変換によって表し得る。第１は、赤道上の光を、（たとえば）北極上の光に変換する。垂直入射の近くでは、Ｃプレートは、ＳＯＰが変わらない状態のままにするので、図２ａの第２の変換は軽微である。第３の変換は、第１の変換の経路を再び辿り、すべての光は、検光偏光子によって透過される。臨界角（図２ｂ）では、Ｃプレートは、入射面に依存する経度経路に沿って北極から南極にＳＯＰを変換する。第２のＱＷは、南極から赤道にＳＯＰを変換し、ポアンカレ球上において、入力ＳＯＰの正反対となる。

図３は、図１の構成について、光透過率（photopic transmission）がＣプレートリタデーションの関数として最小値となる入射角を示す。必然的に、ベースＣプレートリタデーションが増加すると、この角度は小さくなる。また、Ｃプレートリタデーションがあまりに低い（通常、４００ｎｍ未満である）と、スペクトル透過率の最小値は生成されない。示された透過率は、平坦な頂部（flat-top）の入力スペクトルを仮定すれば、明所の最小値に対応する。図に示されるすべての場合について、ピーク明所コントラスト（すなわち、光透過率の逆数）は、３３：１で、略同じであった。このコントラストの制限は、ＨＷリタデーション入射角が波長毎に異なることによる。図３は、入射面が偏光子の吸収軸に対して平行／垂直である方位の場合に対応する。透過率は、かなり方位と無関係であるが、ＱＷリターダの幾何学的回転および色シフトにより、±４５度の方位において、より大きな漏れが存在する傾向にある。

非垂直で導入されるＣプレート経路長差は、実質的に波長と無関係であり得る。しかし、位相－リタデーションは、透過率を決定し、それは、波長に対する経路長差の比率に比例する。その結果は、非垂直の角度フィルタの透過率プロファイルが、波長毎に異なるということである。波長依存性は、その材料が著しい複屈折分散を有すると、増大する。色シフトは、非垂直で生じ得るので、投影されたリタデーションが可視帯内で半波長に近づくと増加する。スペクトル透過関数は、入射角とともに赤シフトする「スライド最小値（sliding-minimum）」と考えられ得る。図４は、６００ｎｍの経路長差を有するＣプレートを使用した光透過関数（photopic transmission function）の一例を示す。透過率の最小値の密度は極めて高い（３３：１）ので、透過色は、かなり過剰（saturated）であり得る。この色シフトは、小さな範囲の入射角にわたって、かなり変動し得るので、一部の適用分野では好ましくないことがある。前述のように、図４は、臨界角よりも大きな入射角に対して、透過率が増加することを示している。

実施例２：単段の無彩色ローパスフィルタ
図１の設計により、方位不変の無彩色角度フィルタを作製することには、２つの重要な局面が存在する。第１は、方位依存性を均質化するための、入射角および波長に依存しない、直線ＳＯＰと円ＳＯＰとの間のマッピングである。第２は、Ｃプレートを介して、波長に依存しないリタデーションを導入することである。これらの目的は、分散制御された単層のリターダ材料を直接使用するか、またはより一般的なリターダ材料のスタックを間接的に使用して達成することができる。前者は、波長とともに増加する経路長差をもたらし、所定のスペクトル帯にわたって、より均一なリタデーションを付与する、（たとえば）コポリマーまたはＲＭに関連する。後者は、パンチャラトナム（Pancharatnam）によって初めて説明され、（たとえば）波長とともに増加する効果的な経路長差を生成する、リターダの無彩色の組合せに関連する。今回の場合では、光が非垂直で導入されるときに、これらの解決策のいずれかが特定の態様で挙動することが、さらに重要であり得る。

実施例２について、分散制御されたリターダ材料を使用した、図２の設計について考えてみる。スペクトル最小値の密度は、ＱＷリターダの波長依存性のリタデーションによって影響を受け得る。すなわち、完全に無彩色のＱＷリターダは、投影されたＣプレートリタデーションであるＨＷに対応する入射角での高密度スペクトルのヌルを生成し得る。これは、Ｃプレートが彩色であるときに、透過色の過剰度を増加させ得る。ＱＷリターダが分散制御されている（表１参照）が、Ｃプレートが６００ｎｍの固定経路長差を有している場合について、考えてみる。

表１のパラメータを使用すると、ＱＷリターダは、０．２１波長（４５０ｎｍ）、０．２６波長（５５０ｎｍ）、および０．２３波長（６５０ｎｍ）のリタデーションを有する。この当て嵌めは、ＯＬＥＤディスプレイでのバックプレーン反射を阻止するために、帝人によって提供されている商用製品とよく一致している。図５は、入射角に対する、最小スペクトル透過率の波長を示す。図５は、（このＣプレートについて）ヌルが約２０度の範囲内の可視帯の大半を走査することを示している。表２は、同じ範囲の角度におけるスライドする最小値と関連する大きな色シフトを示している。

分散制御されたＣプレートも使用される場合には、色シフトを大きく削減し得る。表１のパラメータを使用すると、Ｃプレートは、０．８１波長（４５０ｎｍ）、０．８０波長（５５０ｎｍ）、および０．７５波長（６５０ｎｍ）の全体リタデーションを有する。図６は、３層の分散制御された設計を使用したときの、入射角の関数としての光束透過率を示す。透過率プロファイルが大きく低減された波長依存性を有するので、臨界角でのコントラストは、はるかに大きくなり得る。前述の３３：１よりも、この設計は、１６７：１への増加を示している。

実施例３：二段の彩色ローバス角度フィルタ
図７のフィルタは、特定の角度遷移帯域幅と、これに続いて、漏れが制限されたままのある角度範囲が必要とされるときに有用である。このフィルタは、必要に応じて、追加の段を使用することにより、さらなる角度性能が得られ得る二段の装置である。（たとえば、リオ（Lyot）の）偏光干渉フィルタと同様に、各段は、複合透過率が二段の積である、別個の角度応答を有していてもよい。あるいは、性能向上は、単に、同じＣプレート値を有する冗長な段を使用することにより、得ることができる。このバージョンが、さらなる段毎にさらなる検光子を必要とすることに留意されたい。これは、スループット損失を最小にするために、９７～９８％の内部透過率を有し得る、高透過率のヨウ素系偏光子であり得る。フィルタの他のバージョンは、単段の、またはハイブリッドの多段のフィルタにおけるリターダスタックにより、所定の角度性能を実現する。さらに、多段フィルタは、前述の実施例において説明されるような、分散制御されたリターダを使用して実現され得る。

図７の実施例について、一段は、４００ｎｍのＣプレートリタデーションを有し、第２の段は、７００ｎｍのＣプレートリタデーションを有する。図８は、（偏光子吸収軸の面内の）光透過率を入射角の関数として示す。

実施例４：単段の高コントラスト単色ローパス角度フィルタ
方位角空間において等方性を有するフィルタプロファイルを有することが必要とされる、単色入力で使用されるローパス角度フィルタについて考えてみる。この場合について、ある任意の波長（５３２ｎｍ）を選択した。この実施例において、最適な１３３ｎｍのＲｅおよび０のＲ_thで、例示的なＱＷリターダを使用した。任意で、７００ｎｍの負のＣプレートリタデーションを選択し、約４０度のカットオフ５０％角度、および約６０度のヌル角度と付与した。例示的なＱＷリタデーションが維持されるので、この場合には、性能は、幾何学的回転の結果によって制限される。すなわち、ＱＷ光軸と偏光子吸収軸との間の角度の誤差により、最大コントラストが減少する方位角が存在している。これを補正するために、フィルタの一方の位置または両方の位置に、幾何学的補償子が導入され得る。これは、第１の偏光子と第１のＱＷリターダとの間、第２のＱＷリターダと第２の偏光子との間、または両方であり得る。通常、幾何学的補償子（ＧＣ）は、特に、面内スイッチ（ＩＰＳ）モードのＬＣＤにおいて、交差する偏光子の漏れを補正するために、ディスプレイにおいて使用される。図９に示される１つのバージョンは、正のＡプレート（面内ＯＡを有する一軸性リターダ）と正のＣプレートとの組合せである。

図９の単段は、２つのＧＣを含み、それぞれが、各偏光子とＱＷとの間のＡプレート／Ｃプレートの組合せである。それが加える補正は、カットオフ角の弱い方位依存性を維持しつつ、全方位角において非常に良好なヌルコントラストを可能にする。表３は、いくつかの方位角に対する、図９の設計についてのモデル挙動を示す。フィルタプロファイルが非常に平滑な挙動を有しているので、この粗い方位サンプリングは、十分である。表３は、５０％点が全方位にわたって１度以内に維持されることを示している。表３は、ヌル点が方位にわたって１．７度以内に維持されること、および、ヌルのコントラストが少なくとも１０，０００：１に維持されることも示している。前述の実施例に示されるように、透過率は、ここでも、臨界角よりも大きい角度について上昇する。より広い範囲のストップバンドが必要とされる場合には、二段（または三段以上）のバージョンが、使用され得る。さらに、フィルタが、広範囲の波長（たとえば、＞３０ｎｍ）にわたって動作することが必要とされる場合には、ＱＷリターダ、および、場合によっては、Ｃプレートの分散制御が必要である可能性がある。

実施例５：二段の高コントラスト単色ローパス角度フィルタ
図１０は、前述の実施例の設計原理を使用する、二段の角度フィルタを示す。この場合において、複数の段は、Ｃプレートリタデーションが、第１の段において５００ｎｍであり、第２の段において７００ｎｍであること以外は、構成が同一である。前述と同様に、５３２ｎｍの入力波長についての結果を示す。図１１は、対数スケールの透過関数を提示しており、二段の積が２つの高コントラストのヌルを生成することを示している。このＣプレート値の選択を使用すると、これらのヌル間のサイドローブが約２００：１に維持される。仮に第３の段が加えられると、角度範囲の増加、阻止の増加、またはそれぞれの何らかの組合せのために使用し得る、利用可能なさらなるヌルが存在することになる。図１１は、１５度単位で、方位角に対応するいくつかのトレースを示す。単段の場合におけるように、二段フィルタは、優れた方位不変性を示している。

実施例６：単段の単色バンドパス角度フィルタ
新規な角度フィルタは、ローパス構成に限定されなくてよい。バンドパス、ハイパス、およびバンドストップフィルタなどの他の構成も可能である。実施例６では、単段のバンドパス角度フィルタは、図９の配置に対する修正によって形成される。検光偏光子を（隣接する幾何学的補償子とともに）９０度だけ回転させ、Ｃプレートリタデーションを１，０００ｎｍに増加させた、修正された構成を図１２に示す。実施例６におけるように、コントラストの極座標プロットが方位不変である状態に留まっているので、単一の方位角のみを図１３に示す。ドーナツ形の透過率プロファイルは、垂直入射ではゼロ透過率、４９度では全透過を示し、別のストップバンドが７８度を中心としている。前述と同様に、さらなる段を追加することにより、さらなる改良が行われ得る。たとえば、ここでも４９度でのピークを有する一方、より狭いプロファイルを有することで、高い分解能の段を加えることにより、選択性が向上され得る。より高い分解能の段の追加の複数の透過ピークは、それらが、より低い分解能の段のヌルと一致する限り、重要でない。フィルタの別のバージョンでは、ハイパス構成は、Ｃプレートリタデーションを低減することにより、実現され得る。ここでも、１つまたは複数のさらなる段を使用することにより、さらなる改良が実現され得る。

他の構成
方位不変性がコントラストの極座標プロットにおいて実現され得る、他の方法が存在する。特定の段は、透過率プロファイルに対して方位依存性を有する場合には、同様の方位依存性を有するが、変位（たとえば、４５度の回転）のある、別の段と対とされ得る。二段の角度フィルタの一構成では、幾何学的補償子は、擬円プロファイルから、より矩形のプロファイルに極座標プロットを歪ませる方位依存性Ｒ_thを導入させる。第２の幾何学的補償子は、約４５度だけ回転させた、同様に歪ませた矩形の極座標プロットを生成し得る。システムの極座標プロットは、各段からの極座標プロットの積で与えられる。この配置は、方位依存性を均質化しつつ、阻止の角度範囲を拡張するために、両方の段において単一のＣプレートリタデーションを使用することできるという利点を有し得る。特に、二段の積は、擬方位不変性を有する極座標プロットを生成し得るが、二段フィルタの選択性の利点も有し得る。

図１の構成は、特定の入力／出力偏光に対応するように、修正され得る。たとえば、ＱＷリターダが、平行の光軸を有しており、偏光子が交差していると、同様の角度応答が得られ得る。バンドパス／ハイパス角度フィルタの反射モードのバージョンは、ＱＷリターダ、これに続くＣプレートリターダ、これに続くリフレクタを使用して、実現され得る。さらに、システムが円偏光ベースで動作している場合には、ＱＷリターダは、省略され得る。ある一定の光学的構成要素は、しばしばキラリティ（chirality）を有し（たとえば、コレステリック液晶およびブラッグ偏光格子）、円形の固有偏光を有し得る。

透過関数のより多くの方位制御が必要な場合（たとえば、方位の非対称関数）、Ｃプレートリターダは、１つまたは複数のＯプレートリターダに置き換えられ得る。Ｏプレートは、中間である（すなわち、面内でも、基板に対して垂直でもない角度での）光軸を有する。Ｏプレートは、垂直入射の近くで、より大きな角度依存性の特性を有し得る。Ｏプレートは、特定の傾斜角で結晶を切断することによるか、または、垂直に対して特定の角度に液晶ポリマーを配向することにより、製造され得る。

図１の構成では、Ｃプレートは、Ａプレート（面内一軸性）とＯプレートとの組合せに置き換えられ得る。Ａプレートリタデーションは、垂直入射における投影されたＯプレートのリタデーションに一致させ、垂直入射におけるＳＯＰにおいて変化をもたらさないことがある。しかし、投影されたＯプレートのリタデーションは、入射角とともに急速に変化することあり、光軸の傾斜角が±４５度であるときに最大である。この場合には、複合面内リタデーションは、ＡプレートがＯプレートの全体リタデーションの半分を有するときに、垂直入射でゼロである。この構成は、垂直入射の近くで、Ｃプレートに関連する二次リタデーションシフトに対する、一次リタデーションシフトを与える。この構成のリタデーションシフトは、方位において非対称でもある。

本明細書において教示されるもののような角度フィルタは、入射角依存性の透過または反射機能の利益を享受する、任意の光学システムにおいて、使用され得る。これらの手法の利点は、構成要素が画像パス内に配置されるときに、光学品質が保持され得ることである。このことは、ゴースト像および他のアーチファクトを導入し得る、構造化された光制御フィルムと対照をなし得る。後者の例は、内部全反射プリズムのアレイ、光導波路構造、および体積ホログラムを含み得る。

（ＵＶから赤外線までの）任意の光学バンドで動作し得るシステムに関係する、新規の角度フィルタの適用分野は非常に多い。光学システムは、イメージングに関係し、または、光学システムは、放射測定システム（たとえば、照明源のエテンデュの減少）もしくは受信器のエテンデュの制限と関連し得る。光学システムは、（たとえば）現実世界の画像品質を向上させるために、眼の手前に配置される装置から、仮想現実システムなどの合成画像まで多種多様である。角度フィルタは、（たとえば、太陽／空からの）過剰な指向性のある光を低減するために、（たとえば、傾斜コーティングの代用品としての）サングラスなどの、眼の近くで使う適用分野において使用され得る。図１４に示される一例は、ビューコーン（view-cone）の外側に位置する、光線の透過率を実質的に低減することが可能な、一対のサングラスまたはクリップ式アクセサリ（clip-on accessory）である。透過率の緩やかなテーパは、視覚的に目立たないことがあるが、減衰は、（たとえば）迷光による疲労および不快感に寄与する指向性の照明光を実質的に低減し得る。これは、レンズの位置と、入射光の到達角との間の対応関係に依存する、従来技術のサングラスに使用される、傾斜反射／吸収コーティングに対する代替策を表す。独特であるように、本明細書において開示される手法は、空間不変性であり、到達角に基づいてのみ、光を減衰させる。

別の適用分野は、図１５に示されるような、画像捕捉においてである。カメラ（たとえば、ＤＳＬＲ、携帯電話機、またはシネマカメラ）は、ＣＭＯＳセンサ上の高品質画像を形成するために、他素子レンズ（multi-element lenses）を利用する。いくつかの場合には、フードまたは屈折率分布型コーティング（gradient-index coating）などの装置が、フレアなどのアーチファクトを生成する指向性の光を遮断するために、レンズの入力部に配置される。新規な角度フィルタは、空間不変性を有するが、同様の機能を実現するために、光路（optical train）の種々の場所に配置され得る。

別の適用分野は、携帯電話機、モバイルコンピュータ装置、デスクトップモニタ、およびテレビジョンなどのディスプレイにおいてである。周囲光（Ambient light）は、しばしば、明るい指向性の照明がディスプレイ装置の表面から正反射する、性能の制約要因である。図１６は、観察者と、ディスプレイ装置との間の角度フィルタを示す。有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイでは、たとえば、円偏光子（偏光子と、それに続く広帯域１／４波長リターダ）は、しばしば、バックプレーンから正反射される周囲光を除くためにディスプレイ上に配置される。しかし、ＣＰの性能は、大きな入射角において弱まることがあり、コントラストを低減する漏れを生じ得る。広帯域の反射防止コーティングを有する角度フィルタが第１の表面上に示されている。角度フィルタの挿入損失は、追加の１つの偏光子のみをディスプレイに加えることが関係するので、極めて低いことがある。そういうものとして、表示光は、視野角要件に準拠する、設計されたテーパ関数を有する角度フィルタを介して、効率的に透過される。バックプレーンから正反射する周囲光は、角度フィルタを２回通過し、透過関数を２乗し、画像光に対する阻止を向上させる。

図１７は、ディスプレイ（たとえば、ＬＣＤ）とバックライト装置との間での角度フィルタの使用を示す。バックライト装置は、広角（ランバート的）放射を有し得るが、観察者は、はるかに小さな放射角を必要とし得る。角度フィルタは、観察者が、適度な輝度および均一性を有する画像を受け取りつつ、この範囲外で発せられた光が大きく減衰させられるように、放射を漸減させ得る。

Claims (30)

1. 入力円偏光子と、
   検光円偏光子と、
   複数の円偏光子間に位置付けられるリターダであって、前記リターダが厚さ方向のリタデーションを有する、リターダと
   を備える角度フィルタであって、
   前記リターダの前記厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）は、所定の入射角依存性の透過関数を生成するように選択され、
   前記複数の円偏光子は、前記透過関数における方位依存性の量を低減させる、
   角度フィルタ。
2. 前記複数の円偏光子はそれぞれ、１／４波長リターダと組合される直線偏光子で構成される、請求項１記載の角度フィルタ。
3. 前記直線偏光子はそれぞれ、吸収型偏光子、反射型偏光子、または結晶偏光子のうちの１つである、請求項２記載の角度フィルタ。
4. 前記検光円偏光子は、偏光子軸周りに反転させた入力円偏光子である、請求項２記載の角度フィルタ。
5. 前記１／４波長リターダは、赤色における光路長差が青色における光路長差を超えるように逆分散を有する、請求項２記載の角度フィルタ。
6. 前記１／４波長リターダは、Ｒ_th＜Ｒｅ／２を有する、請求項２記載の角度フィルタ。
7. 前記１／４波長リターダは、Ｒ_th＝０を有する、請求項２記載の角度フィルタ。
8. 前記複数の偏光子は、平行であり、ＱＷ光軸が±４５°で交差している、請求項２記載の角度フィルタ。
9. 前記１／４波長リターダは、延伸ポリマー、反応性ミソゲンリターダ、または結晶リターダのうちの１つである、請求項２記載の角度フィルタ。
10. 前記リターダは、Ｃプレート、Ｏプレート、または二軸性リターダのうちの１つである、請求項１記載の角度フィルタ。
11. 前記リターダは、Ｒ_th＜０、または、Ｒ_th＞０を有する、請求項１記載の角度フィルタ。
12. 前記リターダは、絶対値｜Ｒ_th｜＞４００ｎｍを有するＣプレートである、請求項１０記載の角度フィルタ。
13. 前記透過関数は、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはハイパスフィルタのうちの１つである、請求項１記載の角度フィルタ。
14. ５０％透過角における方位変動が、±１０％未満で変動する、請求項１３記載の角度フィルタ。
15. ５０％透過角における方位変動が、±２０％未満で変動する、請求項１３記載の角度フィルタ。
16. 幾何学的補償子は、入力直線偏光子と前記１／４波長リターダとの間に、検光直線偏光子と前記１／４波長リターダとの間に、または両方の間に配置される、請求項２記載の角度フィルタ。
17. 請求項１記載の角度フィルタを含む、一対のアイウェアであって、
    前記角度フィルタが、迷光の量を低減させる所定の角度依存性の透過関数を有する、
    一対のアイウェア。
18. 請求項１記載の角度フィルタを含む、画像捕捉装置であって、
    前記角度フィルタが、迷光の量を低減するために、所定の角度依存性の透過関数を有する、
    画像捕捉装置。
19. 請求項１記載の角度フィルタを含む、ディスプレイ装置であって、
    前記角度フィルタが、ディスプレイによって反射される迷光の量を低減させるか、バックライト装置のエテンデュを低減させるか、または両方のために、所定の角度依存性の透過関数を有する、
    ディスプレイ装置。
20. 放射測定システムであって、
    請求項１記載の角度フィルタが、エテンデュを低減する目的で、受信器経路、照明経路、または両方において配置される、
    放射測定システム。
21. 第１の入力円偏光子、
    第１の検光円偏光子、および
    第１の複数の円偏光子間の第１のリターダ
    を備える第１の段と、
    第２の入力円偏光子、
    第２の検光円偏光子、および
    第２の複数の円偏光子間の第２のリターダ
    を備える第２の段と
    を備える、直列に配置される二段の角度フィルタであって、
    前記第１のリターダの厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th1）および前記第２のリターダの厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th2）は、所定の入射角依存性の透過関数を生成するように選択され、
    複数の円偏光子は、前記透過関数における方位依存性の量を低減させる、
    角度フィルタ。
22. 前記複数の円偏光子は、１／４波長リターダと組合される直線偏光子で構成される、請求項２１記載の角度フィルタ。
23. 前記第１の段の検光円偏光子および前記第２の段の入力円偏光子は、共通の直線偏光子を共有する、請求項２２記載の角度フィルタ。
24. 複数の偏光子は、すべて平行であり、前記第１の段および前記第２の段におけるＱＷ光軸が±４５°で交差している、請求項２３記載の角度フィルタ。
25. 複数のリターダは、Ｃプレート、Ｏプレート、または二軸性リターダのうちの１つである、請求項２１記載の角度フィルタ。
26. 前記第１のリターダおよび前記第２のリターダは、絶対値｜Ｒ_th｜＞４００ｎｍを有するＣプレートである、請求項２５記載の角度フィルタ。
27. 前記透過関数は、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはハイパスフィルタのうちの１つである、請求項２１記載の角度フィルタ。
28. ５０％透過角における方位変動が、±１０％未満で変動する、請求項２１記載の角度フィルタ。
29. ５０％透過角における方位変動が、±２０％未満で変動する、請求項２１記載の角度フィルタ。
30. 幾何学的補償子は、一方または両方の段における、入力直線偏光子と前記１／４波長リターダとの間に、検光直線偏光子と前記１／４波長リターダとの間に、または両方に配置される、請求項２２記載の角度フィルタ。

Images