JP2022526184A

JP2022526184A - 傾斜面用偏光補償器

Info

Publication number: JP2022526184A
Application number: JP2021559903A
Authority: JP
Inventors: シャープ、ゲイリー
Original assignee: ゲイリーシャープイノベーションズリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2022-05-23
Also published as: EP3953750A1; EP3953750A4; US20200379155A1; CN113874769A; WO2020210814A1; US11573360B2

Abstract

偏光ベースの光学的なシステムでは、所定の範囲の入射角および波長に亘って偏光状態（ＳＯＰ）を保持することが必要であり得る。局所法線が入射光線に対して傾斜させられた光学材料は、実質的に、本明細書に開示された補償器を使用して補正することが可能な、望ましくない偏光不均一性を生じさせ得る。補償器は、一軸性リターダおよびｚ部分偏光子（ＺＰＰ）を含み得る。ＺＰＰは、吸収軸が基板に対して垂直である一軸性材料を含み得る。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年４月１１日付出願の米国仮出願第６２／８３２，８２４号に対する優先権を主張し、そのすべての記載内容を参照することにより、本明細書に援用する。

特定の光学システムは、入力と出力との間に含まれる、１つまたは複数の反射もしくは吸収表面に遭遇する場合に、偏光状態（ＳＯＰ）を正確に制御することを必要とする。これらの表面は、システム内の光線位置および／または向きに依存する偏光不均一性を生じさせ得る。たとえば、凸レンズに垂直に入射する平面波は、軸上のＳＯＰを保持し得るが、軸からの光線変位とともに、偏光歪みにおける増加を示し得る。同様の結果が、平面に入射する点光源の場合にも生じ得る。コーティングされていない等方性誘電体（たとえば、ガラス）の場合、フレネルの式は、入射面（ＰＯＩ）に対して平行（Ｐ）に、および垂直（Ｓ）に偏光する光の透過／反射を示す。入射角（ＡＯＩ）は、光線方向と局所表面法線との間のものである。ゼロＡＯＩでは、ＳＯＰは保持され得るが、偏光歪み量は通常、ＡＯＩとともに増加し、出力の品質に影響をおよぼす。直視型／投射型液晶ディスプレイ、直視型／投射型有機発光ダイオードディスプレイ、広帯域偏光ベースのアイソレータ、および偏光ベースのトリプルパスの広角集光レンズ（すなわち、パンケーキレンズ）などの一部の場合には、角度（および、多くの場合、波長）に亘る正確な偏光制御は、ダイナミックレンジおよびコントラストなどの要因を定め得る。いくつかの場合には、正確に制御されていないと、微小な偏光歪みであっても、ディスプレイのコントラスト比を急激に低下させ得る。

この背景に対して、本明細書に記載される手法が開発された。

本明細書において、光軸が基板に対して実質的に垂直な異方性材料と、厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）と、厚さ方向の吸収率とを備える光学部品が開示される。

法線入射での光吸収率は、＜５％または＜２％であってもよい。ｐ偏光の透過率は、ｓ偏光の透過率未満であってもよく、補償器は、透過したｐ偏光と透過したｓ偏光との間の位相差を生じさせてもよい。ｐ偏光の透過率は、以下の指数減衰関数

に従って減少してもよい。補償器の消衰係数および厚さは、所定の入射角でのｐ偏光の特定の非ゼロ透過率を生じさせるように選択される。

光学部品は、光軸が基板に対して垂直である非吸収性異方性材料と、第２の厚さ方向のリタデーションとをさらに含んでもよく、角度依存性吸収率およびＲ_thの組み合わせは、独立して選択されてもよい。補償器は、架橋反応性メソゲンを含んでもよい。補償器は、ホメオトロピック配向の液晶を含んでもよい。補償器は、配向した吸収色素を有するゲストホスト液晶を含んでもよい。補償器は、配向したナノ構造を含んでもよい。

偏光を保持する光学的なシステムにおける使用のための補償器であって、光軸が基板に対して実質的に垂直である異方性材料と、厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）と、厚さ方向の吸収率とを備え、補償器の追加が、偏光瞳マップのシステムコントラストまたは均一性を実質的に増加させる、補償器がさらに開示される。

法線入射での光吸収率は、＜５％または＜２％であってもよい。ｐ偏光の透過率は、ｓ偏光の透過率未満であり、補償器は、透過したｐ偏光と透過したｓ偏光との間の位相差を生じさせてもよい。ｐ偏光の透過率は、以下の指数減衰関数

に従って減少してもよい。補償器の消衰係数および厚さは、所定の入射角でのｐ偏光の特定の非ゼロ透過率を生じさせるように選択されてもよい。補償器は、光軸が基板に対して垂直である非吸収性異方性材料と、第２の厚さ方向のリタデーションとをさらに含んでもよく、角度依存性吸収率およびＲ_thの組み合わせが、独立して選択されてもよい。補償器は、架橋反応性メソゲンを含んでもよい。補償器は、ホメオトロピック配向の液晶を含んでもよい。補償器は、配向した吸収色素を有するゲストホスト液晶を含んでもよい。補償器は、配向したナノ構造を含んでもよい。

入力偏光と、透過において複吸収（diattenuation）を生じさせるレンズと、Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）を備える光学的なシステムであって、ＺＰＰが、複吸収によって生じる偏光歪みを実質的に低減するように、ｓ偏光よりもｐ偏光を少なく透過させる光学的なシステムがさらに開示される。

所定の入射角に対して、システムは、ｐ偏光およびｓ偏光を同等に透過させてもよい。所定の入射角は、３０°以上６０°以下であってもよい。ＺＰＰは、収束するか、または発散する光錐の位置に配置されてもよい。システムは、厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）を有する機能性コーティングと、正味のＲ_thを実質的に低減するＺＰＰとともに配置されるＣプレートとをさらに含んでもよい。システムは、厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）を有する機能性コーティングと、厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、厚さ方向のリタデーションを有するＺＰＰとをさらに含んでもよい。

入力偏光子と、分析用偏光子（analyzing polarizer）と、偏光子間の機能層であって、機能層の表面が、入射光の少なくとも１つの光線に対して傾斜する、偏光子間の機能層と、Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）を備える光学的なシステムがさらに開示される。

機能層は、少なくとも１つの光線について複吸収を生じさせてもよく、ＺＰＰは、ｓ偏光よりもｐ偏光を多く減衰させることにより、複吸収を実質的に補償してもよい。機能層は、厚さ方向のリタデーションをさらに生じさせもよく、ＺＰＰは、システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、厚さ方向のリタデーションをさらに生じさもよい。機能層は、厚さ方向のリタデーションを生じさせる部分リフレクタであってもよく、システムは、システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、ＺＰＰとともに配置されるＣプレートをさらに含んでもよい。

システムは、偏光ベースのトリプルパスレンズをさらに含んでもよく、機能層は、複合曲面の部分リフレクタを備える。機能層は、厚さ方向のリタデーションを生じさせる部分リフレクタであってもよく、ＺＰＰは、システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、厚さ方向のリタデーションを生じさせてもよい。機能層は、厚さ方向のリタデーションを生じさせる部分リフレクタであってもよく、システムは、システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、ＺＰＰとともに配置されるＣプレートをさらに含んでもよい。

ＳＯＰに対する傾斜面の効果を示すために、例示的な光学システムを示す。入力の円偏光を歪ませたときの、リタデーションおよび複吸収の独立した寄与を示す。屈折率が１．５２の等方性傾斜スラブを挿入した、図１のシステムについて、コントラスト対入射角を示す。偏光ベースのトリプルパスレンズにおいて使用される、凸レンズに対する、部分反射コーティングからのリタデーションおよび複吸収の効果を示す。傾斜面がリタデーションのみを生じさせる、偏光ベースのトリプルパスレンズについて、コントラスト対リタデーションを示す。傾斜面が複吸収のみを生じさせる、偏光ベースのトリプルパスレンズについて、コントラスト対透過率差を示す。スラブの複吸収を補償するために、ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）を挿入した、図３のシステムのコントラストを示す。直線偏光入力およびレンズを含む単純な光学システムを示す。レンズからの複吸収が出力において偏光を歪ませる。直線偏光入力およびレンズを含む単純な光学システムを示す。Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）は、均一な直線偏光を回復する。円偏光入力およびレンズを含む単純な光学システムを示す。レンズからの複吸収が出力において偏光を歪ませる。円偏光入力およびレンズを含む単純な光学システムを示す。Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）は、均一な円偏光を回復する。円偏光入力、および、非ゼロＲ_thを有する、コーティングされたレンズを含む、単純な光学システムを示す。コーティングされたレンズからの複吸収およびリタデーションが出力において偏光を歪ませる。円偏光入力、および、非ゼロＲ_thを有する、コーティングされたレンズを含む、単純な光学システムを示す。Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）およびＣプレートは、均一な円偏光を回復する。切換可能な焦点距離の幾何位相レンズに対して、ＳＯＰを最適化するために、ＺＰＰを用いる装置を示す。

本明細書に開示される実施形態には種々の修正例および代替的な形態の余地があるが、それら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、本明細書において、詳細に説明されている。しかし、それが、開示される特定の形態に本発明を限定することを意図するものでなく、むしろ、本発明が、請求項によって規定されるような、本発明の実施形態の修正例、同等例、および代替例をすべて包含するものであることが理解されるべきである。本開示は、図面を参照して説明されており、同様の参照番号は、実質的に同様の構成要素を表す。

光学システムにおける任意の範囲の光線角度および／または光線位置に亘ってＳＯＰを保持することを実現可能にする、入射光に対して傾斜させられた表面で使用するための偏光補償器が説明される。補償器は、広い範囲の入射角（たとえば、収束または発散光）に対応する、複数の平面を含む光学システムにおいて、使用され得る。補償器は、屈折構成要素などの、実質的に集光するが、非平面を含む光学システムにおいても、使用され得る。システムは、高パワー屈折構成要素を含む、低ｆ値の偏光保持光学システムなどの、それぞれの構成要素を含み得る。開示される手法は、円固有偏光を有する、幾何位相レンズなどの回折光学部品との組み合わせにおいても、使用され得る。表面は、コーティングされていない誘電体、多層誘電体（たとえば、リフレクタもしくは部分リフレクタ）、吸収層（たとえば、金属もしくは半導体）、またはこれらの混成物であり得る。１つまたは複数の傾斜面は、説明される構造を使用して補償される、位相差、振幅差、または両方における歪みを生じさせ得る。

図１は、課題を示す透過型光学システムの例を示す。光線角度の角度分布（および、おそらく、波長の分布）を生じさせる、（たとえば）点光源が、理想的な円偏光子に入射する。すなわち、それぞれの光線に対するＣＰから出射するＳＯＰの楕円率、および波長は、１つであり、楕円率は、ここでは、成分の大きい方が分母にある楕円フィールド比の大きさとして定義される。なお、このことは、偏光を保持するために、第１のＣＰの出射面および第２のものの入口におけるゼロ反射を必要とする。出力には、理想的な直交の円偏光検光子（ideal orthogonal circular polarization analyzer）、およびそれに続く、任意の角度に亘って、上記光源から光を集光する光レシーバがある。後者は、眼、二乗則検出器、デジタルカメラ、またはさらなる（たとえば、中継）光学系であり得る。この例示的なケースでは、円偏光子は、システムから出射する光がないように、ＳＯＰを完全に生成／分析し、レシーバに入射する光パワーはない。これは、コントラストが無限大の光学システムとみなし得る。出力は、分析用の直線偏光子（linear analyzing polarizer）に対して平行／垂直であるＳＯＰを分解するジョーンズベクトルとして表すことも可能である。円偏光子間の空間では、傾斜面による楕円率の変化と、コントラストに対する結果として生じる影響とを示す構成要素を挿入することが可能である。

局所ＰＯＩを含むデカルト座標系では、出射側偏光子に沿って分解される透過率のベクトルは、下記式１によって表すことができ、これは、入力円ベクトル、傾斜面に対するジョーンズ行列と、分析用１／４波長リターダ（analyzing quarter-wave retarder）に対するジョーンズ行列の積である。傾斜面は、Ｐ偏光パワー透過率Ｔ_P、Ｓ偏光パワー透過率Ｔ_S、および、下記式２によって表される位相差（またはリタデーション）によって表すことができる、共通の面法線を有する１つまたは複数の界面（たとえば、多層コーティング）であり得る。

結果として生じるパワー透過率ベクトルは、その場合、下記式３によって表される。

各ベクトルにおける第１項は、複吸収によるＳＯＰの変化によって生じ、これは、Ｐ偏光とＳ偏光との間での透過率の差によって導入される偏光の変化である。図２は、複吸収およびリタデーションの独立した寄与による、傾斜面と分析用円偏光子との間のＳＯＰを示す。図示されるように、複吸収によって、局所ＰＯＩを含む方位とともに、円入力の楕円率の変化が生じる。各ベクトルにおける第２項は、Ｐ偏光とＳ偏光との間のリタデーションまたは位相差による、ＳＯＰの変化の結果である。リタデーションは、図２に示されるに、ＰＯＩに対する±４５°の方位とともに、楕円率を生じさせる傾向にある。例示的なシステムの場合、漏れ項（｜ｔ_s｜²）は、これらの効果それぞれの重ね合わせとして表すことができる。このシステムでは、楕円の向きが重要でないことと、漏れが、誘発される楕円率のみに依存することとに留意することが重要である。

上記ベクトルは、システムコントラスト比、または、下記式４として表すこともできる。

誘発される複吸収およびリタデーションが小さい場合、コントラストは、下記式５として表すことができる。

ここで、Ｔ_P＝（Ｔ₀＋ΔＴ／２）、Ｔ_S＝（Ｔ₀－ΔＴ／２）であり、Ｔ₀は、Ｓ光およびＰ光の平均透過率である。上記は、リタデーションおよび複吸収が、システムコントラストにおける損失に対して実質的に独立した寄与を行うことを示している。

ガラス／ポリマーのスラブ、基板上の多層コーティング、蒸発した／スパッタリングされた金属等などの表面は、いずれかの（複）屈折率の変化を表す。透過での傾斜誘電体スラブの単純なケースの場合、位相差がゼロであり、複吸収のみが存在している。法線に対して、Ｐ透過率とＳ透過率との間の差（ΔＴ）は、ブリュースタ角まで、ＡＯＩとともに増加する。Ｐ透過率は、一般に、ＡＰＩとともに増加し、Ｓ透過率は、ブリュースタ角まで低下する。

図３は、空気中の屈折率が１．５２である、コーティングされていない（たとえば、ガラスの）等方性スラブのシングルパスのコントラストを示す。図１の円偏光システムでは、コントラストは、２０°超では非常に高い状態に留まり、２７°で５，０００：１に、３８°で１，０００：１に、４５°で５００：１に、５３°で２００：１に、６０°で１００：１に低下する。このシステムでは、コントラストは、ＰＯＩの方位と実質的に独立していることがある。

コントラストにおける損失は、傾斜面が多層コーティングであり、複吸収およびリタデーションをいずれも生じさせたときに、より厳しくなり得る。さらに、光源特性および／または表面プロファイル（たとえば、レンズ）を介して大きな局所表面法線分布を生成するシステムは、問題を悪化させ得る。（たとえば、球状凸）レンズについては、局所ＡＯＩは、光軸に対する光線角度による寄与と、光軸に対するレンズ表面の傾斜による寄与を含む。一部のシステムでは、傾斜が、（共通軸に沿って整列するレンズなどの）方位独立性を有し、他は、大きなバイアス角を有し得る。たとえば、（たとえば、３パネルのＲＧＢ投影の場合の）波長バンドを分離する二色スプリッタは、光軸に対して大きく傾斜することがある。いずれにせよ、開示される手法は、偏光歪みについての好適な補償を可能にする。

反射防止コーティングなどの一部のコーティングは、Ｐ反射率およびＳ反射率を非常に低い値とすることにより、複吸収を向上させることができる。しかし、多層ＡＲコーティングは、Ｃプレートリタデーションを増加させることがあり、これは、トレードオフを表し得る。特定の組の機能要件を実現するためには、より高度な多層コーティング設計が、光学システムにおいて要求され得る。これは、任意の範囲の波長および角度に亘って、特定の反射率プロファイルを生成するためであり得る。このようなコーティングは、複吸収、リタデーション、または両方を大きく増加させることが可能である。一般的に言えば、透過／反射においてＳＯＰを保持する広帯域、広角コーティング設計は、実際問題として実現しにくいものとなっている。開示される手法の一部の構成は、これらの効果をいずれも低下させるのに有用であることがあり、これは、多層設計ツールを強化するのに有用である。

図４に示されるに、等方性の凸状表面（たとえば、球状部分リフレクタ）が、図１に配置されるケースを考えてみる。このような構成は、従来技術において開示されるトリプルパスの偏光ベースの広角レンズにおいて有用である。最適化された設計は、記載内容を参照することにより、本明細書に援用する、「偏光ベースのベクトル変換用のリターダスタック対」と題する、同時係属中の出願である米国特許出願第１６／２８９，３３５号明細書にも記載されている。この場合、ディスプレイ装置などの拡張光源が、レンズによって拡大される、関連付けられる像と近接している場合がある。ニア・アイ系（near-eye system）については、観察者は、レンズの反対側に、眼を近接して配置する。図は、軸上画素から生じ得る光を示す。凸状表面上の広帯域部分リフレクタコーティングは、入射円偏光の約５０％を通す。この光は、理想的には、すべての波長において、および、すべての入射角に対して、第２の１／４波長リターダにより、元のＳＯＰに戻される。しかし、レンズ表面に対して垂直でない光線は、偏光歪みを受ける場合があり、以上で定義されるようなコントラストを低減させることが可能である。このような構成では、検光子（analyzer）は、理想的には、キャビティのさらなる往復についてすべての（像）光を戻す反射型偏光子である。キャビティは、部分リフレクタおよび反射型偏光子により、境界付けされる。（反射軸に対して直交であるＳＯＰの非ゼロ投影により、）第１のパスにおいて反射型偏光子を通って漏れる光はいずれも、コントラストを損なう。第２のパスの後に、部分リフレクタは、再び、画像光を半分にし、これは、理想的には、第３のパスの後に、反射型偏光子が完全に通過することを可能とする。

図５は、リタデーションのみがコーティングによって生じる場合の、図４のレンズについてのコントラストを示す。これは、（Ｔ_p＝Ｔ_s＝Ｔ₀である）先のコントラスト式によって示される。このコントラストはさらに、部分リフレクタとの２回目の対面による、画像光の損失を埋め合わせるように半分にされる。したがって、リタデーションコントラストは、下記式６である。

図５は、コントラストを１，０００：１に低下させるために、４ｎｍのリタデーションが必要であり、１３ｎｍがコントラスト１００：１を生じさせることを示す。

図６は、コーティングにより、複吸収のみが生じる場合の、図４のレンズについてのコントラストを示す。これは、（Γ＝０である）先のコントラスト式、または、下記式７によって示される。

コントラストの算出は、法線入射透過率（Ｔ₀）が５０％であることと、入射角との逸脱ΔＴ＝（Ｔ_P－Ｔ_S）がこれに対して対称であることとを前提としている。図６は、コントラストを１，０００：１に低下させるために、４．４％の透過率の差が必要であり、１４％の差がコントラスト１００：１を生じさせることを示す。

コントラスト式が示すように、レンズの全体コントラストは、リタデーションおよび複吸収の寄与からのパワーの独立した重ね合わせによって示される。したがって、上記では、特定のＡＯＩにおいてリタデーション４ｎｍおよび複吸収４．４％を生じさせるレンズは、コントラスト５００：１を有し、特定のＡＯＩにおいて、リタデーション１３ｎｍおよび複吸収１４％を生じさせるレンズは、コントラスト５０：１を有する。

軸上にセンタリングされた球状部分リフレクタを有する、図４のシステムでは、（たとえば）軸上点光源から生じる、楕円率の変化は、方位に対して実質的に感度を有しないことがある。局所傾斜する表面のリタデーションおよび複吸収のいずれにもよる、この楕円率の変化は、軸上で（すなわち、法線入射において）ゼロであり得る。レンズ上の入射角は、光線角度、および光軸に対するレンズ表面法線の寄与をいずれも含む。この組み合わせは２０°を容易に超え、高パワー光学システムでは、３０°を超え、４０°をも超えることがある。

この偏光歪みのＡＯＩおよび方位依存性の説明に基づいて、法線入射において最小の影響を有し、いずれの現象に対しても補償効果を生じさせる補償手法が提案されている。補償の大きさは、傾斜面の効果と呼応して、ＡＯＩとともに増加する。補償が、部分リフレクタによって導入されるものと等しく、かつ、反対である範囲で、この組み合わせは、潜在的には、楕円率の変化を取り消し、第２のＱＷリターダに生じる均一なＳＯＰを維持することができる。この補償器は、部分リフレクタより前であるか、または後であってもよい。前述のように、必要な補償器は、各効果に対して異なる。

本明細書に開示される補償構造は、方位独立補償が必要な場合に、複吸収およびリタデーションいずれの効果も独立して管理することができる。これは、２層か、またはいずれの現象についても補償する単一層を使用して行うことが可能である。方位独立補償ついては、光軸が（Ｃプレートとも呼ばれる）基板に対して垂直な一軸性リターダを使用することができる。リタデーションの符号（正の、または負の異方性）は、コーティングによって生じるリタデーションを相殺するように、必要に応じて選択することができる。厚さ方向でのリタデーション（Ｒ_th）は、部分リフレクタ（Γ）によって生じるリタデーション（Ｒ_th）を取り消すように選択される。第２層は、吸収軸が基板に対して垂直である一軸性材料である。この層は、最小の吸収が法線入射で生じるように、吸収軸は、光軸に沿う偏光子として機能する。これは、ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）と呼ばれる。ＺＰＰの光学濃度は、法線外Ｓ偏光の透過率に一致させるように、Ｐ偏光の透過率を低減するように選択される。これらがうまく一致すると、複吸収の効果は、無視可能であることがある。

ＺＰＰのＡＯＩ依存性は、複素屈折率を、法線曲面の式（たとえば、Yeh, Optical Waves in Layered Media,p.230参照）に導入することにより、判定することができる。光軸が基板に対して垂直である一軸性材料については、主誘電率は、下記式８であり、ここで、ε₀は自由空間の誘電率であり、ｎ_oは常光線屈折率であり、ｎ_eは異常光屈折率である。

ｚ方向のみの吸収の場合、異常光屈折率は、複素数である。（たとえば）Bom and Wolf, p. 709-711に開示されるような、吸収が弱い一軸性材料の場合、常光線および異常光屈折率の実数部間の差により、厚さ方向でのリタデーション（Ｒ_th）、またはＣプレートリタデーションになる。虚数部は、（リタデーションのように、）ｋベクトルのｚ成分に依存する減衰になる。ＺＰＰのパワー透過率は、下記式９として表すことができ、ここで、κは消衰係数であり、ｄは層厚であり、θはＡＯＩである。

原則的には、リタデーションを補正するための所望のＣプレート補償を生じさせる単一層を設計することができ、傾斜面により生じる複吸収を補正するように、光学濃度を選択することができる。代替的に、一方が、非吸収Ｃプレートリターダであり、他方が、ＺＰＰである２層を積層することができる。ＺＰＰは、Ｃプレートに対する好適な調整により、相殺することができる非ゼロＲ_thを有し得る。

ゼロリタデーションを生じさせる傾斜スラブの例に戻れば、ゼロの面内吸収率と、所定のＺ方向での吸収率とを有するＺＰＰが挿入される。図７は、ＺＰＰと組み合せた傾斜スラブのコントラスト対入射角を示す。０．１９の消衰係数が選択されており、これは約４６°でのコントラストピークを生じさせる。消衰係数における減少（増加）により、より長い（短い）入射角にピークを移動させる。比較すれば、補償される例については、コントラストは、５０°ＡＯＩまで１００ｋ：１超のままであるが、図２に示されるに、この角度におけるコントラストは、２７４：１に過ぎない。

本明細書に開示されるＺＰＰは、図４のトリプルパスレンズの例に加えることもできる。法線入射の場合、複吸収コントラストは、理論的に無限大である。法線外では、ΔＴが増加するとともに、コーティングの設計および光学システムの設計に応じた率で、コントラストが低下する。

吸収が弱い材料については、ＺＰＰからの指数減衰は直線として近似することができる。この条件下で、分母にＺＰＰ項を加えることにより、下記式１０のように、先の（近似）コントラスト式を修正することができる。

任意の入射角θ₀において分母が消えると、コントラストは無限大になる。上記を使用すれば、消衰係数は、下記式１１によって示すことができる。

ＺＰＰを挿入することにより、コントラストは、選択することができる第２の角度（θ₀）において、事実上無限大とすることができる。したがって、ＺＰＰを挿入すると、（スラブの例におけるように）滑らかな変化のΔＴ（θ）については、コントラストプロファイルは、図７に示すものと同様とすることができる。

本発明は、偏光の保持を必要とするか、または偏光の保持の恩恵を受ける光学システムに、特に適用可能である。図８～１０は、複吸収、Ｃプレートリタデーション、または両方を含み得る偏光入力を有する、単純化された光学システムを示す。単一のレンズとして示しているが、システムは、１つまたは複数の群を有するマルチ構成要素レンズシステムを含んでもよい。システムは、反射光学系、屈折光学系、または回折光学系を伴ってもよい。このようなシステムは、（たとえば、）像を生成し、像を中継し、または高スループット放射測定／測光光学システムにおいて任意の角度範囲に亘って、光を集光するために必要とされてもよい。本発明は、光学システムに通る角度範囲が大きく、出力において、均一な偏光を必要とする低ｆ値アプリケーションに対して、特に有益である。

図８Ａは、直線偏光子が入力パスに配置され、続いてレンズが配置される、単純な光学システムを示す。レンズは、局所Ｓ偏光の透過率が局所Ｐ偏光に対して、低い複吸収を生じさせる。０／９０°方位は、固有偏光を表すので、これらの平面において、偏光歪みが存在しないことがある。しかし、±４５°の方位において、固有偏光に沿って投影される、おおよそ等しいフィールド振幅、したがって、偏光歪みにおける最大の変化が存在することがある。この場合、歪みは、直線偏光における回転を表す。図８Ｂは、入力へのＺＰＰの追加を示し、ここでは、局所Ｐ偏光のＡＯＩ依存性吸収率は、複吸収による局所Ｓ偏光の過剰損失の増分と概略釣り合っている。その結果は、出射側の瞳偏光プロットに示されるように、均一な直線偏光の方位を回復する補正となる。一般に、複吸収は、ＺＰＰのものと同様に、ロッシー変換である。したがって、均一な偏光状態が、出力において実質的に回復され得る一方、システム透過率がＡＯＩ依存性となることが期待され得る。

図９Ａは、円偏光子が入力パスに配置され、続いてレンズが配置される、単純な光学システムを示す。レンズは、局所Ｓ偏光の透過率が局所Ｐ偏光に対して、低い複吸収を生じさせる。円入力の場合、いずれの入射面についても、偏光歪みが存在し、ここでは、偏光楕円の向きがＰＯＩに追随し得る。図９Ｂは、入力へのＺＰＰの追加を示し、ここでは、局所Ｐ偏光のＡＯＩ依存性吸収率は、複吸収による局所Ｓ偏光の過剰損失の増分と概略釣り合っている。その結果は、図９Ｂの出射側の瞳偏光プロットにおいて示されるように、均一な円偏光を回復する補正となる。

図１０Ａは、円偏光子が入力パスにおいて配置され、続いて機能性コーティングを担持するレンズが配置される、単純な光学システムを示す。レンズ／コーティングは、複吸収およびＣプレートリタデーション（Ｒ_th）をいずれも生じさせる。円入力の場合、いずれの入射面についても、偏光歪みが存在し、ここでは、偏光楕円の方位は、やはりＰＯＩに追随し得る。図１０Ｂは、入力へのＺＰＰおよびＣプレートリターダの追加を示す。局所Ｐ偏光のＡＯＩ依存性吸収率、およびＲ_thリタデーション値は、複吸収による、局所Ｓ偏光の過剰損失の増分およびコーティングのＲ_th値のそれぞれとおおむね釣り合っている。その結果は、図１０Ｂの出射側の瞳偏光プロットに示されるように、均一な円偏光の向きを回復する補正となる。

ＳＯＰに対する複吸収の効果を低減するために、ＺＰＰは、法線外のＳ偏光よりも多く、Ｐ偏光の透過を適切に減少させる、いずれかの異方性材料を使用して構成することができる。天然で産出される液晶（たとえば、トルマリン）が存在しているが、スループットの理由から、常光線透過率を最大化することが好ましい。また、液晶は、費用およびスケーラビリティの理由から、実用的でない傾向にある。代替的に、ＺＰＰは、（たとえば）ナノテクノロジ（たとえば、ナノフォトン（Nano Photon）による製品を参照）を使用するか、または、通常のシート偏光子の製造と同様に、厚さ方向に長鎖分子を配向させることにより、製造することができる。ゲストホスト液晶は、吸収材料をホメオトロピック配向させるために使用することができ、この吸収材料は、その後に、架橋される（たとえば、反応性メソゲンＬＣ）。色素の濃度および膜厚は、吸収の強度を決定する。ゲストホストの場合、その層は、リタデーションおよび複吸収のいずれも適切に補償することが可能である。

ＺＰＰを実現するための物理機構は、吸収である必要はなく、反射および回折を含む、Ｐ偏光の透過率を適切に減少させるいずれかの機構とすることができる。反射の場合、（３Ｍによる文献において開示されるような）いわゆる「ジャイアント複屈折光学系」（ＧＢＯ）、および関連付けられる設計自由度を、典型的な薄膜コーティングでは実現可能でないであろう反射／透過特性を合成するために使用することができる。したがって、この意味合いで、ＧＢＯの構成要素は、局所Ｓ偏光および局所Ｐ偏光の透過率を釣り合わせ、偏光を保持しつつ、所望の機能を生成することができる。たとえば、等方性の５０：５０コーティングとして機能し、ゼロＲ_th、および、Ｓ透過率とＰ透過率との釣り合いを示す、熱成形されたＧＢＯ部分リフレクタは、前述のようなトリプルパスレンズを実現するために、理想的な光学部品であろう。

偏光管理を必要とするシステムは、特にイメージングにおいて珍しくない。前述の広角コリメータは、迷光およびゴーストを最小化するために、波長および角度に亘って、注意深い（円）偏光管理を必要とする。円偏光子は、コレステリック液晶および幾何位相回折光学部品（たとえば、レンズおよび光導波器（beam-director））などの、円の固有状態を有する偏光光学系とともにも使用される。円偏光子は、アイソレーションの度合いが、任意の範囲の入射角に亘る、鏡面反射面での楕円率に依存するダブルパス偏光アイソレータにおいても使用される。これらは、ＡＲ／ＶＲ用途において、必要に応じて、切換可能な焦点距離の液晶などの、受動または能動システムであってもよい。図１１は、切換可能な焦点距離のレンズを介して、光景を観察する観察者を示す。入力円偏光子（ＣＰ）は、ＳＯＰ入力を与える。等方性ＳＯＰと１／２波長リタデーションＳＯＰとの間で切換可能なＬＣ装置は、円状態の利き手を切り換えるか、またはそのままにすることができる。幾何位相レンズ構造は、左手円ＳＯＰに変換された（encoded in left-hand circular SOP）１つの光パワー、および右手円ＳＯＰに変換された（encoded in right-hand circular SOP）別のパワーを与えることができる。したがって、ＬＣ装置を切り換えることで、観察者の焦点距離を変更することができる。（場合によっては、さらなるＣプレートリタデーションを有する）ＺＰＰは、均一な円ＳＯＰが、広い範囲の角度に亘って、ＧＰレンズ構造に入射するように、偏光を補正することができる。瞳マップに亘って均一な偏光状態を備えることで、焦点距離の切換を最小のクロストークで実現することができる。

偏光は、立体視３Ｄ投影システム、顕微鏡法、および一般的な施光分析／偏光イメージングにおいて使用される。偏光は、コンピュータ・ビジョン（たとえば、物体分類）、医療診断、生物学的研究、および軍事検出／監視において使用されるイメージング用途において担持する情報であり得る。偏光は、高スループット放射測定／測光などの非イメージングアプリケーションにおいても使用することができる。本発明の原理は、ＵＶ、可視、近赤外、および赤外を含む、広範囲の電磁スペクトルに適用することができる。

本発明の実施形態は、図面および上記説明において詳細に図示して説明しているが、このような図示および説明は、例とみなされ、特性において限定的でないものである。たとえば、本明細書において上述された特定の実施形態は、説明された他の実施形態と組み合わせることが可能であり、および／または、他の手法で並べることができる（たとえば、プロセス構成要素は、他の順序で行うことができる）。よって、実施形態例およびその変形例のみを示して説明していることが理解されるべきである。

Claims

光軸が基板に対して実質的に垂直な異方性材料と、
厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）と、
厚さ方向の吸収率と
を備える光学部品。
法線入射での光吸収率が、＜５％である、請求項１に記載の光学部品。
法線入射での光吸収率が、＜２％である、請求項１に記載の光学部品。
ｐ偏光の透過率が、ｓ偏光の透過率未満であり、
補償器が、透過したｐ偏光と透過したｓ偏光との間の位相差を生じさせる、請求項１に記載の光学部品。
ｐ偏光の透過率が、下記式の指数減衰関数

に従って減少する、請求項１記載の光学部品。
補償器の消衰係数および厚さが、所定の入射角でのｐ偏光の特定の非ゼロ透過率を生じるように選択される、請求項５記載の光学部品。
光軸が基板に対して垂直である非吸収性異方性材料と、
第２の厚さ方向のリタデーションと
をさらに含み、
角度依存性吸収率およびＲ_thの組み合わせが、独立して選択され得る、請求項１記載の光学部品。
補償器が、架橋反応性メソゲンを備える、請求項１記載の光学部品。
補償器が、ホメオトロピック配向の液晶を備える、請求項１記載の光学部品。
補償器が、配向した吸収色素を有するゲストホスト液晶を備える、請求項１記載の光学部品。
補償器が、配向したナノ構造を備える、請求項１記載の光学部品。
偏光を保持する光学的なシステムにおける使用のための補償器であって、
光軸が基板に対して実質的に垂直である異方性材料と、
厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）と、
厚さ方向の吸収率と
を備え、
前記補償器の追加が、偏光瞳マップのシステムコントラストまたは均一性を実質的に増加させる、補償器。
法線入射での光吸収率が、＜５％である、請求項１２記載の補償器。
法線入射での光吸収率が、＜２％である、請求項１２記載の補償器。
ｐ偏光の透過率が、ｓ偏光の透過率未満であり、
前記補償器が、透過したｐ偏光と透過したｓ偏光との間の位相差を生じさせる、請求項１２記載の補償器。
ｐ偏光の透過率が、下記式の指数減衰関数

に従って減少する、請求項１２記載の補償器。
前記補償器の消衰係数および厚さが、所定の入射角でのｐ偏光の特定の非ゼロ透過率を生じさせるように選択される、請求項１６記載の補償器。
光軸が基板に対して垂直である非吸収性の異方性材料と、
第２の厚さ方向のリタデーションと
をさらに含み、
角度依存性吸収率およびＲ_thの組み合わせが、独立して選択され得る、請求項１２記載の補償器。
前記補償器が、架橋反応性メソゲンを備える、請求項１２記載の補償器。
前記補償器が、ホメオトロピック配向の液晶を備える、請求項１２記載の補償器。
前記補償器が、配向した吸収色素を有するゲストホスト液晶を備える、請求項１２記載の補償器。
前記補償器が、配向したナノ構造を備える、請求項１２記載の補償器。
入力偏光と、
透過において複吸収を生じさせるレンズと、
Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）と
を備える光学的なシステムであって、
前記ＺＰＰが、複吸収によって生じる偏光歪みを実質的に低減するように、ｓ偏光よりもｐ偏光を少なく透過させる、光学的なシステム。
所定の入射角に対して、前記システムが、ｐ偏光およびｓ偏光を同等に透過させる、請求項２３記載の光学的なシステム。
所定の入射角が、３０°以上、６０°以下である、請求項２３記載の光学的なシステム。
前記ＺＰＰが、収束するか、または発散する光錐の位置に配置される、請求項２３記載の光学的なシステム。
厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）を有する機能性コーティングと、正味のＲ_thを実質的に低減させる前記ＺＰＰとともに配置されるＣプレートとをさらに含む、請求項２３記載の光学的なシステム。
厚さ方向のリタデーション（Ｒ_th）を有する機能性コーティングと、厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、厚さ方向のリタデーションを有するＺＰＰとをさらに含む、請求項２３記載の光学的なシステム。
入力偏光子と、
分析用偏光子と、
偏光子間の機能層であって、前記機能層の表面が、入射光の少なくとも１つの光線に対して傾斜する、偏光子間の機能層と、
Ｚ部分偏光子（ＺＰＰ）と
を備える光学的なシステム。
前記機能層が前記少なくとも１つの光線に対して複吸収を生じさせ、前記ＺＰＰが、ｓ偏光よりもｐ偏光を多く減衰させることにより、前記複吸収を実質的に補償する、請求項２９記載の光学的なシステム。
前記機能層が、厚さ方向のリタデーションをさらに生じさせ、前記ＺＰＰは、前記システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、厚さ方向のリタデーションをさらに生じさせる、請求項２９記載の光学的なシステム。
前記機能層が、厚さ方向のリタデーションを生じさせる部分リフレクタであり、前記システムは、前記システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、前記ＺＰＰとともに配置されるＣプレートをさらに含む、請求項２９記載の光学的なシステム。
偏光ベースのトリプルパスレンズをさらに含み、前記機能層が、複合曲面の部分リフレクタを備える、請求項２９記載の光学的なシステム。
前記機能層が、厚さ方向のリタデーションを生じさせる部分リフレクタであり、前記ＺＰＰは、前記システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、厚さ方向のリタデーションを生じさせる、請求項３３記載の光学的なシステム。
前記機能層が、厚さ方向のリタデーションを生じさせる部分リフレクタであり、前記システムは、前記システムの厚さ方向の正味のリタデーションが実質的に低減するように、ＺＰＰとともに配置されるＣプレートをさらに含む、請求項３３記載の光学的なシステム。