JP2023522553A - デジタル再構成可能な中性濃度フィルタ - Google Patents

Abstract

液晶セルなどの電気光学的デバイスを使用して、各離散濃度状態間で迅速な再構成を実現するデジタル中性濃度（ＤＮＤ）フィルタ。各フィルタステージは、高透過状態（最小限の損失をもたらす）と、フィルタリングされた状態での１つまたは複数の規定の濃度との間での、バイナリスイッチングに特化されてもよい。設計指示により、全通過フィルタと規定のフィルタ濃度との間でのスイッチングをもたらすようにステージが「結線接続」されてもよい。設計パラメータを使用して、具体的な濃度を各ステージに割り当てることができる。複数のステージを縦続接続して、複数の離散濃度値を提供することができる。そのようなＤＮＤフィルタは、広範囲の入射角にわたって色および透過率の均一性を最適化するために、アナログ調整を犠牲にする場合がある。【選択図】図７Ａ

Description

相互参照
本出願は、２０２０年２月２４日出願の米国仮出願第６２／９８０，８７７号の優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に援用される。

静止画像およびビデオ画像をキャプチャする用途では、特に明るさが極めて高くなることがある屋外においては、日常的に中性濃度フィルタが使用される。高品質の受動中性濃度フィルタは、入射角全体にわたって透過率／色の均一性において非常に良好に動作することができる。フィルタキットが利用可能であり、様々な固定具を使用してフィルタを積み重ねることができ、広い範囲の離散濃度レベルを実現する。しかし、ユーザは、環境にとって適切なフィルタに関して「最善の推測」を行わなければならない。この環境はもちろん、高度の時間変化（たとえば、一時的に太陽を遮る雲）を有する場合がある。このようなフィルタを変更するための機構は手動であり、したがって扱いにくく、遅く、また不便である。さらに、カメラに容易にはアクセスできない動的設定（たとえば、ドローンカメラまたはアクションビデオカメラ）においてフィルタを変更することは、特に問題となる場合がある。

可変中性濃度（ＶＮＤ）フィルタは、通常、１対の偏光子を備え、一方に対してもう一方を回転させて、透過レベルを制御する。これには、単一のフィルタユニットを作製して、広い範囲の濃度にわたるアナログ透過を実現できるという利点がある。さらに、電気機械式の調整機構により、遠隔操作およびハンズフリー操作のための閉ループ濃度再構成を可能にすることができる。偏光子ベースのＶＮＤは、調整機構（たとえば、モータ）によって再構成速度が制限される。２つの偏光子構成は、通常、（偏光子吸収軸の幾何学的回転に起因する）角度透過アーティファクトを有し、焦点距離が短い場合に、かつ／または濃度が増加するときに、このアーティファクトが悪化する。「ファン」構成において開くことのできる複数ステージを使用するこの（ＳｈａｒｐおよびＭｃＧｅｔｔｉｇａｎによる、米国特許第２０１８０２５９６９２号であり、その内容は参照により本明細書に援用される）の新規のバージョンにより、このアーティファクトが軽減され、広い角度およびダイナミックレンジにわたって、はるかに良好な実行性能が可能になる。

ＶＮＤフィルタの別の形態は電気光学的なものであり、濃度を変化させるために（たとえば）液晶デバイスを使用する。機能的には、ＬＣデバイスは、通常、分析用偏光子の上流の偏光状態を変更する手段として、電圧制御された位相差（別名、リタデーション）をもたらすのに使用される。あるいは、このＬＣデバイスは、（たとえば）ゲストホストＬＣ材料を使用して、可変偏光子として振る舞ってもよい（Ｏｓｔｅｒｍａｎによる、米国特許第９，９３３，６３１号）。用途によっては（たとえば、一時的なアポディゼーション用の濃度のフレーム内変調、たとえば、Ｄａｖｉｓによる、米国特許第１０，１８７，５８８号では）、急速な調整、および可動部がないことで、電気機械手段に対して有利となることがある。近年に至って、角度の影響を受けにくい濃度／色、および濃度を調整する際に十分な範囲を有するＬＣ ＶＮＤフィルタの製造に著しい進展が見られてきた。しかし、非常に広い角度にわたって、かつかなりの範囲の濃度にわたって、均一な透過率および色を維持できることは、アナログモードで動作するＬＣデバイスにとって極めて難易度の高いものとなり得る。これにより、光学縦列内での、たとえば、光がさらに平行化されるレンズと画像キャプチャデバイスとの間での、フィルタの物理的な位置が制約される場合がある。場合によっては、このことは、実用的でない場合があり、実行性能のトレードオフをもたらす場合もある。

著しい画像アーティファクトをもたらすことなく、広いダイナミックレンジ（たとえば、＞５ストップ）および広い受光角（たとえば、＞８０°の画角（ＡＯＶ））にわたって動作する、迅速に再構成可能なＮＤフィルタの必要性が残っている。

本発明が作り出されてきたのは、こうした背景に基づくものである。

本発明は、切換え可能な偏光制御素子（たとえば、液晶（ＬＣ）デバイス）を使用して、中性濃度フィルタの迅速な再構成を可能にする。ここで説明するデジタル中性濃度（ＤＮＤ）フィルタは、離散的な１組の濃度設定について、広角度にわたって高性能を得るために、アナログ変調の柔軟性を放棄する。したがって、本発明は、従来の方式で交換／積層することができるが、単一のモノリシックユニットを有し、可動部がなく、高速スイッチングの利点を有する、１組のＮＤフィルタに類似しているとみなすこともできる。ここで説明するフィルタのアーキテクチャは、具体的には最短焦点距離のレンズの要求条件において、濃度のあらゆる範囲にわたって動作するときに、（１つまたは複数の）スイッチが、透過率不均一性のアーティファクトをもたらす場合がある状況を回避する。

本発明では、アナログモード（たとえば、逆平行ネマティック電気制御複屈折（ＥＣＢ）および垂直配向（ＶＡ））で動作する単一ドメインＬＣデバイスが、不十分な角度性能を示す場合があることが認められる。これは特に、ダイレクタ場（すなわち、ＬＣ空間内の異方性分子の分布）が実質的に傾斜している（すなわち、基板面内と基板に垂直な面との中間にある）電圧設定に当てはまる。予想される最悪の状況では、ＬＣデバイスは、入射角に対するリタデーションにおいて、１次の（すなわち、線形の）シフトを示すことがある。そのような場合には、特定の設定を実際には役立たないものにすることのできる、高度の非対称な角度不均一性が濃度内に存在することがある。本発明は、セル基板に対して実質的に面内または実質的に垂直のいずれかであって、両方の状態が入射角へのリタデーションの２次依存性を示す、各ダイレクタ場分布間のスイッチングを利用しようとするものである。したがって、本発明は、入射角に対する偏光変換の安定性に関して、偏光光学系が最良の性能を提供する際の２つの電圧状態を使用する。

最高の画角（ＡＯＶ）を必要とする用途において、本発明はさらに、両方の電圧状態において（厚さ方向の経路長差Ｒ_ｔｈに比例する）厚さ方向でゼロ位相差（リタデーション）を示すＬＣデバイス構成を使用することの重要さを認識する。そのようなデバイスは、Ｓｈａｒｐによる同時係属の米国特許出願公開第２０１９／０３５３９４８号に記載されており、その内容は参照により本明細書に援用される。

本発明は、広い濃度範囲にわたる単一のＬＣ ＶＮＤステージからの完全アナログ変調の負担が過度になる場合があり、通常は角度全体にわたって性能が損なわれることを認識している。本発明を使用して複数の濃度設定を実現するには、フィルタアーキテクチャは、各ステージにおいて独立に動作するスイッチを有するフィルタステージを利用することができる。本発明は、システムレベルの濃度を複数の低濃度デジタルフィルタステージに分散することができ、それによって、特定のステージからの要求条件を軽減する。これにより、低減された濃度で動作するステージを使用して、ＡＯＶ性能を最適化する機会を作り出すことができる。たとえば、３ステージフィルタは、０ストップと１ストップの減衰の間でスイッチングする第１ステージ、０ストップ～２ストップの減衰の間でスイッチングする第２ステージ、および０ストップ～４ストップの減衰の間でスイッチングする第３ステージを有してもよい。その結果、０ストップ～７ストップの減衰を１ストップ刻みで切り換わることのできるＤＮＤフィルタが得られる。

従来技術の単一ステージＬＣ ＮＤフィルタの、オフ状態の構成を示す図である。 従来技術の単一ステージＬＣ ＮＤフィルタの、オン状態の構成を示す図である。 ０°の方位角での、図１Ａのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ４５°の方位角での、図１Ａのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ０°の方位角での、図１Ｂのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ４５°の方位角での、図１Ｂのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 Ｒ_ｔｈがゼロの、従来技術の単一ステージＬＣ切換え可能ＮＤフィルタの、オフ状態の構成を示す図である。 Ｒ_ｔｈがゼロの、従来技術の単一ステージＬＣ切換え可能ＮＤフィルタの、オン状態の構成を示す図である。 ０°の方位角での、図４Ａのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ４５°の方位角での、図４Ａのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ０°の方位角での、図４Ｂのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ４５°の方位角での、図４Ｂのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 Ｒ_ｔｈがゼロの、本発明の単一ステージＬＣ切換え可能ＮＤフィルタの、オフ状態の構成を示す図である。 Ｒ_ｔｈがゼロの、本発明の単一ステージＬＣ切換え可能ＮＤフィルタの、オン状態の構成を示す図である。 ０°の方位角での、図７Ａのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ４５°の方位角での、図７Ａのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ０°の方位角での、図７Ｂのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 ４５°の方位角での、図７Ｂのスイッチの非垂直挙動を示す図である。 図７Ａのフィルタステージへの幾何学的補償装置の挿入を示す図である。 Ｃプレートの過度のリタデーションが取り除かれた状態の、図１０Ａのフィルタステージのオフ状態を示す図である。 図１０Ｂのフィルタステージのオン状態を示す図である。 ４５°のＡＯＩ、および最悪ケースの方位角（０／９０°）での、図１０Ｂの構成を使用する光シャッタのオフ状態の透過率を示す図である。 垂直入射、およびいくつかの方位角における４５°のＡＯＩでの、図１０Ｃの構成を使用する光シャッタのオン状態の透過率を示す図である。 フィルタリングされていない状態（あらゆる波長で減衰がゼロ）をもたらす、本発明の完全に補償された平行偏光子ＤＮＤステージの構成を示す図である。 減衰が１ストップでのフィルタリングされた状態をもたらす、本発明の完全に補償された平行偏光子ＤＮＤステージの構成を示す図である。 図１２の１ストップＤＮＤ構成でのフィルタリングされていない状態での透過スペクトルを示す図であり、このフィルタリングされていない状態での透過率は、ＡＯＩとは実質的に無関係である。 図１２の１ストップＤＮＤ構成でのフィルタリングされた状態での透過スペクトルを示す図である。図１３Ｂには、垂直入射の場合、および４５°のＡＯＩにおいて、４５°刻みの方位角でのオーバレイが示してある。 フィルタリングされていない（０次の半波長）状態をもたらす、本発明の完全に補償された交差偏光子ＤＮＤステージの構成を示す図である。 減衰が４ストップでのフィルタリングされた（４分の１波長）状態をもたらす、本発明の完全に補償された交差偏光子ＤＮＤステージの構成を示す図である。 図１４の構成でのフィルタリングされていない状態での透過スペクトルを示す図であり、それぞれが、垂直入射の場合、および４５°のＡＯＩにおいて、４５°刻みの方位角でのオーバレイを示す。 図１４の構成でのフィルタリングされた状態での透過スペクトルを示す図である。 高コントラスト光シャッタとして使用される、本発明の広角無色回転子スイッチのオフ状態の構成を示す図である。 高コントラスト光シャッタとして使用される、本発明の広角無色回転子スイッチのオン状態の構成を示す図である。 図１６の構成におけるオフ状態での透過スペクトルを示す図であり、最悪ケースの方位角（０／９０°）での、４５°のＡＯＩの透過率が示してあり、この透過率は、±４５°の方位角では事実上ゼロである。 図１６の構成におけるオン状態での透過スペクトルを示す図であり、いくつかの方位角での透過率が示してある。 広角無色回転子スイッチを使用する、本発明のＤＮＤフィルタステージの全体構成であって、濃度が相対的な偏光子角度によって決定される全体構成を示す図であり、フィルタリングされていない状態が示してあり、回転子がＳＯＰを変換する。 広角無色回転子スイッチを使用する、本発明のＤＮＤフィルタステージの全体構成であって、濃度が相対的な偏光子角度によって決定される全体構成を示す図であり、フィルタリングされた状態が示してあり、スイッチがゼロＲ_ｅを有する。 垂直入射、および４５°のＡＯＩにおいて、４５°刻みの方位角での、図１８の１ストップＤＮＤフィルタステージのフィルタリングされていない状態での透過スペクトルを示す図である。 垂直入射、および４５°のＡＯＩにおいて、４５°刻みの方位角での、図１８の１ストップＤＮＤフィルタステージのフィルタリングされた状態での透過スペクトルを示す図である。 １ステージ当たり１つまたは複数の独立したスイッチと、複数のフィルタステージとを備える、本発明の一般的なＤＮＤフィルタを示す図である。 １ストップステージ、２ストップステージ、および４ストップステージを使用する３ステージＤＮＤにおいて利用可能な４つの偏光子構成における、４５°のＡＯＩでの透過の方位角変化を示す図である。 １ストップステージ、２ストップステージ、および４ストップステージを使用する３ステージＤＮＤ向けの、好ましい構成を示す図である。 図１８の各ステージの設計を使用する、図２２のＤＮＤ設計の８つの出力における垂直入射透過スペクトルを示す図である。 無色の４分の１波長リターダと組み合わせて円偏光の左右像スイッチを生成する、本発明のゼロＲ_ｔｈ偏光スイッチを示す図である。 閉ループ制御を有する画像キャプチャシステムで使用されるＤＮＤ用のブロック図である。

本明細書で使用される用語の定義
本明細書で使用される用語の一部は、このタイプのフィルタに固有のものである。さらに、より一般的な業界用語によっては、その厳密な定義について異なる解釈が存在する場合がある。分かりやすくするために、本明細書全体を通して使用される重要な用語および尺度の定義のリストを以下に示す。

中性濃度フィルタ：中性濃度フィルタは、規定の減衰レベルおよび波長非感光性で光を透過させる光学構成部品である。減衰は、本明細書においては、「ストップ」という用語で定量化されており、画像キャプチャで使用される専門用語と一致している。ストップでの減衰は、パワー透過関数の逆数の２を底とする対数として計算される。したがって、減衰の１ストップは５０％の透過率と同等であり、減衰の２ストップは２５％の透過率と同等であり、減衰の３ストップは１２．５％の透過率と同等である。可視フィルタにおいては、この減衰は、平坦な入力分光分布（ＳＰＤ）を仮定し、フィルタによって透過されるルーメンと、フィルタがない場合のルーメンとの比を計算することによって与えられる。

「中性」という用語は、いくらか主観的であり、特定用途向けであり、対象となる規定されたスペクトル範囲にわたる減衰における、許容された程度の波長依存性を指す。可視スペクトルとの関連では、「無色」という用語を同等に適用してもよい。理想的な中性濃度は、スペクトル的に平坦な減衰を指し、実際には最も広く適用可能な解決策である。中性という用語は、垂直入射での徐々に増える色ずれ、および／または入射角に依存する色ずれを許容するフィルタを備えるものとして拡張してもよい。後者は、色不均一性として以下に定義される。

フィルタステージ：このような文脈において、フィルタステージは、２つ以上の濃度値をもたらすことができる、独立型のユニットである。フィルタステージは、各フィルタステージの透過関数の積によって複合透過率が与えられるように、パワーベースで相互作用する。可変中性濃度（ＶＮＤ）フィルタは、単一のフィルタステージに実装することができる。本発明のデジタル中性濃度（ＤＮＤ）フィルタは、好ましくは、２つ以上のステージを使用して、３つ以上の濃度値を生成してもよい。１つのステージからの分析用偏光子は、通常、後ステージの入力偏光子の役割を果たす。３つ以上の濃度状態を有するＤＮＤは、２つ以上のデジタル電気光学的デバイスを含む単一のフィルタステージで実現することができる。後者の場合（たとえば、Ｓｈａｒｐによる米国特許出願公開第２０１９／０３５３９４８号であり、その内容は参照により本明細書に援用される）、複数のスイッチから生じる偏光の状態は、単一の偏光分析装置を使用して複数の濃度値に変換される。

可変中性濃度（ＶＮＤ）フィルタ：ＶＮＤフィルタは、規定範囲の濃度にわたってアナログ調整を用いる中性濃度フィルタである。ＶＮＤフィルタは、機械的な（もしくは、電気機械的な）調整、または電気光学的な調整を使用してもよい。前者は、１つの偏光子の別の偏光子に対する回転を含んでもよく、後者は、１つまたは複数の電気光学的デバイスへの電界の印加を指してもよい。

デジタル中性濃度（ＤＮＤ）フィルタ：ＤＮＤは、デジタル駆動の電気光学的デバイスを使用して、各離散濃度状態の間で切り換わる中性濃度フィルタである。本発明の構成では、複数の状態を生成するのに使用される２つ以上のフィルタステージが存在しており、各ステージは、２つの状態間で切り換えられる１つ（または、複数）の電気光学的デバイスを有する。ＤＮＤフィルタは、２つ以上の電気光学的スイッチングデバイスを有してもよく、濃度値の数は、２^Ｎほどの大きさにすることができ、ここでＮは、独立した電気光学的スイッチの数である。

画角（ＡＯＶ）：このような文脈において、ＡＯＶとは、（面法線に対する）フィルタに入射する光の完全円錐角を指し、あらゆる方位角にわたって性能が許容できるとみなされる。ＶＮＤまたはＤＮＤにおいては、ＡＯＶは、フィルタ濃度のあらゆる範囲をさらに含む。ＡＯＶは、濃度／色の不均一性についての受入れ基準に依存する。たとえば、特定のＶＮＤは、９０°のＡＯＶを有し、０．５ストップの濃度不均一性と、色座標または色の不均一性における許容される最大シフトとに依存すると述べてもよい。画像キャプチャでの所望のＡＯＶは、通常、予測されるレンズの最短焦点距離、および画像キャプチャデバイスの対角線寸法によって決定される。たとえば、焦点距離が２４ｍｍのレンズとともに使用されるフルフレームのイメージセンサは、所望の８４°のＡＯＶを有することができる。

挿入損失：これは、最低濃度値に設定されるときの、ＶＮＤまたはＤＮＤの透過損失であり、ストップで指定される。たとえば、２偏光子ＶＮＤでは、偏光子の吸収軸が平行なときに挿入損失が測定される。事実上、入力が偏光されていない場合、例示的なＶＮＤは、偏光状態を生成するのに関連する１ストップの損失を有し、（典型的には）ＶＮＤの各素子による吸収／反射（たとえば、偏光子吸収軸に直交する吸収およびフレネル反射）に関連する追加の０．５ストップ損失を伴う。したがって、例示的な偏光子ベースのＶＮＤは、正味１．５ストップの挿入損失を有することが一般的である。

ダイナミックレンジ：これは、ＶＮＤまたはＤＮＤの最大濃度設定と最小濃度設定の間の（垂直入射の）差を指しており、ストップによって指定される。たとえば、平行偏光子に関連するハードストップ（０ストップ）と、８２．８°での吸収軸を有する偏光子（６ストップ）との間で回転することのできる２偏光子ＶＮＤでは、ダイナミックレンジは６ストップである。ＶＮＤ／ＤＮＤによって生成される実際の濃度は、濃度設定を（ストップでの）挿入損失に加算することによって与えられるが、ダイナミックレンジは挿入損失に依存しないことに留意されたい。この例では、８２．８°の設定は、挿入損失が含まれるときの７．５ストップの減衰７．５ストップに対応する。

濃度不均一性：これは、ＡＯＶ内に入射する任意の光についての、（ストップでの）最小透過率と、（ストップでの）最大透過率との間の差の絶対値として定義される。これは、単一波長での透過率を使用して計算することができ、または、入力ＳＰＤにわたって明所視的に重み付けされた透過率を積分することによって計算することができる。前述の通り、濃度は、フィルタによって透過されるルーメンと、その入射との比として与えられ、入力ＳＰＤに依存する。濃度不均一性は、各特徴を解決するＡＯＩおよび方位角の代表的なサンプリングを用いて、後者（平頂の入力ＳＰＤを仮定する）を計算し、次いで、濃度不均一性を計算するための高い値および低い値を特定することによって得られる。

色不均一性：これは、平頂の入力ＳＰＤを仮定して、ＡＯＶにわたるＶＮＤ／ＤＮＤの透過関数に関連する任意の２つの色座標（たとえば、ａ^＊ｂ^＊、ｕ’ｖ’など）の間の最大ｒｍｓ差によって定義される。能動デバイスでは、各濃度状態は固有の色不均一性を有する場合があり、透過色において最も高い角感度を示すフィルタ状態によってＡＯＶが制限される場合がある。色不均一性は、濃度状態の実際の濃淡を説明するものではなく、角度に関するシフトのみを説明するものであることに留意されたい。前述の通り、フィルタの濃淡は、中立性の仕様によってキャプチャされる。

偏光子：偏光子にはいくつかのタイプが存在するが、最も一般的なものは、延伸ＰＶＡヨウ素／染料タイプである。これらは、延伸方向（面内）に１軸性の吸収軸を有する直線偏光子であり、通常の波を透過するので、ｏ型偏光子と呼ばれる。ｅモード型である液晶ベースの偏光子も実証されてきており、異常モードを透過する。

リターダ：リターダは、位相差フィルムとも呼ばれる。これは、延伸ポリマー、架橋された反応性メソゲン、または能動液晶デバイスなど、異方性（１軸性または２軸性、正または負の異方性）の誘電体である。たいていの延伸ポリマーリターダは、フィルムの主な座標系において、その屈折率（すなわち、２つの面内屈折率、および１つの厚さ方向の屈折率）を有する。１軸性リターダは、１軸性の面内延伸（別名、正のＡプレート）によって作製することができ、遅い軸は通常、延伸方向に対応する。負の１軸性リターダは、高速軸を表す光学軸を有する。２軸性リターダは、２軸延伸（たとえば、直交面内延伸、または厚さ方向の延伸と組み合わせた面内延伸）によって作製することができる。たとえば、２軸性の面内延伸は、厚さ方向の経路長差（Ｒ_ｔｈ）のみをもたらす、ゼロの面内経路長差（Ｒ_ｅ）を作製することができる（別名、負のＣプレート）。リターダは分散を有し、これにより、通常は追加のクロミナンスがもたらされるが、位相差において「逆分散」を示す無色リターダもさらに存在する。後者においては、波長とともに経路長差が長くなる。

液晶デバイス（能動、またはＲＭ）は、延伸フィルムに対して追加の自由度を有することができる。液晶デバイスは、一般に（少なくとも、厚さ方向においては）不均一なので、通常は、それぞれが均一なダイレクタ分布を有する薄層のスタックとして分析される。面法線を中心とした広がり、曲がり、ねじれを含む、様々なタイプのＲＭおよび能動のＬＣアラインメントが一般的である。能動デバイスと同様に、必要に応じてプレチルトを取り入れることができる。これに関連して、偏光の状態を変換するためにリターダが使用され、ＳＯＰを濃度に変換するために、最終的に分析器（偏光子）が必要とされる。

斜方異方性：これは、面法線に対して傾斜した光学軸を有する、光学的に１軸性の（または、２軸性の）材料を意味する。実質的に中間の傾斜（たとえば、４５°）を有する１軸性のリターダは、入射角に対して１次のリタデーションをもたらす場合がある。この結果として、入射角に対してフィルタステージの比較的大きい非対称透過が得られる。傾斜偏光子（たとえば、ゲストホストＬＣ）は、関連する問題を有する面法線に対して傾斜した吸収軸を有してもよい。斜方異方性は、（波長依存の）位相差および投射される光学軸の向きにおける角度変化を悪化させる場合があり、これは一般に、本発明において望ましくない。

面内経路長差：「Ｒ_ｅ」で表され、これは一般に、基板面上に投射される正味の光路長差を指す。リタデーションは、波長に対するＲ_ｅの比に２πを乗算したものである。本発明の各例に使用される好ましい異方性材料においては、リターダフィルムの主軸に位置合せされる異方性材料を指す。この制約においては、面内のリタデーションは、２つの面内屈折率から生じる位相差である。「複合Ｒ_ｅ」は、リターダスタックに関連付けることができる。（たとえば）光学軸の向きが不均一な、ねじれたＬＣ構造を使用するとき、状況はさらに複雑になることに留意されたい。

厚さ方向の経路長差：「Ｒ_ｔｈ」で表され、これは一般に、基板法線上に投射される光路長差を指す。本発明を実証するのに使用される好ましい異方性材料においては、Ｒ_ｔｈは、リターダフィルムの主軸に位置合せされる異方性材料に関するものである。これに関連して、Ｒ_ｔｈは、厚さ方向の屈折率と面内屈折率の平均値との間の差に、厚さを乗算したものによって与えられる。それぞれの偏光光学系は、Ｒ_ｔｈ値を有することができ、２つ以上の偏光制御素子（たとえば、リターダおよびＬＣデバイス）のスタックは、Ｒ_ｔｈの蓄積を表す「複合Ｒ_ｔｈ」を有することができる。各素子のＲ_ｔｈを加算することによって、必ずしも複合Ｒ_ｔｈが得られるとは限らないが、それというのも、リターダの方位角分布が、Ｒ_ｔｈの蓄積に影響を与える場合があるからである（たとえば、Ｓｈａｒｐによる米国特許出願公開第２０１９／００１８１７７号を参照されたく、その内容は参照により本明細書に援用される）。本発明によれば、ＤＮＤのあらゆる状態について、複合Ｒ_ｔｈをゼロにすることが一般的な目的である。

幾何学的補償：ＧＣで表され、これは、もっぱら非垂直の入射光に対して偏光変換を実行する、１枚または複数枚の受動型リターダフィルムを指す。ＧＣは事実上、非垂直光線が受ける幾何学的回転を相殺する、偏光回転（または、偏光反射）である。たとえば、ある基準フレーム（たとえば、偏光子の吸収軸／基板面内のリターダの遅い軸）内のベクトルの向きは、別の基準フレーム（たとえば、光線ベクトル（または、ｋベクトル）に垂直な平面）に投射されるときに変化する。理想的なＧＣは、幾何学的回転が存在する場合の非垂直光線について、偏光光学系の面内構成の垂直入射関数を保存する。

ステージ内補償：これは、角度全体にわたって、透過率不均一性および色不均一性をまとめて最小限に抑えるステージ内の各素子の構成に関する。すなわち、ステージ内補償は、大きな入射角において、垂直入射透過関数を保存しようとする。これは、場ベースでのステージ内の各素子と光との相互作用を表すので、Ｒ_ｅを安定化すること、ならびに複合Ｒ_ｔｈおよび入射角にわたる幾何学的効果を最小限に抑えることと同義である。これらは、角度全体にわたって良好に、個別に実行するビルディングブロックを作製するための、本発明の重要な素子である。

ステージ間補償：これは、ＡＯＶ内の透過率不均一性および色不均一性をまとめて最小限に抑えるフィルタステージの構成に関する。各ステージは、パワー透過ベースで相互作用するので、これは、ＡＯＶが最適化されるように、２つ（または、３つ以上）のステージ透過関数の相補的な構成に関する。最適化は、角度全体にわたる透過率均一性および／または色均一性を指してもよい。

オン／オフ状態：電気光学的デバイスには数多くの構成が存在し、２つのカテゴリに分類することができる。ある１つのカテゴリにおいては、このデバイスは、エネルギーが供給されていないときは（たとえば、ＶＡ）比較的小さいＲ_ｅ値を示し、エネルギーが供給されているときには、比較的大きいＲ_ｅ値を示す。別のカテゴリにおいては、このデバイスは、エネルギーが供給されていないときは（たとえば、ＴＮ、ＥＣＢ、ＰＩセル）比較的大きいＲ_ｅ値を示し、エネルギーが供給されているときには、比較的小さいＲ_ｅ値を示す。いくつかの好ましい構成においては、一方のＲ_ｅ値が事実上ゼロであり、もう一方のＲ_ｅ値が、ある１つのＳＯＰからの光を、直交するＳＯＰ（たとえば、半波長）に変換するように、デバイスが駆動される。明確にするために、オン状態は、比較的大きいＲ_ｅを有する状態と考えられ、オフ状態は、比較的小さいＲ_ｅを有する状態と考えられることになる。後者は、単一のＬＣデバイスと、本発明のＬＣ対の両方に適用される。

問題の定義
開口とは無関係に、イメージセンサに到達する光レベルを調節する能力が、特に、短い焦点距離での屋外設定においては、静止画像／ビデオ画像の画質を最適化するのに非常に有用である。最も一般的な解決策は、それぞれが固有の濃度を有する、１組の中性濃度フィルタを搭載することである。レンズハウジングからフィルタを手動で取り外し、周囲の輝度および所望の結果により適したものに置き換えることによって、濃度変化を実現することができる。あるいは、フィルタトレイ固定具によって、フィルタを組み合わせて容易に挿入／取外しすることができるようになる。したがって、他の濃度値は、フィルタを積み重ねることによって得ることができる（たとえば、３つのフィルタのセットは、原理的に８つの出力を生成することができる）。この例では、最も低い濃度では濾光が省略され、最も高い濃度では３つのフィルタすべてが積み重ねられる。後者は、フィルタのダイナミックレンジを表す。濃度の等比級数（たとえば、１ストップ、２ストップ、および４ストップのＮＤフィルタを含むセット）の場合、ダイナミックレンジは、１ストップ刻みで７ストップとすることができる。この例は、この仕組みが、離散セットの固定濃度間のスイッチングを可能にするという意味で、粗削りなデジタル中性濃度（ＤＮＤ）フィルタとみなすことができる。これは明らかに遅く、扱いにくく、何らかの濃度変化中に、レンズおよびフィルタセットに手動でアクセスする必要があり、アナログ濃度設定が可能とはならない。しかし、受動ＮＤフィルタを用いると高品質が利用可能となるので、透過率および色における角度変化に関連するアーティファクトを考慮に入れることなく、任意の焦点距離で使用することができることから、このフィルタが好まれることが多い。さらに、各設定は、固定濃度値によって良好に定義される。

これのアナログ（たとえば、マニュアル）バージョンは、１対の中性偏光子を使用するＶＮＤフィルタである。前述の例では、再構成が遅く、レンズに手動でアクセスする必要がある。一般的な２偏光子バージョンは、アナログ調整を可能にするが、角度アーティファクト（たとえば、「ｄｒｅａｄｅｄ－Ｘ」）とこの利便性を引き換え、特に短い焦点距離で撮影するときに、高濃度にならないようにする。この状況は、米国特許出願公開第２０１８／０２５９６９２号に記載の、偏光子の「ファン」構成を使用するときに改善され、これは、角度アーティファクトに対するステージ間補償を使用する、２つ以上のフィルタステージを備える。

ＶＮＤ／ＤＮＤの非機械的なバージョンも存在する。一般に、これらは、何らかの形の電気光学的デバイス（たとえば、液晶（ＬＣ）デバイス、圧電デバイス、もしくはエレクトロクロミックデバイス）、または光アドレス型デバイス（たとえば、フォトクロミック材料）を使用して、濃度を再構成する。急速に低電圧再構成するには、ＬＣベースのＮＤフィルタが望ましい。これを２つのカテゴリ、すなわち、受動偏光分析器と組み合わせて能動偏光制御（たとえば、能動リターダ）を使用するタイプ１と、ＬＣデバイス自体が能動偏光子（たとえば、ゲストホストＬＣ）になるように、こうした機能を統合するタイプ２とに分けることができる。単純なタイプ１のフィルタステージは、入力偏光子、適切に配向された分析用偏光子、入力ＳＯＰを操作することのできる能動ＬＣデバイス、および設計によって必要とされる１つまたは複数の受動位相差フィルムを備えてもよい。それにかかわらず、たいていの能動ＬＣデバイス（たとえば、ネマティック）は、印加された電界へのアナログ応答を有する傾向があり、したがって、原理的にＶＮＤ機能を可能にすることができる。たとえば、交差直線偏光子間の単一のネマティックＬＣデバイス（ＴＮ、ＶＡ、ＥＣＢ、ＰＩセル）は、平行光において使用されるときには、ＶＮＤとして十分に良好に機能することができる。しかし、画像キャプチャにおいては、カメラレンズに取り付けられたＮＤフィルタが、４０°、６０°、８０°、さらには１００°をさらに超えるＡＯＶ要求条件を有してもよい。説明されている簡単なＬＣ ＶＮＤは、こうした角度のうち最小角度においても限定的な実用的な有用性を有する。

アナログＮＤフィルタを生成するのに、１つまたは複数のアナログ駆動ＬＣデバイスを使用するという見込みは、タイプ１のフィルタリングの干渉の性質に起因して、超ワイドＡＯＶの状況では非現実的になる場合がある。すなわち、位相差、振幅分割、および分析器の向きにおける、ＡＯＩに依存する変化は、垂直入射透過に対して透過率および色を歪ませる場合がある。本開示において考慮される様々な現象に起因して、光線がフィルタを通って斜めの角度で進むとき、設計された垂直入射の複合Ｒ_ｅ値は非常に歪む場合がある。場合によっては、後処理での角度アーティファクトを補正するために、各濃度設定において、また角度全体にわたって、再構成可能なＮＤフィルタの挙動を特徴づけることが可能でもよい。しかし、これを実現することのできる範囲には制限が存在する。極端な例では、このような歪みに起因して、１つまたは複数の原色の透過が完全にブロックされることがあり、これは、ポストプロダクションにおいて明らかに修復できない場合である。

タイプ１のフィルタステージの干渉の性質は、最良の環境下（すなわち、垂直入射）においても、望ましくない透過特性を生じる場合があることにさらに留意されたい。この理由は、逆波長依存性と波長による複屈折の減少による、各偏光子間での典型的なＬＣデバイスの位相差分散である。透過スペクトルは、色が角度安定である限り、何らかの電子的キャプチャ用途において許容可能となることのある、青色または琥珀色へのシフトを示す場合がある。

入射角へのＡＯＶリミッタの非線形挙動が原因で、より低い入射角での性能に重大な影響を及ぼさない特定の現象も、適切に対処しない場合には、より高い入射角で性能を制限するものとなり得る。これは本質的に「玉葱の皮むき」の問題であり、設計者は、さらに重要度の高い問題に対処するための報酬として、ＡＯＶを制限する次の潜在的な問題への見通しが与えられる。観察可能となれば、課題は、玉葱の次の層の皮をむく技法を特定することである。このような問題に対処するための具体的な優先順位付け、および本発明がその問題に対処するやり方を以下に説明する。

１．斜方異方性を最小限に抑える：ＬＣデバイスは通常、電界を印加することにより、基板の法線に対して異方性分子が傾斜するように誘導することによって偏光を変調する。アナログモードで動作するとき、中間の傾斜角を使用して中間の濃度を得ることができる。しかし、分子ダイレクタが全体として面内に存在するか、または全体として基板に垂直であるときよりも、中間の傾斜角では、ＶＮＤ透過率の不均一性が著しく悪化する場合がある。ある１つの問題となる状況では、斜方異方性は、入射角に対するリタデーションに直線（または、１次）変化をもたらすことがある。（たとえば）１ストップ透過点の近くでバイアスされている場合、角度が非対称になる傾向のある、関連する透過率／色の大きい不均一性が存在することがある。

「能動的補償」を使用する技法は、２つのアナログＬＣデバイスを使用して、単一の変調器を形成することを含んでもよい。たとえば、ある１つのＥＣＢを別のＥＣＢに対して１８０°だけ回転させ、これを縦列に駆動することによって（たとえば、Ｏｓｔｅｒｍａｎによる米国特許第９，９３３，６３１号を参照）、状況を改善することができるが、通常は、非常に大きいＡＯＶを使用可能にすることはない。これまでの例では、入射面がダイレクタプロファイルを含む面に直交するときに、偏光が歪む場合がある。一般に、（基板もしくは基板法線に対して）大きいプレチルト角、低い印加電圧での境界における広がり、および／または前述の中間状態を生成する中間電圧レベルの意図的な選択の結果として、斜方異方性が生じる場合がある。本発明は、以下のようにして、ＬＣ／ＲＭデバイスの斜方異方性を最小限に抑える。（１）プレチルト角を最小限に抑える（たとえば、基板または基板法線に対して２°以下）。（２）広がりを最小限に抑えるのに十分な電圧で、ＬＣセルをバイナリモードで動作させる。これは、（たとえば）実質的に正のＡプレート構成と、実質的に正のＣプレート構成との間のスイッチングを伴う場合がある。これは、斜方異方性が最小限に抑えられる限り、ねじれたＬＣ構造の使用を妨げないことに留意されたい。バイナリスイッチングにおいて、複数の濃度状態を得るには、したがって、独立して動作する２つ以上のバイナリＬＣスイッチが必要となる。したがって、ＤＮＤの発明は、濃度値の離散的なセットにおいて、受光角を最大にするために、アナログ濃度調整を犠牲にする。複雑さの観点からは、広いダイナミックレンジおよび小さい濃度刻みを有するＤＮＤは、したがって、ＶＮＤの対応物よりもかなり多くのハードウェアを有する場合がある。

２．複合Ｒ_ｔｈを最小限に抑える：各偏光子間の偏光制御素子がすべて、事実上ゼロの斜方異方性を有するという好ましい構成の下では、透過率の均一性は、複合Ｒ_ｔｈによって制限されてもよく、ここでＲ_ｔｈは、入射角によるリタデーションの２次変化を表す。一般に、最も広いＡＯＶは、複合Ｒ_ｔｈが全く同じようにゼロであるときに生じる。１組の離散的な複合Ｒ_ｔｈ値は、ＤＮＤフィルタ内の１つまたは複数のＬＣデバイスをスイッチングすることに関連する。Ｒ_ｔｈは動的とすることができるので、複合Ｒ_ｔｈの最も大きい影響を示す状態にまで、ＤＮＤフィルタのＡＯＶを制限することができる。一例では、本発明は、２つのフィルタステージを使用して、各状態にゼロＲ_ｔｈが存在する状態で、３つ以上の離散濃度状態を得ようとする。例示的なスイッチは、１対のネマティックＬＣデバイス、駆動される逆位相を使用し、その結果、Ｒ_ｔｈ変調が存在せず、２つの状態のそれぞれが受動的に補償されて、ゼロの複合Ｒ_ｔｈを得ることができるようになる。この自己補償型のリタデーションスイッチは、単一の面内スイッチの機能を有する１対のＬＣセルであり、米国特許出願公開第２０１９／０３５３９４８号に記載されており、その内容は参照により本明細書に援用される。たとえば、２ステージのＤＮＤは、このように、少なくとも４つのＬＣデバイスを必要とするはずである。Ｒ_ｔｈがゼロの、追加の偏光スイッチが、本発明において説明されている。

Ｒ_ｔｈはまた、適度のＡＯＶではあまり重要でない基板によってもたらされる場合がある。たとえば、機能性ＰＶＡ偏光子層を保護するのに日常的に使用されるトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）基板は、典型的には、３０～５０ｎｍの負のＣプレートのリタデーションを有する。超広角ＮＤフィルタでは、これは、性能を制限するものとなる場合があり、等方性偏光子基板の使用を必要とする。

３．幾何学的回転を補償する
任意の複合Ｒ_ｔｈが存在しない場合でも、透過率不均一性は、幾何学的回転によって制限されることがある。たとえば、フィルタステージの不透明な状態は、事実上、ゼロＲ_ｅおよび複合ゼロＲ_ｔｈを有する場合があるが、やはり透過率不均一性が存在する。これは、本質的に従来の２偏光子ＶＮＤであり、入射面が偏光子吸収軸を２等分するときに、この偏光子吸収軸が逆回転するように見えるので、クロスパターン（たとえば「Ｄｒｅａｄｅｄ－Ｘ」）が観察される。幾何学的補償は、この方位角での偏光の状態を補正することができ、その結果、（たとえば）偏光子は、非垂直光線に対して効果的に交差したままである。これは、遅い軸が吸収軸の１つに沿った状態でＲ_ｔｈ＝０に配向される、２軸性のＨＷリターダの形態とすることもできる。これはまた、Ａプレート／Ｃプレートの組合せの形態とすることもできる。＋Ａプレートは、隣接する偏光子の吸収軸と交差する遅い軸を有してもよく、この後には＋Ｃプレートが続く。こうした２つの変換により、幾何学的回転角の増加に実質的に追従するようにして、回転角が入射角度とともに増加する状態で、第１の偏光子を出る偏光が回転する。

幾何学的回転は、偏光子に限定されない。たとえば、リターダの投射される遅い軸はまた、単に幾何学的形状に起因して回転することができる。偏光子への幾何学的形状の効果は無色でもよいが、向きと位相差が相互に関連していることがあるので、リターダについてはそうでない場合もある。リターダによって透過される偏光の状態は、位相差と直交場成分の相対振幅に依存し、その両者とも入射角に依存する。前述の通り、出力は、相対振幅、直交場成分の経路長差、および波長と干渉的に関連する。

材料を選択することによって、幾何学的回転の管理を可能にすることもできる。たとえば、１対のｏ型偏光子が交差すると、幾何学的回転が生じる。この構成が、偏光子対からのゼロ透過を必要とする場合、唯一の選択肢はＧＣを加えることである。しかし、ｏ型偏光子がｅ型偏光子に平行である場合、透過率はやはりゼロになるが、幾何学的回転の問題は存在しない。同様に、１対のマッチした＋ＡプレートからゼロＲ_ｅの状況が必要とされる場合、これらは交差しなければならず、ＧＣを必要とすることのある幾何学的問題が存在する。正のＡプレートが、マッチした－Ａプレートに平行である場合、幾何学的回転の問題が存在しないので、ゼロＲ_ｅが保証される。後者が本発明において使用されて、角度に依存しないフィルタリングされた状態を得る。

４．最適性能のためのＤＮＤ状態
一般に、ＤＮＤステージのパワー透過は、分析器に入射する偏光の状態（ＳＯＰ）に非線形に関連するというわけである。平行偏光子間に直線リターダを含むＤＮＤステージの簡単な例を考えてみる。ここで、Ｔ＝ｃｏｓ^２Γであり、リタデーションは２Γである。非垂直光線が受けるリタデーションの増分変化（ΔΓ）は、透過率の変化、ΔＴ＝－（ｓｉｎ２Γ）ΔΓをもたらす。１ストップの減衰（たとえば、Γ＝π／４）でのリタデーションが選択される場合、関連する透過率の変化は最大であり、全通過の透過（たとえば、Γ＝π／２）での透過率の変化は最小である。前者は１次の（すなわち、線形の）関係を表し、後者は２次の関係を表す。この例では、１１．５４°のリタデーション誤差に対して、全通過の状態（すなわち、透過率９６％）の透過においては損失が４％になる。しかし、フィルタが１ストップのフィルタリングされた状態にあるとき、この同じ誤差によって、１９．６％の透過率の変化を生じ、５倍の比率である。前者は許容可能となる場合もあるが、後者はそうでない場合がある。

特定のＤＮＤステージアーキテクチャが、入射角についてその他の状態よりも安定である１つの状態でのＳＯＰを分析器に提供する場合もあり得る。この場合、本発明は、分析器に入射するＳＯＰの歪みに対して感度が最も高い出力に、さらに安定した状態を割り当てようとする。上記の例では、これは、１ストップのフィルタリングされた状態となるはずである。実際には、本発明には、偏光スイッチング構造がＳＯＰに変化をもたらさないとき、すなわち等方性に見えるときに、より安定した状態が頻繁に生じることが示してある。したがって、いくつかの好ましい実施形態のアーキテクチャでは、スイッチが消えるときにフィルタリングされた状態がもたらされることがあり、このことは、減衰のストップの数を決定するのに、何らか他のメカニズムが必要となることを意味する。本発明の好ましいアーキテクチャによっては、これは、所望の濃度をもたらすように偏光子対間の角度を選択することでもよい。

上記の例は、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、もっぱら本発明の設計配慮を例示することを意図するものである。この例は、減衰の１ストップ（５０％）でのステージの透過率の高感度を示すが、透過率の変化が対象となる唯一の尺度ではないことに留意することが重要である。すなわち、透過率不均一性は、１ストップで最も高くなることがあるが、透過率不均一性への影響は、減衰のストップ数が多くなると、さらに大きくなることがある。たとえば、１０ストップの減衰において、分析器に入射するＳＯＰに比較的小さい変化が生じることがあるが、その変化が透過率をゼロにする場合には、透過率不均一性が無限になる。

５．より濃度の低いステージを縦続接続する
偏光ベースのＮＤフィルタの濃度不均一性は通常、濃度設定とともに増加するので、この考え方は、ステージ間補償と密接に関連している。２つ以上のステージを使用することにより、より高い濃度値を実現するという負担を、より低い濃度ステージ間で共有することができる。ＤＮＤ設計は、透過率均一性を高めるために、いずれか１つのステージの濃度を低減してもよい。好ましい構成では、たとえば、特定の方位角での、ある１つのステージからの増加した透過率が、別のステージからの減少した透過率と一致し、これによって、透過率の方位角変化が減少する。

本発明は、フラットパネル表示装置の産業用に開発された材料およびデバイスを利用する。長年にわたって、テレビおよびモニタへの性能の期待が高まってきたので、こうした材料およびデバイスの精巧化および性能のレベルが改善してきた。角度全体にわたるハイコントラストなど、探し求めている仕様の中には、中性濃度フィルタと表示装置の両方に関連するものがある。時として解決策が適切な場合もあるが、中性濃度の問題をさらに困難にする傾向のある逸脱がある。

表示装置においては、その目的は、通常、特に水平での極端な視角に対してハイコントラストを維持することである。ＮＤフィルタリングにおいては、ＡＯＩと方位角の両方への透過関数の依存性が最小限に抑えられることが望ましい。ＬＣデバイスは、そのスイッチングにおいて無色ではないので、表示装置においては、角度全体にわたって暗状態での透過率を最小限に抑えることに重点を置く。ＲＧＢカラーバランス化の可用性に起因して、明状態の比較的低いスペクトル性能は、あまり重要ではない。画像キャプチャデバイスからの後処理画像によって、同様の機能を実現することができる。

ＬＣＤ表示装置の設計を最適化するのとは異なり、ＡＯＶが、あるＤＮＤフィルタ状態を別のＤＮＤフィルタ状態よりも優先することに、具体的な論理的根拠はなくてもよい。複数ステージのＤＮＤにおいては、出力は、フィルタリングされていない状態と、フィルタリングされた状態の両方でのステージを表すスペクトルの生成結果でもよい。したがって、有色出力は、状態にかかわらず等しく影響を及ぼすことができる。各状態が有効な出力を表す限りにおいては、ＤＮＤ ＡＯＶ全体が、最も低い実行状態に関連するものに制限される場合がある。また、通常、ＤＮＤは複数ステージなので、設計が堅固でない場合には歪みが悪化することがある。

現在のＬＣＤは、能動ＮＤフィルタリングと関連しなくてもよい空間的な方法を使用して、角度全体にわたって均一な中性階調を実現する。一例として、－Ｃプレート補償装置と結合したＶＡデバイスは、事実上Ｒ_ｅ／Ｒ_ｔｈをゼロとすることができ、（特に、幾何学的補償を利用するときには）広いＡＯＶにわたって非常に暗いオフ状態をもたらすことになる。さらに、散乱アーティファクトおよび回折アーティファクトに起因してＮＤフィルタにおいては実行可能でない場合がある空間技法である複数ドメインを使用して、階調の方位角均一化を実現してもよい。第２の例では、斜方異方性を最小限に抑える面内スイッチ（ＩＰＳ）モードが使用され、ここではやはり、ＧＣを使用して、角度全体わたってハイコントラストを維持することができる。しかし、ＩＰＳモードは、画素化される用途には実用的である精巧な電極構造を必要とするが、ＮＤフィルタにおいてはそうでない可能性が高い。要するに、こうした空間的方法の両方は、高性能な表示装置を生み出すが、その実装は、能動ＮＤフィルタに課題を提示する。したがって、本発明は、均質な材料／デバイスを使用して、品質の高い広角の全通過状態およびフィルタリングされた状態をもたらすアーキテクチャを探し求める。

フィルタの例および分析
モデリングにおける性能比較の簡略化および一貫性のために、例示的なＡプレートおよびＣプレートのみを使用して、フィルタステージ設計が構築される。異方性媒体の通常屈折率／異常屈折率は、それぞれ１．５０／１．５１と考えられ、複屈折分散は含まれない。偏光子は、吸収軸に沿った透過率がゼロであり、直交方向に沿った透過率が１（ｕｎｉｔｙ）であるという意味で、理想的であるとみなされる。実際的には、現実の材料を使用して正確な性能予測を得るには、パラメータの適切な調節が必要とされる。たとえば、Ｃプレートのリタデーションを増加させて、フィルム内で角度を減少させるより高い屈折率を考慮に入れる必要があり得る。このモデルには、複屈折分散は含まれていないが、位相リタデーションの波長依存性が含まれており、したがって、フィルタ透過率の波長依存性もそうである。（たとえば）ＬＣベースのＤＮＤについての正確な性能予測には、実際の屈折率およびＬＣダイレクタプロファイルを挿入することが必要となるはずである。

ベンチマークを目的とするため、またＤＮＤフィルタアーキテクチャの利点を例示するために、図１に示す従来技術の簡略化された単一ステージシャッタを考えてみる。これには、１対の交差偏光子と、遅い軸がその間で０°に沿った状態で配向されている単一の可変複屈折ＬＣリターダとが示してある。リターダは、（Ａ）Ｒ_ｔｈ＝－πである半波長Ｃプレート（オフ状態）と、（Ｂ）Ｒ_ｔｈ＝π／２である半波長Ａプレート（オン状態）との間で切り換わる、ＥＣＢの理想的なバージョンである。図２Ａには、０°の方位角に沿って非垂直で観察される構成要素のオフ状態のレイアウトが示してあり、図２Ｂは、４５°の方位角に沿って観察される構成要素のオフ状態のレイアウトである。前者においては、偏光の状態を実質的に変化させることのできるＬＣ Ｃプレートの面内投射が存在するので、透過率はゼロ以外の非垂直である。さらに、偏光子の吸収軸は、幾何学的効果に起因して逆回転するように見え、したがって、もはや交差していない。たとえば、４５°のＡＯＩでは、この平面での明所視透過率は１５％である。Ｃプレートが除かれる場合、幾何学的回転は、このＡＯＩにおいて１．６％の透過率をもたらすことになる。したがって、偏光を補正するには、－Ｃプレート補償装置（受動的に実行される場合は、オン状態のＡＯＶを犠牲にする）、および幾何学的回転子が必要となる。図２Ｂに示してあるように、偏光子が交差したままであり、ＬＣ Ｃプレートのリタデーションの投射が偏光子の吸収軸に沿っているので、４５°の方位角での性能は理想的である。

図３Ａには、０°の方位角に沿って非垂直で観察される構成要素のオン状態のレイアウトが示してあり、図３Ｂは、４５°の方位角に沿って観察される構成要素のオン状態のレイアウトである。垂直入射では。透過スペクトルは、半波長のリタデーションに関連する中心波長でピークに達する。非垂直では、（屈折率楕円体の投射に起因して）遅い軸の屈折率が減少し、ピーク波長が青方偏移する。逆に言えば、遅い軸の屈折率は９０°の方位角に固定されたままであり、経路長が長くなるとピーク波長の赤方偏移が生じる。前述の通り、偏光子の幾何学的回転に起因する透過率の損失が存在する。このスペクトルシフトは、透過率と色不均一性の両方に問題をもたらす。

図３Ｂには、前述の通り、偏光子は４５°の方位角で交差したままであるが、ＬＣの遅い軸の幾何学的回転が存在することが示してある。これにより、ピークの透過率においてわずかな損失（４５°のＡＯＩで２％）が生じる。この方位角では、ＬＣセルのリタデーションの変化は実質的にない。

上記の従来技術のシャッタに関する主要なＡＯＶの問題は、両方の状態でのＲ_ｔｈ値がゼロ以外になることである。Ｓｈａｒｐによる発明（米国特許出願公開第２０１９／０３５３９４８号であり、その内容は参照により本明細書に援用される）に開示されているように、デュアルＬＣセルを使用して、両方の状態において一定のＲ_ｔｈを有するデジタルスイッチを実現することができる。この従来技術の「自己補償型液晶のリタデーションスイッチ」は、光シャッタとして例示してあり、図４Ａ（オフ）および図４Ｂ（オン）に示してある。相補的なＡプレート／Ｃプレートのスイッチングは、この対のＲ_ｔｈを維持し、必要に応じて挿入される受動Ｃプレート補償を可能にして、複合Ｒ_ｔｈを最小限に抑える。この例では、＋ＡプレートのリターダによってもたらされるＲ_ｔｈによってこれが実現する。

図５Ａには、０°の方位角に沿って非垂直で観察される、自己補償型ＬＣスイッチ用の構成要素のオフ状態のレイアウトが示してあり、図５Ｂは、４５°の方位角に沿って観察される構成要素のオフ状態のレイアウトである。前者においては、偏光子の幾何学的回転のせいで、透過率はやはりゼロ以外の非垂直である（１．６％）。しかし、ＬＣ１は、＋Ｃプレート状態にまで駆動されるので、遅い軸の投射は、同じ向きの受動＋Ａプレートの投射と合計されるリタデーションに寄与する。このリタデーションは、ＬＣ２の＋Ａプレートのリタデーションと交差しており、したがって、正味のリタデーションは事実上ゼロの非垂直である。したがって、この方位角でのコントラストの損失を大幅に低減することができ、幾何学的回転が主要なコントラスト損失となる。

図５Ｂには、前述の通り、偏光子が、４５°の方位角で交差したままであることが示してある。さらに、ＬＣ１に関連する＋Ｃプレートの投射は、偏光子の吸収軸に沿っているので、重要ではない。しかし、ＬＣ２＋Ａプレートおよび受動＋Ａプレートの遅い軸は、幾何学的逆回転に起因してもはや交差しておらず、その結果、光漏れが生じる。

図６Ａには、０°の方位角に沿った図４Ｂのオン状態における、各構成要素のレイアウトが示してある。前述の通り、偏光子の幾何学的逆回転が存在する。しかし、観察方向に沿って生じる補償が理由で、オン状態の透過率中心波長は安定なままである。すなわち、１対のＡプレートのリターダ（受動＋Ａプレートのリターダを有するＬＣ１）のリタデーションの損失は、ＬＣ２に関連する＋Ｃプレートのリタデーションの投射から得られるリタデーションによって大きく相殺される。

図６Ｂには、４５°の方位角に沿った図４Ｂのオン状態における、各構成要素のレイアウトが示してある。前述の通り、偏光子は交差したままであり、ＬＣ２＋Ｃプレートのリタデーションの投射は重要ではない。＋ＡプレートのＬＣ１リターダおよび受動＋Ａプレートの逆回転は、一般に軸が交差していないので、透過率のわずかな損失を生じる場合がある。

図７Ａには、本発明のシャッタでのオフ状態が示してあり、ここで、受動＋Ａプレートが、受動－Ａプレートによって置換される（すなわち、光学軸は速い軸を表す）。図に示す例は、前述の通り光軸を配置し、これによって出力状態が反転する。オフ状態では、ＬＣ１と－Ａプレートの組合せによって、ゼロＲ_ｅおよびゼロＲ_ｔｈがもたらされる。これまでの設計とは異なり、図に示すように、複合Ｒ_ｔｈをゼロにまで駆動するには、－Ｃプレートがさらに必要となる。しかし、３つの素子（ＬＣ１、ＬＣ２、および－Ａプレート）の複合Ｒ_ｔｈは、両方の状態で一定なので、－Ｃプレートのリタデーションもオン状態に必要なリタデーションである。図７Ｂにはオン状態が示してあり、ここで、ＬＣ１が＋Ｃプレートのリタデーションに寄与し、ＬＣ２の＋Ａプレートが受動－Ａプレートと交差することにより、結果として面内のリタデーション（Ｒｅ）の正味の半波長が生じる。

図８Ａには、０°の方位角に沿って非垂直で観察される、本発明による自己補償型ＬＣスイッチ用の構成要素のオフ状態のレイアウトが示してあり、図８Ｂは、４５°の方位角に沿って観察される構成要素のオフ状態のレイアウトである。前者においては、偏光子の幾何学的回転のせいで、透過率はやはりゼロ以外の非垂直である（１．６％）。この設計では、ＬＣ１の＋Ａプレートのリタデーションの損失が、正味ゼロＲ_ｅを維持しながら、受動－Ａプレートのリターダのリタデーションの増大によって相殺される。さらに、ＬＣ２の＋Ｃプレートのリタデーションの投射に起因するリタデーションの増加が、補償装置の－Ｃプレートのリタデーションの投射に起因するリタデーションの減少によって大きく相殺される。最終結果は、複合Ｒ_ｔｈでの非常にわずかな変化である。

図８Ｂには、４５°の方位角に沿って非垂直で観察される、本発明による自己補償型ＬＣスイッチ用の構成要素のオフ状態のレイアウトが示してある。偏光子は交差しており、ＬＣ２の＋Ｃプレートのリタデーションの投射は重要ではない。さらに、－ＡプレートおよびＬＣ１の幾何学的回転は同じ左右像を有し、したがって、この対は、非垂直のリタデーションに寄与しない。本発明のこの特徴によって、この状態での従来技術の自己補償型スイッチに対して性能が改善される。角度安定のフィルタリングされた状態（色および輝度）をＤＮＤが提供しなければならないときに、これが非常に重要となる場合がある。

図９Ａには、０°の方位角に沿って非垂直で観察される、本発明による自己補償型ＬＣスイッチ用の構成要素のオン状態のレイアウトが示してあり、図９Ｂは、４５°の方位角に沿って観察される構成要素のオン状態のレイアウトである。前述の通り、偏光子は逆回転することが観察される。ＬＣ２の＋Ａプレートのリタデーションと受動－Ａプレートのリタデーションとの交差した組合せが、面内のリタデーション（半波長）を非垂直に維持する。ＬＣ１の＋Ｃプレートのリタデーションは、受動補償装置の－Ｃプレートのリタデーションによって除去される。図９Ｂは、ＬＣ２の遅い軸および－Ａプレートの速い軸の逆回転を別にして性能が例示的である、これまでの場合とほぼ同じである。通常通り、リタデーション値は、この方位角において実質的に非垂直に維持される。

これまでの例では、偏光子の吸収軸の逆回転に関連する漏れを軽減するために何もなされなかった。図１０Ａには、これまでのＬＣスイッチが示してあり、幾何学的補償装置（ＧＣ）が両側に挿入されている。１つの選択肢は、適切に設計されたＧＣを、両側ではなく片側に配置することであることに留意されたい。この場合、図に示すように、スイッチの反対側に－Ｃプレートの補償の半分を置くことによって、複合Ｒ_ｔｈをほぼゼロに維持することができる。各ＧＣの＋Ｃプレートのリタデーションが、－Ｃプレートの補償装置に直接隣接していることに留意することで、図１０Ｂに示すように、各対を正味のＣプレートのリタデーションに置き換えることができるようになる。この正味２４ｎｍのリタデーションはとてもわずかであるが、シャッタとして使用されるとき、コントラスト性能に著しい影響を及ぼす場合があることに留意されたい（最悪ケースの方位角での４５°のＡＯＩにおいて、Ｃプレートの場合は２，８６０：１に対して、Ｃプレートがない場合は６６７：１である）。図１０Ｃには、オン状態に切り換えられるときの構成が示してある。

図１１Ａには、ハイコントラストの光シャッタとして使用するときの、図１０Ａに示す完全に補償された偏光スイッチのオフ状態のスペクトルが示してある。図１０Ａにおいては単一の追跡が示してあるが、それというのも、この追跡が、９０°の方位角での透過率が事実上同一である、最悪ケース（ゼロ方位角）を表すからである。±４５°の方位角での漏れは、事実上ゼロである。図１１Ｂには、ＬＣ１とＬＣ２が両方とも切り換えられるときの、オン状態の透過率が示してある。これは、中心波長が５２０ｎｍに選択された、ゼロ次の分散なし半波長リターダの透過率として認識することができる。４５°のＡＯＩでの透過率は、約５００ｎｍを超える垂直入射での透過率とほぼ同一である。０／９０°の方位角におけるより短い波長での透過率の変化は、位相差分散に起因する角度を有するＧＣの性能が損なわれることによるものである。こうしたスペクトルを使用して、シャッタの明所視的に重み付けされたコントラストが２，８６０：１と計算された。これは、従来技術の＋Ａプレートのリターダを、－Ａプレートのリターダに置き換えることによって、本発明のコントラストが１３倍だけ改善されることを示す。

シャッタ設計の説明に役立つ４つの実例が提示された。ＡＯＶリミッタのファクタ１は、Ａプレート／Ｃプレートのスタックのみを考慮することによって、あらゆる例から除外され、ファクタ２および３は、こうした例において考慮されていて、ファクタ４は、複数ステージのＤＮＤ構成で考慮されることになる。概要を示すと、図１には、主として、偏光子の幾何学的回転と、ＨＷ Ａプレートの幾何学的回転に起因するオン状態のわずかな歪みとからの何らかの寄与により、両方の状態におけるＲ_ｔｈによってＡＯＶが制限されることが示してあった。図４には、両方の状態からファクタ２を実質的に除外できることが示してあった。偏光子の幾何学的回転、およびリターダの幾何学的回転が残っている。後者によって、両方のオフ状態での漏れ、およびオン状態での透過率の増分損失が生じる。図７には、やはり、両方の状態からファクタ２を実質的に除外できることが示してあった。偏光子の幾何学的回転、およびリターダの幾何学的回転が残っている。本発明により、後者のオフ状態への寄与が除去されるが、オン状態での透過率の増分損失が存在する場合がある。図１０には、ファクタ２およびファクタ３を、両方の状態から実質的に除去できることが示してあった。オン状態での透過率の増分損失のみが残る。こうした例の最後のものは、後続のＤＮＤステージおよびフィルタアーキテクチャの一部において使用される。

本発明は、角度安定であって、理想的には準中性透過状態を実現する、ＤＮＤフィルタ構造を明らかにしようとする。ＤＮＤステージの目的は、一方の状態では全通過フィルタの役割を果たし、もう一方の状態では波長／角度安定な規定の透過率を有するフィルタの役割を果たすことである。タイプ１のフィルタにおいては、ステージは、入力偏光子、分析用偏光子、１つまたは複数の能動ＬＣデバイス、および必要に応じて、追加のリターダフィルムを含む。タイプ１のフィルタステージにおいてフィルタリングされた状態を生成する方法がいくつかあり、これには、（１）（たとえば、Ａプレートを介して）受動バイアスリターダを導入すること、（２）ＬＣスイッチを介してバイアスリタデーションを導入すること、（３）偏光子間の角度を制御すること、および（４）１つまたは複数の部分偏光子を使用することが含まれる。２つの偏光子が平行であり、その間の構造が消失するとき、全通過フィルタからの最良のスペクトル性能が生じる。これは、分析器への投射が所望の透過率をもたらす限り、フィルタリングされた状態に特定の偏光状態が必要とされないという、さらなる利点を有する。たとえば、１ストップのフィルタリングされた状態は、円偏光、直線±４５°偏光、またはポアンカレ球のＳ_１／Ｓ_２平面にある任意のＳＯＰによって生成することができる。

平行偏光子構成においては、フィルタリングされた状態は、スイッチング構造による偏光変換の質に依存する。必要とされる偏光変換は実質的なものであり、名目上、偏光子を４５°（１ストップ）、６０°（２ストップ）、または７６°（４ストップ）だけ回転させることと同等であり、したがって、これを実現するために位相差が使用される場合、分散が大きくなる場合がある。具体的には、この構造による偏光変換は、波長に依存する可能性が高く、波長に依存する透過率をもたらす。分析用偏光子への電界の所望の投射を生成することのできる、無限の数の偏光変換が存在する。４５°配向の直線リターダは、リタデーションにおいて最小の変調を必要とし、配向角の減少／増加が、リタデーションにおいてより大きい変調を必要とする。より複雑なねじれ構造はまた、ポアンカレ球上に同じ終点を生成することがある。以下には、リタデーションスイッチングを使用する、いくつかの説明に役立つ実例が含まれる。

図１２には、（Ａ）フィルタリングされていない状態、および（Ｂ）フィルタリングされた状態における、平行偏光子のＤＮＤフィルタステージ構成が示してあり、４５°配向の直線リターダとして振る舞う構造体を使用して、濃度スイッチングが実現される。図に示すように、正味のＲ_ｅは一般に、フィルタリングされていない状態ではゼロであるが、それというのも、リタデーションおよび配向において、各リターダがマッチしているからである。フィルタリングされた状態が、ゼロ次リタデーション（Ｔ＝ｃｏｓ^２Γ／２）、ここで、Γは位相差、によって生成される場合、１ストップの例では、各リターダが６９ｎｍのリタデーションを有していて、５５０ｎｍで正味の４分の１波長のリタデーションを生成することが必要になる。図１２Ｂに示すように、透過スペクトルは、ＡＯＩ／ＡＺで極めて安定している。しかし、ＱＷリターダは著しい分散を有し、透過率は、赤色が豊富で青色が不足している。これが２ストップまで拡大される場合、短青色での透過率がゼロに近づき、より高い減衰のために、青色帯が実質的にブロックされることがある。これは、リタデーションを使用して、平行偏光子を用いてＤＮＤを実施するときに生じることのある問題を強調するものである。

上記手法の代替選択肢は、交差偏光子を使用することであり、ここで、フィルタリングされていない状態は、（理想的には）あらゆる可視波長を直交ＳＯＰに変換することを必要とする。ねじれがゼロのリターダを使用して実現する場合、透過率は半波長でピークに達し、より短い／より長い波長で著しいロールオフを伴う。通常、青色と赤色の間の何らかのカラーバランスが求められ、これは、緑色の付いた透過をもたらす傾向がある。したがって、フィルタリングされた状態は、比較的小さいＲ_ｅ値によって生成され、平行偏光子の場合に対してより低い波長依存性を示すという利点を有することができる。交差偏光子の場合での設計式を、次式で与えることができる。

ここで、Γ_ＬＣ、Γ_Ａ、Γ_Ｕ、Γ_Ｆは、それぞれ、（マッチした）液晶デバイス、受動－Ａプレートのリターダ、およびフィルタリングされていない状態とフィルタリングされた状態での複合リタデーションにおける、リタデーション値である。こうした式を使用して、４ストップの減衰について図１４Ａ／Ｂに示す４ストップ設計を生成した。図１５Ａ／Ｂには、いくつかの主要な方位角についての、垂直入射および４５°のＡＯＩでの、図１４Ａ／Ｂの設計における透過スペクトルが示してある。図１１Ｂのシャッタの場合と同様に、図１５Ａのフィルタリングされていないスペクトルは、ＧＣの角度に依存する分散を除いて、角度に対して安定である。リタデーションは半波長に対して短いので、ここで、フィルタリングされた状態は青色に富んでいる。しかし、複合Ｒ_ｅをゼロにまで駆動することが必要になるはずなので、赤色阻止の危険性はない。したがって、図１５Ｂの透過率は、位相差分散と、角度全体にわたって生じるＧＣ分散の影響との両方を反映する。

提示した平行および交差のＤＮＤステージの構成は、角度に対して良好なスペクトル安定性を示すが、濃淡は、特に複数ステージ構成において問題となり得る。たとえば、３ステージの交差偏光子構成は、青色が豊富な３つのスペクトルの生成結果によって与えられる最大濃度を有する。これの複合効果は、許容できないとみなされることがある、青色の波長と赤色の波長との間の透過率の不均一性を生じる場合がある。たとえば、フィルタの減衰が緑色で７ストップ、青色で４ストップ、および赤色で１０ストップである場合、ポストプロダクションでの補正は実行可能な選択肢ではない可能性が高い。あるいは、平行偏光子のステージを交差偏光子のステージと組み合わせることもでき、その結果、最も高い濃度状態は、赤色が豊富なスペクトルと青色が豊富なスペクトルとの生成結果であり、したがって、複合効果を緩和する。これは、色性能を改善するためのステージ間補償の一例と考えることができる。より良好な解決策は、もちろん、さらに中性の出力スペクトルを生成するＤＮＤステージを有することになるはずである。

ＤＮＤ設計における課題の１つは、リターダの波長分散を扱うことを含む。適切な逆複屈折分散を有する能動ＬＣデバイスを作製することが実現可能な場合、フィルタリングされていない状態とフィルタリングされた状態との両方において、フィルタ透過スペクトルは比較的平坦となることもある。現在、可変複屈折ＬＣデバイスが、可視光のあらゆる波長において同じ位相リタデーションを切り換えることは実用的ではなく、したがって、ＤＮＤステージの一方または両方の状態が何らかの色の挙動を示すことがある。リターダを組み合わせて、偏光変換での逆分散を効果的に設計できることが知られている。Ｋｏｅｓｔｅｒ（Ｃ．Ｋｏｅｓｔｅｒ，「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈａｌｆ－ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ」、Ｊ Ｏｐｔ Ｓｏｃ Ａｍ，４９，４，４０５～４０９（１９５９））は、１対の半波長リターダが、単一の半波長リターダからよりも波長依存性が低い直線偏光変換を生成できることを示した。また、そのような設計にはＲ_ｔｈの蓄積が存在し得ることが知られており、したがって、偏光変換を無色化するために、ＡＯＶを低減することができる。自己補償型のＬＣスイッチの要求条件の１つは、一定のＲ_ｔｈのためにＬＣデバイスの独立した対を必要とすることであるが、この対を利用して、第２の目的、すなわちオン状態変換を無色化することに役立つことができる。

本発明では、逆位相でデジタル的に駆動される１対のＬＣデバイスが、機能的には一定のＲ_ｔｈを有する面内スイッチであることが認められる。この構成により、２つの面内配向と２つのリタデーション値との間での任意のスイッチングが可能になる。従来技術には、受動Ａプレートのリターダと組み合わされる面内半波長リタデーションスイッチ（強誘電性液晶、ＦＬＣ）が、設計された逆分散を有する複合素子の役割を果たせることが示してある。１つの構成（Ｓｈａｒｐによる、米国特許第５，８７０，１５９号であり、その内容は参照により本明細書に援用される）においては、ＦＬＣは、受動＋Ａプレートの遅い軸と交差する遅い軸で配向され、ゼロの複合Ｒ_ｅを生じる。その他の配向に切り換わると、この構造は、無色の（Ｋｏｅｓｔｅｒ）回転子として振る舞う。同様に、＋Ａプレート（Ｓｈａｒｐによる、米国特許第５，６５８，４９０号であり、その内容は参照により本明細書に援用される）に隣接するＦＬＣデバイスは、切換え可能な遅い軸の配向を有する無色の複合リターダの役割を果たすことができる。ＦＬＣデバイスは、本発明による１対のネマティックスイッチで置き換えることができ、ゼロＲ_ｔｈを有する構造および無色変換を可能にする。

一般的な無色回転においては、回転角αにおける２つの＋Ａプレートのリターダの角度を次式で与えることができる。

それぞれ、ここで、εは、スペクトルのカバレッジおよび平坦度を調節するのに使用できる小さい角度である。一般に、上記では、配向α_１およびα_２を有する１対の半波長リターダによって与えられる偏光回転は、２（α_２－α_１）であることが示してある。受動リターダが負のＡプレートである場合、その素子にはさらに９０°の回転が必要となる。

図１６には、光シャッタとして使用される、本発明の広角の無色回転子スイッチが示してある。この場合、偏光子は交差しており、したがって、オン状態は、上記で定義される配向を有する無色の９０°回転を必要とする。素子のすべてが、（５００ｎｍでの）リタデーションの半波長を有し、ここで、前述の通り、受動リターダは－Ａプレートである。図１６Ａでは、ＬＣ２は、－Ａプレートのリターダに平行であり、ＬＣ１は、マッチした－Ｃプレートのリターダによって補償され、正味ゼロのＲ_ｅを生成する。オン状態に切り換わると（図１６Ｂ）、ＬＣ１および－Ａプレートが、無色の回転子を形成し、ここで、ＬＣ２は、－Ｃプレートのリターダによって補償される。

図１７Ａには、ハイコントラストの光シャッタとして使用するときの、図１６Ａに示す完全に補償された偏光スイッチのオフ状態のスペクトルが示してある。図１７Ａにおいては単一の追跡が示してあるが、それというのも、この追跡が、９０°の方位角での透過率が事実上同一である、最悪ケース（ゼロ方位角）を表すからである。±４５°の方位角での漏れは、事実上ゼロである。図１７Ｂには、ＬＣ１とＬＣ２が両方とも切り換えられるときの、オン状態の透過率が示してある。図１１Ｂと比較すると、２つの半波長リターダの無色変換の利点のおかげで、垂直入射の透過率は、さらにいっそう中性である。図１７Ｂにはまた、角度全体にわたる透過関数のいくらかの歪みが示してあるが、濃淡は一般に、０次の半波長リターダスイッチの濃淡よりも低い。

図１８では、無色の回転子スイッチが、ＤＮＤフィルタステージのアーキテクチャに組み込まれる。この場合、２つメカニズムを使用して、フィルタリングされた状態の性能を優先する。すなわち、（１）ＬＣ２の＋Ａプレートと受動－Ａプレートとの組合せが、角度安定な出力を生成し、（２）分析器を回転させることによって、偏光子間の構造が（ＧＣを除いて）消滅するときに、中性のフィルタリングされた状態が生成される。分析器がＴ＝ｃｏｓ^２αに従って配向されるときに、濃度の要求条件が満たされ、ここで、αは各偏光子間の角度であり、これが、次に高効率のフィルタリングされていない状態を生成するのに必要とされる回転角を与える。

図１９には、１ストップＤＮＤステージに基づく、いくつかの主要な方位角についての、垂直入射および４５°のＡＯＩでの、図１８の設計における透過スペクトルが示してある。図１９Ａには、４５°のＡＯＩまでの入射角にわたって比較的安定な色を有する、垂直入射での非常に平坦な出力が示してある。図１５Ｂのフィルタリングされた透過率は、垂直入射では非常に平坦であり、スペクトルの中間部を通る大きいＡＯＩでは優れた安定性を示す。前述の通り、ＧＣの位相での分散に起因して、青色／赤色の何からの歪みが生じることがある。要約すると、このＤＮＤステージは、角度安定な、設計された逆分散の無色の利点とともに、ファクタ１、２、および３に関連する問題が最小限に抑えられている。図２０には、独立して駆動される複数のスイッチ、および複数のステージを備える、本発明の複数ステージのＤＮＤフィルタ用の一般的なブロック図が示してある。各ステージは、合計（Ｌ、Ｍ、Ｎ．．．）のスイッチを含み、原理的には、２^{（Ｌ＋Ｍ＋Ｎ．．．）}の出力状態を可能にする。特定のステージから追加の出力を得ることによって、偏光子、ならびに関連する光の損失および複雑さを省略することが実現可能でもよい。

ステージ毎にスイッチが１つしかなく、各ステージが図１８に示す設計に従う、具体例を考えてみる。この例では、３つのステージは、その入力偏光子に対して４５．０°、６０．０°、および７５．５５°の分析器の向きに対応する、１ストップ、２ストップ、および４ストップの減衰を有する、フィルタリングされた状態を有する。初めに、各偏光子間のスイッチング構造はすべて、最も高い濃度（この場合は７ストップ）での垂直入射において消失すると仮定する。各ステージでの偏光子は交差していないので、角度全体にわたって最良の性能をもたらす偏光子の具体的な構成を決定することが残っている。ＤＮＤフィルタのコントラスト極性プロットが、各ステージに関連する極性プロットの生成結果によって与えられ、したがって、各ステージの順序は重要ではない場合がある。しかし、偏光子の構成には、やはりいくつかの選択肢がある。第１の偏光子がα_０＝０の向きを有し、第２の偏光子が１ストップステージα_１＝４５．０°に対応する（一般性を失うことなく）と仮定すれば、第３および第４の偏光子に関連する任意の相対的な左右像を残す（この場合、２ストップおよび４ストップのステージへと任意に選択される）。図１８のアーキテクチャを使用するＮステージを有する一般的なＤＮＤフィルタでは、偏光子の向きについて２^Ｎ－１の選択肢が存在する。（たとえば）４ストップのステージが構造の中央にある場合、各ステージの順序を切り換えることもできる。この３ステージの例では、偏光子の向きの選択肢は、（０、４５．０°、－７５．０°、０．５５°）、（０、４５．０°、－７５．０°、２９．４５°）、（０、４５．０°、－１５．０°、６０．５５°）、および（０、４５．０°、－１５．０°、－９０．５５°）に対応する。図２１には、方位角の関数として、４５°のＡＯＩでの７ストップ状態における、こうした例のそれぞれについての透過率が示してある。これには、これまでの発明（ＳｈａｒｐおよびＭｃＧｅｔｔｉｇａｎによる、米国特許出願公開第２０１８／０２５９６９２号であり、その内容は参照により本明細書に援用される）で説明するように、透過率における最も低い変調（実線）が、「ファン」の構成において生じることが示してある。

図２２に示す、最高の性能を有するアーキテクチャは、本発明のステージ間補償の一実施形態を表す。図２１には、７．０ストップの設定点における、２．０ストップのピーク／谷の変化に対応して、０．７８％を目標にして、透過率が、低い０．２９％から高い１．１４％まで変化することが示してある。これは、取るに足らない不均一性ではなく、単一ステージの性能に対してベンチマークテストすべきである。４ストップステージのみで、１．６６％の低い値と１３．１７％の高い値が得られ、これは、４．０ストップの設定点における、３．０ストップのピーク／谷の変化に対応する。これは、７ストップでの不均一性が、単一ステージの場合の４ストップでのものよりも著しく低いので、ステージ間補償の有効性を検証する。より低い透過率不均一性が必要となる場合、図１８に示すように、ＧＣ素子をフィルタステージの１つまたは複数に追加することができる。

１ストップ、２ストップ、および４ストップでの図１８の設計を使用して、フィルタリングされた出力およびフィルタリングされていない出力での垂直入射透過スペクトルを、これまでの例の各状態のそれぞれについて生成した。適切な組合せでこうしたスペクトルを乗算することによって、図２２のアーキテクチャの８つの出力のそれぞれが生成された。図２３に示す結果には、各出力が中性であり、各ステージからの減衰の等比級数が、減衰ＤＮＤにおける算術ステップを生成できることが示してある。１ストップについて図１９に示すように、これは、２ストップおよび４ストップの設計において一貫していることが検証されてきており、ＤＮＤスペクトルが、入射角に対してさらに安定であるとみなすことが合理的である。

本明細書における各教示によれば、２つのＬＣデバイスおよび受動リターダを備える、ゼロＲ_ｔｈスイッチのリターダのそれぞれについての光学軸の向きは任意である。本発明により、逆位相スイッチングは、一定のＲ_ｔｈをもたらし、フィルム補償によって必要に応じてこれが除去される。このフィルム補償は、Ｃプレートのリターダを追加することで実行することができ、または、必要とされるＲ_ｅをも含む２軸性フィルムに、関連するＲ_ｔｈを組み込むことができる。各例によって、これを説明することができる。

これまでの例には、等方性状態または無色回転子状態のいずれかをもたらす、ゼロＲ_ｔｈスイッチが示してあった。しかし、このスイッチは、ある１つの状態において等方性でなくてもよく、たとえば、両方の状態において無色回転子とすることもできる。これまでの式では、αの無色偏光回転において、遅い軸の向きを与える。第１の液晶半波長リターダ（ＬＣ１）および受動半波長＋Ａプレートリターダが、それぞれα_１＝θ_１／４およびα_２＝３θ_１／４の向きを有し、ここで、θ_１が第１の無色偏光回転角である場合を考えてみる。ＬＣ１がＣプレート状態に駆動されると、ここで本発明によるＡプレート状態にある第２の液晶半波長リターダ（ＬＣ２）とともに受動Ａプレートリターダの作用によって、第２の偏光変換が生成される。ここで、受動Ａプレートリターダは、第２の無色回転に必要とされる第１のリターダを形成すると考えることができ、第２の回転角はθ_２＝３θ_１である。上式によれば、ＬＣ２の向きは、したがってα_３＝９θ_１／４である。機能的には、このデバイスは、θ１のバイアス回転角を有し、切り換わると、偏光を２θ_１だけさらに回転させる。これを、そのままで使用することもでき、またはバイアス回転を排除する１つもしくは複数の受動リターダと組み合わせて使用することもできる。

＋４５°および－４５°（＝１３５°）の向きを有する直線偏光状態の間で、出力偏光を切り換えるのに必要とされる０°に沿った直線偏光を受ける、これまでの無色回転子スイッチの例を考えてみる。設計式によれば、スペクトル範囲を修正するためのわずかな向きの変化（すなわち、ε）を考慮に入れると、α_１＝１２．０°、α_２＝３３．４°、およびα_３＝－８０．０°の遅い軸の向きを使用して、これを実現することができる。５００ｎｍの中心波長を有する分散なしの半波長リターダを仮定すれば、２つの波長において±４５°の理想的な無色回転を有する２つの変換がもたらされる。こうしたスペクトルは、約４４０ｎｍおよび５８０ｎｍの波長においてオーバラップする。ゼロＲ_ｅ状態での設計と同様に、このスイッチは、受動リターダが正のＡプレートであるときは、ゼロの固有Ｒ_ｔｈを有し、この受動リターダが負のＡプレートであるときには、受動－Ｃプレートの半波長を追加する必要がある。

広い受光角および波長非感光性とともに、±４５°の直線偏光間で切り換わるデバイスは、直線偏光子のアイウェアを用いる連続した立体視的３Ｄなどの用途に使用することができる。また、このスイッチは、他の受動偏光機能素子と組み合わせて、他の出力を生成することができる。たとえば、ゼロ配向の無色４分の１波長リターダを有するこのスイッチに続いて、図２４に示すように、広角の無色円偏光（左／右）の左右像スイッチが得られる。入射角に対して比較的バランスのとれた感度を有することを理解して、このスイッチをＤＮＤフィルタステージに組み込むこともできる。これは、ゼロＲ_ｅ状態での回転子スイッチと対比することができ、ここで、受動で負のＡプレート（すなわち、図１８）を使用するとき、非常に角度安定な出力を生成できることが示してあった。

これまでに指摘したように、タイプ１のフィルタステージから所望のフィルタリングされた状態を生成する他の方式が存在する。これまでの例には、同一のリタデーションＬＣと受動Ａプレートとの間の差を介してもたらされる、バイアスリタデーションが示してあった。これはまた、ＬＣデバイスのリタデーション間の差を介してもたらされることもあり、同様の性能結果が得られる。ＤＮＤフィルタはまた、部分的な偏光子を有するステージを使用して実現することができる。部分的な偏光子は、吸収軸に沿って規定の吸収を有し、したがって、ハイコントラストと交差すると、所望のフィルタリングされた状態が結果として生じることがある。部分的な偏光子の様々な吸収値を有するステージは、所与の例のように、複数の濃度状態を可能にすることができる。しかし、ある１つの方位角において非垂直の吸収軸に沿って投射が減少するので、透過率の増加が生じることがある。同様に、経路長が増加するのに起因して、透過率の減少が直交方向に生じることがある。部分的な偏光子に、厚さ方向に沿った吸収をもたらすことによって、これを軽減してもよい。

本発明のフィルタは、タイプ２の構造を使用して実現することもできる。この場合、能動偏光子（たとえば、ゲストホストＬＣデバイス）を使用して、受動分析器と偏光スイッチの組合せを置き換えることができる。ＡＯＶを最大にするために説明した同じファクタのいくつかが、タイプ２の構造に適用される。面内偏光子と厚さ方向の偏光子との間でデジタル的にスイッチングすることによって、斜方異方性を最小限に抑える。前述したように、次いで、幾何学的補償を取り入れて、フィルタリングされた状態でのＡＯＶを改善することができる。

図２５には、システム内でのＤＮＤの使用を説明するブロック図が示してある。この構成では、ＤＮＤは、イメージングシステム（カメラレンズ）とＣＭＯＳ撮像装置との間に配置されるが、光学縦列内でレンズを前進させることもできる。ＤＮＤフィルタは、ＤＣバランスのとれた適切な論理状態をＬＣデバイスに提供して所望の濃度を生成する、ＬＣドライバによって作動する。スイッチのＬＣペアが、共通タイプ（たとえば、両方がＥＣＢまたは両方がＶＡ）の場合、逆位相出力が必要とされる。ドライバは、０ボルトまたは十分な振幅の電圧を供給して、任意の斜方異方性を事実上除去してもよい。単一の出力が、＋Ａの構成と＋Ｃの構成との間の構造を変調するように、互いに異なるタイプ（たとえば、ＥＣＢを伴うＶＡ）のセルを使用することも可能である。利用可能な電圧振幅が、駆動されるセル内の広がりを除去するのに不十分である場合、ＶＡセルとＥＣＢセルの組合せを割り当てて、両方が０ボルトであるときに、フィルタリングされた状態を最適化することができる。この場合、電圧振幅の制限を受けるフィルタリングされていない状態の不均一性によって、ＡＯＶが制限される場合がある。ＤＮＤドライブは、同期信号を介して画像キャプチャシステムと同期されてもよい。（補助的な、またはＣＯＭＳ撮像装置を使用する）光レベルセンサは、適切なＤＮＤ濃度を選択するのに必要な情報を提供することができ、閉ループシステムを可能にする。濃度設定をメモリに記録することができ、輝度および色の不均一性を補正するために記録された任意のルックアップテーブルを容易にする。

本発明のＤＮＤフィルタおよびゼロＲ_ｔｈの無色スイッチは、通信、アビオニクス、軍事、医療、および民生用の用途のうち数多くで使用することができる。開口サイズは、表示装置の材料およびデバイスの使用により、小さくなることもあれば、または非常に大きくなることもある。センサは、単一画素デバイス、アレイセンサ、または人間の目でもよい。後者においては、システムは、目の近く（ヘッドマウント型）、車両内（たとえば、自動車用のヘッドアップ表示装置）、直視型、または仮想コックピット（たとえば、仮想現実のゴーグルを使用してドローンからのカメラ出力を見ること）とすることができる。システムは、ＵＶ、可視、近赤外、または赤外のスペクトルで動作してもよい。基本的には、本発明のＤＮＤは、透過率の素早い変化を必要とする、可動部のない任意の用途に適している。これは、非常に広い範囲の入射角にわたって安定な、複数の濃度出力を生成するのに特に適している。

より一般には、図１８に示す、分析器が省略された例示的なＤＮＤステージは、任意の回転角を有する広角の無色偏光回転子スイッチである。図１８においては、これは、分析器と組み合わされ、直交する直線の固有の偏光を有するデバイスの具体例である。したがって、各直交偏光（すなわち、α＝９０°）の間でスイッチングすることによって、広角の無色シャッタが生成される。しかし、より一般には、分析器は、直交する固有の偏光を有する他のデバイスで置き換えることができる。これは、反射偏光子（たとえば、ワイヤグリッドフィルムまたは多層延伸フィルム）、偏光ビームスプリッタ、ＧＰレンズやビームステアラなどの幾何学的位相デバイス（これは、受動的４分の１波長リターダをさらに必要とする場合がある）、リターダスタックの波長選択性フィルタ、多色性の色素カラー偏光子、偏光機能性ナノ構造体、および偏光機能性メタマテリアルを含む。用途には、調光器、切換え可能な経路長デバイス、切換え可能な焦点距離デバイス、および軽快なデジタルビームダイレクタが含まれる。こうしたデバイスは、軍用／アビオニクス用のヘッドマウントディスプレイ、仮想現実および拡張現実、自動車、ドローン、アクションスポーツカメラ、ＤＳＬＲ、放送用カメラ、ならびに映画撮影を含め、広い範囲のシステムに適用可能である。

Claims (39)

1. ゼロＲ_ｔｈの無色偏光回転子スイッチであって、
   吸収軸の向きが０°または９０°である第１の直線偏光子と、
   遅い軸の向きがα_１である第１の液晶半波長リターダスイッチ（ＬＣ１）と、
   遅い軸の向きがα_２である第２の液晶半波長リターダスイッチ（ＬＣ２）と、
   遅い軸の向きがα_３である、受動で正の半波長Ａプレートのリターダと
   を備え、
   ＬＣ２がＣプレート（状態１）のときは、ＬＣ１がＡプレートとなり、ＬＣ２がＡプレート（状態２）のときには、ＬＣ１がＣプレートとなるように、前記液晶スイッチが電気的に駆動されて位相がずれ、
   （α_３－α_１）≠±９０°である、偏光回転子スイッチ。
2. α_１＝（α_２±９０°）またはα_３＝（α_２±９０°）である、請求項１に記載の偏光回転子スイッチ。
3. 前記無色偏光スイッチが、状態１ではθ＝２（α_２－α_１）の偏光回転を有し、状態２ではゼロ回転を有する、請求項１に記載の偏光回転子スイッチ。
4. α_１＝（θ／４＋ε）およびα_２＝（３θ／４－ε）であり、εが２°よりも小さい角度である、請求項３に記載の偏光回転子スイッチ。
5. 吸収軸の向きが（θ＋９０°）であり、したがって、透過率が、状態１では１であり、状態２ではｃｏｓ^２θである、分析用偏光子をさらに備える、請求項４に記載の偏光回転子スイッチ。
6. θ＝９０°である、請求項５に記載の偏光回転子スイッチ。
7. Ａプレート／Ｃプレートの幾何学的補償装置をさらに備える、請求項５に記載の偏光回転子スイッチ。
8. 前記Ａプレートと前記Ｃプレートの経路長差が７０ｎｍ～１４０ｎｍである、請求項７に記載の偏光回転子スイッチ。
9. 前記無色回転子スイッチが、状態１ではθ_１＝２（α_２－α_１）であり、状態２ではθ_２＝２（α_３－α_２）であるゼロ以外の偏光回転角を有する、請求項１に記載の偏光回転子スイッチ。
10. θ_２＝３θ_１である、請求項９に記載の偏光回転子スイッチ。
11. α_１＝θ_１／４であり、α_２＝３θ_１／４であり、α_３＝９θ_１／４である、請求項９に記載の偏光回転子スイッチ。
12. 前記無色回転子スイッチの後には、向きが０°または９０°の４分の１波長リターダが続いて、円形の左右像スイッチが得られる、請求項９に記載の偏光回転子スイッチ。
13. ゼロＲ_ｔｈの無色偏光回転子スイッチであって、
    吸収軸の向きが０°または９０°である第１の直線偏光子と、
    遅い軸の向きがα_１である第１の液晶半波長リターダスイッチ（ＬＣ１）と、
    遅い軸の向きがα_２である第２の液晶半波長リターダスイッチ（ＬＣ２）と、
    遅い軸の向きがα_３である、受動で負の半波長Ａプレートのリターダと、
    受動で負のＣプレートの半波長リターダと
    を備え、
    ＬＣ２がＣプレート（状態１）のときは、ＬＣ１がＡプレートとなり、ＬＣ２がＡプレート（状態２）のときには、ＬＣ１がＣプレートとなるように、前記液晶スイッチが電気的に駆動されて位相がずれ、
    （α_３－α_１）≠±９０°である、偏光回転子スイッチ。
14. α_１＝α_２またはα_３＝α_２である、請求項１３に記載の偏光回転子スイッチ。
15. 前記無色偏光スイッチが、状態１ではθ＝２（α_２－α_１）の偏光回転を有し、状態２ではゼロ回転を有する、請求項１３に記載の偏光回転子スイッチ。
16. α_１＝（θ／４＋ε）およびα_２＝（３θ／４－ε）であり、εが２°よりも小さい角度である、請求項１５に記載の偏光回転子スイッチ。
17. 吸収軸の向きが（θ＋９０°）であり、したがって、透過率が、状態１では１であり、状態２ではｃｏｓ^２θである、分析用偏光子をさらに備える、請求項１６に記載の偏光回転子スイッチ。
18. θ＝９０°である、請求項１６に記載の偏光回転子スイッチ。
19. Ａプレート／Ｃプレートの幾何学的補償装置をさらに備える、請求項１７に記載の偏光回転子スイッチ。
20. 前記Ａプレートと前記Ｃプレートの経路長差が７０ｎｍ～１４０ｎｍである、請求項１９に記載の偏光回転子スイッチ。
21. 前記無色回転子スイッチが、状態１ではθ_１＝２（α_２－α_１）であり、状態２ではθ_２＝２（α_３－α_２）であるゼロ以外の偏光回転角を有する、請求項１３に記載の偏光回転子スイッチ。
22. θ_２＝３θ_１である、請求項２１に記載の偏光回転子スイッチ。
23. α_１＝θ_１／４であり、α_２＝３θ_１／４であり、α_３＝９θ_１／４＋９０°である、請求項２１に記載の偏光回転子スイッチ。
24. 前記無色回転子スイッチの後には、向きが０°または９０°の４分の１波長リターダが続いて、円形の左右像スイッチが得られる、請求項２３に記載の偏光回転子スイッチ。
25. ２ステージのデジタル中性濃度（ＤＮＤ）フィルタであって、
    吸収軸の向きがθ_１である第１の中性偏光子と、
    吸収軸の向きがθ_２である第２の中性偏光子であって、θ_２とθ_１の間の角度が、透過率ｃｏｓ^２β_１を与えるβ_１である、第２の中性偏光子と、
    吸収軸の向きがθ_３である第３の中性偏光子であって、θ_３とθ_２の間の角度が、透過率ｃｏｓ^２β_２を与えるβ_２であり、β_２がβ_１とは異なる、第３の中性偏光子と、
    前記第１の中性偏光子と前記第２の中性偏光子との間の第１の液晶無色回転子スイッチ（ＬＣＡＲ１）と、
    前記第２の中性偏光子と前記第３の中性偏光子との間の第２の液晶無色回転子スイッチ（ＬＣＡＲ２）と
    を備え、
    ＬＣＡＲ１が、状態１においてゼロの面内リタデーションを有し、状態２において偏光回転β_１を有し、
    ＬＣＡＲ２が、状態３においてゼロの面内リタデーションを有し、状態４において偏光回転β_２を有し、
    ４つの電圧状態のそれぞれを独立して選択して、４つの固有の透過レベルをもたらすことができる、ＤＮＤフィルタ。
26. 状態１、状態２、状態３、および状態４のそれぞれにおいて、ＬＣＡＲ１およびＬＣＡＲ２がゼロＲ_ｔｈを有する、請求項２５に記載のＤＮＤフィルタ。
27. 前記β_１およびβ_２によって与えられる濃度が等比数列となり、複合フィルタ濃度における線形ステップをもたらす、請求項２５に記載のＤＮＤフィルタ。
28. 状態２および状態４の前記偏光回転が無色である、請求項２５に記載のＤＮＤフィルタ。
29. 前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間、かつ前記第２の偏光子と前記第３の偏光子との間に、Ａプレート／Ｃプレートの幾何学的補償装置をさらに備える、請求項２５に記載のＤＮＤフィルタ。
30. 角度β_１およびβ_２の符号が、複合透過関数の角度不均一性を最小限に抑えるように選択される、請求項２５に記載のＤＮＤフィルタ。
31. 吸収軸の向きがθ_４である第４の偏光子、および前記第３の偏光子と前記第４の偏光子との間の第３の液晶無色回転子スイッチ（ＬＣＡＲ３）をさらに備え、前記第３の偏光子と前記第４の偏光子との間の角度が、透過率ｃｏｓ^２β_３を与えるβ３であり、角度β_３がβ_２およびβ_１とは異なり、８つの電圧状態のそれぞれが固有の透過レベルを発生させる、請求項２５に記載のＤＮＤフィルタ。
32. 角度β_１、β_２、およびβ_３によって与えられる前記濃度が等比数列である、請求項３１に記載のＤＮＤフィルタ。
33. 前記角度の符号が、複合透過関数の角度不均一性を最小限に抑えるように選択される、請求項３１に記載のＤＮＤフィルタ。
34. 前記８つの電圧状態が、透過濃度における８つの線形ステップを発生させる、請求項３１に記載のＤＮＤフィルタ。
35. 前記濃度ステップが、ゼロストップを含むほぼ１ストップ刻みとなる、請求項３４に記載のＤＮＤフィルタ。
36. β_１＝４５．００°、β_２＝６０．００°、およびβ_３＝７５．５２°である、請求項３５に記載のＤＮＤフィルタ。
37. 少なくとも２つのステージを有するデジタル中性濃度フィルタと、
    結像レンズと、
    画像キャプチャデバイスと、
    同期した駆動電子装置と、
    濃度選択機構と
    を備える、画像キャプチャシステム。
38. インターフェースを使用する作業者によって、前記濃度選択を選択することができる、請求項３７に記載の画像キャプチャシステム。
39. 周囲の明るさをサンプリングするセンサをさらに備え、前記濃度選択が、閉ループ電子システムを介して実行される、請求項３７に記載の画像キャプチャシステム。

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