(57)【要約】切替可能な液晶カラーフィルタは、３つのカラー帯域の間で切替り、例えば、投影装置、直視型ディスプレイ、及びビデオカメラのような時系列的なカラー装置に用いられることが好ましい。カラーフィルタは、少なくとも４つのコレステリック・フィルタ（８９、９１、９３、９５）の円偏光選択反射帯域を、３つの液晶スイッチ（８１、８３、８５）及び関連のリターダ層と併せて用いる。第１及び第２のコレステリック・フィルタの間、並びに、第３及び第４のコレステリック・フィルタの間には付加的な２分の１波長板（１１１、１１３）が設けられ、該２分の１波長板は、全て同じ回転方向を有するコレステリック・フィルタを用いることを可能にする。更に、カラー帯域の遮断状態においては、対応する液晶スイッチの光学軸は、偏光方向に対して平行であるか又は垂直である。この概念は、生産を単純にしながらも、依然としてカラースイッチについて優れた特性を示す。更に、これは、重なり合うカラー透過帯域を可能にして、これにより光効率が改善されるようになる。
2005506576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの切替状態が可能な第１の切替可能液晶セル（８１、１２１）と、
第１のカラー帯域に対して４分の１波長板として作用する第１のリターダ層（１０１、１３５）と、
前記第１のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第１のコレステリック・フィルタ（８９、１２７）と、
第２のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第２のコレステリック・フィルタ（９１、１２９）と、
前記第２のカラー帯域に対して４分の１波長板として作用する第２のリターダ層（１０３、１３７）と、
少なくとも２つの切替状態が可能な第２の切替可能液晶セル（８３、１２３）と、
前記第２のカラー帯域に対して４分の１波長板として作用する第３のリターダ層（１０５、１３９）と、
前記第２のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第３のコレステリック・フィルタ（９３、１３１）と、
第３のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第４のコレステリック・フィルタ（９５、１３３）と、
前記第３のカラー帯域に対して４分の１波長板として作用する第４のリターダ層（１０７、１４１）と、
少なくとも２つの切替状態が可能な第３の切替可能液晶セル（８５、１２５）と、
偏光遮断素子（１４９、１０９、９７）と、
からなる光入力側及び光出力側を有する光路を備えた、第１、第２、及び第３のカラー帯域の間で切替えを行う切替可能な液晶カラーフィルタであって、
全てのコレステリック・フィルタが同じ回転方向を有し、
２分の１波長板として作用する第５のリターダ層（１１１、１４３）が前記第１のコレステリック・フィルタ（８９、１２７）と前記第２のコレステリック・フィルタ（９１、１２９）との間に設けられ、２分の１波長板として作用する第６のリターダ層（１１３、１４５）が前記第３のコレステリック・フィルタ（９３、１３１）と前記第４のコレステリック・フィルタ（９５、１３３）との間に設けられ、
それぞれのカラー帯域の遮断状態において、対応する切替可能液晶セルの光学軸が光の偏光方向に対してほぼ平行であるか又はほぼ垂直のいずれかである、
ことを特徴とする切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項２】
前記偏光遮断素子が直線偏光子（１４９）により形成された請求項１に記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項３】
前記偏光遮断素子が、前記第３のカラー帯域に対して４分の１波長板として作用する第７のリターダ層（１０９）と、前記第３のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第５のコレステリック・フィルタ（９７）とで形成された請求項１に記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項４】
前記第１のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する補助的なコレステリック・フィルタ（８７）と、前記第１のカラー帯域に対して４分の１波長板として作用する補助的なリターダ層（９９）とが前記光入力側に加えられた前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項５】
前記コレステリック・フィルタの選択反射帯域のカットオフ波長が、その透過状態において、前記第１、第２、及び第３のカラー帯域の少なくとも２つが重なり合うように選択された前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項６】
前記第２のコレステリック・フィルタ（９１、１２９）の短波長のカットオフは、前記第３のコレステリック・フィルタ（９３、１３１）の短波長のカットオフとは異なるものである前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項７】
前記第１のコレステリック・フィルタ（８９、１２７）の長波長のカットオフは、前記第３のコレステリック・フィルタ（９３、１３１）の短波長のカットオフとほぼ等しい波長であり、該波長は前記第２のコレステリック・フィルタ（９１、１２９）のカットオフより短いものである前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項８】
前記第２のコレステリック・フィルタ（９１、１２９）の長波長のカットオフは、前記第３のコレステリック・フィルタ（９３、１３１）の長波長のカットオフとは異なるものである前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項９】
前記第３のコレステリック・フィルタ（９３、１３１）の長波長のカットオフは、前記第４のコレステリック・フィルタ（９５、１３３）の短波長のカットオフより長い波長である前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１０】
前記切替可能な液晶セルの少なくとも１つが面安定型強誘電性（ＳＳＦ）型である前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１１】
前記切替可能な液晶セルの少なくとも１つが変形螺旋強誘電性（ＤＨＦ）型である請求項１から請求項９のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１２】
前記切替可能な液晶セルの少なくとも１つが反強誘電性型である請求項１から請求項９のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１３】
前記切替可能な液晶セルの少なくとも１つがしきい値のない反強誘電性型である請求項１から請求項９のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１４】
前記切替可能な液晶セルの少なくとも１つがエレクトロクリニック型である請求項１から請求項９のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１５】
前記光出力側に付加的な清掃偏光子を備えた前記請求項のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタ。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタを含む時系列的なカラー装置。
【請求項１７】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタを含む光学投影装置。
【請求項１８】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタを含む直視型ディスプレイ。
【請求項１９】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載の切替可能な液晶カラーフィルタを含むビデオカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切替可能なカラーフィルタに関し、具体的には、コレステリック・フィルタの円偏光選択反射帯域を用いるカラーフィルタ、及び、例えば、前述のカラーフィルタを備えた投影装置、直視型ディスプレイ、及びビデオカメラのような時系列的なカラー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速イメージャと同期された原色ＲＧＢ（レッド−グリーン−ブルー）をもたらす高速切替カラーフィルタは、時系列的な単一パネルのビデオ・投影機の中央ユニットを代表するものである。この種類の投影機は、その小ささ、低価格、及び軽量であるために、特に関心が持たれている。カラーフィルタは、フルカラー画像の３つのカラー成分を生成し、他方、イメージャは、これらの成分のグレイレベルを定める。切替周波数が十分に高い場合には、人間の目は、単純に３つのカラー成分を統合して、意図される混合されたカラーを生成する。同じように、時系列的な直視ディプレイが可能であり、更に、時系列的技術に基づくカラービデオカメラが存在する。後者は、３つのカラー成分の３つのグレイスケール画像を生成し、該グレイスケール画像は、混合されたカラー成分を計算することによるか、又は時系列的な投影により、カラー画像に変換し戻すことができる。
種々のカラースイッチの設計が提案された。ＲＧＢカラー生成における１つの既知の解決法は、機械的カラー・ホイールである。これに対して主な欠点は、用いられるカラーフィルタの光により誘起される劣化、装置が大きいこと、及び機械的不安定性に起因するジッタである。
別の既知の解決法は、液晶スイッチと組み合わされた積層リターダ／偏光子であり、ここでは望まれないカラー成分が偏光子により除去（吸収）される。しかしながら、これらのフィルタは生成するのが困難である。特に、薄い積層リターダにより飽和色を生成するのは困難であり、更に吸収偏光子は高い光レベルの下では劣化する傾向がある。
【０００３】
第３の既知の解決法は、液晶スイッチと組み合わされた積層コレステリック・フィルタを用いるものである。吸収される代わりに、望まれないカラー成分は、コレステリック・フィルタにより反射される。投影機に存在する高い光レベルはあらゆる吸収成分に害を与える傾向があるため、この代替的手法は、特に魅力的である。更に、コレステリック・フィルタは、優れた彩度をもたらす急な選択反射帯域を示す。更に、これらは、そのコレステリック・ヘリカル構造に基づいて、フィルタの反射帯域内で円偏光を生成し、該円偏光は、強さを損失することなく容易に直線偏光に変換することができる。
コレステリック・フィルタは、光の波長に相当するピッチをもつヘリカル構造を備えたネマチック液晶である。架橋可能なネマチック液晶が用いられる場合には、フィルタを、非カイラル・リターダと容易に組み合わせることができる薄膜として生成して、複雑な積層構造を形成することができる。
コレステリック・フィルタ及び液晶スイッチに基づく減法混色のカラースイッチ及びモジュレータが公知であり、例えば、以下の刊行物、Ｆｕｎｆｓｈｉｌｌｉｎｇ他に対する特許文献１、及び、非特許文献１、及び、非特許文献２、に記載されている。
【０００４】
比較目的のために、既知のカラースイッチの一般的な構造が、更に図１に示され、その要素の概略図が図３に示される。カラースイッチは、３つの積層帯域変調フィルタ（ＢＭＦ）１、３、及び５で構成され、この各々は、適当な電圧を各帯域変調フィルタの一部である液晶スイッチの電極に印加することにより、原色Ｒ、Ｇ、Ｂの１つを遮断することができる。フィルタは、各々のフィルタが明確な波長帯域を制御するという点で、互いに独立している。時系列的なカラースイッチの各々の切替状態においては、２つのカラー帯域が遮断されて、１つが通過する。
図３には、３つの積層帯域変調フィルタ（ＢＭＦ）１、３、及び５が示される。各々の帯域変調フィルタは、強誘電性液晶スイッチ２１、２３、及び２５と、２つの４分の１波長リターダ２７、２９、３１、３３、３５、及び３７と、入力コレステリック・フィルタ３９、４１、及び４３と、出力コレステリック・フィルタ４５、４７、及び４９とからなる。各々のコレステリック・フィルタの回転方向はそれぞれ「＋」又は「−」で示される。ランプからの非偏光５１が左から入射する。参照番号５３及び５５で印が付けられているのは、偏光子及びリターダのような任意的な要素であり、これらは例えば偏光回復機構と組み合わせて入力側で必要になることがある。出力側においては、円偏光を直線偏光６１に変換するように、１つ又はそれ以上のリターダ５７及び５９が設けられる。
【０００５】
一連の独立したＢＭＦは、高度な飽和色をもたらす光学的概念である。これは、強誘電性ＬＣＤのような高速液晶ディスプレイについて実施することができる。ピクセル間毎に用いられる場合には、更に、原色投影系を生成するように用いることができる。
これらの利点にもかかわらず、一連の独立したＢＭＦの概念をもつ既知のコレステリック・カラースイッチは、依然として短所を有する。その１つは、実現化がＬＣＤに対して厳しい製造の許容範囲をもたらすことである。
これとは別に、概念的な短所は、これらが白色を飽和原色に分割するのに最も効率的なものではない手法を表すことである。このことの理由は、人間の色知覚の特性、すなわち所定の彩度を生成する最も明るい帯域フィルタを定める場合には、該彩度が極めて高くない限り、重なり合うフィルタ帯域を得るというものによる。一例として、白色源からＮＴＳＣカラー座標を生成する理想的な帯域通過フィルタは、それぞれ４００．．５０９ｎｍ（Ｂ）、４９７．．５６６ｎｍ（Ｇ）、及び５８８．．７００ｎｍ（Ｒ）の透過帯域を有する。ブルーフィルタ及びグリーンフィルタには相当な重なり（４９７．．５０９ｎｍ）がある。
【０００６】
しかしながら、各々の切替状態において、２つのカラー帯域が遮断されて、１つが通過される独立したＢＭＦに対して必要条件は、２つの隣接するカラーの遮断帯域は重なり合わなければならないということを意味する。例えば、レッド期間においては、グリーンフィルタとブルーフィルタとの間には如何なる「ギャップ」も認められず、又は、換言すると、それぞれのフィルタ透過帯域は、重なり合わないことになる。したがって、理想的な場合と比較すると、重なり合わないフィルタ透過帯域の必要条件により、この波長領域における光の半分は損失する。フィルタ特性の有限な急勾配をもつ現実のフィルタについては、光損失が更に大幅に高くなる。
既知のコレステリック・カラーフィルタスイッチに対して更に別の短所は、図３を参照することにより説明することができる。帯域変調フィルタ１、３、及び５の各々は、２つのコレステリック・フィルタを含み、これらはコレステリック・螺旋の回転方向が反対であるが、それ以外は同一なものである。コレステリック・フィルタの間には、２つの４分の１波長板及び液晶スイッチが挟まれている。液晶スイッチは、回転可能な２分の１波長板として作用する。この光学的配置の重要な特徴は、「４分の１波長板／液晶スイッチ／４分の１波長板」の組み合わせの効率的な複屈折が、帯域変調フィルタの遮断状態においてゼロであることである。この状態においては、２つの他のカラーは偏光されずに通過するものとなり、これは、合計複屈折がゼロである場合には、まさに当て嵌まる。偏光の変化は、最終的には、フィルタ透過の減少をもたらす。ゼロ複屈折に対する補償の正確な程度は、この点においてはそれほど重要ではない。しかしながら、如何なる残留複屈折も、フィルタの遮断力を変化させて、彩度を減少させるようになる。このことは、液晶スイッチセルの光学的遅れΔｎｄについて厳しい許容差を加える（Δｎは液晶材料の複屈折であり、ｄはセルのギャップである）。更に、幾つかの強誘電性液晶スイッチセル（例えば、ＤＨＦ  ＬＣセル）は、Δｎに固有の変形を有し、その遮断状態においてＢＭＦの大幅な（３．．５％）残留透過をもたらすものとなる。
【０００７】
更に、反対の回転方向をもつコレステリック・フィルタの必要条件は、生産費用を大幅に増加させる。このことは、コレステリック・フィルタが通常生産される特定の方法に関する。生産のためには、最初に、一組のドーパントと一組の非カイラルネマチック分子とによるコレステリック・モノマーの混合物が準備される。ドーパント濃度は、最終的なフィルタが選択反射帯域の所望の位置を有するように選択される。この混合物は、次に、更にフィルタ生産において処理される。回転方向期について両方の符号が必要である場合には、（１）２つの異なる種類のカイラル・ドーパントを常備しておくことが必要であること、（２）カイラル・ドーパントは、通常は、天然の原産物（１つの回転方向のみを有する）から得られ、一方の回転方向は、反対のものよりもかなり廉価であるために、更に、左回り及び右回りのコレステリック混合物について、異なる組のドーパントを用いることが必要になることがあること、（３）最終的なフィルタ溶液の実際の特性は、ドーパント／マトリクスの相互作用の詳細に依存し、このことは、２つの場合において、全く異なる混合物設計をもたらすことになること、という幾つかの理由のために、生産費が増加する。したがって、カラースイッチにおいて、螺旋の回転方向について両方の符号が必要である場合には、材料費、貯蔵費、及び人件費が高くなる。
カラースイッチの所望の特性及び従来技術について上述された種々の欠点を考慮して、本発明の一般的な目的は、同じ回転方向のコレステリック・フィルタのみを用いながらも、依然として優れた特性を示すカラースイッチを達成することである。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，６８６，９３１号公報
【非特許文献１】
Ｊ．Ｆｕｎｆｓｈｉｌｌｉｎｇ及びＭ．Ｓｃｈａｄａｔ、コレステリック・フィルタに基づく新規なＬＣＤから投影機、ＳＩＤ国際シンポジウム、技術論文の要約、ＸＸＶ１、５９７−６００（１９９５）
【非特許文献２】
Ｋ．Ｓｃｈｍｉｔｔ、Ｊ．Ｆｕｎｆｓｈｉｌｌｉｎｇ、Ｍ．Ｚ．Ｃｈｅｒｋａｏｕｉ及びＭ．Ｓｃｈａｄｔの「コレステリック・フィルタ及びＤＨＦ−ＬＣＤに基づく高速時系列的カラースイッチ」ＥｕｒｏＤｉｓｐｌａｙ  ’９９、第１９回国際ディスプレイ研究会議、議事録、４３７−４４０（１９９９）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１の切替可能な液晶セルと、第１のカラー帯域に対して４分の１波長板である第１のリターダ層と、該第１のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第１のコレステリック・フィルタと、第２のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第２のコレステリック・フィルタと、該第２のカラー帯域に対して４分の１波長板である第２のリターダ層と、第２の切替可能な液晶セルと、該第２のカラー帯域に対して４分の１波長板である第３のリターダ層と、該第２のカラー帯域に対して選択帯域を有する第３のコレステリック・フィルタと、第３のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する第４のコレステリック・フィルタと、第３のカラー帯域に対して４分の１波長板である第４のリターダ層と、第３の切替可能な液晶セルと、偏光遮断素子とを備え、該切替可能な液晶セルは、少なくとも２つの切替状態が可能であり、全てのコレステリック・フィルタの回転方向は同じであり、２分の１波長板である第５のリターダ層が該第１及び第２のコレステリクフィルタの間に設けられ、２分の１波長板である第６のリターダ層が該第３及び第４のコレステリック・フィルタの間に設けられ、それぞれのカラー帯域の遮断状態において、対応する切替可能な液晶セルの光学軸が光の偏光方向に対してほぼ平行であるか又は該偏光方向に対してほぼ垂直である、第１、第２、及び第３のカラー帯域の間で切替えを行うための切替可能な液晶カラーフィルタを提供する。
【００１０】
偏光遮断素子について、２つの好ましい実施形態が提供される。一実施形態においては、偏光遮断素子は直線偏光子により形成される。他の実施形態においては、これは４分の１波長板として第３のカラー帯域について作用する（第７の）リターダ層と、該第３のカラー帯域について選択反射帯域を有する（第５の）コレステリック・フィルタにより形成される。
好ましい実施形態においては、第１のカラー帯域に対して選択反射帯域を有する補助的なコレステリック・フィルタと、該第１のカラー帯域に対して４分の１波長板である補助的なリターダ層とが、光の入力側に加えられる。本実施形態は、非偏光の入力光についてまさに好適である。一方、補助的なコレステリック・フィルタ及びリターダ層がない場合には、既に直線偏光された入力光を用いることができ、これは、例えば、偏光回復機構を用いて切替可能なカラーフィルタを照明するようにする場合である。偏光回復機構は、非偏光の光を異なって偏光された光の２つのビームに分割する非吸収性偏光子を用いて、次いで、一方のビームの偏光を他方の偏光に変換して、これらを単一のビームに組み合わせるものとして知られている。例えば、米国特許第５，２３５，４４３号を参照。
更に別の実施形態は、重なり合う波長帯域をもつコレステリック・フィルタを可能にする本発明の有利な特徴を利用するものである。第２のコレステリック・フィルタの短波長のカットオフは、第３のコレステリック・フィルタの短波長のカットオフとは異なるものであることが好ましい。第１のコレステリック・フィルタの長波長のカットオフ及び第３のコレステリック・フィルタの短波長のカットオフは、ほぼ等しい波長であることが有利であり、該波長は第２の短波長のカットオフより短いものである。第２のコレステリック・フィルタの長波長のカットオフは、第３のコレステリック・フィルタの長波長のカットオフとは異なるものであることが好ましい。第３のコレステリック・フィルタの長波長のカットオフは、第４のコレステリック・フィルタの短波長のカットオフより長い波長であることが有利である。
【００１１】
切替可能な液晶セルは、回転可能な２分の１波長板として作用する。多くの液晶装置は、この光学的機能を実行することが可能であり、特に、ＤＨＦ−、ＳＳＦ−、反強誘電性、しきい値のない反強誘電性又はエレクトロクリニックＬＣセルが可能である。
本発明は、時系列的なカラー装置に特に好適であるが、しかしながら、更に、他の適用例における切替可能なカラーフィルタとしても有益である。
本発明による切替可能な液晶カラーフィルタは、投影光学系及び直視型光学系に用いることができる。更に別の適用例は、時系列的技術に基づくカラービデオカメラである。
本発明は、最初に述べられた従来技術の装置の問題を解決し、更に高明度のような他の重要なパラメータに悪影響を及ぼすことはない。
全て右回り又は左回りのいずれかである１つの回転方向のコレステリック・フィルタのみが必要とされるため、本発明により、カラースイッチの生産は単純化され、費用は削減され、更に顕著な性能を達成することができる。
【００１２】
本発明により提案されたカラースイッチの設計は、更に、コントラストのΔｎｄ変化に対する依存度を大幅に減らすことを可能にするという利点がある。このことは、例えば、本発明により用いられる「コレステリック・フィルタ／４分の１波長板／液晶スイッチ／４分の１波長板／コレストリック・フィルタ」構成を表す図４から理解することができる。選択波長帯内の光がこの構成を通過するときの偏光を観察することにより、非偏光の入力光はコレステリック・フィルタ６３により円偏光され、右（Ｒ−）円偏光された光だけがこのフィルタを通過することを見出すことができる。４分の１波長板６５は、この光を直線（ｐ−）偏光に変換する。液晶スイッチ６７の切替状態によって、直線偏光平面は、９０°（上部）だけ回転されるか又は変化されないまま残る（底部）。更に４分の１波長板６９は、この光をＲ−（上部）又はＬ−（底部）円偏光に変換し、さらにコレステリック・フィルタ７１を用いて、切替状態の１つの円偏光を遮断するようにする。一般に、従来技術においてよくあるように、２つのコレステリック・フィルタについて、異なる回転方向（Ｌ及びＲ）を用いる場合には、出口のコレステリック・フィルタはＲ偏光を反射し、即ち遮断状態がＲ偏光に作用する。対照的に、２つのコレステリック・フィルタが同じ回転方向を有する本発明により用いられる形態においては、出口のコレステリック・フィルタ７１はＬ偏光を遮断し（図４においては下方の場合）、Ｒ偏光を通過させる（上方の場合）。液晶スイッチにおける偏光状態を観察することにより、遮断状態においては、直線偏光はＬＣスイッチの光学軸に対して平行であり、したがって、Δｎｄにおける変化は光の偏光状態には殆ど影響を与えないことがわかる。対照的に、従来技術の構成においては、Δｎｄは正確に４分の１波長板の複屈折に適合しなければならず、セルのギャップｄにおいて厳しい製造ばらつきを加えるだけでなく、更に該４分の１波長板及び液晶材料について適合した分散をも必要とする。Δｎｄ変化は、勿論、本発明による切替可能なフィルタに依然として存在するが、類推では、（暗状態ではなく）明状態での透過の３〜５％の変化をもたらし、これは遮断状態における対応する増加よりはるかに害が少ない。
【００１３】
本発明による切替可能な液晶フィルタにおいては、３つの独立した変調フィルタ（ＢＭＦ）はもはやないが、独立したＢＭＦのスタックとしては説明できず、「溶融した」ＢＭＦとみなすのが最良である形態で、リターダ及び液晶スイッチを含む単一のエンティティがある。図２は、このような概念を示し、図１の独立したＢＭＦ１、３、及び５と比較して「溶融した」ＢＭＦのブロック７を示す。この概念は、各々の色の帯域を自由に選択し、その遮断状態におけるＢＭＦの本来は重要な複屈折を管理することを可能にする（図４の底部）。この点で、重要なのは、フィルタの選択反射範囲の内側の光が遮断されても、この範囲の外側の光は偏光の変化なしで透過されるものとなることである。図４における独立したＢＭＦは連続して、単純なリターダによっては補償できない全く異なる楕円率で楕円偏光されることになる。しかしながら、本発明は、少なくとも良好な近似において、ＢＭＦの複屈折が遮断状態において円偏光の符号を逆転させて、透過状態において偏光を変化させないまま残す構成を可能にする。後者の場合においては、合計複屈折はゼロであるか又は全波長λであるかのいずれかである。図４においては、遮断状態においては、ＬＣセルの光学軸は光の偏光方法に対して平行であるゼロ複屈折の場合が描かれる。ＬＣセルを９０°だけ回転させることにより、λの遅れをもたらすものとなる。遮断状態において、ＬＣセルの光学軸が光の偏光方向に対して垂直であるような構成もまた可能である。
【００１４】
本明細書において用いられる「２分の１波長」及び「４分の１波長」という用語は、装置の物理学を質的に理解するのを助ける名称であることを理解されたい。実効値は、これらの名称により提案された値とは実質的に異なることがある。切替可能なカラーフィルタの最終的な性能は、複屈折板とコレステリック・フィルタとの動作間の相互作用であり、含まれる要素のパラメータを最適化する（例えば、数値的に）ことにより見出されなければならない。
正確な適用例によっては、偏光子／リターダの組み合わせが光の入力側及び／又は光の出力側に加えられることがある。これらは、図１及び図２においては、部品９及び１１として示される。コレステリック・カラースイッチは本質的に偏光子として作用するが、前置直線偏光子を用いることが好ましい場合があり、リターダは、それに応じて直線偏光に適合するように要求されることがある。このような前置直線偏光子は、例えば、ランプの光出力を増加させるのに偏光リサイクル機構が用いられる場合に望ましい。同様に、高品質の投影機に必要とされる高い偏光比を達成するために、出力偏光を後続するイメージャに適合させるため、リターダ及び任意的に「清掃偏光子」を加えることができる。
【００１５】
コレステリック・フィルタの特性を本発明による切替可能な液晶カラーフィルタのニーズに適応させるためには、コレステリック・フィルタは、一層だけのコレステリック液晶の場合よりも、より複雑なものとなる。例えば、これは、更に、互いに好適な反射帯域を有する円偏光フィルタとして作用するか、又は該コレステリック・フィルタのピッチが層厚に渡り異なることがある１つより多いコレステリック層で構成することができる。
コレステリック・フィルタにおいては、液晶ポリマー及び架橋ネットワークのそれぞれが用いられることが好ましい。
カラーフィルタ、即ちコレステリック・フィルタ、リターダ、及びスイッチの液晶素子は、光方位付け技術により位置合わせされることが有利である。異なる公知の方法の中で特に好適なものは、時には光方位付けポリマーネットワーク（ＰＰＮ）と呼ばれる、直線光重合化（ＬＬＰ）を用いるものである。このような要素の背景及び製造は、例えば、ＵＳ−Ａ−５３８９６９８、ＵＳ−Ａ−５８３８４０７、ＵＳ−Ａ−５６０２６６１、ＥＰ−Ａ−６８９０８４、ＥＰ−Ａ−０７５６１９３、ＷＯ−Ａ−９９／４９３６０、ＷＯ−Ａ−９９／６４９２４、及びＷＯ−Ａ−００／３６４６３に開示される。
本発明の上述されたもの及び他の実施形態及び利点は、特許請求の範囲及び本明細書の以下の説明により見出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで、本発明を、添付の図面を参照して例を用いて説明する。
ここで図５を参照すると、本発明の第１の実施形態を形成する切替可能な液晶カラーフィルタが概略的に示されている。これは３つの強誘電性液晶スイッチ８１、８３、及び８５と、６つのコレステリック・フィルタ８７、８９、９１、９３、９５、及び９７とを備える。各々の液晶スイッチとこれに隣接する２つのコレステリック・フィルタとの間には、４分の１波長板９９、１０１、１０３、１０５、１０７、及び１０９が挿入され、コレステリック・フィルタの内側の２対の間には、２つの２分の１波長板１１１及び１１３が設けられる。
非偏光５１は左から入射する。図３におけるように、偏光子５３及びリターダ５５といった、例えば偏光回復機構と組み合わせて必要になることがある任意的な要素が、入力側に示される。出力側においては、１つ又はそれ以上の付加的なリターダ５７及び５９を設けて、円偏光を直線偏光６１に変換するようにすることができる。出力側では、光は全てのカラーについて同一の偏光を有する。
本発明によるカラースイッチの重要な特徴は、全てのコレステリック・フィルタが、図５においては「＋」符号（これはねじれ方向に関しては意味を持たず、全て「−」符号であっても構わない）により示される同じ回転方向を有するという事実である。１つの回転方向のみを用いることは、２つの２分の１波長板１１１及び１１３の挿入により可能になる。これらは先行する帯域変調フィルタの２分の１波長板の特色を補償するものとなる。
【００１７】
既に上述されたように、本明細書において用いられる「２分の１波長板」及び「４分の１波長板」という用語は、装置の物理学を質的に理解するのを助ける名称である。実効値は、必ずしも、具体的に定められた波長の正確な４分の１とは限らず、複屈折板及びカラースイッチのコレステリック・フィルタを全体として最適化することにより与えられる。
図５の切替可能な液晶カラーフィルタの光学的概念が図６ａ、図６ｂ、及び図６ｃに概略的に示される。図の各々は３原色（本例においてはＲＧＢ）のうちの１つの動作形態を示し、図６ａはレッド期間、図６ｂはグリーン期間、図６ｃはブルー期間を示す。
図においては、非偏光は白／黒の対の矢印で示され、左円偏光は単一の黒矢印で示され、Ｒ円偏光は単一の白矢印で示される。左から右へ向かう矢印の位置は、青（左側）から赤（右側）の範囲に及ぶ色を示す。
図５に対応して、カラーフィルタは、便宜上、「スイッチ」と呼ばれる、ｓｗ１、ｓｗ２、及びｓｗ３と表示が付された「４分の１波長板／液晶スイッチ／４分の１波長板」の組み合わせ３つ分と、ｃｆｂ１、ｃｆｂ２、ｃｆｇ１、ｃｆｇ２、ｃｆｒ１、及びｃｆｒ２と表示が付された６つのコレステリック・フィルタと、ｒｅｔ１及びｒｅｔ２と表示が付された２つの２分の１波長板とからなる。リターダ／スイッチの組み合わせ、コレステリック・フィルタ、及び２分の１波長板の各々は、左から右へ延びる長方形のボックスとして示される。各々のコレステリック・フィルタについて、選択反射波長帯は対応するボックス内でフィリングによって表示され、回転方向は「＋」符号で示される。
【００１８】
図６ａ、図６ｂ、及び図６ｃの各々において、スイッチのうちの１つは「オン」状態（斜線記入、回転方向の変化なし）であり、２つは「遮断」状態（交差斜線記入、回転方向が変化）にある。図は、スイッチが「オン」である色が異なるのみである。
まず最初に、レッド・スイッチｓｗ３が「オン」であり、ブルー・スイッチｓｗ１及びグリーン・スイッチｓｗ２が「オフ」である、レッド期間（図６ａに対応する）について説明する。
非偏光白色光は、上方から（ブルー）コレステリック・フィルタｃｆｂ１に入射している。
ブルーのスペクトル範囲においては、Ｌ円偏光のみがフィルタを通過し、Ｒ成分は反射される。グリーン及びレッドのスペクトル範囲にある光は変化しないままである（即ち非偏光）。スイッチｓｗ１は遮断状態にあり、即ち、光の回転方向を変化させる。スペクトルのブルー部分のみが偏光されるために、回転方向の変化はスペクトルのブルー部分のみに作用して、Ｌ偏光がＲ偏光に変換するようになる。ｃｆｂ１と実質的に同一である次のコレステリック・フィルタｃｆｂ２が、次いでこの光を遮断する。グリーン及びレッドは非偏光のままである。
グリーンのスペクトル範囲にある光の場合はよく似ている。光は２分の１波長板ｒｅｔ１を通過した後、Ｒ偏光のみが通過する（グリーン）コレステリック・フィルタｃｆｇ１に当たるまで非偏光のままである。スイッチｓｗ２は、次いで、偏光を逆転させ、次のコレステリック・フィルタｃｆｇ２が、次いで、この光を遮断する。
【００１９】
レッドのスペクトル範囲にある光の場合は異なる。２分の１波長板ｒｅｔ１及びｒｅｔ２を含むブルー及びグリーンのフィルタ区域を、変化せずに通過した後、レッド光は（レッド）コレステリック・フィルタｃｆｒ１により偏光される。レッド光のＬ成分は通過し、Ｒ成分は反射される。スイッチｓｗ３は「オン」状態にあり、偏光はそのＬ状態のまま放置される。光は、次いで、コレステリック・フィルタｃｆｒ２を通過して、レッドのＬ偏光の出力光が生み出される。
グリーン・スイッチｓｗ２が「オン」であり、ブルー・スイッチｓｗ１及びレッド・スイッチｓｗ３が「オフ」であるグリーン期間（図６ｂに示す）は、わずかに複雑である。
ブルーのスペクトル範囲については、レッド期間と比べて何も違いはない。同様に、レッドのスペクトル範囲は、Ｌ成分のみが通るコレステリック・フィルタｃｆｒ１に到達するまで非偏光のままであり、該レッドのスペクトル範囲は、スイッチｓｗ３によりＲ状態に変えられ、次いで、コレステリック・フィルタｃｆｒ２により遮断される。
グリーンのスペクトル範囲の場合は異なる。２分の１波長板ｒｅｔ１を含むブルーのフィルタ区域を、変化なしで通過した後、グリーン光は、Ｌ成分のみを通すコレステリック・フィルタｃｆｇ１によって偏光される。「オン」状態にあるグリーン・スイッチはこの偏光を変化させず、光は、Ｌ偏光として、次のコレステリック・フィルタｃｆｇ２を通過する。２分の１波長板ｒｅｔ２は、この偏光を逆転させてＲ偏光にする。次いで、レッドのフィルタ区域のスイッチｓｗ３が、グリーン光の偏光状態を、（少なくとも第１の近似にまで）ＲからＬに変える。したがって出力はＬ偏光のグリーン光である。
【００２０】
このレッド・フィルタ区域によるグリーン光に対する重要な作用は、該グリーン光が最後の帯域変調フィルタを変化しないで通る独立した帯域変調フィルタを用いる従来技術のカラースイッチと著しく対照的である。
最後に、図６ｃは、最も難解な場合、即ち第１のフィルタ区域のカラー期間を示す。この例においては、これはブルー・スイッチｓｗ１が「オン」で、グリーン・スイッチｓｗ２及びレッド・スイッチｓｗ３が「オフ」のブルー期間である。
レッドのスペクトル範囲は図６ｂにおけるように遮断され、グリーンのスペクトル範囲は図６ａにおけるように遮断される。
ブルーのスペクトル範囲は、コレステリック・フィルタｃｆｂ１によりＬ偏光され、次いで、偏光の変化なしで、スイッチｓｗ１及びコレステリック・フィルタｃｆｂ２を通過する。２分の１波長板ｒｅｔ１は、次いで、この偏光を逆転させてＲ偏光にし、これはコレステリック・フィルタｃｆｂ１により変化されないまま残る。次に、スイッチｓｗ２が偏光を再びほぼ逆転させてＬにし、２分の１波長板ｒｅｔ２は逆転させてＲに戻す。最後に、スイッチｓｗ３が偏光を逆転させてＬに戻し、Ｌ偏光のブルー光の出力が与えられる。
この場合も、レッド及びグリーンのフィルタ区域の両方がブルーのスペクトル範囲の偏光状態を変えるために、独立した帯域変調フィルタの概念は当て嵌まらない。
【００２１】
本発明の更に別の実施形態においては、コレステリック・フィルタについて重なり合う波長帯域がもたらされるように、フィルタ特性を選択する有利な可能性を用いることができる。上述のように、このことは、ランプの光が効率的に使われるべき場合に重要である。
上述の第１の実施形態と比較すると、この更に別の実施形態には２つの関連する変更がある。レッド部分においては、グリーンフィルタの長波長のカットオフは、レッド・フィルタの短波長のカットオフより長い波長であり、即ち、遮断範囲が重なり合い、定められた波長帯域は完全に遮断することができるという所望の結果がもたらされる。この特徴は、更に、独立した帯域変調フィルタの公知の概念によっても可能であるが、しかしながら、グリーン／ブルーの境界が異なる。２つのブルーのコレステリック・フィルタ、並びに、２つのグリーンのコレステリック・フィルタは、異なる選択反射帯域を有する。図６における説明と同じ推論を用いると、コレステリック・フィルタｃｆｂ１の長波長のカットオフは、コレステリック・フィルタｃｆｇ１の短波長のカットオフと共に、透過されたブルー光の長波長のカットオフを決定するということが分る。更に、コレステリック・フィルタｃｆｂ２の長波長のカットオフは、コレステリック・フィルタｃｆｇ２の短波長のカットオフと共に、透過されたブルー光の短波長のカットオフを決定するということが分る。これらのカットオフ−波長は自由に選択できるため、如何なる所望の帯域通過特性をも実施できるという利点がある。
【００２２】
上記の設計概念は有用なものであり、極めて良質な切替可能カラーフィルタをもたらす。しかしながら、全ての波長について、全てのスイッチが２分の１波長板であるという暗黙の想定は、勿論、真実に近いものであるに過ぎない。したがって、本発明による切替可能な液晶カラーフィルタの更に別の改良として、部品の相対配置を最適化することが提案される。このような配置を見出すためには、例えば最適化アルゴリズムを用いることができる。
成功例においては、所定の構成の透過スペクトルを計算して、これらのデータから、この構成の品質に対して尺度である費用関数を求めるルーティンからなるアルゴリズムが用いられた。費用関数は、彩度及び明度の両方が最大化された場合には最小となる。最適化ルーティンは、次いで、費用関数について最小値が得られるまで元の構成を変化させる。このアルゴリズムは以下でより詳細に説明される。
【００２３】
図７及び図８は、このような最適化の結果を示し、図９は対応する色度図を示す。図７においては、非偏光に対して透過が示されており、上の列は分析器が設計方向に方位付けられたもの、下の列はこれに対して垂直なものである。付加的な偏光子のないコントラスト比（輝度比）は、それぞれレッドが３１、グリーンが８８、ブルーが１５であり、白色が４５である。図８は、図７のスペクトルを時間平均化したものである。図９は、ＮＴＳＣ値（三角形及び＋符号）と比較した、図７の上の列におけるスペクトルのカラー座標を示す（開いた円）。
優れた明度と殆ど完璧な彩度、並びに、高度の偏光が、これらのデータから明らかである。コレステリック・フィルタのカットオフ波長は、最適化手順の一部であるために、これらのデータはここでも、ブルー及びグリーンのスペクトル範囲の重なりについて重要性を示す。
本発明の変形においては、切替可能な液晶カラーフィルタはまた、例えば、切替可能フィルタを照明するのに偏光リサイクル機構が用いられる場合のように、既に直線偏光された入力光に適応するようにすることができる。事実、切替可能な液晶カラーフィルタは、この場合には、単純化することができ、即ち第１のコレステリック・フィルタ、並びに第１の４分の１波長板を省くことができる。
【００２４】
同様に、本発明の更に別の変形においては、光出力側に、全光強度を扱うことができる偏光子（高い光強度については、例えば偏光ビームスプリッタ）が用いられる場合には、最後のコレステリック・フィルタは、省くことができる。図６から、最後のコレステリック・フィルタｃｆｒ２は１つのレッド円偏光を遮断するように働くことが分る。更に、フィルタ区域の主要な部品を概略的に示す図４からは、必要な遮断作用は、液晶スイッチの直後の直線偏光子によっても達成できることが分る。したがって、レッドのスペクトル範囲の処理は、コレステリック・フィルタｃｆｒ２が４分の１波長板と共に直線偏光子によって置き換えられた場合には、変化しない。しかしながら、この実施形態の品質を向上させるためには、同時に、残りのスペクトル範囲（グリーン及びブルー）が直線偏光子によってできるだけ吸収されないようにすることが有利である。この目標を達成する１つの方法は、残りの部品のパラメータを最適化することである。
図１０は、上述した本発明の変形によるカラースイッチの図を示す。これは３つの強誘電性液晶スイッチ１２１、１２３、及び１２５と、４つのコレステリック・フィルタ１２７、１２９、１３１、及び１３３と、４つの４分の１波長板１３５、１３７、１３９及び１４１と、２つの２分の１波長板１４３及び１４５と、２つの直線偏光子１４７及び１４９とからなる。
図１１（３つのカラー帯域）及び図１２（出力の合計時間平均）、並びに図１３のそれぞれの色度図に示される対応するスペクトルは、この場合にも、まさに満足のゆくカラースイッチを設計できることを示す。
【００２５】
与えられた例における計算のために、以下の条件が用いられた。カラーフィルタは、偏光子、リターダ、コレステリック・フィルタ、及び液晶スイッチからなる。計算には４×４のマトリクス形式を用いる。リターダ及びコレステリック・フィルタは、表Ｉに示されるパラメータを用いて、複屈折ｎについて同じモデル、即ちｎ（λ）＝ｎ0＋ｎ1λ2／（λ2−λ02）を用いる。液晶スイッチは、更に表Ｉに示される、わずかに異なるパラメータを有する面安定型強誘電性（ＳＳＦ）セルである。
【００２６】
表Ｉ
2005506576.tif 000003
【００２７】
最適化ルーティンにおいては、以下の費用関数Ｇが最小化される。白色（帯域１ｎｍ毎に等しいエネルギ）光源を想定して、全ての３つのカラーＦ＝Ｒ、Ｇ、Ｂについて、三刺激−反応値（ＸF、ＹF、ＺF、ｘF、ｙF）を計算する。実際の適用例においては、投影系の実際の光源のスペクトルを用いることが有利である。データを用いて、
2005506576.tif 000004
を計算し、上に挙げたパラメータに対して、Ｇを最小化する。ｘF0及びｙF0は、カラー座標の目標値ｘ、ｙを表す（ここでの例においてはＮＴＳＣのカラー座標として取られる）。明度の目標値ＹF0は、理想的なカラーフィルタの明度から求められる。この理想的なフィルタは、所定の波長帯域において１の透過を有し、１０ｎｍで両側にゼロまで落ちる。フィルタの帯域は、可能な限り幅広く選択されるが、所望の彩度は依然として保持される。具体的な設計のためには、この計算において、実際のランプのスペクトルが用いられなければならない。これらの理想的なフィルタについて得られる３つのカラーの明度が、カラースイッチの目標値として用いられる。ここでは、それぞれの値は、Ｆ＝Ｒについては０．１２、Ｆ＝Ｇについては０．２５、Ｆ＝Ｂについては０．０５である。ＹFの値は、各々の色について得ることができる最大値より大きいが、これに近いものとする。偏光子があるために、透過の最大値は０．５である。重み付けパラメータｇは、最適化後のＧにおける対応する数値の大きさが同様になるように（係数１０以内であり、好ましくは３）、相互作用的に選択され、帰納的に調整される。
【００２８】
本発明の第１の実施形態による例に含まれる部品のパラメータの組は、表ＩＩに与えられる。
【００２９】
表ＩＩ：  図７から図９に示すデータの計算に用いられるパラメータ
2005506576.tif 000005
2005506576.tif 000006
表においては、角度は、出力（設計−）偏光の方向に対して与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】既知のカラースイッチの一般的な構造を示す概略図である。
【図２】図１の独立したＢＭＦと比較した「溶融した」ＢＭＦの概念を示す概略図である。
【図３】３つの帯域変調フィルタからなる既知のカラースイッチの概略図である。
【図４】本発明により用いられる「コレステリック・フィルタ／４分の１波長板／液晶スイッチ／４分の１波長板／コレステリック・フィルタ」構成を示す。
【図５】本発明の第１の実施形態によるカラースイッチの概略図である。
【図６ａ】本発明の第１の実施形態による基本的な配置及び作動を示す説明図である。
【図６ｂ】本発明の第１の実施形態による基本的な配置及び作動を示す説明図である。
【図６ｃ】本発明の第１の実施形態による基本的な配置及び作動を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態の３つのカラー帯域に対して透過率を示すグラフである。
【図８】図７の透過率スペクトルに対応する出力の合計時間平均を示す。
【図９】ＮＴＳＣのＴＶシステムと比較した図７の上の列の透過率スペクトルに対応するカラー座標を示す色度図である。
【図１０】図５と比較して修正された本発明の第２の実施形態によるカラースイッチの概略図である。
【図１１】図１０に示される実施形態に対応する３つのカラー帯域に対して透過率を示すグラフである。
【図１２】図１１の透過率スペクトルに対応する出力の合計時間平均を示す。
【図１３】図１１に示される透過率に対応する色度図である。
【図４】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2005506576.tif 000053
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