(57)【要約】  開示の実施例は、ＬＣパネルの残留オフ状態位相差を補償するように意図されている。暗状態にあるＬＣパネルの面内位相差および面外位相差を補償するための様々な補償素子が開示される。【選択図】なし
2008506974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型ＬＣパネルとともに用いられる光学要素であって、
第１の光軸を有する第１の複屈折フィルムと、
第１の光軸に実質的に直交する第２の光軸を有する第２の複屈折フィルムと、を含み、
前記第１のフィルムの位相差および第２のフィルムの位相差および各々の配向は、前記反射型ＬＣパネルの暗状態を実質的に補償するように設定される、光学要素。
【請求項２】
前記第１および第２の複屈折フィルムの少なくとも一方は１軸フィルムである、請求項１に記載の光学要素。
【請求項３】
前記第１および第２の複屈折フィルムの少なくとも一方は延伸ポリマーを含む、請求項１に記載の光学要素。
【請求項４】
前記第１および第２の複屈折フィルムの少なくとも一方は低弾性有機フィルムである、請求項１に記載の光学要素。
【請求項５】
前記第１および第２の複屈折フィルムは、前記第１および第２のフィルムならびに前記ＬＣパネルが用いられた光学投影システムにおける視野の変化に対して、少なくとも所定の補償を与えるように前記ＬＣパネルに対して配向されている、請求項１に記載の光学要素。
【請求項６】
前記第１および第２の複屈折フィルムの各位相差間の差分は、暗状態にある前記ＬＣパネルの残留位相差に実質的に整合する、請求項１に記載の光学要素。
【請求項７】
前記第１および第２の複屈折フィルムは、互いに実質的に整合した位相差を有する、請求項１に記載の光学要素。
【請求項８】
前記第１および第２の複屈折フィルムは、それらの光軸が、入力光偏光に対して±４５°に配向されて投影システムに配置される、請求項１に記載の光学要素。
【請求項９】
前記第１および第２の複屈折フィルムは、垂直配向ネマチックＬＣパネルを補償するように設定される、請求項１に記載の光学要素。
【請求項１０】
前記第１および第２の複屈折フィルムは、前記ＬＣパネルの前記位相差に実質的に整合する位相差値を有する、請求項１に記載の光学要素。
【請求項１１】
前記大きい方の相対的位相差を有する複屈折フィルムは、その光軸が、前記ＬＣパネルの暗状態残留位相差の方向に対して実質的に９０°に配向される、請求項１に記載の光学要素。
【請求項１２】
前記要素は以下の式に従って配向され、
【数１】
2008506974.tif 000005
ここで、ファイおよびイプシロンは、前記ＬＣ層パネルによって入力偏光から変換された偏光状態を記述する配向および楕円率角であり、ガンマｒおよびシータｒは、前記光学要素の面内位相差および配向であり、ラムダは、補償された光の波長である、請求項１に記載の光学要素。
【請求項１３】
シータｒは、実質的に４５度に不等になるように選択される、請求項１２に記載の光学要素。
【請求項１４】
前記小さい方の相対的位相差を有する複屈折フィルムは、前記関連付けられたＬＣパネルの近くに配置される、請求項１に記載の光学要素。
【請求項１５】
前記大きい方の相対的位相差を有する複屈折フィルムは、入力光偏光に実質的に配向するように光学投影システムに配置される、請求項１に記載の光学要素。
【請求項１６】
ＬＣパネルとともに用いられる光学要素であって、
第１の光軸と第２の光軸とを有する複屈折フィルムを含み、
単一の２軸フィルムは、所定の光学投影システムにおける前記ＬＣパネルの面内暗状態位相差と、前記ＬＣパネルの視野の変化との両方を補償するように用いられる、光学要素。
【請求項１７】
前記複屈折フィルムは、前記第１の光軸と第２の光軸とを与えるように２軸延伸される、請求項１６に記載の光学要素。
【請求項１８】
前記複屈折フィルムは低弾性有機フィルムである、請求項１６に記載の光学要素。
【請求項１９】
光学システムであって、
反射型ＬＣパネルとともに用いられる光学要素を含み、
前記光学要素は、ともに用いられる前記ＬＣパネルの面内オフ状態位相差よりも実質的に大きな面内位相差を、個別にまたは集合的に有する１つ以上の複屈折フィルムを含み、
前記光学要素はさらに、前記光学要素が前記光学要素と前記ＬＣパネルとの相対的位相差を最適に補償するように前記光学システムに配置され、および
前記光学要素はさらに、前記ＬＣパネルのオフ状態の面外位相差を補償するように設定される、光学システム。
【請求項２０】
前記１つ以上の複屈折フィルムを含む前記光学要素の配向は、以下の式に従って選択され、
【数１】
2008506974.tif 000006
ここで、ファイおよびイプシロンは、前記ＬＣ層パネルによって入力偏光から変換された偏光状態を記述する配向および楕円率角であり、ガンマｒおよびシータｒは、前記光学要素の面内位相差および配向であり、ラムダは、補償された光の波長である、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２１】
シータｒは、実質的に４５度に不等になるように選択される、請求項２０に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記光学要素は、前記ＬＣパネルのオフ状態の面内位相差よりも実質的に大きい面内位相差を有するＡプレートと、前記Ａプレートに対して傾斜されるＣプレートと、を含み、
前記ＡプレートおよびＣプレートは、実質的に最適な面内補償および面外補償を前記ＬＣプレートのオフ状態に対して与えるように設定される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記Ａプレートおよび前記Ｃプレートを含む前記光学要素の配向は以下の式に従って選択され、
【数１】
2008506974.tif 000007
ここで、ファイおよびイプシロンは、前記ＬＣ層パネルによって入力偏光から変換された偏光状態を記述する配向および楕円率角であり、ガンマｒおよびシータｒは、前記光学要素の面内位相差および配向であり、ラムダは、補償された光の波長である、請求項２２に記載の光学システム。
【請求項２４】
シータｒは、実質的に４５度に不等になるように選択される、請求項２３に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記光学要素は、前記ＬＣパネルのオフ状態の面内位相差よりも実質的に大きい面内位相差を１つの軸に沿って与えるように配置された２軸位相差フィルムを含み、
両軸の組み合わせの効果によって前記ＬＣパネルに対して実質的に最適な面内補償および面外補償が与えられる、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２６】
前記２軸位相差フィルムを含む光学要素の配向は、以下の式に従って選択され、
【数１】
2008506974.tif 000008
ここで、ファイおよびイプシロンは、前記ＬＣ層パネルによって入力偏光から変換された偏光状態を記述する配向および楕円率角であり、ガンマｒおよびシータｒは、前記光学要素の面内位相差および配向であり、ラムダは、補償された光の波長である、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２７】
シータｒは、実質的に４５度に不等になるように選択される、請求項２６に記載の光学システム。
【請求項２８】
前記光学要素は、前記ＬＣパネルのオフ状態の面内位相差よりも実質的に大きい面内位相差を与える１つの軸に沿った投影成分を与えるように配置された傾斜Ｃプレート位相差フィルムを含み、
前記傾斜Ｃプレート位相差フィルムの両投影軸の組み合わせの効果によって、実質的に最適な面内補償および面外補償が前記ＬＣパネルに対して与えられる、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２９】
前記傾斜Ｃプレート位相差フィルムを含む前記光学要素の配向は以下の式に従って選択され、
【数１】
2008506974.tif 000009
ここで、ファイおよびイプシロンは、前記ＬＣ層パネルによって入力偏光から変換された偏光状態を記述する配向および楕円率角であり、ガンマｒおよびシータｒは、前記光学要素の面内位相差および配向であり、ラムダは、補償された光の波長である、請求項２８に記載の光学システム。
【請求項３０】
シータｒは、実質的に４５度に不等になるように選択される、請求項２９に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の開示の実施例は、液晶（ＬＣ）表示システムでの使用のための光学装置に関する。より詳しくは、パネルのみによる補償が要求される反射型の液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）投影アーキテクチャに関する。これらの実施例は、ＬＣパネルのオフ状態で存在する残留面内および面外位相差を補償する１つ以上の複屈折層からなる光学要素を表す。そのため、パネルの正味の位相差（＝Ｄｎ●ｄ）は実質的に、２つの位相差成分のベクトル和となる。延伸有機ポリマーフィルムによって実施される場合、これらの要素には通常、高耐久性および高偏光性能が要求され、そのため、低弾性有機基板が好ましい。これは、先行する米国特許仮出願シリアル番号６０／５７３，９１０に記載されており、本明細書において参考として組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
ＬＣＯＳまたはその他のＬＣパネルを用いた投影表示では、残留するオフ状態パネル位相差を補償して十分なコントラスト性能を確保する必要がある。というのは、このような残留面内位相差は入射光線に適用されると、偏光混合を引き起こしたり、オフ状態の漏れをもたらす可能性があるからである。ＬＣパネル投影に基づく大画面テレビの場合、この漏れは明るい暗状態、および、しばしば色付きとなる暗状態として現れる。暗い映像コンテンツを表示する場合、このような漏れはあまりにも露骨であり望ましいものではない。ＬＣパネルの残留オフ状態位相差または少なくともその悪影響を除去することは、複屈折要素をパネルの前面に導入することによって達成可能であり、Ｘｉａｎｇ−Ｄｏｕｇ  Ｍｉの米国特許出願公開第２００３／０１２８３２０号に記載されている。
【０００３】
一般に、補償素子は、第一にパネルの残留面内オフ状態位相差を除去し、第二に、ＬＣ層の視野（ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ（ＦＯＶ））性能に関連する面外位相差に起因するオフ状態光漏れを低減する。面内位相差を除去することは重要である。というのは、それは全入射光に影響し、パネル平面上に投影される場合に、複数のＬＣ分子が基板に対して垂直に配向していない程度、またはそれらの配向がバランスしていない程度に対応するからである。実質的な面外位相差は、軸外光線の偏光状態を変化させ、パネルの視野を低減させるように作用し、非平行光システムにおいてはオフ状態の漏れをさらに生じさせる。現行の市販の映像投影システムに要求される高コントラストを得るためには、面内と面外との両方の補償が所望される。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１２８３２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
所定の開示の補償方式は、付加的な補償が入力／出力ビーム分離ＰＢＳによって要求されない（例えばワイヤグリッドＰＢＳ）か、または別々に補償される反射型システムで使用される。このようなシステムでは、直線偏光状態がシステム検光子（ｓｙｓｔｅｍ  ａｎａｌｙｚｅｒ）に先立って存在する。具体的には、入力／出力ビーム分離ＰＢＳから出る暗状態の光は、検光軸と偏光軸とが直交する結果入る光と同じ直線偏光状態を有する。透過型システムでは、出力検光子の配向は偏光子とは独立しており、回転した直線出力状態を生成する補償解が得られる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示されるのは、少なくとも１つの複屈折層を含む補償素子を用いて反射型ＬＣパネルを補償することを目的とした実施例である。ここで、各複屈折層または複屈折層の集合は１軸または２軸特性を示してよい。具体的な事例に含まれるのは、ＡプレートとＣプレートとの組み合わせ、単一２軸フィルム、傾斜Ｃプレート、および光軸が互いに実質的に直交して配向された２つの１軸層を含む２層補償素子である。透過型パネルの補償は、関連する方法によって達成可能であり、「展開（ｕｎｆｏｌｄｉｎｇ）」反射型設計による本特許の方法論全般によってもカバーされている。記載の実施例においては、延伸有機フィルムが、単数または複数の複屈折層として使用される。投影システムの過酷な環境内での劣化を防止するために、こうした延伸有機フィルムを使用した補償素子は、カプセル化された積層として形成される。有効な有機フィルムの例としては、低弾性ポリオレフィンフィルムがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１ａ−１ｂは、補償状態にあるＬＣパネル（ＬＣ層と反射素子とを含む）に対する補償素子の相対的なレイアウトおよび配向を示す光学的なブロック図である。具体的には、図１ａは、補償素子１０２を含む光学システム１００を示す。偏光した光１０３は補償素子１０２に当たり、直線によって示される（垂直偏光）。補償素子１０２は、所定の光軸配向および面内位相差を有し、それぞれシータｒおよびガンマｒである。ここで、シータｒは、偏光した入力光１０３の直線偏光に対する配向角である。偏光差分に起因して、補償素子は、ＬＣ層１０４に入射する光１０３に対して楕円偏光１０５を与える。楕円偏光は、ＬＣ層１０４の固有の残留面内位相差を補償するように設定され、その結果ＬＣ層１０４からの出力は反射面１０６に当たって直線偏光される。反射経路沿いにおいては、このプロセスは逆の順番で生じ、補償素子１０２は、（入力光と同じ経路沿いの）出力光１０３が入力光と同じ直線偏光を有するように設定される。
【０００７】
図１ｂの光学システム１００は、図１ａの光学システム１００と同様に動作するが、補償素子１０２が、図１ｂにおいてはＬＣパネル１０４と反射素子１０６との間に配置される一方で、図１ａにおいてはそれらの要素の両方に光学的に先立つように配置される点で異なる。このため、補償素子１０２が、図１ｂにおいてのようにＬＣパネル１０４と反射素子１０６との間に配置されていても、または図１ａにおいてのようにそれらの要素の両方の光学的に前に配置されていても、図１ａまたは図１ｂいずれかの補償素子１０２を、ＬＣパネル１０４によってオフ状態において与えられる楕円偏光を補償するように設定することができる。実際には、補償素子１０２がＬＣパネル１０４と反射素子１０６との間に配置されることはめったになく、ＬＣパネルおよび反射素子が単一要素としてパッケージ化されるのが通常であり、一緒になって反射型ＬＣパネルとして記載されることが多い。しかし、図１ｂに記載されかつ示されるような要素を構成することも可能である。数学的には、図１ｂは、図１ａの一般的なアーキテクチャに対する近似として有用であり、その近似は、小さな面内パネル１０４／１０６および補償素子１０２の位相差に対して特に当てはまる。したがって、図１ｂの従来的ではない構成によって、行列計算は下記のように単純化され、こうして本明細書に記載される。しかし、上述のように、行列計算はまた、小さな面内パネル１０４／１０６および補償素子１０２の位相差に対しては図１ａの従来的な構成も正確に記述する。
【０００８】
パネルのオフ状態面外位相差によって生じる軸外偏光の混合を補償するとともに、残留オフ状態面内位相差を補償することによって、ＬＣパネル１０４を補償することができるという具体的なアプローチを含む、本願の発展および進歩を理解するための背景が、図１ａ−１ｂの上記記載によって与えられる。所定の実施例においては、これは、光がシステムを透過する際の連続的な２つのステップのプロセスとしてみなすことができる。しかし、補償の順番には所定の利点があるかもしれず、本明細書における所定の記載が所定の順番を示唆するように見えるかもしれないが、記載の実施例を用いることが特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならない。請求項単独によって、所定の順番または連続の補償が要求されるかもしれないが、その場合は、補償の特定の順番を具体的に書き出すこうした請求項のみが、かかる限定をされて解釈されるべきである。
【０００９】
なおも図１ａを参照すると、ＬＣパネルを補償するための実施例がさらに記載されている。示される実施例では、ＬＣパネルは、ＬＣ材料１０４および反射板１０６の両方を含む。記載の実施例は、補償素子（ガンマｒ）およびパネル（ガンマｐ）の面内位相差を、まずは整合させて、次に反転（ｎｅｇａｔｉｎｇ）させる。本願に記載されているように、位相差を正確に整合させることは不要であり、実際望ましいことではない。具体的には、システムは、パネル１０４／１０６と補償素子１０２との相対的配向を変化させることによって、補償素子とパネルとの位相差不整合を補償するように設定される。記載の実施例において、位相差不整合の補償は、補償素子１０２の面内位相差がパネル１０４／１０６の暗状態位相差の面内成分を越える場合にのみ達成可能である。
【００１０】
本願では、補償素子１０２をパネル１０４／１０６の外部に配置するように記載されているが、図１ｂに示されるように、補償素子１０２を反射型パネル１０４／１０６の「内部」に配置することも可能である。よって、図１ｂの実施例では、補償素子は、ＬＣ材料１０４と反射板１０６との間に挿入される。上述のように、および以下にさらに記載されるように、本願は、補償素子の位相差とパネルの位相差との間に実質的な不整合があることは有利であると認識している。このため、本願の所定の実施例には、補償素子の位相差とパネルの位相差との実質的な不整合に有効に対処するアプローチまたは設計が記載される。
【００１１】
さらに具体的には、製造または設計の安定性の観点から、出願人は、補償素子１０２（ガンマｒ）の面内位相差とパネル１０４／１０６（ガンマｐ）の面内位相差とが十分に整合している場合は、この整合が適切な相対的配向を維持する上での困難を引き起こし得ることを認識している。これは、パネル１０４／１０６の位相差と補償素子１０２の位相差とが比較的近い場合に、最適な配向において生じ得る著しい変化に起因する。本願に記載されるように、補償素子１０２とパネル１０４／１０５との相対的配向は、パネルの位相差と補償素子の位相差との差分に適応するように調節され得る。パネルのオフ状態面内残留位相差と補償素子の面内位相差との差分となる面内位相差の不整合と、結果的な最適補償配向との関係は、本明細書に記載されるように数学的に決定することができる。
【００１２】
記載のアプローチを用いて、偏光分析は単純化される。というのは、同じ直線入力偏光状態と、ＬＣパネルに基づく光変調システムのいずれかの反射型複屈折ネットワークからの出口偏光状態と、を有する光は、ＬＣパネルがそのオフ状態にある場合、反射界面において任意配向の直線偏光を有するからである。したがって、単一経路―反射型ＬＣパネルの鏡面／反射層への入射―において直線偏光を生じさせる補償素子／パネルの組み合わせは、面内補償の解決策を提供する。数学的表現では、この条件は、Ｏ＝Ｌ・Ｃ・Ｉとして表現される。ここで、ＯおよびＩは、出力（鏡面）直線偏光および入力直線偏光であり、ＣおよびＬは、それぞれ補償素子およびＬＣパネルに関する正面変換である。小さな位相差、例えば、可視光を扱う光学システム用の約３０ｎｍよりも小さな位相差、に対しては、これらの変換を逆にしてＯ＝Ｃ・Ｌ・Ｉとしてもよい。
【００１３】
ポアンカレ球（Ｄ．Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｌｉｇｈｔ，ａｔ  ｃｈ．１２（２ｄ  ｅｄ．２００３）参照。これは本明細書において参考として組み入れられる）を、偏光を表現かつ変換する手段として用いると、上記表現は以下のように記すことができる。
【数１】
2008506974.tif 000003
【００１４】
Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ（上記参照）に記載されるように、本式１において、ｆおよびｅは、ＬＣ層１０４によって入力偏光から変換された偏光状態を記述する従来的な配向および楕円率角である。ガンマｒおよびシータｒは、補償素子１０２の面内位相差および配向であり、ラムダは補償された光の波長である。出力偏光は、ベクトル（００１）に直交する場合は直線である。このため、内積は式１においてゼロに等しくなり得る。
【００１５】
式１は解くことが可能であり、位相差の関数として補償素子配向に関する以下の表現を与える。
【数２】
2008506974.tif 000004
【００１６】
垂直方向に配向したＬＣＯＳパネルという具体的な場合に対しては、パネルのＬＣ材料１０４は、その低電圧のオフ状態において概ねホメオトロピック配向であるが、偏光子配向／検光子配向を二分する平面内で非垂直となるわずかな傾斜（例えば７°）を有する。代表的なＬＣの厚さおよび複屈折に対しては、式３によって、入力偏光状態（ファイ，イプシロン）＝（０°，０°）が、偏光状態（０°，１°）にマッピングされる。これは、５５０ｎｍの入力光波長における残留面内位相差である約３ｎｍに一致する。
【００１７】
図２は、結果的に得られる「Ｃ」曲線２０２を示す。これは、５５０ｎｍの入力波長において残留位相差が３ｎｍの場合の、上記式２に対する面内位相差（ｘ軸）の関数としての最適な補償素子配向（ｙ軸）である。補償素子位相差の各値に対しては、残留面内位相差が補償される２つの配向（シータ１，シータ２）が存在する。ここで、その配向は、シータ１＝９０°−シータ２、によって関連付けられる。すなわち、所定のガンマｒ（＞ガンマｐ）に対しては、図２で与えられる２つの可能な補償素子配向が存在する。図２の具体的図示において、面内位相差は、７ｎｍにほぼ等しいガンマｒにおける例として示されており、これによって１５°にほぼ等しいシータ１、および７５°にほぼ等しいシータ２が得られる。この領域におけるＣ曲線２００の比較的平らな傾斜であれば、解は、補償素子１０２および／またはＬＣパネル１０４／１０６の面内位相差値の変化に対して比較的鈍感となる。ガンマｒ−ガンマｐ＞約１５ｎｍに対する記載の実施例のいくつかには、Ｃ曲線のさらに平らな部分が存在する。
【００１８】
有色の非平行光が補償される場合、および恐らくその他の実施例においては、入力偏光のさらに近くに配向する位相差素子の面内配向を選択することが好ましい。
【００１９】
本願にさらに記載される実施例では、出願人は、オフ状態におけるパネルガンマｐの面内位相差値とは少なくともある程度は不整合の、面内位相差値ガンマｒを備える補償素子を選択することが有利であると認識している。具体的には、シータ１が、４５°にほぼ等しいシータ２にほぼ等しい場合、４５°の解２０５付近のＣ曲線は急な傾斜なので、４５°の実施における補償素子またはパネルの位相差の小さな変化は、図２に示されるＣ曲線に従って、配向の解の比較的劇的なシフトをもたらし得る。例えば、グラフによれば、補償素子の面内位相差が３ｎｍから約３．２ｎｍまでシフトすると、位相差のシフトは約７％に過ぎないが、適切な配向角は、４５°から５５°までほぼ完全に１０°シフトする。この位相差のシフトを補償するようにシステムを調節しなくても、システムの性能には劇的なシフトがあり得る。
【００２０】
図示されたＣ曲線２００の、４５°の解２０５からその他の部分への移動によって、位相差値、ガンマｒおよびガンマｐの変化に対する体系的な許容誤差がより十分になるので、開示の補償素子が用いられる光学システムの生産性が改善される。配向角シータ１が約２０°よりも小さく、および配向角シータ１が約７０°よりも大きい場合（例えば、Ｃ曲線２００が平らになっている領域において）は、例示の解の範囲は、Ｃ曲線上の解に存在する。より広い角度範囲であれば、配向角シータ１が約３０°よりも小さく、および配向角シータ１が約６０°よりも大きい場合となる。同じ光学システム要素をその最適な配向付近に維持するためには、４５°の解２０５により近い解は、面内位相差値に対してより厳しい許容誤差が要求されるという不利益を有する。
【００２１】
上述の記載および具体的な式１によって解が記述されるため、パネルガンマｐの面内残留位相差は、ガンマｒに等しいかまたはそれ以上の面内位相差ガンマｒを有する光学要素によって、反射型ＬＣ投影システムにおいて補償される。面内補償のみによっても、十分なシステム性能が得られるが、より完全な解を得るためには、同時に面外パネル補償も要求される。したがって、本特許の実施例は、パネルの面内位相差値よりも大きな面内位相差値を有し、所定の（または極めて完全な）面外補償を与え得る特性を有する、１つ以上の複屈折層を備えた補償要素を作ることからなる。そして、この要素は、式１に従って配向されて十分な面内補償を確保することができる。
【００２２】
図３は、ＬＣパネルの面内残留位相差成分および面外位相差成分を補償するために設計されたシステムを示す。軸外光線を補償するため、およびそれによって視野（ＦＯＶ）性能を高めるため、ＬＣ層の面外位相差によって各光線の伝搬方向に垂直な平面に投影される位相差を差し引く必要がある。これは、光軸が平均光伝搬に対して垂直になる負の複屈折プレートを導入することによって従来より行われている。こうした複屈折プレートは、「Ｃプレート」として知られており、これは、補償されるパネルの全体的な位相差にほぼ整合する位相差を備えるように設定される（Ｄｎ●ｄ〜２５０ｎｍ）。
【００２３】
図３のアプローチは、面内および面外両方のオフ状態ＬＣパネル補償に取り組む一つのアプローチを示す。このアプローチは、式２の「正面」基準に従う面内１軸補償素子（Ａプレート）３０２とＣプレート３０４とを含む２層の補償素子３００を含む。この一般的な構造の従来的な補償素子の解決策は公知である。しかし、公知の構造では、４５°から実質的に外れた相対的配向を選択することが驚くべき利点を有するということは評価されていない。それとは対照的に、本願は、４５°以外のものとなるようにシータｒを選択することが有利であることを認識しており、この理解は、開示の図３の２層補償素子３００に適用される。
【００２４】
図３のアプローチによれば、入射光は補償素子３００を透過する際に事前に補償される。Ａプレート３０２は、ＬＣパネル１０４／１０６のオフ状態の面内残留位相差を補償する。Ｃプレート３０４は、ＬＣパネル１０４／１０６の軸外効果を補償する。具体的には、入射する非垂直光線に所定の位相差を与えて、ＬＣパネル１０４／１０６によって入射光に究極的に与えられるＦＯＶ効果を最小化する。光が補償素子３００に入って通り抜け、反射の際は、ＬＣパネル１０４／１０６の反射面によって反射された後に戻って出て、その後複合材で適切に補償するように光学補償素子３００は設計される。
【００２５】
図４は、ＡプレートおよびＣプレートが単一の延伸２軸フィルム４００に機能的に組み入れられることを示す。単一の延伸２軸フィルムを用いることもまた、Ｘｉａｎｇ−Ｄｏｕｇ  Ｍｉの米国特許出願公開第２００３／０１２８３２０号によって既に提案されている。しかし、上述のように、面内オフ状態位相差補償の設定に対して非４５°の不整合の場合を選択することによって得られる利点を認識したのは、本願が初めてである。そして、２軸フィルム４００の適切な配向は、Ａプレート／Ｃプレート補償素子に関して上述のように規定された方法と同様のまたは類似の方法で決定することができる。図５に示されるように、２軸フィルム４００は、面内位相差の広い範囲にわたって極めて均一な面外位相差を示すので、面内および面外の両方のＬＣパネル効果を補償するためにフィルムを有効に配向することができる。
【００２６】
図６は、別の実施例を示す。これは、整合されたＣプレート６００が、所定の正面位相差を作るために軸６０２に沿ってＬＣパネル１０４／１０６に対して傾斜されて、式２に従って配向された単層補償素子である。所定の条件の下では、これによって、効率的で比較的安価なアプローチが与えられる。しかし、本願で提供されるその他の解決策に見出されるのと同じ性能上の利点が与えられるわけではない。例えば、このアプローチは、画像処理の観点からは魅力的ではない。必要となる傾斜角が大きすぎる場合は、その傾斜が許容できない非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を引き起こし得るからである。
【００２７】
図７は、２つの直交配向１軸層（「Ａプレート」）７０２、７０４を含む補償素子７００が、ＬＣパネル１０４／１０６の正面およびＦＯＶの両方の漏れを補償することができるアプローチを示す。同じクロスＡプレート７０２、７０４が、個々の層の光軸を含む面内においてＣプレートと同様の特性を示すことが知られている。有効なＣプレート位相差は、個々の層の位相差に相当する。したがって、これらのクロスＡプレート７０２、７０４は、ＬＣパネル１０４／１０６を、その概ねホメオトロピックなオフ状態において補償するために用いられる。非垂直な光線は、偏光子軸および検光子軸を含む面以外の面において、望ましくない偏光混合を引き起こすだけであり、その最悪な偏光混合は偏光子軸／検光子軸を二分する面において生じるので、クロスＡプレート７０２、７０４を配向してその光軸がこの最悪の面に存在するようにすれば、これらの効果を補償するのに役立つ。この配向によって、これらの効果は実際に十分補償されるが、最初は「良好」な偏光子面／検光子面において偏光混合が生じてしまう。その結果、クロスＡプレートによって単一経路の補償を試みても、透過型ＬＣシステムの正味の利得はない。しかし、反射においては、クロスＡプレート７０２、７０４は異なる振る舞いをする。具体的には、単一経路においてはＡプレート軸を二分する面内での偏光混合が生じる光線でも、第２の反射経路においては実質的に回復した偏光を有する。このため、４５°配向の整合クロスＡプレート補償素子７００は、ＬＣパネル１０４／１０６の面外位相差の効果を有効に補償することができる。
【００２８】
出願人は、クロスＡプレート補償素子７００の公知の用法に基づいて、ＬＣパネル１０４／１０６の面外位相差および面内残留位相差の効果を、効率的かつ生産的な方法で補償した。特に、出願人は、位相差フィルム７０２、７０４の新規な配向および位相差を用いた。これらの新規な配向および位相差は、以下にさらに説明される。
【００２９】
位相差がガンマｐだけ異なる直交して配向された複屈折層７０２、７０４から作られた複合２層補償素子７００は、Ｄｎ●ｄに近い平均層位相差を選択することによって、反射型ＬＣパネルのＦＯＶを補償することができる。４５°の配向は、パネルのオフ状態残留位相差に整合した補償素子位相差に一致しており、この点では公知のアプローチであろう。
【００３０】
出願人の新規なアプローチは、複合補償素子の面内位相差とパネルのオフ状態残留位相差との所定の位相差の差分を選択することを含む。実施例においては、補償素子７００の位相差は、パネル１０４／１０６の位相差よりも大きい。そして、正面残留パネル位相差は、一部を式２に従って配向させることによって補償される。さらに有利なことは、最大の位相差を備えるフィルムの光軸を入射光の偏光軸の最も近くに置くことである。補償素子角が４５°から外れる場合は、面外補償には、より小さな平均位相差値が好ましい。さらに、不整合な２層補償素子が反射型システムに組み込まれる場合は、最適な性能は、最大の位相差を備える層がパネルからそれて面しているときに得られる。そして、最小の位相差のフィルムは、反射型パネルに最も近くなる。
【００３１】
図１０−１１にさらに記載されるように、関連する補償方式は、透過型パネルに対して向けられてもよい。上述の補償素子の要素を反射型システムに対して用いると、これらの要素はＬＣパネルの鏡面まわりに展開可能であり、所定の場合―特に透過型ＬＣパネルがそのセル中心面（ｃｅｌｌ−ｃｅｎｔｅｒ  ｐｌａｎｅ）まわりに鏡面対称である場合―には同等な透過型システムが形成される。
【００３２】
図８は、例示としての３ｎｍ残留、Ｄｎ●ｄ＝２５０ｎｍ、垂直配向のＬＣＯＳパネルに対する、２つのクロスＡプレート補償素子の実施例の最適な平均位相差値をグラフとして示す。最適な平均位相差は、パネルの面外位相差成分を補償する結果として得られる。なお、１０ｎｍ以上の面内位相差に対しては、平均位相差は１／４波長値に近い。この図とこの特許明細書に記載された発明アプローチとを用いると、設計者は、補償素子１０２に対する最適な位相差値を選択することができる。
【００３３】
図９は、補償素子９００の構造図であり、本願に記載の要素の可能な構成を示す。補償素子９００を形成する積層スタック内の中心に配置されているのは、２重位相差フィルム積層９０２であり、２重位相差フィルム９０２はＡプレートおよびＣプレートまたはクロスＡプレートであってよい。２重位相差素子積層９０２をガラス端部キャップ９０６に取り付けるためには、接着剤９０４を用いることができる。さらに、ガラス端部キャップ９０６には、反射防止コーティング９０８を適用することができる。記載の構造のさらなる詳細は、本願が優先権を主張する仮出願、および本明細書において参考として組み入れられる「低弾性有機層を用いた高耐久性および高性能の偏光光学素子」という名称の公共所有の特許出願 にさらに記載されている。
【００３４】
図１０は、記載の反射型補償方式を透過型パネル１０４のいずれかの側面に用いることができる、展開された透過型の実施例を示す。具体的には、補償素子１００２、１００８を透過型パネル１０４のいずれかの側面に備えた、図７の２層補償素子が展開されて示される。このアプローチは、セル中心まわりに鏡面対称なパネル１０４に対して最適に作用する。パネルが非対称の場合は、１つ以上の補償素子１００２、１００８が、適用される面内軸まわりに傾斜される。各補償素子１００２、１００８の２層は、個々に延伸された層１００４、１００６、１０１０および１０１２によって表される。上述のように、この展開された補償素子は、図７の反射２層と同様に作用するが、光に対して２回（１回は入射して、および１回は反射して）作用する各補償素子層の代わりに、光がそれぞれの各層を１回透過するのみである点が異なる。
【００３５】
図１１は、図１１の展開されたシステムの出口に存在していた補償素子１００８が、前面の補償素子１００２と組み合わされて３層補償要素１１００を形成する実施例を示す。なお、このアプローチは、光が従前の４層を透過する順番を本質的に保持しているが、層１００６および１０１０は図１０の実施例と本質的に同一の層なので層１１０４として一緒にまとめられ、そのため、図１１の実施例の垂直位相差の２倍を有する。３層全てはパネル１０４に先行し、３層補償素子１１００を形成する。この補償素子１１１０の優れた性能は、図１２ａ−ｂに明確に示される。ここで、視野（ＦＯＶ）のプロットは、非補償のおよび補償の完全にホメオトロピックな透過型パネルに対して与えられる。
【００３６】
図１０−１１の透過型の解にさらに関連して、多くの場合、透過型パネルはそのセル中心面まわりに鏡面対称性を有しない。このため、反射型の解と同等な透過型の特性は存在しない。しかし、透過型のパイセル（ｐｉ−ｃｅｌｌｓ）は、このようにして補償され得る鏡面対称性を有する。
【００３７】
セル中心面まわりにほぼ対称なその他のＬＣパネルは、最小の残留面内オフ状態位相差を有するＬＣパネルである。この例は、基板垂線から非常に小さな予備傾斜角（例えば、＜２°）だけずれて垂直に配向されたＬＣモードであろう。別の例は、正味の投影面内位相差が非常に小さい場合のねじれて垂直に配向されたモードであろう。
【００３８】
こうした低残留の場合は、透過型パネルは事実上本質的にホメオトロピックであるが、対になった補償素子はともに、１つ以上の層からなって補償を行う単一の要素を形成するパネルの単一の側面に設けられる。２つの同等な２軸フィルムのようにして同等な層を組み合わせることによって単層を実現することができる。この場合、従来的な方法で、非常に低い面内位相差を備える整合２軸フィルム（事実上のＣプレート）を備える、低残留の事実上ホメオトロピックな透過型パネルＬＣを補償することができる。
【００３９】
図１０−１１の透過型の実施例をなおも参照すると、偏光子軸と検光子軸とを二分する層軸を備える、３層が直交に配向したＤｎ●ｄ／２ｘＤｎ●ｄ／Ｄｎ●ｄ補償素子を用いる別の実施例がさらに可能である。これは、上記の整合２層補償素子と同等であるが、低残留の展開された透過型システムに適用される。
【００４０】
顕著な予備傾斜を有する透過型パネルに対しては、展開ＬＣシステムとの同等性は失われる。しかし、第１に完全なホメオトロピック配向が想定される反射型の場合を展開することによって、および、第２にＬＣの傾斜に従って補償素子を傾斜させることによって、補償方式を得ることができる。例えば、単一のＣプレートを用いて、プレートの面外光軸をＬＣのそれに配向させるようにプレートを傾斜させることによって、傾斜透過型垂直配向ネマチックＬＣパネルを補償することができる。実際には、材料の界面における光線の偏向を考慮して、プレートの角度をＬＣディレクタに完全には整合しないようにする必要がある。
【００４１】
パイセルのような鏡面対称性を備える透過型パネルの有限の面内残留位相差を補償する場合においては、解を得ることができる。しかし、反射型の場合とは異なり、入力偏光と出力偏光とが同じになる場合に１つの解のみが存在する。傾斜された垂直配向のＬＣシステムの場合であれば、これは整合した４５°の解となる。しかし、偏光子と検光子とが物理的に分離されているので、透過型システムにおいて出力検光子を回転させることができる。したがって、出力偏光が直線であれば良好なコントラストが得られる。これは、式１および２で決定される解に対する条件と同じ条件である。したがって、出力検光子の回転が想定される面内補償に対しては、面内位相差がパネルの残留よりも大きい補償素子を用いることができる。、式１で用いられた表現に類似した表現を用いて、いずれかの所定の解に対する検光子角が得られる。
【００４２】
そのため、上述のように、展開された反射型システムと同等の透過型システムを用いて、平均位相差値によって、独立して視野補償に対処することができる。展開されたシステムはクロスＡプレート（または傾斜プレートを有しないその他のシステム）に対して非常に容易に適用できる一方で、設計技術によって上述の反射型アーキテクチャの多くに従う透過型システムを開発することができる。
【００４３】
本願の項目の見出しは、米国特許法施行規則第１．７７条（３７ＣＦＲ１．７７）において推奨された出願の各部に整合させるために与えられる。これらの見出しは、本願から発行されるいずれの特許請求項に規定される単数または複数の発明を限定したり、特徴づけたりするものではない。具体的におよび例としては、見出しは「発明の分野」を言及していても、請求項は、いわゆる発明の分野を記載するためにこの見出しのもとで選択された文言によって限定されるものではない。さらに、「背景」または「関連技術の説明」における技術の記載は、その技術が本願に対する先行技術であることを認めるものとして解釈されるものではない。「発明の概要」も、本願の請求項に規定される単数または複数の発明の特徴として解釈されるものではない。さらに、これらの見出しにおける単数形の「発明」の言及は、本願で請求される新規性が単一の点であることを主張するために用いられるものではない。多数の発明は、本特許明細書に関連する多数の請求項の限定によって規定され、したがって、請求項は、それによって保護される単数または複数の発明を画定する。全ての例において、特許請求の範囲は、本明細書に鑑みてその利点について考慮されるものであり、本願に含まれる見出しによって制限されるものではない。
【００４４】
本発明に係る現実化は、具体的な実施例に関連して記載されている。これらの実施例は、例示を意図したものであって、限定を意図したものではない。多くの変形例、修正例、追加例および改善例が可能である。よって、本明細書で単一の例として記載される要素に対して複数の例が与えられてよい。様々な要素および動作の境界は、具体的な構成に関連して示される。その他の機能の割り当てが想定されて、以下の請求の範囲内に含まれる。例示的な構成において別個の要素として示された構造および機能は、組み合わせられた構造または要素として実施してよい。これらおよびその他の変形例、修正例、追加例および改善例は、以下の請求項に規定される発明の範囲内に含まれてよい。
【００４５】
本明細書に記載される補償スタックは、固体結晶、延伸ポリマー、液晶ポリマーまたは別の材料のような、いずれの好適な材料から作られてよい。液晶ポリマーは、２重ホモジニアス配向、スプレイ配向（ホモジニアス／ホメオトロピック）またはいずれの好適な配向を有してよい。補償位相差スタックは、投影表示に対する色管理に関連して述べられるが、いくつかの用途において用いることができる。これはとりわけ、画像キャプチャまたは放射分析のための色分解、照明および近赤外線光通信を含む。
【００４６】
本発明のいくつかの実施例および本発明の利点が詳細に記載されてきたが、変更、代替、変換、修正、変形、並べ替えおよび改変が、添付の請求項に規定される本発明の教示、趣旨および発明の範囲から逸脱せずになされてよいことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１ａ】例示の補償素子およびＬＣパネルの配置の光学的ブロック図であり、ＬＣパネルに対する補償素子の相対的な配置および配向をバックグラウンド目的として示す。
【図１ｂ】例示の補償素子およびＬＣパネルの配置の光学的ブロック図であり、ＬＣパネルに対する補償素子の相対的な配置および配向をバックグラウンド目的として示す。
【図２】例示的な３ｎｍの残留垂直配向ＬＣＯＳパネルを補償するための、正味の面内位相差の関数としての最適な補償素子の光軸配向のグラフである。
【図３】分離されたＡプレート補償素子とＣプレート補償素子とを含む第１の実施例の補償素子を示す。
【図４】単一の２軸補償素子がＬＣパネルを補償するために用いられた第２の実施例の補償素子を示す。
【図５】２軸面外位相差の、様々な面内補償値に対する鈍感性を示すグラフである。
【図６】単一のＣプレートが傾斜されて面内補償を与えるさらなる実施例の補償素子を示す。
【図７】ＬＣ反射型パネルを補償するための２層補償素子の実施例を示す。
【図８】再び例示的な３ｎｍの残留垂直配向ＬＣＯＳパネルに対して、クロスＡプレート補償素子のための最適な平均位相差値を、面内位相差の関数として示す。
【図９】開示の製造方法によって構成された補償素子を示す。
【図１０】展開された２層補償透過型システムを示す。
【図１１】補償素子の対がパネルの一側面に配置され、および組み合わされて単一の補償素子になった２層反射型システムに基づく透過型システムを示す。
【図１２ａ】図１２ａ−ｂは、非補償の透過型ホメオトロピック配向ＬＣパネルの５５０ｎｍにおけるＦＯＶ、および図１１のアプローチを用いて補償されたそれをそれぞれ示す、例示的な視野図である。
【図１２ｂ】図１２ａ−ｂは、非補償の透過型ホメオトロピック配向ＬＣパネルの５５０ｎｍにおけるＦＯＶ、および図１１のアプローチを用いて補償されたそれをそれぞれ示す、例示的な視野図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【国際調査報告】
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