(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的に偏光した光を操作する装置であって、
第１の配向および第１のリターダンスを有し、前記少なくとも部分的に偏光した光を入力光として受け取り、前記入力光を事前に条件付けられた光に変換する第１のリターダと、
前記事前に条件付けられた光を受け取り、中間光を出力する変調器と、
第２の配向および第２のリターダンスを有し、前記中間光を受け取り、前記中間光を出力光に変換する第２のリターダとを含み、
前記事前に条件付けられた光は、第１のスペクトルが偏光の変調状態であり、第２のスペクトルが偏光の等方状態の光であって、
前記変調器は、第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切替状態では、前記偏光の変調状態である光を変調し、前記第２切替状態では、前記偏光の等方状態である光を実質的に変調しないままとする
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記少なくとも部分的に偏光した光が部分的に直線偏光していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の配向が前記偏光方向に対してほぼ角αをなし、かつ前記第２の配向が前記偏光方向に対してほぼ角９０度±αをなすことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも部分的に偏光した光は少なくとも部分的に円偏光していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記変調器が電気光学変調器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電気光学変調器が液晶装置を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記電気光学変調器が、ねじれネマチック（ＴＮ）材料、スーパーねじれネマチック（ＳＴＮ）材料、電気的に制御される複屈折（ＥＣＢ）材料、およびハイブリッド電界効果（ＨＦＥ）材料の１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記電気光学変調器が表面モードデバイスを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記電気光学変調器がπセルデバイス、ゼロねじれモードデバイス、ハイブリッドモード効果デバイス、およびポリマー分散液晶デバイスのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記変調器が磁気光学変調器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記変調器が反射型変調器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記変調器が透過型変調器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記変調器が位相マスク型変調器を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２のスペクトルが前記第１のスペクトルの相補スペクトルであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１のリターダンスと前記第２のリターダンスが異なることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の配向が前記第２の配向に対してほぼ直角であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の配向が所与の方向に対してある角αで構成され、かつ前記第２の配向がその所与の方向に対してある角またはほぼ角９０度±αで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
入力光を受け取り、前記入力光を偏光の変調状態である第１のスペクトルおよび偏光の等方状態である第２のスペクトルを含む事前に条件付けられた光に変換する第１のリターダスタックと、
前記事前に条件付けられた光を受け取り、中間光を出力する変調器と、
前記中間光を受け取り、前記中間光を出力光に変換する第２のリターダスタックとを含み、
前記変調器は、第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切替状態では、前記偏光の変調状態である光を変調し、前記第２切替状態では、前記偏光の等方状態である光を実質的に変調しないままとする
ように構成されたことを特徴とする装置。
【請求項１９】
前記第１リターダスタックが、
前記入力光に対する第１リターダンスおよび第１配向を有する、前記入力光を受け、最初に変換された光を出力する第１リターダと、
前記入力光に対する第２リターダンスおよび第１配向とは異なる第２配向を有する、前記の最初に変換された光を受け、前記事前に条件付けられた光を出力する第２リターダとを含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２リターダスタックが、
前記入力光に対する第３リターダンスおよび第３配向を有する、前記中間光を受け、最初に変換された光を出力する第３リターダと、
前記入力光に対する第４リターダンスおよび第３配向とは異なる第４配向を有する、前記の最初に変換された光を受け、前記出力光を出力する第４リターダとを含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１スペクトルおよび前記第２スペクトルが互いの相補スペクトルであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１スペクトルが第１偏光を有し、前記第２スペクトルが第２偏光を有し、前記第１リターダスタックおよび前記第２リターダスタックが、第１スペクトルの偏光および第２スペクトルの偏光が等しくならないように配列されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
光の偏光状態を修正する偏光マニピュレータであって、
第１の複数の配向αNおよび第１の複数のリターダンスΓNをそれぞれ有する、光の偏光状態を操作して事前に条件付けられた光を生み出す第１の複数のリターダと、
前記事前に条件付けられた光を受け、中間光を出力する偏光変調装置と、
第２の複数の配向α’Nおよび第２の複数のリターダンスΓ’Nをそれぞれ有する、中間光の偏光状態を受けてこれを操作し、色選択のための修正された偏光状態を有する修正出力光を出力する第２の複数のリターダと
を含み、
前記事前に条件付けられた光は、第１のスペクトルが偏光の変調状態であり、第２のスペクトルが偏光の等方状態の光であって、
前記偏光変調装置は、第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切替状態では、前記偏光の変調状態を有する光を変調し、前記第２切替状態では、前記偏光の等方状態である光を実質的に変調しないままとする
ことを特徴とする偏光マニピュレータ。
【請求項２４】
色選択のための修正された偏光状態を有する前記光を受ける検光子をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の偏光マニピュレータ。
【請求項２５】
α’N＝９０±αNであることを特徴とする請求項２３に記載の偏光マニピュレータ。
【請求項２６】
少なくとも部分的に偏光された光とともに使用するためのスペクトルフィルタであって、
第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切替状態では、偏光の変調状態を有する光を変調し、前記第２切替状態では、前記偏光の等方状態である光を実質的に変調しないままとする変調器と、
リターダンスおよび配向が、第１スペクトルが前記偏光の変調状態で透過し、第２の相補スペクトルが前記偏光の等方状態で透過するようになっている複数個であるＮ個のリターダを含む、前記変調器の第１側に位置決めされた第１リターダスタックと、
リターダンスおよび配向が、前記第１切替状態で前記第１および第２のスペクトルが偏光の直交状態で透過するようになっているＮ個のリターダを含む、前記第１リターダスタックと反対側の、前記変調器の第２側に位置決めされた第２リターダスタックと
をそれぞれ含むことを特徴とする、１つまたは複数の白色／ろ波段を直列に含むスペクトルフィルタ。
【請求項２７】
前記第２リターダスタック中の前記リターダのリターダンスおよび配向は、前記第２切替状態において前記第１および第２のスペクトルが同じ偏光の状態で透過するようになっていることを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項２８】
前記段と直列に検光偏光子をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項２９】
前記検光偏光子が直線偏光子であることを特徴とする請求項２８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３０】
前記直線偏光子が、４分の１波長リターダと組み合わせた円偏光子を含むことを特徴とする請求項２９に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３１】
前記検光偏光子が円偏光子であることを特徴とする請求項２８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３２】
前記変調器が電気光学変調器であり、一定の配向および第１リターダンスと第２リターダンスの間で切替可能なリターダンスを有するリターダを含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３３】
前記配向が０°であり、前記第１リターダンスが１つのゼロリターダンスであり、前記第２リターダンスが１つの半波長リターダンスであることを特徴とする請求項３２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３４】
前記リターダンスが前記の第１リターダンスと第２リターダンスの間で連続的に変化することができることを特徴とする請求項３２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３５】
前記リターダがネマチック液晶リターダを含むことを特徴とする請求項３２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３６】
前記変調器が、ねじれネマチックリターダ、スーパーねじれネマチックリターダ、電気的に制御される復屈折リターダ、ハイブリッド電界効果リターダ、表面モードリターダ、πセルリターダ、ゼロねじれモードリターダ、ハイブリッドモードリターダ、ポリマー分散液晶リターダからなるグループから選択されたリターダを含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３７】
前記変調器が、一定のリターダンスおよび第１配向と第２配向の間で切替可能な配向を有するリターダを含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３８】
前記配向が前記の第１値と第２値の間で連続的に回転可能であることを特徴とする請求項３７に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項３９】
前記変調器が、前記リターダの両側に位置決めされた第１および第２の４分の１波長リターダをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４０】
前記変調器が、キラルスメクチックリターダ、強誘電性リターダ、ＳｍＣ*リターダ、表面安定化ＳｍＣ*リターダ、体積安定化ＳｍＣ*リターダ、バイナリＳｍＣ*リターダ、アナログＳｍＣ*リターダ、ＳｍＡ*リターダ、ひずみヘリックス強誘電性リターダ、反強誘電性リターダ、フレキソエレクトリックリターダ、アキラル強誘電性液晶リターダからなるグループから選択したリターダを含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４１】
前記変調器が複合リターダを含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４２】
前記複合リターダがアクロマチック複合リターダであることを特徴とする請求項４１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４３】
前記複合リターダが、液晶リターダおよび受動リターダを含むことを特徴とする請求項４１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４４】
前記変調器のある設計波長が前記第１スペクトルの範囲内であることを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４５】
前記第２リターダスタック中の前記リターダのリターダンスおよび配向が、前記変調器が前記第２切替状態のときに、前記スペクトルフィルタが前記第１スペクトル及び前記第２スペクトルを共に透過するまたは阻止する、ようになっていることを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４６】
前記第１リターダスタック中の前記リターダがリターダンスΓ1、Γ2...ΓN、および配向α1、α2...αN、を有し、前記第２リターダスタック中の前記リターダがリターダンスΓN...Γ2、Γ1、および配向９０＋αN...９０＋α2、９０＋α1を有することを特徴とする請求項４５に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４７】
前記第２リターダスタック中の前記リターダのリターダンスおよび配向が、前記変調器が前記第２切替状態のときに、前記スペクトルフィルタがろ波された第１スペクトルを出力する、ようになっていることを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４８】
前記第１リターダスタック中の前記リターダがリターダンスΓ1、Γ2...ΓN、および配向α1、α2...αNを有し、前記第２リターダスタック中の前記リターダがリターダンスΓN．．.Γ2、Γ1、および配向９０−αN...９０−α2、９０−α1を有することを特徴とする請求項４７に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項４９】
前記第１スペクトルが加法混色の原色のスペクトルであり、前記第２スペクトルが減法混色の原色のスペクトルであることを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５０】
前記第１スペクトルが減法混色の原色のスペクトルであり、前記第２スペクトルが加法混色の原色のスペクトルであることを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５１】
前記フィルタが第１および第２の段を有することを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５２】
前記フィルタが、第１、第２、および第３の段を有することを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５３】
前記第１段の第１および第２のスペクトル、前記第２段の第１および第２のスペクトル、ならびに前記第３段の第１および第２のスペクトルが、第１原色スペクトル、第２原色スペクトル、および第３原色スペクトルの間でフィルタの出力を切り替えることができるようになっていることを特徴とする請求項５２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５４】
前記第１、第２、および第３の原色スペクトルが加法混色の原色のスペクトルであることを特徴とする請求項５３に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５５】
前記フィルタの出力がさらに白に切替可能であることを特徴とする請求項５３に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５６】
入力偏光子および検光偏光子をさらに含むが、前記段間に内部偏光子は含まないことを特徴とする請求項５２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５７】
入力偏光子と、検光偏光子と、前記の第１段と第２段の間の第１内部偏光子と、前記の第２段と第３段の間の第２内部偏光子とをさらに含むことを特徴とする請求項５２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項５８】
請求項２６に記載のスペクトルフィルタを複数含むことを特徴とするマルチピクセルフィルタ。
【請求項５９】
前記マルチピクセルフィルタを含むことを特徴とする請求項５８に記載のスチールカメラ。
【請求項６０】
前記マルチピクセルフィルタを含むことを特徴とする請求項５８に記載のビデオカメラ。
【請求項６１】
請求項５８に記載のマルチピクセルフィルタを含み、さらに光源も含むことを特徴とするディスプレイ。
【請求項６２】
前記ディスプレイが投写型ディスプレイであることを特徴とする請求項６１に記載のディスプレイ。
【請求項６３】
前記ディスプレイが直視式ディスプレイであることを特徴とする請求項６１に記載のディスプレイ。
【請求項６４】
光学アドレッシング信号とともに使用されるように適合され、前記フィルタに結合された光検出器をさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項６５】
白色光とろ波光の間で切替可能な光を獲得する方法であって、
請求項２６に記載のフィルタにおける前記変調器の、前記第１切替状態と前記第２切替状態を切り替えるステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項６６】
前記切り替えるステップは、アナログ切替であることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
赤色、緑色、および青色フィルタリングを実現する方法であって、
３つの白色／ろ波段を直列に含む、少なくとも部分的に光を偏光するフィルタを用意し、
各段は、
第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切換状態において偏光の変調状態を有する光を変調し、前記第２切換状態において偏光の等方状態を有する光は実質的に変調されないままとする変調器と、
リターダのリターダンスおよび配向が、第１スペクトルが前記偏光の変調状態で透過し、第２の相補スペクトルが前記偏光の等方状態で透過するようになっている複数個であるＮ個のリターダを含む、前記変調器の第１側に位置決めされた第１リターダスタックと、
リターダのリターダンスおよび配向が、前記第１切替状態で前記第１および第２のスペクトルが偏光の直交状態で透過するようになっている複数個であるＮ個のリターダを含む、前記第１のリターダスタックと反対側の、前記変調器の第２側に位置決めされた第２リターダスタックと、
をそれぞれ含み、
前記３つの白色／ろ波段の、それぞれの前記変調器の前記第１切替状態と前記第２切替状態を切り替えるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６８】
偏光された光とともに使用するためのスペクトルフィルタであって、
第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切換状態において偏光の変調状態を有する光を変調し、前記第２切換状態において偏光の等方状態を有する光は実質的に変調されないままとする偏光変調器と、
リターダンスΓ1、Γ2...ΓN、および配向α1、α2...αNを有する複数個であるＮ個のリターダを含む、前記変調器の第１側に位置決めされた第１リターダスタックと、
リターダンスΓN...Γ2、Γ1、および配向９０＋αN...９０＋α2、９０＋α1を有するＮ個のリターダを含む、前記第１のリターダスタックと反対側の前記変調器の第２側に位置決めされた第２リターダスタックと
をそれぞれ含むことを特徴とする、１つまたは複数の白色／ろ波段を直列に含むスペクトルフィルタ。
【請求項６９】
Ｎ＝２、かつΓ1＝Γ2であることを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７０】
Ｎ＝２、かつΓ1＝２Γ2であることを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７１】
Ｎ＝２、かつΓ2＝２Γ1であることを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７２】
前記リターダのリターダンスおよび配向がファンSolc設計に従うことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７３】
αN＝（２Ｎ−１）α1であることを特徴とする請求項７２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７４】
Ｎ＝１、かつα1≒２２°であることを特徴とする請求項７３に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７５】
Ｎ＝２、Γ1＝Γ2、かつα1≒１１°であることを特徴とする請求項７３に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７６】
Ｎ＝２、Γ1＝２Γ2、かつα1≒１５°であることを特徴とする請求項７２に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７７】
前記リターダのリターダンスおよび配向が疑似折り畳みSolc設計に従うことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７８】
αN＝（−１）N+1α1であることを特徴とする請求項７７に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項７９】
Ｎ＝２、Γ1＝Γ2、かつα1≒１１°であることを特徴とする請求項７８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８０】
前記リターダのリターダンスおよび配向がスプリットエレメント設計に従うことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８１】
Ｎ＝１、かつα1＝４５°である、ことを特徴とする請求項８０に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８２】
前記第１リターダスタックと前記偏光変調器の間に位置決めされた、αC＝０°に配向され、Γ1＝ΓC＋π／２となるリターダンスΓCを有する中央リターダをさらに含むことを特徴とする請求項８１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８３】
Ｎ＝２、α1＝４５°、α2＝０°、かつΓ1＝２Γ2＋π／２であることを特徴とする請求項８０に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８４】
前記第２リターダスタック中の前記リターダが、配向９０＋αN...９０＋α2、９０＋α1を有することを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８５】
前記第２リターダスタック中の前記リターダが、配向９０−αN...９０−α2、９０−α1を有することを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８６】
前記段と直列に検光偏光子をさらに含むことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８７】
前記段と直列に入力偏光子をさらに含むことを特徴とする請求項８６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８８】
前記検光偏光子が中性直線偏光子であることを特徴とする請求項８６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項８９】
前記中性直線偏光子が、４分の１波長リターダと組み合わせた円偏光子を含むことを特徴とする請求項８８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９０】
前記偏光子が円偏光子であることを特徴とする請求項８６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９１】
前記偏光変調器が、一定の配向および第１リターダンスと第２リターダンスの間で切替可能なリターダンスを有する電気光学リターダを含むことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９２】
前記配向が０°であり、前記第１リターダンスが１つのゼロリターダンスであり、前記第２リターダンスが１つの半波長リターダンスであることを特徴とする請求項９１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９３】
前記リターダンスが前記の第１リターダンスと第２リターダンスの間で連続的に変化することができることを特徴とする請求項９１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９４】
前記電気光学リターダがネマチック液晶リターダを含むことを特徴とする請求項９１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９５】
前記偏光変調器が、一定のリターダンス、および第１配向と第２配向の間で切替可能な配向を有する液晶リターダを含むことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９６】
前記一定のリターダンスが半波長リターダンスであることを特徴とする請求項９５に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９７】
前記配向が前記の第１配向と第２配向の間で連続的に回転可能であることを特徴とする請求項９５に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９８】
前記偏光変調器が、前記液晶リターダの両側に位置決めされた第１および第２の４分の１波長リターダをさらに含むことを特徴とする請求項９６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項９９】
前記偏光変調器が複合リターダを含むことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１００】
前記複合リターダが液晶リターダおよび受動リターダを含むことを特徴とする請求項９９に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０１】
Ｎ、Γ1、Γ2...ΓN、およびα1、α2...αNが、第１スペクトルが偏光の第１状態で透過し、第２の相補スペクトルが偏光の直交状態で透過するようになっていることを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０２】
前記偏光変調器のある設計波長が前記第１スペクトルの範囲内である、ことを特徴とする請求項１０１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０３】
前記第１スペクトルが加法混色の原色のスペクトルであり、前記第２スペクトルが減法混色の原色のスペクトルであることを特徴とする請求項１０１に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０４】
前記フィルタが少なくとも２つの段を含むことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０５】
前記フィルタが少なくとも３つの段を含むことを特徴とする請求項６８に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０６】
各段ごとのＮ、Γ1、Γ2...ΓN、およびα1、α2...αNが、第１原色スペクトル、第２原色スペクトル、および第３原色スペクトルの間でフィルタの出力が切替可能となるようになっていることを特徴とする請求項１０４に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０７】
前記第１、第２、および第３の原色スペクトルが加法混色の原色のスペクトルであることを特徴とする請求項１０６に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０８】
前記フィルタ出力がさらに白に切替可能であることを特徴とする請求項１０７に記載のスペクトルフィルタ。
【請求項１０９】
少なくとも部分的に偏光された光を変調器に入力するために事前に条件付けるリターダスタックであって、前記変調器は第１切替状態と第２切替状態の間で切替可能であって、前記第１切換状態において偏光の変調状態を有する光を変調し、前記第２切換状態において偏光の等方状態を有する光は実質的に変調されないままとするものであって、前記リターダスタックは、
前記の少なくとも部分的に偏光された光に対する第１リターダンスおよび第１配向を有する、前記の部分的に偏光された光を受け、最初に変換された光を出力する第１リターダと、
前記の少なくとも部分的に偏光された光に対する第２リターダンスおよび第２配向を有する、前記の最初に変換された光を受け、前記事前に条件付けられた光を出力する第２リターダとを含み、
前記第１および第２の配向ならびに第１および第２のリターダンスが、前記事前に条件付けられた光の第１のスペクトルが偏光の前記変調状態であり、前記事前に条件付けられた光の第２のスペクトルが偏光の前記等方状態であるように選択されることを特徴とするリターダスタック。
【請求項１１０】
前記第１リターダおよび前記第２リターダが、出力光の第１部分が第１偏光を有し、出力光の前記第２部分が第２偏光を有し、前記第１および第２の偏光が等しくならないように配列されることを特徴とする請求項１０９に記載のリターダスタック。
【請求項１１１】
前記第１リターダおよび前記第２リターダが、出力光の第１部分が第１偏光を有し、出力光の前記第２部分が第２偏光を有し、前記第１および第２の偏光が直交しないように配列されることを特徴とする請求項１０９に記載のリターダスタック。
【請求項１１２】
前記第１リターダおよび前記第２リターダが、出力光の第１部分が第１偏光を有し、出力光の前記第２部分が第２偏光を有し、前記第１および第２の偏光が直交するように配列されることを特徴とする請求項１０９に記載のリターダスタック。
【請求項１１３】
前記第１リターダおよび前記第２リターダが、出力光の第１部分が第１偏光を有し、出力光の前記第２部分が第２偏光を有し、前記第１および第２の偏光が検光子を用いて分離可能であるように配列されることを特徴とする請求項１０９に記載のリターダスタック。
【請求項１１４】
前記の少なくとも部分的に偏光された光が可視光を含むことを特徴とする請求項１０９に記載のリターダスタック。
【請求項１１５】
前記の少なくとも部分的に偏光された光が不可視光を含むことを特徴とする請求項１０９に記載のリターダスタック。
【請求項１１６】
少なくとも部分的に偏光された光を操作する装置であって、
前記少なくとも部分的に偏光された光に対するリターダンスおよび配向を有する、前記少なくとも部分的に偏光された光を受け、第１スペクトルおよび第２スペクトルを含む事前に条件付けられた光を出力するリターダと、
前記事前に条件付けられた光を受け、変調された出力光を出力し、第１切替状態と第２切替状態の間で切り替え可能な変調器と
を含み、
前記事前に条件付けられた光の前記第１のスペクトルが偏光の変調状態であり、前記事前に条件付けられた光の前記第２のスペクトルが偏光の等方状態の光であって、
前記変調器が前記第１切換状態において偏光の変調状態を有する光を変調し、前記第２切換状態において偏光の等方状態を有する光は実質的に変調されないままとするように、前記リターダおよび変調器が配列されたことを特徴とする装置。
【請求項１１７】
前記第１スペクトルが第１偏光を有し、前記第２スペクトルが第２偏光を有し、前記第１および第２の偏光が異なるように、前記変調器およびリターダが配列され、前記リターダの前記の配向およびリターダンスが選択されることを特徴とする請求項１１６に記載の装置。
【請求項１１８】
前記第１および第２の偏光が直線偏光であることを特徴とする請求項１１７に記載の装置。
【請求項１１９】
前記第１および第２の偏光が楕円偏光であることを特徴とする請求項１１７に記載の装置。
【請求項１２０】
前記第１および第２の偏光が円偏光であることを特徴とする請求項１１７に記載の装置。
【請求項１２１】
前記第１および第２の偏光が等しくない、または直角でないことを特徴とする請求項１１７に記載の装置。
【請求項１２２】
前記変調器はアクロマティックである請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
関連事例
その内容が全体として参照により本発明の一部となる１９９５年５月２３日出願の米国特許出願第０８／４４７５２２号および１９９６年５月１４日出願の米国特許出願第０８／６４５５８０号。
他の関連事例
その内容が全体として参照により本発明の一部となる発明者Gary D. SharpおよびKristina M. Johnson、１９９７年５月９日出願の「COLOR SELECTIVE LIGHT MODULARTORS」（色選択性光変調器）、発明者Gary D. SharpおよびKristina M. Johnson、１９９７年５月９日出願の「OPTICAL RETARDER STACK」（光学的リターダスタック）、発明者Gary D. SharpおよびKristina M. Johnson、１９９７年５月出願の「A POLARIZATION MANIPULATING DEVICE」（偏光操作装置）、および発明者Gary D. SharpおよびKristina M. Johnson、１９９７年５月９日出願の「A RETARDER STACK FOR PREDCONDITIONING LIGHT FOR MODULATION」（変調用光前処理用リターダスタック）。
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、色選択性偏光変調、および減色システムを有するフィルタにおけるそのフィルタを使用する方法、およびカラーフィルタを使用するカメラおよびディスプレイなどのデバイスに関する。
２．関連技術の背景
カラーディスプレイは、一般に赤、緑、青の加法混色の原色（additive primary colors）の空間的または時間多重化によって与えられる。空間多重化ディスプレイでは、各カラーピクセルは、各原色ごとに１つずつ３つのサブピクセルに分割される。ピクセルは、色が空間的に単一のフルカラー画像に統合される目からの観測距離と比較して十分に小さいことが理想的である。各ピクセルを分割する結果として、ディスプレイの空間的解像度は少なくとも３分の１に低下する。時間多重化では、色は原色間で連続的に切り替えられ、切替速度が十分に速い場合、目は３つの画像を時間的に統合して、単一のフルカラー画像を形成する。どちらの場合も、カラーフィルタは一般に、各色の強度を変調するためにカラーフィルタと空間的に整合し、かつ時間的に同期するグレースケールを生成できるバイナリまたはディスプレイと直列に結合される。空間多重化で白を表示するために、３つのすべてのサブピクセルは１つの原色を同時に透過する。時間多重化では、３つの原色は連続的に透過される。いずれにせよ、せいぜい入力強度の３分の１しか表示できない。
減色ディスプレイでは、色は３つのモノクロディスプレイをスタック化（積み重ね）することによって製造される（例えば、Plummer、Ｕ．Ｓ．Ｐ．Ｎ．４４１６５１４およびConner他、Ｕ．Ｓ．Ｐ．Ｎ．５１２４８１８）。偏光成分は、各パネルが加法混色の原色の透過を理想的に独立して制御するように、各ディスプレイパネル間に配置される。減色ディスプレイは、すべてのピクセルが３色ピクセルであり、またディスプレイが空間的または時間多重化に関連する原理上スループット損失を受けないという利点を有する。しかしながら、今までの実施形態は一般に、各色を完全に独立して変調できない。さらに、それらは、各ディスプレイパネル間の唯一の色選択性偏光成分として多色染料偏光子を使用した。不十分な色定数、高い挿入損失、および狭い遷移勾配を含めて、多色染料偏光子の不十分な性能のために、減色ディスプレイの利点は今までに実現されていない。
上記のリファレンスは、追加または代替の詳細、特徴および／または技術的背景の適切な教示に適切な場合、参照により本発明の一部となる。
発明の概要
本発明は、色選択性偏光変調器および高輝度カラーフィルタまたはディスプレイシステムを提供する。色分離は、急峻な遷移勾配とともに、透過と消光との高い色コントラストを与えるほぼ無損失のリターダフィルムにより達成される。各フィルタ段は、補色を変調することなくある色の透過（反射）を変化させる色選択性光バルブである。ある段は、白（または黒）の透過と、ろ波されたスペクトルの透過との間で切り替わることができる。２つまたはそれ以上の段が直列に使用され、各段は原色の透過を独立して制御する。好ましい実施形態では、各段は各ピクセルで原色のアナログ強度対照を制御でき、したがって外部グレースケールピクセル化ディスプレイは不要である。１つの好ましい実施形態では各段間の内部偏光子が不要であり、したがって入力偏光手段および出力偏光手段のみを有するフルカラーディスプレイが得られる。色選択性偏光変調器は、例えば、変調偏光状態および等方偏光状態を有する電気光学または磁気光学変調器、および１つまたは複数のリターダを含むリターダスタックでよい。偏光の変調状態は、偏光の透過状態が変調器に印加された電圧に依存する入力偏光である。偏光の等方状態は、偏光の透過状態が変調器に印加された電圧と実質上無関係である入力偏光である。リターダスタックは、第１のスペクトルが変調器の変調状態に入り、かつ第２の相補スペクトルが等方状態に入るように光を色的に事前に条件付ける。変調器はそれにより第１のスペクトルの偏光状態を変調するが、相補スペクトルの偏光を実質上未変調にしておく。好ましい実施形態では、スペクトルは加法混色の原色および減法混色の原色（subtractive primary colors）である。
フィルタは、色選択性偏光変調器を偏光検光子（polarization analyzer）と結合することによって形成される。偏光検光子は、中性偏光子と結合した第２のリターダスタックであるか、または直線または円色偏光フィルタなど色選択性偏光子でよい。その例は、それぞれ多色染料偏光子、およびコレステリック液晶、およびコレステリック液晶ポリマーである。
偏光検光子が中性偏光子と結合した第２のリターダスタックである場合、第２のリターダスタックは、リターダンスのシーケンスが同じであるが、順序が逆である第１のリターダスタックを反響させる。第２のスタックの配向も第１のスタックに対して回転する。その結果、変調器の１つの切替状態では、第２のスタックは第１のスタックと交差し、第１のスタックによって生じた偏光変換を元に戻し、平行入力および出力偏光手段に対して、白色光を透過するように見える。交差した偏光子の場合、透過光は黒である。第２の切替状態では、２つのスタックは、第２のリターダスタックが第１のスタックによって開始された変換を完了し、かつ第１および第２のスペクトルを直角に偏光するユニットのように見える。この状態で、フィルタはろ波されたスペクトルを透過する。
２スタックフィルタでは、偏光子およびスタックは、フィルタが通常白、すべての変調器がない場合白になるか、または通常ろ波されるように配向することができる。前者の場合、変調器の動作はろ波された出力を生成し、後者は変調器を使用して白状態を生成する。いずれにせよ、変調器に印加された電圧は、複合スタックの「存在」、すなわち２つのスタックが相殺するのではなく協働する範囲を制御する。変調器はアナログ変調が可能な場合、複合スタックの電圧制御存在もアナログである。電圧のアナログ制御はろ波されたスペクトルの可変スループットを生成する。
各リターダスタックは１つまたは複数のリターダを有する。２つのスタックが１つの切替状態で互いに相殺するためには、リターダの第１のスタックがリターダンスΓ1、Γ2．．．ΓNおよび配向α1、α2．．．αNを有する場合、第２のリターダスタックはリターダンスΓN．．．Γ2、Γ1および配向９０±αN．．．９０±α2、９０±α1を有する。平行な偏光子の場合、フィルタは、第２のスタックリターダが９０＋αNで配向するときは通常白であり、第２のスタックリターダが９０−αNで配向するときは通常ろ波される。
適切な２スタック設計は、リターダの数Ｎを選択し、ΓNおよびαNの一連の値を通り、第２のスタックを定義するためにリターダ配向の上述のルールを適用し、ろ波されたスペクトルの透過率を計算し、所望のスペクトル、一般に加法混色の原色および減法混色の原色のスペクトルを生成するフィルタ設計を選択することによって生成できる。あるいは、白／ろ波構造に適するいくつかの部類のフィルタ設計が使用できる。特に、ファンおよび折り畳みSolcフィルタをスプリットエレメントフィルタのように配向要件に適合するように改変できる。
リターダスタックの他に、例えば偏光子と偏光子タイプの間の適合性問題を解決するために、追加の偏光変換要素を入口偏光子と出口偏光子の間に入れることができる。偏光源の場合、入力偏光子は不要である。内部偏光子を有しない実施形態では、フィルタは、入口および出口偏光子用の偏光セパレータ／コンバイナを有する偏光ダイバーシティ構成で動作できる。フィルタはまた反射モード設計を使用できる。
ハイブリッドフィルタは、他の能動または受動フィルタとともに本発明のフィルタを使用して作成できる。本発明のカラーフィルタは、ＵＶ、ＩＲまたは他の光帯域を阻止するリターダベースのノッチフィルタや二色性フィルタなど受動フィルタと結合できる。本発明のカラーフィルタは、偏光干渉フィルタや切替偏光子フィルタなど他の能動フィルタとともに使用できる。
本発明のスペクトルフィルタはカラーフィルタとして可視スペクトル中で特に有用である。本発明のスペクトルフィルタはまた、分光法、分光測定法暗視フィルタリング、または波長分割多重用途で他の波長帯域中で使用するために製造できる。本発明のカラーフィルタは多数の用途、特にカラー画像の記録および表示の領域で使用できる。本発明のカラーフィルタは、マルチピクセルアレイに構成でき、空間的または時間的に多重化でき、また光学的にアドレス指定できる。
本発明の追加の利点、目的および特徴は、一部は以下の説明に記載し、一部は下記を検討すれば当業者に明らかになるか、または本発明の実施から知れるであろう。本発明の目的および利点は下記の請求の範囲に詳細に指摘されるように実現され、達成される。
【図面の簡単な説明】
本発明について、以下の図面を参照しながら説明する。図面中、同じ参照番号は同じ要素を示す。
図１は、偏光検光子とともに色選択性偏光変調器を使用したフィルタを示す図である。
偏光子４０は、一方の偏光状態が生じ、他の偏光状態が生じないホログラムであるホログラフィック偏光子でよい。ホログラフィック偏光子は、第１の偏光状態の光を偏向させ、他の偏光状態の光を偏向させない。偏光子４０はEM Industries製のTransmax偏光子でもよい。
図２ａおよび図２ｂからなる図２は、偏光検光子が中性偏光子と結合したリターダスタックを示し、（ａ）変調器の第１の切替状態で白を、（ｂ）第２の切替状態でろ波されたスペクトルを透過するフィルタを示す図である。
図３ａおよび図３ｂからなる図３は、偏光検光子が直線色偏光フィルタを示し、（ａ）変調器の第１の切替状態で白を、（ｂ）第２の切替状態で黄を透過するフィルタを示す図である。
図４ａおよび図４ｂからなる図４は、偏光検光子がコレステリック液晶であり、（ａ）変調器の第１の切替状態で白を、（ｂ）第２の切替状態で黄を透過するフィルタを示す図である。
図５は図２に示すフィルタの通常白の実施形態を示す図である。
図６は図２のフィルタの通常ろ波状態の実施形態を示す図である。
図７ａ〜図７ｄからなる図７は、合計（ａ）２つのリターダおよび（ｂ〜ｄ）４つのリターダを有するフィルタを示す図である。
図８はＧ／Ｗフィルタの測定透過率を示す図である。
図９はＷ／Ｃフィルタの測定透過率を示す図である。
図１０はＷ／Ｍフィルタの測定透過率を示す図である。
図１１はＷ／Ｙフィルタの測定透過率を示す図である。
図１２は、方位角０°に対しての入射角の関数として図１０のＷ／Ｍフィルタの測定透過率を示す図である。
図１３は、方位角９０°に対しての入射角の関数として図１０のＷ／Ｍフィルタの測定透過率を示す図である。
図１４は、ＬＣＤに印加されたｒｍｓ電圧の関数として図１０のＷ／Ｍフィルタの測定透過率を示す図である。
図１５は白／シアンフィルタ段の連続変調を示す図である。
図１６は白／マゼンダフィルタ段の連続変調を示す図である。
図１７は白／黄フィルタ段の連続変調を示す図である。
図１８はマゼンダ／白フィルタ段の極限切替状態を示す図である。
図１９は段間に偏光子を有する多重段フィルタを示す図である。
図２０は内部偏光子を有しない青、緑および赤の変調段から構成されるフィルタを示す図である。
図２１は特定の３段フィルタデザインを示す図である。
図２２は、図２１のフィルタの（ａ）赤出力、（ｂ）緑出力および（ｃ）青出力を示す図である。
図２３は、図２１のフィルタの（ａ）シアン出力、（ｂ）黄出力および（ｃ）マゼンダ出力を示す図である。
図２４は、図２１のフィルタの白、黒およびグレースケール出力を示す図である。
図２５は、図２５ａ〜図２５ｃからなり、（ａ）３段フィルタの赤、緑および青透過スペクトル、および（ｂ）段間の偏光子を使用して達成された暗状態および（ｃ）内部偏光子を使用せずに達成された暗状態を示す図である。
図２６は偏光独立多段フィルタを示す図である。
図２７は入れ子偏光スタックを有するフィルタを示す図である。
図２８は偏光検光子用のコレステリック液晶を使用した３段フィルタを示す図である。
図２９は、第１および第２の配向ならびに第１および第２のリターダンスを有する第１および第２のリターダを含むスタックを示す図である。
図３０ａおよび図３０ｂからなる図３０は、図２９のスタックに対応するスタックへの部分偏光入力の２つの一般的な例を示す図である。
図３１ａおよび図３１ｂからなる図３１は偏光子を追加したスタックを示す図である。
図３２ａおよび図３２ｂからなる図３２は、部分偏光を操作し、合成変調器出力光を出力するデバイスを示す図である。
図３３ａは少なくとも部分的に偏光した光を操作するデバイスを示す図であり、図３３ｂは、部分的に偏光した光が楕円偏光した場合の図３３ａに対応する図である。
図３４は従来技術の減色カラーフィルタを示す図である。
図３５ａおよび図３５ｂからなる図３５は、ねじれネマチック電気光学変調器を有するフィルタを示す図である。
図３６は図３５のフィルタを使用した３段フィルタを示す図である。
図３７は、第３の原色に充てられた第２の段とともに２つの原色を時間的に多重化する第１の段を使用したインラインフィルタを示す図である。
図３８は受動プリフィルタリングデバイスの一例を示す図であり、各ボックスはボックスの底部に示される角度で配向したリターダを示す。
図３９はこのフィルタ上に入射した可視光の透過率を示す図である。
図４０は、例えば図１に示される上記の色選択性偏光変調器を使用したダイレクトビュー（直視）ディスプレイを示す図である。
図４１は、例えば図１に示される上記の色選択性偏光変調器を組み込んだリード実装ディスプレイシステムを示す図である。
図４２は、例えば図１に示される上記の色選択性偏光変調器を使用した２光バルブシステムを示す図である。
図４３は、本発明による２色シャッタディスプレイシステムの概略図である。
図４４は、オーバヘッドプロジェクタ用のシャッタシステムの使用を示す図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の色選択性偏光変調器を図１に示す。偏光変調器６０はリターダスタック２０とともに変調器１０によって形成される。偏光変調器は偏光入力光を使用し、この場合偏光Ｐ0は偏光子４０によって与えられる。偏光変調器は偏光検光子７０と結合してフィルタを形成することができる。
図１に示すように、入射白色光はスペクトルＦを有する光と相補（補色）スペクトルＦ（−）を有する光とが結合したものと考えられる。リターダスタック２０はスペクトルＦの光の偏光を変調器１０の偏光ＰMの変調状態に変換し、スペクトルＦ（−）の光を偏光ＰIの等方状態に変換する。一方のスペクトルに対して、変換は恒等変換である。すなわち偏光は不変である。偏光ＰIの光は変調器１０によって透過され、印加電圧とともに変化しない偏光を有する。偏光ＰMを有する光は印加電圧の関数として偏光ＰMに変調される。このようにすると入力光の一部の偏光は変調され、残部は変調されない。
変調器は、電圧の印加で透過光の偏光状態を制御するデバイスである。変調器は、変調偏光状態ならびに等方偏光状態を有する、すなわち透過偏光状態が変調器に印加された電圧に依存する入力光の偏光状態と、透過偏光状態が変調器に印加された電圧と実質上無関係である偏光状態がある。等方状態では、一般に偏光は不変であるが、いくつかのシステムでは、偏光は、直線偏光の９０°回転や円偏光の左右像反転など、電圧と無関係の変換を有することがある。偏光および偏光状態なる語は交換可能に使用される。
ある部類の適切な変調器は、固定の配向および電圧制御リターダンスを有する電気光学可変リターダである。等方偏光状態は平行であり、かつ光軸に対して直角である。この場合それらはリターダの固有モード（Eigenmode）、または常波および異常波である。常偏光と異常偏光の間には電圧制御位相シフトがある。これはどちらかの等方状態の透過偏光に影響を及ぼすことはない。ただし、入力光が両方の等方状態に突出部を有するとき透過偏光は変化する。好ましい変調状態は、２つの等方偏光を二等分する直線偏光である。これは２つの等方状態に沿った突出部が等しい振幅を有するので最大変調深さを有する。均一に整合した電気制御複屈折（ＥＣＢ）、ホメオトロピック配列（homeotropically）に整合した光学的に制御される複屈折（ＯＣＢ）、ハイブリッド整合ネマチック（ＨＡＮ）、およびπセル（pi-cell）／表面モードネマチックを含めて、ゼロねじれネマチックなど、ＬｉＮｂＯ3、石英、および液晶を含む電気光学変調器はこのグループの電気光学変調器の好ましい実施形態の１つである。
光能動デバイスは適切な電気光学変調器の他のグループである。光能動デバイスは、その回転が入力光の偏光の配向に依存しない偏光回転子である。等方状態は左回りおよび右回りの円偏光状態である。変調器は、円偏光状態に影響を及ぼさない円偏光の電圧制御位相シフトを行う。ただし、円偏光の等しい振幅に分解できる直線状態では、透過偏光は直線偏光であり、配向は円状態間の位相シフトによって決定される。したがって、光能動変調器は直線状態に対して偏光回転子の働きをし、変調偏光状態はいずれかの直線状態である。
キラル・スメクチック液晶（ＣＳＬＣ）リターダは偏光を回転させるのではなく、軸を介して偏光を反射するが、それらはそれらの等方偏光状態および変調偏光状態において光能動デバイスと同様である。ゼロねじれネマチックと異なり、ＣＳＬＣは印加電圧によって決定される固定のリターダンスおよび光軸配向を有する回転可能なリターダである。半波長リターダンスの場合、ＣＳＬＣは円等方状態および直線変調状態を有する。ＣＳＬＣの光軸の電圧制御配向は直線光の透過配向を決定する。
また、ねじれネマチックデバイスなど、中間変調および等方状態を有する電気光学変調器もある。ねじれネマチックデバイスは楕円固有偏光（Eigenpolarization）状態を有する楕円リターダであることが示されている。直線リターダと同様に、位相シフトは実質上偏光状態のある特定のヘリシティ（helicity）によって決定される（J.L. Pezzaniti and R.A. Chipman,（1993）,「Phase-only modulation of a twisted nematic liquid-crystal TV by use of the eigenpolarization states」（固有偏光状態を用いたねじれネマチック液晶TVの位相のみの変調）Opt. Lett. 18, 1567-1569）
電気光学変調器中で使用される適切なネマチック液晶セルには、ねじれネマチック（ＴＮ）、スーパーねじれネマチック（ＳＴＮ）、電気制御複屈折（ＥＣＢ）、ハイブリッド電界効果、πセルおよび表面モード、ゼロねじれモード、ハイブリッド整合ネマチック液晶リターダがある。適切なスメクチック液晶セルには、キラルスメクチック、強誘電性結晶、ＳｍＣ*、表面安定化ＳｍＣ*、体積安定化ＳｍＣ*、バイナリＳｍＣ*、アナログＳｍＣ*、ＳｍＡ*、エレクトロクリニック、ひずみヘリックス強誘電性結晶、反強誘電性結晶、フレキソエレクトリック（flexoelectric）結晶、およびアキラル強誘電性液晶リターダがある。対向するデバイス基板上に付着した透明電極ではなく、１つのデバイス基板上の横方向電極を使用した場合、ネマチック液晶は固定のリターダンスを有する回転可能なリターダとして動作し、スメクチック液晶は固定の配向を有する可変リターダとして動作する。
１つまたは複数の受動リターダとともに液晶能動リターダを使用した複合リターダが電気光学変調器中で使用されることがある。どちらも参照により本発明の一部となる米国特許出願第０８／４１９５９３号に記載されているアクロマチック複合リターダおよび米国特許出願第０８／５４９９６３号に記載されているアクロマチック偏光回転子は特に有用である。アクロマチック複合リターダは、受動リターダを側面に備えた液晶回転可能半波長リターダを含み、受動リターダの配向およびリターダンスは複合リターダがアクロマチックになるようなものである。アクロマチック偏光回転子は、受動半波長リターダとともに液晶回転可能半波長リターダを含む。
リターダスタックと電気光学変調器との適合性を得るために、受動リターダを電気光学変調器中に入れることができる。例えば、リターダスタックが４５°だけ分離した２つの直線偏光中の光を作った場合、固定の配向を有する可変リターダに対する変調偏光状態および等方偏光状態が生じる。一方の偏光状態に対して平行に配向した受動４分の１波長リターダは、２つの直線偏光を１つの直線偏光と１つの円偏光に変換する。これらは固定のリターダンスを有する回転可能リターダに対する変調偏光状態および等方偏光状態である。したがって、電気光学変調器が受動４分の１波長リターダをＣＳＬＣの両側に含んでいる場合、可変リターダ用に設計されたスタックが回転可能リターダとともに使用できる。
リターダスタック２０は１つまたは複数の受動リターダを含む。リターダがＮ個ある場合、配向はα1〜αNであり、リターダンスはΓ1〜ΓNである。任意のリターデーション材料がリターダスタック中で使用できる。リターダ材料は、高い光学的清澄性、均一なリターダンス、設計要件に対して十分なリターダンスの範囲（これは誘導される複屈折の範囲および厚さの実際的な範囲に依存する）、環境耐久性、および多くの場合、大面積および低コストを与えることが好ましい。
リターダスタックは、例えば、複屈折性デバイス、液晶ポリマーフィルム、延伸ポリマーリターダシート、または結晶リターダの形の層を使用して構成できる。延伸ポリマーフィルムは、独特の複屈折分散特性を有する様々な材料を使用して、任意のリターダンス（０〜２，０００ｎｍ）のものが得られる。大きいシートが低い価格で購入でき、大きい透明なアパーチャフィルタが可能になる。ｚ延伸ポリマー（Nitto NRZ）の特性は小さいリターダンスシフトとともに大きい視野角を可能にする。ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、マイラー、ポリプロピレン、ポリスチレン、トリアセテート（トリブチルアセテート）、ポリメチルメタクリレートを含めて、他のいくつかのポリマー材料がフィルタの製造に有用である。ただしこれらに限定されない。
液晶ポリマーフィルム、特にＵＶ架橋可能ポリマーネマチック直線リターダはリターダスタックを形成するのに特に適している。魅力的な特徴は、その材料が非常に高い複屈折を有するので薄い高次のリターダを製造できることである。したがって単一の基板上に多層スタックを低いコストで製造することができる。液晶ポリマーは、２つまたはそれ以上のリターダを含むリターダスタックを製造するのに特に好適である。液晶ポリマー層を製造するためには、まず整合層を基板上に付着し、次いで偏光で光重合させる。偏光の配向が、整合層と続いて付着される液晶ポリマー層の配向を規定する。光重合光の偏光は容易に制御されるので、液晶ポリマーリターダのスタックをスタック中の各リターダの制御された整合とともに製造できる。これは、シートリターダの整合がより困難である斜めの相対配向、すなわち０°または９０°以外の相対配向に対して特に有利である。
石英、マイカ、方解石など、従来の結晶リターダ材料は、ポリマーフィルムで実現可能なよりも高い解像度を必要とする用途に好適である。それらはまた、低い波面ひずみおよび／または高い出力処理要件を必要とする用途に有用である。それらはポリマーリターダよりも費用がかかり、特に低いリターダンスが必要なとき大面積に適していない。
ポアンカレの球分析を使用して、変調器が０°または９０°で直線偏光である等方状態および±４５°で直線偏光する変調状態を有する場合（例えばゼロねじれネマチックＺＴＮ）についてリターダの適切な配向を計算した。すべてのリターダが同じリターダンスを有する場合、配向は次式によって関連付けられる。
αN−αN-1＋．．．α2−α1＝π／８＋πｍ／４          式１
上式でｍは整数である。例えば、リターダが１つの場合、ｍ＝０、１、２、．．．に対してπ／８、３π／８、５π／８、．．．で配向する。リターダが２つの場合、α1が選択された後、α2が決定される。例えば、α1＝π／１６に対して、式１はα2＝３π／１６＋πｍ／４を与える。これはｍ＝０の場合３π／１６となる。配向は、リターダが３つ以上の場合同様に決定される。また、ポアンカレの分析を使用して、等方偏光および偏光変調の他の選択に対してリターダ配向を計算することができる。
偏光変調器６０と偏光検光子７０を組み合わせると、図１にＦ％で示される出力を有する第１のスペクトルを強度変調するが、スペクトルＦ（−）に対しては一定の出力を有するフィルタが形成される。検光子に応じて、Ｆ（−）の出力は０％と１００％の間のどこかで固定される。偏光検光子は偏光子と組み合わせた第２のリターダスタックである。第２のリターダスタックは、検光偏光子がスペクトルＦ（−）に対して等方性であるときは不要である。したがって、直線または円色偏光フィルタを偏光検光子として使用できる。
偏光検光子が第２のリターダスタックを含むフィルタを図２に示す。これは第１のリターダスタック２０と第２のリターダスタック３０の間に配置された変調器１０によって形成される。変調器は、変調器のある切替状態では２つのスタックが協働して入力光のスペクトルをろ波し、他の切替状態ではリターダが実質上消え、ろ波されていない、または白い出力スペクトルが生じるように第２のスタックの見かけの配向を変化させる（図２ａ）。
フィルタは、入力偏光子４０、および中性（neutral）偏光子である検光偏光子５０を含む。配向角は入力光の偏光に対して定義され、この場合偏光子４０によって定義される。光源が偏光を与える場合、入力偏光子は不要である。フィルタは検光偏光子の働きをする別個の偏光デバイスと結合できる。この実施形態では、フィルタは直線偏光子とともに示されている。一般に、それらは直線、円または楕円偏光子である。適切な偏光子には、吸収偏光子、二色性偏光子、染料ベース偏光子、非吸収性偏光子、偏光誘電フィルム偏光子、偏光ビームスプリッタ偏光子、方解石偏光子、石英偏光子、散乱偏光子、プリズマティック偏光子、コレステリック偏光子、スタックコレステリック偏光子がある。偏光子は、直線偏光と円偏光を変換する４分の１波長リターダなど、追加の偏光調整要素を含むことができる。
フィルタは（ａ）半波長リターダンスと（ｂ）ゼロリターダンスの間で切り替えられるゼロねじれネマチック変調器とともに示されている。リターダは、上部に示されるリターダンスおよび底部に度で示される入力偏光に対する配向とともにボックスで表される。リターダは設計波長での指定されたリターダンスを有する。設計波長は、一般にフィルタの動作範囲内に入り、フィルタ性能を最適化するように調整できる。本明細書に示されるすべての配向は近似的であり、フィルタ出力を調整するために数度だけ調整できる。
図２のフィルタでは、変調器１０は、０°で配向し、電界が印加されない（「オフ」）ときのλ／２と十分に（「オン」）の電界が印加されたときの理想的な０との間で変化するリターダンスを有する電気光学ゼロねじれネマチック液晶である。この変調器の場合、等方状態は０°または９０°で直線偏光であり、変調状態は＋／−４５°で直線偏光する。この実施形態では、変調器は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である。ここでＬＣＤなる語は、１つまたは複数のピクセルを有する液晶セルを含む任意の液晶デバイスを表すために使用される。ＬＣＤは一般に、各ピクセルが独立して制御される液晶セルの多重ピクセルアレイである。フィルタは多重ピクセルＬＣＤまたは非ピクセル化電気光学変調器とともに実施できる。ＬＣＤの単一のピクセルのリターダンスを図２に示す。
図示の実施形態では、白色光は偏光器４０上に入射する。可視スペクトル外で動作するように設計されたフィルタの場合、「白色」光は光のすべての入力波長であり、例えば赤外波長分割多重化ではそれはすべての赤外チャネル波長になる。白色光はＦで示される第１のスペクトルおよびＦ（−）で示される第２の相補スペクトルから構成されると考えられる。
スタック２０中のリターダは、スペクトルＦが４５°直線偏光の変調状態で出力または透過され、かつスペクトルＦ（−）が０°直線偏光の等方状態で出力または透過されるようなリターダンスおよび配向を有する。第１の切替状態（図２ａ）では、変調器はリターダンスλ／２を有することが理想的であり、それにより変調状態を生じるスペクトルの偏光が−４５°に切り替えられる。等方状態は不変である。第２の切替状態（図２ｂ）では、変調器はゼロリターダンスを有し、変調器から出力された光の偏光は変調状態ならびに等方状態に対して不変である。
第２のリターダスタック３０の後に変調器がある。変調器が第１の切替状態にあるとき、第２のスタックは第１のスタックの変換を元に戻し、それにより０°で直線偏光したＦならびにＦ（−）を透過する。偏光子５０は両方のスペクトルを透過し、フィルタ出力は白色光になる。第２の切替状態では、第２のスタックは、ＦならびにＦ（−）を直角に偏光させる変換を完了する。偏光器５０はスペクトルＦを有する光を阻止し、出力はスペクトルＦ（−）を有するろ波された光になる。偏光器５０が９０°で配向した場合、フィルタは白およびＦ（−）の相補（補色）である黒とＦスペクトルの間で切り替わることにある。出力は変調器が「見え」ない第２の状態でろ波されるので、フィルタは正常ろ波（ＮＦ）と呼ばれる。ＬＣＤを取り外した状態でスペクトル全体を透過（または阻止）するフィルタは正常白（ＮＷ）と呼ばれる。一般に、正常状態は原色／白／または白／原色フィルタを名前付けする際に最初に記載されるが、白／原色なる語はまたどちらに対しても総称的に使用される。
好ましい実施形態では、フィルタはカラーフィルタであり、スペクトルＦおよびＦ（−）は加法混色の原色（赤、緑、または青）および相補の減法混色の原色（シアン、マゼンタ、または黄色）に対応する。ＦスペクトルまたはＦ（−）スペクトルのどちらが加法混色の原色であってもよい。したがって、可視範囲では、フィルタは平行偏光器に対しては原色／白フィルタになり、交差偏光器に対しては原色／黒フィルタになる。フィルタは一般に、ろ波されたスペクトルが原色スペクトルに限定されない白／ろ波スイッチとして使用できるが、ここではカラーフィルタリングの場合について一般的に述べる。このフィルタは、それが変調するスペクトルではなくそれが透過するスペクトルに対して名前付けされる。したがって、図２のフィルタは、それが例えば電気光学変調器によって変調されたＦスペクトルであってもＦ（−）／Ｗフィルタになる。
ポリマーは、２つまたはそれ以上の小さい分子が結合してより大きい分子を形成する化学反応によって形成される反復構造単位から構成される化合物または化合物の混合物である。
液晶ポリマー（ＬＣＰ）は、液晶モノマーが主鎖（背柱）の沿ってまたは側鎖単位として高分子構造中に組み込まれたポリマーの一種である。
ＬＣＰは、機械的に摩擦された表面、せん断、またはごく最近開示された光学的手段によって整合できる。光学的方法は、まず直線光重合（ＬＰＰ）フィルムまたはアゾベースの染料のどちらかをポリマー整合層中に加えるステップを含む。前者（Schadt他、Jpn. J. Appl. Phys. Vol.34, pg.3240-3249, 1995参照）の場合、ＬＰＰ材料を基板上に付着し、その後に加える高い温度で硬化させる。次いで、硬化したフィルムを偏光ＵＶ光に当てる。次いで、ＬＣＰを同じ基板上にスピンオン（spun-on）またはコーティングし、ＬＰＰフィルムの配向と整合する。次いで、ＬＣＰを非偏光ＵＶ光に曝して架橋させる。後者（Shannon他、Nature, vol. 368, pg. 532-533, 1994）の場合、アゾ染料分子をポリイミド整合層（または複数の層）中に挿入し、それらを様々な基板（ガラス、シリコンなどを含む）上に付着する。液晶モノマーまたはポリマーを１つの基板上に付着するか、または２つの基板間に挿入する。ＬＣ分子ディレクタは、前に整合層と照明した偏光ＶＵ光の方向に対して直角に配向する。後の露光で液晶は再配向する。これは用途によっては不利益になる。
図２に変調器の２つの極限切替状態を示す。ＬＣＤピクセルが０またはλ／２以外のリターダンスを有する場合、Ｆ（−）スペクトルはまだ０°偏光配向を保持しており、完全に透過される。しかしながら、Ｆスペクトルの光は、０％（図２ｂ）と１００％（図２ａ）の間にある０°偏光状態に突出部を有する楕円偏光に変換される。したがって、変調器電圧のアナログ制御はＦスペクトルのアナログ変調を与える。
検光偏光子用の色選択制偏光（ＣＳＰ）フィルタ、例えば多色染料偏光子を図３に示す。光伝搬は矢印で示され、上部に示される色と底部に示される配向を有する。図示の特定の実施形態では、リターダスタック２０は０°で青色光を、４５°で黄色光を作る。電気光学変調器１０は、０°での直線が変調され、４５°での直線偏光が等方性である４５°で配向したＺＴＮである。検光偏光子８０は、０°で黄色光を透過し、９０°ですべての波長を透過する９０°で配向した黄色（ＣＳＰ）である。ＺＴＮが半波長リターダンスを有するとき（図３ａ）、青色光は９０°に回転し、（ＣＳＰ）フィルタによって透過される。ＺＴＮがゼロリターダンス（図３ｂ）を有するとき、青色光は０°のままであり、（ＣＳＰ）によって透過される。中間リターダンスでは、青色透過率は０％から１００％の間で変化する。
円色偏光子、この場合コレステリック液晶（ＣＬＣ）またはＣＬＣポリマーを有するフィルタを図４に示す。リターダスタック２０は４５°で青色光を、０°で黄色光を透過する。電気光学変調器１０は０°で配向し、かつ３λ／４（図４ａ）とλ／４（図４ｂ）の間で切替可能なリターダンスを有するＺＴＮである。４５°での青色光の場合、したがって、偏光は左回り円偏光と右回り円偏光の間で変調される。中間リターダンスでは、中間楕円偏光が生成される。成分９０は、右回り青色光を反射し、左回り青色光を透過し、偏光にかかわらず他の波長を透過する右回り青色ＣＬＣである。ＣＬＣは非透過偏光を吸収するのではなく反射するので、このフィルタは透過モードならびに反射モードで可変青色出力を与える。
この説明の残部は主として２つのリターダスタックフィルタを対象とするが、そのほとんどは任意の検光子に対して一般化できる。第２のスタックが第１のスタックの変換を元に戻すために、２つのスタックのリターダは、正常白フィルタについて図５に、正常ろ波フィルタについて図６に示されるように互いに関連付けられる。どちらの図でも、変調器１０は、それが見えない切替状態で示されており、したがってフィルタの正常透過を示す。第１のスタックは、リターダンスΓ1、Γ2．．．ΓNおよび配向α1、α2．．．αNを有するリターダ２１、２２および２３を有する。リターダンスが等しい場合、配向は式１に従って関連付けれられる。第２のスタックは、第１のスタックと同じリターダンスを有するが、順序が反対のリターダ３３ａ、ｂ、３２ａ、ｂおよび３１ａ、ｂを含む。第２のスタックのリターダは、ＮＷの場合は９０＋αNの配向、ＮＦの場合は９０−αNの配向まで第１のスタックに対して回転する。ＮＷ構成では、第１スタックおよび第２スタックジョーンズ行列は互いに逆である。
変調器１０が半波長リターダンスに切り替わったとき、ＮＷ構造はろ波スペクトルを与え、ＮＦ構造は色スペクトルを与える。ＬＣＤが完全にアクロマチックの場合、図５のフィルタは切替状態では図６のフィルタと同じスペクトルを与え、逆もまた同様である。ＮＷ構成とＮＦ構成の主要な違いはＬＣＤの色効果の結果である。ＮＷ構成では、白状態が理想的であるが、ＬＣＤの色度はろ波状態の色コントラストを劣化されることがある。ＮＷ減色白／原色フィルタ（Ｗ／Ｃ，Ｗ／ＭまたはＷ／Ｙ）の場合、ＬＣＤは変調された加法混色の原色（Ｒ、ＧまたはＢ）の帯域幅にわたってアクロマチックであるだけでよい。逆に、Ｗ／Ｒ、Ｗ／ＧまたはＷ／ＢフィルタのＮＷ設計は、ＬＣＤが変調減法混色の原色の帯域幅にわたってアクロマチックであるとき、最も良い結果をもたらす。ＬＣＤは、例えば変調帯域内にＬＣＤ設計波長を備えることによって、変調帯域の切替のために最適化されることが好ましい。これは、変調帯域が赤帯域ならびに青帯域を含む減法混色の原色のマゼンタである正常白Ｗ／Ｇフィルタにとって難しい課題である。
ＮＦ構成では、白状態に色度の問題が生じることがある。ただし、少なくとも１つの加法混色の原色帯域は常にＬＣＤリターダンスにかかわらず透過されるので、ＬＣＤリターダンスは変調減法混色の原色帯域を最適に通過するように選択できる。白状態での色度は、白状態でのスループットの結果として生じる損失がろ波状態での漏れよりも色品質に大きな影響を及ぼさないので、ろ波状態の場合よりも有害ではない。したがって、色度の点で、Ｇ／ｗフィルタはＷ／Ｇフィルタよりもよく動作する。
有用なスタック設計は、制約に自然に適合するように計られた構造を有するSolcまたはスプリットエレメントフィルタなどフィルタ設計から始めることによって生成できる。あるいは、有用な透過スペクトルを有するフィルタ設計は、例えばネットワーク統合技法（すべて参照により本発明の一部となるHarris他（1964）, J. Opt. Soc. Am. 54:1267; Ammann他（1966）, J. Opt. Soc. Am. 56:1746; Ammann（1966）, J. Opt. Soc. Am. 56: 943;および１９９５年５月２３日に出願された米国特許出願第０８／４４７５２２号参照）を使用して生成し、次いで設計要件に一致するサブセットについてスクリーニング（選別）できる。第３の手法は、有用なスペクトルプロファイルを有するものを見付け出すために設計要件に適合するすべての設計を組織的に評価することである。
この第３の手法を図７に示す。図示のフィルタは図６のＮＦ設計要件に従う。ＬＣＤ変調器は２つのリターダンス間で切替可能であり、どちらもコンマによって記載され、分離される。アナログ変調器の場合、リターダンスはこれらの極限値間で連続的に調整できる。図７ａは、合計２つのリターダについて各スタック２０および３０中にただ１つのリターダを有する最も簡単なフィルタ設計を示す。図７ｂ〜図７ｄは、それぞれ合計４つのリターダを有する設計を示す。正常状態で、α2＝４５°が成り立つ特殊な場合、それはリターダンス２Γ2および配向４５°を有する中央リターダを有する３リターダフィルタと等価である。
図示のフィルタでは、各スタック中のリターダは、等しいリターダンスを有するか、または２分の１だけ異なるリターダンスを有し、したがって実数インパルス応答関数を生じる。これは必要条件ではなく、リターダンスは関連付けられず、したがって複素インパルス応答関数を生じる。等しいリターダンスは製造を容易にする。これらの例は有用な設計の完全な組ではない。それらは単に、加法混色の原色帯域または減法混色の原色帯域の有用なフィルタを生じる構造の１つのグループを示す。
図７に基づくフィルタ設計は、α1（５、１０、１５、２０．．．）の値を増分し、αの各値ごとに、α2の値を増分することによって生成した。各フィルタの透過スペクトルを計算し、有用なスペクトルを特定した。スペクトルは、ミュラー行列またはジョーンズ行列を使用して計算できる。ディスプレイ用途にとって好ましいスペクトルは、所望のスペクトルに一致する衝撃係数（duty ratio）を有し、長方形に見えるプロファイルを有する。フィルタは、急峻な遷移勾配、ならびに比較的平坦な透過帯域および比較的平坦な阻止帯域を有することが好ましい。比較的平坦な帯域は、スペクトル中に一連の分散した高コントラストのゼロまたはピークを備えることによって達成できる。ほぼ理想的な透過スペクトルはリターダの数を多くすることによって生成できる。実際問題として、容認できる遷移勾配およびサイドローブ振幅／位置は、有限数の構成要素とともに彩度を最適化するように慎重に選択しなければならない。
フィルタ解像度は、原色帯域にわたってピーク透過率を維持するために十分に低くなければならない。彩度の観点から、通過帯域解像度は、所望の原色帯域のみを分離するために十分に高くなければならない。急峻な遷移勾配（または通過帯域中の複数のピーク）とともに、十分に低い解像度をつくり出す設計が好ましい。
有用な設計の一部を表Ｉに示す。両方のスタックのリターダは、ＬＣＤが見えない正常切替状態でそれらが現れるように表に記載されている。リターダの合計数Ｍが記載されている。リターダンスが等しい場合、配向は式１に従うことに留意されたい。α1およびα2を進むことによって得られる適切な設計は角度の微調整によって改善できる。基本設計を特定した後、所望の減法または加法混色の原色変調をつくり出すようにリターダンスΓを選択できる。
ファンSolcフィルタは、図６の設計要件に偶然一致する構造のファミリーである。この一致は偶然の一致であり、Solc設計の意図的な特徴ではない。Solcフィルタは、参照により本発明の一部となる１９９６年６月１１日出願のＵ．Ｓ．Ｐ．Ｎ．５４６９２７９号および米国特許出願第０８６６１４９８号に記載されている。Solcフィルタは、それぞれファン設計および折り畳み設計に対して設計波長で全波長リターダまたは半波長リターダになる一連の等しい厚さのリターダを必要とする。ファンSolcフィルタの場合、リターダはα、３α、５α、．．．（すなわちαN＝（２Ｎ−１）α1）で配向する。折り畳みSolcフィルタの場合、それらは交番するロッキング角α、−α、α、．．．（すなわちαN＝（−１）N+1α1で配向する。
表IIはこれらの要件に従うSolc設計を示す。ファンSolc設計は図６の要件に偶然適合することに留意されたい。Ｍが奇数のとき、ファンSolc設計の中央リターダは４５°で配向し、この角度では角α＝９０−αが成り立つ。したがって、中央リターダは単に半分に分割され、半分は各リターダスタック中に入れられる。リターダの合計数Ｍは、正常状態で中央の２つのリターダが単一のリターダと等価である場合について”３”や”５”のように引用符で記載されている。リターダ配向は、α＝π／４Ｍが成り立つ場合、リターダの合計数の関数である。
ファンSolcフィルタの場合、フィルタは本発明の白／原色フィルタの基準に自然に適合する。一方、折り畳みSolcフィルタは本発明の基準に適合しない。リターダンスはこの制約を満足するが、配向はαN＝９０±αNに従わない。折り畳みSolc設計は、表IIIに示すようにこの基準を満足する準折り畳みSolc設計に修正できる。準折り畳みSolc設計なる語は、リターダがすべて同じリターダンスを有し、かつ各スタック内で、それらがすべてほぼ同じ角度で、ただし交番する符号で配向するすべての設計に対して使用される。
ファンフィルタと同様に、代表的な折り畳みSolcフィルタでは、α＝π／４Ｍが成り立つ。例えば、Ｎ＝６のリターダを有する代表的な折り畳みSolcフィルタはα＝８°を必要とする。準折り畳みSolcフィルタの場合、角αに対する制限はない。表IIIに示すように、角αは、まだ有用なスペクトル応答を生成している間に大きく変化する。表Ｉ〜表IIIはＮＦ設計を示す。ＮＷ設計を作るためには、第２のスタック中の各リターダの角度の符号を反対にする。
Solcフィルタと同様に、スプリットエレメントフィルタは図５および図６の要件に自然に適合する。カラーディスプレイに適したスプリットエレメントフィルタは、全体として参照により本発明の一部となるＵ．Ｓ．Ｐ．Ｎ．５５２８３９３号に記載されている。これは、入射偏光に対して±４５°で配向した第１および第２のリターダンス一致スプリットエレメントリターダ、および０°で配向した中央リターダを含む。平行スプリットエレメントの場合、フィルタはＮＦになり、交差スプリットエレメントの場合、それはＮＷになる。
本発明の白／原色フィルタを形成するために、スプリットエレメントリターダはスタックを形成し、中央リターダはＬＣＤとスプリットエレメントリターダの１つとの間に配置できる。この非対称の場合、ＬＣＤの両側のリターダは一致しないが、スタックはそれぞれ単一のリターダを含むと考えられ、スプリットエレメントリターダおよび中央リターダはどちらのスタック中にも含まれない追加の要素と考えられる。中央リターダは電気光学変調器に対して平行または直角に配向するので、対称性がないことは白切替状態の達成を妨げない。言及した実施形態を表IVに示す。この表では、中央リターダはスタック１リターダに沿って記載されている。図示のリターダンスでは、フィルタ透過率は２段ライオットフィルタに近い。各スプリットエレメントリターダに加えられた４分の１波長リターダンスのために、この設計は複素インパルス応答フィルタの組に属する。
上述のすべての設計では、配向を最適なプロファイルが得られるように選択した後、次いで各原色で最適な色彩度が得られるようにリターダンスを選択した。この設計パラメータは、特定のリターダ材料に適合した分散を含む標準のミュラー行列技法を使用して分析できる。フィルタ設計を評価する基準は、彩度、色相、スループットの考慮に基づく。彩度および色相はＣＩＥ色度図を使用して評価できる。特定のフィルタ出力によって生成される色の品質は、特定のフィルタ状態の透過関数、光源のパワースペクトル、およびＣＩＥ等色関数を含めて、一連の重なり積分を計算することによって特徴付けられる。
純原色は、所望の原色帯域中で透過した光源パワーと原色帯域外で透過した光源パワーとの比を最大にすることによって生成される。フィルタ設計は、最適化を全く明確にするために光源特性に一致させることができる。例えば、６０００Ｋ黒体など真の白色光源は、ＣＲＴ発光体など分散光源よりもフィルタ性能により大きい負担をかける。阻止帯域中のゼロのスペクトル位置は構成要素のリターダンスに依存する。ゼロを戦略的に光源の帯域外パワースペクトル最大値に置くことが有利である。同様に、サイドローブ最大値を帯域外パワースペクトル最大値から離れたところに置くことが有利である。受動フィルタを挿入して、原色帯域外にある帯域を除去すれば、彩度を高めることができる。
白／原色フィルタの測定スペクトルを図８〜図１１に示す。フィルタの構造は表Ｖで与えられる。スイッチは、表に記載されている付勢されていない半波長リターダンス中心波長を有する３ＴＮセルを使用する。偏光子はハードことのみを有するＮｉｔｔｏ−Ｄｅｎｋｏ（日東電工）製のＥＧ１４２５である。したがって、透過率は２つのフレネル損失を含む。リターダは、それぞれ表に記載されている設計リターダンスを有するＮＲＺリターダのシートである。ＮＷ設計の場合、白状態での損失は、偏光子、ＬＣＤ上のＩＴＯ電極による吸収、外部反射、およびＬＣ残留リターダンスに関連する。後者は一般に約２０ｎｍである。スペクトルは、ＡＮＤＯ光スペクトル検光子を使用して走査し、平行グラントムソン偏光子を使用して光源スペクトルによって自動的に正規化した。
受動リターダおよびＬＣＤリターダの設計波長は表Ｖで与えられる。能動リターダならびに受動リターダでは、設計波長はリターダが指定されたリターダンスを与える波長である。受動リターダの場合、設計波長は、受動リターダが２λリターダになるＷ／Ｍフィルタを除いて、受動リターダが全波長リターダになる波長である。リターダスタック設計波長は、変調された阻止ピークが所望の色帯域中にくるように選択される。ＬＣＤの設計波長は、リターダンスが付勢されていない状態でλ／２になる波長である。ＬＣＤ色度の影響を最小限に抑えるために、設計波長を変調帯域の中央にくるように選択することに留意されたい。
Ｇ／Ｗフィルタ、Ｗ／ＣフィルタおよびＷ／Ｍフィルタは準折り畳みSolc設計である。Ｇ／Ｗ設計は表IIIの第３の設計と同じである。Ｗ／Ｍ設計は表IIIの第２の設計と同じであるが、正常ろ波ではなく正常白なので、第２のスタック中のリターダの配向は反対の符号を有する。Ｗ／Ｃ設計では、リターダの配向は遷移の急峻さを高めるために調整されている。Ｗ／Ｙ設計は、表Ｉの第５の設計と考えられ、リターダンスΓ＝２λが成り立つ。
図８〜図１１のフィルタスペクトルの優れた通過帯域透過、阻止帯域阻止、および急峻な遷移エッジに留意されたい。青のフィルタ透過率の低下は、青の損失を有するシート偏光子を使用したためであり、リターダ／フィルタ設計のためではない。透過率は改善された偏光子を使用すれば改善できる。
本発明の利点は、ＬＣＤが色シフトを誘導する機構を有しないことである。すなわち、遷移帯域幅はＬＣＤの状態と無関係にリターダスタックによって定義される。したがって、視野角（またはＬＣＤ色度）の変化はフィルタ透過率にほとんど影響を及ぼさない。スタックによって定義される遷移帯域中心波長などの特徴は、スタックが角度依存である範囲まで保持される。視野角の変化は、阻止された色の密度のわずかな損失のみを生じ、帯域位置にシフトを生じない。
このことは、図１０のＷ／Ｍフィルタで実証される。方位角が０°の場合について、入射角による透過率の測定変化を図１２に示す。垂線から−５０°にもわたる入射角に対して、スペクトルが不変であることは注目すべきことである。マゼンタ透過率はわずかに低下するが、緑阻止は優れたままであり、帯域位置は不変である。青／緑遷移および赤／緑遷移の半最大値（half-max）はスタックによって固定される。スペクトルは方位角ならびに入射角とともに変化する。測定した最悪の方位角は、図１３に示すように９０°である。０°入射角透過率は、実際にはどちらかの方位角に対して同じであり、図１２および図１３の測定上の違いは、光ファイバを介した光源の偏光依存結合のアーチファクト（artifact）である。方位角９０°の最悪の場合でも、阻止密度は優れており、帯域はシフトしない。このことは優れた広視野角色スイッチおよびディスプレイシステムに役立つ。
本発明に基づく減色ディスプレイの固有の機能は、未変調の原色の透過に影響を与えずに、変調済みの光の透過のグレーレベル制御にアナログＬＣＤを使用できることである。これは、図１４、すなわち、図１０のＷ／Ｍフィルタの実験的に測定された出力に示されている。いくつかの異なる駆動電圧での透過スペクトルが示されている。フィルタは通常、白であり、したがって、零リターダンス状態（１０Ｖ）のすべての波長を完全に透過させる。リターダンスが増加するにつれて、変調済みの原色、すなわち、緑色の透過は、半波長リターダンス状態（０Ｖ）で最小限に抑えられるまで次第に遮断されていく。フィルタは、マゼンタ色光に影響を与えずに緑色光の独立の変調を示す。
Ｗ／Ｃフィルタ、Ｗ／Ｍフィルタ、Ｗ／Ｙフィルタの場合のグレースケール変調がそれぞれ、図１５〜図１７に示されている。加法混色の原色Ｒ、Ｇ、Ｂの透過は、相補減法混色の原色とは完全に独立に制御される。これらのフィルタの設計は、表VIの最初の３つのエントリに与えられている。リターダはNitto Denkoポリカーボネートフィルムである。光変調器は、０°でゼロねじれネマチック配向され、零リターダンスと半波長（π）リターダンスとの間で連続的に変動する。ネマチックの平面外傾斜角はスペクトル内に示されており、０°は半波長リターダンスに対応し、７５°はほぼ零リターダンスに対応する。９０°はより零リターダンスに近いが、表面ピニング効果のためにこれを達成するのは困難である。
Ｍ／Ｗフィルタは、図１８に示されており、表VIの１番下にリストされている。これはスプリットエレメントフィルタであり、中央リターダが第１のスタックを備える。このフィルタでは、ＬＣＤが０°ではなく９０°に配向される。他のフィルタでは、リターダの配向が０°の場合も９０°の場合もフィルタ関数は同じである。スプリットエレメント設計の場合、非対称性のために、スペクトルは同じではない。ただし、２つの配向は共に機能的である。この特定のフィルタでは、２つの配向を評価したところ、９０°配向の方がより優れた出力を与えることがわかった。このフィルタは、図１８に示した２つの互いに逆の切替え状態の間で連続的に変化させることができる。このフィルタはＮＦであるので、白色スペクトルは色度の影響を受ける。
本発明の減色フィルタの固有の特性は、図１５〜図１７に示されているように、未変調のスペクトルＦが、Ｆスペクトルの電圧制御変調とは独立に完全に透過することである。そのため、それぞれ、他の２つ加法混色の原色に影響を与えずに１つの加法混色の原色の独立のアナログ制御を可能にする、２つ以上のフィルタ段を直列に使用することができる。１つの段フィルタは２つの出力、すなわち、加法混色の原色または減法混色の原色と、黒（交差偏光子）または白（平行偏光子）とを有する。２段フィルタは、４つの出力、すなわち、３つの原色（２つの加法混色の原色と１つの減法混色の原色、または１つの加法混色の原色と２つの減法混色の原色）と、黒または白とを与えることができる。３段フィルタは、８つの出力、すなわち、３つの加法混色の原色と、３つの減法混色の原色と、黒および白とを与えることができる。変調器がアナログである場合、フィルタは極色同士の間のグレースケールを与えることもできる。複数段フィルタでは、１９９６年１１月２５日に出願され引用によって本明細書に全体的に組み込まれた米国特許出願第０８／７５８１２２号に記載されたように色度を低減することができる。複数段フィルタは、１９９６年５月１４日に出願され、やはり引用によって本明細書に全体的に組み込まれた米国特許出願第０８／６４５５８０号にも記載されている。
図１９に示したように、各段で入口偏光子および出口偏光子を使用してフィルタ同士を組み合わせることができる。この場合、フィルタ出力は、個々の各段の出力の積である。第１の段は、リターダスタック２０ａおよび３０ａと、ＬＣＤ１０ａと、偏光子４０ａおよび５０ａとを備える。ｎ個の段があり、各段の間に偏光子があり、ｎ番目の段で終わり、この段はリターダスタック２０ｎおよび３０ｎとＬＣＤ１０ｎと偏光子４０ｎおよび５０ｎとを備える。各段の出力偏光子は、次の段の入力偏光子として働く。たとえば、２つの段しかない場合、５０ａと４０ｎは同じ偏光子になる。
フィルタ段とその相対的な配向を適切に選択することによって、図２０に示したように、各段の間の内部偏光子を必要とせずに２つ以上の段を組み合わせることが可能である。偏光子は光損失の主要な原因となる恐れがあるので、内部偏光子を有さない複数段フィルタでは、特に反射モードカラースイッチおよびディスプレイの場合にスループットを著しく増大させることができる。
図２０の３段フィルタは、偏光子４０と偏光子５０との間に配置された、青色光、緑色光、赤色光を独立に変調する段を有する。この実施形態では、第１の段は青色光を変調し、したがって、Ｗ／Ｙフィルタ段とＹ／Ｗフィルタ段のどちらかである。この段は、第１のリターダスタック２０ａと、第２のリターダスタック３０ａと、ＬＣＤ１０ａとを備える。リターダスタックおよびＬＣＤは本発明の任意の設計のものでよい。第２の段は、リターダスタック２０ｂおよび３０ｂとＬＣＤ１０ｂとを備え、緑色光を変調し、したがってＷ／ＭフィルタまたはＭ／Ｗフィルタである。第３の段は、リターダスタック２０ｃおよび３０ｃとＬＣＤ１０ｃとを備え、赤色光を変調し、したがってＷ／ＣフィルタまたはＣ／Ｗフィルタである。
特定の３段フィルタが図２１に示されている。これらは、図９〜図１１に示したのと同じフィルタ段であるが、内部偏光子なしで直列に組み合わされる。出力色は表VIIに与えられている。各段で、０は非励磁（変調）ＬＣＤ状態を指し、１は励磁（等方）状態を指す。すべての３つの段が変調状態であるとき、第１ブロックが青を遮断し、第２ブロックが緑を遮断し、第３ブロックが赤を遮断し、そのため、平行な入力偏光子および出力偏光子と共に使用すると黒色出力が得られる。第３段のＬＣＤは、等方状態に切り替えられるともはや赤色を遮断せず、フィルタ出力は赤になる。すべての３つのＬＣＤを等方状態に切り替えると、出力は白になる。
白色出力は、赤、緑、青のサブピクセルが組み合わされて白を形成する、空間多重化されたフィルタまたはディスプレイ、あるいは画素の出力が赤と緑と青との間で切り替えられて白を形成する、時間多重化されたフィルタまたはディスプレイの３倍明るい。本発明のフィルタでは、空間および時間全体にわたって完全な白スペクトルを透過させることができる。
一般に、偏光子が並列するのでなく交差する場合、相補スペクトルが得られる。たとえば、並列偏光子を有するシアン／白フィルタの代わりに、交差偏光子を有する赤／黒フィルタでもよい。３つの段を内部偏光子なしで縦続接続する場合、交差偏光子を用いた場合でも白状態を達成することができる。内部偏光子で色が遮断されることがないので、直交軸上で完全な相補スペクトルを得ることができる。交差偏光子出力は表VIIに含まれている。状態（０００）は黒ではなく白を与え、（００１）は赤ではなくシアンを与え、以下同様である。
交差偏光子フィルタの利点は、黒状態の光学濃度が向上することである。黒状態が出力されるのは、すべての３つのＬＣＤが、励磁等方切替え状態であり、したがって最小色度を有するときである。一般に、黒状態での遮断を強化することと引き換えに白状態でのスループットをある程度喪失させることが好ましい。
交差偏光子を有する図２１のフィルタについては、加法混色の原色出力が図２２に示されており、減法混色の原色が図２３に示されている。すべての６つの原色の優れたスペクトルが単一のフィルタによって与えられ、得られる各原色がアナログ制御される。また、図２４に示したように、白出力、黒出力、グレー出力が与えられる。０°〜７５°の傾斜角が示されており、これらはλ／２ないし零よりわずかに大きな値のリターダンスに対応する。優れた黒状態が達成されることに留意されたい。図２４に示したように、可視スペクトル全体にわたってグレースケール変調を達成するには、すべての３つのＬＣＤの傾斜角を同時に変化させる。
内部偏光子をなくすと、各スタックに、協働して原色間帯域を遮断させることにより、並列偏光子を用いて黒状態を向上させることができる。あるいは、交差偏光子を用いた場合に白状態でのリプルが低減する。このことを理解するために、Ｃ／ＷスイッチとＭ／ＷスイッチとＹ／Ｗスイッチとからなる減色ディスプレイまたはカラーシャッタについて考える。任意に、黄色段およびマゼンタ段の遷移帯域と、マゼンタ段およびシアン段の遷移帯域を得て、半最大透過点で重ね合わせる。個々の加法混色の原色スペクトルは図２５ａに示されている。
最初に、図１９に示したように、各スイッチの間に並列中性偏光子がある場合について考える。中性偏光子は各段を分離するので、黒状態は、各段によって生成されるＣスペクトル、Ｍスペクトル、Ｙスペクトルの積である。各スペクトルが半最大透過点で重なり合うので、図２５ｂに示したように、遷移帯域の中心での漏れは２５％である。これは、ソーススペクトルの特性に応じた、黒状態の濃度の顕著な損失を表す。これは、赤出力の青／緑サイドローブと、青出力の黄色サイドローブも表す。
このような原色間漏れのレベルを低減させる解決策がある。たとえば、色偏光子スペクトルをさらにシフトさせることによって重なり合い領域を減少させることができる。たとえば、黄色段によって緑を完全に通過させ、マゼンタ段によって青を完全に通過させる場合、これは多くの場合、遷移勾配を増大させなければならないことを意味する。これは、追加のリターダと関連するコストを表す。別法として、基本的に、受動ノッチフィルタを使用して原色間帯域中の光を除去することができる。これは、追加のフィルタリングと、関連する挿入損失およびコストも表す。これよりもずっと優れているが、多くの場合実施不能な解決策は、単に原色間帯域中に色を放出しないソースを使用することである。
この問題解決のための他の手法は、図２０に示したように、各段の間の偏光子を除去することである。この場合の追加の利益は、２つの中性偏光子に関連する損失がなくなることである。問題は、各スタックが協働して問題を複雑にせずに原色間帯域中の阻止を向上させる方式をどのように識別するかである。この解決策は、黄色段とマゼンタ段との間あるいはマゼンタ段とシアン段との間の半最大重ね合わせ波長の光の偏光状態を考慮することによって示すことができる。いずれかのスタックから出る光は一般に、重ね合わせ波長の直交線形状態中間で偏光されるこれは、任意の楕円率を有し、偏光楕円配向が±４５°である１組の偏光状態を表す。２つのスタックが互いに整合するものであり、適切に配向されている場合、２つのスタックから得た偏光変換を累積し、それによって半最大重ね合わせ波長を直交偏光させることができる。たとえば、２つのスタックが半最大重ね合わせ波長で円偏光子として機能する場合、半波長の組み合わせリターダンスを達成することができる。これによって、遷移帯域で所望のヌルが生成される。図２５ｃは、この結果、追加の偏光子を使用した図２５ｂの出力と比べて光学濃度が向上することを示す。これらのフィルタをシャッタと直列に組み合わせて、良好な黒状態を与えることもできる。
前述のように、内部偏光子を有さない複数段フィルタでは、完全な相補スペクトルを得ることができ、そのため交差偏光子を使用することができる。この特徴によって、図２６に示したように、偏光ダイバーシティフィルタリングも可能になる。偏光ダイバーシティフィルタリングでは、入力偏光子および出口偏光子が偏光分離器およびコンバイナで置きかえられる。非偏光白色光は偏光ビームスプリッタ４１に入射する。１つの直線偏光が透過され、直交偏光が上向きにプリズム４２へ反射される。２つの直交偏光状態は独立に構造内を伝搬し、出口プリズム５２および偏光ビームスプリッタ５１によって組み合わせ直される。両方のビームパス内の光に関しては、変調済みのスペクトルが、入力偏光子および出口偏光子と平行な１方向に出射し、相補交差偏光子スペクトルＦは別の方向に出射する。偏光不感フィルタでは、入口偏光子による吸収のために入射光の半分を失うのでなく、すべての入射非偏光がろ波される。これによって、一般に偏光ベースのシステムに伴う効率の３ｄｂ損失がなくなる。偏光ビームスプリッタを有するフィルタは特に、小さなアパーチャの応用例に適している。偏光ダイバーシティを与える偏光フィルムを用いて、大きなアパーチャを実現することができる。
直列フィルタ段を使用した複数段フィルタが示されている。また、図２７に示したように、リターダスタックを単一の段内に入れ子にすることによって、２つの独立のスペクトルを変調することができる。これは、一方のステックにＮＷに配向させ、他方をＮＦに配向させることによって行われる。スタック２０ａおよび３０ａは、ＬＣＤ１０と共に、スペクトルＦ1を変調するＮＷフィルタを形成し、それにより、ＬＣＤが励磁されたとき（異方性）に白を透過させ、非励磁化されたときにＦ1を透過させる。スタック２０ｂおよび３０ｂは、ＬＣＤ１０と共に、ＮＦフィルタを形成する。ＮＦフィルタはＦ（−）2を変調し、これにより、ＬＣＤが励磁されたときにＦ（−）2が透過し、非励磁化されたときにＦ1が透過する。このような構造を介在する偏光子と共に、あるいはそのような偏光子なしにスタックし、かつ他の受動フィルタリングおよび能動フィルタリングと組み合わせることができる。
反射モードスイッチは、単に、鏡を含む透過モード構造に従うことによって、実装することができる。別法として、特に反射モード動作が可能な構造を設計することができる。反射モードフィルタは、上記で白／原色スイッチに関して説明した設計規則だけでなく、追加の対称性要件も有する。ＬＣＤの前方に単一のスタックが配置され、ＬＣＤの後方に鏡が配置される設計について考える。上記で説明した例は２つのスタックからなり、両方のスタックはほぼ同じ配向を有する。中性偏光学系を使用する解決策を使用して、かなり異なる配向の第２のスタックを作成することができる。たとえば、アクロマチック４分の１波長板上を鏡上に配置して、スタックを通る第２のパスを異なる配向に見えるようにすることができる。しかし、この場合、ＬＣＤを通る第２のパスも異なる配向を有するように見えるので、ＬＣＤの動作も変化する。また、追加の半波長リターダンスによってスペクトルが反転され、減法混色の原色スイッチが加法混色の原色スイッチになり、その逆についても同様である。
ＬＣＤがアクロマチック４分の１波長板に従う場合、ＬＣＤの動作を２倍にする所望の条件が達成される。しかし、４分の１波長板はＬＣＤ上の偏光状態を変換し、したがって、組み合わされたスタックは変調器に等方／変調状態を与えることができない。この問題を解決するには、より整合性の高い互いに異なる変調器を使用するか、あるいは異なるスタック設計を使用することができる。前者の解決策は、ＣＳＬＣ４分の１波長リターダなどの回転素子を鏡上で使用するものである。この場合、変調器全体が、引用によって本明細書に全体的に組み込まれた米国特許第５３８１２５３号に記載された４分の１波長−半波長−４分の１波長可変リターダの構造を有する。変調器がゼロねじれネマチックのままでなければならない場合は、変調器がアクロマチック４分の１波長板と組み合わされたときに変調器に適切な等方／変調状態を与えるようにスタック設計を修正しなければならない。
分析偏光子がＣＬＣである場合、図２８に示したように、透過モードと反射モードの両方が可能なように複数段フィルタを設計することができる。第１の段は、青色光を変調し、スタック２０ａと電気光学変調器１０ａと青ＣＬＣ９０ａとを備える。第２の段は、緑色光を変調し、スタック２０ｂと電気光学変調器１０ｂと緑ＣＬＣ９０ｂとを備える。第３の段は、赤色光を変調し、電気光学変調器１０ｃと赤ＣＬＣ９０ｃとを備える。赤ＣＬＣは、青色光および緑色光に対して等方性であるので、赤色光が変調状態になるように電気光学変調器１０ｃを配置させることによって最終段にはリターダスタックが不要になる。第１の段では、可変リターダンスΓvに応じて、％Ｂとして示されるある割合の青色光が透過し、残りが反射される。反射された光は、デバイス構造の下方の矢印によって示されている。青ＣＬＣのみが選択的に青色光を反射し、すなわち、緑ＣＬＣおよび赤ＣＬＣは青色光に対して等方性であるので、青色光の偏光はこの段の後では無関係である。第２の段および第３の段は同様に、緑色光および赤色光の部分を反射し透過させる。
本明細書のフィルタは、他の能動フィルタまたは受動フィルタと組み合わせて使用することができる。ハイブリッドフィルタを能動フィルタおよび受動フィルタと共に構成することもできる。たとえば、フィルタは中性偏光子ではなく、染料タイプ色偏光子や偏光子リターダスタック（ＰＲＳ）色偏光子などの色偏光子を使用することもできる。この場合、「白」状態は、色偏光子を通過した波長しか含まない。白／原色フィルタを偏光干渉フィルタと組み合わせることもできる。
本発明のフィルタは光学的にアドレスすることができる。たとえば、この光学アドレスシステムは、、光信号を検出するＰＮダイオードやフォトトランジスタなどの光電検出器を含むことができ、光信号に応答してフィルタ出力を制御することができる。光学的にアドレスされるフィルタの応用例には、目の保護、溶接シールド、データの２Ｄ表示および３Ｄ表示のためのカラーシャッタ眼鏡が含まれる。
このようなフィルタは単一の画素として使用することも、あるいは多画素アレイとして使用することもできる。単一画素応用例には、フィールドシーケンシャルカラーシャッタ、分光測定、測色、照明（家庭、家屋、ステージ）分光ファイバ通信が含まれる。多重画素の応用例には、情報表示、撮像、印刷、分析、記憶、通信が含まれる。多重画素アレイでは、各画素を独立の印加電圧を介して独立に制御することができる。各画素は、すべての３つの加法混色の原色または減法混色の原色のアナログ強度制御を同時に行い、それによって、黒と白とを含む完全な色スペクトルを与えることができる。
既存のデバイスとの互換性のために、画素は各色ごとにサブピクセル、たとえば、Ｗ／Ｒ画素や、Ｗ／Ｇ画素や、Ｗ／Ｂ画素を有することができる。サブピクセルはたとえば、ストライプ、またはベイヤーモザイクなどの正方形パターン、またはその他の色フィルタアレイパターン（ＣＦＡ）でパターン化することができる。サブピクセルで構成された本発明の各画素は、各サブピクセルが白スペクトルの３分の１だけでなくその全体を透過させ、それによって白輝度を係数３だけ増加させることができるという従来型の空間多重化フィルタに勝る利点を有する。
ディスプレイ応用例には、前方投影ディスプレイおよび後方投影ディスプレイ、仮想ディスプレイ、ダイレクトビューディスプレイが含まれる。ディスプレイは、自動車、トラック、飛行機を含む輸送車両でのヘッドアップディスプレイ、会議室プロジェクタ、デスクトップコンピューティング、ホームシアター、ステージ照明、手持ちゲーム、アーケードゲーム（３Ｄおよび２Ｄ）、ラップトップディスプレイ、手持ちページャ、パーソナルディスプレイアシスタント、衛星測位ディスプレイ、オシロスコープやスペクトル分析器などの計器、ｗｅｂブラウザ、テレコミュニケータ、バーチャルリアリティやオーグメントリアリティのためのヘッドマウントディスプレイおよび目の前にに装着されるディスプレイ、携帯装着可能コンピュータ、シミュレータ、カムコーダ、ディスプレイ眼鏡またはディスプレイゴーグルまたはディスプレイシャッタなど、様々な応用例で使用することができる。
ディスプレイ応用例では、陰極管（ＣＲＴ）、エレクトロルミネセント（ＥＬ）ディスプレイ、アクティブマトリックスエレクトロルミネセント（ＡＭＥＬ）ディスプレイ、電界放射ディスプレイ（ＦＥＤ）、プラズマディスプレイなどの放射ディスプレイと多画素フィルタを組み合わせて使用することができる。ＴＦＴ−ＬＣＤやポリシリコンＬＣＤなどの透過ディスプレイ、ＬＣＯＳやデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）や拡散格子デバイスなどの反射ディスプレイ、ＳＴＮデバイスなどの受動マトリックスディスプレイを含む変調器ディスプレイと共に多画素フィルタを使用することもできる。
電子撮像応用例には、ページ送りスキャナおよび文書スキャナ、インターネットカメラおよび文書スキャナ、スタジオ写真撮影用デジタルカメラ、顕微鏡、多空間撮像、写真ＩＤカメラなどのドキュメンテーション、アマチュア電子写真、その他の応用分野が含まれ、その他の応用分野には、蛍光分光、測光、たとえばエンドスコープやその他の医療診断機器と共に使用される医療撮像が含まれる。
撮像装置を形成するには、電荷結合素子、電荷統合素子、あるいは相補型金属酸化膜半導体単一画素イメージャまたは多画素イメージャを使用するスチールカメラまたはビデオカメラと本発明のフィルタを組み合わせることができる。
図２９は、それぞれ、第１の配向α1および第２の配向α2と、第１のリターダンスΓ1および第２のリターダンスΓ2とを有する第１のリターダ２９１およびリターダを含むスタック２９０を示す。図２９はスタック２９０に入力される部分偏光２９４を示す。部分偏光２９４は、任意の電磁放射周波数スペクトル中に存在することができ、任意の楕円率、配向、または左右像を有するように部分楕円偏光させることができる。部分偏光は偏光成分と非偏光成分からなる。非偏光成分は変化を受けずに通過する。図には、光の偏光成分に作用する素子の動作が示されている。偏光成分は、任意の配向、楕円率、左右像を含め、任意の偏光を有することができる。たとえば、引用によって本明細書に組み込まれた「Optical Waves in Layered Media」（積層媒質中の光波）（Copyright 1988, John Wiley & Sons、ニューヨーク）の第１章を参照されたい。部分偏光は、完全に偏光されていないわけではない光を意味する。
スタック２９０は、第１および第２の配向α1およびα2の値と第１および第２のリターダンスΓ1およびΓ2の値に応じて既知の方法で部分偏光２９４を変換する。第１および第２の配向α1およびα2は、部分偏光２９４の偏光に対して測定される。部分偏光２９４が楕円偏光される場合、α1およびα2は、入力偏光楕円の軸として定義することも、あるいは出力偏光楕円の軸として定義することもできる。
スタック２９０は部分偏光２９４を第２の偏光変換光２９６に変換する。特に、部分偏光２９４は、第１のリターダ２９１に入力され、初期変換光（図示せず）に変換される。第１のリターダ２１から出力された初期変換光は次いで、第２のリターダ２９２に入力される。第２の偏光変換光２９６は、光の第１の部分２９７と光の第２の部分２９８とを含む。光の第１の部分２９７は第１の偏光ＰM1を有し、光の第２の部分２９８は第２の偏光ＰM2を有する。また、光の第１の部分２９７は第１のスペクトルＦ（−）’を有し、光の第２の部分２９８は第２のスペクトルＦ’を有する。
スタック２９０は、光をある種の光変調装置（図示せず）への入力として事前に条件付けする光事前条件付け装置である。特殊な場合には、第１のスペクトルＦ’と第２のスペクトルＦ（−）’は、相補的なものでよく、部分偏光２９４のスペクトルを含み、したがって、図１のスペクトルＦおよび相補スペクトルＦに対応する。第１のスペクトルＦ’は、第２の偏光ＰM2を有する第２のスペクトルＦ（−）’よりも変調された第１の偏光ＰM1を有する。部分偏光２９４が与えられ、変調器（図示せず）の特性が判明した後、上記の議論に従って第１の配向α1および第１のリターダンスΓ1と、第２の配向α2および第２のリターダンスΓ2を求めることができる。上記で論じたように、スタック２９０に追加のリターダを追加して、指定された性能を達成することができる。
特殊な場合には、たとえば図１およびその他の個所で論じたように、第１の出力光２９７は、変調器の影響を受け、あるいは変調器によって変調される偏光ＰM1を有し、それに対して、偏光ＰM2を有する第２の出力光２９８が変調器によって変調されることはない。以下の議論の全体にわたって、偏光の状態を引用するときの直交の語は、必ずしも互いに垂直な２つの直線状態を指すものではなく、一般に、以下の特性を有する楕円偏光状態を含め任意の２つの偏光状態を指す。第１の偏光子が第１の偏光に対応する第１の固有状態を有し、第２の偏光子が第２の偏光に対応する第２の固有状態を有し、かつ偏光されていない光が第１の偏光子および第２の偏光子に入力された場合、第２の偏光子から光が出力されることはない。すなわち、第１の偏光子と第２の偏光子は一般的な意味で「交差する」。したがって、直線偏光の特殊な場合には、第１の偏光と第２の偏光は、互いに垂直であるときに直交する。円偏光の特殊な場合には、第１の偏光と第２の偏光が直交するのは、第１の偏光の左右像が第２の偏光の左右像と反対であり、すなわち、第１の偏光が時計回りであり、第２の偏光が逆時計回りであるか、あるいはその逆のときである。最後に、（円偏光が特殊な場合である）楕円偏光の場合には、第１の偏光は、それぞれ、第２の偏光の長軸および短軸に垂直な、長軸および短軸を有する。
再び図２９を参照するとわかるように、第１の偏光ＰM1と第２の偏光ＰM2を等しくすることはできず、また直交させることもできない。部分偏光２９４は可視光であってもなくてもよい。前述のように、スタック２９０と、特に第１のリターダ２９１および第２のリターダ２９２は、ポリマーリターダ、液晶ポリマーリターダ、形状複屈折材料、ポリマー複屈折リターダ、液晶ポリマーリターダ、複屈折結晶、液晶などでよい。スタック２９０は、図１のスタック２０に関して上記で論じたすべての可能な材料およびリターダを含むことができ、かつ実際に含む。したがって、第１の配向α1と第２の配向α2は等しくないが、第１のリターダンスΓ1と第２のリターダンスΓ2は、部分偏光２９４の偏光と、第１出力光２９７および第２出力光２９８のそれぞれの所望の偏光ＰM1およびＰM2とに応じて等しくても等しくなくてもよい。
図３０ａおよび図３０ｂは、図２９のスタック２９０に対応するスタック３００および３００’に入力された部分偏光２９４および２９４’の２つの一般的な例を示す。この場合、第２の偏光変換光２９６は、偏光ＰM1’を有する第１のスペクトルＦ’と、偏光ＰM2を有する第２のスペクトルＦ’とを含み、ＰM1とＰM2は直線偏光であり、必ずしも互いに垂直ではない。第２の偏光変換光２９６’は、偏光ＰM1を有する第１のスペクトルＦ”と、偏光ＰM2を有する第２のスペクトルＦ”とを含み、第１の偏光ＰM1と第２の偏光ＰM2は必ずしも互いに直交しない。
図３１ａおよび図３１ｂは、それぞれ、偏光子３１１および３１１’が追加された、スタック３００および３００’を示す。図３１ａは、第２の変換出力光２９６が、第１の偏光ＰM1および第２の偏光ＰM2で直線偏光された第１の部分２９７と第２の部分２９８とを含む場合に対応する。図３１ｂは、第２の変換出力光が、それぞれ、第１の偏光ＰM1および第２の偏光ＰM2で楕円偏光された、光の第１の部分２９７と光の第２の部分２９８とを含む場合に対応する。どちらの場合も、非偏光３１２は、偏光子３１１および３１１’によって少なくとも部分的に偏光され、図３０ａおよび図３０ｂに対応する部分偏光２９４および２９４’が生成される。偏光子３１１および偏光子３１１’は、この場合も図１の偏光子４０と同じものでよく、偏光子３１１および偏光子３１１’には、ダイクロイックや染料ベースの偏光子などの吸収型偏光子、またはコレステリックＬＣ、コレステリックポリマーＬＣ、リターダベースの偏光子およびスプリッタを含む非吸収型偏光子を含めることができる。偏光子３１１および偏光子３１１’には、偏光ビームスプリッタ、方解石、石英、散乱偏光子、プリズム偏光子、λ／４プレートを有するスタックコレステリック、またはその他のコレステリック型偏光子で使用される偏光子を含め、偏光誘電膜などの非吸収型偏光子を含めることもできる。
図３２ａおよび図３２ｂはそれぞれ、部分偏光２９４および２９４’を操作し、結果として得られる変調器出力光３２５および３２５’を出力する装置３２１を示す。図３２ａを参照するとわかるように、操作装置３２１はリターダ３２２と変調器３２０とを含む。リターダ３２２は、前述のリターダ２９１に類似しており、部分偏光２９４に対する配向α1を有し、リターダンスΓ1を有する。部分偏光２９４はリターダ３２２を通過し、変換光２９６に変換される。変換光２９６は、第１の偏光ＰM1と第１のスペクトルＦ’とを含む第１の部分２９７と、第２の偏光ＰM2と第２のスペクトルＦ（−）’とを含む第２の部分２９８とを有する。変換光２９６は次いで、変調器３２０に入力され、変調器３２０は、第１の部分２９７を第２の部分２９８とは異なるように変調する。特殊な場合には、第２の偏光ＰM2は、変調器３２０が電圧駆動変調器３２０にはかかわらずに第２の部分２９８に対して等方性に見える状態に対応するように選択することができる。上記の議論に対応する場合には、第２の偏光ＰM2は、変調器３２０の状態にかかわらず（たとえば、変調器３２０に印加される駆動電圧にかかわらず）、変換光２９６が変調器３２０を通過する際に変化せず、また影響を受けない。この場合、第２の部分２９８がそのような等方状態である場合に、第１の部分２９７がそのような等方状態であってはならない（たとえば、第１の部分は、印加駆動電圧によって変調しなければならない）。
代替実施形態では、偏光ＰM2を有する第２の部分２９８とは異なるように第１の偏光ＰM1を有する第１の部分２９７を変調器３２０によって変調すべきである。図を見ればわかるように、偏光ＰM1を有する第１の部分２９７は変調器３２０に入力されて変調され、第３のスペクトルＦ3と第３の偏光Ｐ3とを有する変調器出力光３２５の第１の部分３２３が生成される。また、第２の偏光ＰM2と第２のスペクトルＦ’とを有する第２の部分２９８は変調器３２０に入力され、変調器３２０は、第４のスペクトルＦ（−）4と第４の偏光Ｐ4とを有する変調器出力光３２５の第２の部分３２４を出力する。一般的に言えば、第１の部分２９７が変調器３２０から受ける影響は、すべての電圧について第２の部分２９８が変調器３２０から受ける影響と同じであるわけではない（第１の部分と第２の部分が同様に影響を受けるある電圧が存在する）。
図３２ｂは図３２ａに対応するが、直線偏光ではなく楕円偏光が変調器３２０に入力される。特に、変換光２９６’は、第１の偏光ＰM1’と第１のスペクトルＦ”とを有する第１の部分２９７’と、第２の偏光ＰM2’と第２のスペクトルＦ（−）’とを有する第２の部分２９８’とを含む。変換光２９６’の第１の部分２９７’は変調器３２０に入力され、第３の偏光Ｐ3’と第３のスペクトルＦ3’とを有する偏光変調器出力光３２５’の第３の部分３２３’に変換される。変換光２９６’の第２の部分２９８’は変調器３２０によって変調され、第４の偏光Ｐ4’と第４のスペクトルＦ（−）4’とを有する変調器出力光３２５’の第２の部分３２４’が生成される。特殊な場合には、偏光ＰM2’は変調器３２０の等方状態であり、したがって変換光２９６’の第２の部分２９８’は変調器３２０の影響を受けず、また変調器３２０によって変調されることはない。その場合、変換光２９６’の第１の部分２９７’は、変調器３２０に印加される駆動電圧にかかわらず変調器３２０によって変調される。
変調器３２０は、電気光学変調器でも、あるいは磁気光学変調器でも、あるいは光を変調できる他の光学ユニットでもよい。したがって、変調器３２０は、ネマティック液晶、表面モードデバイス、ねじれネマティック、超ねじれネマティック、電気制御複屈折、光制御複屈折、ハイブリッド電界、ハイブリッド整列ネマティックデバイスなどの液晶を含むことができる。別法として、変調器３２０はπセル、ゼロねじれモードセル、ゲストホスト染料液晶デバイスを含むことができる。変調器３２０は、スメクチック液晶、キラルスメクチック材料を含むこともでき、かつＦｍＣ*、表面安定ＦＬＣ、体積安定ＦＬＣ、ＦｍＡ*エレクトロクリニック、歪曲螺旋強誘電、耐強誘電、フレキソエレクトリック、キラル強誘電液晶を含むこともできる。リターダ３２２は、前述のスペクトルでリターダに使用された任意の材料で構成することができる。
図３３ａは、少なくとも部分偏光２９４を操作する装置３３０を示す。特に、装置３３０は、図３２ａおよび図３２ｂのリターダ３２２と変調器３２０とを含む。装置３３０はさらにリターダ３３１を含み、この場合、リターダ３２２は変調器３２０の一方の側にあり、リターダ３３１は変調器３２０の他方の側にある。図３３ａを参照するとわかるように、部分偏光２９４はリターダ３２２および変調器３２０を透過し、変調器３２０は、第１の部分３２３と第２の部分３２４とを含む中間光３２６を出力する。上記で図３２ａに関して論じたように、中間光３２６の第１の部分３２３は、第１のスペクトルＦ3と第３の偏光Ｐ3とを有し、中間光３２６の第２の部分３２４は、第４のスペクトルＦ4と第４の偏光Ｐ4とを有する。中間光３２６の第１の部分３２３は第２のリターダ３３１を透過し、第２のリターダ３３１は中間光３２６の第１の部分３２３を出力光３３５の３３３に変換する。出力光３３５の第１の部分３３３は第５のスペクトルＦ5と第６の偏光Ｐ5とを有する。また、中間光３２６の第２の部分３２４は第２のリターダ３３１を通過し、第２のリターダ３３１は、第２の部分３２４を、第６のスペクトルＦ6と第６の偏光Ｐ6とを有する出力光３３５の第２の部分３３４に変換する。第１のリターダ３２２は第１の配向α1と第１のリターダントΓ1とを有し、第２のリターダ３３１は第２の配向α2と第２のリターダントΓ2とを有する。第１のリターダントα1および第２のリターダントα2は、部分偏光２９４の偏光方向に対して測定される。前述のように、変調器３２０が第１の部分２９７を変調する方法は、変調器３２０が第２の部分２９８を変調する方法と同じであってはならない。
１つの特定の実施形態では、変換光２９６の第１の部分２９７が変調器３２０によって変調され、変換光２９６の第２の部分２９８が変調器３２０によって変調されることはなく、すなわち、変調器３２０が第２の部分２９８に対して等方性に見えるように、第１の配向α1と第１のリターダントΓ1を選択することができる。この場合、中間光３２５の第２の部分３２４は、変調器３２０によって変更または変調されることも、あるいは変調器３２０の影響を受けることもない。したがって、Ｆ’はＦ4とほぼ同じであり、ＰM2はＰ4とほぼ同じである。
他の特定の実施形態では、第５の偏光Ｐ5が第６の偏光Ｐ6に垂直になり、第５のスペクトルＦ5が第６のスペクトルＦ6を補うように二次配向α2および第２のリターダンスΓ2を選択することができる。そのような場合、分析器を使用して出力光３３５の第１の部分３３３と第２の部分３３４のどちらかを選択的にろ波し、それぞれ第５のスペクトルＦ5または第６のスペクトルＦ6を生成することができる。
他の実施形態では、変調器３２０が、第１の部分２９７が変調され第２の部分２９８が変調されない少なくとも１つの状態を変調器３２０が有するように、第１の配向α1および第１のリターダンスΓ1を選択することができる。
他の実施形態では、第１の配向α1は角度αのものでよく、第２の配向α2は配向９０±αでよい。
他の実施形態では、第２の部分２９８の第２のスペクトルＦ（−）’が第２の部分３２４に透過し、その場合、すべての駆動電圧について、第４のスペクトルＦ4は第２のスペクトルＦ（−）’とほぼ同じであり、第４の偏光Ｐ4は第２の偏光ＰM2とほぼ同じであるが、変換光２９６の第１の部分２９７は、中間光３２５の連続的に変化する第１の部分３２３を生成するように変調器３２０の駆動電圧に従って変化する。この特殊な場合には、変調器３２０を横切る駆動電圧が連続的に変化するにつれて出力光３３５の第１の部分３３３が０から第５のスペクトルＦ5および第５の偏光Ｐ5まで連続的に変化するように、第２の配向α2および第２のリターダンスΓ2が選択される。
図３３ｂは、部分偏光２９４’が楕円偏光される場合の図３３ａに対応する。
好ましい実施形態では、第１の切替え状態と第２の切替え状態との間で変調器３２０を切り替えることができ、この場合、第１の切替え状態は偏光の変調状態に対応し、第２の切替え状態は偏光の等方状態に対応する。この場合、変換光２９６の第１の部分２９７の第１のスペクトルＦが、変調器３２０の偏光の変調状態に対応する第１の偏光ＰM1を有するようにリターダ３２２の第１の配向α1およびリターダンスΓ1が選択される。また、第１の配向α1および第１リターダンスΓ1は、第２のスペクトルＦ（−）が第１のスペクトルＦの相補スペクトルＦ（−）に等しく、第２の偏光ＰM2が変調器３２０の偏光の等方状態に対応するように選択される。さらに、変調器３２０が第１の切替え状態であるときに、第５のスペクトルＦ5が第１のスペクトルＦにほぼ等しく、第６のスペクトルＦ6が相補スペクトルＦにほぼ等しく、第５の偏光Ｐ5が第６の偏光Ｐ6に直交するように、第２の偏光α2および第２のリターダントΓ2が選択される。すなわち、第１の部分３３３の偏光は出力光３３５の第２の部分３３４の偏光に垂直である。
角度が０°〜９０°である場合、フィルタは各色ごとに強度をアナログ制御する。第１の段は、ＴG＝ｓｉｎ2θ1を用いて緑を変調する。後に続く２つの段は、シアンＬＣＰＦと黄色ＬＣＰＦが共にすべての偏光で緑を透過させるので、緑の透過に影響を与えない。第２の段は、ＴR−ｓｉｎ2θ2を用いて赤を変調し、赤色光は第３の段の影響を受けない。青色変調に関して問題が生じる。青色光を偏光させるのが第３段偏光子７だけなので、ＬＣＤ４とＬＣＤ６は共に青色光の配向に影響を与える。したがって、ＴＢ＝ｓｉｎ2（θ2＋θ3）であり、これがＴRとは独立に制御されることはない。
この問題は、本発明の色選択性偏光変調器を用いて解決することができる。図３５は、スタック２０と変調器１０とを備える偏光変調器を示し、この場合、電気光学変調器の変調状態および等方状態はそれぞれ、直線偏光および円偏光である。ねじれネマティック液晶セルはこの種類に該当する。リターダスタック２０は、シアン色光を、この例では右回りの円偏光に変換し、赤色光を直線偏光のままにしておく。ＴＮ１０が０状態であるとき（図３５ａ）、赤色光は９０°に回転し、円偏光シアン色光は円偏光のままである。１状態（図３５ｂ）では、赤色光は零のままであり、シアン色光は円偏光のままである。電気光学変調器１０は赤色光をアナログ的に０°〜９０°だけ回転させるが、シアン色光は常に円偏光のままである。偏光変調光は、偏光分析器を用い、第２のリターダスタック３０をシアンＬＣＰＦ８０と組み合わせて使用して分析することができる。リターダスタックは、円偏光を直線偏光に変換し、直線偏光をそのままにしておく。色偏光子８０は、すべての切替え状態でシアン色光を透過させ、可変強度の赤色光を透過させる。
図３５の偏光変調器の重要な特徴は、この変調器が赤色光を選択的に変調するが、Plummer装置の第２の段（素子３、４、５）とは異なり、青色光を変調しない。このことの利点を図３６に示す。第１の段はマゼンタＬＣＰＦ８０ａ、ＬＣＤ１０ａ、中性偏光子４０を使用して緑色光を変調する。第２段素子２０、１０ｂ、３０は、青色光の偏光を変調せずに赤色光の偏光を変調する。第１の段よりも先の素子は緑色光を偏光させないので、緑色光が電気光学変調器１０ｂの変調状態になるか、それとも等方状態になるか、それともその両方の状態になるかは問題ではない。青色光は、第２の状態の影響を受けず、ＬＣＤ１０ｃと黄色ＬＣＰＦ８０ｃによって強度変調される。この３段フィルタでは、各原色は独立に強度変調される。
偏光子スタック２０はスペクトルＦ（−）を円偏光させ、スペクトルＦを直線偏光させる。最も簡単なスタックは、４５°に配向させた単一の４分の１波長リターダであり、設計波長はスペクトルＦ中のどこかに存在する。４分の１波長リターダンススペクトルＦを与えるが、スペクトルＦ全体にわたって４分の１波長リターダンスを与え、スペクトルＦでは全波長リターダンスまたは半波長リターダンスを与えるスタックを用いて、より優れた偏光制御を達成することができる。そのようなスタックを小幅アクロマチック複合４分の１波長リターダと呼ぶ。複合アクロマチックリターダは、引用によって全体的に本明細書に組み込まれた米国特許出願第０８／４９１５９３号に記載されている。アクロマチックリターダの実施形態は、角度π／１２、５π／１２、π／１２でリターダンスが等しい３つのリターダを有する。これらの角度は変更することができ、３つのリターダのリターダンスは、４分の１波長リターダンススペクトル領域の波長、帯域幅、遷移エッジを調整するように選択することができる。１４°、８５°、１４°のリターダは適切なスタックの例である。
図３６のフィルタは、偏光変調器でＴＮを使用するフィルタの唯一の実施形態である。このフィルタは、１つの段でしかリターダスタックを使用しない。他のフィルタを設計することができる。たとえば、中性偏光子は色選択偏光変調器の前方ではなく後方に配置することができる。色がろ波される順序は異なるものでよい。ただし、第１の段に緑を変調させると、リターダスタックに必要な遷移エッジ鮮鋭度が低下する。色選択性偏光変調器を有する段は、当技術分野で知られている他のカラーシャッタシステムと組み合わせることができ、ＬＣＰＳを使用したシャッタに限らない。
本発明のフィルタを他の能動フィルタまたは受動フィルタと組み合わせて使用することができる。ハイブリッドフィルタも能動フィルタまたは受動フィルタと共に構成することができる。たとえば、フィルタは、中性偏光子ではなく、染料型色偏光子や偏光子リターダスタック（ＰＲＳ）色偏光子などの色偏光子を使用することができる。この場合、「白」状態は、色偏光子が通過する波長のみを含む。白／原色フィルタを偏光干渉フィルタと組み合わせることもできる。
本発明の他のインラインフィルタは、図３７に示したように、第１の段を使用して、２つの原色を第３の原色専用の第２の段で時間多重化する。これは、すべての３つの原色を時間多重化するフィルタと、各原色ごとに１つの段を有する本発明の減色フィルタとの間のハイブリッドである。カラーシャッタ１００は２つの減法混色の原色、この例ではシアンおよびマゼンタを交互に透過させる。これらの色に共通の加法混色の原色、すなわち青は第２の段によって変調され、他の加法混色の原色、すなわち赤および緑は第１の段によって交互に変調される。カラーシャッタは任意のシャッタでよく、２つの減色原色の透過を切り替える。カラーシャッタは液晶セルを含むことができる。ＬＣＤ１０ａおよびＬＣＤ１０ｂを画素化する場合でも、カラーシャッタを画素化する必要はない。
青色光を変化させずに第１の段を通過させるには、リターダスタック２０によって青色光を円偏光に変換し、それに対して赤および緑（黄色）は直線偏光されたままにしておく。電気光学変調器１０ａは赤および緑をθ1だけ回転させるが、青は回転させず、第２のスタック３０は青を０°の直線偏光に再生する。第２段変調器１０ｂは、青色光をθ2だけ回転させ、ＬＣＰＦ８０は、θ2に依存する青色光の部分を透過させる。変調器１０ｂは赤色光および緑色光も回転させるが、ＬＣＰＦ８０は偏光にかかわらず赤および緑を透過させるので、赤出力および緑出力には影響を与えない。
すべての３つの色を時間多重化するフィルタに勝る図３７の２段フィルタの利点は、認識アーチファクトを防止するのに必要な動作速度が低くなることである。常に１つの原色が表示されるので、フリッカが低減する。各フレームに表示される原色が緑である場合、明るさが増加する。この原色が赤である場合、カラーバランスを向上させることができる。第１の段は、カラーシャッタ１００を使用して第１の段を時間多重化するのでなく画素化色受動カラーフィルタを画素化ＬＣＤ１０ａと組み合わせて使用して空間多重化することができる。この結合機能では、第２の段が１つの原色専用に使用され、リターダスタック２０のために、原色が第１の段によって変調されることはない。最終段は、赤および緑が変調されないかぎり、任意の手段を使用して青コレステリックなどの青色光を変調する。
本発明の他の好ましい実施形態は図４０に関して示されている。この場合、ダイレクトビューディスプレイ３０２’とキーボード３０４’はノートブックコンピュータを形成し、あるいは手持ちパーソナルデジタルアシスタント３００’を形成する。ディスプレイ３０２’は、図１の色選択性偏光変調器を使用して形成される。パーソナルコンピュータまたは手持ち表示装置３００’は、インターネットアクセスまたはｗｅｂアクセスを可能にするモデム３０６’を含むことができ、バッテリから電力を供給され、ディスクドライブまたはＣＤ ＲＯＭドライブ、デジタルカメラ、あるいはスキャナ３０８’を含むか、あるいはそれらの装置に接続することができる。
図４１の頭部装着ディスプレイシステム４００’を含め様々な応用例に関して、図１の構造を有し、斜め寸法が０．５インチ〜１．５インチ（１．２７ｃｍ〜３．８１ｃｍ）である小型のディスプレイシステムを製造することができる。システム４００’は、ユーザの頭部に対してシステムを固定し、ユーザの右目４２０’および左目４２２’に対してディスプレイ４０２’、４０４’を位置合わせするためのフレームまたはバンド４１２’を含む。各ディスプレイ４０２’、４０４’は、色画像をレンズシステム４０８’４０６’を通してユーザの目に送る。フレームまたはバンド４１２’に取り付けられたハウジング４１０’は、光学構成要素を含み、電子ディスプレイドライバとオーディオ構成要素とを含むことができる。各ディスプレイ４０２’、４０４’は蛍光型、エレクトロルミネセントディスプレイまたは他の放射ディスプレイなどの光源として薄いバックライトを含む。
他の好ましい実施形態を図４２に示す。この場合、色選択性偏光変調器は、背面投影コンピュータモニタおよびテレビジョン受像機で使用される。鏡５０２’および５０４’は、システム５００’によって生成された画像を背面表示画面５０６’上に送るために使用される。
図４３に示したように、本発明の好ましい実施形態は、第１および第２の液晶ディスプレイ２２’、２８’を有する投影システム１０’であり、液晶ディスプレイ２２’２８’はそれぞれ、第１および／または第２のカラーシャッタまたはスイッチ２０’、２６’に位置合わせされる。
システム１０’は、光源１２’と、ダイクロイックミラー１６’を通して光を送る反射鏡１４’を含み、ダイクロイックミラー１６’は２つの光路４２’、４４’に沿って光を分割する。経路４２’に沿って送られた光はまず、鏡１８’によって第１のカラーシャッタ２０’上に反射され、液晶ディスプレイ２２’を通して結合プリズム３０’に入る。光源は、メタルハライドランプでも、あるいはタングステンハロゲンランプでも、あるいはキセノンアークランプでもよい。
経路４４’に沿って送られた光は、鏡２４によって第２のカラーシャッタ２６’および第２の液晶ディスプレイを通してコンバイナ３０’に反射される。コンバイナ３０’は、互いにインタフェース３６’で接触する２つの素子３２’、３４’を含むことができ、素子３２’、３４’は２つの画像を組み合わせ、投影レンズ３８’によってビューイングサーフェス４０’上に投影される単一の画像を形成する。カラーシャッタ２０’、２６’は、選択された波長の光のそれぞれの液晶ディスプレイ２２’、２８’上への透過を選択的に制御する。シャッタ２０’、２２’は、Johnson他の米国特許第５１３２８２６号、第５２３１５２１号、第５２４３４５５号により詳しく記載されたスメクチック液晶材料および／またはキラルスメクチック液晶材料を使用する。これらの特許の内容全体が引用によって本明細書に組み込まれている。シャッタは、偏光スイッチを形成する働きをするπセル設計、均質ネマティック設計、またはその他のネマティック設計でもよい。シャッタ２０’、２６’を組み合わせて使用して３つの原色、すなわち赤、緑、青を順次透過させることができ、それにより、ディスプレイ２２’、２８’によって生成された２つの画像は、コンバイナ３０’によって組み合わされたときにフルカラー画像を形成する。
好ましい実施形態では、２つの原色が交番する１つのシャッタを使用するだけでよい。この実施形態では、一方のディスプレイが、与えられた時間にシャッタによって透過される２つの原色のうちの一方を受け取り、それに対して他方のディスプレイは、一方の原色のみの透過を制御する。この実施形態の１つの例示的な例では、シャッタ２６’が除去され、ダイクロイックミラー１６’は青色光を経路１４’に沿ってディスプレイ２８’へ送り、赤および緑は経路４２’に沿って単一のシャッタ２０’へ送られ、シャッタ２０’は２つの状態を切り替えて赤および緑を順次ディスプレイ２２’上に透過させる。ディスプレイ２２’は、ディスプレイ２８’よりも高速に動作して、各青フレームごとに赤フレームおよび緑フレームを生成する。
図１に示したシステムは、オーバヘッドプロジェクタと共に使用できるようにハウジング内に取り付けることができる。図４４は、オーバヘッドプロジェクタ１０２’と共に使用されるカラーシャッタ撮像システムを形成するハウジング１０８を示す。プロジェクタ内のランプ１０４’は光を軸１１０’に沿ってパネル１０６’へ送り、パネル１０６’は通常、トランスパレンシ（透明性）、白黒ディスプレイ、またはカラーフィルタディスプレイを支持する。ハウジング１０８’は、プロジェクタのレンズシステム１１２’、１１４’を通して送られる高解像度色画像を形成する。
ハウジング１０８’は、図１で説明したような光変調システムを支持し、光変調システムを制御する変調制御回路を覆う。ハウジング１０８’は、オーバヘッド投影光表面から透過した光を変調できるように縁部に沿って光変調素子を支持する支持要素を含む。ハウジング１０８’は格納性、携帯性、機能を向上させ、しかもオーバヘッドプロジェクタ光表面からの過度の光を遮断するために使用されるときに十分な寸法を維持する。
前述の実施形態は例示的なものに過ぎず、これらの実施形態は発明を制限するものと解釈すべきではない。本発明の教示は他の種類の装置に容易に適用することができる。本発明の説明は、例示的なものであり、請求の範囲を制限するものではない。当業者にとっては多数の代替形態、修正形態、変形形態が明らかになろう。
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【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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【図２３ｃ】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２５ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０ａ】
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【図３０ｂ】
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【図３１ａ】
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【図３１ｂ】
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【図３２ａ】
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【図３２ｂ】
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【図３３ａ】
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【図３３ｂ】
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【図３４】
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【図３５ａ】
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【図３５ｂ】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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