(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示装置であって、
面内リターダンスおよび第１の光軸を有する一つまたはそれ以上のリターダで、少なくとも一つが第１の駆動電圧を調整することで前記第１の光軸の予め定められた軸に対する第１の配向角と、前記第１の光軸の前記予め定められた軸に対する前記第１の配向角の極性を反転した前記第１の光軸の前記予め定められた軸に対する第２の配向角とに切り替わる能動制御液晶リターダであるリターダと、
第２の光軸を有し、第２の駆動電圧を調整することで前記第２の光軸の前記予め定められた軸に対する第３の配向角と、前記第２の光軸の前記予め定められた軸に対する前記第３の配向角の極性を反転した前記第２の光軸の前記予め定められた軸に対する第４の配向角とに切り替わる強誘電性液晶表示装置とを備え、
前記一つまたはそれ以上のリターダは、前記第１及び前記第２の駆動電圧を調整することで、前記第１、第２、第３及び第４の配向角の４つの異なる組み合わせからなる輝度の２つの無収差白色状態と２つの高コントラスト黒色状態を有するよう前記強誘電性液晶表示装置と結合して機能することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記表示装置は反射型表示装置であって、前記一つまたはそれ以上のリターダは前記強誘電性液晶表示装置の光入力側に位置されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記表示装置は透過型表示装置であって、前記一つまたはそれ以上のリターダは前記強誘電性液晶表示装置の光入力側に位置されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
面内リターダンスおよび第３の光軸を有し、前記強誘電性液晶表示装置の光出力側に位置される一つまたはそれ以上のリターダをさらに備え、前記リターダの少なくとも一つは能動リターダであることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記一つまたはそれ以上のリターダの光入力側に位置された線形偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項６】
前記一つまたはそれ以上のリターダの光入力側に位置されたビームスプリッタをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項７】
前記一つまたはそれ以上のリターダの光入力側に位置された線形偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項８】
前記強誘電性液晶表示装置の光出力側に位置された前記一つまたはそれ以上のリターダの光出力側に位置される線形偏光子、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項９】
前記少なくとも一つの能動制御液晶リターダは、少なくとも一つのスメクティック液晶リターダを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの能動制御液晶リターダは、少なくとも一つのネマティック液晶リターダを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのネマティック液晶リターダは、少なくとも一つのπセルを有することを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記少なくとも一つのネマティック液晶リターダは、二つのπセルを有し、前記二つのπセルは、平行配向を有することを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記一つまたはそれ以上のリターダは、受動リターダをさらに含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記強誘電性液晶表示装置の光出力側に位置された一つまたはそれ以上のリターダは、受動リターダを含むことを特徴とする請求項４、７または８に記載の表示装置。
【請求項１５】
前記能動制御液晶リターダは、半波長リターダであり、前記強誘電性液晶表示装置は、４分の１波長リターダを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１６】
前記能動制御液晶リターダの各々は、半波長リターダであり、前記強誘電性液晶表示装置は、半波長リターダを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１７】
前記少なくとも一つのネマティック液晶リターダは、半波長リターダであり、前記強誘電性液晶表示装置は、４分の１波長リターダを含むことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１８】
受動リターダは、前記少なくとも一つのネマティック液晶リターダと前記強誘電性液晶表示装置との間に位置されることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本特許出願は、１９９８年１２月１８日に出願された米国特許出願番号０９／２１５，２０８の一部継続出願である。米国特許出願番号０９／２１５，２０８は、１９９７年７月２８日に出願された米国特許出願番号０８／９０１，８３７の一部継続出願である。米国特許出願番号０８／９０１，８３７は、１９９５年４月７日に出願された米国特許出願番号０８／４１９，５９３（特許番号５，６５８，４９０）の継続出願である。これらはここにおいてその全ての内容が引用により組み込まれる。本特許出願は、さらに１９９８年１２月１８日に出願された米国特許仮出願番号６０／１１３，００５および１９９９年２月２４日に出願された米国仮出願番号６０／１２１，４９４の優先権も主張されている。【０００２】  本発明は、混合リターダに関する。特に本発明は、無色混合光軸配向および／または、少なくとも２つの混合リターダ配向状態の各々で無色混合合成リターダンスを示す無色混合リターダのディスプレイへの使用に関する。さらに本発明は、ディスプレイ装置のための無色インバータを構成する無色混合リターダに関する。
【背景技術】
【０００３】  液晶リターダは、チューナブル・フィルタ、増幅変調器、光シャッタなどの光学装置に使われることが多くなっている。面上に整列するスメクティック装置は、電場が光軸の方向を回転するが複屈折は変化しない回転波長板として機能する。これに対して、ホメオトロピック配列スメクティック液晶、ホモジニアス配列ネマティック装置、およびネマティックπセルは、電場が複屈折を変化させる可変リターダとして機能する。色度は、受動液晶と能動液晶の両方において複屈折素子の性質である。色度には主に２つの要素がある。（１）複屈折（Δｎ）において波長λによって変化する分散と、（２）波長に依存する光学光路長によるリターダの明らかな１／λ依存性とである。これら両方の要素は、波長が短くなるにつれて複屈折を増大させるように寄与する。ある波長で特定のリターダンスを有する複屈折物質は、より短い波長に対してより高いリターダンスを、より長い波長に対してより低いリターダンスを有する。色度は、複屈折光学装置のスペクトル作用領域に限界を設けてしまう。【０００４】  受動リターダに対する色度補償は、Ｓ．パンチャラトナム(S. Pancharatnam, Proc. Indian Acad. Sci. A41, 137 (1995))およびＡ．Ｍ．タイトル(A.M. Title, Appl. Opt. 14, 229 (1975))に示され、これらは引用によりその内容がここに組み込まれる。受動複屈折物質の波長依存性は、単一のリターダを混合リターダに換えることにより低減することができる。無色混合リターダにおける原理は、十分なリターダンスと関連する配向とを持つ波長板の積層が、波長に対して変化しないリターダンスを有するピュアリターダとして振舞う構造をとるように選択されうるというところにある。パンチャラトナムは、ポアンカレ球と球面三角法を用いて、同一のリターダ物質による３つのフィルムの最小構成でそのような装置が実現されることを示した。上記のタイトルによるジョーンズ分析により、この結果を実現するための構造に必要な条件が確認された。すなわち、（１）混合構造が（回転のない）ピュアリターダとして振舞う要件は、入力リターダおよび出力リターダを平行に配向させて同じリターダンスを持つようにさせること、及び（２）混合リターダ光学軸および波長に対するリターダンスの第１オーダーの安定性は、中央リターダが半波長板であることを要求すること、である。これらの条件は、特定の無色リターダンスに対する中央リターダに関する外部の構成要素のリターダンスおよび配向を決める設計方程式を導く。これらの設計方程式は中央リターダの唯一の配向および外部リターダに対する唯一のリターダンスを特定するので、これらは能動液晶装置に用いることが出来ず、能動リターダの色度の問題が残る。【０００５】  例えば無色半波長リターダに対して、設計方程式は、外部のリターダも半波長板であり、中央リターダに対するこの外部リターダの配向はπ／３となることを指示する。全部の構成を機械的に回転することにより、波長により変化しない偏光変調器が実現可能となる。さらに、タイトルは、混合半波長リターダが半分割でき、一方半分を他方半分に対して機械的に回転させることにより無色可変リターダンスを得ることができることを示した。この混合半波長リターダは、天体像分光器のための同調���光干渉フィルタとして広く使われている。【０００６】  強誘電性液晶（ＦＬＳ）は、主にシャッタおよびシャッタ列に適用される。現在の技術において、交差または平行偏光子２０および２２の結合に対してＦＬＣリターダの光軸をπ／４から０の間に再配向することによって、ＦＬＣシャッタ（図１）のオン状態およびオフ状態が作られる。オフ状態において、ｘ偏光の光は液晶セルによって回転させられず、出口偏光子によって遮断される。オン状態において、偏光状態は９０°回転され、出口偏光子を透過する。【０００７】  変調の強度を最大にするために、適切な設計波長において半波長リターダンスを得るようにセルギャップが選択される。ｘ偏光のオン状態における透過は、理論的には設計波長に対して一様であり、吸収、反射および散乱損失を無視できる。他の波長においては、透過は減少する。図１に示すＦＬＣについて理想的な透過関数は、次式で与えられる。【０００８】
【数１】
0005247955.tif 000002
ここでδは、波長に対する半波長リターダンスからのずれである。この式は、透過損失が２次のオーダーでδに依存することを示す。オフ状態の透過は原理的にはゼロであるが、実際には欠損、配列不良を有する複領域の存在および温度による傾角の揺らぎによる非偏光によって、１０００：１以下の限界がある。【０００９】  広い波長帯にわたるＦＬＣシャッタの高い透過性は、ゼロオーダーリターダンスの装置によって実現されるが、リターデーションの波長逆数依存性および液晶物質の複屈折分散が比較的大きいために、最終的には限界がある。例えば、４００ｎｍおよび７００ｎｍでのオン状態損失を均等化する可視光ＦＬＣシャッタ装置は、４８０ｎｍを中心とする半波長リターダを必要とする。こリターダンスを有するゼロオーダーＦＬＣ装置は、典型的なＦＬＣ複屈折のデータを用いて、おおよそ１．３ミクロンの厚さを有する。極端に外れた波長における透過損失は、半波長リターダンスから逸脱しているため、約４０％である。これはＦＬＣディスプレイの輝度ならびにＦＬＣシャッタおよび光変調器の作用バンドを相当に制限する。チューナブル光ファイバや逐次場(field-sequential)ディスプレイ色シャッタなどの複ＦＬＣ装置を用いたシステムにおいて、光のこの損失源は、全体のスループットおよびスペクトルの純粋性にたいして決定的な影響を与えてしまう。【００１０】  上述の引用は、その引用によってここに組み込まれ、適宜、付加的または代替的な詳細、特徴、技術背景の教示に引用される。
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる液晶表示装置用無色インバータを提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明は、無色混合リターダ、無色偏光スイッチおよび無色混合リターダを用いた無色シャッタを提供する。さらに本発明は、スメクティック液晶を利用した無色可変リターダを提供する。本発明の無色シャッタは、全可視光にわたりオン状態の透過が非常に高く、偏光子損失の正規化後において４００ｎｍから７００ｎｍで９４％以上であり、さらに高コントラストで、４５０ｎｍから７００ｎｍで１０００：１である。
【００１３】  本発明の無色混合リターダの第１の形態は、回転可能な中央スメクティック液晶半波長リターダと、液晶リターダの各面に直列に配された二つの外部受動リターダとを備える。この外部リターダは、等しいリターダンスを有し、互いに平行に配向される。外部素子のリターダンスと中央リターダに対するそれらの配向は、設計方程式により、混合構造について特定のリターダンスを有するように決定される。上述の無色混合リターダの反射型は、単一の受動リターダと反射素子との間に配されたスメクティック液晶４分の１波長板を備える。
【００１４】  本発明の無色混合リターダにおいて、中央リターダについて配向とリターダンスとの両方において最大の色収差補正を有する構造となる中央リターダの配向がある。本発明の重要な形態として、（１）中央リターダの光軸配向が変化した時に、設計した波長での合成リターダンスは変化しない、および（２）合成リターダンスが無色でないにもかかわらず、混合リターダの光軸配向が安定（無色）であるような中央リターダの光軸配向が存在する、という発見がある。
【００１５】  中央リターダは、上述のように液晶リターダを備えてもよい。スメクティック液晶セルの場合には、印加される電場が光軸を二つまたはそれ以上の配向の間で回転する。それらの配向のうちの一つが混合リターダンスの最大の色収差補正を提供する。上述のように、混合リターダの光軸が、合成リターダンスが無色でないにもかかわらず、無色となるような少なくとも一つの他の光軸配向も存在する。さらに、スメクティック液晶セルの光軸の配向が変化しても、設計した波長での合成リターダンスは変化しない。
【００１６】  中央リターダは、空間的に切替えられる面状整列の受動リターダであって、光軸の配向が空間的切替受動リターダの位置を関数として変化するものをも備えてもよい。空間的切替受動リターダは、少なくとも二つの光軸配向状態を有し、そのうちの一つの配向は混合リターダのリターダンスを実質的に無色とし、第２の配向は、合成リターダンスが無色でないにもかかわらず、混合リターダの光軸配向を実質的に無色とする。
【００１７】  上述の無色性は、線形偏光子と混合無色リターダを備える本発明の無色偏光スイッチ、および一対の偏光子の間に配される混合無色リターダを備える本発明の無色シャッタに用いられる。中央リターダの１つの光軸配向状態（オン状態）において、混合リターダは無色である。中央リターダの第二の光軸配向状態（オフ状態）において、混合リターダは一方の偏光子と平行に配されているので、光線が混合リターダを「見る」ことはできない。したがって、オフ状態において波長に対して不変なリターダンスを必要としない。オフ状態での混合リターダの無色配向により、シャッタは高コントラストとなる。本発明はさらに、反射型シャッタを提供する。
【００１８】  他の形態による液晶混合リターダにおいて、スメクティック液晶半波長リターダは、第１及び第２液晶可変複屈折リターダに置き換えられる。第１及び第２液晶可変複屈折リターダはそれぞれ第１及び第２の固定光軸配向およびゼロと半波長との間を切り替わるリターダンスとを有する。一方のリターダがリターダンスをゼロに切り替わった時に、他方は半波長に切り替わり、その逆もまたそうであるので、この一対による合成リターダンスは、第１及び第２光軸配向の間を切り替わることができる半波長リターダンスである。
【００１９】  本発明による無色可変リターダンスのスメクティック液晶混合リターダは、受動部に対して回転可能な能動部を備える。能動部は以下の２つの液晶リターダを備える。すなわち、互いにα２とα２＋π／３の角度に配向された半波長板および４分の１波長板であり、ここで角度α２は電気的に切りかえることができる。受動部は以下の２つのリターダを備える。すなわち、互いにα１とα１＋π／３の角度に配向された４分の１波長板および半波長板であり、ここで角度α１は固定である。４分の１波長板は半波長板の間に配される。混合構造の合成リターダンスは、２（π／２−α２＋α１）である。リターダンスを変化させるために、能動部のリターダは両方回転される。
【００２０】  本発明の、面内整列スメクティック液晶セルは、連続的または離散的に電気的な回転が可能な光軸を有する。スメクティック液晶セルとしてＳｍＣ＊液晶やＳｍＡ＊などの他、ねじりらせん強誘電体（ＤＨＦ）、反強誘電体、アキラル(achiral)強誘電性液晶を用いることができる。本発明の可変複屈折液晶セルは、ホモジニアス（平行）配列ネマティック液晶、πセル、ホメオトロピック（垂直）配列スメクティック液晶セルを含む。
【００２１】  本発明は、その全体または部分において以下の構成により実現される。混合リターダンスおよび混合光軸を示す無色混合リターダであって、（１）設計された波長で所定のリターダンスを有するとともに、所定の光軸配向を有する第１受動リターダ部と、（２）この設計された波長で第１受動リターダ部と同じリターダンスを有するとともに、第１受動リターダ部と実質的に同一の光軸配向を有する第２受動リターダ部と、（３）第１受動リターダ部と第２受動リターダ部との間に位置し、設計された波長でπのリターダンスを有するとともに、その位置の関数として変化する光軸配向を有する中央リターダ部とを備え、少なくとも混合リターダンスが実質的に無色となる第１配向状態と第２配向状態との間で光軸配向が変化する。
【００２２】  本発明は、その全体または部分において以下の構成によっても実現される。反射型無色混合リターダであって、（１）設計された波長で所定のリターダンスを有するとともに、所定の光軸配向を有する第１受動リターダ部と、（２）反射部と、（３）第１受動リターダ部と反射部との間に位置し、設計された波長でπ／２のリターダンスを有するとともに、その位置の関数として変化する光軸配向を有する空間切替リターダ部とを備え、少なくとも混合リターダンスが実質的に無色となる第１配向状態と第２配向状態との間で光軸配向が変化する。
【００２３】  本発明は、その全体または部分において以下の構成によっても実現される。合成光軸および合成リターダンスを示す無色混合リターダであって、（１）設計された波長で所定のリターダンスを有するとともに、所定の光軸配向を有する第１受動リターダ部と、（２）この設計された波長で第１受動リターダ部と同じリターダンスを有するとともに、第１受動リターダ部と実質的に同一の光軸配向を有する第２受動リターダ部と、（３）第１受動リターダ部と第２受動リターダ部との間に位置し、設計された波長でπのリターダンスを有するとともに、その位置の関数として少なくとも２つの配向状態に切り替わる光軸配向を有する中央リターダ部とを備え、合成光軸配向、合成リターダンス、またはその両方が中央リターダ部の２つの配向状態において無色である。
【００２４】  本発明による混合リターダは、反射型または透過型表示装置において新規な無色インバータを提供することもできる。無色インバータは、高い２つおよび低い２つの計４つの強度または輝度を有する液晶ディスプレイパネルと協働して、逆像(inverse image)フレームを表示することができる。
【００２５】  特に、本発明の第１の形態によれば、反射型表示装置は、面内リターダンスおよび面内配向を有する一つまたはそれ以上のリターダで、少なくとも一つが能動制御液晶リターダであるリターダと、強誘電性液晶表示装置とを備える。この一つまたはそれ以上のリターダは、輝度の４つの状態を有するよう前記強誘電性液晶と結合して機能する。
【００２６】  本発明の他の形態によれば、反射型表示装置は、線形偏光子と、能動制御液晶リターダと、強誘電性液晶表示装置とを備える。さらに他の形態によれば、反射型表示装置は、偏光ビームスプリッタと、能動制御液晶リターダと、強誘電性液晶表示装置とを備える。両方の形態において、能動制御液晶リターダおよび強誘電性液晶表示装置は、４つの輝度状態を有する少なくとも２つの配向の間を切替ることができる。さらに他の形態によれば、透過型表示装置であって、第１偏光子と、第１能動制御液晶リターダと、強誘電性液晶表示装置と、第２能動制御液晶リターダと、第２線形偏光子とを備える。
【００２７】  能動リターダは、スメクティックまたはネマティック液晶リターダのいずれかであってよい。本発明の他の形態によれば、反射型表示装置は、線形偏光子と、能動制御ネマティック液晶と、強誘電性液晶表示装置とを有する。さらなる他の形態によれば、反射型表示装置は、偏光ビームスプリッタと、能動制御ネマティック液晶リターダと、強誘電性液晶表示装置とを備える。両方の形態において、能動制御ネマティック液晶リターダおよび強誘電性液晶表示装置は、組み合わせにより４つの輝度状態を有する少なくとも２つの配向の間を切替えることができる。さらに、能動制御ネマティック液晶リターダと強誘電性液晶表示装置との間に、受動リターダを備えてもよい。さらに、能動制御ネマティック液晶リターダは、１つまたはそれ以上のπセルを有してもよい。１つまたはそれ以上のπセルが能動制御ネマティック液晶リターダとして用いられている場合には、この１つまたはそれ以上のπセルと強誘電性液晶表示装置との間、または隣接するπセル間に受動リターダが配置されてもよい。さらに表示装置には、この１つまたはそれ以上のπセルに加えて、１つまたはそれ以上のπセルに隣接するかまたは１つまたはそれ以上のπセルの間に配される能動制御液晶リターダが追加されてもよい。
【００２８】  本発明のさらなる効果、目的および特徴は、これより後の明細書に部分的に述べられており、また部分的にはこれより後の説明により当業者に明らかであり、または本発明の実施により得られる。本発明の目的および効果は、添付の特許請求の範囲の記載により実施されあるいは実現される。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  本発明の装置内の要素は、光学的に直列に連結されている。偏光子の配向は、透過軸の配向に関係し、複屈折要素の配向は、その要素の主光軸に関係する。ここで配向は、光の伝播軸ｚに垂直な面内の任意の軸に関して定められる。この任意の軸は、図において「ｘ」軸と呼ばれる。複屈折要素の図において、配向は、頭部に矢印がついた線で示され、リターダンスは、要素の横側に表示される。リターダンスが、二値の間で交換可能であるとき、値は、両方とも横側に表示され、コンマで分けられる。リターダンスは、設計波長におけるリターダンスに関する。πリターダンスは、半波長（λ／２）リターダンスに等しい。
【００３０】  固定リターダの用語は、複屈折要素に関し、そこで配向及びリターダンスは、電気的に変調することができない。能動リターダの用語は、複屈折要素に関し、そこで配向及び／又はリターダンスは、電気的に変調することができる。
【００３１】本発明の回転可能な液晶リターダは、電気的に回転可能な配向及び設計波長における固定リターダンスを有する。液晶可変リターダ、又は同等に、液晶可変複屈折リターダは、電気的に可変なリターダンス（複屈折）及び固定の配向を有する。混合リターダの用語は、単一のリターダとして機能する２又はそれ以上のリターダのグループに用いられる。混合リターダの混合リターダンスは、配向及びリタ−ダンスによって特徴づけられる。
【００３２】  空間的に交換されたリターダは、配向及び／又はリタ−ダンスがリターダの位置の関数として変化する能動又は受動リターダに関する。
【００３３】  設計波長及び設計周波数（υｏ）という用語は、混合リターダ中の個々のリターダが供給する特定のリタ−ダンスにおける波長及び周波数に関する。無色リターダという用語は、リターダンス及び設計周波数（Δυ／υｏ）からの入射光のずれにおける配向の双方において最低の一次オーダー依存を有するリターダに関する。無色配向という用語は、設計周波数からの入射光のずれについて最低の一次オーダー依存を有する光軸の配向に関する。
【００３４】  本発明の無色混合リターダの第１実施形態（図２（ａ））は、角度α２及びα２’の間を電気的に回転可能な配向を有する、平面に整列されたスメクティック液晶リターダ３０を備える。これらの配向は、ここでそれぞれオン状態及びオフ状態と呼ばれる。リターダ３０は、設計波長において半波長リターダンス（Γ２０＝π）を与える。設計波長において配向α１及びリターダンスΓ１０を有する外部リターダ４０及び４２は、中央リターダ３０のどちらかの側面に配置される。代わりの実施形態としては、外部リターダ４０及び４２が平行である代わりに交差である。この形態において設計式は、平行リターダの場合のために導かれる。類似した式が交差リターダのために導くことができる。
【００３５】  この形態において中央リターダは、ＦＬＣであるが、同様に、平面に整列されたＳｍＣ＊及びＳｍＡ＊液晶、ねじりらせん強誘電体（ＤＨＦ）、反強誘電体、及びアキラル強誘電性液晶を含む電気的に回転可能な光軸を有するどの材料でもよい。リターダは、少なくとも２つの配向α２及びα２’の間で切り替わる。それは、使用される液晶及び適用される電界に依存してα２及びα２’を含む配向の範囲の間を連続的に回転する、双安定の状態α２及びα２’の間を切り替わる、又は２又はそれ以上の分離した、しかし必ずしも安定した配向でない配向の間で切り替えられる。
【００３６】  無色混合リターダ（図２（ｂ））の第２の実施形態においては、回転可能なリターダ３０は、空間切替リターダ１００によって置き換えられる。空間切替リターダ１００は、空間切替リターダ１００の位置の関数として変化する光軸配向を有する、平面に整列された受動リターダであることが好ましい。図２（ｂ）に示す実施形態においては、空間切替リターダ１００は、リターダ１００の一つの部分１００ａにおいて固定光軸配向α２を、空間切替リターダ１００の第２の部分１００ｂにおいて光軸配向α２’を有する。設計波長における空間切替リターダ１００のリターダンスは、固定されることが好ましく、第１及び第２リターダ部分１００ａ及び１００ｂの双方についても同様である。
【００３７】  図２（ａ）に示した実施形態と同様に、配向α２及びα２’は、それぞれオン状態及びオフ状態と呼ばれる。空間切替リターダ１００は、第１部分１００ａ及び第２部分１００ｂの双方について設計波長において半波長リターダンス（Γ２０＝π）を与えることが好ましい。空間切替リターダ１００は、それぞれの光軸配向α２及びα２’について少なくとも２つの部分１００ａ及び１００ｂに分けられる。しかしながら、空間切替リターダ１００は、他の光軸配向を示す追加の部分に分けることもできる。
【００３８】  空間切替リターダ１００は、どの複屈折材料であってもよい。適する材料としては、雲母又は水晶等のような結晶材料、マイラー、ポリカーボネート、及び高分子液晶フィルム等のような引き伸ばされた高分子フィルムを含む。
【００３９】  無色混合リターダの第３の実施形態（図２（ｃ））において、回転可能なリターダ３０は、それぞれα２及びα２’の固定配向を有する可変リターダ３１及び３３で置き換えられる。３１及び３３のリターダンスは、ゼロと半波長の間で切り替えられる。リターダンスは、同時に切り替えられ、それはここで使用されているのと同様に、あるものがゼロリターダンスを有すれば、他のものが半波長リターダンスを有し、その逆も同様であることを意味する。したがって、３１及び３３の混合リターダンスは常に半波長であって、混合配向はα２及びα２’の間を切替可能である。
【００４０】  液晶可変リターダ３１及び３３は、一様に整列されたネマティックセル、ネマティックπセル、及びホメオトロピックに整列されたスメクティック液晶リターダを、これらに限定しないが、含んでもよい。従来技術で知られているように一様に整列されたネマティックセル及びネマティックπセルは、時々電気的にゼロリターダンスにすることができないことがある。この場合、液晶セルは、残余リターダンスを補償するために受動リターダと組み合わせられる（「詰められる」）ことができる。もし複屈折が同じ符号を有する場合、受動リターダは、液晶リターダに対して直交に配置され、複屈折が反対の符号を有する場合、平行に配置される。本発明においては、可変リターダ３１及び３３は、ノンゼロ残余リターダンスを補償するために任意に受動リターダを含む。
【００４１】  この発明は、ここで回転可能な液晶リターダ（図２（ａ））とともに図２（ａ）〜２（ｃ）の代表的な種類として説明される。調整可能なリターダを利用する本発明の全ての実施形態において、液晶回転可能リターダは、図２（ｃ）に示す方法で液晶可変リターダの組によって置き換えることができることを理解すべきである。いくつかの理由から図２（ａ）の種類は、図２（ｃ）の種類より好ましい。それは、二つの能動セルの代わりに、単一の液晶セルを用いるので構造がより単純である。更に加えて、スメクティック液晶の切り替え速度は、ネマティックよりも大きさのオーダー速い。最後に、視界がより大きい。
【００４２】  受動外部リターダは、どの複屈折材料であってもよい。上記に述べたように、空間切替リターダと関係して、適する材料としては、雲母又は水晶等のような結晶材料、マイラー、ポリカーボネート、及び高分子液晶フィルム等のような引き伸ばされた高分子フィルムを含む。好ましい実施形態では、受動外部リターダの分散は、中央リターダの分散とほぼ一致する。例えば、雲母はあるＦＬＣと類似した分散を有する。
【００４３】  中央リターダがα２の方向に向けられたときにオン状態において無色となるように、この発明の無色混合リターダは設計される。配向及びリターダンスの無色性のための、リターダの相対配向のための一つの解決策は次式で与えられる。
【００４４】
【数２】
0005247955.tif 000003
ここでΔ＝α２−α１である。更に、それもまた無色配向及びリターダンスをもたらす特定の設計周波数のための孤立した配向がある。混合リターダのリターダンスΓは、次式で与えられる。
【００４５】
【数３】
0005247955.tif 000004
混合リターダの配向Ω＋α１は、次式で与えられる。
【００４６】
【数４】
0005247955.tif 000005
ここでΩは、外部受動リターダの配向に関する混合リターダの配向である。
【００４７】  上記の設計式に基づいて、混合リターダの所望のリターダンスを与えるため及び無色性を確保するために外部リターダのリターダンス及びリターダの相対配向を、選択することができる。例えば、無色混合半波長リターダ（Γ＝π）のために、式３は、解答Γ１０＝πを与え、式２は、Δ＝６０°のリターダの相対配向を与える。式４は、Ω＝３０°としての混合リターダの相対配向を与える。したがって、混合半波長リターダのためにΩ＋α１＝４５°の配向を得るためには、外部リターダは、α１＝１５°に向けられる。Δ＝６０°であるので、中央リターダの配向は、α２＝７５°でなければならない。同様に、無色混合４分の１波長リターダ（Γ＝π／２）のために、式は、Γ１０＝１１５°、Δ＝７１°、及びΩ＝３１°をもたらした。を与え、式２は、Δ＝６０°のリターダの相対配向を与える。したがって、Ω＋α１＝４５°の配向のためには、外部リターダは、α１＝１４°に向けられ、中央リターダは、α２＝８５°に向けられる。
【００４８】  図２（ａ）の無色混合リターダにおいては、液晶中央リターダは、α２及びα２’の間で回転可能な光軸を有する。液晶リターダがα２’にあるとき、外部受動リターダに関する配向は、Δ’＝α２’−α１であり、外部リターダに関する混合リターダの配向は、Ω’である。式２は、混合リターダが無色となる上記Δの値に対して唯一の解を与えるので、それは、外部リターダに関して中央リターダの配向を変えないことを教える。本発明の特徴は、（１）式２の条件を満足しない中央リターダのα２’の配向において、混合リターダンスΓは、設計波長において、それでもやはり変化しないこと、及び（２）混合リターダが無色でなくとも中央リターダの配向α２’があり、波長に関して光軸配向が安定していることの発見である。
【００４９】  この発明の更なる特徴としては、多くのデバイスにおいて混合リターダンスが、ある切替状態においてデバイス出力に影響しない。したがって、これらの状態において、デバイスが無色である必要がないことの実現にある。特に、混合リターダが、偏光子に平行に向けられたときには、偏光された光はリターダによって変調されないので、どのリターダンスの色度も重要でない。光軸の配向の安定性のみが要求されるので、波長領域を操作する間中、配向は偏光子に対して平行のままである。これらの特性は、回転可能又は空間切替中央リターダを有する混合リターダを使用する色々な有用なデバイスへと導く。
【００５０】  無色混合リターダの好ましい実施形態においては、中央リターダが、α２’に向けられたとき、混合リターダの光軸配向は、無色である。リターデーション軸の配向の周波数依存の第１のオーダーの項は、次式で与えられる。
【００５１】
【数５】
0005247955.tif 000006
ここでεは、相対周波数差Δν／ν０である。式２が満足されるオン状態において式５は、∂Ω／∂ε＝０を与えることに注意する。これは、オン状態配向が無色であることを裏付ける。α２’のオフ状態の配向においては、式５は、∂Ω’／∂εの大きさを決定することに用いることもできる。無色半波長リターダの特殊な場合において、α２’の全ての値についてΓ１０＝π及びsinΓ１０＝０、したがって∂Ω／∂ε＝０である。すなわち、光軸配向は、全ての配向で無色である。
【００５２】  無色リターダの対称性のために、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように無色リターダは、反射モードを満たすことができる。図３（ａ）は、図２（ａ）のリターダの反射モードの実施形態であり、リターダンスΓ１０及び配向α１を有する単一の受動リターダ４０、α２及びα２’の間で配向切替可能な液晶４分の１波長リターダ３２、及び反射体５０を使用する。反射体５０が、液晶４分の１波長リターダ３２を通過する第２のパスを生むので、液晶４分の１波長リターダ３２のネットリターダンスは、半波長である。反射モードデバイスを通過する前進パス及びリターンパスは、図２ａの混合リターダを通過する単一のパスと等しい。図２（ｃ）のリターダの反射モード実施形態（不図示）は、図３（ａ）の回転可能４分の１波長リターダの代わりに、ゼロ及び４分の１波長リターダンスの間を切替可能な可変リターダの組を使用する。図３（ｂ）は、図２（ｂ）の反射モード実施形態を示し、図３（ａ）の液晶４分の１波長リターダ３２の代わりにリターダ部１１０ａ及び１１０ｂを有する空間切替４分の１波長リターダ１１０を使用する。
【００５３】  図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す実施形態の反射体は、Ｒ＝１を有するが、Ｒ＜１を有してもよい。反射体は、図３（ａ）の液晶リターダに宛てた光信号を透過することができる。
【００５４】  この発明は、更に上記の無色混合リターダを適用したデバイスを含む。この発明の偏光スイッチは、無色混合リターダと組み合わされた線形偏光子を備える。偏光子は、波長に対して中性であってもよいし、多色偏光子であってもよい。光は、偏光子によって線形に偏光され、偏光は、無色混合リターダによって変調される。半波長無色混合リターダの場合、偏光は線形のままであり、配向は回転される。他の無色混合リターダの実施形態は、楕円に偏光された光を生む。偏光スイッチは、光が偏光子よりも無色混合リターダ上に直接入射したときに偏光レシーバとして機能する。
【００５５】  好ましい実施形態としては、無色混合リターダは、オン状態（α２）において無色であり、オフ状態（α２’）において偏光子に対して平行に向けられる。このこの好ましいオフ状態配向において混合リターダンスの無色性は必要ではない。なぜなら、偏光子に平行な無色混合リターダの配向によって、偏光された光は無色混合リターダを「見る」ことはなく、無色混合リターダによって変調されることはない。更に好ましい実施形態においては、無色混合リターダの配向は、オフ状態において安定している。すなわち∂Ω’／∂εが小さい。最も好ましい実施形態においては、無色混合リターダの配向は、無色である。すなわち、∂Ω’／∂εは、ゼロである。
【００５６】  本発明の偏光スイッチの特に有用な実施形態が図４に示される。偏光スイッチ１１０は、偏光子２０、外部リターダ４０及び４２、及び液晶リターダ３０を備える。外部リターダ４０及び４２は、α１＝π／１２に向けられた半波長リターダ（Γ１＝π）である。液晶リターダ３０は、半波長リターダであり、それぞれα２＝５π／１２及びα２’＝８π／１２のオン及びオフ状態配向の間を切替可能である。これは、混合リターダンスΓ＝λ／２及び配向Ω＋α１＝π／４及びΩ’＋α１＝０を与える。オフ状態において光はｘ軸に沿って偏光されたままであり、オン状態において光はｙ軸に平行に向けられる。無色混合半波長リターダは、全てのα２’の値について無色配向を有するので、入力偏光状態及びどのような他の線形偏光状態の間で偏光を無色的に回転することに用いることができる。
【００５７】  偏光スイッチ１１０は、どの偏光に敏感な要素と組み合わせて用いることもできる。出口偏光子２２と組み合わせると、それは、図４に示すように無色シャッタを形成する。図４の実施形態においては、偏光子２０及び２２は、閉じているが、それらは、代わりに平行であってもよい。図４に示すシャッタは、無色混合リターダが半波長リターダンスを有し、それぞれπ／４及び０のオン及びオフ状態の混合リターダの配向を有する点において図１に示すシャッタと類似している。図１のシャッタと同様に、図４のシャッタは、一つの能動リターダのみが必要である。本発明のシャッタの一つの利点は、無色であることである。
【００５８】  無色混合半波長リターダ及び無色シャッタの数学的な解析は、この発明のデバイスの波長安定性を明示する。混合半波長リターダのためのジョーンズ(Jones)行列は、３つの線形リターダを代表する行列の積である。複素カルテシアン場振幅を伝搬するジョーンズ行列は、個々の線形リターダを代表する行列を連鎖掛け算することによって与えられる。これらは、それぞれオン及びオフ状態のために下式によって与えられる。
【００５９】
【数６】
0005247955.tif 000007
及び
【数７】
0005247955.tif 000008
ここでリターデーションΓ及び配向αを有する線形リターダのための一般行列は、下式によって与えられる。
【００６０】
【数８】
0005247955.tif 000009
各リターダの絶対的な相は省略する。現在の解析のために、各リターダは、特定の設計波長において半波長リターデーションを有し、材料及びリターダンスにおいて同一であると仮定する。この波長は、好ましくは最大ピーク透過及び所望の操作波長帯域にわたるコントラストを与えるように選択される。リターダンスは、ここで式Γ＝（π＋δ）によって代表される。ここでδは、半波長リターダンスから離れた依存する波長である。現在の仕事のために、使用されるＦＬＣ及び高分子リターダの双方に適した複屈折分散のための単純な式を用いて分散が変調される(Wu，S.T.,Phys．Rev．(1986) A33: 1270)。適した実験ＦＬＣ及び高分子分光計データを用いて、各材料の分散を適切にモデル化する共鳴波長が選択される。
【００６１】  ３つの行列を式６及び７で代替することで、下式の一般形式で書くことができるオン及びオフ状態行列を生成する。
【００６２】
【数９】
0005247955.tif 000010
ここで｜tij｜は、大きさを示し、θは、混合構造の複素tij行列要素の位相を示す。（無色）オン状態のための特定の要素は、下式で与えられる。
【００６３】
【数１０】
0005247955.tif 000011
【数１１】
0005247955.tif 000012
【数１２】
0005247955.tif 000013
オフ状態の要素は、下式で与えられる。
【００６４】
【数１３】
0005247955.tif 000014
【数１４】
0005247955.tif 000015
【数１５】
0005247955.tif 000016
無色シャッタデバイスにおいて、無色混合リターダは、交差する偏光子の間に配置される。透過場振幅のためのジョーンズベクトルは、下記の行列式で与えられる。
【００６５】
【数１６】
0005247955.tif 000017
偏光子は、理想となるよう下記に採られる。
【００６６】
【数１７】
0005247955.tif 000018
【数１８】
0005247955.tif 000019
入力場スペクトル密度Ｅ０（λ）は、一様の振幅を有し、ｘ＾偏光されるように採られる。これらの条件下で透過場のためのジョーンズベクトルは、Ｗｃのオフ対角要素である。ジョーンズベクトル出力のｙ＾要素は、構造の場透過率を与える。
【００６７】  Ｗｃの要素は、上記においてそれらの大きさの項で与えられるので、無色混合リターダのオン及びオフ状態の強度透過は、単に式１１及び１４のオフ対角項を２乗する、又はＴ＝｜ｔ１２｜２によって与えられる。これらは、シャッタの二つの強度透過機能を与える。
【００６８】
【数１９】
0005247955.tif 000020
上記の出力は、δについての透過強度の２次オーダー依存が消滅する望ましい結果を示す。オン状態における透過の損失及びオフ状態における漏れば、δについて最大で４次オーダーの依存を有する。
【００６９】  単純なＦＬＣシャッタと同様に、スメクティック液晶混合リターダを用いて偏光を変調する機構は、複屈折を変化させることよりも混合リターダの配向を回転することによる。これは、δについてのジョーンズ行列の二次（又は二次より高い）オーダーの項が無視できる十分に狭い波長帯域を考慮することによって明らかに見ることができる。
【００７０】この場合、オン及びオフ状態を代表する行列は、それぞれ下式に変形される。
【００７１】
【数２０】
0005247955.tif 000021
及び
【数２１】
0005247955.tif 000022
オン状態行列は、この程度の近似でπ／４に向けられた理想的な無色半波長リターダに変形され、一方、オフ状態行列は、２θのリターデーションを有する０に向けられた理想線形リターダへと変形される。シャッタ利用にはオフ対角要素のみが使用されるので、この程度の近似で出力は理想的である。
【００７２】  二次オーダー項の消去は、単純ＦＬＣシャッタのための単一波長よりも、２つの波長において理想的な半波長リターデーションを達成する３要素構造を用いることによって達成される。この様子は、オン状態における中央及び外部リターダの相対的な配向を少し変えることによって見ることができる。２つの理想的な透過状態、同様に２つのナル状態は、この方法で更に分けられ、操作帯域を増加し、しかし、更に顕著な最大（ナル）の間の傾斜（漏れ）を生む。
【００７３】  上記の式に基づいて、無色混合リターダシャッタ及び従来のＦＬＣシャッタを比較することができる。δ＝３７°のリターデーションのずれについて従来のシャッタでは透過において１０％の損失が発生し、一方、δ＝７２°について無色シャッタにおいて同じ損失が発生した。これは、ほぼδを２つ増加させた率である。図５（ａ）は、可視操作（４００−７００ｎｍ）のために最適化された無色シャッタの構造のコンピュータモデルを用いて生成された透過スペクトルを示す。シャッタは、３３５ｎｍ（４０９−７４４ｎｍ）の９０％透過帯域を有する。図５（ｂ）は、４８０ｎｍの設計波長を有する従来のシャッタの透過スペクトルを示す。従来のシャッタは、１２２ｎｍ（４３３−５５５ｎｍ）の９０％帯域を有する。シャッタにおける無色混合リターダの使用は、３．７５の率の帯域の増加をもたらす。図５（ｃ）に示された混合リターダを有する平行偏光子シャッタ及び図５（ｄ）に示された単一リターダについて算出されたスペクトルは、この発明の無色混合リターダによって与えられたオフ状態における顕著な改善を示す。
【００７４】  操作帯域の増加は、コンストラスト比の理論損失を伴う。光軸の一次オーダー配向安定要件は、高次オーダー項の存在によるオフ状態漏れを許容する。実際には、無色混合リターダを組み入れるときに、あったとしてもほんのわずかな実際の犠牲が観察される。可視操作（４８０ｎｍにおいて半波長リターダンス）のために最適化されたＦＬＣは、δ＝７５°のりターダンスにおける最大のずれを与える。この値を用いて、そして外部リターダがＦＬＣと等しい分散を有すると仮定して、６６７：１の最悪の場合のコンストラスト比が、４００−７００ｎｍ帯域における操作で見つけられる。ほとんどのこの帯域について理論は、１０００：１をはるかに超えるコントラストを予測している。
【００７５】  従来のシャッタ及び無色シャッタは、コンピュータモデルによって予測された性能を証明するために実験的に明示された。ＦＬＣデバイスは、Ｅ−ＭｅｒｃｋからのＺＬＩ−３６５４材料を用いて製造された。ＩＴＯ被覆基板は、ナイロン６／６によってスピン被覆され、焼きなまされた後に一定方向にこすられる。直径１．５ミクロンのスペーサが一つの基板の表面全体に一様に分散され、他の基板の内部表面にＵＶ硬化接着剤が置かれる。基板は、真空バッグを用いて一様な圧力を加えられ、後でＵＶ硬化されることによって基板同士に隙間が作られる。ＦＬＣ材料は、等方性の相において毛管現象のもとで満たされ、Ｃ相へとゆっくりと冷やされる。冷やされた後、導線がＩＴＯに付けられ、デバイスは、端部が封される。ＦＬＣセル５２０ｎｍの半波長リターダンスを有した。
【００７６】  図１に示されるような従来のシャッタは、平行偏光子の間で４５°に向けた光軸についてＦＬＣセルを配置することによって形成される。それらの可視波長領域にわたる高いコンストラストのためにポラロイドＨＮ２２偏光子が使用された。構造が、４００ＷＷのキセノンアーク燈に照らすことによって調べられ、透過した光をＳＰＥＸ０．５ｍ格子分光計システムを用いて解析した。オン状態透過は、図６のプロット（ｂ）に示される。
【００７７】  無色シャッタは、５２０ｎｍにおいて半波長リターダンスを有する２つのニットーＮＲＦポリカーボネートリターダの間に置かれた、同じＦＬＣデバイスを用いて組み立てられる。ＦＬＣデバイスは、高分子フィルムと一致する分散でないので、無色混合リターダについてオフ状態損失の増加によるコンストラスト比の損失が予期される。ポリカーボネートフィルムは、出口偏光子と交差する入力偏光子に対して１５°の方向に向けられる。ＦＬＣは、５π／１２及び８π／１２の配向の間で切り替えられる。図６のプロット（ｂ）に示されたオン状態スペクトル、及び図７に示されたオフ状態スペクトルが測定された。これら双方のスペクトルは、非理想偏光子、リターダによる消極化、ランプスペクトルの偏光依存による漏れを除去するために適切に正規化される。
【００７８】  測定された透過スペクトルは、モデルの結果と優れた一致を示す。図６は、この発明の無色シャッタによって与えられた可視スペクトルにわたる透過の増加の著しい証拠である。
【００７９】  モデルは、更に、半波長リタ―ダンスδからのずれの関数として混合リターダ無色シャッタ（式１９）及び単一リターダシャッタ（式１）のオン状態透過を算出するために使用される。算出された透過スペクトルが、図８に示される。図９は、δの関数としての混合リターダシャッタの算出されたオフ状態透過であり、図１０は、算出指されたコンストラスト比である。
【００８０】  ＦＬＣ分散が大きく減少する、わずかに長い中央波長において無色シャッタを使用すると、莫大な操作帯域が可能である。例えば、６００ｎｍに中心があるシャッタの算出された９５％透過帯域幅は、ほぼ４００ｎｍ（４８０ｎｍ−８８０ｎｍ）であり、一方単純なＦＬＣシャッタの９５％透過帯域幅は、わずか１５０ｎｍ（５４０ｎｍ−６９０ｎｍ）である。
【００８１】  この発明の無色偏光スイッチ及びシャッタは、半波長以外に混合リタ―ダンスを有する混合リターダを使用することもできる。例えば、偏光スイッチは、線形偏光子及び無色混合４分の１リターダを用いて製造することもできる。一つの実施形態においては、無色混合リターダの配向が、入力偏光子、すなわちΩ＋α１＝４５°及びΩ’＋α１＝０°に対してπ／４及び０の間で切り替えられる。これを達成するためには、式２−４が、オン状態においてΓ１０＝１１５°、Δ＝７１°、α１＝１４°、及びα２＝８５°を与え、オフ状態においてΔ’＝９６°及びα２’＝１１１°を与える。混合４分の１リターダは、オン状態においては、線形光を円形に偏光された光へと切り替え、オフ状態においては、線形偏光が保たれる。第１偏光子に対して垂直に向けられた第２偏光子の追加は、オン状態における５０％透過及びオフ状態におけるゼロ透過の間を切り替えるシャッタをもたらす。図１１（ａ）に示すオン状態透過スペクトル及び図１１（ｂ）に示すオフ状態透過スペクトルは、分散がないことを仮定して算出される。オフ状態透過スペクトルが、図１１（ｂ）に対数目盛で示されたことを表示する。
【００８２】  本発明の無色混合リターダ、偏光スイッチ、及びシャッタは、２つの光軸配向を有するＦＬＣとともに示される。それらは、代わりに２より多い光軸配向を使用し、連続的に調整可能な光軸を有してもよい。
【００８３】  本発明の無色シャッタは、ＣＣＤカメラ、眼防護システム、仮想現実システム用眼鏡、逐次場(field-sequential)表示装置の３色シャッタ、ビームステアリング、回折光学、及びＬＣフラットパネル表示装置の輝度の増加するための用途に使用することができる。
【００８４】  多くの表示装置の用途のために、図１２及び１３に示すように無色シャッタを多重ピクセルアレイに使用することができる。これらの図において、光学要素は、断面で示され、それらは四角の箱で描かれる。複屈折要素のリタ―ダンスは、各箱の頂部に記載され、配向が底部に記載される。要素が２又はそれ以上の配向の間を回転できるとき、両方の配向が箱に記載され、コンマで区切られる。
【００８５】  反射モードの実施形態が、図１２（ａ）及び１２（ｂ）に示される。ＦＬＣリターダ３２は、設計波長において４分の１波長リターダンスを有し、光軸が５π／１２及び８π／１２の間で回転可能である。ＦＬＣセルは、基板９０及び９２によって形成される。電圧が、透明電極９５及びピクセル化されたミラー電極５２を用いてＦＬＣに印加される。各ピクセルは、所望の表示パターンを供給するために個別にアドレスされることができる。混合リターダは、π／１２に向けられた受動半波長リターダ４０とともにＦＬＣによって形成される。
【００８６】  図１２（ａ）においてシャッタアレイは、０°に向けられた線形偏光子２０を使用する。反射モードにおいて偏光子２０が入力及び出力偏光子の両方であるので、これは、平行偏光子の実施形態である。アレイは周囲光１００によって照らされ、見る人は目で示される。図１２（ｂ）において、アレイは、交差偏光子の実施形態を生むために偏光ビームスプリッタ２５を用いる。白色光１０１がアレイを照らし、変調された灰色の光が見る人へ出力される。
【００８７】  透過モードアレイが、図１３に示される。この実施形態において、ＦＬＣは、半波長リタ―ダンスを有する。電圧が、透明電極９５及びピクセル化された透明電極９６を用いて印加される。混合リターダは、外部リターダ４０及び４２とともにＦＬＣリターダによって形成される。シャッタは、この実施形態では交差している偏光子２０及び２２によって形成される。表示装置は、透過モードで見られる。
【００８８】  この発明の無色混合リターダは、無色シャッタ内に示される。更に、それは、従来技術で知られている多くの他の光学デバイスに使用することができる。特に、リターダが一つの配向だけに無色である必要があり、他のリターダの配向においてわずかな無色性が許容されるデバイスに適する。具体的な例は、偏光干渉フィルタ及び染色型カラー偏光フィルタを含む。
【００８９】  発明者たちによる多くの以前のデバイスは、この発明の無色混合リターダを用いることにより改善することができる。米国特許番号５，１３２，８２６、５，２４３，４５５及び５，２３１，５２１の偏光干渉フィルタにおいて、それらの全てが、そっくりそのままここに引例として組み入れられる。スメクティック液晶回転可能リターダ及び受動複屈折要素が、偏光子の組の間に配置される。好ましい実施形態においては、複屈折要素が偏光子に関してπ／４の方向に向けられる。
【００９０】  ここにそっくりそのまま引例として組み入れられた米国特許番号５，５２８，３９３の分割要素偏光干渉フィルタにおいて、中央リターダ部及び分割要素リターダ部の組が、偏光子の組の間に配置される。リターダ部は、回転可能液晶リターダを含んでもよい。上記の偏光干渉フィルタの個別の液晶回転可能リターダは、本発明の無色混合リターダによって置き換えてもよい。
【００９１】  ここにそっくりそのまま引例として組み入れられた米国特許番号５，１３２，８２６に記載された液晶左右像スイッチ及びカラーフィルタも、本発明の無色混合リターダを用いることによって改善することができる。円形偏光左右像スイッチ及び線形偏光スイッチは、線形偏光子及び回転液晶リターダを備える。カラーフィルタは、コレステリック円形偏光子又は多色線形偏光子のようなカラー偏光子とともに偏光スイッチを用いる。左右像スイッチ特許において記載された単純な液晶回転可能リターダは、本発明の無色混合リターダによって置き換えることができる。
【００９２】  無色混合リターダは、例えばここにそっくりそのまま引例として組み入れられた米国特許番号５，３４７，３７８(Handschy et al.)に記載された、従来技術で知られている他のカラーフィルタを改善することにも用いることができる。これらのカラーフィルムは、線形偏光子及び回転可能液晶リターダを備える。ある実施形態にいては、それらは多色偏光子を更に備え、他の実施形態においては、それらは第２線形偏光子及び受動複屈折要素を更に備える。Handschy et al.の単純な液晶回転可能リターダの発明は、本発明の無色混合リターダによって置き換えることができる。
【００９３】  この発明のカラーフィルタは、一時的に多重化されてもよく、ここで出力色は、人間の目のような反応の遅い時間検出器に比べて速い時間スケールで切り替えられる。スメクティック液晶セルを利用する図２ａの無色混合リターダは、特にこの用途に適する。
【００９４】  単一リターダをこの発明の無色混合リターダに置き換える基準としては、単一リターダが、２又はそれより多い光軸の配向の間を回転可能でなければならない。無色混合リターダは、線形偏光子に隣接して配置され、リターダの配向が、その切替状態の一つの状態において線形偏光子に平行であるデバイスに使用するのに特に適する。混合リターダの無色性は、全体の可視スペクトルにわたってスループットを増加させることができるのでカラーフィルタリングデバイスに特に有利である。
【００９５】  第１及び第２可変リターダが第１及び第２の固定配向を有し、第１及び第２の値の間で切替可能なリターダンスを有し、リターダンスが反対の値の間を同時に切り替えられる可変リターダの組と置き換えるために、この発明の無色混合リターダを光学デバイスに用いることもできる。更に、無色半波長リターダは、線形に偏光された光の配向を回転することに用いることができるので、それは光学デバイス内のねじれたネマティックセルと置き換えることができる。
【００９６】  無色混合リターダに加えて、この発明は、図１４に示す無色可変リターダを提供する。能動セクションは、α２に向けられたスメクティック液晶半波長リターダ６０及びα２＋π／３に向けられたスメクティック液晶４分の１波長リターダ６５を備える。リターダ６０及び６５の角度α２は、好ましくは同時に、電気的に調整される。受動セクションは、α１＋π／３に向けられた受動４分の１波長リターダ７５及びα１に向けられた受動半波長リターダ７０を備える。角度α１は、固定される。液晶リターダ配向の角度α２は、少なくとも他の一つの角度α２’へ不連続に、又は連続的に回転することができる。混合構造のリタ―ダンスは、２×（π／２−α２＋α１）である。
【００９７】  本発明の無色混合リターダは、ＦＬＣ表示装置のための無色インバータを供給するために用いてもよい。ＦＬＣは、一般的に２進電気光学デバイスであり、１ビットモードで操作される。ここで、（入力偏光子に関して）０°配向はオフ状態（黒状態）をもたらし、４５°配向はオン状態（白状態）をもたらす。
【００９８】  液晶材料中のイオン不純物のためにＬＣＤは、ゼロネットＤＣ電圧駆動方式で操作される。これは、シリコン上のＦＬＣのようなキラルスメクティック液晶を用いて能動行列表示装置をつくるときに特に重要である。なぜならキラルスメクティック液晶は、一般的にそれらの能動行列両立ネマティックの対応部分よりも２のオーダーの大きさ分純粋でないからである。これは、正の電圧がＬＣに印加された場合に、大きさが等しく、そして反対の極性の電圧が、好ましくはすぐに、そして一般的に同じ時間の間印加されなければならないことを意味する。これは、「ＤＣがＬＣにわたって波長をバランスする」と呼ばれる。
【００９９】  ＤＣが能動行列ＦＬＣ表示装置をバランスすることについての問題は、ネマティックＬＣと違って、ＦＬＣが印加電圧の極性に反応することにある。すなわち、光軸が、正規に印加された電界の符号が逆転したときに面内で分子傾斜角度の２倍回転する。偏光された光で照らされるときに２つの光学フレームがコントラストを逆転して現れる。白であったものが黒となり、その逆もまた同様である。表示されたデータを効果的に可視的に観察するためには、逆のフレームが、光学システムを通じて光が失われることをもたらす空白でなければならない（ランプが消されるか、シャッタを調整して光が出ないようにする）。頭に装着する表示装置などのいくつかの実施形態においては、輝度の損失は、例えば輝度が重要であるコンピュータモニタ及びテレビジョンシステムのためのフロントデータ射影又は後部射影システムに比べてより許容できる。
【０１００】  ＦＬＣ表示装置の従来技術のインバータは、ＦＬＣ表示パネルに関して交差させることができる単一ピクセルＦＬＣデバイスである。ＦＬＣ表示パネル及びＦＬＣインバータセルの両方の電圧を逆転することが同じ像を生み出すので、この方法は、表示装置が逆のフレームから光を取り戻すことを許容する。従来技術インバータ／ＦＬＣ表示装置の組み合わせば、ＦＬＣ表示パネル及びインバータが着色デバイスである事実により限られる。
【０１０１】  図１５（ａ）は、発明による一般的な反射表示装置の配置を示す。特に、図１５（ａ）の反射表示装置は、少なくともそのうち一つが能動であり、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１０友びミラー３８０を有するＦＬＣリターダ３６０を備えたＦＬＣ表示パネル（ＬＣＤパネル）３７０の間に挟まれた、面内リタ―ダンスΓ１−ΓＮ及び線内配向α１−αＮを有する単一ピクセルリターダデバイス３２０ａ−ｎの積み重ねを備える。ＬＣＤパネル３７０は、図１９（ａ）に示された配置と同様に、ＦＬＣリターダ３６０を横断して電圧を印加するために、例えば（不図示の）透明電極及び（不図示の）ピクセル化されたミラー電極の間に挟まれたＦＬＣリターダ３６０を備えてもよい。表示装置は、白色光１０１で照らされ、見る人は目３００で示される。
【０１０２】  図１５（ａ）の表示装置を通過する軌跡光を更に明らかに示すために、「展開された」版の表示装置が図１５（ｂ）に示される。矢印ａ及びｂは、それぞれ入力光及び出力光の偏光の方向を示す。
【０１０３】  次に示すのは図１５（ａ）及び１５（ｂ）に示された一般的な場合の範囲内にある構造の階層である。
【０１０４】（１）Ｎ＝０：この実施形態で前に説明した、インバータを有しない標準ＦＬＣパネル。
【０１０５】（２）Ｎ＝１：この実施形態で前に説明した、受動リターダが付け加えられた標準ＦＬＣ表示パネル。この型の構造は、まだ２つの論理状態を有するが、混合リターダが、オン状態を無色化するために使用される。
【０１０６】（３）Ｎ＝１：能動リターダが付け加えられた標準ＦＬＣ表示パネル。これは、発明によるインバータを利用することができる最も単純な構造である。以下に議論するように、ネマティク又はスメティック単一ピクセルデバイスのいずれかを用いる解法がある。
【０１０７】（４）Ｎ≧２：一つの能動リターダ及び一つ又はそれ以上の受動リターダが付け加えられた標準ＦＬＣ表示パネル。この構造は、ケース（３）の構造に関する表示装置デバイス全体の性能を改善する。この構造は、改善されたコンストラスト比、ちらつきの現象、又はその双方を有することができる。
【０１０８】  色々なシステムについて、いくつかの仮定がなされた。第１に、図１５（ａ）の表示装置は、反射（２パス）デバイスであること。印加された電圧の極性が、切り替えられたときにＦＬＣリターダ３６０の分子ディレクタの面内配向が、回転すること。面内リターダンスが、両方の状態で同一であり、ＦＬＣリターダ３６０が線形の（ねじれていない）固有状態を有すること。このことから、我々は、最高の性能は、ＬＣリターダ３６０が、単一パス（半波長においては往復）において４分の１波長リターデーションを有し、面内切替角度がπ／４であるときに達成されると結論づけた。この好ましい配置を仮定して設計がされる。しかしながら、非理想的なＦＬＣのふるまいのために設計の適切な調整をすることができることが理解されるべきである。
【０１０９】  ＬＣＤパネル３７０は、好ましくはキラルスメクティック液晶（ＣＳＬＣ）空間光変調器又は表示装置である。例えば、使用することができるＣＳＬＣのクラスは、ディスプレイテック（Displaytech,Inc）社のライトレーザシリーズの製品、、及び彼らのヒューレットパッカード（Hewlett Packard)社との提携、及びらせん強誘電性表示装置によって現在商業化されている強誘電性表示装置を含むＳＭＡ＊及びＳＭＣ＊を含む。
【０１１０】  インバータを実行するために、補助の単一ピクセルスイッチによって与えられた２つのオン状態及び２つのオフ状態が必要である（４つの論理状態）。単一ピクセルスイッチが、ネマティック液晶（ＮＬＣ）又はスメクティック（ＦＬＣ）のいずれかであってもよい。
【０１１１】  例えば、単一ピクセルスイッチが、非ゼロリタ―ダンス及びゼロリターダンス間の切替を許容する複屈折（ＥＣＢ）セル、πセル、混成配列ネマティックセル、垂直配列ネマティックセル、又は他のＬＣデバイスによって電気的に制御されてもよい。ＮＬＣは、低電圧状態においてゼロねじれリターダとしてふるまい、駆動状態において等方となる（消える）。ここで用いられている「消える」という語は、入力光の偏光が影響されていないリターダの状態を意味する。したがって、リターダは、効果的に入力光からは見えない（すなわち消える）。二重ネマティック（交差セル）解法が、設計上単一ネマティック解法と同一であることに注目する。第２セルは切替速度を改善するが、どの電圧状態においても単一ゼロねじれリターダの組み合わせを考えることができる。駆動状態においてネマティックセルが消えるので、一般のスキームが、単一性において異なるＮ値を有する構造の間で調整する。
【０１１２】  単一ピクセルＦＬＣデバイススイッチは、上記のように面内スイッチとしてふるまうように取り扱われてもよい。傾斜角度及びリタ―ダンスは、原則的に設計と合うように選択される。ネマティック解法と違い、面内リタ―ダンスが固定されるので、ＦＬＣ解法は固定Ｎ値を有する構造の間で調整される。唯一の例外は、ＦＬＣがネマティックのふるまいを模倣するように作られた設計にある。すなわち、ＦＬＣデバイススイッチは、一つの電圧状態において固有状態に沿って配向された偏光子に直接隣接する。したがって、ＦＬＣ解法は、固定Ｎ値を有してもよいし、又は単一性によって異なる解法の間で調整されてもよい。
【０１１３】  以上議論したように、ＮＬＣスイッチを有する構造は、単一性によってＮ値が異なる構造の間で調整する。Ｍ（２Ｎ＋１）が、展開された構造において必要なリターダの総数を表すとする。第１に、低いＮ値（ＮＬＣが高い状態に駆動される）を有する構造におかれた条件を考える。受動リターダが使用されないときに、設計はＮ＝０の場合にまとめられる。ＬＣＤパネルは、図１６に示すように０（π／２）のオフ状態配向及び±π／４のオン状態配向の間で最適に調整する。オフ状態は、理論上無限のコンストラスト比を有し、ここでオン状態は、ゼロオーダー半波長面で与えられる。
【０１１４】  この条件が与えられられたとき、（ＮＬＣを低状態に駆動することにより）ネマティック波長板を挿入すると、付加的な状態が生じる。ＮＬＣ配向は好ましくは、オフ状態のコンスタント比を最大にするように選ばれる。この状態でのＮＬＣリターダと（ＬＣＤパネル内の）ＦＬＣリターダとの間の角度は、Ｍ＝１の要求ごとに、Δ’＝６７．５°であり、これは光軸の波長安定性を制限する。オン状態のクロミナンスは、オフ状態の条件によって固定される。この場合、オン状態はＬＣＤパネル単独よりも色が薄い。Ｍ＝３の構造は、ＮＬＣのみによって切替可能な混合光軸を有する混合リターダである。この設計方法論は、高いオーダーの構造間の変調を含むように拡張することができる。受動半波長リターダ（Ｎ＝２）と組み合わせてＮＬＣが用いられる場合には、Ｍ＝３構造とＭ＝５構造との間の変調が可能となる。受動リターダは、ＰＢＳとＮＬＣとの間またはＮＬＣとＬＣＤパネルとの間に設けることができる。
【０１１５】  最初に、Ｍ＝３構造（高状態に駆動されたＮＬＣ）を考える。対称構造は、混合リターダを構成し、受動リターダによって決まる混合リターデーションを有する。いかなる受動リターデーションが選ばれても、その構造の固有状態に相当するオフ状態に対して配向を選ぶことができる。この柔軟性が与えられると、すでに述べたように、１つの好ましいオン状態は可視スペクトルにわたって最大の透過を有する。これは、混合リターダが無色半波長板であることを要求し、受動リターダも半波長板であることを要求する。オフ状態は、混合リターダの固有状態として得られ、この状態はＮＬＣの光軸の再配向のみにより生じる。
【０１１６】  このＭ＝３の最適化を用いて、受動リターダは１５°に配向され、さらに７５°配向と１２０°配向との間でＮＬＣが回転する。残っているのは、ＮＬＣリターダンスと配向の選択である。
【０１１７】  オン状態透過の最適化の要求に従い、より高いオーダーの構造として半波長混合リターダを考えることもできる。これにより、ＮＬＣがリターデーションの半波長であることが要求される。ＮＬＣは、Ｍ＝５構造の混合リターダ光軸の配向を決定するために用いられる。７５°に配向したＬＣＤパネルにより、ＮＬＣはオフ状態を発生させ、それは入力光の偏光状態に沿って、混合リターダの固有偏光状態に配向することにより、実現される。
【０１１８】  ＰＢＳと受動リターダとの間に配されたＮＬＣにより、ＮＬＣ光軸が−６７．５％においてオフ状態の密度が最大となる。このＭ＝５構造のオフ状態は、前述のＭ＝３構造のオフ状態よりもかなり波長安定性がよい。さらに、この設計のＭ＝３構造のオフ状態も前述のＭ＝３構造例のオフ状態よりも波長安定性がよい。
【０１１９】  受動リターダとＬＣＤパネルとの間に配されるＮＬＣについても、そのプロセスを繰り返すことができる。ＮＬＣ光軸が−８３°配向においてオフ状態の密度が最大となる。このオフ状態は前述のＭ＝３の構造例よりも波長安定性がよい。
【０１２０】  本発明の実施形態による、Ｍ＝３構造とＭ＝５構造との間を調節するＮＬＣスイッチ設計案について、以下に述べる。再び、Ｍ＝３構造の性能について、ＮＬＣスイッチを４５°の回転角を有する面内スイッチのモデルとした場合について最初に検討する。受動リターダとオフ状態が生じるＬＣＤパネルのＦＬＣの光軸との間の角度Δを自由に選ぶことができる。光軸の最適な安定性はΔ＝９０°で生じ、この構造は単一ゼロオーダー半波長板に縮退する。これは、出力リターダを入力偏光状態に沿って配向させ、ＬＣＤパネルのみのＦＬＣリターダによってオン状態が生じる。これはリターダンスに関して最も無色となる構造ではなく、それはΔ＝６０°で生じる。しかしながら、光軸安定性ひいてはコントラスト比は、９０°よりも大きいΔでも小さいΔでも劣化する。したがって、オン状態の有色性に対してコントラスト比をバランスする必要がある。Ｍ＝３構造とＭ＝５構造との間を調整するインバータについて、正フレームと逆フレームとの間の光変調を最小限にする目的のために、我々は、オン状態のスペクトルをバランスした。
【０１２１】  特定の半波長配向について、ＬＣＤパネルのＦＬＣリターダのオフ状態（Ｍ＝３構造の固有偏光状態）が生じるＦＬＣ配向が存在する。ＬＣＤパネルのＦＬＣリターダが４５°に切り替えられたとき、オン状態が生じる。このオン状態はゼロオーダーの半波長よりもいくらか有色性は低いが、むしろコントラスト比の最大化および透過をＭ＝５構造のオン状態とバランスすることに比重を置いている。図１７は、受動リターダが７．５°に配向しているときに、ＦＬＣスイッチは６０°（オン）と１０５°（オフ）との間を回転することを示す。ＮＬＣスイッチがＰＶＳと受動リターダとの間に−６７．５°で挿入された場合、出力は効率的に逆変換される。Ｍ＝３構造の詳細な設計にかかわりなく、この角度を用いることができる（さらにＭ＝１構造とＭ＝３構造との間の調整の設計にも用いることができる）。Ｍ＝３構造は、光軸が入力偏光状態に沿うかまたは入力偏光状態に対して４５°を有する混合リターダであるので、この角度を用いることができる。そのように、出力を反転させる条件は、外部リターダにさらに４５°の配向変化を適用することである。さらに角度の詳細は、ＮＬＣの有色性が混合リターダの有色性を補償するように選択される。これは、Ｍ＝５構造のオフ状態における光軸の安定性を得るために特に重要である。
【０１２２】  ５００ｎｍを中心とする半波長リターダについての性能が、図１８に示される。ここではすべての構成要素に対してポリカーボネイトの分散が用いられている。分散の効果は，理想的でない傾角と同様に、角度の微調整を必要とする。しかしながら、この設計方法論は依然として適用できる。Ｍ＝３構造のオフ状態は−４６ｄｂの透過（理論値）を持つにもかかわらず、図１８は、Ｍ＝５構造が−２７ｄｂより小さいオフ状態透過を有することを示す。他の最適化において、これらのオフ状態のもれはバランスすることができる。特にこの例は、オン状態とオフ様態のスペクトルが同一に近い所望の特徴を有する。Ｍ＝５構造のスペクトルを改善するために、Ｍ＝３構造の調整は、潜在的な無色の性質のいくらかを犠牲にしている。
【０１２３】  数学的にこの方法論は次のようにまとめることができる。
【０１２４】１）α２：有色性を制御するよう選択（典型的には５°から１５°）
２）α’＝９０°＋２α２
３）α＝α’−４５°（または、４５°より小さい場合にはＬＣＤパネルのＦＬＣリターダにおける傾角の２倍）
４）α１＝６７．５°（または、２２．５°より小さい場合には、ＦＬＣリターダの傾角−９０°）
ＬＤＣパネルのＦＬＣリターダの傾角が２２．５°より小さいとき、例えば１８．６°の場合には、α＝α’−３７．２°が得られる。例えば、オン状態のスペクトルのバランスを取るためにα２＝６．５°が選択された場合に、結果として次のような設計となる。
【０１２５】α２：６．５°
α’：１０３°
α：６５．８°
α１＝７１．４°
図１９（ａ）および（ｂ）は、本発明による混合リターダを用いた無色インバータを利用した反射型無色表示装置の詳細な構成を示す。図１９（ａ）の反射型表示装置５００は、能動制御液晶（ＦＬＣ）リターダ５２０（スイッチ）、好ましくは半波長板と、ＦＬＣリターダ５２０に電圧を印加する電極５３０および５４０を含む透明基板と、ＦＬＣリターダ５６０、好ましくは４分の１波長板と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ５６０に電圧を印加するピクセル状鏡電極５８０を含む透明基板とを備える。電極５７０を含む透明基板と、ピクセル状鏡電極５８０を含む透明基板と、ＦＬＣリターダ５６０とが全体としてＬＣＤパネル６００を構成する。
【０１２６】  図１９（ａ）の実施形態において、線形偏光子５１０は０°に配向される。反射型においては、偏光子５１０は入力偏光子であるとともに出力偏光子でもあるので、この実施例では平行偏光子の一例である。表示装置５００は、周辺光によって光る。看者は目３００で示す。ＬＣＤパネル６００は入力光１００を画像データにしたがって変調する。
【０１２７】  図１９（ｂ）の反射型表示装置５０５は、線形偏光子５１０は偏光ビームスプリッタ５１１に置換され、これが表示装置５０５の入力偏光子であるとともに出力偏光子としても用いられている。偏光ビームスプリッタ５１１は白色光１０１により照射され、反射光は第１の偏光状態を有するとともに、透過光は第１の偏光状態と直交する第２の偏光状態を有する。このように、図１９（ｂ）は、交差偏光子の実施形態である。図１９（ａ）および（ｂ）の実施形態において、無色表示装置は能動制御ＦＬＣリターダ５２０（スイッチ）と組み合わせたＬＣＤパネル６００により構成され、能動制御ＦＬＣリターダ５２０は無色インバータとして作用する。
【０１２８】  ＦＬＣリターダ５２０は、電極５３０および５４０によりＦＬＣリターダ５２０に印加される電圧により＋α１および−α１の少なくとも２つの配向の間を電気的に切替わることができる配向を有する。ＦＬＣリターダ５６０は、＋α２および−α２の少なくとも２つの配向の間を電気的に切替わることができる配向を有する。ＦＬＣリターダ５６０のある部分または「画素」の配向は、ピクセル状鏡電極５８０の相当するピクセルに電圧を印加することにより、独立して切り替えることができる。このように、ＬＣＤ表示装置６００の偏光状態は電極５７０および５８０により駆動される画像データにしたがって入力光１００および１０１を変調する。
【０１２９】  図１９（ａ）および（ｂ）の両方の実施形態ともに反射型であるので、光１００および１０１は、ＦＬＣリターダ５２０およびＦＬＣリターダ５６０を通過する２つの経路を作る。設計された波長でのＦＬＣリターダ５２０およびＦＬＣリターダ５６０によるリターダンスは、２つの経路後のＦＬＣリターダ５６０によるリターダンスが、近似的に２つの経路後のＦＬＣリターダ５２０によるリターダンスの半分となるように選ばれるのが好ましい。図１９（ａ）および（ｂ）の実施形態において、ＦＬＣリターダ５２０は、単一経路に対して設計された波長で半波長（２つの経路で全波長）のリターダンスを有することが好ましく、ＦＬＣリターダ５６０は、単一経路に対して設計された波長で４分の１波長（２つの経路で半波長）のリターダンスを有することが好ましい。
【０１３０】  スメクティック液晶において、液晶層の法線方向と分子方向との間の角度は液晶の傾角θとして表される。ＦＬＣは、スメクティック液晶に分類され、ブラッシング方向のいずれの面についても＋θと−θとの間を切替可能な分子方向（液晶配向）の双安定である。
【０１３１】  図１９（ｂ）の実施形態において、ＦＬＣリターダ５２０およびＦＬＣリターダ５６０は、ＦＬＣリターダ５２０を構成する液晶の摩擦(rubbing)方向がＦＬＣリターダ５６０を構成する液晶の摩擦方向と直交するように配置されるのが好ましい。さらに、ＦＬＣリターダ５２０は、その摩擦方向が図１９（ｂ）の実施形態でのｘ軸方向である入射光の偏光方向に平行または垂直となるように配置されることが好ましい。
【０１３２】  表示装置のコントラスト比を最適化するため、図１９（ｂ）の実施形態においてＦＬＣリターダ５６０の傾角（θ２）は、ＦＬＣリターダ５２０の傾角（θ１）の２倍近いことが好ましい。さらに、対称的なスイッチ配置を保ったままで、ＦＬＣ表示装置の無収差性を最適化することが好ましい。これらの好適さの観点から、図１９（ｂ）の実施形態において、ＦＬＣリターダ５２０の傾角（θ２）は２２．５°付近に選択されることが好ましく、ＦＬＣリターダ５６０の傾角（θ１）は１１．２５°付近に選択されることが好ましい。
【０１３３】  ＦＬＣリターダ５６０と協働する無色インバータ（ＦＬＣリターダ５２０）の動作を、図１９（ｂ）の実施形態について説明する。すでに説明したように、配向角は、任意のｘ軸に対して与えられる。図１９（ｂ）の実施形態において、ＦＬＣリターダ５２０の摩擦方向はｘ軸と平行で、＋α１は＋θ１（近似的に１１．２５°）と等しく、−α１は−θ１（近似的に−１１．２５°）と等しい。しかしながら、ＦＬＣリターダ５６０の摩擦方向がｘ軸に直交しているので、＋α２は近似的に９０°−θ２（近似的に６７．５°）と等しく、−α２は近似的に９０°＋θ２（近似的に１１２．５°、これは−６７．５°と透過）と等しい。
【０１３４】  図２０は、ＦＬＣリターダ５２０とＦＬＣリターダ５６０との異なる配向に対する、図１９（ｂ）の表示装置５０５の１つの画素の出力を示す表である。図２０に示すように、ＦＬＣリターダ５６０を逆フレームに駆動するために、ＦＬＣリターダ５６０の配向角の符号を変えたとき、ＦＬＣリターダ５２０の配向角の符号を同時に変えることにより、表示装置の出力を同じに保つことができる。
【０１３５】  図１９（ｂ）の実施形態において、ＦＬＣリターダ５２０およびＦＬＣリターダ５６０の配向は、無収差白色状態を得るためそれぞれ近似的に＋１１．２５°および＋６７．５°に設定される。ＦＬＣリターダ５６０の画素は、ピクセル駆動電圧を調節することにより、逆画像フレームに駆動される。ＦＬＣリターダ５６０の配向角の極性は反転する（すなわち、約−６７．５°の配向に切り替わる）。ＦＬＣリターダ５６０の画素が逆画像フレームに駆動されるとき、ＦＬＣリターダ５２０の電圧駆動はＦＬＣリターダ５２０が約−１１．２５°に切り替わるように調整されて、ＬＣ表示装置５０５の出力は無収差白色状態を保つ。これによって、逆フレームを見ることができる。
【０１３６】  同様に、ＦＬＣリターダ５２０およびＦＬＣリターダ５６０の配向は、高コントラスト黒色状態を得るためそれぞれ近似的に＋１１．２５°および−６７．５°に設定される。ＦＬＣリターダ５６０のある画素を逆フレームに駆動するために、（配向を約＋６７．５°に設定することにより）ＦＬＣリターダ５６０のその画素の極性を反転させたとき、ＦＬＣリターダ５２０の配向は約−１１．２５°に切り替えられて、表示装置５０５の出力を高コントラスト状態に保つ。
【０１３７】  上述のように、ＦＬＣリターダ５２０およびＦＬＣリターダ５６０の傾角は、対称切り替え構成を保ったままで、表示装置５０５の無収差が最適となるように選ばれることが好ましい。図２１は、図１９（ｂ）の表示装置５０５のオン状態における光学的透過率を異なる傾角の組み合わせについて波長の関数として表したグラフであり、ＦＬＣリターダ５６０に対して傾角が約２２．５°であることが好ましく、かつＦＬＣリターダ５２０に対して傾角が約１１．２５°であることが好ましい理由を示す。ここに示されているように、θ１＝２２．５°かつθ２＝１１．２５°の場合に、最適な無収差が得られる。
【０１３８】  透過型無色表示装置５０７が図２２に示される。透過型表示装置５０７は、ＦＬＣリターダ６２０を除き、反射型表示装置と同様である。このＦＬＣリターダ６２０は、入力光がＦＬＣリターダ６２０を通る単一経路のみを経るので、設計された波長で半波長のリターダンスを有することが好ましい。さらに、ＦＬＣリターダ６２０には、反射型電極に変えて、透過型ピクセル状電極６３０を含む透明基板が用いられる。電極５７０を含む透明基板と、透過型ピクセル状電極６３０を含む透明基板と、ＦＬＣリターダ６２０とが全体としてＬＣＤパネル６０２を構成する。
【０１３９】  入力光はＦＬＣリターダ６２０を通過するので、好ましくは設計された波長において半波長リターダンスを有する第２のＦＬＣリターダ６４０がＦＬＣリターダ６２０の後ろに配置される。電極６５０および６６０を含む透明基板は、第２ＦＬＣリターダ６４０に電圧を印加するために用いられる。出力偏光子６７０は出力光を検光するように配される。図２２の実施形態において、入力偏光子と出力偏光子５１０および６７０とが交差する。表示装置５０７は光源１０３により照射され、光源はレンズ１０４により平行光にされる。ディヒューザや光制御フィルムなどの他の物質を、光源と表示装置５０７との間に挿入することもできる。この表示装置５０７は、透過型として眺められる。
【０１４０】  図２２の透過型表示装置において、第１及び第２のＦＬＣリターダ５２０および６４０は、協働して表示装置５０７に対して無色インバータとして作用する。このように、ＦＬＣリターダ５２０および６４０の配向は、逆フレームを見ることができるように、同時的に切り替わる。
【０１４１】  図１９（ａ）、（ｂ）および図２２の実施形態によれば、ＦＬＣリターダおよびＦＬＣリターダには、ＦＬＣが用いられる。しかしながら、これらは、面配列のＳｍＣ＊液晶、ＳｍＡ＊液晶、ねじり螺旋強誘電性（ＤＨＦ）液晶、反誘電性液晶、アキラル強誘電性液晶等を含む電気的に回転可能な光軸を有するあらゆる他の物質を用いてもよい。さらに、ＦＬＣリターダは、固定された配向および０と半波長との間を電気的に切り替え可能なリターダンスを有する２つのリターダが用いられてもよい。
【０１４２】  本発明の無色インバータは、電気制御複屈折（ＥＣＢ）セル、πセル、ハイブリッド配列ネマティックセル、垂直配列、その他の非ゼロリターダンスとゼロリターダンスとの間を切り替え可能な液晶装置などのネマティック液晶可変リターダが用いられてもよい。これらの装置は費用が安く、製造も容易である。図２３（ａ）および（ｂ）にこれらの装置の例が示されている。
【０１４３】  図２３（ａ）の反射型表示装置７１２は、線形偏光子７１０と、インライン補償器またはシム７１６と、可変ネマティック液晶（ＮＬＣ）装置７２０（単一ピクセル装置）と、電極７３０、７４０を含む透明基板と、ＦＬＣリターダ、好ましくは４分の１波長板と、電極７７０を含む透明基板と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ７６０に電圧を印加するピクセル状鏡電極７８０を含む透明基板とを備える。電極７７０を含む透明基板と、ピクセル状鏡電極７８０を含む透明基板と、ＦＬＣリターダ７６０とが全体として反射型ＬＣＤパネル７９５を構成する。補償器７１６と、ＮＬＣ７２０と、電極７３０および７４０を含む透明基板とが全体としてＮＬＣスイッチ７８５を構成する。
【０１４４】  表示装置は周辺光１００により照射される。看者は目３００で表される。図２３（ｂ）の実施形態において、線形偏光子７１０は偏光ビームスプリッタ７１１に置換されており、この偏光ビームスプリッタ７１１は表示装置７１３の入力偏光子としても出力偏光子としても用いられる。偏光ビームスプリッタ７１１は白色光１０１により照射され、反射光は第１偏光状態を有するとともに透過光は第１偏光状態と直交する第２偏光状態を有する。このように、図２３（ｂ）は、交差偏光子の実施形態である。
【０１４５】  ＮＬＣ７２０は、スペクトルの可視部分において半波長板であることが好ましく、偏光入射光に対して約−６７．５°に配向されていることが好ましい。ＦＬＣリターダ７６０の光軸は２つの状態の間を切り替わることが好ましく、一方の状態は入射偏光状態であり、他方は偏光入射光に対して約４５°である（または、ＳｍＣ＊強誘電性物質に共通なように、傾角が約２２．５度のときは傾角の２倍）。
【０１４６】  この構成は次のように動作する。通常のビューフレームの間は、ＮＬＣ装置７８５は「駆動される」（最大電圧がＮＬＣ７２０に印可されて、その結果ゼロまたはゼロに近いリターダンスとなり、理想的にはあたかもリターダが消滅したことになる）。偏光入射光は、ＦＬＣリターダ７６０の２つの状態のうちの１つを見る。光軸は入射偏光の方向に対して平行かまたは約４５°である。平行配向は、結果として偏光状態を実質的に回転しない。（例えば図２３（ｂ）の実施形態のビームスプリッタ７１１を通るように）交差偏光配置を見ると、この状態の画素は黒く見える。入射偏光に対して約４５°に配向する光軸を有する画素は、偏光された光を約９０°回転し、偏光された光は交差偏光子を透過して、これらの画素は白く見える。上述のように、可視スペクトルの全ての波長に対してＬＣＤパネル７９５を反射半波長板（すなわち、無色混合リターダ）にするように、単一受動リターダフィルムはＮＬＣ装置とＬＣＤパネル７９５との間に配することもできる。
【０１４７】  ここで、（ＣＤがＬＣＤパネル７９５をバランスするために）逆フレームの間にＬＣＤパネル７９５に反対の電圧を印加すると、半波長のリターダンスを有し、ＮＬＣ装置７８５は駆動されない（理想的には無色であるが、実際にはそれは困難であり、よって約５００ｎｍで半波長であることが好ましい）。偏光入射光は、半波長ＮＬＣ７２０を見ることになり、その偏光は実質的に１３５°または＋４５°だけ回転する。この新たな状態は、最初の偏光方向に対して約０°に配向したＬＣＤパネル７９５の逆オン状態画素の光軸を見ることになり、実質的に９０°から＋４５°に回転する。この反射偏光された光はＮＬＣ７２０に約６７．５°の実質的な角度を作り、入射光のもとの偏光状態に関して約６７．５°の２倍または−９０°まで回転し、交差偏光子（ビームスプリッタ７１１）を透過して、修正された光学極性でオン状態画素を再び現す。
【０１４８】  逆オフ状態画素は、フレームがＤＣバランスの間、入射光のもとの偏光状態に関して約＋４５°となる光軸配向を有する。ＮＬＣ７２０は、ＬＣＤパネル７９５のオフ状態の画素の光軸に対して約−６７．５°に配向される。ＮＬＣを横切つた後、設計された波長での偏光は、この逆オフ状態のＦＬＣの光軸のに対して４５°平行に配向される。したがって、偏光状態は不変にされて、その帰還経路上でＮＬＣにより約０°に回転して戻ってくる。このように画素は暗状態として見える。ＮＬＣ／ＦＬＣリターダの特定の配向により、本発明の前述の実施形態による混合リターダと同様に良好な無色（すなわち、黒色）のオフ状態が確実になる。
【０１４９】  ＤＣバランスフレームにおいて良好なオフ状態を得るために、ＮＬＣ７２０は、ＬＣ混合間で整合が良好な分散が存在するように、ＦＬＣリターダ７６０と近時的に同一のリターダンスを有しなければならない。すなわちこれは、ＮＬＣ７２０もオン状態で無色リターダでなければならないか、または高コントラスト比およびこの光学的インバータの方法を用いた明るい表示装置を実現するためにはＦＬＣリターダを無色とすることを望むことができない可能性があることを意味する。
【０１５０】  このスイッチとしてＦＬＣリターダの代わりにネマティックリターダを用いることの問題の一つは、印加電圧に対して応答時間が非対称であることである。駆動された状態への切り替えは早いが、非駆動状態への緩和は遅い（近似的に１ミリ秒より小さい）。しかし、ＬＣＤパネル７９５が（８ビットディスプレイにたいして、すなわち８つのフレームがロードされる）ビューフレームがロードされているとき、逆フレームがロードされ、二重ＥＣＢまたはπセル構成が用いられるため、下記の通り、速度は問題でなくなる。
【０１５１】  図２３（ｃ）の反射型ディスプレイは、偏光ビームスプリッタ７１１と、第１切替ネマティック液晶（ＮＬＣ）装置７２０（単一ピクセル装置）、好ましくは半波長板と、電極７３０，７４０を含む透明基板と、第２切替ネマティック液晶（ＮＬＣ）装置７２０（単一ピクセル装置）、好ましくは半波長板と、電極７２１ａ，７２１ｂを含む透明基板と、ＦＬＣリターダ７６０、好ましくは４分の１波長板と、電極７７０を含む透明基板と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ７６０に電圧を印加するピクセル状鏡電極７８０を含む透明基板とを備える。電極７７０を含む透明基板と、ピクセル状鏡電極７８０を含む透明基板と、ＦＬＣリターダ７６０とが全体として反射型ＬＣＤパネル７９５を構成する。ＮＬＣ７２０と、電極７３０および７４０を含む透明基板と、ＮＬＣ７２１と、電極７２１ａおよび７２１ｂを含む透明基板とが全体としてＮＬＣスイッチ７８５を構成する。
【０１５２】  ＮＬＣ７２１は、前述のＮＬＣ実施形態と同様に配列、切替され、ＦＬＣパネルに最も近く配されることが好ましい。ＮＬＣ７２０はＮＬＣ７２１に対して約９０°に配列し、動的補償器として働く。ビューフレームの間、両分のネマティックセルは駆動されて、実質的に消滅する。ビューフレームのロードおよび表示の間（すなわち、フレームのロードが終了してからフレームの表示までの約１ミリ秒）の適切な時間に、２つのネマティックセルから駆動電圧がはずされて、緩和により共に非駆動状態に戻る。非駆動状態に緩和されるときに、合わせて実質的にゼロリターダンスを示すように、それらの光軸は交差したままである（すなわち、正規化された入射光にたいして不可視である）。逆フレームが見えるときには、ＮＬＣ７２１のみが駆動されて、入射偏光は、２つではなく１つの半波長板のみを見ることになり、上述と同様に動作する。
【０１５３】  図２４は、インバータを用いた本発明の他の実施の形態による表示装置を示す。図２４の反射型表示装置８１５は、線形偏光子８１０と、インライン補償器８１６と、切替ネマティック液晶（ＮＬＣ）装置８１８、好ましくは半波長板と、受動リターダ８２１、好ましくは半波長板と、ＬＣＤパネル８２５とを備える。ＬＣＤパネル８２５は、ＦＬＣリターダ８６０と、電極８７０を含む透明基板８７０と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ８６０に電圧を印加するピクセル状電極８８０を含む透明基板とを備える。ＮＬＣスイッチ８１８は、ネマティック液晶リターダ（ＮＬＣ）８２０と、インライン補償器８１６および受動リターダ８１２に沿ってＮＬＣ８２０に電圧を印加するための電極８３０および８４０を含む透明基板とを備える。表示装置８１５は周辺光１００により照射される。看者は目３００で表される。表示装置８１５は、良好なコントラストと、より良好な無色特性と、ＬＣＤパネル８２５のみに比べて２倍のスループットとを示し、光学的に高い反射状態と近いという利点を有し、よって、ちらつきを防ぐことができる。
【０１５４】  ＮＬＣ８２０は、例えば、πセルやＥＣＢなどの面ねじれのないネマティック液晶のどれかであってよい。しかし、他の構成を用いることもできる。切替状態の１つにおいて、ＮＬＣ８２０は、ＮＬＣ８２０を通った伝搬光がリターダンスを経験するように緩和され、他の切替状態において、ＮＬＣ８２０の分子は、本質的に光の伝搬方向に対して垂直であり、光の偏光に対してリターダンスをほとんどかまたは全く伝えない。このアプローチは、結合混合リターダの４つの可能な状態に相当する２つの高反射状態と２つの低反射状態を有する。正確な光学逆変換のために、電気的に逆変換されたＦＬＣリターダ８６０の２つの状態に関連する高い反射状態は、好ましくは光学的に等価であって、できるだけ無色であることが好ましく、さらに低い反射状態は、良好なコントラストを得るために可視スペクトルのすべてにわたってできるだけ低い反射を示すことが好ましい。実際の逆変換の設計においては、両方の性能を確実にすることが好ましい。
【０１５５】  以下の方法論は、本発明による混合リターダの逆変換の設計に用いられ、良好な低反射状態が２つ導かれることが好ましい。すなわち、最大の無色性の高反射性能を得るためにＦＬＣリターダ８６０の２つの状態の２つの光軸が選ばれ、かつ、２つの高反射状態のスペクトルを（できうる限り）等しくするために受動リターダ８２１の配列が変更される。以下の数学的なアプローチは、上述したＭ＝３構造とＭ＝５構造の解析と整合する。本発明による無色インバータに関し、無色オン状態は良好なオフ状態とトレードオフになることが望まれる。中央リターダ上への偏光のマッピングは、良好なオフ状態を与え、良好なオフ状態は入力偏光方向に沿った混合光学軸を配向させることと数学的に均等である。
【０１５６】  上述のように、混合リターダにおける低い反射は、交差偏光子間で得ることができる。これは、（混合リターダにおけるすべてのリターダが実質的に半波長板となるような）設計された波長における偏光状態が表示装置８１５の中方リターダの光軸の上にマップするかまたはそれに約９０°となるかしたときに、中央リターダは、ＦＬＣリターダ８６０に相当する。これらの状態のうちの１つにおいてＦＬＣリターダ８６０が入射偏光方向に対してθＡの配向を有すると仮定すると、ハイに駆動された（すなわち実質的に消滅する）ＮＬＣ８２０が低反射状態となることが期待され、図２５に示すように、受動リターダ８２１は入射偏光の方向から、次のいずれかの角度に配向しなければならない。
【０１５７】
【数２２】
0005247955.tif 000023
【数２３】
0005247955.tif 000024
【数２４】
0005247955.tif 000025
これらの数式は、受動リターダ８２１が（設計された波長に対して）光軸の周りに入射偏光の配向を反射するという事実から理解することができる。
【０１５８】  第２の低反射状態は、ＦＬＣリターダ８６０が他の配向θＢに配向されるときである。ここでθＢは次式で表される。
【０１５９】θＢ＝θＡ±θＳ
ここでθＳは、ＦＬＣリターダ８６０の切替角である。この状態において、ＮＬＣ８２０は、緩和、非駆動状態であって、リターダのように作用する。上述の場合と同様に、入射偏光がＦＬＣリターダ８６０の新しい配向上にマッピングされるようにして、ＮＬＣ８２０の配向θＮが選択される。一般的に、逐次の２つのリターダを有する効果は、図２６に示すように、２つの素子の光軸間の差角により設定された波長が回転することである。
【０１６０】  したがって、幾何的に簡易とするのに、θＰ−θＮ＝θＢ／２またはθＢ／２±９０とする。この式を用いてθＢを置き換えると、以下の式のいずれかを得る。
【０１６１】
【数２５】
0005247955.tif 000026
【数２６】
0005247955.tif 000027
【数２７】
0005247955.tif 000028
これら式２２から式２４を式２５から式２７に置き換えると、ＮＬＣ８２０の配向角として次のオプションを得る。
【０１６２】
【数２８】
0005247955.tif 000029
【数２９】
0005247955.tif 000030
【数３０】
0005247955.tif 000031
２つの高反射状態は、ＦＬＣリターダ８６０およびＮＬＣ８２０の状態の２つのオプションに残っている。すなわち、（１）ＦＬＣリターダ８６０がθＡであり、ＮＬＣ８２０の配光がθＮである場合、および（２）ＦＬＣリターダ８６０がθＢであり、ＮＬＣ８２０がハイ状態に駆動されて実質的に消滅している場合である。コンピュータによるモデル化によれば、切替混合リターダの場合の最無色の高（および低）反射は、続くリターダが互いにできるだけ９０°に近い角度で配向しているとき、および低反射状態におけるＦＬＣリターダ８６０に衝突する偏光が、光軸に対して９０°であるとき、であることが示される。１０°よりも小さいθＰの場合には、これは最無色の混合リターダインバータシステムに対して、次の数式を得る。
【０１６３】
【数３１】
0005247955.tif 000032
【数３２】
0005247955.tif 000033
【数３３】
0005247955.tif 000034
与えられたＦＬＣリターダすべてに対して、θＳが固定であるということは、θＮも固定であるという意味を暗に含む。これは、高反射スペクトルと等価な上述の定義式の自由度が１つしかないことを意味している。偶然にも、入射偏光の方向から小さい角度（３°から７°）を調整することによって、確かに等価に近くすることができる。これがこの実施形態の特徴の１つである。４つのすべての状態への偏光操作は、図２７（ａ）から（ｄ）に線図的に示される。上述の設計の手続について、ここで２つの特定の場合について実行される。θＳ＝３８°について、典型的なＬＣ分散と設計波長が５５０ｎｍを仮定して、次の解は最適に近い。
【０１６４】θＰ＝４°
θＡ＝９８°
θＢ＝６０°
θＮ＝１０９°
典型的なＬＣ分散と設計波長が５５０ｎｍを仮定して、４つの出力状態は図２８に示すスペクトルを得る。
【０１６５】  θＳ＝４５°のスイッチングに対しては、次の解を得る。
θＰ＝４°
θＡ＝１００°
θＢ＝５５°
θＩＮ＝１１２．５°
【０１６６】  典型的なＬＣ分散と設計波長が５５０ｎｍを仮定して、４つの出力状態は図２９に示すスペクトルを得る。これらの出力をインバータの解と比較すると、受動リターダを用いない場合は、次のようになる。
【０１６７】θＰ＝４５°
θＡ＝４５°
θＢ＝０°
θＩＮ＝１１２．５°
これは明らかに、高反射状態の整合について向上を示している。４つの出力は、図３０に示すスペクトルを生じる。
【０１６８】  上述のように、ＮＬＣ８２０の一例はπセルである。πセル（すなわち曲げモード）は、この装置にあるリターダンスの値が大きいために視野（ＦＯＶ）特性が低いが、切替速度が速く、より薄くでき（４μｍより小さい）、安価なセルであるために、依然として魅力的である。ここで提案されたのは、例えばインバータなどの反射型装置に用いられる場合のπセルのＦＯＶを増やすことができる方法である。
【０１６９】  図３１は、本発明による表示装置９１５の他の実施形態を示す。表示装置９１５は、偏光ビームスプリッタ９１１と、インライン補償器９１６と、好ましくは４分の１波長板である第１受動リターダ９２０と、好ましくは半波長板である第１πセルリターダ９２１と、第１πセルリターダ９２１に電圧を印加するための電極９２１ａ、９２１ｂを含む透明基板と、好ましくは４分の１波長板である第２受動リターダ９２２と、ＬＣＤパネル９２５とを備える。ＬＣＤパネル９９５は、好ましくは４分の１波長板であるＦＬＣリターダと、画像データにしたがってＦＬＣリターダ９６０に電圧を印加する電極９７０、９８０を含む透明基板とを備える。４分の１波長板のＦＬＣリターダ９２０、９６０の配向は平行であり、πセル９２１、９２２にそれぞれ直交する。ＬＣＤパネル９９５とπセルとの間の最も近い４分の１波長板は、πセルの光軸に対して約９０°の光軸を有し、他の４分の１波長板はこれと９０°かまたはπセルの光軸を平行である。
【０１７０】  本発明のこのアプローチは、軸からはずれた光線がねじれ液晶の方向プロファイルを見るという事実を用いる。このねじれの効果は、図３２に示される。半波長πセルのこの特定の例から分かるように、軸はずれの効果は、楕円で、かつπセルの光軸に対してある角度に配向した偏光を生じることである。πセルとＬＣＤパネルとの間に、４分の１波長リターダ（反射型装置は半波長）を設けることによって、この偏光の長軸方向は４分の１波長リターダの光軸周りに反射され、楕円率が反転する（すなわち左側が右側に回転する）。その後πセルに２回目に透過する効果は、最初の効果を戻すものであり、結果としての偏光は線形である。追加的な４分の１波長板は、他の半波長層からの付加的な面内リターダンスを無視するように、πセルの他の面に追加される。
【０１７１】  この補償器の設計例は、特に本発明のインバータの実施形態に対して良好に働き、付加的なリターデーションフィルムが能動インバータセルとＦＬＣリターダとの間に付加されるようなインバータにおいても適用可能である。
【０１７２】  図３３（ａ）は、偏光子１０１０と、好ましくは３０ｎｍ付近のインラインΓ補償を有する補償器１０１６と、好ましくは４分の１波長板である第１πセルと、第１πセルリターダに電圧を印加する電極１０２０ａ、１０２０ｂを含む透明基板と、基板１０５０ａと、好ましくは４分の１波長板である第２πセルリターダ１０２１と、第２πセルリターダ１０２１に電圧を印加する電極１０２１ａ、１０２１ｂを含む透明基板とを備える。ＬＣＤパネル１０９５は、ＦＬＣリターダ１０６０と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ１０６０に電圧を印加する電極１０７０、１０８０を含む透明基板とを備える。種々のプレートの配向は、図３３（ｂ）に模式的に表される。一体化された表示装置の配向は、２つの平行な半波長πセルの摩擦方向に沿っている。
【０１７３】  図３４（ａ）は、表示装置の他の実施形態であり、偏光ビームスプリッタ１１１１と、好ましくは３０ｎｍ付近にインラインΓ補償を有するインライン補償器１１１６と、好ましくは半波長板である第１πセルリターダ１１２０と、第１πセルリターダ１１２０に電圧を印加する電極１１２０ａ、１１２０ｂを含む透明基板と、好ましくは４分の１波長板である第１受動リターダ１１２１と、好ましくは４分の１波長板である第２πセルリターダ１１２２と、第２πセルリターダ１１２２に電圧を印加する電極１１２２ａ、１１２２ｂを含む透明基板と、好ましくは半波長板である第２受動リターダ１１２３と、ＬＣＤパネル１１９５とを備える。ＬＣＤパネル１１９５は、ＦＬＣリターダ１１６０と、電極１１７０を含む透明基板と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ１１６０に電圧を印加するピクセル状鏡電極１１８０を含む透明基板とを備える。
【０１７４】  種々のプレートの配向は、図３４（ｂ）に模式的に表される。一体化された表示装置の配向は、中央の無色半波長板の配向に平行である。２つのπセルリターダ１１２０、１１２２は、この方向に対してそれぞれ約＋４５°および−４５°に配向する。一体の表示装置は、定められた光軸方向を有する半波長板として結果的に作用するので、オン状態と等しくするさらなる受動半波長リターダを用いることができる。しかしながら、前述の２つのπセルの実施形態における動的緩和補償に使うことができないほど速いと考えられる。
【０１７５】  図３５（ａ）および（ｂ）に示す表示装置の実施形態は、表示装置の不要な反射によるコントラストへの影響を回避する。図３５（ａ）は表示装置の実施形態であって、偏光子１２１０と、好ましくは４分の１波長板である第１πセルリターダ１２２０と、第１πセルリターダ１２２０に電圧を印加するための電極１２２０ａ、１１２０ｂを含む透明基板と、好ましくは５０ｎｍ付近にインラインΓ補償を有する半波長板である受動リターダ１２２１と、好ましくは４分の１波長板である第２πセルリターダ１２２２と、第２πセルリターダ１２２２に電圧を印加するための電極１２２２ａ、１１２２ｂを含む透明基板と、ＬＣＤパネルとを備える。ＬＣＤパネル１９２５は、好ましくは４分の１波長板であるＦＬＣリターダ１２６０と、電極１２７０を含む透明基板と、画像データにしたがってＦＬＣリターダ１２６０に電圧を印加するピクセル状鏡電極１２８０を含む透明基板とを備える。種々のプレートの配向は、図３５（ｂ）に模式的に表される。
【０１７６】  現実の装置は、コントラストを落す不必要な反射を起こす層間相互作用を有する。特に、視野補償の設計例は、上述のように、ＬＣセル製造の現行の方法から来る無視できない反射を有する。この問題を克服してかつ適切なＦＯＶを得るために、より薄いセルは固有により良いＦＯＶを有するという事実を用いるアプローチがある。設計された波長で全半波長(full half-wave)に切り替えるために薄いセルを用いて、プッシュプル二重セルの実施形態は、上述の２つのπセルの実施形態と同様の動的補償を有するものとして用いることができるが、スイッチングリターダと整列する小さなリターダ（好ましくは約５０ｎｍ）を追加する必要がある。この緩和状態において、約５０ｎｍのリターダンスがスイッチ素子のリターダンスに付加され、駆動状態において、動的補償セルは、約５０ｎｍ足すスイッチ素子からの残りのリターダンス分を無視できるほどには高く駆動されない。すなわち、ＬＣＤパネルから最も遠いセルはインバータのある状態に対して高く（例えば２４Ｖより大きく）駆動されるが、他についてはそれほど高くない（例えば−１２Ｖ）。これらはそれぞれ、スイッチセルの高駆動状態と低駆動状態に相当する。動的補償セルは効果的に高電圧スループットで駆動され、緩和を遮蔽し、効果的に高いスイッチスピードを得ることができる。
【０１７７】  図３６−４３は、図３３−３５（ａ）に示した色々な反射表示装置の実施形態の構成を示す。表示装置の基本的な構造が、図３６に示される。ＦＬＣリターダは、印加された電圧の極性に応じて２つの状態を有する。ＮＬＣスイッチは、高電圧及び低電圧の印加に応じて２つの状態を有する。したがって、図３８（ａ）−３８（ｄ）に示すように２つの高い輝度及び２つの低い輝度の全部で４つの状態がある。図３７（ａ）−３７（ｂ）は、４つの状態の正面スペクトルを示す。
【０１７８】  図４０（ａ）−４０（ｄ）及び図４２（ａ）−４２（ｄ）に示す、組み合わされた４つの状態をそれぞれ有する追加の反射表示装置の実施形態が、図３９及び４１に示される。追加の表示装置又は実施形態が図４３に示される。図３９、４１、及び４３の構成は、ｆ／２．５の形態についてかなり立派な視野を与える。ＬＣセルの複屈折が約５５０ｎｍ（緑セル）なので、応答時間は５０℃において１００μｓより小さくてもよい。
【０１７９】  図４４−４７は、発明によるインバータを組み入れた色々な表示デバイスを示す。特に、図４４は、透過液晶表示装置に提供され、発明による無色インバータを利用したフルカラー逐次表示装置を示す。逐次表示装置は、光源２５００、２偏光デジタルカラーシーケンス２４５５、第1インバータ２５５５、透過ピクセル化液晶表示装置２５６０、第２インバータ２５６５、偏光子２５７０、投影レンズ、及び表示スクリーン２５９０を備える。
【０１８０】  光源２５００は、メタルハロゲンランプに適し、好ましくは全ての３つの主カラー領域に光学パワーを放つ。代わりに、光源２５００は、能動ランプシステム又はランプ／カラーホイールの組み合わせと利用されてもよい。
【０１８１】  操作において、光源２５００及びシーケンサ２４５５は、連続的に液晶表示装置２５６０を、赤、緑、及び青色の光で照らす。液晶表示装置２５６０は、光源２５００及びカラーシーケンサ２４５５からの赤、緑、及び青色の照明と同期して連続的に赤、緑、及び青色の画像情報によって駆動される。偏光子２５７０と共に液晶表示装置２５６０は、画像情報に従って、スクリーン２５９０に送られた光の強度を調整する。液晶表示装置２５６０と共にインバータ２５５５、２５６５は、２つの高く、２つの低い、４つの状態の輝度を供給する。インバータ２５５５、２５６５は、前に議論したように、ネガティブな画像フレームを見ることを許容することによって効果的に表示装置の輝度を２倍にする。
【０１８２】  図４４のフルカラー連続表示装置は、スクリーン２５９０が投影光学器と同じ側から見られる前方投影表示装置、又はスクリーン２５９０が投影光学器と反対の側から見られる後方投影表示装置として利用されてもよい。
【０１８３】  図４５は、反射液晶表示装置を用い、本発明の無色インバータを使用したフルカラー連続表示装置を示す。図４５の表示装置は、透過液晶表示装置の代わりに反射液晶表示装置３６００が使用されたこと以外は図４４に示した表示装置と類似している。この構成においては、偏光ビームスプリッタ３６１０は、デジタルカラーシーケンサ２４５５のための出力偏光子及び反射液晶表示装置２６００のための入力／出力偏光子の両方として使用される。したがって、偏光ビームスプリッタ３６１０は、その偏光性が入力偏光子２４５０の偏光軸と交差する光を反射する。操作においては、カラーシーケンサ２４５５を通過した光が、偏光ビームスプリッタ２６１０によって反射液晶表示装置３６００へと反射される。反射液晶表示装置３６００は、画像情報にしたがって光を偏光変調し、変更変調された光を偏光スプリッタ３６１０へ戻る方向へ反射する。偏光スプリッタ３６１０は、偏光ビームスプリッタ３６１０から液晶表示装置３６００の方へ反射された光に対して直交するように偏光された液晶表示装置３６００から反射された光の要素を通過させる。したがって、画像情報は、スクリーン２５９０上に表示される。表示装置３６００共にインバータ３５６５は、２つの高く、２つの低い、４つの状態の輝度を供給する。インバータ３５６５は、前に議論したようにネガティブな画像フレームを見ることを許容することによって効果的に表示装置３６００の輝度を２倍にする。
【０１８４】  図４６は、本発明による反射液晶表示装置を使用し、無色インバータを利用した他の表示装置を示す。図４６は、３つの液晶表示装置３６０１、３６０２、３６０３が利用された以外の点で図４５に示した表示装置と類似している。ビームスプリッタ３６１０は、白色光を、表示装置３６０１、３６０２、３６０３に表示される赤、緑、青色の原色に分ける。インバータ３５６６は、表示装置３６０１、３６０２、３６０３と協働して２つの高く、２つの低い、４つの状態の輝度を供給する。インバータ３５６６は、前に議論したようにネガティブな画像フレームを見ることを許容することによって効果的に表示装置３６０１、３６０２、３６０３の輝度を２倍にする。
【０１８５】  図４７は、本発明による反射液晶表示装置を使用し、無色インバータを利用した更に他の表示装置を示す。図４７は、それぞれの３つの液晶表示装置３６０１、３６０２、３６０３に無色インバータ３５６７、３５６８、３５６９が与えられた以外の点で図４５に示した表示装置と類似している。ビームスプリッタ３６１０は、白色光を、表示装置３６０１、３６０２、３６０３に表示される赤、緑、青色の原色に分ける。インバータ３５６７、３５６８、３５６９は、対応する表示装置３６０１、３６０２、３６０３と協働して２つの高く、２つの低い、４つの状態の輝度を供給する。インバータ３５６７、３５６８、３５６９は、前に議論したようにネガティブな画像フレームを見ることを許容することによって効果的にそれらに対応する表示装置３６０１、３６０２、３６０３の輝度を２倍にする。
【０１８６】  図４４及び４５に示された表示装置において、デジタルカラーシーケンサ２４５５は、光源２５００及び液晶表示装置（図４４では２５６０、図４５では３６００）の間に位置する。しかしながら、デジタルカラーシーケンサ２４５５は、出力、すなわちスクリーン２５９０の照明色を効果的に制御する限り表示システム内の他の場所に位置してもよい。
【０１８７】  デジタルカラーシーケンサ２４５５が、光源２５００及び液晶表示装置２５６０、３６００の間に配置することによって、スクリーン２５９０の画像は、どのデジタルカラーシーケンサ２５０５によって起こされた波の前線のひずみに対して敏感でなくなる。
【０１８８】  以上の実施形態は、単に例であって本発明を限定するために構成されたものではない。本教示は、すぐに他の型のデバイスに適用することができる。本発明の記載は、説明に役立てることを意図しており、特許請求の範囲を限定するものではない。同業者にとって、多くの代替、修正、及び変形が明らかである。特許請求の範囲において、ミーンズプラスファンクション句は、説明された機能を実行するために、ここに記載された構造を含むこと、及び構造的に均等なものばかりでなく、均等な構造をも含むことを意図している。例えば、水晶及びマイラーが、水晶が結晶材料であることで構造的に均等でないとしても、一方、マイラーは高分子材料であり、複屈折材料の領域では水晶及びマイラーは均等な構造である。
【発明の効果】
【０１８９】  上記説明から明らかなように、本発明によれば、全可視光にわたりオン状態の透過が非常に高く、偏光子損失の正規化後において４００ｎｍから７００ｎｍで９４％以上であり、さらに高コントラストで、４５０ｎｍから７００ｎｍで１０００：１である無色シャッタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  交差する偏光子の間にある強誘電性液晶を備える光シャッタ
【図２】  （ａ）は本発明による無色混合リターダの第１実施形態、（ｂ）は本発明による無色混合リターダの第２実施形態、（ｃ）は本発明による無色混合リターダの第３実施形態
【図３】  （ａ）は本発明による反射型無色混合リターダの実施形態、（ｂ）は本発明による反射型無色混合リターダの第２実施形態
【図４】  本発明の実施形態による無色混合リターダを用いた無色シャッタ
【図５】  （ａ）および（ｂ）は交差偏光子シャッタのオン状態およびオフ状態の計算による透過スペクトルのグラフで、（ａ）は本発明の実施形態による無色混合リターダを有する交差偏光子シャッタ、（ｂ）は単一リターダを有する交差偏光子シャッタ、（ｃ）および（ｄ）は平行偏光子シャッタのオン状態およびオフ状態の計算による透過スペクトルのグラフで、（ｃ）は本発明の実施形態による無色混合リターダを有する平行偏光子シャッタ、（ｄ）は単一リターダを有する平行偏光子シャッタ
【図６】  オン状態の計測による透過スペクトルで、（ａ）は本発明の実施形態による混合リターダ無色シャッタ、（ｂ）は単一リターダシャッタ
【図７】  本発明の実施形態による混合リターダ無色シャッタのオフ状態の計測による透過スペクトル
【図８】  半波長リターダンスδからのずれの関数としてのオン状態の計算による透過、（ａ）は本発明の実施形態による混合リターダ無色シャッタ、（ｂ）は単一リターダシャツタ
【図９】本発明の実施形態による混合リターダ無色シャッタの、半波長リターダンスδからのずれの関数としてのオン状態の計算による透過
【図１０】本発明の実施形態による混合リターダ無色シャッタの、半波長リターダンスδからのずれの関数としてのコントラスト比
【図１１】  （ａ）は本発明の実施形態による混合４分の１波長板をもちいた無色シャッタのオン状態の計算による透過スペクトル、（ｂ）は本発明の実施形態による混合４分の１波長板をもちいた無色シャッタのオフ状態の計算による透過スペクトル
【図１２】  （ａ）は本発明の実施形態による平行偏光子を有する複画素反射型の無色シャッタ、（ｂ）は本発明の実施形態による交差偏光子を有する複画素反射型の無色シャツタ
【図１３】本発明の実施形態による平行偏光子を有する複画素透過型の無色シャッタ
【図１４】  本発明の実施形態による一対の液晶リターダおよび一対の受動リターダを備える混合無色可変リターダ
【図１５】  （ａ）は本発明の反射型表示装置の配置の概略、（ｂ）は（ａ）の反射型表示装置の展開修正図
【図１６】  従来のＬＣＤパネルにおける０（π／２）のオフ状態配向と±π／４のオン状態配向との間の最適変調を示す表
【図１７】  受動リターダが７．５°に配向する場合のＬＣＤパネルが６０°（オン）と１０５°（オフ）の間を回転する表
【図１８】  ポリカーボネイトの分散を全ての構成要素に用いた場合の、５００ｎｍに中心を持つ半波長リターダの性能の表
【図１９】  （ａ）は本発明による無色インバータを含む反射型無色ＦＬＣ表示装置の第１実施形態、（ｂ）は本発明による無色インバータを含む反射型無色ＦＬＣ表示装置の第２実施形態
【図２０】  ＬＣリターダとＦＬＣリターダとの異なる配向に対する図１９（ｂ）のＦＬＣ表示装置の光学透過を示す表
【図２１】  異なる傾角に対しての波長の関数としての図１９（ｂ）のＦＬＣ表示装置のオン状態の光学的透過を示すグラフ
【図２２】  本発明の実施形態による無色インバータを含む透過型無色ＦＬＣ表示装置
【図２３】  （ａ）および（ｂ）はネマティック液晶可変リターダを用いた本発明の光学インバータの実施形態、（ｃ）は視野（ＦＯＶ）を改良した一対のネマティック液晶可変リターダを用いた本発明による光学インバータの実施形態
【図２４】  ネマティック液晶可変リターダおよび受動リターダを用いた本発明の実施形態による光学インバータ
【図２５】  図２４の実施形態による受動リターダの好ましい配向
【図２６】ＮＬＣの光軸と図２４の受動リターダとの間の好ましい角度差
【図２７】  （ａ）から（ｄ）は、図２４の実施形態による輝度の４つの状態すべての好ましい偏光操作の模式図
【図２８】  本発明の好ましい実施形態による波長対透過のグラフ
【図２９】本発明の好ましい実施形態による波長対透過のグラフ
【図３０】本発明の好ましい実施形態による波長対透過のグラフ
【図３１】  ＦＯＶを改良したＦＬＣ表示装置の本発明における他の実施形態
【図３２】  軸を外れた光線がねじり液晶の方向をどのように描くかを示す図
【図３３】  （ａ）はＦＬＣ表示装置の本発明による他の実施形態、（ｂ）は（ａ）の実施形態における種々の波長板の好ましい配向
【図３４】  （ａ）はＦＬＣ表示装置の本発明による他の実施形態、（ｂ）は（ａ）の実施形態における種々の波長板の好ましい配向
【図３５】  （ａ）はＦＬＣ表示装置の本発明による他の実施形態、（ｂ）は（ａ）の実施形態における種々の波長板の好ましい配向
【図３６】  本発明の実施形態による他の反射型表示装置の構造の概略
【図３７】  図３６の実施形態による４つの状態の正面スペクトル
【図３８】  （ａ）から（ｄ）は図３６の実施形態による４つの状態の強度の合計
【図３９】  本発明の実施形態による他の反射型表示装置の構造の概略
【図４０】  （ａ）から（ｄ）は図３９の実施形態による４つの状態の強度の合計
【図４１】本発明の実施形態による他の反射型表示装置の構造の概略
【図４２】（ａ）から（ｄ）は図４１の実施形態による４つの状態の強度の合計
【図４３】本発明の実施形態による他の反射型表示装置の構造の概略
【図４４】本発明の実施形態による無色インバータを組み込んだ表示装置
【図４５】本発明の実施形態による無色インバータを組み込んだ表示装置
【図４６】本発明の実施形態による無色インバータを組み込んだ表示装置
【図４７】本発明の実施形態による無色インバータを組み込んだ表示装置
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５（ａ）−（ｂ）】
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【図５（ｃ）−（ｄ）】
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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２２】
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【図２３（ａ）−（ｂ）】
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【図２３（ｃ）】
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【図２４】
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【図２５】
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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３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４（ａ）】
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【図３４（ｂ）】
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【図３５（ａ）】
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【図３５（ｂ）】
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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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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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