(57)【要約】液晶スイッチャブル・カラーフィルタは、３つのカラー帯域間でスイッチしかつ例えば、投影装置、直視ディスプレイおよびビデオ・カメラのような、時系列カラー装置に好適に用いられる。カラーフィルタは、３つの液晶スイッチ（ｓｗ１、ｓｗ２、ｓｗ３）および関連リターダー・レイヤーと一緒に少なくとも４つのコレステリック・フィルタ（ｃｆｂ１、ｃｆｒ２）の円偏光する選択的反射帯域を採用する。第２のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ１）の左右対称は、第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）の左右対称に等しくかつ第１および第４のコレステリック・フィルタ（ｃｆｂ２、ｃｆｒ１）の左右対称と逆であり、かつカラー帯域のブロッキング状態に対して、対応している液晶スイッチの光軸は、偏光方向に並行または垂直である。この概念は、改善された、優れた色の彩度に導きかつ従来技術におけるよりも厳しくない製品許容誤差を要求する。更に、それはオーバーラッピング・カラー透過帯域を有利に許容しそれゆえに光効率を改善する。【選択図】図５ａ
2004522985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力側および光出力側を有している光路により、第１、第２、および第３のカラー帯域の間をスイッチするための液晶スイッチャブル・カラーフィルタであって、
少なくとも二つのスイッチング状態を構成することができる第１のスイッチャブル液晶セル（ｓｗｃｅｌｌ１）；
四分の一波長プレートとして前記第１のカラー帯域に対して動作する第１のリターダー・レイヤー（ｒｅｔｌ．２）；
前記第１のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第１のコレステリック・フィルタ（ｃｆｂ２）；
前記第２のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第２のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ１）；
四分の一波長プレートとして前記第２のカラー帯域に対して動作する第２のリターダー・レイヤー（ｒｅｔ２．１）；
少なくとも二つのスイッチング状態を構成することができる第２のスイッチャブル液晶セル（ｓｗｃｅｌｌ２）；
四分の一波長プレートとして前記第２のカラー帯域に対して動作する第３のリターダー・レイヤー（ｒｅｔ２．２）；
前記第２のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）；
前記第３のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第４のコレステリック・フィルタ（ｃｆｒ１）；
四分の一波長プレートとして前記第３のカラー帯域に対して動作する第４のリターダー・レイヤー（ｒｅｔ３．１）；
少なくとも二つのスイッチング状態を構成することができる第３のスイッチャブル液晶セル（ｓｗｃｅｌｌ３）；および
偏光ブロッキング素子
を備え、
前記第２のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ１）の左右対称は、前記第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）の左右対称に等しくかつ第１（ｃｆｂ２）および第４（ｃｆｒ１）のコレステリック・フィルタと逆であり；かつ
各カラー帯域のブロッキング状態に対して、対応しているスイッチャブル液晶セルの光軸は、光の偏光方向に対して実質的に並行または実質的に垂直のいずれかであることを特徴とするカラー・フィルタ。
【請求項２】
前記偏光ブロッキング素子は、線形偏光子によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項３】
前記偏光ブロッキング素子は、四分の一波長プレートとして前記第３のカラー帯域に対して動作する第５のリターダー・レイヤー（ｒｅｔ３．２）および前記第３のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第５のコレステリック・フィルタ（ｃｆｒ２）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項４】
前記光入力側に追加された、前記第１のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している補助コレステリック・フィルタ（ｃｆｂ１）と、四分の一波長プレートとして前記第１のカラー帯域に対して動作する補助リダーダー・レイヤー（ｒｅｔ１．１）とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項５】
前記コレステリック・フィルタの前記選択的反射帯域の遮断（カットオフ）波長は、前記第１、第２および第３のカラー帯域の少なくとも二つがその透過状態においてオーバーラップするように選択されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項６】
前記第２のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ１）の短波長遮断（カットオフ）は、前記第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）の短波長遮断（カットオフ）とは異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項７】
前記第１のコレステリック・フィルタ（ｃｆｂ２）の長波長遮断と前記第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）の短波長遮断は、実質的に同じ波長であり、前記第２のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ１）の短波長遮断よりも短いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項８】
前記第２のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ１）の長波長遮断は、前記第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）の長波長遮断と異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項９】
前記第３のコレステリック・フィルタ（ｃｆｇ２）の長波長遮断は、前記第４のコレステリック・フィルタ（ｃｆｒ１）の短波長遮断よりも長い波長であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項１０】
前記スイッチャブル液晶セルの少なくとも一つは、変形へリックス強誘電体（ＤＨＦ）の種類または表面安定化強誘電体（ＳＳＦ）の種類のものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項１１】
前記スイッチャブル液晶セルの少なくとも一つは、反強誘電体の種類または特に無しきい値反強誘電体の種類のものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項１２】
前記スイッチャブル液晶セルの少なくとも一つは、電子クリニックの種類であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項１３】
光出力側に追加のクリーニング偏光子を備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の液晶スイッチャブル・カラーフィルタ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載された液晶スイッチャブル・カラーフィルタを含んでいることを特徴とする時系列カラー装置。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載された液晶スイッチャブル・カラーフィルタを含んでいることを特徴とする光学映写装置。
【請求項１６】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載された液晶スイッチャブル・カラーフィルタを含んでいることを特徴とする直視ディスプレイ。
【請求項１７】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載された液晶スイッチャブル・カラーフィルタを含んでいることを特徴とするビデオ・カメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
１．（技術分野）
本発明は、液晶スイッチャブル・カラー・フィルタに関し、特に、コレステリック・フィルタの円偏波選択反射帯域を採用するかかるカラー・フィルタ；および時系列カラー装置、例えば、該カラー・フィルタを備えている、投影装置、直視ディスプレイおよびビデオ・カメラに関する。
【０００２】
２．（背景技術）
高速イメージャと同期された主要カラーＲＧＢ（赤−緑−青）を供給する高速スイッチング・カラー・フィルタは、時系列単一パネル・ビデオ・プロジェクタの中央部を示す。そのコンパクト性、低コスト、および軽い重さにより、このプロジェクタの種類は、特に興味があるものである。カラー・フィルタは、フル−カラー写真の３つのカラー成分を生成すると同時に、イメージャは、これらの成分のグレー・レベルを決定する。スイッチング頻度（周波数）が十分に高いならば、人間の目は、３つのカラー成分を単に統合しかつ意図した混合カラーを生成する。アナログ的に、時系列直視ディスプレイが可能であり、かつまた、時系列技法に基づくカラー・ビデオ・カメラも存在する。後者は、混合カラー成分を計算することによってまたは時系列投影によってカラー画像に戻すように変換することができる３つのカラー成分の３つのグレー・スケール画像を生成する。
【０００３】
カラー・スイッチの様々な設計が提案されている。ＲＧＢカラー生成に対する一つのよく知られた解決策は、機械的カラー・ホィールである。その主な欠点は、用いられるカラー・フィルタの光誘導劣化、装置の大きな容量、および機械的不安定性によるジッターである。
【０００４】
別の知られた解決策は、液晶スイッチとの積重ねリターダー／偏光子組合せであり、不要なカラー成分は、偏光子によって取り除かれる。しかしながら、これらのフィルタは、製造することが難しい。特に、薄い積重ねリダーダーによる飽和したカラー（ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｃｏｌｏｒ）を生成することが困難であり、そして更に吸収偏光子は、高い光レベルの下で劣化する傾向がある。
【０００５】
第三の知られた解決策は、液晶スイッチと組合された、積重ねコレステリック・フィルタを用いる。吸収される代わりに、不要なカラー成分は、コレステリック・フィルタによって反射される。プロジェクタに存在する高い光レベルがあらゆる吸収成分にダメージを与える傾向があるので、この代替は、特に魅力的である。更に、コレステリック・フィルタは、優れた色の彩度を結果としてもたらす急峻な選択的反射帯域を示す。更に、コレステリック・フィルタは、光度の損失なしに線形偏光光線に容易に変換することができるそのコレステリック螺旋構造に従ってフィルタの反射帯域内で円偏光光線を生成する。コレステリック・フィルタは、光の波長に匹敵するピッチを有する螺旋構造を有するネマティック液晶である。クロスリンク可能なネマティック液晶が用いられるならば、フィルタは、複雑な積重ね構造を形成するために非カイラル・リターダーと容易に組合せることができる薄膜として製造することができる。コレステリック・フィルタおよび液晶スイッチに基づく減法カラー・スイッチおよびモジュレータが知られており例えば以下の出版物に記述されている：米国特許第５，６８６，９３１号公報（Ｆｕｎｆｓｃｈｉｌｌｉｎｇ等）；Ｊ．ＦｕｎｆｓｃｈｉｌｌｉｎｇおよびＭ．Ｓｃｈａｄｔ、Ｎｏｖｅｌ ＬＣＤ Ｃｏｌｏｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ Ｆｉｌｔｅｒｓ，ＳＩＤ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ，ＸＸＶＩ、５９７−６００ （１９９５）；およびＫ．Ｓｃｈｍｉｔｔ、Ｊ．Ｆｕｎｆｓｃｈｉｌｌｉｎｇ、Ｍ．Ｚ．ＣｈｅｒｋａｏｕｉおよびＭ．Ｓｃｈａｄｔ、Ｆａｓｔ Ｔｉｍｅ−Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｓｗｉｔｃｈ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ Ｆｉｌｔｅｒｓ ａｎｄ ＤＨＦ−ＬＣＤｓ、ＥｕｒｏＤｉｓｐｌａｙ ’９９：Ｔｈｅ １９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、４３７−４４０ （１９９９）。
【０００６】
比較目的のために、既知のカラー・スイッチの一般構造を図１に示し、かつ対応している既知の帯域変調フィルタの略図を図３に示す。カラー・スイッチは、各帯域変調フィルタの一部である液晶スイッチの電極に適切な電圧を供給することによって各々が主要カラーＲ、Ｇ、またはＢの一つをブロックすることができるように構成された、３つの積重ね帯域変調フィルタ（ＢＭＦｓ）１、３、および５で構成されている。フィルタは、各フィルタが明確に規定した波長帯域を制御するという意味で互いに別々である。時系列カラー・スイッチの各スイッチング状態において、二つのカラー帯域がブロックされかつ一つが通過する。
【０００７】
直列の個々のＢＭＦｓは、高く飽和したカラーに導く光学的概念である。それは、強誘電体ＬＣＤｓのような、高速ＬＣＤｓで実現することができる。画素間に基づく使用で、それは、真のカラー投影システムを生成するために用いることもできる。
【０００８】
これらの利点にも関わらず、直列の個々のＢＭＦｓのそれらの概念を有する既知のコレステリック・カラー・スイッチは、まだ欠点を有する。一つは、認識がＬＣＤｓに厳しい製品許容誤差をもたらすということである。
【０００９】
別の、概念的な欠点は、それらが白色光を飽和した主要カラーに分けるための最も効率的な方法を示さないということである。この理由は、人間のカラー知覚の特殊性である：ある人が所与の色の彩度を生成する最も明るい帯域フィルタを決定するならば、その人は、色の彩度がかなり高くない限りオーバーラップするフィルタ帯域を得る。例として、白色光源からＮＴＳＣカラー・コーディネートを生成するための理想的な帯域フィルタは、４００〜５０９ｎｍ（Ｂ）、４９７〜５６６ｎｍ（Ｇ）および５８８〜７００ｎｍ（Ｒ）の伝送帯域をそれぞれ有する。青色および緑色フィルタのかなりのオーバーラップ（４９７〜５０９ｎｍ）が存在する。
【００１０】
しかしながら、各スイッチング状態において二つのカラー帯域がブロックされかつ一つが通過する個々のＢＭＦｓに対する必要条件は、二つの隣接するカラーのブロッキング帯域がオーバーラップしなければならないということを意味する。例えば、赤色の期間中、緑色と青色フィルタ間で‘ギャップ（間隙）’が許されないか、または−換言すると−各々のフィルタ伝送帯域は、オーバーラップすることができない。従って、理想の場合と比較して、この波長領域における光の半分が非オーバーラッピング・フィルタ伝送帯域の必要条件によって失なわれる。フィルタ特性の（それらの）有限な急峻性を有する実際のフィルタに対して光の損失は、さらに著しく高い。
【００１１】
既知のコレステリック・カラー・スイッチの更なる欠点は、通常のＢＭＦの略図を与える、図３を参照して最もよく説明することができる。それは、コレステリック・へリックス（螺旋）の反対の左右対称を有するが、それ以外は同じである、二つのコレステリック・フィルタ１３および１５を備えている。コレステリック・フィルタ間に挟まれているのは、二つの四分の一波長プレート（λ／４−プレート）１７および１９、およびＬＣスイッチ２１である。ＬＣスイッチは、回転自在な半波長プレート（λ／２−プレート）として動作する。図の上部は、ＢＭＦのブロッキング状態を示す。この光学構成の重要な特徴は、組合せ‘λ／４−プレート／ＬＣスイッチ／λ／４−プレート’の実効複屈折がＢＭＦのブロッキング状態においてゼロであるということである。この状態では、二つの他のカラーは、変更されないで通過すべきであり、それは、総合複屈折がゼロであるならば、まさに当てはまる。偏光の変化は、縮小されたフィルタ伝送を結果として最終的にもたらすということに注目する。ゼロ複屈折に対する補償の正確な程度は、この点においてあまり重要ではない。しかしながら、あらゆる残留複屈折は、フィルタのブロッキング・パワーを変えて、縮小された色の彩度に導く。これは、ＬＣスイッチ・セルの光学リターデーションΔｎｄ（但し、ΔｎはＬＣ材料の複屈折、ｄはセル・ギャップ）に対する厳しい許容誤差をもたらすということである。更に、強誘電体ＬＣスイッチ・セル（例えば、ＤＨＦ ＬＣセル）は、そのブロッキング状態におけるＢＭＦのかなりの（３〜５％）残留伝送に導くΔｎの固有の変化を有する。
【００１２】
従って、本発明の目的は、上述した欠点を克服する、スイッチャブル・カラー・フィルタを提供することにある。
【００１３】
（発明の開示）
本発明は、第１、第２、および第３のカラー帯域の間をスイッチするための液晶スイッチャブル・カラーフィルタを提供し、そのステップ一致可能カラーフィルタは、第１のスイッチャブル液晶セル、第１のカラー帯域に対する四分の一波長プレートである第１のリターダー・レイヤー、第１のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第１のコレステリック・フィルタ、第２のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第２のコレステリック・フィルタ、第２のカラー帯域に対する四分の一波長プレートである第２のリターダー・レイヤー、第２のスイッチャブル液晶セル、第２のカラー帯域に対して四分の一波長プレートとして動作する第３のリターダー・レイヤー、第２のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第３のコレステリック・フィルタ、第３のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している第４のコレステリック・フィルタ、第３のカラー帯域に対する四分の一波長プレートである第４のリターダー・レイヤー、第３のスイッチャブル液晶セル、および偏光ブロッキング素子を備え、スイッチャブル液晶セルは、少なくとも二つのスイッチング状態を構成することができ、第２のコレステリック・フィルタの左右対称は、第３のコレステリック・フィルタの左右対称に等しくかつ第１および第４のコレステリック・フィルタと逆であり、かつ各カラー帯域のブロッキング状態に対して、対応しているスイッチャブル液晶セルの光軸は、光の偏光方向に対して実質的に並行または実質的に垂直のいずれかである。
【００１４】
偏光ブロッキング素子に対して、二つの好適な実施形態が供給される。一実施形態では、偏光ブロッキング素子は、線形偏光子によって形成される。他の実施形態では、偏光ブロッキング素子は、四分の一波長プレートとして第３のカラー帯域に対して動作する（第５の）リターダー・レイヤー、および第３のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している（第５の）コレステリック・フィルタによって形成される。
【００１５】
好適な実施形態では、第１のカラー帯域に対して選択的反射帯域を有している補助コレステリック・フィルタと、第１のカラー帯域に対して四分の一波長プレートである補助リターダー・レイヤーが光入力側に追加される。この実施形態は、非偏光入力光にちょうど適する。他方、補助コレステリック・フィルタおよびリターダー・レイヤーなしで、既に線形的に偏光された入力光を用いることができる；これは、例えば、偏光回復スキームがスイッチャブル・カラー・フィルタを照明するために用いられるような場合である。偏光回復スキームは、非偏光の光を異なって偏光光線に二つのビームに分け、次いで一つのビームの偏光を他の偏光に変換してそれらを単一のビームに組合せる非吸収偏光子を用いることが知られている−例えば米国特許第５，２３５，４４３号公報を参照。
【００１６】
更なる実施形態は、オーバーラップしている波長帯域を有するコレステリック・フィルタを許容するために本発明の有利な特徴を用いる。好適には、第２のコレステリック・フィルタの短波長遮断は、第３のコレステリック・フィルタの短波長遮断とは異なる。有利には、第１のコレステリック・フィルタの長波長遮断および第３のコレステリック・フィルタの短波長遮断は、実質的に等しい波長においてであり、その波長は、第２のコレステリック・フィルタの短波長遮断よりも短い。好適には、第２のコレステリック・フィルタの長波長遮断は、第３のコレステリック・フィルタの長波長遮断とは異なる。有利には、第３のコレステリック・フィルタの長波長遮断は、第４のコレステリック・フィルタの短波長遮断よりも長い波長においてである。
【００１７】
液晶スイッチャブル・セルは、回転自在な半波長プレートとして動作する。多くの液晶デバイス、特にＤＨＦ−、ＳＳＦ−、反強誘電体、無しきい値反強誘電体または電子クリニックＬＣセルは、この光学的機能を実行することができるように構成されている。
【００１８】
本発明は、時系列カラー・デバイスに特に適する；しかしながら、その他の応用に対するスイッチャブル・カラー・フィルタとしても有用でありうる。
【００１９】
本発明による液晶スイッチャブル・カラー・フィルタは、投影光学および直視光学で用いることができる。更なる応用は、時系列技法に基づくカラー・ビデオ・カメラにおいてである。
【００２０】
本発明は、始めに説明した従来技術のデバイの問題点を解決しかつ更には高輝度のような、その他の重要なパラメータに不利な影響を及ぼさない。
【００２１】
本発明の液晶スイッチャブル・カラー・フィルタでは、Δｎｄ−変動へのコントラストの依存は、有利的にかなり低減される。これは、例えば、従来技術のＢＭＦ構成を略図で表している、図３を、本発明による‘コレステリック・フィルタ／λ／４−プレート／ＬＣスイッチ／λ／４−プレート／コレステリック・フィルタ’構成を表している、図４と比較し、かつ構成を通過するときに選択的波長範囲内の光の偏光を観測することから理解することができる。非偏光入力光は、第１のコレステリック・フィルタ１３によって円偏光され、右（Ｒ−）円偏光光線だけがこのフィルタを通る。第１のλ／４−プレート１７は、この光を線形（ｐ−）偏光光線に変換する。ＬＣスイッチ２１のスイッチング状態により、線形偏光の面は、９０°回転される（上部）かまたは未変更のまま残る（下部）。第２のλ／４−プレート１９は、この光をＲ−（上部）またはＬ−（下部）円偏光光線に変換する。従来技術（図３）のバージョンでは出口コレステリック・フィルタ１５は、Ｒ−偏光光線を反射する、即ち、上部の場合は、ブロッキングであり、下部の場合は、伝送構成である。対照的に、二つのコレステリック・フィルタが同じ左右対称を有するような、本発明によって提案された新しいバージョンでは、出口コレステリック・フィルタ２３は、Ｌ−偏光光線（図４の下部の場合）をブロックしかつＲ−偏光光線を通す。ＬＣスイッチにおける偏光の状態を観測することによって、図４に示す新しい設計のブロッキング状態では、線形偏光は、ＬＣスイッチの光軸に並行であり、その結果Δｎｄにおける変動は、光の偏光の状態にほとんど影響を及ぼさないということを理解する。対照的に、図３に示した従来技術の構成では、Δｎｄは、λ／４−波長プレートの複屈折と正確に一致しなければならないし、厳しい製品許容誤差をセル・ギャップｄに課すだけでなく、λ／４−波長プレートと液晶材料との整合分散も要求する。Δｎｄ−変動は、勿論、本発明によるスイッチャブル・カラーフィルタにまだ存在するが、しかし（ダークではなく）ブライト状態伝送の３〜５％の変化を類推によって結果としてもたらし、ブロッキング状態における対応する増加よりもはるかに損害を与えない。
【００２２】
有利には、本発明による液晶スイッチャブル・カラーフィルタでは、３つよりも多くの独立したＢＭＦｓは存在しないが、独立したＢＭＦｓのスタックとして説明することができないが、‘ヒューズ付き’ＢＭＦｓとして最もよく考えられる方法でリターダーおよび液晶スイッチを備えている単一のエンティティが存在する。図２は、かかる概念を表しうるしかつ図１の独立のＢＭＦｓ１、３および５と比較して‘ヒューズ付き’ＢＭＦｓのブロック７を示す。この概念は、各カラーの帯域幅を自由に選択しかつそのブロッキング状態においてＢＭＦのそれ以外では重要な複屈折を管理することを許す（図４の下部）。この点で、主要な点は、フィルタの選択的反射範囲内の光がブロックされても、この範囲外の光は、偏光の変化なしに伝送されるべきであるということである。直列の図４の３つの独立のＢＭＦｓは、簡単なリターダーによって補償することができない完全に異なる楕円率を有する楕円偏光光線を結果としてもたらすであろう。しかしながら、本発明は、少なくとも良好な近似で、ＢＭＦの複屈折がブロッキング状態における円偏光の符号を逆にしかつ伝送状態における偏光を変化させないでそのままにするような構成を可能にする。後者の場合には総合複屈折は、ゼロであるかまたは全波長λのいずれかである。図４では、ゼロ複屈折の場合が示され、ブロッキング状態に対してＬＣセルの光軸が光線の偏光方向に並行である。ＬＣセルを９０°回転することは、λのリターデーションを導く。ブロッキング状態に対してＬＣセルの光軸が光線の偏光方法に垂直であるような、かかる構成もまた、実現可能である。
【００２３】
厳密な応用により光入力および／または光出力側に追加される偏光子／リターダー組合せが存在しうる。これらは、コンポーネント９および１１として図１および２に示される。
【００２４】
コレステリック・カラースイッチが偏光子として本質的に動作するが、線形プリ−偏光子を用いることが好適でありうるし、従ってリターダーは、線形偏光と整合することを要求されうる。かかる線形プリ−偏光子は、例えば、偏光リサイクリング・スキームがランプの光出力を増大するために用いられる場合に望ましい。同様に、出力偏光を後続のイメージャに整合するために、リターダーおよび任意の‘クリーニング’偏光子は、高品質の投影装置（プロジェクタ）に必要な高い偏光比率を達成するために追加されうる。
【００２５】
コレステリック・フィルタの特性を本発明による液晶スイッチャブル・カラーフィルタの必要性に適応させるために、コレステリック・フィルタは、コレステリック液晶のたった一つのレイヤーよりも複雑な種類のものでありうる。例えば、一つよりも多くのコレステリック・レイヤーで構成することもでき、適切な反射帯域を有している円偏光フィルタとして一緒に動作するか、またはコレステリック・レイヤーのピッチは、レイヤーの厚さにわたり変化しうる。
【００２６】
コレステリック・フィルタに対して液晶ポリマーおよびクロスリンク形ネットワークがそれぞれ用いられるのが好ましい。
【００２７】
有利には、コレステリック・フィルタ、リターダーおよびスイッチであるカラーフィルタの液晶素子は、フォト−オリエンテーション技法によって位置合わせされる。異なる既知の方法の間で特により適しているのは、フォトオリエンテッド・ポリマー・ネットワーク（ＰＰＮ）とも時々呼ばれる、線形光重合（ＬＬＰ）を用いているものである。かかる素子のバックグラウンドおよび製造は、例えば、ＵＳ−Ａ−５３８９６９８（米国特許第５，３８９，６９８号）、ＵＳ−Ａ−５８３８４０７（米国特許第５，８３８，４０７号）、ＵＳ−Ａ−５６０２６６１（米国特許第５，６０２，６６１号）、ＥＰ−Ａ−６８９０８４（欧州特許第６８９０８４号公開公報）、ＥＰ−Ａ−０７５６１９３（欧州特許第０７５６１９３号公開公報）、ＷＯ−Ａ−９９／４９３６０（ＰＣＴ第９９／４９３６０号公開公報）、ＷＯ−Ａ−９９／６４９２４（ＰＣＴ第９９／６４９２４号公開公報）、およびＷＯ−Ａ−００／３６４６３（ＰＣＴ第００／３６４６３号公開公報）に開示されている。
【００２８】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の第１の実施形態を形成している液晶スイッチャブル・カラーフィルタの基本構成および光学概念を図５ａ、５ｂおよび５ｃに略図で示す。図の各々は、３つの主要カラー（この例ではＲＧＢ）の一つに対する動作のモード、赤色期間に対して図５ａ、緑色期間に対して図５ｂそして青色期間に対して図５ｃを示す。
【００２９】
図において、非偏光光線は、白／黒の対の矢印により、Ｌ−円偏光光線は、単一の黒で塗りつぶされた矢印により、Ｒ−円偏光光線は、単一の白抜きの矢印により示されている。左から右への矢印の位置は、青（左側）から赤色（右側）までの範囲にわたる、その色を示す。
【００３０】
カラーフィルタは、簡略化のために、‘スイッチ’と呼ばれかつｓｗ１、ｓｗ２およびｓｗ３とラベルが貼られた、組合せ‘λ／４−プレート／ＬＣスイッチ／λ／４−プレート’の三倍と、ｃｆｂ１、ｃｆｂ２、ｃｆｇ１、ｃｆｇ２、ｃｆｒ１およびｃｆｒ２とラベルが貼られた６つのコレステリック・フィルタとを備えている。リターダー／スイッチ−組合せの各々と、コレステリック・フィルタの各々は、左から右に拡張する矩形ボックスとして示される。各コレステリック・フィルタに対して、選択的反射の波長範囲は、充填によって対応しているボックス内にマークされ、かつ左右対称は、‘＋’または‘−’符号によって示される。
【００３１】
図５ａ、５ｂおよび５ｃの各々において、これらのスイッチの一つは、‘オン’状態（ハッチングされた充填、左右対称の変化なし）、二つは‘ブロッキング’状態（クロスハッチングされた充填、左右対称の変化あり）にある。図は、‘オン’にスイッチされるカラーでのみ異なる。
【００３２】
赤色スイッチｓｗ３が‘オン’、そして青色スイッチｓｗ１および緑色スイッチｓｗ２が‘オフ’による、（図５ａに対応している）赤色期間をまず説明する。
【００３３】
非偏光白色光線が上部から（青色）コレステリック・フィルタｃｆｂ１に当たる。
【００３４】
青色スペクトル範囲において、Ｌ−円偏光光線がけがフィルタを通る；Ｒ−成分は、反射される。緑色および赤色スペクトル範囲の光線は、変化しないでそのままである（即ち、非偏光）。スイッチｓｗ１は、ブロッキング状態にある、即ち、それは、光線の左右対称を変える。スペクトルの青色部分だけが偏光されるので、左右対称における変化は、スペクトルの青色部分だけに影響を及ぼし、Ｌ−偏光をＲ−偏光に変える。ｃｆｂ１と実質的に同じである、次のコレステリック・フィルタｃｆｂ２は、次いでこの光線をブロックする。緑色および赤色は、非偏光のままである。
【００３５】
緑色スペクトル範囲の光線の場合は、非常に類似している。光線は、それが（緑色）コレステリック・フィルタｃｆｇ１に衝突するまで非偏光のままであり、そこでは、Ｒ−偏光光線だけが通される（以下に示すように、緑色コレステリック・フィルタの左右対称は、青色および赤色フィルタのそれと逆であるということに注目する）。次いでスイッチｓｗ２は、偏光を逆にしかつ次のコレステリック・フィルタｃｆｇ２は、この光線を次いでブロックする。
【００３６】
赤色スペクトル範囲の光線の場合は、異なる。変わらないままで青色および緑色フィルタ部分を通った後、赤色光線は、（赤色）コレステリック・フィルタｃｆｒ１によって偏光される。赤色光線のＬ−成分が通りかつＲ−成分が反射される。スイッチｓｗ３は、‘オン’状態にありかつ偏光をそのＬ−状態のままにしておく。次いで光線は、コレステリック・フィルタｃｆｒ２を通り、赤色の、Ｌ−偏光出力光線を生じる。
【００３７】
緑色スイッチｓｗ２が‘オン’でありかつ青色スイッチｓｗ１および赤色スイッチｓｗ３が‘オフ’である、（図５ｂに示す）緑色期間は、多少複雑である。
【００３８】
青色スペクトル範囲に対して、赤色期間と比較して変化が存在しない。同様に、赤色スペクトル範囲は、それがコレステリック・フィルタｃｆｒ１ に到達するまで非偏光のままであり、Ｌ−成分だけが通り、スイッチｓｗ３によってＲ−状態に変えられ、それからコレステリック・フィルタｃｆｒ２によってブロックされる。
【００３９】
緑色スペクトル範囲の場合は、異なる。変わらないままで青色フィルタ部分を通った後、緑色光線は、コレステリック・フィルタｃｆｇ１によって偏光され、Ｒ−成分だけを通す。‘オン’状態の緑色スイッチは、この偏光を変えないし、かつ光線は、Ｒ−偏光光線として次のコレステリック・フィルタｃｆｇ２を通る。次いで、赤色フィルタ部分のスイッチｓｗ３は、緑色光線の偏光状態を（少なくとも一次近似で）ＲからＬに変える。出力は、それゆえにＬ−偏光された、緑色光線である。
【００４０】
赤色フィルタ部分による緑色光線へのこの重大な影響は、緑色が最後のＢＭＦを変化しないままで通る、独立の帯域変調フィルタを用いている従来技術のカラースイッチと際立った対照をなしている。
【００４１】
中央（緑色）フィルタ部分に対する逆の左右対称の選択は、また本発明の重要な点でもあるということに更に注目すべきである。同じ左右対称を選択することは、逆の偏光を有するカラーに導くであろう。
【００４２】
そして、図５ｃは、最も難しい場合、具体的には第１のフィルタ部分のカラーの期間を示す。現在の例では、これは、青色期間であり、青色スイッチｓｗ１が‘オン’でありかつ緑色スイッチｓｗ２および赤色スイッチｓｗ３が‘オフ’である。
【００４３】
赤色スペクトル範囲は、図５ｂにおけるようにブロックされかつ緑色スペクトル範囲は、図５ａにおけるようにブロックされる。
【００４４】
青色スペクトル範囲は、コレステリック・フィルタｃｆｂ１によってＬ−偏光され、次いでスイッチｓｗ１および偏光の変化なしでコレステリック・フィルタｃｆｂ２およびｃｆｇ１を通る。次いでスイッチｓｗ２は、Ｒに偏光を概ね逆にし、それに対してスイッチｓｗ３は、それをＬに戻すように逆にして、Ｌ−偏光青色光線出力を与える。
【００４５】
再び、赤色および緑色フィルタ部分の両方が青色スペクトル範囲の偏光状態を変えるので従来技術から知られた独立の帯域変調フィルタの概念が適用しない。
【００４６】
本発明の第２の実施形態を図６ａ、６ｂおよび６ｃに略図で示す。それは、コレステリック・フィルタに対してオーバーラップしている波長帯域が可能であるようなフィルタ特性を選択することの有利な可能性を用いる。上述したように、これは、ランプの光が効率的に用いられるべきであるならば重要である。
【００４７】
図６ａ、６ｂおよび６ｃにおける矢印およびその他の記号の意味は、図５のそれらに対応する。
【００４８】
図５の実施形態と比較して、図６の実施形態は、二つの関係のある変更を有する：赤色部分では、緑色フィルタの長波長遮断は、赤色フィルタの短波長遮断よりも長い波長においてである、即ち、画定された波長帯域を完全にブロックすることができるという所望の結果を伴って、ブロッキング範囲がオーバーラップする。その反対に、この特徴は、また、独立のＢＭＦｓの既知の概念を伴う可能性もあるが、しかしながら、緑色／青色の境は、異なる。二つの青色並びに二つの緑色コレステリック・フィルタは、異なる選択的反射帯域を有する。図５の説明におけるのと同じ推論を用いて、コレステリック・フィルタｃｆｇ１の短波長遮断と一緒にコレステリック・フィルタｃｆｂ１の長波長遮断が伝送された青色光線の長波長遮断を決定するということを図６ａから見出す。更に図６ｂから、コレステリック・フィルタｃｆｇ２の短波長遮断と一緒にコレステリック・フィルタｃｆｂ２の長波長遮断が伝送された青色光線の短波長遮断を決定するということを見出す。これらの遮断波長を自由に選択することができるので、有利にはあらゆる所望のバンドパス特性を実現することができる。
【００４９】
図５および６を参照して説明した設計概念は、有用でありかつかなり良好な品質のスイッチャブル・カラーフィルタを結果としてもたらす。しかしながら、全てのスイッチが全ての波長に対してλ／２−プレートであるという暗黙の前提は、確かに概ね真であるだけである。本発明による液晶スイッチャブル・カラーフィルタの更なる改善として、成分の相対的な構成を最適化することが従って提案される。かかる構成を見出すために、例えば、最適化アルゴリズムを用いることができる。
【００５０】
成功した例では、所与の構成の伝送スペクトルを計算しかつこれらのデータから構成の品質の測定である費用関数を決定するルーチンから構成される、アルゴリズムが用いられた。費用関数は、色の彩度と輝度の両方が最大化されるならば最小である。次いで、最適化ルーチンは、費用関数に対して最小に達するまでオリジナル構成を変更する。アルゴリズムを以下により詳細に説明する。
【００５１】
図７は、かかる最適化の結果を示し、かつ図１３は、対応している色度図を示す。優れた輝度およびほぼ完璧な色の彩度は、これらのデータから明らかに分る。コレステリック・フィルタの遮断波長が最適化手順の一部だったので、これらのデータは、青色および緑色スペクトル範囲のオーバーラップの重要性を再び示す。
【００５２】
図７に示す結果は、非偏光入力光線を用いるが、出力において追加のリターダーおよび‘クリーニング’偏光子を用いない（表ＩＩも参照）。図８は、同じスタックであるが追加の出力リターダー／偏光子組合せを伴うスタックに対する結果を示す；それは、偏光子なしと同様な強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す、即ち、出力光線は、コレステリック・フィルタだけによって既によく偏光されている。これは、出力偏光子が９０°回転される、図９から理解することもできる。これらのスペクトルは、かなり弱く、かなりの程度の偏光の直接表示である。しかしながら、誤った偏光の信号は、後続するイメージャの性能をおそらく低減するのに十分に強く、クリーニング偏光子が必要でありうる。更に、オフ状態において既知の独立の直列ＢＭＦｓの性能を劣化させるものと同じ欠点（即ち、Δｎｄ−変動）は、現行の場合には、そのオン状態におけるカラースイッチの偏光の質を劣化させるであろう。しかしながら、オン状態における偏光の質の劣化は、あまり有害ではない；それは、３から５％の輝度の更なる低減に導き、カラースイッチの高い総合輝度を考慮して容認可能である。
【００５３】
本発明の変形において、液晶スイッチャブル・カラーフィルタは、例えば、偏光リサイクリング・スキームがスイッチャブル・フィルタを照明するために用いられる場合であるような、既に線形的に偏光された入力光線に対して適用することもできる。実際、液晶スイッチャブル・カラーフィルタは、この場合に簡略化することができる：第１のコレステリック・フィルタ並びに第１のλ／４−プレートを省略することができる。図１１は、対応しているスペクトルの例を示す。スペクトルは、同等に明るくかつ前者のスペクトルのように飽和される（ｓａｔｕｒａｔｅｄ）（図１４の対応する色度図も参照）。
【００５４】
同様に、本発明の更なる変形において、光線出力側で（高い強度、例えば偏光ビーム・スプリッタに対する）全光線強度を処理することができる偏光子が用いられるならば最後のコレステリック・フィルタを省略することができる。図５および６から、最後のコレステリック・フィルタｃｆｒ２は、一つの赤色円偏光をブロックために機能するということを理解することができる。更に、フィルタ部分の主要成分を概略的に示している図４から、必要なブロッキング動作は、ＬＣ−スイッチの直後の線形偏光子によって達成することもできるということが理解できる。それゆえに、赤色スペクトル範囲の処理は、λ／４−波長プレートと一緒にコレステリック・フィルタｃｆｒ２が線形偏光子によって置換されても変更されない。この実施形態の質を改善するために、しかしながら、同時に残りのスペクトル範囲（緑色および青色）ができるだけ少なく線形偏光子によって吸収されることを確実にすることは有利である。この目標に到達するための一つの方法は、残りの成分のパラメータの最適化であり、かつ図１２に示すスペクトル並びに図１５の色度図は、この方法で実際に十分なカラースイッチを設計することができるということを示す。
【００５５】
示した例における計算に対して、以下の条件を用いた：カラーフィルタは、偏光子、リターダー、コレステリック・フィルタおよび液晶スイッチで構成される。計算は、４×４マトリックス形式を用いる。リターダー、コレステリック・フィルタおよび−もし存在するならば−ＳＳＦ ＬＣセルは、リターダーに対して表Ｉに示したパラメータを用いて、複屈折率ｎ、具体的にｎ（λ）＝ｎ０ ＋ ｎ１λ２／（λ２−λ０２）、に同じモデルを用いる。ＤＨＦ ＬＣセルに対して複屈折率は、二つのスイッチング状態で異なりかつ１．０９８ΔｎＤＨＦおよび１．５１３ΔｎＤＨＦとして取られ、ここでΔｎＤＨＦは、また表Ｉに示すパラメータによって与えられる。これらのデータは、実際の液晶混合物から決定された。反射防止塗装が前後面に適用され、リターダー材料の平均インデックスからｎ＝１まで等方性屈折率ｎの線形減少としてモデル化される。ガラス−およびＩＴＯ−レイヤーは無視される。
【００５６】
【表１】
2004522985.tif 000003
【００５７】
最適化ルーチンでは以下の費用関数Ｇを最小化する：白色（ｎｍ帯域幅毎に等エネルギー）光源を想定して、全ての３つのカラーＦ＝Ｒ、Ｇ、Ｂに対する三刺激−応答（ＸＦ，ＹＦ，ＺＦ，ｘＦ，ｙＦ）を計算する。実際の応用では、有利には投影システムの実際の光源のスペクトルを用いるべきである。データにより
【数１】
2004522985.tif 000004
を計算しかつ上にリストしたパラメータに関してＧを最小化する。
【００５８】
ｘＦ０、ｙＦ０は、（例においてＮＴＳＣカラー・コーディネートとして取った）カラー・コーディネートに対する目標値ｘ、ｙを示す。輝度に対する目標値、ＹＦ０は、理想カラーフィルタの輝度から決定される。この理想フィルタは、所与の波長帯域において１の透過（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を有しかつ各側で１０ｎｍにわたり０まで減衰する。フィルタの帯域幅は、所望の色の彩度をまだ保持している間に可能な限り広く選択される。ということに注目する。特定の設計に対して実際のランプ・スペクトルをこの計算に採り入れなければならない。これら理想フィルタの３つのカラーの結果として得られた輝度は、カラースイッチに対する目標値として用いられる。この例では、値は、Ｆ＝Ｒ、Ｇ、Ｂに対してそれぞれ０．１２、０．２５および０．０５である。ＹＦの値は、最大に近いが、各カラーに対して得ることができる最大よりも大きくすべきである。最大透過は、偏光子のために０．５であるということに注目する。重みパラメータｇは、最適化後のＧにおける対応している項の大きさが（１０、好ましくは３の係数内で）類似するように、対話的に選択され、帰納的に調整される。
【００５９】
上述したように、図７から１２は、本発明によるスイッチャブル・カラーフィルタのいくつかの実施形態の３つのスイッチング状態における計算した透過スペクトルを示す。表ＩＩおよび表ＩＩＩは、含まれる成分およびそれらのパラメータをリストする。
【００６０】
【表２】
2004522985.tif 000005
【００６１】
【表３】
2004522985.tif 000006
【００６２】
表において、角度は、任意の実験室−フレーム軸に関して与えられる；中心波長は、左右対称を表す；中心波長カラムに与えられた一つの数字よりも多くは、所望を帯域幅を得るために、（用いられたネマティック・ホスト材料の複屈折がたった一つのコレステリック・フィルタによって必要な帯域幅を得るために要求されたものよりも小さいので）いくつかのコレステリック・フィルタが直列に用いられ、かつ与えられた数字は、これらのサブレイヤーの選択的反射帯域の中心波長であるということを表す；“ｘ”は、この成分が存在するということを意味する；そして、偏光子の行の数字は、偏光子軸の角度を表し、数字なしは、スタックのその位置で偏光子が用いられないということを意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
既知のカラー・スイッチの一般的な構造を示す略図である。
【図２】
図１の個々のＢＭＦｓと比較して‘ヒューズ付き’ＢＭＦｓの概念を示す略図である。
【図３】
既知の帯域変調フィルタの略図である。
【図４】
本発明による‘コレステリック・フィルタ／λ／４−プレート／ＬＣスイッチ／λ／４−プレート／コレステリック・フィルタ’構造を示す図である。
【図５ａ】
本発明の第１の実施形態の基本構成および動作を示す説明図である。
【図５ｂ】
本発明の第１の実施形態の基本構成および動作を示す説明図である。
【図５ｃ】
本発明の第１の実施形態の基本構成および動作を示す説明図である。
【図６ａ】
図５ａから図５ｃと比較して、本発明の第２の実施形態の基本構成および動作を示す説明図である。
【図６ｂ】
図５ａから図５ｃと比較して、本発明の第２の実施形態の基本構成および動作を示す説明図である。
【図６ｃ】
図５ａから図５ｃと比較して、本発明の第２の実施形態の基本構成および動作を示す説明図である。
【図７】
好適な実施形態の３つのカラー帯域に対する透過率を示すグラフである。
【図８】
図７の実施形態に対する透過率を示す図であるが、追加の出力リダーダー／偏光子組合せを有する、図。
【図９】
図８の実施形態に対する透過率を示すグラフであるが、９０°回転された出力偏光子組合せを有する、グラフ。
【図１０】
追加の入力リダーダー／偏光子組合せを備えている実施形態に対する透過率を示す図である。
【図１１】
既に線形的に偏光された入力光に適用される、本発明の更なる実施形態に対する透過率を示すグラフである。
【図１２】
本発明のより更なる実施形態に対する透過率を示すグラフである。
【図１３】
ＮＴＳＣ ＴＶシステムに対して、好適な実施形態によって供給された近似を示す色度図である。
【図１４】
図１１に示した透過率に対応している色度図である。
【図１５】
図１２に示した透過率に対応している色度図である。
【図１】
2004522985.tif 000007
【図３】
2004522985.tif 000008
【図４】
2004522985.tif 000009
【図５ａ】
2004522985.tif 000010
【図５ｂ】
2004522985.tif 000011
【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
2004522985.tif 000014
【図６ｃ】
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【図７】
2004522985.tif 000016
【図８】
2004522985.tif 000017
【図９】
2004522985.tif 000018
【図１０】
2004522985.tif 000019
【図１１】
2004522985.tif 000020
【図１２】
2004522985.tif 000021
【国際公開パンフレット】
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2004522985.tif 000023
2004522985.tif 000024
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2004522985.tif 000028
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【国際調査報告】
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