(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０度に配向された直線偏光を受け入れ、かつ同受け入れた光を角度β回転させる色消し偏光回転子スイッチであって、
前記直線偏光に対してα1＝β／４＋（−１）nε−ｎπ／４で配向された第１の半波長位相子と、前記ｎが非負の整数であり、前記εが小角であることと、
前記第１の位相子に連続して配置された第２の半波長位相子と、同第２の半波長位相子が前記直線偏光に対してα2＝３β／４−（−１）nε＋ｎπ／４で配向されていることと、
前記複数の位相子のうちの一方は受動位相子であり、他方は回転可能な液晶位相子であり、同回転可能な液晶位相子はπ／２の第２の配向まで前記受動位相子に対して回転可能であること
を含む色消し偏光回転子スイッチ。
【請求項２】
０≦ε≦５度である請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項３】
０≦ε≦３度である請求項２に記載の回転子スイッチ。
【請求項４】
β＝９０度である請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項５】
前記液晶はＳｍＣ*液晶であり、α1＝π／８＋εであり、α2＝３π／８−εである請求項４に記載の回転子スイッチ。
【請求項６】
０≦ε≦３度である請求項５に記載の回転子スイッチ。
【請求項７】
β＝４５度である請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項８】
前記液晶はＳｍＣ*液晶であり、α1＝−３π／１６−εであり、α2＝７π／１６＋εである請求項７に記載の回転子スイッチ。
【請求項９】
０≦ε≦３度である請求項８に記載の回転子スイッチ。
【請求項１０】
前記液晶はＳｍＣ*、ＳｍＡ*、ディストーテッド・ヘリックス・フェロエレクトリック及びアキラルＣＳＬＣからなるグループから選択される請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項１１】
前記液晶はＳｍＣ*液晶である請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項１２】
前記受動位相子は延伸ポリマー位相子である請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項１３】
前記受動位相子はポリマー液晶位相子である請求項１に記載の回転子スイッチ。
【請求項１４】
請求項１に記載の回転子スイッチと、同回転子スイッチの前方に配置され、かつ０度に配向された第１の直線偏光子と、前記回転子スイッチの後方に配置された第２の直線偏光子とを含む色消しシャッター。
【請求項１５】
前記第２の偏光子は第１の偏光子に対して平行配向または直交配向されている請求項１４に記載の色消しシャッター。
【請求項１６】
β＝９０度である請求項１５に記載の色消しシャッター。
【請求項１７】
前記液晶はＳｍＣ*液晶であり、α1＝π／８＋εであり、α2＝３π／８−εである請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項１８】
０≦ε≦３度である請求項１７に記載の色消しシャッター。
【請求項１９】
０≦ε≦５度である請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２０】
０≦ε≦３度である請求項１９に記載の色消しシャッター。
【請求項２１】
前記液晶はＳｍＣ*、ＳｍＡ*、ディストーテッド・ヘリックス・フェロエレクトリック及びアキラルＣＳＬＣからなるグループから選択される請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２２】
前記液晶はＳｍＣ*液晶である請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２３】
前記受動位相子は延伸ポリマー位相子である請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２４】
前記受動位相子はポリマー液晶位相子である請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２５】
前記第２の偏光子は偏光ビームスプリッターである請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２６】
前記液晶位相子はマルチピクセル液晶位相子である請求項１６に記載の色消しシャッター。
【請求項２７】
請求項１６に記載の色消しシャッターと、前記回転子スイッチ及び第２の偏光子の間に配置された第２の受動位相子とを有する偏光干渉フィルタ。
【請求項２８】
前記第２の受動位相子は第１の偏光子に対して±４５度で配向されている請求項２７に記載の偏光干渉フィルタ。
【請求項２９】
前記第２の偏光子の後方に配置されている第３の直線偏光子と、前記第３の偏光子及び第２の偏光子の間に配置されている第３の受動位相子とを有する請求項２７に記載の偏光干渉フィルタ。
【請求項３０】
請求項２８に記載の偏光干渉フィルタと、前記第２の受動位相子及び第２の偏光子の間に配置され、かつ第１の偏光子に平行配向または直交配向されている第３の受動位相子と、第４の受動位相子とを有し、同第４の受動位相子は第２の受動位相子と同じリターダンスを有し、かつ第３の受動位相子及び第２の偏光子の間に配置され、さらには第１の偏光子に対して±４５度で配向されているスプリット素子フィルタ。
【請求項３１】
請求項１に記載の回転子スイッチと、同回転子スイッチの前方に配置され、かつ０度で配向されている第１の直線偏光子とを有する偏光スイッチ。
【請求項３２】
β＝９０度である請求項３１に記載の偏光スイッチ。
【請求項３３】
請求項３２に記載の偏光スイッチと、前記回転子スイッチの後方に配置され、かつ第１の偏光子に対して平行配向または直交配向された第２の直線偏光子とを有し、前記第１の偏光子または第２の偏光子はカラー偏光子であるカラー・フィルタ。
【請求項３４】
前記カラー偏光子は多色直線偏光子である請求項３３に記載のカラー・フィルタ。
【請求項３５】
前記カラー偏光子はニュートラル直線偏光子と、同直線偏光子及び回転子スイッチの間に配置された位相子スタックとを有し、同スタック内の位相子の数量と、各位相子のリターダンス及び配向とは、加法原色スペクトルを第１の偏光軸に沿って伝搬し、コンプリメンタリー減法原色スペクトルを第２の直交偏光軸に沿って伝搬すべく設定されている請求項３３に記載のカラー・フィルタ。
【請求項３６】
前記第１の偏光子及び第２の偏光子はそれぞれカラー偏光子である請求項３３に記載のカラー・フィルタ。
【請求項３７】
前記第２の偏光子の後方に配置された第２の回転子スイッチと、同第２の回転子スイッチの後方に配置され、かつ第１の偏光子に平行配向または直交配向されている第３の直線偏光子とを有する請求項３３に記載のカラー・フィルタ。
【請求項３８】
前記第３の偏光子はカラー偏光子である請求項３７に記載のカラー・フィルタ。
【請求項３９】
請求項４に記載の回転子スイッチ及び１／４波長位相子を有し、同１／４波長位相子が前記回転子スイッチの後方に配置され、かつ前記直線偏光に対して４５度で配向されている左右像スイッチ。
【請求項４０】
請求項３９に記載の左右像スイッチと、前記１／４波長位相子の後方に配置されている第１のコレステリック円偏光子とを有するカラー・フィルタ。
【請求項４１】
前記第１のコレステリック・カラー偏光子の後方に配置されている第２のコレステリック・カラー偏光子を有する請求項４０に記載のカラー・フィルタ。
【請求項４２】
０度に配向された直線偏光を受け入れ、かつ同受け入れた光を角度β回転させる色消し偏光回転子スイッチであって、
前記直線偏光に対してα1＝β／４＋（−１）nε−ｎπ／４で配向された第１の液晶可変位相子と、前記ｎが非負の整数であり、前記εが小角であることと、
前記第１の位相子に連続して配置された第２の液晶可変位相子と、同第２の液晶可変位相子が前記直線偏光に対してα2＝３β／４−（−１）nε＋ｎπ／４で配向されていることと、
前記第１の可変位相子及び第２の可変位相子のリターダンスはゼロ及び半波長リターダンスの間で同時切替え可能であること
を含む色消し偏光回転子スイッチ。
【請求項４３】
０≦ε≦５度である請求項４２に記載の回転子スイッチ。
【請求項４４】
０≦ε≦３度である請求項４３に記載の回転子スイッチ。
【請求項４５】
β＝９０度である請求項４２に記載の回転子スイッチ。
【請求項４６】
β＝４５度である請求項４２に記載の回転子スイッチ。
【請求項４７】
前記第１の液晶位相子及び第２の液晶位相子はホモジニアス配向したネマチック液晶位相子、ネマチックπ−セル液晶位相子及びホメオトロピック配向したスメクチック液晶位相子からなるグループから選択される請求項４２に記載の回転子スイッチ。
【請求項４８】
前記第１の液晶位相子及び第２の液晶位相子はそれぞれネマチックπ−セル液晶位相子である請求項４２に記載の回転子スイッチ。
【請求項４９】
請求項４２に記載の回転子スイッチと、同回転子スイッチの前方に配置され、かつ０度で配向されている第１の直線偏光子と、前記回転子スイッチの後方に配置されている第２の直線偏光子とを有する色消しシャッター。
【請求項５０】
前記第２の偏光子は第１の偏光子に対して平行配向または直交配向されている請求項４９に記載の色消しシャッター。
【請求項５１】
β＝９０度である請求項５０に記載の色消しシャッター。
【発明の詳細な説明】
切替え可能な色消し偏光回転子
発明の分野
本発明は連続して配置された２つの位相子を有する色消し偏光回転子スイッチ（Achromatic polarization rotator switches）と、同回転子スイッチを使用したシャッター及びフィルタとに関する。
発明の背景
液晶（ＬＣ）デバイスはカラー・シャッター、同調可能偏光干渉フィルタ（Tunable polarization interference filters）、ライト・バルブ及び複合振幅変調器を含む多数の能動ストラクチャーを形成すべく使用されている。しかし、液晶位相子（Liquid crystal retarders）の色度は同液晶位相子が適切に機能し得るスペクトル帯域を制限する。２つの要因、即ち、（１）誘電異方性の波長依存性である分散と、（２）リターデーションの明白な反転波長依存性（Explicit inverse wavelength dependence）とが波長板の波長感度、即ち色度に影響を及ぼす。これら両コンポーネントは更に短い波長におけるリターデーションを増大する。特定のリターデーションを設計波長において形成する複屈折材料は、前記の特定のリターデーションより大きいリターデーションを設計波長より短い波長において形成し、特定のリターデーションより小さいリターデーションを設計波長より長い波長において形成する。
位相子の色度の影響を示すべく、回転可能な液晶素子を使用する従来の偏光スイッチを以下に詳述する。平面配列されたキラルスメクチック液晶（Chiral Smectic Liquid Crystal、略してＣＳＬＣと称する）を使用して光線を遮断する従来のアプローチでは、ＬＣ半波長板の分子ディレクター（Molecular director）は図１に示すように隣接する複数の直交偏光子に対して０配向及びπ／４配向の間で切替わる。半波長リターダンス中心波長（Half-wave retardance center wavelength）は動作波長における最大透過率を実現すべく選択されている。ディスプレー及びカメラにおいて、半波長リターダンス中心波長は可視光線スペクトルの最適な範囲を実現すべく選択されている。しかし、オン状態帯域幅は狭いうえ、赤／青の不適切な透過を常には形成する。更に、ＣＳＬＣフィルムの小さな空間的厚さのバリエーションは視認可能な大きなカラー・バリエーションを形成する。図２は５００ｎｍ半波長板を使用する従来のＣＳＬＣシャッターのコンピュータ・モデリングによるオン状態透過率を示す。モデルは複屈折分散の影響を含む。シャッターの極端な色度が示されており、透過率は可視光線スペクトルにおいて２倍変化している。
複数の能動素子を含む更に精巧な能動色消しストラクチャーが開示されている。ダール他（国際特許出願公開第ＷＯ９０／０９６１４号（１９９０年））は色補償を使用したＬＣシャッターを開示している。２つのアナログＣＳＬＣ半波長板が互いに直交する一対の偏光子間に配置されている。シングル・セル・シャッターより更に効果的な色消しレスポンスを実現すべく、２つの半波長板を対称に変調する（即ち、第１の半波長板及び第２の半波長板はそれぞれ配向θ及び配向９０−θとなる）。このデバイスは２つの能動ＣＳＬＣセルを必要とするため、同デバイスは広範な用途を実現していない。
同一の位相子材料からそれぞれ形成された複数の受動層を使用した色度補償はエス．パンチャラトナム（S. Pancharatnam）によるProc. Indian Acad. Sci. A41,137[1955]に記載されている論文と、エイ．エム．タイトル（A.M. Title）によるAppl. opt. 14,229[1975]に記載されている論文と、シー．ジェイ．コエスター（C.J. Koester）によるJ. Opt.Soc. Am. 49, 405,[1959]に記載されている論文とにそれぞれ開示されており、これら論文の内容は本開示をもって本明細書中に開示したものとする。
パンチャラトナムは色消し位相子として機能する３波長板ストラクチャーを開示している。３波長板ストラクチャーは同一材料からそれぞれ形成された３つのフィルムからなる。更に、任意のリターダンス値を有するデバイスの形成を可能にすべく、設計パラメータが提供されている。パンチャラトナムの複合位相子を形成するために少なくとも３つの素子を要することは注目すべき点である。
パンチャラトナムの色消し半波長位相子ユニットを機械的に回転させることによって、波長の影響を受けない直線偏光の再配向が可能である。この種の複合半波長位相子の電気機械的回転は天文学的イメージング・スペクトロメータのための偏光干渉フィルタを調整すべく広範にわたって使用されている。勿論、このソリッド・ステート・バージョンは３つの位相子の同期した電気光学的回転を必要とし得る。
簡単なソリッド・ステート色消し位相子がシャープ及びジョンソンによって最近発明された（米国特許出願第０８／４１９，５９３号参照）。このパンチャラトナムの位相子ユニットをベースとした位相子は複数の受動半波長位相子に隣接する回転可能な１つのＬＣ半波長位相子を有する。僅かな数の特定の配向において、１つの素子の回転がストラクチャー全体の光軸の効果的な回転に十分な効果を示すことを前記の両発明者は開示している。
パンチャラトナムの３つの素子からなる半波長位相子ユニットを含む複数の半波長位相子は、位相子軸に対して任意の配向θを有する入射平面偏光ビームを配向−θを有するビームへ変換する。“色消し回転子”を２つの直線半波長位相子（Linear half-wave retarders）を用いて形成できることをコエスターは開示している。色消し回転子は一定の配向を有する入力偏光を必要とし、かつ同入力偏光の偏光面を一定の角度で回転させる。但し、色消し位相子とは異なり、任意の配向を有する偏光を色消し回転子へ入射できない。従って、波長板の機械的回転またはソリッド・ステート・ローテーションは色消し回転子の機能を無効にし得るうえ、回転子の能動的切替えは開示されていない。
発明の概要
本発明は液晶色消し偏光回転子スイッチと、同回転子スイッチを使用する色消しシャッターとを提供する。回転子スイッチは一定の配向を有する入力光線を必要とし、かつ偏光の回転をゼロ度及び一定角度βの間で切替える。色消しシャッターは一対の偏光子の間に配置された色消し９０度回転子スイッチを使用している。４１５〜７００ｎｍの波長の９７％以上のオン状態透過率を偏光子損失に関する標準化後に実現し、かつ４５５〜６３２ｎｍの波長の５００：１のハイ・コントラストを提供する本発明に基づく色消しシャッターを設計し、かつその能力を立証した。このデバイスは市販のＬＣ混合物と、低価格な延伸ポリマーからなる位相子フィルム（位相差フィルム）とを使用して形成されている。
第１の実施の形態に基づく回転子スイッチは平面配列された回転可能な１つのスメクチック液晶半波長位相子を有し、同半波長位相子は１つの受動半波長位相子に連続して配置されている。スメクチック液晶セルは一定のリターダンスを有し、かつオフ状態及びオン状態にそれぞれ対応する２つの配向の間で駆動される。ゼロ回転を形成するオフ状態を実現すべく、互いに直交する光軸を有する一対の同一の位相差フィルムが偏光状態を変化させないという事実を本発明の回転子スイッチは利用している。従って、オフ状態では、能動位相子及び受動位相子は互いに直交している。最適なスペクトル範囲を実現するチルト角要件及び配向を決定する設計式がオン状態に対して提供されている。シャッター・コントラスト比を支配する式が更に提供されており、同式はゼロ・オーダー位相子（Zero-order retarders）を特徴の点において整合させる範囲を定める。スメクチック液晶セルはＳｍＣ*液晶、ＳｍＡ*液晶、ディストーテッド・ヘリックス・フェロエレクトリック（Distorted Helix Ferroelectric、略してＤＨＦと称する）液晶、反強誘電性液晶及びアキラルＣＳＬＣを使用可能である。
第２の実施の形態に基づく回転子スイッチは２つの可変複屈折液晶セルを使用している。各可変複屈折セルは一定の配向及び可変リターダンスを有する。両方の位相子はオフ状態においてゼロ・リターダンスを有し、かつオン状態において半波長リターダンスを有する。２つの位相子の配向は一定であり、かつ第１の実施の形態のオン状態配向における設計式と同じ設計式に従う。本発明に使用する可変複屈折液晶セルはホモジニアス配向したネマチック液晶セル、ネマチックπ−セル及びホメオトロピック配向したスメクチック液晶セルを含む。
色消し偏光回転子スイッチはシャッターのオン状態における色消しの実施と、カラー・シャッター内の偏光の変調と、偏光干渉フィルタのスペクトルの反転と、ＣＳＬＣシャッター内のカラー・バリエーションの補償と、偏光制御システムのスループットの増大とに効果的である。
【図面の簡単な説明】
図１はＣＳＬＣセルを互いに直交する複数の偏光子間に有するライト・シャッターの斜視図である。
図２は図１のシャッターのオン状態におけるコンピュータ・モデリングした出力を示すグラフである。
図３（図３ａ〜図３ｃを含む）は１つの受動位相子の（ａ）後方及び（ｂ）前方に配置された回転可能なスメクチック液晶半波長板を有する色消し回転子スイッチと、（ｃ）２つの液晶可変位相子を有する色消し回転子スイッチとをそれぞれ示す斜視図である。
図４は９０度回転子スイッチを使用する色消しシャッターを示す斜視図である。
図５（図５ａ及び図５ｂを含む）は（ａ）ｎ＝０を有する４５度回転子スイッチと、（ｂ）ｎ＝１を有する４５度回転子スイッチとをそれぞれ示す斜視図である。
図６は（Ａ）簡単なＣＳＬＣシャッターと、（Ｂ）ε＝０を有する色消し回転子シャッターと、（Ｃ）ε＝２．５度を有する色消し回転子シャッターとにおけるオン状態での透過率と、半波長リターダンスからの離脱、即ちずれ（δ）との関係をそれぞれ示すグラフである。
図７は可視光線帯域色消し回転子スイッチを使用した直交偏光子シャッターの算出されたオン状態での透過スペクトルを示すグラフである。ストラクチャーは５００ｎｍ半波長ＬＣ及びポリカーボネート位相子の分散を使用している。
図８は図７のシャッターの算出されたオフ状態での透過スペクトルを示すグラフである。
図９（図９ａ及び図９ｂを含む）は（ａ）互いに平行に配置された複数の偏光子の間に位置するπ／４で配向された１つのＣＳＬＣ位相子と、（ｂ）互いに平行に配置された複数の偏光子の間に位置する色消し回転子スイッチとにおける測定されたシャッター・オフ状態での透過スペクトルを示すグラフである。
図１０は図９ｂのシャッターの測定されたオン状態におけるスペクトル及びオフ状態におけるスペクトルを示すグラフである。同グラフは高い透過率が等方的状態において実現され、ニュートラル・オフ状態がπ／２回転した状態で得られることを示す。
図１１は互いに平行をなす複数の偏光子間に配置された色消しシャッターの測定されたオン状態出力及びオフ状態出力を示すグラフである。デバイスは７２０ｎｍ半波長ＣＳＬＣ（イーメルク（E-Merck）のＺＬＩ−３６５４）位相子と、ニットー（Nitto）の４００ｎｍポリカーボネート位相子とを使用して形成されている。
図１２は図１１のシャッターの透過率の高分解能プロットを示すグラフである。平行偏光子の漏れは６００〜８５０ｎｍの範囲に広がる２５０ｎｍ帯域において１．０％未満に維持されている。
図１３は光線を案内すべく偏光スプリッターを使用した広帯域スイッチング・デバイスを示す。ＬＣデバイス上における極性の切替えは広帯域光線を出射させるポートの切替えを招来する。
図１４は更に高い光線効率を実現する回転子スイッチ及びニュートラル・シャッター・アレーを使用したディスプレーを示す縦断面図である。スイッチの中立性に起因して、複数の偏光子を互いに平行な配置または直交する配置とし得る。
発明の詳細な説明
本発明のデバイス内の複数の素子は光学的に連続して接続されている。偏光子の配向は透過軸の配向を意味し、複屈折素子の配向は同素子の主光軸の配向を意味する。配向は平面偏光された入力光線の偏光軸に対して決定されている。複屈折素子を示す複数の図面において、配向は矢印で示し、リターダンスは素子の側面上に表示している。リターダンスを２つの値の間で切替え可能な場合、同２つの数値は素子の側面上にコンマで分けて示す。リターダンスは設計波長におけるリターダンスを意味し、設計波長という用語は位相子が所定のリターダンスを形成する波長を意味する。設計波長以外の波長では、設計波長におけるリターダンスからのリターダンスのずれδが存在する。
受動位相子という用語は、配向及びリターダンスの電子的変調を実施しない複屈折素子を意味する。本発明の回転可能な液晶位相子は電子的に回転可能な配向と、設計波長における一定のリターダンスとを有する。液晶可変位相子、即ち液晶可変複屈折位相子は電子的に変更可能なリターダンス（複屈折）と、一定の配向とを有する。色消しという用語は、透過した電磁場振幅がδに対するファースト・オーダー・ディペンデンス（First order dependence）を有さない光学デバイスを意味する。従って、透過パワー（Transmitted power）はδに対するセカンド・オーダー・ディペンデンス（Second order dependence）を有さない。
９０度回転子（90-degree Rotator）
図３ａは本発明の第１の実施の形態に基づく偏光回転子スイッチを示す斜視図である。広帯域光線を互いに直交する２つの直線状態の間で切替えることが多くのケースにおいて望まれるため、９０度色消し回転を本実施の形態において詳述する。色消しシャッターは回転子スイッチを一対の偏光子間に配置することによって形成される（図４参照）。受動半波長位相子１０はｘ軸に沿って偏光された入力光線に対してπ／８＋εで配向されており、εは小角（Small angle）である。回転可能な液晶半波長位相子２０はオン状態において３π／８−εで配向され、かつオフ状態において５π／８＋εで配向される。オン状態において、スイッチは２つの波長λR及びλBにおける正確な９０度回転を示す色消し９０度偏光回転を提供する。オフ状態は複数の光軸が互いに直交する状態に対応している。オフ状態はゼロ・ネット・リターデーションを形成し、かつ偏光回転を形成しない。
小角εは動作波長帯域での作用を最適化すべく選択する。εを増大させることにより、λR及びλBの間の分離が増大する。好ましい最大εはλB−λRを動作帯域に等しくした際のεの値である。従って、本明細書中において、小角という用語は前記の最大値より小さい任意のεの値に対して使用する。小角は常には０≦ε≦５度の範囲である。εがゼロ以外の値の場合、９０度回転は２つの波長に対して正確に形成される。この角度を増大した場合、動作帯域が増大する。しかし、これは半波長位相子の設計波長における回転効率の損失を犠牲とする。半波長設計波長（Half-wave design wavelength）は所望の動作帯域に基づいて選択する。リターデーション及び複屈折分散の反転波長依存性に起因して、半波長設計波長は動作帯域の中心より多少短い波長となる。
回転可能な液晶位相子はＦＬＣであるか、または電子的に回転可能な光軸を備えた任意の材料であり得る。同液晶位相子は平面配列されたＳｍＣ*液晶及びＳｍＡ*液晶と、ディストーテッド・ヘリックス・フェロエレクトリック（ＤＨＦ）液晶と、反強誘電性液晶と、アキラルＣＳＬＣとを含む。位相子は少なくとも２つの配向α2及びα2’の間で切替わる。使用する液晶と、印加する電場とに基づいて、位相子はα2及びα2’を含む複数の配向の間で連続回転するか、双安定状態（Bistable states）α2及びα2’の間で切替わるか、または２つ以上の不連続な配向（安定配向である必要はない）の間で切替わり得る。α2及びα2’の間に位置する複数の配向は色消し位相子を形成しない。しかし、同複数の配向はグレー・スケール透過を実現すべくシャッター内に使用できる。表面安定化または体積安定化された複数の配向（Surface or volume stabilized orientations）を有する液晶は、メモリを有するパッシィブ・マトリックス・ディスプレイを形成すべく使用できる。
図３ａの実施の形態では、液晶光軸はπ／４＋２εの角度だけ回転させる必要がある。従って、回転子の最適なチルト角は例示した従来のシャッターに必要とされるπ／８のチルト角より多少大きい。色消し帯域幅はεに非常に敏感であるため、ＣＳＬＣチルト角は最適化のための重要なパラメータである。チルト角は温度、印加電場及び変調比に依存するため、動作条件の能動的補償は液晶位相子を安定化するために使用可能である。液晶及び受動位相子の配向における誤差はε未満であることを要し、同誤差は好ましくは０．５度より小さい。
受動位相子は任意の複屈折材料であり得る。適切な材料は雲母または石英等の結晶体材料と、マイラー（Mylar）またはポリカーボネート等の延伸ポリマー・フィルムと、ポリマー液晶フィルムとを含む。好ましい実施の形態において、受動位相子の分散は液晶分散にほぼ整合している。例えば、マイラーは幾つかのＣＳＬＣに類似する分散を有する。
能動位相子及び受動位相子はその設計波長及び分散が互いに整合していることが好ましい。互いに直交する複数の偏光子を有するシャッターでは、理想的な広帯域オフ状態は複数の偏光子の半波長リターデーション波長が同一であって、かつ同複数の偏光子の分散が整合しており、さらには同複数の偏光子が完全に直交している際に形成される。実際には、オフ状態での漏れは複数の波長板の間における残留リターダンス（Residual retardance）に起因することが多い。複数の中心波長を互いに容易に整合させ得る一方で、残留リターダンスは２つの材料の複屈折分散の差に常には起因する。例えば、ディスプレー・デバイスに使用する位相差フィルム（ニットーから販売されているＮＲＦまたはＮＲＺ）は一般的なＣＳＬＣ混合物（イーメルクが販売するＺＬＩ−３６５４またはＳＣＥ−１３）より低い複屈折分散を示す。差リターデーション（Difference retardation）はシャッター動作帯域の極値の青／赤の波長における僅かな量の漏れを形成する。
前記の回転子スイッチにおいて、第１の位相子は受動位相子であり、第２の位相子は能動位相子である。本実施の形態の別例では、第２の位相子は受動位相子であり、第１の位相子は能動位相子である（図３ｂ参照）。位相子２１は３π／８−εで固定されており、位相子１１はオン状態におけるπ／８＋εと、オフ状態における−π／８−εとの間で切替わる。図３ａのデバイス同様に、必要とされる回転はπ／４＋２εであり、２つの位相子はオフ状態において互いに直交している。
図３ｃは９０度偏光回転子スイッチの第２の例を示す。同回転子スイッチは２つの液晶可変複屈折位相子を有し、同２つの位相子はゼロ及び半波長の間で同時切替え可能なリターダンスをそれぞれ有する。位相子１２はπ／８＋εで配向され、位相子２２は３π／８−εで配向されている。等方的状態（ゼロ配向）は両素子のリターダンスを電気光学的にゼロへ減少させることによって形成される。
色消し９０度回転はリターダンスが半波長の際に実現される。本発明に使用可能な可変複屈折液晶セルはホモジニアス配向したネマチック液晶と、ネマチックπセルと、ホメオトロピック配向したスメクチック液晶セルとを含む。
図３ａ及び図３ｂの実施の形態は図３ｃの実施の形態より幾つかの点で好ましい。２つの能動セルに代えて１つの液晶セルを使用するため、構成は更に簡単である。更に、スメクチック液晶の切替え速度はネマチックより数桁常には速い。
設計パラメータに関する以下の説明において、図３ａ及び図３ｂに示す１つの実施の形態は代表的なデバイスとして使用するものであり、設計パラメータは両実施の形態に適用される。
色消しシャッター
図４に示すように、９０度回転子を２つの偏光子間に配置した際、色消しシャッターが形成される。回転子スイッチの前方に配置された偏光子３０は入力直線偏光を提供する。本実施の形態において、回転子スイッチの後方に配置された偏光子４０は入力偏光子に対して直交している。回転子スイッチ・オン状態では、ｘ偏光された入力光線の色消し９０度回転はシャッター・オン状態を形成し、同シャッター・オン状態はｙ配向された出力偏光子を通過する高い透過率を有する。回転子スイッチ・オフ状態では、回転子は等方性を示し、かつ回転を形成しない。従って、ｘ偏光された入力光線は検光偏光子（Analyzing polarizer）によって遮断されることにより、シャッター・オフ状態を形成する。
互いに平行に配置された複数の偏光子の場合、回転子スイッチの９０度回転オン状態はシャッターのオフ状態を形成する。一般的に、２つの位相子の分散が適切な整合を示す場合、回転子スイッチの等方的状態は９０度回転状態より更に高い色消しを実現する。従って、シャッター・オン状態における最大透過率と、シャッター・オフ状態における最大遮断とのうちのいずれを実現するかに基づいて、複数の偏光子を平行にするか、または直交させるかを選択する。
一般回転子（General Rotator）
本発明の色消し偏光回転子は任意の回転角度βを実現すべく設計可能である。
一般回転子のオン状態では、２つの半波長位相子は、
α1＝β／４＋ε（１）
α2＝３β／４−ε
でそれぞれ配向される。第１の実施の形態では、２つの位相子のうちの一方は回転可能であり、他方は受動的である。オフ状態では、回転可能な位相子を切替えることによって２つの位相子は互いに直交する。第１の位相子が能動的な場合、同第１の位相子をα1’＝α2＋π／２へ切替える。更に、第２の位相子が能動的な場合、同第２の位相子をα2’＝α1＋π／２へ切替える。第２の実施の形態では、両位相子は可変位相子であり、同可変位相子は半波長リターダンスをオン状態で有し、ゼロ・リターダンスをオフ状態で有する。
多くの用途において、４５度（π／４）回転が望ましい。式１に基づき、オン状態では、２つの位相子１３，２３は図５ａに示すようにα1＝π／１６＋ε及びα2＝３π／１６−εへそれぞれ配向される。オフ状態では、第１の位相子をα1’＝−５π／１６−εへ切替えるか、または第２の位相子をα2’＝９π／１６＋εへ切替える。図５ａに示す形態においては、第２の位相子２３が回転可能な位相子であるので、第２の位相子２３をα2’＝９π／１６＋εへ切替える。これらのいずれの場合においても、光軸の３π／８＋２ε（約７０度）回転が必要とされる。スメクチック液晶セルは約５０度未満の回転が常には可能である。本発明の態様は、回転子の機能を変更することなく差α1及びα2をπ／２（それぞれπ／４の変化）の倍数だけ増大可能であるという理解に基づく。π／２の奇数倍では、εの符号が変化する。従って、更に一般的な回転子を定義する式は、
α1＝β／４＋（−１）nε−ｎπ／４
α2＝３β／４−（−１）nε＋ｎπ／４
であり、ｎは非負の整数である。オフ状態では、２つの位相子のうちのいずれが能動位相子であるかに基づいて、
α2’＝α1＋π／２
またはα1’＝α2＋π／２
となる。
β＝４５度であって、かつｎ＝１の際、オン状態では、２つの位相子１４，２４は図５ｂに示すようにα1＝−３π／１６−ε及びα2＝７π／１６＋εへそれぞれ配向される。オフ状態では、第１の位相子をα1’＝−π／１６＋εへ切替えるか、または第２の位相子をα2’＝５π／１６−εへ切替える。図５ｂに示す形態においては、第２の位相子２４が回転可能な位相子であるので、第２の位相子２４をα2’＝５π／１６−εへ切替える。これらはいずれも光軸のπ／８＋２ε回転を必要とする。オフ状態における２つの光軸の同一配向は互いに相反する方向へ７π／８−２εだけ回転させることによって実現できる。ｎ及び回転方向の選択は任意の液晶材料のチルト角に依存し得る。
設計最適化
以下の分析では、光学フィールドを２波長板９０度回転子スイッチ（Two-waveplate 90-degree rotator switch）を通じて透過するジョーンズ行列を形成する。次いで、特定のオン状態コンフィギュレーション及びオフ状態コンフィギュレーションを一般式に基づいて評価する。設計式を形成した後、ＣＳＬＣ及びポリマー材料を使用するシャッターの特定の例を分析する。この方法に基づいて他の回転角度を分析可能である。一般的に、コンプレックス・カルテシアン・フィールド振幅（Complex cartesian field amplitudes）を２波長板ストラクチャーを介して伝搬するジョーンズ行列は、
Ｗ’＝Ｗ（Γ2，α2）Ｗ（Γ1，α1）
によって与えられ、Ｗ（γ，θ）はリターデーションγ及び配向θを有する直線位相子に対する一般ジョーンズ行列、即ち、
0003884480.tif 000002
である。
オン状態では、入射する平面偏光された広帯域光線は直交直線状態へ理想的に回転される。オン状態の分析は２つの位相子が共通の中心波長を有する同一材料から形成されていることを仮定することによって単純化されている。この条件の下で、リターデーションは、
Γ1＝Γ2＝π＋δ
で表現可能であり、δは理想的半波長リターダンスからの波長に依存する離脱である。
２つの設計パラメータは回転子を形成する際に重要であり、同２つの設計パラメータは回転角度を主に決定する２つの位相子配向の間の差角、即ち（α2−α1）と、ストラクチャーの色度に大きな影響を及ぼす二等分線の配向、即ち（α2＋α1）／２とである。
ポアンカレ球透過の分析から明らかな理由に基づき、対称配置がπ／４で配向された二等分線によって選択される、即ち、
α1＝α，α2＝π／２−α
である。２つのジョーンズ行列を乗算することによってオン状態行列、即ち、
0003884480.tif 000003
が形成され、同行列において、
ａ＝sin2（δ／2）+cos（4α）cos2（δ／2），
ｂ＝sin（4α）cos2（δ／2）+isinδsin（2α），
であり、さらに
φ＝tan-1[sec（2α）tan（δ／2）]
である。設計波長では、ジョーンズ行列は純粋な回転子であり、偏光回転は複数の光軸の間の角度の２倍の大きさである。これはδ＝０を前記の行列へ代入することによって立証できる。
９０度偏光回転の場合、α＝（π／８＋ε）であり、
α1＝π／８＋ε，
α2＝３π／８−ε
となり、εは決定する小角である。この角度はポアンカレ球上における各波長板による変換をそれぞれ示す複数の円弧が重なる範囲を決定する。複数の円弧が交わる２つの波長において、完全な９０度回転子として機能する回転子を形成し得ることを数学的に示す。
図６は複数の簡単な色消しシャッター・オン状態の透過関数の比較を示す。従来のＣＳＬＣシャッター（図１参照）は半波長リターダンスからのずれにおけるセカンド・オーダーであるオン状態透過率、即ち
ＴON（δ）＝１−sin2（δ／2）（３）
を提供する。式３の透過関数は図６Ａにおいてグラフ化されている。この手法を使用することによって、高いコントラストを実現でき、これはオン状態での透過が実質的な色消しであるにもかかわらず実現される。後者は平行偏光子コンフィギュレーションでのハイ・コントラスト・ニュートラル・オフ状態を防止する。
更に、開口上におけるＬＣフィルムの小さな厚さのバリエーションは視認可能な複屈折カラー・バリエーションを招来する。
この作用は式２のジョーンズ行列を使用する色消し回転子ストラクチャーの作用と直接比較できる。直交偏光子シャッターの透過強度はオフ・ダイアゴナル成分（Off-diagonal component）、即ち、Ｔ（δ，ε）=|b|2によって与えられる。これは均一な振幅を有するｘ偏光された入力光線と、ｙ配向された理想的な偏光子（ｙ軸に沿った均一な透過率及び無限コントラスト）を仮定している。透過関数は一般式、即ち、
ＴON（δ，ε）＝1-[sin2（δ／2）-cos2（δ／2）sin（4ε）]2（４）
へ簡約される。
コエスターはε＝０の回転子を非色消しと見なしたが、本発明の装置が１つの位相子を使用する従来の手法と比べて大きな改善を実現している点に注目する必要がある。ε＝０を式４へ代入することにより、互いに直交する複数の偏光子の間の強度透過率、即ち、
Ｔ（δ，0）＝1-sin4（δ／2）
が与えられる。
ε＝０の場合の透過関数は図６Ｂにプロットされている。この回転子は直交直線状態を１つの波長においてのみ完全に透過し得る点で、π／４配向された１つの位相子に類似している。しかし、大きな色消し補償は回転子の対称配置によって達成され、これは１つの位相子では実現できない。即ち、偏光の再配向が２倍になるにもかかわらず、１つの位相子によって特定の波長で形成された楕円偏光は第２の位相子によって大幅に補償される。δに対するフォース・オーダー・ディペンデンス（Fourth-order dependence）から明らかなように、これは１つの位相子より更に広い動作帯域を実現する。
更に広い動作帯域は非ゼロ値をεとして選択することによって達成され、これはチルト角の要件を増加する。式４の一般透過式に基づき、９０度偏光回転の２つの波長に対応する以下の条件、即ち、
sin（4ε）＝tan2（δ／2）
における完全透過が実現される。この関係を式２のジョーンズ行列へ代入することによって、２φの直線リターダンスとは別に、行列が９０度回転子の行列である点が明らかになる。ｘ配向された光線を入力し、かつｙ配向された光線を透過する色消しシャッターの場合、透過率は２つの波長において原理的に１００％である。更に一般的な入力では、偏光状態はリターデーション２φによって変更される。
更に広い色消し帯域幅に関する性能面での犠牲としては、位相子の設計波長における透過率減少（Transmission dip）が挙げられる。これはεの値の増大が設計波長における回転効率の減少を意味することに起因する。設計波長を透過関数へ代入することによって、
ＴON（0，ε）＝cos2（4ε）
で表される設計波長における透過損が与えられる。
対象帯域における位相子材料の分散と、半波長中心波長の選択とに基づき、εの選択は動作帯域幅と、設計波長における回転効率の維持との間の妥協を意味する。
ε＝２．５度における透過関数は図６Ｃにプロットされている。プロットは複数の完全透過波長の明らかな分離と、設計波長における透過損とを示す。
小角εの選択を最適化すべく、分散材料を使用する回転子スイッチの例を以下に詳述する。小角の概算において、色消し条件はほぼε＝（δ／４）2である。
これは複屈折分散に関するウー・モデル（Wu's model）（Phys. Rev. A33, 1270[1986]に開示）へ代入可能であり、これによって色消し波長λR,Bの関数としての補正角、即ち、
0003884480.tif 000004
が与えられ、前記のλ*は材料の平均ＵＶ共鳴波長であり、λ0は半波長設計波長である。ＺＬＩ−３６５４（イーメルク）等のスメクチックＣ*材料は室温で２５度のチルト角を有し、これはε＝２．５度の値を可能にする。式５を使用することにより、これはλB＝４３５ｎｍ及びλR＝６１５ｎｍ（１７９ｎｍのスペクトル分離を有する）における理想的な効率を実現する。εの好ましい最大値はλB及びλRを回転子の所望動作範囲のエッジにおいて提供する角度である。２つの透過率最大値が動作範囲の更に内側に属することが好ましく、これによって動作範囲全体にわたる透過率が最大となる。常には、０≦ε≦５度である。
適切な材料の選択において、ＣＳＬＣ材料の分散と、最適なオフ状態性能を実現する２つの材料の分散整合の大きさとを考慮する必要がある。デバイスのオフ状態は２つの半波長位相子を互いに直交させた際に形成され、図３ａに示すように、
α1＝π／８＋ε，α2＝５π／８＋ε
が与えられる。他の損失の源を無視し、かつ同一の半波長中心波長を有する互いに直交した複数の位相子を仮定した場合、オフ状態のジョーンズ行列は配向α＝（５π／８＋ε）及びリターデーションΔ＝（δ2−δ1）を有する直線位相子として容易に説明できる。複数の位相子の分散が互いに整合している場合、オフ状態は理想的状態になる。実際には、コントラストはＬＣの厚さの空間的バリエーションと、能動フィルム及び受動フィルムの間の分散整合の欠如とによって減少する。
回転子を互いに異なる複屈折分散を有する複数の材料から形成した場合、即ち、複数の材料の中心波長が等しくない場合、残留リターダンスはコントラストを減少させる。互いに異なる特性と、同一の半波長中心波長とをそれぞれ有するＣＳＬＣフィルム及び受動フィルムからなるシャッター・デバイスを以下に詳述する。各材料が特定の共鳴波長を有する場合における複屈折に関するウー・モデルを使用した場合、リターダンスは、
0003884480.tif 000005
によって与えられ、λ1*及びλ2*は２つの材料の平均ＵＶ共鳴波長をそれぞれ示す。シャッターのオフ状態に対して提供された配向に基づき、ジョーンズ行列は互いに直交する複数の偏光子の間のストラクチャーの強度透過率、即ち
ＴOFF=1/2[1+sin（4ε）]sin2（Δ／2）
を提供する。この式は２つの位相子間の分散整合に対する基準を提供する。
例１
可視光線帯域シャッターのデザインについて以下に詳述する。同可視光線帯域シャッターは色消し回転子スイッチを互いに直交する複数の偏光子間に使用し、かつ以下の性能仕様及び材料特性を有する。
液晶：λ*＝２４３ｎｍ
受動位相子：λ*＝１８６ｎｍを有するニットーＮＲＦポリカーボネート
設計波長：λ0＝５００ｎｍ
スペクトル範囲：４３０〜６８０ｎｍにおいて９７％を越す透過率
コントラスト比：１００：１最小
前記の分析内容を使用することにより、配向を６５度（オン）及び１１５度（オフ）の間で変調するＣＳＬＣが適切といえる。受動位相子フィルム（受動位相差フィルム）は入力偏光子に対して２５度で配向されている。図７及び図８は前記の数値に基づくコンピュータ・モデリングによって形成されたオン状態及びオフ状態をそれぞれ示す。
ε（２．５度）の前記の選択を使用した場合、透過率減少は設計波長において３％である。色消し帯域幅は透過率における３％損失に対応する極値の青／赤波長によって定義される。図７に示すように、これは４１５ｎｍと、７００ｎｍを越す波長とにおいてそれぞれ発生し、これは２８５ｎｍを越す大きさの色消し帯域幅に対応している。比較を目的として、５００ｎｍに中心を有する従来のＣＳＬＣシャッターは７０ｎｍ（４６９〜５３９ｎｍの範囲）の９７％帯域幅を有する。簡単なＣＳＬＣシャッターと比べて、これは色消し帯域幅を４倍以上増大させる。
図８は算出されたオフ状態透過率を示す。この結果はコントラストが１７７ｎｍ（４５５〜６３２ｎｍの範囲）にわたって５００：１を越す値に維持され、２６２ｎｍを越す範囲（４３８ｎｍから７００ｎｍを越す範囲）にわたって２００：１を越す値に維持されたことを示す。設計波長より長い波長では、コントラストは緩やかに低下する。しかし、波長に対する感度の顕著な増大及び分散に起因して、コントラストの急激な低下は極値の青波長において発生する。例えば、３８ｎｍ（４３８〜４００ｎｍの範囲）において、コントラストは２００：１から３６：１へ低下した。これは設計波長を減少させることによって必要に応じて多少補償できる。
コンピュータ・モデリングに基づいて予測された性能を確認すべく、色消しシャッターを実験によって検証した。ＣＳＬＣデバイスはイーメルクから販売されているＺＬＩ−３６５４材料を使用して形成した。ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）で被覆した４４ｍｉｌの厚さの基板をナイロン６／６でスピン・コーティングし、さらに焼き鈍し後に一方向へラビング処理した。１．９ミクロンの直径を有する複数のガラス・スペーサを一方の基板の表面全体にわたって均一に散布し、かつ紫外線硬化性接着剤を他方の基板の内面上に印刷した。均一な圧力を加え、次いで紫外線硬化処理を施すことによって、複数の基板の間に間隙を形成した。ＣＳＬＣ材料を真空下において等方相内で毛細管現象を利用して注入し、次いでＣ*相へ徐冷した。冷却後、複数の導線をＩＴＯに取着し、デバイスを端封した。ＣＳＬＣセルは約５００ｎｍにおいて半波長リターダンスを有していた。
準平行光線をオリエル石英ハロゲン・ランプ（Oriel quartz halogen lamp）から照射し、次いで透過光線をアンドウ・スペクトル・アナライザー・システムを使用して分析することによって、ストラクチャーを検査した。平面偏光された広帯域入力光線を入射させ、かつ出力を分析すべく平行グラン−トムソン偏光子を使用した。前記のインスツルメント用いることによって、偏光子を挿入した状態でソースを最初に分析し、次いで格納した。スイッチを複数の偏光子間へ挿入し、さらにハイ・コントラストが得られるまで１Ｈｚ変調中に機械的に回転した。出力はデバイスの特徴と、２つのフレネル面及び２つのＩＴＯフィルムによる損失とを示す。
色消し回転子への組立前に、図２に示す理論上の結果を検証すべく液晶デバイスを使用した。互いに平行に配置された複数の偏光子間において、デバイスをオン状態及びオフ状態の間で切替えた。分子ディレクターの配向におけるＤＣドリフトを防止すべく、デバイスをスペクトルの走査中に５ボルト１Ｈｚの矩形波で駆動した。複数の偏光子は互いに平行に配置されているため、スペクトルは図２に対して反転されており、かつ図９ａに示すように色消しを実現するオフ状態にある。デバイスは１つの波長における半波長位相子であるため、ハイ・コントラスト・ヌルが５００ｎｍで確認され、大きな漏れが他の可視光線波長において確認された。
次いで、ＣＳＬＣデバイスを色消し回転子へ組立てた。互いに直交して配置された複数の偏光子と、蛍光バックライトとを有するライト・ボックス内へデバイスを配置した。５ボルト振幅信号を使用することによって、デバイスを２０Ｈｚで矩形波によって変調し、かつゼロ・フリッカーが認められるまで回転させた。
これは偏光子に関する分子ディレクターの対称切替えに対応している。次いで、この配向でデバイスを固定し、かつ変調速度を１Ｈｚ未満へ減少させた。ニットーから販売されている接着剤を裏面に有するＮＲＦポリカーボネート位相子（位相差板）（５００ｎｍでの半波長）をデバイス上へ配置し、かつ同位相子を回転させながら出力を測定した。複数の位相子を互いに直交させた際、ハイ・コントラスト・ニュートラル・ヌルが検出された。他方の極性はニュートラル・オン状態を形成した。アナライザーを平行偏光子コンフィギュレーションへ変化させることによって、他方の状態の中立性及びコントラストが検出された。理想的には、９０度回転状態はハイ・コントラスト・ヌルを互いに平行に配置した複数の偏光子間に形成する。両方の状態が要件を充足した際、ＣＳＬＣ基板をＩＰＡで洗浄し、かつ位相子を取付けた。これは気泡の封入を防止すべく一方の端縁からフィルムをローラーで機械的に押圧することによって実現された。この工程の後、前記の診断セットアップを使用してデバイスの分析を行った。
図９ｂ及び図１０は色消し回転子の平行偏光子透過率を示す。回転子スイッチが９０度回転子である際、平行偏光子を使用することによってシャッターのオフ状態が実現される。オン状態は直交位相子等方コンフィギュレーション（Crossed retarder isotropic configuration）に対応している。オフ状態は図７に示す（反転）モデルの結果とよく整合している。図９ｂは設計分析において予測された２つのヌル波長と、設計波長における漏れとを示している。２つのヌルは図９ａに示す１つの位相子を使用する変調器より優れた性能を実現する。設計波長及び動作帯域エッジにおける漏れは３％であり、これは性能を全可視光線スペクトルにわたって改善する。更に狭い動作帯域の場合、更に小さなεを使用可能であり、これは更に高い性能を実現する。常にはε≦３度であり、非常に狭い動作帯域では、ε＝０である。図１０は複数の平行偏光子間に位置するデバイスのオン状態及びオフ状態を示す。複数の位相子は互いに直交して配置されているため、オン状態の高い透過率を期待できる。オン状態における透過率の変調と、青における損失の増大とは、ＩＴＯフィルム吸収のファブリー−ペロー・エンハンスメント（Fabry-Perot enhancement）に起因する。
例２
ＣＳＬＣ分散の大幅な減少を招来する更に長い中心波長での色消しシャッターの使用により、多数の動作帯域が可能である。例えば、６００ｎｍに中心を有するシャッターにおける算出された９７％透過率帯域幅は約４００ｎｍ（４８０〜８８０ｎｍの範囲）である。その一方、簡単なＣＳＬＣシャッターの９７％透過率帯域幅は僅か１５０ｎｍ（５４０〜６９０ｎｍの範囲）である。７３０ｎｍの設計波長を有する長波長色消し回転子は例１に開示したものと同様に形成した。
図１１及び図１２は互いに平行に配置した複数の偏光子間に配置した色消し回転子の検出された透過率をそれぞれ示す。６００〜８５０ｎｍ帯域における高い平行偏光子効率を実現すべく、シャッターを最適化した。図１２は１％未満の漏れを同帯域全体にわたって示した。
デバイス・アプリケーション本発明の色消しシャッターはＣＣＤカメラと、目保護装置（Eye protection systems）と、ヴァーチャル・リアリティ・システムのガラスと、フィールド順次式ディスプレー内の三色シャッター（Three-color shutters）と、ビーム・ステアラー（Beamsteerers）と、回折オプティクス（Diffractive optics）と、ＬＣフラット・パネル・ディスプレーの輝度の増大とに代表されるアプリケーションに使用可能である。
偏光スプリッターとともに色消し回転子はスイッチ及び偏光独立スイッチ（Polarization independent switches）に使用可能である。図１３に示す回転子スイッチは、偏光子３０、位相子１０、２０及び偏光スプリッター４１を有し、印加する電場の極性を選択することによって、広帯域光線は２つのポートのうちのいずれか一方から出射する。図１３は複数の素子の縦断面を矩形ボックスでそれぞれ示す。複屈折素子のリターダンス及び配向はボックスの上部及び下部にそれぞれ示す。複数の素子を２つ以上の配向間で回転できる場合、両配向はボックス内にコンマで区切って示す。回転子の中立性に起因して、直交偏光子出力が明るい（暗い）状態を形成する際、平行偏光子の出力は暗い（明るい）状態を形成する。更に、パターン化された電極を有さないデバイスを使用することによって、隣接する複数のピクセルのオン状態及びオフ状態間の変調を実施すべく、パターン化された偏光子（Patterned polarizer）を使用可能である。
多数のディスプレー・アプリケーションにおいて、色消しシャッターを図１４に示す透過モードでマルチプル・ピクセル・アレイに使用可能である。図１４において、位相子２０として機能するＣＳＬＣセルは２つの基板５０，６０間に形成されて、更に位相子１０が設けられている。電圧は透明電極７０及びピクセル化された透明電極（Pixellated transparent electrode）８０を介して印加される。ピクセル化された電極は複数のピクセルを個々に活性化できる。本実施の形態において、２つの偏光子３０，４０は互いに直交している。アレイはバックライト・アッセンブリによって照射され、同バックライト・アッセンブリはレンズによるコリメーションが可能である。ディスプレーを透過率について観察した。
当該技術分野において知られている多数のデバイスは本発明の色消し回転子を使用することによって改善可能である。１つの位相子を本発明の色消し回転子スイッチと置換するための基準としては、同１つの位相子が半波長板であるか、または偏光回転子（例：ツイスト・ネマチック・セル）として機能する必要がある。更に、同１つの位相子は入力偏光が直線偏光となり、かつ既知の配向を示すデバイス内の位置に配置されていることを要する。
本発明の色消し回転子スイッチは広帯域光線のディジタル切替えを既知の入力偏光配向及び出力偏光配向の間で必要とするアプリケーションに特に適する。従って、同色消し回転子スイッチは同スイッチを直線偏光子に隣接して有するデバイス内での使用に特に適する。シャッター・アプリケーションにおける色消し可変位相子と機能的には同じであるが、回転子は可変位相子と置換可能にする必要はない。例えば、入力偏光状態が不定である場合、回転子スイッチは複数の受動位相差板の間の色消しスイッチとして適切に機能しないことがあり得る。
回転子スイッチの色消しは可視光線スペクトル全体にわたるスループット及びカラー・コントラスト（同カラー・コントラストは彩度を決定する）を増大し得るため、同色消しはカラー・フィルタリング・デバイスに特に効果的である。米国特許第５，１３２，８２６号、第５，２４３，４５５号及び第５，２３１，５２１号に開示されている偏光干渉フィルタでは、好ましくは４５度でそれぞれ配向された回転可能なスメクチック液晶位相子及び受動複屈折素子が一対の偏光子間に配置されている。米国特許第５，５２８，３９３号のスプリット素子偏光干渉フィルタでは、０度または９０度で配向された中心位相子（Center retarder）と、±４５度で配向された一対のスプリット素子位相子とが一対の偏光子間に配置されている。回転可能な液晶位相子はスプリット素子または中心位相子に加えられている。前記の偏光干渉フィルタの回転可能な各液晶位相子は本発明の色消し回転子スイッチと置換可能である。
国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９４／１１３２６号（国際特許出願公開第ＷＯ９５／１００６５号）に開示されている液晶左右像スイッチ（Liquid crystal handedness switch）及びカラー・フィルタは本発明の色消し回転子を使用することによって改善可能である。円偏光左右像スイッチ（Circular polarization handedness switch）は直線偏光子と、０度及び４５度の間で回転可能な液晶半波長位相子と、４５度で配向された１／４波長板とを含む。カラー・フィルタは左右像スイッチをコレステリック円偏光子等の１つ以上のカラー偏光子とともに使用する。左右像スイッチ発明において詳述されている回転可能な簡単な液晶位相子を本発明の色消し回転子スイッチと置換可能である。
更に、色消し回転子スイッチは直線偏光スイッチを使用するカラー・シャッターを改善すべく使用可能である。直線偏光スイッチは第１の直線偏光子と、０度及び４５度の間で回転可能な半波長位相子とを含む。カラー・シャッターを形成すべく、第２の直線偏光子が直線偏光スイッチに続いて設けられている。第１の直線偏光子及び第２の直線偏光子のうちの少なくともいずれか一方は直線カラー偏光子（Linear color polarizers）である。直線カラー偏光子は国際特許出願公開第ＷＯ９５／１００６５号に開示されている多色直線偏光子、または偏光子位相子スタック（Polarizer retarder stack、略してＰＲＳと称する）カラー偏光子であり得る。多色偏光子フィルムはカラーを一方の偏光軸に沿って透過し、白色光を他方の偏光軸に沿って透過する。異なる色を各軸に沿って透過するカラー偏光子を形成すべく、２つのフィルムを互いに直交させ、かつラミネートし得る。ＰＲＳは直線偏光子及び２つ以上の位相子を有する。同ＰＲＳでは、加法原色スペクトル（Additive primary color spectrum）を第１の偏光軸に沿って透過し、コンプリメンタリー減法原色スペクトル（Complementary subtractive primary color spectrum）を第１の偏光軸に直交する第２の偏光軸に沿って透過すべく、スタック内の位相子の数量と、同位相子のリターダンス及び配向とが設定されている。ＰＲＳ技術は１９９５年５月２３日に出願された米国特許出願第０８／４４７５２２号に開示されており、同米国特許出願第０８／４４７５２２号の内容は本開示をもって本明細書中に開示したものとする。本発明の回転子スイッチは米国特許出願第０８／４４７５２２号に開示されている簡単なＣＳＬＣ偏光スイッチ及び色消し半波長スイッチの代替品として使用し得る。
本発明の色消し回転子スイッチはハンドシー他による米国特許第５，３４７，３７８号と、ササキによる米国特許第５，０８９，９０５号とにそれぞれ開示されているカラー・フィルタに代表される当該技術分野において知られている他のカラー・フィルタを改善すべく使用できる。これらのカラー・フィルタは直線偏光子及び回転可能な液晶位相子を有する。幾つかの実施の形態において、同カラー・フィルタは多色偏光子を有する。他の実施の形態では、同カラー・フィルタは第２の直線偏光子及び受動複屈折素子をさらに有する。これらの文献に開示されている回転可能な簡単な液晶位相子は本発明の色消し回転子スイッチと置換可能である。
本発明の回転子スイッチを使用するカラー・フィルタは時間的なマルチプレックスが可能である。この場合、出力カラーは人の眼等の反応速度の遅いディテクターより速い時間スケールで切替えられる。更に、カラー・フィルタは１つを越す数量のステージを有し得る。この場合、ステージは直線偏光子から始まる。
本発明の色消し回転子スイッチ及び色消しシャッターの多数の他のアプリケーションは当業者にとって容易に明らかとなり、かつ本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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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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