特表 2022-540833 高コントラストを有する、偏光系のコンパクトなコリメータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-20

(54)【発明の名称】高コントラストを有する、偏光系のコンパクトなコリメータ

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20220912BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20220912BHJP

   G02B 5/00 20060101ALI20220912BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20220912BHJP

   H05B 33/02 20060101ALI20220912BHJP

   H01L 51/50 20060101ALI20220912BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/30

G02B5/00 Z

G02B3/00 Z

H05B33/02

H05B33/14 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022500994

(86)(22)【出願日】2020-07-08

(85)【翻訳文提出日】2022-03-04

(86)【国際出願番号】 US2020041259

(87)【国際公開番号】W WO2021007354

(87)【国際公開日】2021-01-14

(31)【優先権主張番号】62/871,680

(32)【優先日】2019-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520494530

【氏名又は名称】ゲイリー シャープ イノベーションズ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シャープ、ゲイリー

(72)【発明者】

【氏名】マクゲッティガン、アンソニー

【テーマコード（参考）】

2H042

2H149

2H199

3K107

【Ｆターム（参考）】

2H042AA03

2H042AA04

2H042AA19

2H042AA20

2H042AA26

2H149BA02

2H149BA04

2H149DA02

2H149DA04

2H149DA12

2H149DA24

2H149DA27

2H149EA03

2H149EA05

2H149EA10

2H149EA19

2H149FC02

2H149FC07

2H149FC10

2H149FD05

2H149FD06

2H199CA23

2H199CA25

2H199CA30

2H199CA42

2H199CA46

2H199CA47

2H199CA63

2H199CA65

2H199CA85

2H199CA86

3K107AA01

3K107BB01

3K107CC32

3K107EE21

3K107EE26

3K107EE29

3K107FF06

3K107FF15

(57)【要約】

複数の偏光系の高性能トリプルパスレンズは、任意の範囲の入射角および波長にわたる、偏光の正確な管理を必要とする。これらのレンズは、（たとえば、）眼の近くで使う広視野の没入型ディスプレイ適用分野について必要であるように、コンパクトな配置において高い光パワーをもたらす潜在性を有する。よって、本明細書に開示しているのは、第１の透過直線偏光を生成する入力偏光子と、直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、曲面状の部分リフレクタと、円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、反射型の直線偏光子と、入力偏光子および第１の位相子スタック、第２の１／４波長位相子および反射型の直線偏光子、または両方の間の幾何学的補償器（ＧＣ）とを含む、偏光系の広角なトリプルパス形式のレンズである。ＧＣは、法線外で入射する光線について、レンズの第１のパス透過率を低減する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の透過直線偏光を生成する入力偏光子と、
直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、
曲面状の部分リフレクタと、
円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、
反射型の直線偏光子と、
前記入力偏光子と前記第１の位相子スタックとの間、第２の１／４波長位相子と前記反射型の直線偏光子との間、または両方の間の幾何学的補償器（ＧＣ）と
を備える、偏光系の広角なトリプルパス形式のレンズであって、
ＧＣは、法線外で入射する光線に対して、前記レンズの第１のパス透過率を低減する、
レンズ。

【請求項2】

吸収型の直線偏光子は、透過においてＯ型であり、前記反射型の偏光子は、反射においてＯ型であり、吸収軸が反射軸と交差する、
請求項１記載のレンズ。

【請求項3】

前記幾何学的補償器は、７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＡプレートおよび７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＣプレートで構成される、
請求項１記載のレンズ。

【請求項4】

前記第２の位相子スタックは、前記第１の位相子スタックに対して、０°に対する逆順序投影の関係を有する、
請求項１記載のレンズ。

【請求項5】

前記第１の位相子スタックと前記部分リフレクタとの間、前記部分リフレクタと前記第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、正のＣプレートをさらに含み、正のＣプレートのリターデーションは、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択される、
請求項４記載のレンズ。

【請求項6】

前記第１の位相子スタックと前記部分リフレクタとの間、前記部分リフレクタと前記第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、複吸収補償器をさらに含み、前記複吸収補償器の吸収率は、法線外で入射する光線に対して、前記第１のパス光の透過率を最小にするように選択される、
請求項５記載のレンズ。

【請求項7】

ディスプレイ装置と、
第１の透過直線偏光を生成する入力偏光子と、
直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、
曲面状の部分リフレクタと、
円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、
反射型の直線偏光子と、
前記入力偏光子と前記第１の位相子スタックとの間、第２の１／４波長位相子と前記反射型の直線偏光子との間、または両方の間の幾何学的補償器（ＧＣ）と
を備える、広角に拡大するイメージングシステムであって、
ＧＣは、法線外で入射する光線に対して、レンズの第１のパス透過率を低減する、
広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項8】

吸収型の直線偏光子は、透過においてＯ型であり、反射型の偏光子は、反射においてＯ型であり、吸収軸が反射軸と交差する、請求項７記載のイメージングシステム。

【請求項9】

前記幾何学的補償器は、７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＡプレートおよび７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＣプレートで構成される、請求項７記載のイメージングシステム。

【請求項10】

前記第２の位相子スタックは、前記第１の位相子スタックに対して、０°に対する逆順序投影の関係を有する、
請求項７記載のイメージングシステム。

【請求項11】

前記第１の位相子スタックと前記部分リフレクタとの間、前記部分リフレクタと前記第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、正のＣプレートをさらに含み、正のＣプレートのリターデーションは、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択される、
請求項１０記載のイメージングシステム。

【請求項12】

前記第１の位相子スタックと前記部分リフレクタとの間、前記部分リフレクタと前記第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、複吸収補償器をさらに含み、前記複吸収補償器の吸収率は、法線外で入射する光線に対して、前記第１のパス光の透過率を最小にするように選択される、
請求項１１記載のイメージングシステム。

【請求項13】

ディスプレイ装置と、
前記ディスプレイ装置に取り付けられ、第１の透過直線偏光を生成する吸収型の入力偏光子と、
前記入力偏光子と物理的に分離される曲面状の反射型の直線偏光子と、
直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、
部分リフレクタと、
円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、
入力偏光子軸と交差する吸収軸を有する吸収型の直線偏光子である検光偏光子と
を備える、
ゴースティングを低減させる、広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項14】

曲面状の反射型の偏光子、前記第１の位相子スタック、前記部分リフレクタ、前記第２の位相子スタック、および前記検光偏光子がすべて、反射を最小にするように光学的に結合される、請求項１３記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項15】

前記曲面状の反射型の偏光子は、入力凸面を形成し、および凹面が等方性の屈折率整合誘電体で充填され、入力位相子スタックに結合するための平坦面を形成する、
請求項１４記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項16】

前記部分リフレクタは、平坦である、
請求項１３記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項17】

曲面状の反射型の偏光子は、前記第１の位相子スタックと物理的に分離されており、前記第１の位相子スタック、前記部分リフレクタ、前記第２の位相子スタック、および前記検光偏光子がすべて、光学的に結合される、
請求項１３記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項18】

前記曲面状の反射型の偏光子の出力面、および第１の１／４波長位相子の入力面は、反射防止コーティングを有する、
請求項１７記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項19】

反射型の偏光子と前記第１の位相子スタックとの間、前記第２の位相子スタックと吸収型の検光偏光子との間、または両方の間に、幾何学的補償器（ＧＣ）をさらに備え、ＧＣは、法線外で入射する光線に対して、レンズの第１のパス透過率を低減する、
請求項１３記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項20】

前記幾何学的補償器は、７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＡプレートおよび７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＣプレートで構成される、
請求項１９記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項21】

前記第２の位相子スタックは、前記第１の位相子スタックに対して、０°に対する逆順序投影の関係を有する、
請求項１９記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項22】

前記第１の位相子スタックと前記部分リフレクタとの間、前記部分リフレクタと前記第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、正のＣプレートをさらに含み、前記正のＣプレートのリターデーションは、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択される、
請求項２１記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【請求項23】

前記第１の位相子スタックと前記部分リフレクタとの間、前記部分リフレクタと前記第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、複吸収補償器をさらに含み、前記複吸収補償器の吸収率は、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択される、
請求項２１記載の広角に拡大するイメージングシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年７月８日付で出願された米国仮出願第６２／８７１，６８０号に対する優先権を主張するものであり、その内容全体を参照により、本明細書に援用する。

【背景技術】

【0002】

偏光系（polarization-based）のトリプルパスレンズは、コンパクトな広角コリメータを可能にすることが知られている。しかし、不適切な偏光管理は、たとえば仮想現実ヘッドセット内でそうしたレンズを使用する場合に、視覚体験の品質を損なう迷光を生成し得る。これは、ベイリンググレア、拡散背景散乱、およびゴースト像の形態をとり得る。たとえば、１組のゴースト像は、直線および円偏光基底ベクトル間で（相互に）変換するうえでの制御の欠如による場合がある。別の組は、消されず、および、観察者に向けて効率的に出るフレネル反射に関連付けられ得る。

【発明の概要】

【0003】

偏光系のトリプルパスレンズ内の偏光を管理するための最適化された光学構成を説明する。レンズは、最適化を２つのステップ、および、よって、２つの関連した光学システムに分けることにより、解析され得る。第１の最適化は第１のパス光の透過率を最小にすることに関連付けられる場合があり、および、第２の最適化は第２／第３のパス光についての偏光を正確に管理することに関連付けられる場合がある。後者は、第４のパス光に関連付けられたパワーを最小にすること、または第２／第３のパスにおける偏光変換を最大にすることと組み合わせられ得る。（フレネル）反射に関連付けられたゴーストは、別個の成分として解析され、および、光学配置が、これらの寄与を軽減するように提供される。

【0004】

本明細書に開示されているのは、第１の透過直線偏光を生成する入力偏光子と、直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、曲面状の部分リフレクタと、円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、反射型の直線偏光子と、入力偏光子と第１の位相子スタックとの間、第２の１／４波長位相子と反射型の直線偏光子との間、または両方の間に、幾何学的補償器（ＧＣ）とを含む、偏光系の広角なトリプルパス形式のレンズである。ＧＣは、法線外で入射する光線に対して、レンズの第１のパス透過率を低減する。

【0005】

吸収型の直線偏光子が透過においてＯ型であり、反射型の偏光子が反射においてＯ型であり、および吸収軸が反射軸と交差させられる場合がある。幾何学的補償器は、７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＡプレートおよび７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＣプレートで構成され得る。第２の位相子スタックは、第１の位相子スタックに対して、０°に対する逆順序投影の関係を有し得る。レンズは、第１の位相子スタックと部分リフレクタとの間、部分リフレクタと第２の位相子スタックとの間位、または両方の間に、正のＣプレートをさらに含み、正のＣプレートのリターデーションは、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択され得る。レンズは、第１の位相子スタックと部分リフレクタとの間、部分リフレクタと第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、複吸収補償器をさらに含み、複吸収補償器の吸収率は、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択される場合がある。

【0006】

さらに開示されているのは、ディスプレイ装置と、第１の透過直線偏光を生成する入力偏光子と、直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、曲面状の部分リフレクタと、円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、反射型の直線偏光子と、入力偏光子と第１の位相子スタックとの間、第２の１／４波長位相子と反射型の直線偏光子との間位、または両方の間の幾何学的補償器（ＧＣ）とを含む、広角に拡大するイメージングシステムである。ＧＣは、法線外で入射する光線に対して、レンズの第１のパス透過率を低減する。

【0007】

吸収型の直線偏光子は透過においてＯ型である場合があり、反射型の偏光子は反射においてＯ型であり、および吸収軸は反射軸と交差させられている。幾何学的補償器は、７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＡプレートおよび７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＣプレートで構成され得る。第２の位相子スタックは、第１の位相子スタックに対して、０°に対する逆順序投影の関係を有し得る。イメージングシステムは、第１の位相子スタックと部分リフレクタとの間、部分リフレクタと第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、正のＣプレートをさらに含み、正のＣプレートのリターデーションは、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択され得る。イメージングシステムは、第１の位相子スタックと部分リフレクタとの間、部分リフレクタと第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、複吸収補償器をさらに含み、複吸収補償器の吸収率は、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択され得る。

【0008】

さらに開示されているのは、ディスプレイ装置と、ディスプレイ装置に取り付けられ、第１の透過直線偏光を生成する吸収型の入力偏光子と、入力偏光子と物理的に分離される曲面状の反射型の直線偏光子と、直線偏光から円偏光に変換するための第１の位相子スタックと、部分リフレクタと、円偏光から直線偏光に変換するための第２の位相子スタックと、入力偏光子軸と交差する吸収軸を有する吸収型の直線偏光子である検光偏光子とを含む、ゴースティングを低減させる、広角に拡大するイメージングシステムである。

【0009】

曲面状の反射型の偏光子、第１の位相子スタック、部分リフレクタ、第２の位相子スタック、および検光偏光子はすべて、反射を最小にするように光学的に結合され得る。曲面状の反射型の偏光子は入力凸面を形成する場合があり、および凹面は、等方性の屈折率整合誘電体で充填され、入力位相子スタックに結合するための平坦面を形成する場合がある。部分リフレクタは平坦であり得る。曲面状の反射型の偏光子は、第１の位相子スタックと物理的に分離されている場合があり、ならびに、第１の位相子スタック、部分リフレクタ、第２の位相子スタック、および検光偏光子はすべて、光学的に結合されている場合がある。曲面状の反射型の偏光子の出力面、および第１の１／４波長位相子の入力面は、反射防止コーティングを有し得る。

【0010】

広角に拡大するイメージングシステムは、反射型の偏光子と第１の位相子スタックとの間、第２の位相子スタックと吸収型の検光偏光子との間、または両方の間に、幾何学的補償器（ＧＣ）をさらに含み、ＧＣは、法線外で入射する光線に対して、レンズの第１のパス透過率を低減し得る。幾何学的補償器は、７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＡプレートおよび７０～１３０ｎｍの位相差を有する正のＣプレートで構成され得る。第２の位相子スタックは、第１の位相子スタックに対して、０°に対する逆順序投影の関係を有し得る。広角に拡大するイメージングシステムは、第１の位相子スタックと部分リフレクタとの間、部分リフレクタと第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、正のＣプレートをさらに含み、正のＣプレートのリターデーションは、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択され得る。広角に拡大するイメージングシステムは、第１の位相子スタックと部分リフレクタとの間、部分リフレクタと第２の位相子スタックとの間、または両方の間に、複吸収補償器をさらに含み、複吸収補償器の吸収率は、法線外で入射する光線に対して、第１のパス光の透過率を最小にするように選択され得る。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１のパス光に関連付けられた光学システムの分解図である。

【図2】幾何学的補償器を含む光学配置である。

【図3】一対の交差偏光子、対、本発明の幾何学的補償を備えた一対の交差偏光子についてのコントラスト比較である。

【図4】第１のパス光について最適化された、偏光系のトリプルパスレンズの例である。

【図5】図４の配置についてのコントラスト対入射角である。

【図6】第２／第３のパス光に関連付けられた光学システムの分解および展開図である。

【図7】第２／第３のパス光について最適化された光学システムの分解および展開図の例である。

【図8】図７の配置についてのコントラスト対入射角である。

【図9】第１のパス光、および第２／第３のパス光について最適化された、本発明のトリプルパスレンズの例である。

【図10】２つのディスプレイ反射ゴーストのトレースを示す、従来技術のトリプルパスレンズである。

【図11】低減されたディスプレイ反射ゴーストを示す、本発明の例示的なトリプルパスレンズである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

第１のパス最適化
図１は、偏光系の広角コリメータの第１のパス光に関連した、従来技術の光学システムの分解図を示す。（たとえば、）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）により生成される画像光は、ディスプレイ検光子、および円偏光子に対する入力としての役割も果たし得る共用直線偏光子（Ｐ１）を有し得る。円偏光は、併せて１／４波長のリターデーションを与える１つまたは複数の層の異方性材料（ＱＷ₁）により、生成され得る。実際の出力は、入射角、および波長依存楕円率ε₁（θ，φ，λ）によって表され得る。これには、光キャビティの第１の層を形成する部分リフレクタ（ＰＲ）が続く。この構成要素は、偏光状態（ＳＯＰ）に対して、それを楕円率ε₂（θ，φ，λ）に変換する、重大な影響をおよぼし得る。第２の１／４波長位相子（ＱＷ₂）は、（理想的には、）元の直線ＳＯＰを回復させるために使用され得る。最終楕円率ε₃（θ，φ，λ）は最小源、表した３つの要素の影響の結果である。表していないが、重要であるのは、（角度／波長に対する、）この楕円ＳＯＰの向きである。反射型の偏光子（Ｐ２）は、光キャビティの第２の層も形成する、第１のパス光のＳＯＰについての検光子としての役割を果たす。

【0013】

解析が考慮するのは、第１のパス光のみであり、および、示している層間で生じ得る反射でない。実際には、これらの表面は、光結合（たとえば、整合屈折率を有する接着剤）により、実質的に除去され得る。撮像光学系に関連付けられた各要素を通る光線角度における差による、いかなる影響も、この単純化された解析では考慮に入れないことにも留意する。最適化された設計は、関連した入射角（ＡＯＩ）、方位角、および波長それぞれすべてにわたり、ゼロ透過ルーメン（Ｌ（θ，φ，λ））をもたらす。ＡＯＩはディスプレイ法線に対するものであり、および、方位は局所入射面（ＰＯＩ）を規定する。透過率における、第１のパスのヌルを実現するための機能要素は、入力偏光子（Ｐ１）および反射型の偏光子（Ｐ２）であり、前者の吸収軸は好ましくは、後者の反射軸と交差させられる。これは、透過率をゼロにするために、偏光子間での、実際の偏光変換が必要でないことを意味する。法線入射では、その最適化は、ゼロ純回転および楕円率をもたらすために、偏光子間の要素が併せて「消える」ことを必要とする。しかし、そうであるならば、性能は、法線外光について、必ずしも最適でない。これは、純粋に幾何形状によるものであり得るが、それは、ＰＯＩが複数の偏光子軸の１つを含む場合、交差偏光子が通常、法線外でのみ、最適に機能するからである。

【0014】

幾何学的回転
第１のパスの最適化は、波長および入射角すべてにわたり、観察者に対する透過を最小にすることを必然的に伴う。入力偏光子は通常、吸収軸がＰＶＡ（ポリビニルアルコール）延伸方向にあるヨウ素系または色素偏光子である。これは、異常軸に対応し、よって、これらの偏光子はＯ型として知られているが、それはそれらが、異常軸に対して直交している光を透過させる（すなわち、それらは通常光を透過させる）からである。検光子は、通常、ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ）または延伸多層ポリマである反射型の偏光子である。前者の例は、旭化成またはモックステック（Moxtek）社によるＷＧＰ製品を含み、および後者の例は、３Ｍ社による延伸共押出製品（たとえば、ＤＢＥＦ）である。法線外の幾何学的回転の問題を軽減する１つの手法は、透過においてＥ型である反射型の偏光子を使用することである。この場合、軸を交差させることは異常軸の相互アラインメントと同義である。幾何学的回転はいずれの偏光子にも共通であるので、コントラストはすべての入射角において高い状態に留まる。本発明は、（透過における）Ｏ型入力偏光子およびＥ型反射型の偏光子、または逆の組み合わせを含み、これは補償要件を単純にするうえで有用であり得る。

【0015】

偏光子がいずれもＯ型であり、またはいずれもＥ型である場合、純粋に幾何形状による漏れの問題が存在し得る。すなわち、±４５°方位では、偏光子軸の幾何学的逆回転は、性能を制限し得る漏れをもたらす。これは、（たとえば、）高密度設定において可変中性密度フィルタを使用する際に写真家／映像作家が直面する「恐るべきＸ」問題として知られている。最悪の場合（±４５°）の方位では、理想的な交差直線偏光子のコントラストは、２４°ＡＯＩにおいて１，０００：１であり、２８°ＡＯＩにおいて５００：１であり、３６°ＡＯＩにおいて２００：１であり、および４４°ＡＯＩにおいて１００：１である。本発明は、この性能制限要因を認識し、および、必要に応じてＳＯＰを補正するために法線外に入る、Ａプレート／Ｃプレートの組み合わせなどの補助的な幾何学的補償器（ＧＣ）を含み得る。あるいは、本発明は、幾何学的補償を、既存の偏光管理構成要素についての複数の機能要件に組み入れ得る。これらは、第２の光学構成（すなわち、第２／第３のパス光についてのもの）を最適化するのに必要な偏光変換を含む。交差偏光子のみで実現されるよりも高い法線外コントラストをもたらすいずれの組の構成要素も、統合化されたＧＣ機能を有すると考えられる。

【0016】

本発明のスタンドアロン型幾何学的補償器（ＧＣ）は、Ｏ型交差偏光子を使用する場合に、最適化された設計の開始点としての役割を果たし得る。それをいずれかの偏光子に隣接して配置することにより、入射角すべてにおける高コントラストを確実にするために、適切な偏光補正が施され得る。具体的には、ＳＯＰが、入射角／方位にかかわらず、反射型の偏光子の反射軸に沿ってのみ、投影するように、必要に応じて、補償器により、小さな回転が施される。そして、この場合、他の機能的構成要素（たとえば、ＱＷ）は、幾何学的回転のさらなる負荷を有するものでない。あるいは、組み合わせが、それ以外の手法で実現可能であり得るよりも高い性能をもたらすために相補的な手法で機能し得る。

【0017】

図２は、本発明の３要素ＧＣを組み入れた配置を示す。ディスプレイは、透明支持基板により、境界を付けられた機能的ＰＶＡ層（すなわち、一軸性吸収体）からなる直線入力偏光子に光学的に結合される。入力基板は、ディスプレイの性能（たとえば、ＦＯＶにわたるコントラスト）を最適化するための機能を有し得る。面内スイッチ（ＩＰＳ）モードＬＣＤの場合、この基板は好ましくは等方性を有し得る。３２ｎｍの負のＣプレートのリターデーションを有する（トリアセチルセルロース）ＴＡＣとして示す、この場合における出力基板は、ＧＣの一部としての機能的便益を有する。Ｃプレートは、光軸が基板に対して垂直である一軸性を有する。正のＣプレートは面内屈折率であって、厚さ方向におけるそれよりも低い面内屈折率を有しており、および負のＣプレートは面内屈折率であって、厚さ方向におけるそれよりも大きい面内屈折率を有している。後続する要素は、１００ｎｍの＋Ａ－プレート（一軸性面内位相子）および１００ｎｍの＋Ｃ－プレートを含む。検光子（Ｐ２）は、反射型の直線偏光子であり得る交差直線偏光子として示す。偏光子間には、（たとえば、）トリプルパスレンズについて必要であるような汎用的な光学システムがある。

【0018】

図３は、従来の交差偏光子のコントラスト対入射角、および最悪の場合の方位における図２のシステムのそれを示す。この例では、図２に示す光学システムは、偏光機能（たとえば、等方性）を有するものでない。ＧＣが存在している状態では、コントラストは一般に、はるかに高い。たとえば、４０°ＡＯＩにおける交差偏光子のコントラストは１３０：１に過ぎず、およびＧＣを備えたそれは、３，４８４：１であり、２７倍の改善である。十分なコントラストを実現するためにそうしたＧＣが組み入れられる範囲で、第１のパス光の最適化は、関連した角度および波長すべてにわたり、光学システムを設計することにおいて、消えることが明らかになる課題になり得る。なお、この手法は、より広い解空間の例としての役割を果たすに過ぎない。

【0019】

部分リフレクタ偏光歪み
図１に戻れば、入力円偏光子（Ｐ１＋ＱＷ₁）を出る光は、おおよそ、入射角（ＡＯＩ）、方位、および波長の関数である楕円率ε₁（θ，φ，λ）を有する。ＱＷ₁（およびＱＷ₂）は、波長依存性を含む面内リターデーション（または経路長差）（Ｒ_e）、および法線外光線に対するＳＯＰにおけるいずれかの変化を表す厚さ方向リターデーション（Ｒ_th）を有しているものとして特徴付けられ得る。同様に、部分リフレクタ（ＰＲ）などのコーティングは、ＳＯＰを、特に法線外光線について歪ませ得る。楕円率ε₂（θ，φ，λ）への変換は、コーティングにより、もたらされるリターデーション（ＳおよびＰ偏光間の位相差）、ならびに、複吸収（ＳおよびＰ偏光間の透過率差）の結果であり得る。コーティング上の入射角は、画像光の光線角度と、複合曲面状であり得る局所面法線との間に形成されるものである。光軸上に実質的にセンタリングされる方位角的に対称なレンズの場合、局所Ｐは径方向にあり、および局所Ｓは方位方向にある。本出願では、部分リフレクタ上に入射する光は、略円偏光を有しており、および、そういうものとして、偏光歪みは、ＰＯＩをたどり、および、方位に実質的に依存しないものであり得る。

【0020】

１つの例示的な場合には、部分リフレクタは、円偏光子によってもたらされるＳＯＰの忠実度をおおよそ維持する（ε₂（θ，φ，λ）＝ε₁（θ，φ，λ））。これがあてはまるためには、コーティングは、入射角および波長すべてについてゼロリターデーションおよびゼロ複吸収を有するべきである。これらの問題を埋め合わせするために、（その内容全体を参照により、本明細書に援用する、傾斜面用偏光補償器と題する、同時係属中の米国仮特許出願第６２／８３２，８２４号に記載されているように、）補償器が追加され得る一方、薄膜コーティング設計の場合、これは極めて困難である。たとえば、整合Ｃプレート位相子が、いずれかのコーティングＲ_thを埋め合わせるために追加される場合があり、ならびに、吸収型のＣプレートが、ＳおよびＰ透過率を均衡させるために追加される場合がある。この要素は、ＱＷ₁の出力、ＱＷ₂の入力、または両方に追加され得る。各補償器は、複吸収／リターデーションをいずれも補償する単一層であり、または、二層、すなわち、複吸収を補償する１つのもの、およびリターデーションを補償する別のものであり得る。

【0021】

円偏光がＰＲ上に入射する本システムでは、リターデーションおよび複吸収は、性能に対して非常に類似した影響をおよぼし得る。複吸収による、楕円率における歪みは、局所ＰＯＩに含まれる向きを有する楕円をもたらす一方、位相差によるそれは、ＰＯＩに対して±４５°に向けられる。しかし、理想的な交差円偏光子間に歪みがもたらされる場合、検光子を通る光漏れの量が楕円率歪みの大きさのみに依存すること、および楕円の結果として生じる向きが重要でないことが示され得る。

【0022】

局所ＰＯＩ内の透過する場についてのジョーンズベクトルは、３つの項、すなわち、入力円偏光ベクトル、部分リフレクタについてのジョーンズ行列、および理想的な交差円偏光子である検光子についてのジョーンズ行列の積として、

で記述することができ、ここで、Ｔ_S、Ｔ_Pは、ＳおよびＰ偏光それぞれについてのパワー透過率を表し、ならびに、Γは位相差である。

【0023】

上記式から、理想的でない部分リフレクタにより、システムを通る合計パワー漏れは、２つの項の和として、

で表され、ここで、第１項は、複吸収により、もたらされる楕円率歪みによるものであり、および第２のものは位相差によるものである。部分リフレクタの寄与によるコントラストはおおよそ、上記の逆数である。

【0024】

角度および波長すべてにわたり、これらの項をいずれも除去する薄膜設計をもたらすという課題は手ごわい。本発明は、いずれの項も、広いＦＯＶにわたり、無視できるレベルに追い込むうえでの援助を１つまたは複数のさらなる偏光制御層が与え得ることを期待する。この補償器は、第１のＱＷの出力、第２のＱＷの入力、または両方に追加され得る。

【0025】

Ｒ_eおよび向きを整合させる
トリプルパスレンズの基本機能は、直線および円偏光基底ベクトル間の変換を必然的に伴い、その詳細は第２／第３のパス最適化の一部である。第１のパスの意味合いでは、法線入射コントラストは、これらの変換が完全に相殺するものである場合に最適である。すなわち、ＱＷ位相子対からの純偏光変換はゼロである。単純なＱＷ直線位相子の場合、第１のＱＷが向き４５°を有しており、および第２のＱＷが向き－４５°を有しており、または逆である。関連付けられた行列の積は、法線入射では、単位行列である。これらのＱＷは、パンチャラトナム（Pancharatnam）ＨＷ／ＱＷ対などの、位相子スタックベースのものである場合もある。交差ＱＷの概念は、一般に、従来技術において開示されるように、法線入射においてジョーンズ単位行列を与える「逆順序交差」（ＲＯＣ）配置を使用することにより、位相子スタックに拡張され得る。ＲＯＣ配置では、第１のスタック内の各位相子は、第２のスタック内の等しいリターデーションの相手層と交差させられる。しかし、および、同時係属中の出願（その内容全体を参照により、本明細書に援用する、偏光基底ベクトル変換用位相子スタック対と題する、米国特許出願第１６／２８９，３３５号明細書）に記載されているように、ＲＯＣ配置は過剰制約を表し、およびこれを実現するための他の選択肢（すなわち、スタック対の固有偏光）が好ましい場合がある。代替的なスタック対設計に関する正当化根拠は次の節において述べる。

【0026】

ＲＯＣの場合には、最適なコントラストは、スタック１（ＱＷ₁）内の位相子層が、リターデーションにおいて整合させられ、およびスタック２（ＱＷ₂）内の相手層と交差させられる場合に軸上で生じる。実用的な観点からは、位相子層の不正確な整合による、順方向パス光の漏れは、システムコントラストを制限し得る。ウェブ製造（web-manufactured）された（たとえば、延伸ポリマの）位相子、またはウェブコーティングされた位相子（たとえば、反応性ミソゲンコーティング）の場合、一般に、スタック対のＲ_e整合を制限し得る、遅相軸の向きおよびリターデーション公差の統計分布が存在している。厚さの均一性は一般に、リターデーション均一性を維持するのに不可欠である。これは、ＲＭにとって困難であり得るが、それは、複屈折が比較的大きくなりがちであり、および、したがって、厚さ公差がより厳しいからである。鋳造／押出フィルムベースの位相子の場合、延伸均一性が、遅相軸の向きおよびリターデーションをクロスウェブで制御することに不可欠である。

【0027】

複合回転角αおよび複合リターデーションΓを有するスタック対は、

の（二次までの）透過率を与え、ここで、トリプルパスレンズ内では、コントラストは、おおよそ、１／（２Ｔ）で表される。たとえば、（５５０ｎｍにおいて）５．５ｎｍの残留リターデーション、または１．８°の回転を有するレンズ、および、１２．４ｎｍの残留リターデーション、または４°の回転を有するレンズは、２００：１のコントラストを有する。（たとえば、）パンチャラトナム設計では、スタック対は、３つの半波長の総和されたＲ_e（または約８００ｎｍ）を有し、１，０００：１を上回るコントラストを維持するために約０．７％のレベルに残留Ｒ_eが管理されることを必要とする。

【0028】

位相子材料の製造時の統計に加えて、ロバストな性能が、積層により、もたらされる応力、または環境条件における変化が上記性能をさらに損なう訳でないことを要求する。たとえば、積層プロセスは、複数の層が集約される方法に関連付けられた応力、接着剤の熱硬化、または材料の熱膨張差をもたらし得る。水分の吸収は、内部応力をもたらし得る膨潤をもたらし得る。そして、柔らかく、および高応力光学係数を有する位相子材料（たとえば、ポリカーボネート）は、これらの課題に特に左右され得る。逆に、環状オレフィンポリマは、比較的高いデュロメータ硬さ、低応力光学係数を有しており、および、水分を吸収しない傾向にある。それはさらに、ヘーズにおいて非常に低い。

【0029】

合成Ｒ_thを最小にする
法線入射における第１のパスを最適化することは、ＱＷ₁またはＱＷ₂からの具体的な偏光変換を必要とするものでない。幾何学的補償が存在していると仮定すれば、Ｐ２におけるＳＯＰが反射軸に沿って直線であるために上記組み合わせが消えることが必要であるに過ぎない場合がある。すなわち、反射軸に沿った向きで、ε₃（θ，φ，λ）＝０であることが必要である。汎用位相子スタックの場合、従来技術のＱＷ₁／ＱＷ₂の逆順序交差（ＲＯＣ）配置はこれを実現する。スタックからのゼロ純Ｒ_thが存在しているという条件で、ＡＯＩすべてについて、理想的な状況が持続する。しかし、すぐに利用可能な一軸性位相子（理想的なＮｚ＝０．５（またはＲ_th＝０）に対する、位相子Ｎｚ＝１（またはＲ_th＝１／２））使用するという実用的な現実は、Ｒ_thの蓄積が避けられない可能性が高く、および、ある程度のさらなる補償が広角システムについて必要であるということである。Ｒ_thについての補償の実用的な形態は、スタック対全体を補償する＋Ｃプレートである。しかし、それは、方位に依存しない補償器（すなわち、Ｃプレート）が正の全体の影響を有し得るようなある程度の方位無感受性をＱＷ₁およびＱＷ₂間の空間内のＳＯＰが有することを必要とし得る。多くの場合には、ＲＯＣ構成は、スタック対の方位依存性が理由で、Ｃプレートにより、効果的に補償される訳でない。

【0030】

同時係属中の出願（その内容全体を参照により、本明細書に援用する、偏光基底ベクトル変換用位相子スタック対と題する、米国特許出願第１６／２８９，３３５号明細書）に記載されているように、「非縮退固有偏光」と呼ばれる、ＲＯＣに対する代替策が存在している。この空間からの１組の解決策は、第１のスタック内の各層が、角度の符号が逆にされた、第２のスタック内の整合リターデーション相手を有する、０°に対する逆順序投影（reverse-order-reflection-about-zero：ＲＯＲＡＺ）構成である。ＲＯＲＡＺ構成は、特に、最適な＋Ｃプレートがスタック間に施された場合に、非常に良好に機能し得る。実際に、ＱＷ₁およびＱＷ₂の組み合わせは、前述した単純な理想的な交差偏光子よりも、ＡＯＩ／方位にわたり、より高いコントラストを発生し得る。これは、ＱＷ₁上流に（またはＱＷ₂下流に）さらなる幾何学的補償器を追加することなく、４５°方位における、ある程度のレベルの幾何学的補償が得られ得ることを示す。

【0031】

最適化された第１のパスの実施形態
図４は、第１のパス（図１）の構成の最適化されたバージョンの実施形態である。第１のパス最適化（すなわち、透過におけるゼロ）が、具体的な偏光基底ベクトル変換を必要としない一方、上記最適化原理の一部を例証するために具体的なＣＰ設計を挿入することが適切である。この場合、パンチャラトナムＣＰが、キャビティに対する入力についてのＳＯＰを生成するために使用される。ＲＯＲＡＺ相手が、ＰＲと、反射型の偏光子との間に挿入される。１８０ｎｍの合成リターデーションを有する一対の＋Ｃプレートが、部分リフレクタのいずれかの側のスタック間に挿入される。吸収型の一軸性Ｃプレートが、部分リフレクタを介した透過において生じ得るいかなる複吸収も埋め合わせるように挿入され得る。Ａ／ＣプレートＧＣが、図示したように、入力偏光子とＱＷ₁との間に挿入される。図５は、図４の構成についての、最悪の場合の方位におけるコントラスト対ＡＯＩを示す。法線入射において理論上無限大のコントラストを有するＲＯＣと違って、コントラストはここでは、固有偏光の残留波長依存性により、制限される。法線入射において（、および１０°をゆうに超えるまで）、このコントラストは約１４，０００：１に留まる。より重要なことは、コントラストが、３８°まで、１，０００：１を上回る状態に留まることである。

【0032】

特筆すべき、図４の構成の一部の具体的な詳細が存在している。まず、第１のスタックに対して０°または９０°偏光を入力する（すなわち、９０°または０°偏光それぞれを検光する、）設計の選択肢が存在している。より良好なコントラスト性能が、０°偏光を入力することにより、この例において実現され、これは、吸収軸が９０°に沿って示されている理由である。第２に、この例では、入力偏光子出口基板は好ましくは、等方性を有し（すなわち、Ｃプレートのリターデーションを有するものでなく）、これは、さもなければ、大きな入射角における性能を損なうものである。第３に、選択された純Ｃプレートのリターデーション値（１８０ｎｍ）は、平均屈折率１．５２を有する低複屈折位相子（０．０１）に基づく。これが（たとえば、１．６０に）変更された場合、最適なＲ_th値は上方に調節される必要がある。これは、平均屈折率における増加が位相子内の光線角度における減少、および、よって、予測Ｒ_thにおける低減を表すからである。第４に、上記例は、反射型の偏光子に関連付けられたゼロＲ_thが存在していること、および、よって、（たとえば、）直線入射偏光が一般に、検光される前に、変わらない状態に留まることを前提としている。第６に、幾何学的補償器は、入力偏光子の後に、または検光子の前に配置され得る。入力偏光子の後にそれを配置することにより、それは、第２／第３のパス光に対して影響をおよぼさない。検光子においてそれを配置することにより、それは、第２および第３のパス光のいずれにおいてもＳＯＰに寄与し得る。第７に、すべての位相子は、一軸性を有しており、および無分散である（すなわち、経路長差の波長依存性がない）とみなされる。第８に、一軸性吸収体である複吸収補償器は、かなりのＲ_thも有する可能性が高い。選択された１８０ｎｍＣプレート補償器は、この寄与を無視するものであるが、完全なスタックに関連付けられた純Ｒ_thを最小値に追い込むという全体の目的は、一貫した状態に留まる。合成Ｒ_thは、交差ＱＷ、部分リフレクタ、および複吸収補償器に関連付けられる。実用的な観点から、最適な＋Ｃプレート値が、全体目的を実現するために１８０ｎｍから調整されることがあり得る。

【0033】

図５は、図４の設計について、最悪の場合の方位におけるコントラスト対入射角を示す。コントラストは、１７°において１０，０００：１であり、２４°において５，０００：１であり、３２°において２，０００：１であり、および、３８°において１，０００：１である。

【0034】

第２／第３のパス最適化
図６は、キャビティの第２および第３のパスを表す分解および展開配置を示す。この場合、光は、９０°方向に向けられた反射型の偏光子により、キャビティに再導入される。反射型の偏光子が反射においてＥ型であり、および、透過においてＯ型であり（、または逆である）場合、交差偏光子の幾何学的回転の問題は法線外光について大いに低減され得る。この種の自己補償は、それが第１のパス最適化について説明したような補償を除去し得る点で有益である。反射型の偏光子が、（Ｃプレート挙動などの）何らかの二軸性を表す場合には、反射型の偏光子との相互作用による、楕円率の導入を最小にするために補償が加えられ得る。

【0035】

反射軸に沿って偏光する光はまず、ＱＷ₂を介した逆方向パスを実行し、理想的には単位であるε₄（θ，φ，λ）で表される楕円率を生み出す。光は次いで、部分リフレクタから反射し、これはさらに、複吸収およびリターデーションにより、楕円率を歪ませ得る。これは、展開配置であるので、それは、ＳＯＰを楕円率ε₅（θ，φ，λ）に変換する透過性構成要素として表される。最終的に、光は、ＱＷ₂を介した順方向パスをたどり、それは楕円率ε₆（θ，φ，λ）で出てくる。この場合、ＳＯＰは理想的には直線（ε₆（θ，φ，λ）＝０）であり、投影は反射軸に対しておおよそ直交している。厳密に実現された場合、画像光は効率的に出ていき、および反射型の偏光子はキャビティに光を戻すものでない。前者は最適化の漸増的スループット利益を指すが、より重要なことは、キャビティに光を戻さないことにより、後続パスがさらなるゴーストを生み出すことを、最適化された設計が可能にしないことである。最適化は、反射軸に直交する投影を最大にすることにより、または反射軸に沿った投影を最小にすることにより、実現され得る。

【0036】

ＱＷ₂のダブルパス：面内リターデーション（Ｒ_e）
第２／第３のパスの場合、最適化はダブルパスにおけるＱＷ₂の関数に大きく依存する。これは、反射軸に沿った投影を最小にすることが、関連した波長および入射角すべてにおける光を直交ＳＯＰに変換することと同等であるからである。すなわち、ＱＷ₂のダブルパスは理想的には、波長および入射角すべてにわたり、半波長のリターデーションを発生する。

【0037】

法線入射では、可視帯にわたり、ダブルパスＨＷを最適化するために、非常に具体的な逆分散関数が必要である。これは、デザイナ（たとえば、ポリマまたはＲＭ）分子を合成すること、位相子スタックを設計すること、または２つの、いずれかの組み合わせにより、実現され得る。位相子スタックは、任意のレベルのＲ_eの制御が単に、より多くの層を追加することにより、実現される場合があるという利点を有しており、および、したがって、それがもたらす精度がそれをこの最適化の焦点とする。

【0038】

ＱＷ₂が位相子スタックである場合、構造の２つのパス間に、固定された関係が存在している。これは、従来技術（たとえば、「ＬＣＤ投影のための偏光設計」の１４５～１４８ページを参照されたい）において述べられた逆順序（ＲＯ）配置である。複数の層の数および各層の向きは、

の理想的な分散関係に対する、任意的に正確な近似をもたらすように選択され、ここで、λは波長であり、およびｄは位相子厚さである場合がある。二層のみでは、パンチャラトナム型ＣＰは通常、いずれの市場で入手可能な単一層分散制御位相子よりも良好に機能する。この範囲を超え、およびより多くの数の半波長位相子を追加することにより、上記に対する近似がさらに改善され得る。展開配置では、ＲＯスタックは、奇数の半波長位相子の形態をとり得る。ＣＰを形成するように分割された場合、ＱＷ₂構造は、任意数の半波長位相子、およびそれに続く単一ＱＷ位相子になる。４層ＣＰの例が、分散関数をさらに調整する場合に実現され得るコントラスト改善を例証するために使用される。

【0039】

ＱＷ₂ダブルパスの合成Ｒ_thを最小にする
Ｒ_eの波長依存性を調整するためにさらなる層を追加することに関連付けられた潜在的なトレードオフは、それがさらに、合成Ｒ_thを増加させ、および、よって、法線外の性能を損なう場合があることである。本発明は、自己補償関数を有するスタックの選択により、これを認識する。これは、例示的な設計の合成Ｒ_thが、合計スタックＲ_eの最小部分であることを指す。さらに、例示的な設計は、Ｃプレート補償に対して好ましく応答する、Ｒ_thの方位依存性を示し得る。この場合もまた、広い範囲の入射角にわたり、性能を維持する４層ＣＰ設計の例を示している。

【0040】

反射における部分リフレクタ偏光歪みを最小にする
順方向パス最適化において述べたように、複吸収および位相差は、部分リフレクタにおける反射により、生じる場合もある。その結果は、透過の場合と非常に類似しており、透過係数が反射係数により、置き換えられ、および反射位相差の置換をともなう。この場合、Ｓ偏光の反射率は通常、Ｐのそれを超え、これは、Ｓ偏光のＡＯＩ感応性吸収により、複吸収を最小にする異方性吸収体を必要とする傾向にある。これは、透過モード補償器の逆であり、および実際には実現することがより困難であり得る。しかし、部分リフレクタ上の入射角は、第１のパス光よりも第２のパス光について小さい場合があり、これは、複吸収補償に対する必要性を減らす傾向にある。位相差の補償はなお、ＱＷ₂と部分リフレクタとの間に存在し得る＋Ｃプレート補償器における調整により、最小にされ得る。

【0041】

最適化された第２／第３のパスの実施形態
図４の例が、第１のパス光を最適化するのに必要であり得る構成を示す一方、第２／第３のパス光のそれに対しては具体的に注目されているものでない。使用されるパンチャラトナム設計の場合、ＱＷ₂の逆順序（ＲＯ）の平行の偏光子の漏れは、法線入射において約１，２００：１のコントラストを生み出す。より高いコントラストはよって、より高いダブルパス変換効率を備えたスタック設計を、理想的には、Ｒ_thを増加させることに関連付けられたトレードオフをもたらすことなく、必要とする。図７は、さらに第２／第３のパス光を最適化する、図６の分解・展開光学構成の実施形態を示す。前述の例に対する最も重要な変更は、ＱＷ₂性能の重視である。この設計は、パンチャラトナム設計（スタック毎に４つの位相子）に対するさらなる２つの半波長層を有しており、これは、より大きな分散制御を付与し、および、よって、より良好な法線入射性能を可能にする。この例では、ＱＷ₂の逆順序（ＲＯ）の平行の偏光子の漏れは、法線入射において、５０，０００：１を上回る、理論的なコントラストを生み出す。この場合におけるＲＯＲＡＺ交差偏光子コントラストが、パンチャラトナム設計の場合の１３，７００に対して、理論的には７７，０００：１を超えることにも留意する。しかし、より重要なことは、この具体的な設計のさらなるＲ_thが、パンチャラトナム設計に対する、第１のパスコントラストの角度依存性を損なうものでないことである。いずれの設計も、３２°のＡＯＩにおいて約２，０００：１の第１のパスコントラストを生み出す。角度にわたる性能を最適化するために、＋Ｃプレート補償器が、図示するように、対称軸のいずれかの側に追加される。

【0042】

図７は、反射におけるＥ型偏光子および透過におけるＯ型偏光子それぞれとしての反射型の偏光子との２つの相互作用も示す。この場合、補償を必要とするいずれの相互作用による位相差も存在していないとみなされる。さらに、部分リフレクタからの反射を補償するための、Ｃプレートのリターデーションにおけるいかなる調整も、前述したように行われ得る。平行のＯ型偏光子が、交差するＯ型およびＥ型偏光子を近似する範囲で、モデルは、（共通の）幾何学的回転を十分に補償するはずである。

【0043】

図８は、最悪の場合の方位における、図７のＲＯスタックの平行の偏光子の漏れを示す。高コントラストを維持するために、（明所視的に加重された）波長すべてを直交ＳＯＰに変換するために、ダブルパスが必要であるので、コントラスト対入射角における降下は、第１のパス最適化の場合よりも急峻である。コントラストは、９°において１０，０００：１であり、および１８．５°において１，０００：１である。

【0044】

最適化されたトリプルパスレンズの例
第１のパス光および第２／第３のパス光の最適化の結果を統合化した、本発明の例示的なレンズを図９に示す。ＩＰＳモードＬＣＤは、等方性入力基板、機能的ＰＶＡ Ｏ型偏光子、および３２ｎｍの－Ｃプレートのリターデーションを有するＴＡＣ出力基板を備える検光偏光子を有する。後者は通常、ＴＡＣ基板の固有の態様であり、これは、幾何学的補償器（ＧＣ）の機能層としての役割も果たす。ＧＣは、前述したようにＡプレート／Ｃプレートの組み合わせからなる。この偏光子は、この場合には前述した４層の設計である第１の円偏光子に対する入力としての役割も果たす。やはり前述したように、Ｃプレート補償は、それぞれが部分リフレクタ（ＰＲ）の両側にある、ＱＷ₁の出口およびＱＷ₂の入口において配置される。図示された補償は一軸性ＲＯＲＡＺスタックの性能を最適化するのに必要なものであり、および、ＰＲのいかなる影響も含むものでない。前述したように、ＰＲの影響が加えられた場合に補償を最適化するのに調整が必要であり、これは位相および複吸収を含み得る。

【0045】

フレネル反射ゴースト
モノリシックディスプレイ構成（すなわち、すべての層間の光結合）は、ゴースト像を生み出し得る不必要な複数の（フレネル）反射を最小にし得る。しかし、光学システム内のエアギャップを受け入れることに関する有効な正当化根拠が存在している場合がある。それは、光学的に結合するには大きすぎる、表面間の経路長に対する必要性、異なる曲率を有する表面間のギャップの存在、製造性設計の考慮事項、動的／可変焦点経路長調整要件、および光結合に関係した実用的な性能トレードオフに関係し得る。たとえば、ディスプレイスタック出口と、レンズの第１の表面との間に数ミリメートルを必要とする光学システムは、エアスペースの好みをもたらし得る。本発明の態様は、エアスペースに関連付けられたトレードオフが特定のフレネル反射を受け入れることの好みをもたらし得るという認識である。しかし、重要なのは、本発明は、そうした複数の反射が、特に、焦点が合っているゴーストをそれらが表す場合にレンズ出力に対する弱い結合を有するアーキテクチャを明確にしようとすることである。

【0046】

実用的な限りいかなる場合でも、屈折率整合誘電体を使用して、隣接面を光学的に結合することが通常、好ましい。しかし、これは、（１）表面間の光路長が、（たとえば、光学システム設計を最適化するのに必要であるように）必然的に大きく、（２）表面が、（機能的または実用的理由で）同じ曲率を有するものでなく、および（３）製造組立プロセスにおいてそうしたギャップを埋めることが実用的でない場合に困難になり得る。エアスペースが必要な場合、反射防止コーティングは、法線入射において４％から０．２％未満に反射を追い込み得る。しかし、これは、実際には十分でない場合がある。さらに、広角システムでは、反射の総計は、薄膜ＡＲコーティングを使用する場合にかなり悪い場合がある。

【0047】

偏光系のトリプルパス集光レンズでは、ＳＯＰに影響をおよぼすいかなる結合誘電体を導入しても、特に厚いセクション内で性能を損なう可能性が高い。シリコーンゲルなどの、架橋する材料は、硬化時の、または環境（たとえば、温度／湿度）における変化、および機械的応力（たとえば、ポッティング）によって誘起された誘起複屈折を有し得る。たとえば、ポリマが、平坦面および複合曲面を結合するために使用された場合、材料は均一でない厚さを有する。架橋されると、リターデーションをもたらす残留応力が存在し得る。さらに、ヘーズは、通常の接着剤セクションにおいて非常に小さい（１０～１００ミクロン）場合があるが、それは、ミリメートルを超える厚さのセクションにおける性能に対してかなりの影響をおよぼし得る。さらに、結合材料の厚いセクションは、かなりの重量を加え、および製造上の課題をもたらし得る。

【0048】

光学システムの機能層は、ガラスまたはポリマで構成され得る屈折または反射能に必要な複合曲面状を有し得る。前者は低い複屈折を有する場合があるが比較的重い一方、後者は軽量である場合があるが、かなりの複屈折を有する場合がある。屈折性材料の場合、光パワーは、光結合材料の使用を排除し得る光路長差から得られる。逆に、Ｈｏｐｐｅ（米国特許第６，０７５，６５１号明細書）の従来技術のシステムにおいて示されるように、反射能は埋没表面において生じ得る。基本的には、全反射アーキテクチャは、モノリシックスタック内にレンズを実現する潜在性を有しており、これは、ストレイ反射ゴーストを最小にする観点から最適であり得る。しかしこの場合もまた、ＳＯＰ、画像品質、および重量に対する、さらなる誘電体材料の影響はトレードオフを生み出し得る。

【0049】

ディスプレイスタックと、レンズの入力面との間のエアスペースを必要とする偏光系のトリプルパスレンズを検討する。従来技術のシステムでは、画像光は通常、初期反射が（理想的には）消された初期部分リフレクタ透過から得られる。反射された約５０％は、ディスプレイスタックフレネル反射率に比例する振幅でレンズに戻される。そして、この光は画像光と同じＳＯＰを共用するので、それは出力に効率的に結合され、およびゴーストを引き起こす。

【0050】

図１０は、仮想現実ヘッドセット２０に有用な、従来技術の光学システムであって、観察者２２がトリプルパスレンズを介してディスプレイ（この場合、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ））を観察する、従来技術の光学システムを示す。偏光トレーシングを容易にするために分解図を示すが、エアスペースがディスプレイスタックとレンズとの間のみに存在しており、レンズがすべての層間の光結合を有するとみなされる。２つの偏光トレースを示す（破線で分けている）。光学構成要素のさらなる挿入損失（たとえば、偏光子および部分リフレクタの吸収）はこの解析に含まれていない。ディスプレイスタックは、併せて、バックプレーン電極から反射された周囲光を吸収するようにふるまう広帯域１／４波長（ＱＷ₀）位相子２４および直線偏光子２６を含み得る。ＬＣＤ内には、直線ディスプレイ検光偏光子しかない場合がある。

【0051】

単位パワーの画像光が、広帯域ＱＷ位相子２８（ＱＷ₁）により、左回り円ＳＯＰに変換され、その５０％は、部分リフレクタ３０により、キャビティ内に透過させられる。（たとえば、第１と交差する）第２の広帯域ＱＷ位相子３２（ＱＷ₂）は、入力直線ＳＯＰを回復させる。反射型の偏光子３４は、キャビティに光すべてを戻すように向けられる。この要素は、平円筒状である場合があり、または、光パワーを供給するために、複合曲面状である（たとえば、熱成形される）場合がある。ＱＷ₂からのＬＨ（左回り）円偏光は、部分リフレクタ３０において、利き手の変更を経て（、右回り円偏光をもたらし）、さらに、反射時にさらなる５０％損失をこうむる。キャビティのさらなる往復はよって、光を直交ＳＯＰに変換し、ここで、それは、反射型の偏光子３４により、効率的に透過させられる。この光は次いで、クリーンアップ偏光子３６を通過し得る。従来技術のトリプルパスレンズはよって、２５％の最大効率を有する場合があり、ここで、ディスプレイに後方反射された残りの７５％は（せいぜい、）ディスプレイ偏光子により、吸収される。この光の一部は、あるいは、画像のコントラストおよび全体品質を劣化させる迷光およびゴーストに寄与し得る。かなり大きな２つのディスプレイ反射ゴースト、すなわち、部分リフレクタの初期の（５０％の）反射により、生み出される１つのものと、部分リフレクタを通って透過させられる（２５％の）第２のパス光により、生み出される別のものが存在している。

【0052】

部分リフレクタ３０により、当初戻された円偏光光の５０％は、（理想的には、）ＱＷ₁２８により、直交直線ＳＯＰに変換され、および、偏光子２６により、吸収される。この光はディスプレイにおいて熱に変換される。この項は図１０の下方トレースにおいて示す。戻り光の一部分は、ＱＷ₁の外表面によっても反射され、および、部分リフレクタ３０に向けて後方反射される。この光は画像光と同じＳＯＰを有するので、それは、観察者に向かう画像経路を効率的にたどり得る。画像光は、２５％の（理想的な）振幅を有するので、関連付けられた信号対ゴーストコントラスト（ＳＧＣ）は、ＱＷ₁の表面の反射率の逆数の約２倍である。良好なＡＲコーティングは、２００：１を上回るコントラストを発生し、約４００：１の全体ＳＧＣを生み出し得る。

【0053】

図１０の上方トレースにおいて示す部分リフレクタにより、透過する第２のパス光の２５％は、ＱＷ₁２８の表面上にも入射する。ＱＷ₁の外表面からの反射後、この光は、画像光と同じＳＯＰを有する。この光の半分は、部分リフレクタ３０により、透過させられ、および、反射型の偏光子の透過軸に沿って偏光するＱＷ₂３２から出てくる。前述と同様に、このゴーストは、ＱＷ₁の表面の反射率の逆数の２倍のＳＧＣを有する。

【0054】

ディスプレイスタックとレンズとの間にエアスペースが必要な場合、好ましい設計は、ディスプレイ表面からの（フレネル）反射の結合を最小にする。本発明の構成では、画像光は、初期透過が（理想的には）消された初期部分リフレクタ反射から得られ得る。これには、（たとえば、）曲面状の反射型の偏光子が入力にあり、平部分リフレクタが出力にあるように、レンズを反転させることが関係する。ディスプレイは、直線ＳＯＰを出力し、これは、ディスプレイスタックを単純にするという利点を有する。さらに、レンズに対する、ディスプレイスタックの向き感受性は弱いが、それは、不適切な向きが漸増的スループット損失を表すからである。従来技術の円偏光子（すなわち、２８の追加）は、出力に移動させられ、および、第１のパス光を吸収する一方で、透過のための画像光を選択するために使用される。

【0055】

本発明の図１１は、キャビティを形成する反射型の要素が逆にされた、従来技術の構成に対する代替策を示す。これは、偏光トレーシングの分解図であるが、前述したように、ディスプレイとレンズとの間にのみ、エアスペースが存在しているとみなされ得る。図１１は、本発明のトリプルパスレンズ４６を介して、観察者４２が電子ディスプレイシステム４４を観察する光学システム４０を示す。この例は、あるいは、液晶ディスプレイであり得る、前述したような、円偏光子を有する有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイを示す。この場合、ディスプレイスタックは、従来技術と違って、（場合によっては、出力面上のＡＲコーティング以外は）トリプルパスレンズ固有の要素を何ら含むものでない。

【0056】

例証的な目的で、構成要素は、ゼロ挿入損失を有するように採用されている。反射型の偏光子４８（ＷＧＰ）は、図の平面内で偏光する、ディスプレイからの光をキャビティ内に透過させる。ディスプレイ偏光子の向きは、非限界性を有しており、いずれの誤差も主に、漸増的スループット損失をもたらす。さらに、（たとえば、）反射型の偏光子の凸面状の基板が理由である、小複屈折の問題は、コントラストに影響をおよぼすことなく、漸増的スループット損失をもたらし得るが、それは、反射型の偏光子がＳＯＰのクリーンアップを行うからである。ディスプレイスタックと反射型の偏光子との間の露出面からの二重反射は、関連のゴーストを比較的小さいものにするはずである。この例における広帯域１／４波長位相子５０（ＱＷ₁）は、偏光を左回り円に変換する。幾何学的補償器（図示せず）は、（４８と５０との間の）キャビティ内に配置され、これは前述した幾何学的回転、および反射型の偏光子の曲率を補償する。５０：５０部分リフレクタ５２は入射光の半分を透過させる。残りの５０％は、部分リフレクタから反射し、ならびに、右回り円に、および、その後、画像光に変換される。この例では、反射型の偏光子が曲面状であり、および、部分リフレクタが平坦であるが、一方または両方のリフレクタ面が曲面状であり得る。しかし、特定の構成は、エアスペースを除去するために偏光光学系（たとえば、ＱＷ₂）の熱成形を利用する場合もある。

【0057】

この例における１／４波長位相子５４（ＱＷ₂）は、遅相軸であって、ＱＷ₁のそれに垂直である遅相軸を有しており、よって、ＱＷ₂を通過した後、元の直線ＳＯＰが回復させられる。部分リフレクタ５２により、透過する第１のパス光は、直線偏光子５６により、実質的に吸収され、吸収軸は図の平面内にある。これは、通常、従来技術システムでは、ディスプレイに後方反射し、ディスプレイスタックの出口面からゴーストをもたらす項である。部分リフレクタ５２とＱＷ₂５４との間のエアスペースは、従来技術のシステムに関連付けられたものと同様な戻り光（η／４）の振幅を有する項をもたらすが、ここでは光学的に結合することが仮定される。

【0058】

部分リフレクタ５２により、反射された５０％は、ＱＷ₁の第２のパスを行い、これは、図に対して垂直に偏光させられて、直線にＳＯＰを変換する。この光は反射型の偏光子４８から反射する。ＱＷ₁の第３のパス後、ＳＯＰがもう一度、右回り円偏光させられ、部分リフレクタの第２の反射後、利き手が逆にされる。この２５％は、ＱＷ₁の第４のパス後、反射型の偏光子の透過軸に対して平行に偏光させられて、直線ＳＯＰに変換される。この光の大半は、ディスプレイ内に透過させられるが、一部分（反射率η）はディスプレイスタックから反射し、および、もう一度、反射型の偏光子を通過する。パス５～７については、偏光トレースはパス１～３と同じであり、ゴーストは、キャビティを出ると、振幅がη／１６に減らされる。他の層すべての間の屈折率整合を前提とすれば、これは、最も重要なフレネルゴースト項（ディスプレイ反射率の逆数の４倍のＳＧＣ）であり、および、従来技術のシステムのディスプレイ反射ゴーストよりも脱焦させられている場合がある。

【0059】

従来技術に対して、本発明の実施例の製造プロセス上の利点が存在し得る。まず、ディスプレイスタックは、いかなる特殊材料（たとえば、ＱＷ）も導入することなく、ディスプレイ製造業者により、従来の手法で製造され得る。ディスプレイ出口面に対してＡＲコーティングを加えることはごく標準的である。第２に、複合曲面状の反射型の偏光子は、スタンドアロン型構成要素として製造され得る。それは、熱成形され、および、次いで、インサート成形され、機械的支持基板が凸面に取り付けられ得る。ＡＲコーティングは、反射型の偏光子の片／両面に施され得る。外部支持基板における複屈折の問題はコントラストの観点からは比較的瑣末であり、スループットにおける漸増的な損失をもたらすに過ぎない。第３に、偏光光学系スタックのシート規模の製造、およびそれに続くシンギュレーションが行われ得る。たとえば、一製造過程は以下のようなものであり得る。（１）別個のＱＷ₁およびＱＷ₂スタックを積層する、（２）偏光子をＱＷ₂に積層する、（３）ＱＷ₁を部分リフレクタに積層する、（４）部分リフレクタに（ＱＷ₂および偏光子を）積層する、（５）レンズを個片化し、および接合する。ステップ（２）は、反射型の偏光子に対する、完成スタックのアラインメントと同様に、重要な、向きのアラインメントを表す。後者は、最終的な光学アラインメントとして行われ得る。部分リフレクタは、機械的支持を加え、および無視できる複屈折をもたらす、セル鋳造アクリルなどの等方性基板上に製造され得る。幾何学的補償器が、形成された反射型の偏光子により、もたらされる幾何学的回転を管理するためにＱＷ₁の入力に追加され得る。

【0060】

漸増的反射およびヘーズ
個々に小さい、迷光の原因の多くは併せて、視覚体験の品質を制限し得る。基板における小さな特徴（内部／界面）、および積層接着剤からのランダムな散乱、ならびに、不適切な屈折率整合による漸増的反射は、黒色のコントラストを制限し、および色の彩度を低下させる背景光をもたらし得る。それは、暗領域内深くへの、明るい状態のしみだし光により、画像鮮鋭度を制限するベイリンググレアをもたらす場合もある。

【0061】

パンチャラトナム的なスタックが、直線および円偏光間で後方／前方変換するために使用される場合を検討する。ＣＯＰスタック（ｎ＝１．５２）が、圧力感応接着剤（ｎ＝１．４６）により、組立てられた場合、単一の界面の反射率は約０．０４％である。入力円偏光子、および等方性基板を備えたＣプレートを含む図４の場合、１２の界面が存在し得る。一度レンズ内に入ると、３つのパスを有する、さらなる１０の界面である、合計３０の界面が存在している場合がある。４２の界面について効果を現す、反射における総パワーは、最大１．７％である場合があり、これは、全体的なコントラストを極度に制限し得る。ポリカーボネート（ｎ＝１．５９）では、この反射ははるかに大きい場合がある。

【0062】

本発明の例示的な構造では、（類似している）位相子層間の界面が、屈折率整合接着剤または溶剤接着により、除去される。さらに、高屈折率接着剤（たとえば、ウレタンまたはウレタンアクリレート）が、ガラス対位相子、偏光子対位相子（ＴＡＣ対ＣＯＰ）、および位相子対ガラスなどの異なる基板を事実上整合させ得る。あるいは、化学的グラフト化が、異なる基板を接合するために、ＴＡＣへのＰＶＡの取り付けのものと同様に、使用され得る。１つの課題には、ＲＭ Ｃプレートとの屈折率整合が関係する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】