複数の偏光回折格子配置を有する偏光無依存型液晶ディスプレイ装置及び関連装置
液晶装置は、第１の偏光回折格子１０１、第２の偏光回折格子１０２及び液晶層１０３を有する。第１の偏光回折格子１０１は、入射光１９０を偏光させかつ回折させて、入射光１９０に対して偏光及び伝播方向が異なる第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６にするように構成される。液晶層１０３は、第１の偏光回折格子１０１から第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６を受け取るように構成される。液晶層１０３は、内部を通過する第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６のそれぞれの偏光に実質的に影響を与えない第１の状態と、内部を通過する第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６のそれぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成される。第２の偏光回折格子１０２は、液晶層１０３からの第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６を検光しかつ回折させて、液晶層１０３の状態に応じてその種々の伝播方向を変更するように構成される。関連する装置についても述べる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイに関し、特に、液晶偏光回折格子及び関連する製造方法に関する。
【０００２】
政府支援の記述
本発明は、契約番号０６２１９０６の下で米国科学財団（National Science Foundation）（ＮＳＦ）による政府支援によってなされた。米国政府は本発明に対し一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
液晶は、分子の規則正しい配向が存在する流動体を含むことができる。通常、液晶（ＬＣ）分子は、異方性であり、細長い（棒状の）形状又は平坦な（円盤状の）形状を有することができる。異方性分子が規則正しく配向する結果、バルクＬＣは、その機械的特性、電気的特性、磁気的特性及び／又は光学的特性の異方性等、その物理的特性の異方性を呈することが多い。
【０００４】
棒状又は円盤状の性質である結果、ＬＣ分子の方位分布は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の光学的な用途において重要な役割を果たす可能性がある。これらの用途において、ＬＣ配向は、配向表面の影響を受ける場合がある。配向表面を、ＬＣが予測可能かつ制御可能に表面に対して配向するように処理することができる。多くの場合、配向表面は、単一ドメインがＬＣ装置の全体にわたることを確実にすることができる。配向表面が処理されていない場合、ＬＣには、多くのドメイン及び／又は多くの方位不連続性がある可能性がある。光学的な用途において、これらのドメイン及び不連続性は、光の散乱をもたらし、ディスプレイの性能を劣化させることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの液晶装置（液晶ディスプレイを含む）は、入力光を、正確に機能するために偏光させる必要のある場合がある。しかしながら、大部分の光源は非偏光光をもたらすため（たとえば、蛍光灯、発光ダイオード、超高性能ランプ、白熱灯）、液晶装置は、１つ又は複数の直線偏光子を使用して、光源からの非偏光光を所望の偏光状態の光に変換する場合がある。従来の直線偏光子は、所望の偏光状態の光を通過させることができるが、こうした直線偏光子はまた、他の偏光状態の光を吸収する可能性もある。したがって、光源からの利用可能な光の少なくとも５０％は、たとえば熱として喪失する可能性がある。したがって、液晶装置には、著しい光出力損失（たとえば５０％を上回る）がある可能性があり、そのため、必要以上に強力な光源が必要である場合がある。これは、たとえば電力消費、熱及び／又はコストに関する理由により望ましくない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のいくつかの実施の形態によれば、液晶装置が、第１の偏光回折格子と、液晶層と、第２の偏光回折格子とを備える。前記第１の偏光回折格子は、入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成されている。前記液晶層は、前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。前記第２の偏光回折格子は、前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更するように構成されている。
【０００７】
いくつかの実施の形態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するよう変更するように構成することができる。こうした実施の形態では、前記第１の偏光回折格子は第１の周期的複屈折パターンを有することができ、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的複屈折パターンに対して反転した第２の周期的複屈折パターンを有することができる。たとえば、前記第１の偏光回折格子は、第１の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む重合液晶層である、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的ネマチックダイレクタパターンに対して同じ周期性を有しかつ約１８０度全体的に回転している第２の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む、重合液晶層である。
【０００８】
他の実施の形態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するように変更するように構成することができる。こうした実施の形態では、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、周期性及び向きが同じであるそれぞれの第１の周期的複屈折パターン及び第２の周期的複屈折パターンを有することができる。たとえば、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、同様に向けられた局所的なネマチックダイレクタパターンを含む重合液晶層でありえる。
【０００９】
いくつかの実施の形態では、液晶装置は、前記第２の偏光回折格子から伝達される出力光を受け取るように構成された角度フィルタリングステージを有することができる。該角度フィルタリングステージを、所望の角度を上回る角度で伝播する前記出力光を阻止し、所望の角度を下回る角度で伝播する前記出力光を画面に向けるように構成することができる。たとえば、前記角度フィルタリングステージを、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播する前記出力光の通過を可能にするが、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播しない前記出力光を阻止するように構成することができる。いくつかの実施の形態では、前記角度フィルタリングステージは、少なくとも１つのレンズと開口絞りとを有することができる。他の実施の形態では、前記角度フィルタリングステージは、プライバシフィルムである。
【００１０】
他の実施の形態では、前記入射光は非偏光光であり、前記第１の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームが、それぞれ、可視波長範囲にわたり前記入射光の強度の約２５％を上回る強度を有するように、前記入射光を回折させるように構成することができる。さらに、前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームを回折させて、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視波長範囲にわたり、前記入射光の前記強度の約５０％を上回る強度を有する出力光を伝達するように構成することができる。いくつかの実施の形態では、前記第２の偏光回折格子は、約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長範囲にわたり、約９０％の透過率を有する出力光を伝達するように構成することができる。
【００１１】
いくつかの実施の形態では、液晶装置は、第３の偏光回折格子と、中間層と、オフセット補償器を画定する第４の偏光回折格子とを備えることができる。
【００１２】
前記第３の偏光回折格子は、前記第２の偏光からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成することができる。前記中間層は、前記第３の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、そのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成することができる。前記第４の偏光回折格子は、前記中間層からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更して、前記第２の偏光回折格子から出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームの方向に対して実質的に平行な方向に伝播するオフセット補償された出力光を提供するように構成することができる。前記中間層は、前記オフセット補償された出力光が、前記第２の偏光回折格子から出力された前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して空間オフセットが低減するように、前記第３の偏光回折格子及び前記第４の偏光回折格子を、前記第２の偏光と前記液晶層との間の距離と実質的に同様の距離だけ分離するように構成された厚さを有することができる。
【００１３】
本発明の他の実施の形態によれば、液晶は、偏光回折格子と、液晶層と、反射性基板とを備える。偏光回折格子は、入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成されている。液晶層は、前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されている。液晶層は、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。反射性基板は、前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取り、前記第１のビーム及び前記第２のビームを前記液晶層及び前記偏光回折格子を再び通るよう反射するように構成されている。前記偏光回折格子は、前記反射性基板からの前記反射された第１のビーム及び第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更し、出力光を提供するように構成されている。
【００１４】
いくつかの実施の形態では、前記偏光回折格子は第２の偏光回折格子であり、前記装置は、入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするにように構成された第１の偏光回折格子を備えることができる。前記装置は、前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子にその入力光として提供するように構成されたレンズを備えることができる。
【００１５】
他の実施の形態では、前記装置は、前記レンズから前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子上に反射してそこに入力光を提供するように構成された反射性開口絞りを備えることができる。前記反射性開口絞りは、前記第２の偏光回折格子から内部を通過する前記出力光を画面に向かって伝達するように構成することができる。
【００１６】
本発明のさらなる実施の形態によれば、前記装置は、入射光を受け取ると共に光を伝達するように構成された第１の偏光回折格子と、前記第１の偏光回折格子から前記光を受け取ると共に、そこから偏光の異なる第１の成分のビーム及び第２の成分のビームを含む出力光を伝達するように構成された第２の偏光回折格子とを具備する。前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子のうちの少なくとも一方は、内部を通過する前記光のそれぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記光の前記それぞれの偏光及び方向を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された切換可能な偏光回折格子である。
【００１７】
いくつかの実施の形態では、前記第１の偏光回折格子は、前記切換可能な偏光回折格子である。前記第１の状態では、前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を、そのそれぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成することができる。前記第２の状態では、前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成することができる。前記第２の偏光回折格子は、前記第２の偏光回折格子が前記第２の状態にあるとき、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された固定回折格子であり、前記第１の偏光回折格子が前記第１の状態にあるとき、前記入射光を偏光させかつ回折させて、偏光及び伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするように構成することができる。
【００１８】
他の実施の形態では、前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光及び伝播方向の異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された固定回折格子であり、前記第２の偏光回折格子は、切換可能な偏光回折格子である。前記第１の状態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、そのそれぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成することができる。前記第２の状態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を変更するように構成することができる。
【００１９】
いくつかの実施の形態では、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが互いに対して反転しているそれぞれの複屈折パターンを有することができる。他の実施の形態では、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが実質的に同様のそれぞれの複屈折パターンを有することができる。
【００２０】
いくつかの実施の形態による他の要素及び／又は装置は、以下の図面及び詳細な説明を検討することにより当業者には明らかとなろう。こうした追加の装置はすべて、本明細書に含められ、本発明の範囲内にあり、かつ添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を示すブロック図である。
【図１Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を示すブロック図である。
【図１Ｃ】図１Ａ及び図１Ｂの偏光回折格子の局所的なネマチックダイレクタ方位を示す代替の図である。
【図１Ｄ】図１Ａ及び図１Ｂの偏光回折格子の局所的なネマチックダイレクタ方位を示す代替の図である。
【図２Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を含む直視型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図２Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を有する直視型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による非テレセントリック構成の多重偏光回折格子配置及び反射性基板を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図３Ｃ】本発明のいくつかの実施の形態によるテレセントリック構成の多重偏光回折格子配置及び反射性基板を含む投射型液晶ディスプレイ装置を含むブロック図である。
【図４Ａ】本発明のさらなる実施の形態による多重偏光回折格子配置を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図４Ｂ】本発明のさらなる実施の形態による多重偏光回折格子配置を有する投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図５】本発明のまたさらなる実施の形態による多重偏光回折格子配置及びオフセット補償器を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図６】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置のシミュレーション空間例を示す図である。
【図７Ａ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｂ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｃ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｄ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｅ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｆ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｇ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｃ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｄ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｅ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｆ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図９Ａ】本発明のいくつかの実施の形態によるアクロマチック偏光回折格子を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａのアクロマチック偏光回折格子から出力される光を示す写真である。
【図１０Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による平行な偏光回折格子構成及び逆平行の偏光回折格子構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの両方の偏光回折格子構成に対する測定された透過率スペクトルを示すグラフである。
【図１０Ｃ】図１０Ａの逆平行の偏光回折格子配置に対する測定された消光比を示すグラフである。
【図１１Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による液晶ディスプレイ装置に対する透過率を示すグラフである。
【図１１Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による液晶ディスプレイ装置に対するコントラスト比を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明のいくつかの実施の形態によるプロトタイププロジェクターを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をさらに十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することが可能であり、本明細書に示す実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、この開示が、徹底的かつ完全となり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態を提供する。図面において、層及び領域の寸法及び相対的な大きさは、明瞭にするために誇張している場合がある。全体を通して、同様の番号は同様の要素を指している。
【００２３】
本明細書において、さまざまな要素、構成部品、領域、層及び／又は部分について述べるために、第１の、第２の、第３の等という用語を用いる場合があるが、これらの要素、構成部品、領域、層及び／又は部分は、これらの用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素、構成部品、領域、層又は部分を、別の領域、層又は部分から区別するためにのみ用いている。したがって、以下に説明する第１の要素、構成部品、領域、層又は部分を、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成部品、領域、層又は部分と呼ぶことができる。
【００２４】
本明細書では、「〜の真下に」、「〜の下方に」、「下方の」、「〜の下に」、「〜の上方に」、「上方の」等の空間的な関係を示す用語を、図に示すように、１つの要素又は特徴の別の要素（複数可）又は特徴（複数可）に対する関係を説明する記述を容易にするために用いる場合がある。空間的な関係を示す用語は、図に示す向きに加えて、使用時又は動作時における装置の種々の向きを含むことが意図されていることが理解されよう。例えば、図における装置が反転した場合、他の要素又は特徴の「下方に」、「真下に」、又は「下に」あると述べられている要素は、他の要素又は特徴の「上方に」向けられることになる。したがって、「〜の下方に」及び「〜の下に」という例示的な用語は、上方の向き及び下方の向きの両方を含むことができる。装置を、他のように向ける（９０度又は他の向きで回転させる）ことも可能であり、本明細書で使用する空間的な関係を示す記述子も、それに従って解釈することができる。さらに。ある層が２つの層の「間」にあると言及されているとき、この層を、これらの２つの層の間の唯一の層とすることができ、又は１つ若しくは複数の介在層が存在してもよいことも理解されよう。
【００２５】
本明細書で使用する専門用語は、単に特定の実施形態を説明することを目的とし、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する単数形の「１つの（a、an）」及び「その（the）」は、文脈に特に明示されていない限り、同様に複数形を含むことが意図されている。「備える（comprise）」及び／又は「備えている（comprising）」という用語は、本明細書で使用する場合、述べられている特徴、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことがさらに理解されよう。本明細書で使用するとき、「及び／又は」という用語は、関連して列挙されている項目のうちの１つ又は複数のありとあらゆる組合せを含む。
【００２６】
ある要素又は層は、別の要素又は層の「上に位置している」、別の要素又は層に「接続されている」、「結合されている」、又は「隣接している」と言及されている場合、他の要素若しくは層の上に直接位置し、他の要素又は層に直接接続され、結合され若しくは隣接されていてもよく、又は介在する要素若しくは層が存在していてもよいことが理解されよう。対照的に、ある要素が、別の要素又は層の「上に直接位置している」、別の要素又は層に「直接接続されている」、「直接結合されている」又は「直接隣接している」と言及されている場合、介在する要素又は層は存在しない。同様に、１つの要素「から」光が受け取られるか又は提供される場合、それが、その要素から直接又は介在する要素から受け取られるか又は提供されることが可能である。一方、光が１つの要素「から直接」受け取られるか又は提供される場合、介在する要素は存在しない。
【００２７】
本明細書では、本発明の理想的な実施形態（及び中間的な構造）の概略図である断面図を参照して、本発明の実施形態を説明する。したがって、たとえば製造技法及び／又は許容誤差の結果として、図面の形状との違いがあることが予測される。したがって、本発明の実施形態は、本明細書に示す領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば製造によって生じる形状の寸法誤差を含むものとする。したがって、図に示す領域は、本質的に概略図であり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すことを意図しておらず、本発明の範囲を限定するように意図されていない。
【００２８】
特に定義しない限り、本明細書で使用する（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有している。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術及び／又は本明細書の文脈におけるそれらの意味と一致している意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書において明示的に定義しない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味に解釈されないことがさらに理解されよう。
【００２９】
当業者には、本明細書で用いる「透過性」又は「透明」基板が、入射光の少なくとも一部を通過させるものであることが理解されよう。したがって、透明基板は、いくつかの実施形態ではガラス基板であってもよい。対照的に、本明細書で述べる「反射性」基板は、入射光の少なくとも一部を反射するものとする。また、「重合性液晶」は、重合可能な比較的低分子量の液晶材料を指すものとし、本明細書では「反応性メソゲン」と述べる場合もある。対照的に、「非反応性液晶」は、重合され得ない比較的低分子量の液晶材料を指すものとする。
【００３０】
本明細書では、本発明の実施形態を、液晶（ＬＣ）材料及びそれらの材料から構成される偏光回折格子に関連して説明する。本明細書で用いるとき、液晶は、ネマチック相、キラルネマチック相、スメクチック相、強磁性相及び／又は別の相を有することができる。さらに、本明細書で述べる偏光回折格子をもたらす配向層として、多数の光重合性ポリマーを用いることができる。これらの材料は、光重合性に加えて、ＬＣに対して不活性であることが可能であり、ＬＣ装置の動作温度の範囲（例えば、約−５０℃から約１００℃）にわたって安定した配向をもたらすべきあり、かつ本明細書で述べる製造方法に適合するべきである。光重合性ポリマーのいくつかの例には、ポリイミド（例えば、JSR Micro, Inc（カルフォニア州、サニーベール（Sunnyvale, Calif.））から市販されているＡＬ１２５４）、Brewer Science, Inc.（ミズーリ州、ローラ（Rolla, Mo.））から販売されているＮｉｓｓａｎ ＲＮ−１１９９、及びケイ皮酸エステル（例えば、Ｍ．シャット（M. Schadt）他により、「線形重合化されたフォトポリマーによる液晶の表面誘起並行配向（Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymer）」（Jpn. J. Appl. Phys., Vol.31(1992), pp. 2155-2164）に記載されているポリビニル４−メトキシ−ケイ皮酸エステル）が含まれる。光重合性ポリマーの別の例は、Vantico Inc.（カルフォルニア州、ロサンゼルス（Los Angeles, Calif.））から市販されているＳｔａｒａｌｉｇｎ．ＴＭ．である。さらなる例には、ドン・フン・チェ（Dong Hoon Choi）及び共同作業者により、「直接偏光されたＵＶの照射による、光化学的に二機能性のカルコン−エポキシ膜に対する低分子質量ネマティック液晶の光配向（Photo-alignment of Low-molecular Mass Nematic Liquid Crystals on Photochemically Bifunctional Chalocone-epoxy Film by Irradiation of a Linearly Polarized UV）」（Bull. Korean Chem. Soc., Vol. 23, No. 4587 (2002)）において開示されているもの等のカルコン−エポキシ材料、及びＭ．リー（M. Ree）及び共同作業者により、「感光性ポリマーの薄膜に対する液晶の配向挙動−−光反応基及びＵＶ暴露の効果（Alignment behavior of liquid-crystals on thin films of photosensitive polymers--Effects of photoreactive group and UV-exposure）」（Synth. Met., Vol. 117 (1-3), pp. 273-5 (2001)）において開示されているもの等のクマリン側鎖ポリイミドが含まれる（これらの材料では、ＬＣは、偏光の方向に対して略直交して配向する）。また、液晶配向の方法のさらなる例は、クローフォード（Crawford）他に対する米国特許第７，１９６，７５８号において検討されている。さらに、本明細書で述べるいくつかの構造は、スピンコーティングプロセスと液晶材料とのバランスによる精緻な作製法を含むことができる。本発明のいくつかの実施形態と共に用いられるさらなる構造及び／又は方法は、エスクーティ（Escuti）他に対する国際公開第２００６／０９２７５８号において検討されており、その開示内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子は、内部を通過する光の局所偏光状態及び伝播方向を周期的に変更する透明な薄膜ビームスプリッタである。対照的に、従来の直線偏光子は、入射光を単一偏光状態に変換し、その偏光状態の光が内部を通過するのを可能にするが、他の偏光状態の光は吸収することによって動作する可能性がある。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子は、空間的に可変の一軸性複屈折を有することができ（すなわち、ｎ（ｘ）＝［ｃｏｓ（πｘ／Λ），ｓｉｎ（πｘ／Λ），０］）、かつ最大１００％の非ゼロ次の回折効率を提供することができる。本明細書で用いる「ゼロ次」光は、入射光の方向に対して実質的に平行な方向に、すなわち入射角と実質的に同様の角度で伝播し、本明細書では「軸上」光とも呼ぶ。たとえば、以下に詳細に説明する実施形態のいくつかでは、入射光は、第１の偏光回折格子に対して垂直であり、したがって、これらの実施形態では、「ゼロ次」又は「軸上」光もまた、第１の偏光回折格子に対して実質的に垂直に伝播する。対照的に、「一次」光及び／又は「二次」光等の「非ゼロ次光」は、入射光に対して平行でない方向に伝播する。特に、二次光は、入射角に対して一次光より大きい角度で伝播する。したがって、一次光及び二次光を、本明細書ではまとめて「軸外」光と呼ぶ。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態は、２つの平行な偏光回折格子の連続した配置を使用して、入射光を著しい損失なしに回折させて２つのゼロ次ビームとすることができ、一方で２つの逆平行の偏光回折格子の連続した配置を使用して、入射光を著しい損失なしに回折させて２つの非ゼロ次ビームとすることができる、という理解から発生している。本明細書で使用するとき、「平行な」偏光回折格子配置は、複屈折ｎ（ｘ）が同じである第１の偏光回折格子及び第２の偏光回折格子を含み、すなわち、第１の偏光格子及び第２の偏光格子のそれぞれの複屈折パターンは、実質的に同じ向きを有している。対照的に、「逆平行の」偏光回折格子配置は、複屈折が反対である、すなわちｎ（ｘ）及びｎ（−ｘ）である第１の偏光回折格子及び第２の偏光回折格子を含む。言い換えれば、第２の偏光回折格子は、第１の偏光回折格子の複屈折パターンに対して反転又は約１８０度回転した複屈折パターンを有している。
【００３４】
したがって、本発明のいくつかの実施形態は、液晶（ＬＣ）層に対して位置決めされた２つ以上の偏光回折格子を含む偏光回折格子配置を提供する。この配置を使用して、偏光に関連する実質的な損失なしに、非偏光光及び／又は任意の偏光の光と直接動作する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置を提供することができる。より詳細には、第１の偏光回折格子及び第２の偏光回折格子を、それぞれ液晶層の入力及び出力に位置決めすることができる。こうした配置では、第２の偏光回折格子を、本明細書では概して「検光子」と呼び、したがって、それは、第１の偏光回折格子及び／又は液晶層から受け取る偏光光を「検光する」（すなわち偏光させる）。液晶層は、内部を通過する光の偏光に実質的に影響を与えない第１の状態と、内部を通過する光の偏光を「反転させる」（すなわち、光をその反対の又は直交する偏光に変換する）第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。たとえば、液晶層は、比較的高精度にかつ比較的広い帯域幅で、印可される電圧に応じてゼロと半波長遅延との間で電気的に切り換えることができる、切換可能な複屈折液晶層である。液晶層は、モノリシックであってもよく、又は複数のピクセルを含むピクセルアレイを画定してもよい。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子を用いて、著しい損失なしに入射光を回折させて２つのビームにすることができるため、第１の偏光回折格子を使用して、ＬＣ層に入力するために入射光を回折させて２つの非ゼロ次ビームにする（最大５０％効率で各ビームにする）ことができ、第２の偏光回折格子を使用して、ＬＣ層から出力される２つのビームを元の入射角に戻すように回折させて、ＬＣ層の状態に応じて表示スクリーンにゼロ次出力光を提供することができる。本発明のいくつかの実施形態は、本明細書で述べるように角度フィルタリング手段及び結像手段と組み合わせると、従来のＬＣＤ装置と比較して輝度が向上し（たとえば従来のＬＣＤ装置の輝度の２倍）かつ高コントラストな（最大５０００：１）ＬＣＤ装置を提供することができる。本発明の実施形態を、投射型ＬＣＤ装置（前方又は後方、反射型又は透過型）及び／又は直視型ＬＣＤ装置で使用することができる。
【００３６】
本明細書で使用するとき、回折格子配置の「透過率」は、出力光の強度を入力光の強度で割った値を指すものとし、したがって、回折格子層に他のすべての層又は基板を足した効果を含む。対照的に、本明細書で使用するとき、「回折効率」は、特定の回折次数の出力強度を透過した総光強度で割った値を指すものとし、それを正規化として使用して、基板及び／又は他の層の影響を除去することができる。
【００３７】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による多重偏光回折格子配置を示す。特に、図１Ａは、液晶層に電圧が印可されていない第１の状態にある二重偏光回折格子配置を示し、図１Ｂは、液晶層に電圧が印可されている第２の状態にある二重偏光回折格子配置を示す。ここで図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、二重偏光回折格子配置は、ガラス基板１１０及び１１５として示す透過性基板の間に設けられている、第１の偏光回折格子１０１と、液晶層１０３と、第２の偏光回折格子１０２とを含む。基板１１０及び／又は１１５は、たとえば透明な酸化インジウム錫（ＩＴＯ）コーティングによって提供されるように、その表面に１つ又は複数の電極（図示せず）を含んでもよい。偏光回折格子１０１及び１０２は、上にそれぞれの配向層１０７及び１０８を含み、液晶層１０３は、配向層１０７及び１０８によって提供される周期的な配向状態に従って偏光回折格子１０１と偏光回折格子１０２との間のセルギャップで配向される。液晶層１０３は、印可される電圧に応じて第１の方位と第２の方位との間で切り換えられるように構成されている液晶分子を有している。
【００３８】
偏光回折格子１０１及び１０２は、いかなる偏向状態も実質的に吸収することなく、入射光を偏光させかつ回折させて、偏光状態及び／又は伝播方向の異なる少なくとも２つのビームにするように構成されている。本発明のいくつかの実施形態で使用することができる偏光回折格子は、たとえば、エスクーティ（Escuti）他に対する、２００８年４月１６日に出願された「多層アクロマチック液晶偏光回折格子及び関連する製造方法（Multi-Layer Achromatic Liquid Crystal Polarization Gratings and Related Fabrication Methods）」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８９７号、及び／又はエスクーティ他に対する、２００８年４月１６日に出願された「低ねじれキラル液晶偏光回折格子及び関連する製造方法（Low-Twist Chiral Liquid Crystal Polarization Gratings and Related Fabrication Methods）」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８８８号に記載されており、それらの開示は参照によりその全体が述べられたかのように本明細書に援用される。
【００３９】
偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、少なくとも３つの回折次数（０、±１）、非ゼロ次数の直交円偏光、及び／又は非常に偏光感受型の非ゼロ次数（ストークスパラメータに対して線形に比例する可能性がある）等の回折特性を提供することができる。たとえば、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、回折効率が約５０％を上回り、いくつかの実施形態では約９０％を上回るよう入射光を回折させるように構成された複屈折パターンを有する異方性の周期的分子構造を含む重合液晶フィルムである。特に、入射円偏光では、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、非ゼロ次光に最大約１００％の効率を提供することができる。直線入射偏光又は非偏光入射光では、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、一次光のそれぞれに最大約５０％の効率を提供することができる。いくつかの実施形態では、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、複数の偏光回折格子層を有することができ、それらは、それぞれの周期的な局所異方性パターンが、間に位相シフトを画定するように互いに対して角度をなしかつ／又はそのそれぞれの厚さにわたってねじれ角だけ回転し（又は「ねじれ」）ている。また、偏光回折格子層のうちの１つ又は複数は、切換可能な液晶偏光回折格子を提供するように、ネマチック液晶層である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、偏光回折格子１０１及び１０２は、タイプ、厚さ、周期性及び／又は分子方位が同一であってもよい。たとえば、偏光回折格子１０１及び１０２は、それらの局所複屈折パターンが同じ向き、すなわち「平行な」配置を有するような周期的分子構造を有することができる。他の実施形態では、偏光回折格子１０１及び１０２の周期的分子構造は、それぞれの局所複屈折パターンが「逆平行」配置で反対に向けられて（すなわち、約１８０度回転）いてもよい。
【００４１】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、偏光回折格子１０１及び１０２は、逆平行配置を有する重合液晶層である。図１Ｃ及び図１Ｄは、偏光回折格子１０１及び１０２のネマチックダイレクタ方位をより詳細に示す代替図を提供する。特に、図１Ｃは、偏光回折格子１０１のネマチックダイレクタ方位１０１’を示し、図１Ｄは、偏光回折格子１０２の反対のネマチックダイレクタ方位１０２’を示している。しかしながら、他の実施形態では、偏光回折格子１０１及び１０２の分子構造は平行であってもよく、かつ同じ周期性を有していてもよいが、それらの局所異方性パターンが、約０度から約１８０度の間の角度シフト又は位相シフトによって互いに対してシフトするように角度をなしていてもよい。
【００４２】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、液晶層１０３は、ＬＣ分子がホメオトロピック配向を有する垂直配向ネマチック（vertically aligned nematic）（ＶＡＮ）型層である。したがって、液晶層１０３に電圧が印可されていないとき、図１Ａに示すように、ＬＣ分子は、偏光回折格子１０１及び１０２の隣接する面に対して垂直に配向される。このように配向された場合（本明細書では「ＯＦＦ」状態とも呼ぶ）、液晶層１０３は、その偏光状態に実質的に影響を与えることなく（すなわち、実質的にゼロ遅延で）光が内部を通過することを可能にすることができるように構成される。対照的に、図１Ｂに示すように、液晶層１０３にスイッチング電圧が印可されると、ＬＣ分子は、偏光回折格子１０１及び１０２の面に対して実質的に平行に配向される。図１Ｂに示すように配向された場合（本明細書では「ＯＮ」状態とも呼ぶ）、液晶層１０３は、内部を通過する光の偏光状態を変更するように構成される。いくつかの実施形態では、液晶層１０３は、厚さが、内部を通過する光の半波長遅延を提供するように構成されていてもよい。しかしながら、他の厚さ及び／又は位相シフトの液晶層を使用してもよい。
【００４３】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による二重偏光回折格子配置の動作例について、図１ＡのＯＦＦ状態及び図１ＢのＯＮ状態に関して説明する。ここで図１Ａを参照すると、第１の偏光回折格子１０１は、入力又は入射光１９０を偏光させて、偏光の異なる第１の成分のビーム１９５及び第２の成分のビーム１９６にするように構成されている。いくつかの実施形態では、入射光１９０は非偏光であってもよく、他の実施形態では偏光していてもよい。いくつかの実施形態では、第１のビーム１９５の偏光は、第２のビーム１９６の偏光に対して直交していてもよい。たとえば、第１のビーム１９５は左円偏光であってもよく、一方で第２のビーム１９６は右円偏光であってもよい。第１の偏光回折格子１０１はまた、第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６が入射光１９０と異なる伝播方向を有するように、入射光１９０を回折させるように構成されている。言い換えれば、ビーム１９５及び１９６は、入射光１０９の入射角に対して異なる回折角で伝播する。たとえば、入射光１９０を最大約５０％効率で回折させて、回折角が約±５℃から約±３０度の範囲、いくつかの実施形態では約±２０度である一次ビーム１９５及び１９６のそれぞれにすることができる。
【００４４】
図１Ａに示すように、ＯＦＦ状態では、液晶層１０３に電圧が印可されない。したがって、液晶層１０３の分子方位１０３ａは、第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６が、第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６のそれぞれの偏光に実質的に影響を与えることなく内部を透過するように構成されている。第２の偏光回折格子１０２も同様に、液晶層１０３から受け取られる第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６を検光しかつ回折させるように構成されている。第２の偏光回折格子１０２は、第１の偏光回折格子１０１に対して逆平行であるため、ＬＣ層１０３がＯＦＦ状態であるとき、第２の偏光回折格子１０２は、左円偏光ビーム１９５及び右円偏光ビーム１９６の偏光をそれぞれ右円偏光ビーム及び左円偏光ビームに変化させ、ビーム１９５及び１９６のそれぞれの伝播方向を変更して、入射光１９０の伝播方向から離れる方向に（すなわち入射角から離れる方向に）さらに回折する出力光１９９ａを透過させる。より全体的には、第２の偏光回折格子１０２は、ビーム１９５及び１９６を、液晶層１０３から出力されている後のそれらのそれぞれの偏光に基づいて異なる方向又は角度になるように回折させるように構成されている。この「一次」出力光１９９ａは、入射光１９０と実質的に同じ強度を有することができるが、後により詳細に説明するように、コントラストを向上させるために、表示スクリーンまで伝達されないように阻止しかつ／又は他の方法で防止することができる。
【００４５】
ここで図１Ｂを参照すると、第１の偏光回折格子１０１は、同様に、入射光１９０を偏光させかつ回折させて、入射光１９０に対して偏光及び伝播方向の異なる第１の成分のビーム１９５及び第２の成分のビーム１９６にするように構成されている。たとえば、上述したように、第１のビーム１９５は左円偏光であってもよく、第２のビーム１９６は右円偏光であってもよい。しかしながら、液晶層１０３にスイッチング電圧が印可されると、液晶層１０３の分子方位１０３ｂは、内部を通過する第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６のそれぞれの偏光を変更するように構成されている。上記例では、ＯＮ状態にある液晶層１０３は、左円偏光ビーム１９５及び右円偏光ビーム１９６の偏光を半波長（すなわち１８０度）遅延させることにより、右円偏光ビーム１９５’及び左円偏光ビーム１９６’を提供することができる。第２の偏光回折格子１０２は、液晶層１０３から受け取られるビーム１９５’及び１９６’を検光しかつ回折させるように構成されている。しかしながら、ビーム１９５’及び１９６’が、図１Ａにおける液晶層１０３から出力されるものとは反対の円偏光を有するため、第１の偏光回折格子１０１、１０２に対して逆平行である第２の偏光回折格子は、ビーム１９５’及び１９６’のそれぞれの伝播方向を変更して、入射光１９０の伝播方向に向かって回折する出力光１９９ｂを透過させるように構成されている。特に、図１Ｂに示すように、第２の偏光回折格子１０２は、液晶層１０３がＯＮ状態にあるとき、出力光１９９ｂが入射光１９０の方向に対して実質的に平行な（すなわち、入射角から向かう）方向に伝播するように、ビーム１９５’及び１９６’を平行に向け直す。偏光回折格子１０２は、最大１００％の効率で、入射する円偏光ビーム１９５’及び１９６’を回折させることができる。したがって、「ゼロ次」出力光１９９ｂは、いくつかの実施形態では、入射光１９０と実質的に同様の強度を有することができ、それにより、後に詳細に説明するように、出力光１９９ｂを著しい偏光関連の損失なしに表示スクリーンまで伝達することができ、輝度を向上させることができる。
【００４６】
垂直配向ネマチック（ＶＡＮ）液晶層１０３に関して上述したが、液晶層１０３を提供するために他のタイプの液晶材料を使用してもよいことが理解されるべきである。たとえば、いくつかの実施形態では、液晶層１０３として、電圧が印可されていないときにＬＣ分子が偏光回折格子１０１及び１０２の表面に対して平行に均質に配向される、均一な平面液晶層を用いてもよい。他の液晶材料を使用してもよい。こうした材料は、本技術分野において既知であり、本明細書においてさらに説明する必要はない。また、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、偏光回折格子１０１及び１０２並びに液晶層１０３が透過性基板１１０及び１１５の間に設けられる配置に関して図示しているが、たとえば図２Ａ〜図４Ｃにおいて後述するように、いくつかの実施形態では、透過性基板１１０及び１１５並びに液晶層１０３を偏光回折格子１０１及び１０２の間に設けてもよいことが理解されるべきである。
【００４７】
図２Ａ及び図２Ｂは、直視型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置に実装する本発明のいくつかの実施形態による多重偏光回折格子配置を示す。特に、図２Ａは、逆平行配置で実装されている偏光回折格子２０１ａ及び２０２ｂ（すなわち、そのネマチックダイレクタパターンが反対の旋光性を有する）を含むＬＣＤ装置２００ａを示し、図２Ｂは、平行配置で実装される偏光回折格子２０１ｂ及び２０２ｂ（すなわち、そのネマチックダイレクタパターンが同じ旋光性を有する）を含むＬＣＤ装置２００ｂを示している。ＬＣＤ装置２００ａ及び２００ｂは、それぞれ、光源２０５と、上に配向層２０７及び２０８を有する透過性基板２１０及び２１５と、透過性基板２１０と透過性基板２１５との間にありかつ配向層２０７及び２０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層２０３とを有している。図２Ａ及び図２Ｂは、液晶層２０３を、例として２つのピクセルを含むように示すが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層２０３は、それより少ないか又は多いピクセルを有していてもよい。ＬＣＤ装置２００ａ及び２００ｂは、マイクロレンズ２２５及び２２６並びにピンホール開口２２０を含む角度フィルタリングステージ２２７と、表示スクリーン２３０とをさらに含んでいる。光源２０５には、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースのランプ、バックライト及び／又は非偏光光２９０を放出するように構成された他の光源が含まれ得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、光源２０５を、偏光光を放出するように構成してもよいことが理解されるべきである。角度フィルタリングステージ２２７は、入射光２９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光が、表示スクリーン２３０に結像するのを可能にするが、入射光２９０に対して平行に伝播していない出力光を阻止するように構成されている。
【００４８】
ここで、ＬＣＤ装置２００ａ及び２００ｂの動作例について説明する。ここで図２Ａの逆平行偏光回折格子配置を参照すると、光源２０５からの非偏光入射光２９０は、第１の偏光回折格子２０１ａに入り、偏光しかつ回折して、異なる非ゼロ次伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム２９５ａ（左円偏波）及び２９６ａ（右円偏光）になる。偏光回折格子２０１ａの回折効率に応じて、ビーム２９５ａ及び２９６ａは、各次数において略５０％、可視光の全波長（たとえば約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）を含むことができる。両ビーム２９５ａ及び２９６ａは、ＯＦＦ状態である第１のピクセル２０４及びＯＮ状態である第２のピクセル２０６を含むように示すＬＣ層２０３を通過する。ＯＦＦピクセル２０４を通過しているビーム２９５ａ及び２９６ａは、それらのそれぞれの偏光は変化せず、その後、第２の偏光回折格子２０２ａにより検光されかつ回折して、非偏光入力光２９０の入射角に対してより大きい角度の出力光２９９ａになる。そして、この軸外出力光２９９ａは、表示スクリーン２３０に達しないように角度フィルタリングステージ２２７によって阻止される。したがって、「暗い」ピクセル２３２（入力光２９０の０％程度を表わす）が見る人に提示される。
【００４９】
対照的に、ＯＮピクセル２０６を通過しているビーム２９５ａ及び２９６ａは、半波長遅延し、共に、それぞれ反対の円偏波２９５ａ’（右円偏波）及び２９６ａ’（左円偏波）に変換される。そして、ビーム２９５ａ’及び２９６ａ’は、第２の偏光回折格子２０２ａにより検光されかつ回折して、入力光２９０の元の入射角と実質的に同様の角度の出力光２９９ｂになる。この軸上光２９９ｂは、角度フィルタリングステージ２７７を介して表示スクリーン２３０に提供される。したがって、「明るい」ピクセル２３４（入射光２９０の強度／輝度の最大１００％を表わす）が見る人に提示される。
【００５０】
ここで、図２Ｂの平行な偏光回折格子配置を参照すると、光源２０５からの非偏光入力光２９０は、第１の偏光回折格子２０１ｂにより同様に偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム２９５ｂ（左円偏光）及び２９６ｂ（右円偏光）になる。液晶層２０３のＯＦＦピクセル２０４を通過しているビーム２９５ｂ及び２９６ｂは、それらのそれぞれの偏光は変化せず、一方でＯＮピクセル２０６を通過しているビーム２９５ｂ及び２９６ｂは、半波長遅延して、それぞれ反対の円偏光２９５ｂ’（右円偏光）及び２９６ｂ’（左円偏光）を提供する。したがって、ビーム２９５ｂ’及び２９６ｂ’は、偏光が変化するため、第２の偏光回折格子２０２ｂにより検光されかつ回折して軸外出力光２９９ａを伝達し、この軸外出力光２９９ａは角度フィルタリングステージ２２７によって阻止される。対照的に、ビーム２９５ｂ及び２９６ｂは、第２の偏光回折格子２０２ｂによって検光されかつ回折して軸上出力光２９９ｂを伝達し、この軸上出力光２９９ｂは、角度フィルタリングステージ２２７を介して表示スクリーン２３０に提供される。したがって、図２Ｂの実施形態では、ＯＦＦピクセル２０４は明るいピクセル２３４を提供し、ＯＮピクセル２０６は暗いピクセル２３２を提供する。
【００５１】
したがって、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述した本発明のいくつかの実施形態は、従来のＬＣＤ装置の輝度の２倍である直視型ＬＣＤ装置を提供することができる。いくつかの実施形態では、偏光回折格子２０１及び２０２は、赤色光、緑色光及び青色光を含む広い波長範囲に対して比較的高いコントラストを達成するように使用されるアクロマチック偏光回折格子である。さらに、本発明のいくつかの実施形態では、視角を拡大するためにディフューザ（図示せず）を含めることができる。同様に、いくつかの実施形態では、角度フィルタリングステージ２２７として、軸外光を阻止し軸上光を通過させるプライバシフィルム（３Ｍ（登録商標）社製のもの等）を使用してもよい。
【００５２】
図３Ａ〜図３Ｃは、液晶マイクロディスプレイを含む投射型システムに実装される本発明のいくつかの実施形態による多重偏光回折格子を示す。特に、図３Ａは、透過モードの投射型ＬＣＤ装置３００ａを示し、図３Ｂ及び図３Ｃは、反射モードの投射型ＬＣＤ装置３００ｂ及び３００ｃを示す。ＬＣＤ装置３００ａ〜３００ｃは、それぞれ、第１の偏光回折格子３０１及び第２の偏光回折格子３０２と、上に配向層３０７及び３０８を含む基板３０５ａ／３０５ｂ／３０５ｃ及び３１５と、基板３０５ａ／３０５ｂ／３０５ｃと基板３１５との間にありかつ配向層３０７及び３０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層３０３とを有している。偏光回折格子３０１及び３０２は、偏光回折格子３０１の複屈折パターンが偏光回折格子３０２の複屈折パターンに対して反転している（すなわち、約１８０度回転している）逆平行配置を有している。液晶層３０３は、例として２つのピクセルを含むように示すピクセルアレイを画定しているが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層３０３は、それより少ないか又は多いピクセルを有していてもよい。ＬＣＤ装置３００ａ〜３００ｃは、投影レンズ３２５及び３２６並びに開口絞り３２０を含む角度フィルタリングステージ３２７と、表示スクリーン３３０とをさらに有している。角度フィルタリングステージ３２７は、入力／入射光３９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光（すなわちゼロ次光）が表示スクリーン３３０に結像するのを可能にするが、入射光３９０に対して平行な方向に伝播していない出力光（すなわち、一次光及び／又は二次光）を阻止するように構成されている。
【００５３】
ここで、ＬＣＤ装置３００ａ〜３００ｃの動作例について説明する。ここで図３Ａを参照すると、非偏光入射光３９０は、第１の偏光回折格子３０１に入り、偏光し回折して、異なる非ゼロ次伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム３９５ａ（左円偏光）及び３９６ａ（右円偏光）になる。偏光回折格子３０１の回折効率により、ビーム３９５ａ及び３９６ａは、各次数において略５０％、可視光のすべての波長を含むことができる。両ビーム３９５ａ及び３９６ａは、透過性基板３０５ａと、ＯＦＦ状態である第１のピクセル３０４とＯＮ状態である第２のピクセル３０６とを含むように示すＬＣ層３０３とを通過する。ＯＦＦピクセル３０４を通過しているビーム３９５ａ及び３９６ａは、それらのそれぞれの偏光は変化せず、透過性基板３１５を透過し、その後、第２の偏光回折格子３０２によって検光されかつ回折して、非偏光入力光３９０の入射角に対してより大きい角度の出力光３９９ａになる。そして、この軸外出力光３９９ａは、角度フィルタリングステージ３２７によって阻止され、それにより、光３９９ａは表示スクリーン３３０に達しない。したがって、入力光３９０の０％程度を表わす「暗い」ピクセル３３２が、見る人に見える。
【００５４】
対照的に、さらに図３Ａを参照すると、ＯＮピクセル３０６を通過しているビーム３９５ａ及び３９６ａは、半波長遅延し、共に、それぞれ反対の円偏波３９５ａ’（右円偏波）及び３９６ａ’（左円偏波）に変換される。そして、ビーム３９５ａ’及び３９６ａ’は、第２の偏光回折格子３０２によって回折して、入力光３９０の元の入射角と実質的に同様の角度の出力光３９９ｂになる。この軸上（すなわちゼロ次）光３９９ｂは、角度フィルタリングステージ３２７によって通過が可能となり、表示スクリーン３３０に投射され結像する。したがって、入力光３９０の強度／輝度の最大１００％を表わす「明るい」ピクセル３３４が見る人に提示される。したがって、ＯＮピクセル３０６からの光３９９ｂの略すべてがスクリーン３３０に提供されるが、ＯＦＦピクセル３０４からの光３９９ｂのほとんどすべてがスクリーン３３０に提供されない。したがって、ＬＣ層３０３が、複数のピクセルを含むピクセルアレイを画定するとき、図３Ａのプロジェクター型ＬＣＤ装置３００ａを使用して、実行可能な画像を投射することができる。
【００５５】
図３Ｂは、図３Ａの透過性基板３０５ａの代りに反射性基板３０５ｂを含む、非テレセントリック投射型ＬＣＤ装置３００ｂを示す。ここで図３Ｂを参照すると、非偏光入射光３９０は同様に、偏光回折格子３０２によって偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム３９５ｂ（左円偏波）及び３９６ｂ（右円偏波）になる。入射光３９０は、いくつかの実施形態では、回折方向に比較して面外であってもよい。両ビーム３９５ｂ及び３９６ｂは、透過性基板３１５及びＬＣ層３０３を通過する。液晶層３０３のＯＦＦピクセル３０４を通過しているビーム３９５ｂ及び３９６ｂは、それぞれの偏光が変化しないが、反射性基板３０５ｂによって反射されて、反対の偏光になり再びＬＣ層３０３を通り偏光回折格子３０２に向かい、偏光回折格子３０２は、ビーム３９５ｂ及び３９６ｂを検光しかつ回折させて軸上出力光３９９ｂを提供する。軸上出力光３９９ｂは、角度フィルタリングステージ３２７によって通過が可能となり、表示スクリーン３３０に投射されかつ結像して、見る人に明るいピクセル３３４を提示する。
【００５６】
さらに図３Ｂを参照すると、ＯＮピクセル３０６を通過しているビーム３９５ｂ及び３９６ｂは、半波長遅延して反対の円偏波のビームを提供し、それらは、反射性基板３０５ｂによって反射されて、戻ってＬＣ層３０３を通り偏光回折格子３０２に向かう。より詳細には、図３ＢのＬＣ層は、厚さが、図３ＡのＬＣ層の厚さの約半分であってもよく、したがって、反射性基板３０５ｂによる反射の前及び後の両方でビーム３９５ｂ及び３９６ｂの１／４波長遅延を提供することができる。偏光回折格子３０２は、ビーム３９５ｂ及び３９６ｂを検光しかつ回折させて軸外出力光３９９ａを提供し、それは角度フィルタリングステージ３２７によって阻止され、それにより、光３９９ａは表示スクリーン３３０に達することなく、暗いピクセル３３２が見る人に提示される。
【００５７】
図３Ｃは、図３Ａの透過性基板３０５ａの代りに反射性基板３０５ｃを含むテレセントリック投射型ＬＣＤ装置３００ｃを示す。ここで図３Ｃを参照すると、非偏光入射光３９０は、同様に第１の偏光回折格子３０１によって偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム３９５ｃ（左円偏光）及び３９６ｃ（右円偏光）になる。そして、ビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、レンズ３２９ａにより反射性開口絞り３４５に向けられ、反射性開口絞り３４５は、ビームを反対の偏光になるようにかつレンズ３２９ｂを通り第２の偏光回折格子３０２に向かうように反射する。第２の偏光回折格子３０２は、反射性開口絞り３４５によって反射されるビーム３９５ｃ及び３９６ｃを検光しかつ回折させ、両ビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、透過性基板３１５及びＬＣ層３０３を通過する。液晶層３０３のＯＦＦピクセル３０４を通過しているビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、それぞれの偏光が変化しないが、反射性基板３０５ｃによって反射されて、反対の偏光になり、再びＬＣ層３０３を通り第２の偏光回折格子３０２に向かい、第２の偏光回折格子３０２は、この場合もまた、ビーム３９５ｃ及び３９６ｃを検光しかつ回折させて軸外出力光３９９ａを提供する。軸外出力光３９９ａは、反射性開口絞り３４５によって阻止され、光３９９ａは表示スクリーン３３０に達することなく、暗いピクセル３３２が見る人に提示される。
【００５８】
さらに図３Ｃを参照すると、ＯＮピクセル３０６を通過しているビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、半偏波遅延して反対の円偏波のビームを提供し、それは、反射性基板３０５ｂによって反射されて、再びＬＣ層３０３を通り第２の偏光回折格子３０２に向かう。より詳細には、ＬＣ層３０３は、反射性基板３０５ｃによる反射の前及び後の両方でビーム３９５ｃ及び３９６ｃの１／４波長遅延を提供する。第２の偏光回折格子３０２は、この場合もまた、ビーム３９５ｃ及び３９６ｃを検光しかつ回折させて、軸上出力光３９９ｂを提供し、それは反射性開口絞り３４５によって通過が可能となり、投影レンズ３２５／３２６により表示スクリーン３３０上に投射されかつ結像して、見る人に明るいピクセル３３４を提示する。
【００５９】
したがって、図３Ａ〜図３Ｃを参照して上述した本発明のいくつかの実施形態は、従来のＬＣＤ装置の輝度の２倍である投射ベースのＬＣＤ装置を提供することができる。また、偏光回折格子３０１及び／又は３０２は、赤色光、緑色光及び青色光を含む広い波長範囲に対して比較的高いコントラストを達成するようにアクロマチックである。図３Ａでは、偏光回折格子３０１と偏光回折格子３０２との間に透過性基板３０５ａ及び３１５が含まれるように示しているが、図１Ａ及び図１Ｂに同様に示すように、いくつかの実施形態では、偏光回折格子３０１及び３０２を基板３０５ａと基板３１４との間に設けてもよいことが理解されるべきである。さらに、非偏光入力光３９０に関して示したが、いくつかの実施形態では、図３Ａ〜図３Ｃの投射型システムに偏光入力光を使用してもよいことが理解されるべきである。また、図３Ａ〜図３Ｃに示す配置と共に、既知の遅延補償技法を用いてもよい。
【００６０】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明のさらなる実施形態による、それぞれ投射型システム４００ａ及び３００ｂに実装される多重偏光回折格子配置を示す。特に、ＬＣＤ装置４００ａ及び４００ｂは、それぞれ、第１の偏光回折格子４０１及び第２の偏光回折格子４０２と、上に配向層４０７及び４０８を含む基板４１０及び４１５と、基板４１０と基板４１５との間にありかつ配向層４０７及び４０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層４０３とを含む。偏光回折格子４０１及び４０２は、偏光回折格子４０１の複屈折パターンが偏光回折格子４０２と同じ向きである平行配置を有している。液晶層４０３は、例として２つのピクセルを有するように示すピクセルアレイを画定しているが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層４０３は、それより少ないか又は多いピクセルを有していてもよい。ＬＣＤ装置４００ａ〜４００ｂは、投影レンズ４２５及び４２６並びに開口絞り４２０を含む角度フィルタリングステージ４２７と、表示スクリーン４３０とをさらに有している。角度フィルタリング４２７は、入射光４９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光（すなわち、ゼロ次光）が表示スクリーン４３０上に結像することを可能にするが、入射光４９０に対して平行な方向に伝播していない出力光（すなわち一次光及び／又は二次光）を阻止するように構成されている。
【００６１】
多くの投射型ディスプレイ設計において、光源からの入力光は軸上で提供され、マイクロディスプレイからの画像を、投影レンズにより、明視野（すなわち、ゼロ次、軸上光）又は暗視野（一次、軸外光）のいずれかで収集することができる。したがって、こうした設計は、投射光学系を、光が視野に対して垂直に伝播するようにテレセントリック構成で配置することができ、ゼロ次（すなわち軸上）光を比較的小さい開口で収集することができる。対照的に、図４Ａ及び図４Ｂに示す本発明のいくつかの実施形態は、投影レンズ又はマイクロレンズアレイ４０５を使用して一次（すなわち軸外）回折光を収集することによりコントラスト（したがって画質）を向上させる。入射光４９０が、ＬＣ層４０３に軸外で（すなわち、一次角及び／又は二次角で）入るように配置されている場合、明るいピクセル構成の特性と暗いピクセル構成の特性が逆転する場合もある。言い換えれば、軸上光においてより優れたコントラストが観察される。
【００６２】
図４Ａは、液晶層４０３及び第２の偏光回折格子４０２に軸外光を提供する結像源としてのレンズ４０５をさらに含む、ＬＣＤ装置４００ａを示す。特に、非偏光光４９０は、第１の偏光回折格子４０１に入り、偏光し回折して、異なる非ゼロ次伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム４９５ａ（左円偏光）及び４９６ａ（右円偏光）になる。偏光回折格子４０１の回折効率のために、ビーム４９５ａ及び４９６ａは、それぞれ、各次数において略５０％、赤色光、緑色光及び青色光を有することができる。レンズ４０５は、液晶層４０３及び第２の偏光回折格子４０２に対称的な軸外入力光を提供するようにビーム４９５ａ及び４９６ａを結像させる。両ビーム４９５ａ及び４９６ａは、透過性基板４１０と、ＯＦＦ状態である第１のピクセル４０４及びＯＮ状態である第２のピクセル４０６を含むように示すＬＣ層４０３とを通過する。ＯＦＦピクセル４０４を通過しているビーム４９５ａ及び４９６ａは、それぞれの偏光が変化せず、透過性基板４１５を透過し、その後、第２の偏光回折格子４０２によって検光され回折して、入射非偏光光４９０の入射角に対してより大きい角度の出力光４９９ａになる。この軸外出力光４９９ａは、角度フィルタリングステージ４２７によって阻止され、それにより光４９９ａは表示スクリーン４３０に到達しない。したがって、入力光４９０の０％程度を表わす「暗い」ピクセル３４２が、見る人に見える。
【００６３】
対照的に、ＯＮピクセル４０６を通過しているビーム４９５ａ及び４９６ａは半波長遅延し、共に、それぞれ反対の円偏波４９５ａ’（右円偏波）及び４９６ａ’（左円偏波）に変換される。そして、ビーム４９５ａ’及び４９６ａ’は、第２の偏光回折格子４０２によって検光されかつ回折して、入力光４９０の元の入射角と実質的に同様の角度である出力光４９９ｂになる。この軸上（すなわちゼロ次）光４９９ｂは、角度フィルタリングステージ４２７によって通過が可能になり、表示スクリーン４３０上に投射されかつ結像する。したがって、入力光４９０の強度／輝度の最大１００％を表わす「明るい」ピクセル４３４が、見る人に提示される。
【００６４】
図４Ｂは、軸外光を第２の偏光回折格子４０２に提供するように、液晶層４０３の後にレンズ４０５を配置する同様のＬＣＤ装置４００ｂを示す。したがって、図４Ａを参照して同様に上述したように、非偏光入力光４９０は、第１の偏光回折格子４０１により偏光しかつ回折されて、入射光４９０の伝播方向に対して異なる伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム４９５ｂ（左円偏波）及び４９６ｂ（右円偏波）になる。ビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、透過性基板４１０及び液晶層４０３を通過する。液晶層４０３のＯＦＦピクセル４０４を通過しているビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、それぞれの偏光が変化しないが、ＯＮピクセル４０６を通過しているビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、半波長遅延して、それぞれ反対の円偏光４９５ｂ’（右円偏光）及び４９６ｂ’(左円偏光）のビームを提供する。レンズ４０５は、第２の偏光回折格子４０２内に対照的な軸外入力光を提供するように、ビーム４９５ｂ〜４９６ｂ及び／又は４９５ｂ’〜４９６ｂ’を結像させる。ビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、第２の偏光回折格子４０２によって検光されかつ回折して、軸外出力光４９９ａを提供し、それは角度フィルタリングステージ４２７によって阻止される。ビーム４９５ｂ’及び４９６ｂ’は、図４Ａを参照して同様に上述したように、第２の偏光回折格子４０２によって検光されかつ回折して軸上出力光４９９ｂを提供し、それは、角度フィルタリングステージ４２７を介して表示スクリーン４３０に提供される。
【００６５】
したがって、図４Ａ及び図４Ｂを参照して上述した本発明のいくつかの実施形態は、従来のＬＣＤ装置に対してコントラストを向上させることができる投射ベースのＬＣＤ装置を提供することができる。非偏光入力光４９０に関して示したが、いくつかの実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂの投射型システムにおいて偏光入射光を使用してもよいことが理解されるべきである。また、いくつかの実施形態では、ＬＣ層４０３、基板４１０及び４１５並びに偏光回折格子４０２の代りに、エスクーティ他に対する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８８８に記載されているもののような切換可能な液晶偏光回折格子を使用してもよい。したがって、こうした実施形態は、偏光回折格子４０１及び４０２の連続した配置を提供し、そこでは、偏光回折格子４０１及び４０２の少なくとも一方が、内部を通過している光のそれぞれの偏光及び／又は伝播方向を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過している光のそれぞれの偏光及び伝播方向を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。偏光回折格子４０１及び４０２の他方は、上述したように、入力光を偏光させかつ回折させるように構成された固定のすなわち切換不能の回折格子である。言い換えれば、本発明のいくつかの実施形態は、２つの偏光回折格子の連続した配置であって、それらの一方又は両方を切換可能とすることができ、かつそれらの一方又は両方をピクセル化することができる配置を含むことができる。
【００６６】
図５は、本発明のさらなる実施形態による投射型システム５００で実装される多重偏光回折格子配置を示す。特に、ＬＣＤ装置５００は、第１の偏光回折格子５０１及び５０２と、上に配向層５０７及び５０８を含む基板５１０及び５１５と、基板５１０と基板５１５との間にありかつ配向層５０７及び５０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層５０３とを有している。偏光回折格子５０１及び５０２は平行な配置を有している。液晶層５０３は、例として２つのピクセルを有しているように示すピクセルアレイを画定するが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層５０３はそれより少ないか又は多いピクセルを有することができる。ＬＣＤ装置５００は、投影レンズ５２５及び５２６並びに開口絞り５２０を含む角度フィルタリングステージ５２７と、表示スクリーン５３０とをさらに含む。角度フィルタリングステージ５２７は、入射光５９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光（すなわち、ゼロ次光）が表示スクリーン５３０上に結像するのを可能にするが、入射光５９０に対して平行な方向に伝播していない出力光（すなわち、一次光及び／又は二次光）を阻止するように構成されている。
【００６７】
さらに図５を参照すると、ＬＣＤ装置５００は、第１の偏光回折格子５０１及び第２の偏光回折格子５０２の後にオフセット補償器５５０をさらに含む。オフセット補償器５５０は、第３の偏光回折格子５５１及び第４の偏光回折格子５５２とそれらの間の中間層５５３とを有している。中間層５５３は、厚さｔが、液晶層５０３と第２の偏光回折格子５０２との間の距離ｄと実質的に同様であり、いくつかの実施形態では透過性基板である。偏光回折格子５５１及び５５２は、偏光回折格子５５１の局所的なネマチックダイレクタ方位が偏光回折格子５５２と同じ旋光性であるように平行な配置を有している。オフセット補償器５５０は、偏光回折格子５０２によって伝達される出力光の空間オフセットを、その伝播方向を実質的に変更することなく実質的に低減しかつ／又は除去し、この光を、表示スクリーン５３０上に結像させるために角度フィルタリングステージ５２７に提供する。言い換えれば、厚さｔの中間層５５３を有するオフセット補償器５５０は、偏光回折格子５０２からの光の空間オフセットからもたらされる視差問題を改善することができる。
【００６８】
より詳細には、図５に示すように、非偏光入射光５９０は、第１の偏光回折格子５０１により偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム５９５（左円偏光）及び５９６（右円偏光）になる。液晶層５０３のＯＦＦピクセル５０４を通過しているビーム５９５及び５９６は、それぞれの偏光が変化せず、ＯＮピクセル５０６を通過しているビーム５９５及び５９６は半波長遅延して、それぞれ反対の円偏波５９５’（右円偏光）及び５９６’（左円偏光）のビームを提供する。ビーム５９５’及び５９６’は、第２の偏光回折格子５０２によって検光されかつ回折して軸外出力光５９９ａを伝達し、一方で、ビーム５９５及び５９６は、第２の偏光回折格子５０２により検光されかつ回折して軸上出力光５９９ｂを伝達する。
【００６９】
第３の偏光回折格子５５１は、第２の偏光回折格子５０２から伝達される光を受け取り、軸上ビーム５９９ｂ及び軸外ビーム５９９ａを回折させて、それぞれ軸外ビーム５９９ｂ’及び軸上ビーム５９９ａ’にする。中間層５５３は、両ビーム５９９ｂ’及び５９９ａ’を、それらの伝播方向を実質的に変更することなく厚さｔを通して第４の偏光回折格子５５２に伝達する。第４の偏光回折格子５５２は、軸上ビーム５９９ｂ’及び軸外ビーム５９９ａ’を回折させて、それぞれ軸外ビーム５９９ｂ’’及び軸上ビーム５９９ａ’’に戻し、第２の偏光回折格子５０２を透過したビーム５９９ｂ及び５９９ａと同じ偏光及び方向であるが、空間オフセットが低減した、オフセット補償された出力光を提供する。特に、中間層の厚さにより、視差問題をもたらす、液晶層５０３と第２の偏光回折格子５０２との間の距離ｄからもたらされるオフセットを補償するために、空間オフセットがもたらされる。したがって、軸外出力光５９９ａ’’は、角度フィルタリングステージ５２７によって阻止されることにより、暗いピクセル５３２を見る人に提示し、一方で、軸上出力光５９９ｂ’’は、角度フィルタリングステージ５２７によって通過が可能となり、表示スクリーン５３０上に投射されかつ結像することにより、見る人に明るいピクセル５３４を提示する。
【００７０】
いくつかの実施形態では、中間層５５３は、液晶層５０３と第２の偏光回折格子５０２との間の透明基板５１５に類似する（すなわち、同じ厚さ及び／又は同じ屈折率を有する）基板である。中間層５５３内の第１のビーム及び第２のビームの光路長を、透明基板５１５内の第１のビーム及び第２のビームの光路長と一致させてもよい。この光路長は、中間層５５３の材料の回折角、厚さｔ及び／又は光学指数（屈折率）によって決まり得る。いくつかの実施形態では、中間層５５３は、ガラス等の等方性かつ透明な媒体である。
【００７１】
図６は、図７Ａ〜図７Ｇのシミュレーションデータを提供するために使用される本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置に対するシミュレーション空間例を示す。ここで図６を参照すると、均質に配向されたＬＣ分子を含む均一な平面液晶層６０３が、アクロマチック偏光回折格子６０１及び６０２上の配向層６０７と配向層６０８との間に設けられ、偏光回折格子６０１及び６０２は、透過性基板６１０と透過性基板６１５との間に設けられている。ＬＣ層６０３は、印可される電圧に応じて、入力光を遅延させない「ＯＦＦ」状態と、入力光を半波長遅延させる「ＯＮ」状態との間で切り換えられるように構成されている。ＬＣ層６０３の特徴には、約１．７μｍの厚さｄ（偏光回折格子６０１及び６０２の対向する面の間の方向に沿って測定）と、約１．４２の常光線屈折率ｎｏと、約０．１５９の直線複屈折Δｎとが含まれる。
【００７２】
偏光回折格子６０１は、２つの偏光回折格子層６０１ａ及び６０１ｂを含む。偏光回折格子層６０１ａ及び６０１ｂは、旋光性が反対であるキラル分子（すなわち、異なる左回り形態及び右回り形態を有する非対称分子）を含む。したがって、偏光回折格子層６０１ａの分子方位は、その厚さにわたって回転し又は−７０度のねじれ角Φで「ねじれて」いることにより、その局所異方性パターンにおける連続した位相シフトを提供する。偏光回折格子層６０１ｂの分子方位は、その厚さにわたって＋７０度のねじれ角Φで反対にねじれている。したがって、偏光回折格子６０１は、ねじれの向きが反対である２つの偏光回折格子層６０１ａ及び６０１ｂを有している。偏光回折格子６０２は、同様に、それぞれ−７０度及び＋７０度の反対のねじれ角Φを有する２つの偏光回折格子層６０２ａ及び６０２ｂを有している。偏光回折格子６０１及び６０２のそれぞれの他の特徴には、約１〜４μｍの光学ピッチと、約１．４２の常光線屈折率ｎｏと、約０．１５９の直線複屈折Δｎと、逆平行配置とが含まれる。
【００７３】
偏光回折格子６０１及び６０２の透過性基板６１０及び６１５それぞれとの境界面に、屈折率反射防止（ＡＲ）コーティング６０６が施されている。シミュレーション空間を終端させかつ／又はシミュレーション時間を低減するために、周期的境界６１１及び一軸完全整合層（Uniaxial Perfectly Matched Layer）（ＵＰＭＬ）技法を使用する整合層境界６１２を採用することができる。入力／入射光６０９は、偏光回折格子６０１の前のライン６１３において提供される、中心波長λ０が約５５０ｎｍであるガウスパルスであり、出力回折効率を、偏光回折格子６０２の直後のライン６１４における電界から計算することができる。偏光回折格子６０１及び６０２は、グリッド間隔がλ０／４０＝１３．７５ｎｍであり、これはグリッド密度Ｎが４０であるとも言える。
【００７４】
図７Ａ〜図７Ｇは、ＬＣ層６０３に対する印可電圧を変化させることにより、約０度〜約９０度の範囲にわたりＬＣ層６０３の分子の傾斜角θｔｉｌｔを変化させることに応じて、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置に対する回折特性を示すシミュレーション結果を示す。より詳細には、図７Ａ〜図７Ｆは、偏光回折格子６０１及び６０２の対向する面に対する、それぞれ異なる傾斜角（θｔｉｌｔ）９０度、６０度、４５度、３０度、１５度及び０度に対する正規化された遅延（Δｎｄ／λ）の関数としての、ゼロ次、一次及び二次回折効率を示す。ゼロ次回折効率の和は、図７Ａ〜図７Ｆでは波形７００ａ〜７００ｆによってそれぞれ表されており、入力光６９０の角度に対して実質的に平行な角度で伝播する、偏光回折格子配置から出力される光を示す。同様に、図７Ａ〜図７Ｆでは、一次回折効率の和（入力光６９０と異なる角度で伝播する、偏光回折格子配置から出力される光を示す）は、波形７０１ａ〜７０１ｆで表されており、二次回折効率の和（入力光６９０の角度に対してさらに大きい角度で伝播する、偏光回折格子配置から出力される光を示す）は、波形７０２ａ〜７０２ｆによって表されている。
【００７５】
図７Ａに示すように、青色光、緑色光及び赤色光を含む、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲にわたり、ＬＣ層６０３が「ＯＦＦ」状態であるとき（すなわちθtilt＝９０度であるとき）に回折して二次光になる光に対し、比較的高い回折効率が提供される。したがって、この二次出力光を、上述したように、阻止しかつ／又は他の方法で表示スクリーンに伝達されないようにすることができる。対照的に、図７Ｆに示すように、同様の波長範囲にわたり、ＬＣ層６０３が「ＯＮ」状態にあるとき（すなわちθtilt＝０度であるとき）、ゼロ次光に対して比較的高い回折効率が提供される。それにより、このゼロ次出力光を、偏光関連の損失がほとんどないか又はまったくなく表示スクリーンに提供することができる。図７Ｇは、図７Ａのθtilt＝９０度に対するゼロ次効率７００ａに、図７Ｆのθtilt＝０度に対するゼロ次効率７００ｆを重ね合わせることにより、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置のゼロ次偏光効率を示す。したがって、本発明の実施形態は、比較的広範囲のスペクトルにわたり、輝度の上昇（７００ｆによって示す）及び高コントラスト（７００ａによって示す）を共に提供することができる。
【００７６】
図８Ａ〜図８Ｆは、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置の透過率スペクトルを示す実験結果を提供する。特に、図８Ａ〜図８Ｆは、２つの反応性メソゲンアクロマチック偏光回折格子８０１及び８０２の間の半波長遅延厚さを有する均質な液晶層８０３を含む偏光回折格子配置に対する、分光光度計によって測定された透過率対波長特性を示す。液晶層は、常光線屈折率ｎｏが約１．４９であり、直線複屈折Δｎが約０．１１であり、厚さが約２．８μｍである。偏光回折格子は、常光線屈折率ｎｏが約１．４５であり、直線複屈折Δｎが約０．１５９である。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、波形８０ａａ及び８００ｂは、ＬＣ層８０３を組み立てる前の、それぞれ偏光回折格子８０１及び８０２の個々のゼロ次透過率を示す。したがって、偏光回折格子８０１及び８０２は、入射光を略１００％の効率で回折させて、非ゼロ次光にする。図８Ｆは、連続した偏光回折格子８０１及び８０２の組合せを含む配置に対するゼロ次透過率を示す。第１の偏光回折格子８０１を使用して、入射光を入射角から離れるように偏光させかつ回折させ、第２の偏光回折格子８０２を使用して、光を入射角に戻るように検光しかつ回折させ、波形８００ｆに示すように、入射光の約８０％以上の透過率を提供する。図８Ｃの波形８００ｃは、平行な偏光回折格子８０１及び８０２の間に傾斜角が０度であり方位角が４５度である液晶層８０３を含む、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置のゼロ次透過率を示す。図８Ｄ及び図８Ｅは同様に、それぞれ波形８００ｄ及び８００ｅによって示すように、液晶層８０３が９０度及び０度の傾斜角を有する偏光回折格子８０１及び８０２の逆平行配置に対するゼロ次透過率特性を示す。
【００７７】
したがって、本発明のいくつかの実施形態は、回折が偏光回折格子によって行われるが、変調が液晶層によって行われる、多重偏光回折格子配置を提供する。より詳細には、偏光回折格子は、広いスペクトル範囲にわたり透過光の方向及び／又は偏光状態を制御する回折光素子として使用される。こうした配置を使用して、スイッチング素子として従来の液晶材料を使用しながら、輝度及びコントラストを著しく向上させた投射型かつ／又は直視型ＬＣＤ装置を提供することができる。本発明のさらなる実施形態について以下詳細に説明する。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態では、従来のＬＣＤ装置の偏光子の代りに、偏光回折格子（ＰＧ）として知られる、透明ポリマーの薄膜偏光ビームスプリッタを使用することにより、液晶（ＬＣ）マイクロディスプレイの光効率を２倍にすることができる。特に、図９Ａ及び図１０Ａに示すアクロマチック、反応性メソゲン（重合性ＬＣ）フィルムを偏光子及び検光子の両方として採用することができる。その結果、両直交偏光（すなわち、非偏光光の実質的にすべて）を、同時にマイクロディスプレイを通過するように向けることができ、それにより、ディスプレイは、〜１００％（輝度）効率（偏光子を使用した場合の＜５０％効率とは対照的に）を有することができる。こうした「ポリマー・ＰＧディスプレイ」は、市販の既製のＬＣマイクロディスプレイに対してほとんど又はまったく変更が不要である。図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１１Ａ及び図１１Ｂは、こうしたポリマー・ＰＧディスプレイの動作原理を示す実験結果を提供し、実験的に、最大±７度の開口で非偏光ＬＥＤ光に対し全体的な〜９０％効率及び＞２００：１のコントラスト比を示す。さらに、図１２Ａ及び図１２Ｂは、変更した市販のマイクロディスプレイを使用するポリマー・ＰＧ投射型システムのプロトタイプを示す。
【００７９】
光効率の向上及び電力消費の低減は、今日のＬＣＤ市場に対し課題を提示する。１９７１年のツイステッドネマチック液晶の発明以来、ＬＣＤは、フラットパネルディスプレイの主な供給源であった。しかしながら、ＬＣＤの効率は、偏光子からの損失（＞５０％）のために制限される可能性がある。これは、大部分のＬＣＤが、ＬＣ層の複屈折及びねじれを介して光偏光の方向を制御することによって動作する一方で、最も効率的な光源（すなわちＣＣＦＬ及びＬＥＤ）が非偏光光をもたらすためである。ＬＣゲル、ＰＤＬＣ、Ｈ−ＰＤＬＣ及び２値ＬＣ回折格子を含む、偏光子のないディスプレイに対して多数の異なる手法がある。しかしながら、それらのすべてに、ある程度、低コントラスト比、非常に狭い受光角及び／又は限られたピーク効率という問題がある。近年、電気的に切換可能なＬＣＰＧが、非常に効率的な偏光無依存型光変調器として使用されてきた。さらに、最も近年ではＬＣＯＳバックプレーンを使用して、ＬＣＰＧを使用する投射型システム用のマイクロディスプレイプロトタイプが実演されている。
【００８０】
偏光回折格子は、空間的に可変の一軸性複屈折により一意の回折特性を有している。本発明のいくつかの実施形態では、高度架橋アクリレートポリマーフィルムで形成され、かつ従来のＰＧの同じ偏光依存型特性を有する、可視波長範囲全体にわたり経験的に＞９９％回折効率を有する周期的なＬＣプロファイルを有する偏光回折格子を採用する。図９Ａは、白色の非偏光入力光を用いる本発明のいくつかの実施形態によるアクロマチック偏光回折格子（ＰＧ）９０１の挙動を示す。図９Ｂの写真に示すように、±１回折次数９０２及び９０２がそれぞれ円偏光され、直交であり、内部を伝播している入射光の（合計で）最大１００％を有することができる。
【００８１】
本発明の実施形態は、偏光子の代りに偏光素子及び検光素子として作用するアクロマチックＰＧを備えた、非常に効率のよい偏光無依存型マイクロディスプレイ（「ポリマー・ＰＧ ＬＣディスプレイ」）を提供する。図１Ａ及び図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧ ＬＣディスプレイの基本形状及び動作原理を示す。従来の偏光子が使用されないため、ディスプレイの光効率を、２倍向上させることができる可能性がある。開口絞り及びレンズを使用して回折次数をフィルタリングすることによってコントラストを得ることができることが留意されるべきである。しかしながら、マイクロディスプレイの変更は不要である。
【００８２】
従来のＬＣＤと同様に、ＬＣスイッチングにより光が変調される。第１のＰＧは、一次の円形偏光を出力し、その旋光性は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ＬＣスイッチング、及び第１のＰＧと第２のＰＴＧとの間の相対的な方位によって影響される。第２のＰＧは、第１のＰＧからの光の偏光旋光性に基づき、光をより高い角度になるように回折させるか、又はそれを垂直方向に向ける。図１Ａ及び図１Ｂでは、ＰＧの逆平行配向を有するように示すが、本発明の実施形態は、ＰＧ及び／又は他の変更された設計の平行な配向を含むことができることが理解されるべきである。
【００８３】
図１０Ａは、本発明の実施形態による平行なＰＧ配置１００１及び逆平行なＰＧ配置１００２を示し、それらについては、輝度及びコントラスト比に対する上限を強調するように後述する。実験的論証のために、赤色ＬＥＤ光、緑色ＬＥＤ光及び青色ＬＥＤ光に対し高効率（＞９８％）な一対のアクロマチックＰＧサンプル（緑色光に対し回折格子周期＝４μｍ、受光角±７度）。これらの回折格子の製造方法及び光学特性については前述した。平行な方位１００１及び逆平行の方位１００２は、それぞれ、ディスプレイの明るい状態及び暗い状態に略相当する。図１０Ｂは、非偏光入力光に対し、両配置の真の（測定された）透過率スペクトルを示す。波形１００３は、平行なＰＧが約９０％の透過率を明示し得ることを示し、波形１００４は、逆平行なＰＧが可視光（４００〜７００ｎｍ）に対して漏らすのが約０．５％未満であることを示す。波形１００５は、平行な偏光子に対する透過率スペクトルを示す。図１０Ｃの波形１００６は、本発明のいくつかの実施形態による逆平行なＰＧ配置１００２（交差偏光子に類似している）の測定された消光比が≧２００であり、赤色のピークが〜５００であることを示す。フレネル損失を低減するために、反射防止コーティングされたガラスを使用したことが留意されるべきである。
【００８４】
従来のＬＣセルを備えた（垂直配向（ＶＡ）モードの）単一モノリシックピクセルを用いて、電気光学スイッチングも論証した。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、２つのアクロマチックポリマーＰＧがＬＣセルに対して逆平行の方位で配向され、ＬＣセルは、通過する光の偏光を制御する。より詳細には、比較的高い電圧（〜５Ｂ）が印可されると、ＶＡモードＬＣセルは、その主に平面の配向により半波形遅延を提供し、したがって、（第１のＰＧからの）内部を通過する２つのビームの偏光を（同時に）反転させる。そして、この光は、図１Ｂに示すように、第２のＰＧによって垂直方向に向かうように向けられ、その後、スクリーン／見る人に投射される。しかしながら、ＶＡモードのＬＣセルに電圧が印可されていないとき、それは非常にわずかな遅延を提供し、第１のＰＧからＬＣ層に入る光は、図１Ａに示すように、その元の偏光を（同時に）保持し、第２のＰＧによってさらに高い角度になるように回折する。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧ ＬＣディスプレイにおける３つのＬＥＤ色（非偏光）に対する透過率及びコントラスト比を、それぞれ図１１Ａ及び図１１Ｂのグラフに示す。特に、図１１Ａでは、赤色の非偏光ＬＥＤ１１０１（６２５ｎｍ）、緑色の非偏光ＬＥＤ１１０２（５３０ｎｍ）及び青色の非偏光ＬＥＤ１１０３（４７０ｎｍ）に対して、明るい状態の透過率を示し、図１１Ｂでは、３つのＬＥＤ１１０１、１１０２及び１１０３に対するコントラスト比（明るい／暗い）を示す。図１１Ａのダッシュ１１０５は、同じ配置における交差偏光子のＬＣピクセルの推定される透過率を示す。図１１Ａに示すように、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧ ＬＣ変調器の非偏光光に対する真の透過率は≧８０％であり、従来の偏光子ベースのディスプレイの２倍を上回り、一方で、図１１Ｂに示すように、適度なコントラスト比（２００：１〜５００：１）を依然として維持する。
【００８６】
ポリマー・ＰＧディスプレイの結像特性を確認するため、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、本発明のいくつかの実施形態によるアクロマチックＰＧフィルムを備えた市販のＬＣマイクロディスプレイパネル（Ｉｌｊｉｎ Ｄｉｓｌａｙ、０．４１’’ＶＧＡ、平面配向モード）を使用して、プトロタイププロジェクターを構築した。カラーシーケンシャル表示操作をサポートするＧｏｌｄｅｎ−ｅｙｅＬＥＤ光源を使用し、市販のマイクロディスプレイから偏光子を除去した。本発明のいくつかの実施形態によるＰＧフィルムを逆平行構成にかつ回折格子方向に配向させた。図１２Ａに、システム１２００の全体形状を示し、図１２Ｂにシステム１２００の写真を示す。システム１２００の要素は、図３Ａのシステム３００ａに示す同様の要素に対応することができる。わずかな空間オフセットを有する投射画像に視差が観察され、それは、結像面と第２のＰＧとの間の距離（ガラス厚さ）に起因する可能性がある。この視差問題を、いくつかの実施形態では、ＬＣセル内部に第２のＰＧを挿入することによって回避することができる。別の解決法は、第２のＰＧの後にガラスと同じギャップ厚さである２つの追加の平行なＰＧ（すでに選択しているＰＧと同様か又は同じ）を配置するというものであり、それにより、図５の実施形態に関連して上述したように、空間オフセットを完全に補償することができる。
【００８７】
ポリマー・ＰＧディスプレイは、偏光子ベースのディスプレイの最大２倍明るい可能性のある明るいピクセルを投射する。図１２Ｃは、元のディスプレイ１２０４と、同等に先鋭なエッジ及び優れた画像焦点を示す、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧディスプレイ１２０５とからの投射された画像の比較を提供する。図１２Ｃのポリマー・ＰＧディスプレイ画像１２０５に見られる色の劣化と低い画像コントラストは、これらの初期試験における任意の遅延補償の不在（偏光子と共に元のディスプレイから除去された）による可能性があり、それは、製造ディスプレイに組み込まれる。
【００８８】
したがって、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧディスプレイは、回折透明ポリマー薄膜を使用することによってＬＣマイクロディスプレイの光効率を向上させることができる。（変更されていない）市販のＬＣマイクロディスプレイの輝度をおよそ倍にすることができ、エテンデューの制限された（etendue-limited）光源を使用することができる。本発明の実施形態を、システムが非常に効率的であるため、携帯型プロジェクターで使用するように目標を定めることができる。
【００８９】
上述したことは、本発明を例示するものであり、それを限定するものとして解釈されるべきではない。本発明のいくつかの例示的な実施形態について説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態において多くの変更が可能であることを容易に理解するであろう。たとえば、図１〜図１２を参照して上述した偏光回折格子を、切換不能かつ／又は切換可能なＬＣ材料を使用して製造することができることが理解されるべきである。さらに、本明細書で説明した基板は、たとえば、その表面に、基板上に透明な酸化インジウム錫（ＩＴＯ）コーティングによって提供される、１つ又は複数の電極を有することができる。したがって、こうした変更のすべては、本発明の範囲内に含まれるように意図されている。したがって、上述したことは、本発明を例示するものであり、開示した特定の実施形態に限定されるように解釈されるべきではなく、開示した実施形態に対する変更は、他の実施形態と同様に、本発明の範囲内に含まれることが意図されていることが理解されるべきである。
【図１】
【図２】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイに関し、特に、液晶偏光回折格子及び関連する製造方法に関する。
【０００２】
政府支援の記述
本発明は、契約番号０６２１９０６の下で米国科学財団（National Science Foundation）（ＮＳＦ）による政府支援によってなされた。米国政府は本発明に対し一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
液晶は、分子の規則正しい配向が存在する流動体を含むことができる。通常、液晶（ＬＣ）分子は、異方性であり、細長い（棒状の）形状又は平坦な（円盤状の）形状を有することができる。異方性分子が規則正しく配向する結果、バルクＬＣは、その機械的特性、電気的特性、磁気的特性及び／又は光学的特性の異方性等、その物理的特性の異方性を呈することが多い。
【０００４】
棒状又は円盤状の性質である結果、ＬＣ分子の方位分布は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の光学的な用途において重要な役割を果たす可能性がある。これらの用途において、ＬＣ配向は、配向表面の影響を受ける場合がある。配向表面を、ＬＣが予測可能かつ制御可能に表面に対して配向するように処理することができる。多くの場合、配向表面は、単一ドメインがＬＣ装置の全体にわたることを確実にすることができる。配向表面が処理されていない場合、ＬＣには、多くのドメイン及び／又は多くの方位不連続性がある可能性がある。光学的な用途において、これらのドメイン及び不連続性は、光の散乱をもたらし、ディスプレイの性能を劣化させることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの液晶装置（液晶ディスプレイを含む）は、入力光を、正確に機能するために偏光させる必要のある場合がある。しかしながら、大部分の光源は非偏光光をもたらすため（たとえば、蛍光灯、発光ダイオード、超高性能ランプ、白熱灯）、液晶装置は、１つ又は複数の直線偏光子を使用して、光源からの非偏光光を所望の偏光状態の光に変換する場合がある。従来の直線偏光子は、所望の偏光状態の光を通過させることができるが、こうした直線偏光子はまた、他の偏光状態の光を吸収する可能性もある。したがって、光源からの利用可能な光の少なくとも５０％は、たとえば熱として喪失する可能性がある。したがって、液晶装置には、著しい光出力損失（たとえば５０％を上回る）がある可能性があり、そのため、必要以上に強力な光源が必要である場合がある。これは、たとえば電力消費、熱及び／又はコストに関する理由により望ましくない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のいくつかの実施の形態によれば、液晶装置が、第１の偏光回折格子と、液晶層と、第２の偏光回折格子とを備える。前記第１の偏光回折格子は、入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成されている。前記液晶層は、前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。前記第２の偏光回折格子は、前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更するように構成されている。
【０００７】
いくつかの実施の形態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するよう変更するように構成することができる。こうした実施の形態では、前記第１の偏光回折格子は第１の周期的複屈折パターンを有することができ、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的複屈折パターンに対して反転した第２の周期的複屈折パターンを有することができる。たとえば、前記第１の偏光回折格子は、第１の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む重合液晶層である、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的ネマチックダイレクタパターンに対して同じ周期性を有しかつ約１８０度全体的に回転している第２の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む、重合液晶層である。
【０００８】
他の実施の形態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するように変更するように構成することができる。こうした実施の形態では、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、周期性及び向きが同じであるそれぞれの第１の周期的複屈折パターン及び第２の周期的複屈折パターンを有することができる。たとえば、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、同様に向けられた局所的なネマチックダイレクタパターンを含む重合液晶層でありえる。
【０００９】
いくつかの実施の形態では、液晶装置は、前記第２の偏光回折格子から伝達される出力光を受け取るように構成された角度フィルタリングステージを有することができる。該角度フィルタリングステージを、所望の角度を上回る角度で伝播する前記出力光を阻止し、所望の角度を下回る角度で伝播する前記出力光を画面に向けるように構成することができる。たとえば、前記角度フィルタリングステージを、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播する前記出力光の通過を可能にするが、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播しない前記出力光を阻止するように構成することができる。いくつかの実施の形態では、前記角度フィルタリングステージは、少なくとも１つのレンズと開口絞りとを有することができる。他の実施の形態では、前記角度フィルタリングステージは、プライバシフィルムである。
【００１０】
他の実施の形態では、前記入射光は非偏光光であり、前記第１の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームが、それぞれ、可視波長範囲にわたり前記入射光の強度の約２５％を上回る強度を有するように、前記入射光を回折させるように構成することができる。さらに、前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームを回折させて、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視波長範囲にわたり、前記入射光の前記強度の約５０％を上回る強度を有する出力光を伝達するように構成することができる。いくつかの実施の形態では、前記第２の偏光回折格子は、約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長範囲にわたり、約９０％の透過率を有する出力光を伝達するように構成することができる。
【００１１】
いくつかの実施の形態では、液晶装置は、第３の偏光回折格子と、中間層と、オフセット補償器を画定する第４の偏光回折格子とを備えることができる。
【００１２】
前記第３の偏光回折格子は、前記第２の偏光からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成することができる。前記中間層は、前記第３の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、そのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成することができる。前記第４の偏光回折格子は、前記中間層からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更して、前記第２の偏光回折格子から出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームの方向に対して実質的に平行な方向に伝播するオフセット補償された出力光を提供するように構成することができる。前記中間層は、前記オフセット補償された出力光が、前記第２の偏光回折格子から出力された前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して空間オフセットが低減するように、前記第３の偏光回折格子及び前記第４の偏光回折格子を、前記第２の偏光と前記液晶層との間の距離と実質的に同様の距離だけ分離するように構成された厚さを有することができる。
【００１３】
本発明の他の実施の形態によれば、液晶は、偏光回折格子と、液晶層と、反射性基板とを備える。偏光回折格子は、入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成されている。液晶層は、前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されている。液晶層は、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。反射性基板は、前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取り、前記第１のビーム及び前記第２のビームを前記液晶層及び前記偏光回折格子を再び通るよう反射するように構成されている。前記偏光回折格子は、前記反射性基板からの前記反射された第１のビーム及び第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更し、出力光を提供するように構成されている。
【００１４】
いくつかの実施の形態では、前記偏光回折格子は第２の偏光回折格子であり、前記装置は、入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするにように構成された第１の偏光回折格子を備えることができる。前記装置は、前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子にその入力光として提供するように構成されたレンズを備えることができる。
【００１５】
他の実施の形態では、前記装置は、前記レンズから前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子上に反射してそこに入力光を提供するように構成された反射性開口絞りを備えることができる。前記反射性開口絞りは、前記第２の偏光回折格子から内部を通過する前記出力光を画面に向かって伝達するように構成することができる。
【００１６】
本発明のさらなる実施の形態によれば、前記装置は、入射光を受け取ると共に光を伝達するように構成された第１の偏光回折格子と、前記第１の偏光回折格子から前記光を受け取ると共に、そこから偏光の異なる第１の成分のビーム及び第２の成分のビームを含む出力光を伝達するように構成された第２の偏光回折格子とを具備する。前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子のうちの少なくとも一方は、内部を通過する前記光のそれぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記光の前記それぞれの偏光及び方向を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された切換可能な偏光回折格子である。
【００１７】
いくつかの実施の形態では、前記第１の偏光回折格子は、前記切換可能な偏光回折格子である。前記第１の状態では、前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を、そのそれぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成することができる。前記第２の状態では、前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成することができる。前記第２の偏光回折格子は、前記第２の偏光回折格子が前記第２の状態にあるとき、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された固定回折格子であり、前記第１の偏光回折格子が前記第１の状態にあるとき、前記入射光を偏光させかつ回折させて、偏光及び伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするように構成することができる。
【００１８】
他の実施の形態では、前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光及び伝播方向の異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された固定回折格子であり、前記第２の偏光回折格子は、切換可能な偏光回折格子である。前記第１の状態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、そのそれぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成することができる。前記第２の状態では、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を変更するように構成することができる。
【００１９】
いくつかの実施の形態では、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが互いに対して反転しているそれぞれの複屈折パターンを有することができる。他の実施の形態では、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが実質的に同様のそれぞれの複屈折パターンを有することができる。
【００２０】
いくつかの実施の形態による他の要素及び／又は装置は、以下の図面及び詳細な説明を検討することにより当業者には明らかとなろう。こうした追加の装置はすべて、本明細書に含められ、本発明の範囲内にあり、かつ添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を示すブロック図である。
【図１Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を示すブロック図である。
【図１Ｃ】図１Ａ及び図１Ｂの偏光回折格子の局所的なネマチックダイレクタ方位を示す代替の図である。
【図１Ｄ】図１Ａ及び図１Ｂの偏光回折格子の局所的なネマチックダイレクタ方位を示す代替の図である。
【図２Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を含む直視型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図２Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を有する直視型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による多重偏光回折格子配置を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による非テレセントリック構成の多重偏光回折格子配置及び反射性基板を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図３Ｃ】本発明のいくつかの実施の形態によるテレセントリック構成の多重偏光回折格子配置及び反射性基板を含む投射型液晶ディスプレイ装置を含むブロック図である。
【図４Ａ】本発明のさらなる実施の形態による多重偏光回折格子配置を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図４Ｂ】本発明のさらなる実施の形態による多重偏光回折格子配置を有する投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図５】本発明のまたさらなる実施の形態による多重偏光回折格子配置及びオフセット補償器を含む投射型液晶ディスプレイ装置を示すブロック図である。
【図６】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置のシミュレーション空間例を示す図である。
【図７Ａ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｂ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｃ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｄ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｅ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｆ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７Ｇ】図６のシミュレーション空間による偏光回折格子配置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｃ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｄ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｅ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図８Ｆ】本発明のいくつかの実施の形態による偏光回折格子配置の実験結果を示すグラフである。
【図９Ａ】本発明のいくつかの実施の形態によるアクロマチック偏光回折格子を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａのアクロマチック偏光回折格子から出力される光を示す写真である。
【図１０Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による平行な偏光回折格子構成及び逆平行の偏光回折格子構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの両方の偏光回折格子構成に対する測定された透過率スペクトルを示すグラフである。
【図１０Ｃ】図１０Ａの逆平行の偏光回折格子配置に対する測定された消光比を示すグラフである。
【図１１Ａ】本発明のいくつかの実施の形態による液晶ディスプレイ装置に対する透過率を示すグラフである。
【図１１Ｂ】本発明のいくつかの実施の形態による液晶ディスプレイ装置に対するコントラスト比を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明のいくつかの実施の形態によるプロトタイププロジェクターを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明をさらに十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することが可能であり、本明細書に示す実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、この開示が、徹底的かつ完全となり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態を提供する。図面において、層及び領域の寸法及び相対的な大きさは、明瞭にするために誇張している場合がある。全体を通して、同様の番号は同様の要素を指している。
【００２３】
本明細書において、さまざまな要素、構成部品、領域、層及び／又は部分について述べるために、第１の、第２の、第３の等という用語を用いる場合があるが、これらの要素、構成部品、領域、層及び／又は部分は、これらの用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素、構成部品、領域、層又は部分を、別の領域、層又は部分から区別するためにのみ用いている。したがって、以下に説明する第１の要素、構成部品、領域、層又は部分を、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成部品、領域、層又は部分と呼ぶことができる。
【００２４】
本明細書では、「〜の真下に」、「〜の下方に」、「下方の」、「〜の下に」、「〜の上方に」、「上方の」等の空間的な関係を示す用語を、図に示すように、１つの要素又は特徴の別の要素（複数可）又は特徴（複数可）に対する関係を説明する記述を容易にするために用いる場合がある。空間的な関係を示す用語は、図に示す向きに加えて、使用時又は動作時における装置の種々の向きを含むことが意図されていることが理解されよう。例えば、図における装置が反転した場合、他の要素又は特徴の「下方に」、「真下に」、又は「下に」あると述べられている要素は、他の要素又は特徴の「上方に」向けられることになる。したがって、「〜の下方に」及び「〜の下に」という例示的な用語は、上方の向き及び下方の向きの両方を含むことができる。装置を、他のように向ける（９０度又は他の向きで回転させる）ことも可能であり、本明細書で使用する空間的な関係を示す記述子も、それに従って解釈することができる。さらに。ある層が２つの層の「間」にあると言及されているとき、この層を、これらの２つの層の間の唯一の層とすることができ、又は１つ若しくは複数の介在層が存在してもよいことも理解されよう。
【００２５】
本明細書で使用する専門用語は、単に特定の実施形態を説明することを目的とし、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する単数形の「１つの（a、an）」及び「その（the）」は、文脈に特に明示されていない限り、同様に複数形を含むことが意図されている。「備える（comprise）」及び／又は「備えている（comprising）」という用語は、本明細書で使用する場合、述べられている特徴、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことがさらに理解されよう。本明細書で使用するとき、「及び／又は」という用語は、関連して列挙されている項目のうちの１つ又は複数のありとあらゆる組合せを含む。
【００２６】
ある要素又は層は、別の要素又は層の「上に位置している」、別の要素又は層に「接続されている」、「結合されている」、又は「隣接している」と言及されている場合、他の要素若しくは層の上に直接位置し、他の要素又は層に直接接続され、結合され若しくは隣接されていてもよく、又は介在する要素若しくは層が存在していてもよいことが理解されよう。対照的に、ある要素が、別の要素又は層の「上に直接位置している」、別の要素又は層に「直接接続されている」、「直接結合されている」又は「直接隣接している」と言及されている場合、介在する要素又は層は存在しない。同様に、１つの要素「から」光が受け取られるか又は提供される場合、それが、その要素から直接又は介在する要素から受け取られるか又は提供されることが可能である。一方、光が１つの要素「から直接」受け取られるか又は提供される場合、介在する要素は存在しない。
【００２７】
本明細書では、本発明の理想的な実施形態（及び中間的な構造）の概略図である断面図を参照して、本発明の実施形態を説明する。したがって、たとえば製造技法及び／又は許容誤差の結果として、図面の形状との違いがあることが予測される。したがって、本発明の実施形態は、本明細書に示す領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば製造によって生じる形状の寸法誤差を含むものとする。したがって、図に示す領域は、本質的に概略図であり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すことを意図しておらず、本発明の範囲を限定するように意図されていない。
【００２８】
特に定義しない限り、本明細書で使用する（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有している。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術及び／又は本明細書の文脈におけるそれらの意味と一致している意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書において明示的に定義しない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味に解釈されないことがさらに理解されよう。
【００２９】
当業者には、本明細書で用いる「透過性」又は「透明」基板が、入射光の少なくとも一部を通過させるものであることが理解されよう。したがって、透明基板は、いくつかの実施形態ではガラス基板であってもよい。対照的に、本明細書で述べる「反射性」基板は、入射光の少なくとも一部を反射するものとする。また、「重合性液晶」は、重合可能な比較的低分子量の液晶材料を指すものとし、本明細書では「反応性メソゲン」と述べる場合もある。対照的に、「非反応性液晶」は、重合され得ない比較的低分子量の液晶材料を指すものとする。
【００３０】
本明細書では、本発明の実施形態を、液晶（ＬＣ）材料及びそれらの材料から構成される偏光回折格子に関連して説明する。本明細書で用いるとき、液晶は、ネマチック相、キラルネマチック相、スメクチック相、強磁性相及び／又は別の相を有することができる。さらに、本明細書で述べる偏光回折格子をもたらす配向層として、多数の光重合性ポリマーを用いることができる。これらの材料は、光重合性に加えて、ＬＣに対して不活性であることが可能であり、ＬＣ装置の動作温度の範囲（例えば、約−５０℃から約１００℃）にわたって安定した配向をもたらすべきあり、かつ本明細書で述べる製造方法に適合するべきである。光重合性ポリマーのいくつかの例には、ポリイミド（例えば、JSR Micro, Inc（カルフォニア州、サニーベール（Sunnyvale, Calif.））から市販されているＡＬ１２５４）、Brewer Science, Inc.（ミズーリ州、ローラ（Rolla, Mo.））から販売されているＮｉｓｓａｎ ＲＮ−１１９９、及びケイ皮酸エステル（例えば、Ｍ．シャット（M. Schadt）他により、「線形重合化されたフォトポリマーによる液晶の表面誘起並行配向（Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymer）」（Jpn. J. Appl. Phys., Vol.31(1992), pp. 2155-2164）に記載されているポリビニル４−メトキシ−ケイ皮酸エステル）が含まれる。光重合性ポリマーの別の例は、Vantico Inc.（カルフォルニア州、ロサンゼルス（Los Angeles, Calif.））から市販されているＳｔａｒａｌｉｇｎ．ＴＭ．である。さらなる例には、ドン・フン・チェ（Dong Hoon Choi）及び共同作業者により、「直接偏光されたＵＶの照射による、光化学的に二機能性のカルコン−エポキシ膜に対する低分子質量ネマティック液晶の光配向（Photo-alignment of Low-molecular Mass Nematic Liquid Crystals on Photochemically Bifunctional Chalocone-epoxy Film by Irradiation of a Linearly Polarized UV）」（Bull. Korean Chem. Soc., Vol. 23, No. 4587 (2002)）において開示されているもの等のカルコン−エポキシ材料、及びＭ．リー（M. Ree）及び共同作業者により、「感光性ポリマーの薄膜に対する液晶の配向挙動−−光反応基及びＵＶ暴露の効果（Alignment behavior of liquid-crystals on thin films of photosensitive polymers--Effects of photoreactive group and UV-exposure）」（Synth. Met., Vol. 117 (1-3), pp. 273-5 (2001)）において開示されているもの等のクマリン側鎖ポリイミドが含まれる（これらの材料では、ＬＣは、偏光の方向に対して略直交して配向する）。また、液晶配向の方法のさらなる例は、クローフォード（Crawford）他に対する米国特許第７，１９６，７５８号において検討されている。さらに、本明細書で述べるいくつかの構造は、スピンコーティングプロセスと液晶材料とのバランスによる精緻な作製法を含むことができる。本発明のいくつかの実施形態と共に用いられるさらなる構造及び／又は方法は、エスクーティ（Escuti）他に対する国際公開第２００６／０９２７５８号において検討されており、その開示内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子は、内部を通過する光の局所偏光状態及び伝播方向を周期的に変更する透明な薄膜ビームスプリッタである。対照的に、従来の直線偏光子は、入射光を単一偏光状態に変換し、その偏光状態の光が内部を通過するのを可能にするが、他の偏光状態の光は吸収することによって動作する可能性がある。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子は、空間的に可変の一軸性複屈折を有することができ（すなわち、ｎ（ｘ）＝［ｃｏｓ（πｘ／Λ），ｓｉｎ（πｘ／Λ），０］）、かつ最大１００％の非ゼロ次の回折効率を提供することができる。本明細書で用いる「ゼロ次」光は、入射光の方向に対して実質的に平行な方向に、すなわち入射角と実質的に同様の角度で伝播し、本明細書では「軸上」光とも呼ぶ。たとえば、以下に詳細に説明する実施形態のいくつかでは、入射光は、第１の偏光回折格子に対して垂直であり、したがって、これらの実施形態では、「ゼロ次」又は「軸上」光もまた、第１の偏光回折格子に対して実質的に垂直に伝播する。対照的に、「一次」光及び／又は「二次」光等の「非ゼロ次光」は、入射光に対して平行でない方向に伝播する。特に、二次光は、入射角に対して一次光より大きい角度で伝播する。したがって、一次光及び二次光を、本明細書ではまとめて「軸外」光と呼ぶ。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態は、２つの平行な偏光回折格子の連続した配置を使用して、入射光を著しい損失なしに回折させて２つのゼロ次ビームとすることができ、一方で２つの逆平行の偏光回折格子の連続した配置を使用して、入射光を著しい損失なしに回折させて２つの非ゼロ次ビームとすることができる、という理解から発生している。本明細書で使用するとき、「平行な」偏光回折格子配置は、複屈折ｎ（ｘ）が同じである第１の偏光回折格子及び第２の偏光回折格子を含み、すなわち、第１の偏光格子及び第２の偏光格子のそれぞれの複屈折パターンは、実質的に同じ向きを有している。対照的に、「逆平行の」偏光回折格子配置は、複屈折が反対である、すなわちｎ（ｘ）及びｎ（−ｘ）である第１の偏光回折格子及び第２の偏光回折格子を含む。言い換えれば、第２の偏光回折格子は、第１の偏光回折格子の複屈折パターンに対して反転又は約１８０度回転した複屈折パターンを有している。
【００３４】
したがって、本発明のいくつかの実施形態は、液晶（ＬＣ）層に対して位置決めされた２つ以上の偏光回折格子を含む偏光回折格子配置を提供する。この配置を使用して、偏光に関連する実質的な損失なしに、非偏光光及び／又は任意の偏光の光と直接動作する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置を提供することができる。より詳細には、第１の偏光回折格子及び第２の偏光回折格子を、それぞれ液晶層の入力及び出力に位置決めすることができる。こうした配置では、第２の偏光回折格子を、本明細書では概して「検光子」と呼び、したがって、それは、第１の偏光回折格子及び／又は液晶層から受け取る偏光光を「検光する」（すなわち偏光させる）。液晶層は、内部を通過する光の偏光に実質的に影響を与えない第１の状態と、内部を通過する光の偏光を「反転させる」（すなわち、光をその反対の又は直交する偏光に変換する）第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。たとえば、液晶層は、比較的高精度にかつ比較的広い帯域幅で、印可される電圧に応じてゼロと半波長遅延との間で電気的に切り換えることができる、切換可能な複屈折液晶層である。液晶層は、モノリシックであってもよく、又は複数のピクセルを含むピクセルアレイを画定してもよい。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子を用いて、著しい損失なしに入射光を回折させて２つのビームにすることができるため、第１の偏光回折格子を使用して、ＬＣ層に入力するために入射光を回折させて２つの非ゼロ次ビームにする（最大５０％効率で各ビームにする）ことができ、第２の偏光回折格子を使用して、ＬＣ層から出力される２つのビームを元の入射角に戻すように回折させて、ＬＣ層の状態に応じて表示スクリーンにゼロ次出力光を提供することができる。本発明のいくつかの実施形態は、本明細書で述べるように角度フィルタリング手段及び結像手段と組み合わせると、従来のＬＣＤ装置と比較して輝度が向上し（たとえば従来のＬＣＤ装置の輝度の２倍）かつ高コントラストな（最大５０００：１）ＬＣＤ装置を提供することができる。本発明の実施形態を、投射型ＬＣＤ装置（前方又は後方、反射型又は透過型）及び／又は直視型ＬＣＤ装置で使用することができる。
【００３６】
本明細書で使用するとき、回折格子配置の「透過率」は、出力光の強度を入力光の強度で割った値を指すものとし、したがって、回折格子層に他のすべての層又は基板を足した効果を含む。対照的に、本明細書で使用するとき、「回折効率」は、特定の回折次数の出力強度を透過した総光強度で割った値を指すものとし、それを正規化として使用して、基板及び／又は他の層の影響を除去することができる。
【００３７】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による多重偏光回折格子配置を示す。特に、図１Ａは、液晶層に電圧が印可されていない第１の状態にある二重偏光回折格子配置を示し、図１Ｂは、液晶層に電圧が印可されている第２の状態にある二重偏光回折格子配置を示す。ここで図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、二重偏光回折格子配置は、ガラス基板１１０及び１１５として示す透過性基板の間に設けられている、第１の偏光回折格子１０１と、液晶層１０３と、第２の偏光回折格子１０２とを含む。基板１１０及び／又は１１５は、たとえば透明な酸化インジウム錫（ＩＴＯ）コーティングによって提供されるように、その表面に１つ又は複数の電極（図示せず）を含んでもよい。偏光回折格子１０１及び１０２は、上にそれぞれの配向層１０７及び１０８を含み、液晶層１０３は、配向層１０７及び１０８によって提供される周期的な配向状態に従って偏光回折格子１０１と偏光回折格子１０２との間のセルギャップで配向される。液晶層１０３は、印可される電圧に応じて第１の方位と第２の方位との間で切り換えられるように構成されている液晶分子を有している。
【００３８】
偏光回折格子１０１及び１０２は、いかなる偏向状態も実質的に吸収することなく、入射光を偏光させかつ回折させて、偏光状態及び／又は伝播方向の異なる少なくとも２つのビームにするように構成されている。本発明のいくつかの実施形態で使用することができる偏光回折格子は、たとえば、エスクーティ（Escuti）他に対する、２００８年４月１６日に出願された「多層アクロマチック液晶偏光回折格子及び関連する製造方法（Multi-Layer Achromatic Liquid Crystal Polarization Gratings and Related Fabrication Methods）」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８９７号、及び／又はエスクーティ他に対する、２００８年４月１６日に出願された「低ねじれキラル液晶偏光回折格子及び関連する製造方法（Low-Twist Chiral Liquid Crystal Polarization Gratings and Related Fabrication Methods）」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８８８号に記載されており、それらの開示は参照によりその全体が述べられたかのように本明細書に援用される。
【００３９】
偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、少なくとも３つの回折次数（０、±１）、非ゼロ次数の直交円偏光、及び／又は非常に偏光感受型の非ゼロ次数（ストークスパラメータに対して線形に比例する可能性がある）等の回折特性を提供することができる。たとえば、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、回折効率が約５０％を上回り、いくつかの実施形態では約９０％を上回るよう入射光を回折させるように構成された複屈折パターンを有する異方性の周期的分子構造を含む重合液晶フィルムである。特に、入射円偏光では、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、非ゼロ次光に最大約１００％の効率を提供することができる。直線入射偏光又は非偏光入射光では、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、一次光のそれぞれに最大約５０％の効率を提供することができる。いくつかの実施形態では、偏光回折格子１０１及び／又は１０２は、複数の偏光回折格子層を有することができ、それらは、それぞれの周期的な局所異方性パターンが、間に位相シフトを画定するように互いに対して角度をなしかつ／又はそのそれぞれの厚さにわたってねじれ角だけ回転し（又は「ねじれ」）ている。また、偏光回折格子層のうちの１つ又は複数は、切換可能な液晶偏光回折格子を提供するように、ネマチック液晶層である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、偏光回折格子１０１及び１０２は、タイプ、厚さ、周期性及び／又は分子方位が同一であってもよい。たとえば、偏光回折格子１０１及び１０２は、それらの局所複屈折パターンが同じ向き、すなわち「平行な」配置を有するような周期的分子構造を有することができる。他の実施形態では、偏光回折格子１０１及び１０２の周期的分子構造は、それぞれの局所複屈折パターンが「逆平行」配置で反対に向けられて（すなわち、約１８０度回転）いてもよい。
【００４１】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、偏光回折格子１０１及び１０２は、逆平行配置を有する重合液晶層である。図１Ｃ及び図１Ｄは、偏光回折格子１０１及び１０２のネマチックダイレクタ方位をより詳細に示す代替図を提供する。特に、図１Ｃは、偏光回折格子１０１のネマチックダイレクタ方位１０１’を示し、図１Ｄは、偏光回折格子１０２の反対のネマチックダイレクタ方位１０２’を示している。しかしながら、他の実施形態では、偏光回折格子１０１及び１０２の分子構造は平行であってもよく、かつ同じ周期性を有していてもよいが、それらの局所異方性パターンが、約０度から約１８０度の間の角度シフト又は位相シフトによって互いに対してシフトするように角度をなしていてもよい。
【００４２】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、液晶層１０３は、ＬＣ分子がホメオトロピック配向を有する垂直配向ネマチック（vertically aligned nematic）（ＶＡＮ）型層である。したがって、液晶層１０３に電圧が印可されていないとき、図１Ａに示すように、ＬＣ分子は、偏光回折格子１０１及び１０２の隣接する面に対して垂直に配向される。このように配向された場合（本明細書では「ＯＦＦ」状態とも呼ぶ）、液晶層１０３は、その偏光状態に実質的に影響を与えることなく（すなわち、実質的にゼロ遅延で）光が内部を通過することを可能にすることができるように構成される。対照的に、図１Ｂに示すように、液晶層１０３にスイッチング電圧が印可されると、ＬＣ分子は、偏光回折格子１０１及び１０２の面に対して実質的に平行に配向される。図１Ｂに示すように配向された場合（本明細書では「ＯＮ」状態とも呼ぶ）、液晶層１０３は、内部を通過する光の偏光状態を変更するように構成される。いくつかの実施形態では、液晶層１０３は、厚さが、内部を通過する光の半波長遅延を提供するように構成されていてもよい。しかしながら、他の厚さ及び／又は位相シフトの液晶層を使用してもよい。
【００４３】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による二重偏光回折格子配置の動作例について、図１ＡのＯＦＦ状態及び図１ＢのＯＮ状態に関して説明する。ここで図１Ａを参照すると、第１の偏光回折格子１０１は、入力又は入射光１９０を偏光させて、偏光の異なる第１の成分のビーム１９５及び第２の成分のビーム１９６にするように構成されている。いくつかの実施形態では、入射光１９０は非偏光であってもよく、他の実施形態では偏光していてもよい。いくつかの実施形態では、第１のビーム１９５の偏光は、第２のビーム１９６の偏光に対して直交していてもよい。たとえば、第１のビーム１９５は左円偏光であってもよく、一方で第２のビーム１９６は右円偏光であってもよい。第１の偏光回折格子１０１はまた、第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６が入射光１９０と異なる伝播方向を有するように、入射光１９０を回折させるように構成されている。言い換えれば、ビーム１９５及び１９６は、入射光１０９の入射角に対して異なる回折角で伝播する。たとえば、入射光１９０を最大約５０％効率で回折させて、回折角が約±５℃から約±３０度の範囲、いくつかの実施形態では約±２０度である一次ビーム１９５及び１９６のそれぞれにすることができる。
【００４４】
図１Ａに示すように、ＯＦＦ状態では、液晶層１０３に電圧が印可されない。したがって、液晶層１０３の分子方位１０３ａは、第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６が、第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６のそれぞれの偏光に実質的に影響を与えることなく内部を透過するように構成されている。第２の偏光回折格子１０２も同様に、液晶層１０３から受け取られる第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６を検光しかつ回折させるように構成されている。第２の偏光回折格子１０２は、第１の偏光回折格子１０１に対して逆平行であるため、ＬＣ層１０３がＯＦＦ状態であるとき、第２の偏光回折格子１０２は、左円偏光ビーム１９５及び右円偏光ビーム１９６の偏光をそれぞれ右円偏光ビーム及び左円偏光ビームに変化させ、ビーム１９５及び１９６のそれぞれの伝播方向を変更して、入射光１９０の伝播方向から離れる方向に（すなわち入射角から離れる方向に）さらに回折する出力光１９９ａを透過させる。より全体的には、第２の偏光回折格子１０２は、ビーム１９５及び１９６を、液晶層１０３から出力されている後のそれらのそれぞれの偏光に基づいて異なる方向又は角度になるように回折させるように構成されている。この「一次」出力光１９９ａは、入射光１９０と実質的に同じ強度を有することができるが、後により詳細に説明するように、コントラストを向上させるために、表示スクリーンまで伝達されないように阻止しかつ／又は他の方法で防止することができる。
【００４５】
ここで図１Ｂを参照すると、第１の偏光回折格子１０１は、同様に、入射光１９０を偏光させかつ回折させて、入射光１９０に対して偏光及び伝播方向の異なる第１の成分のビーム１９５及び第２の成分のビーム１９６にするように構成されている。たとえば、上述したように、第１のビーム１９５は左円偏光であってもよく、第２のビーム１９６は右円偏光であってもよい。しかしながら、液晶層１０３にスイッチング電圧が印可されると、液晶層１０３の分子方位１０３ｂは、内部を通過する第１のビーム１９５及び第２のビーム１９６のそれぞれの偏光を変更するように構成されている。上記例では、ＯＮ状態にある液晶層１０３は、左円偏光ビーム１９５及び右円偏光ビーム１９６の偏光を半波長（すなわち１８０度）遅延させることにより、右円偏光ビーム１９５’及び左円偏光ビーム１９６’を提供することができる。第２の偏光回折格子１０２は、液晶層１０３から受け取られるビーム１９５’及び１９６’を検光しかつ回折させるように構成されている。しかしながら、ビーム１９５’及び１９６’が、図１Ａにおける液晶層１０３から出力されるものとは反対の円偏光を有するため、第１の偏光回折格子１０１、１０２に対して逆平行である第２の偏光回折格子は、ビーム１９５’及び１９６’のそれぞれの伝播方向を変更して、入射光１９０の伝播方向に向かって回折する出力光１９９ｂを透過させるように構成されている。特に、図１Ｂに示すように、第２の偏光回折格子１０２は、液晶層１０３がＯＮ状態にあるとき、出力光１９９ｂが入射光１９０の方向に対して実質的に平行な（すなわち、入射角から向かう）方向に伝播するように、ビーム１９５’及び１９６’を平行に向け直す。偏光回折格子１０２は、最大１００％の効率で、入射する円偏光ビーム１９５’及び１９６’を回折させることができる。したがって、「ゼロ次」出力光１９９ｂは、いくつかの実施形態では、入射光１９０と実質的に同様の強度を有することができ、それにより、後に詳細に説明するように、出力光１９９ｂを著しい偏光関連の損失なしに表示スクリーンまで伝達することができ、輝度を向上させることができる。
【００４６】
垂直配向ネマチック（ＶＡＮ）液晶層１０３に関して上述したが、液晶層１０３を提供するために他のタイプの液晶材料を使用してもよいことが理解されるべきである。たとえば、いくつかの実施形態では、液晶層１０３として、電圧が印可されていないときにＬＣ分子が偏光回折格子１０１及び１０２の表面に対して平行に均質に配向される、均一な平面液晶層を用いてもよい。他の液晶材料を使用してもよい。こうした材料は、本技術分野において既知であり、本明細書においてさらに説明する必要はない。また、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、偏光回折格子１０１及び１０２並びに液晶層１０３が透過性基板１１０及び１１５の間に設けられる配置に関して図示しているが、たとえば図２Ａ〜図４Ｃにおいて後述するように、いくつかの実施形態では、透過性基板１１０及び１１５並びに液晶層１０３を偏光回折格子１０１及び１０２の間に設けてもよいことが理解されるべきである。
【００４７】
図２Ａ及び図２Ｂは、直視型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置に実装する本発明のいくつかの実施形態による多重偏光回折格子配置を示す。特に、図２Ａは、逆平行配置で実装されている偏光回折格子２０１ａ及び２０２ｂ（すなわち、そのネマチックダイレクタパターンが反対の旋光性を有する）を含むＬＣＤ装置２００ａを示し、図２Ｂは、平行配置で実装される偏光回折格子２０１ｂ及び２０２ｂ（すなわち、そのネマチックダイレクタパターンが同じ旋光性を有する）を含むＬＣＤ装置２００ｂを示している。ＬＣＤ装置２００ａ及び２００ｂは、それぞれ、光源２０５と、上に配向層２０７及び２０８を有する透過性基板２１０及び２１５と、透過性基板２１０と透過性基板２１５との間にありかつ配向層２０７及び２０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層２０３とを有している。図２Ａ及び図２Ｂは、液晶層２０３を、例として２つのピクセルを含むように示すが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層２０３は、それより少ないか又は多いピクセルを有していてもよい。ＬＣＤ装置２００ａ及び２００ｂは、マイクロレンズ２２５及び２２６並びにピンホール開口２２０を含む角度フィルタリングステージ２２７と、表示スクリーン２３０とをさらに含んでいる。光源２０５には、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースのランプ、バックライト及び／又は非偏光光２９０を放出するように構成された他の光源が含まれ得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、光源２０５を、偏光光を放出するように構成してもよいことが理解されるべきである。角度フィルタリングステージ２２７は、入射光２９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光が、表示スクリーン２３０に結像するのを可能にするが、入射光２９０に対して平行に伝播していない出力光を阻止するように構成されている。
【００４８】
ここで、ＬＣＤ装置２００ａ及び２００ｂの動作例について説明する。ここで図２Ａの逆平行偏光回折格子配置を参照すると、光源２０５からの非偏光入射光２９０は、第１の偏光回折格子２０１ａに入り、偏光しかつ回折して、異なる非ゼロ次伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム２９５ａ（左円偏波）及び２９６ａ（右円偏光）になる。偏光回折格子２０１ａの回折効率に応じて、ビーム２９５ａ及び２９６ａは、各次数において略５０％、可視光の全波長（たとえば約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）を含むことができる。両ビーム２９５ａ及び２９６ａは、ＯＦＦ状態である第１のピクセル２０４及びＯＮ状態である第２のピクセル２０６を含むように示すＬＣ層２０３を通過する。ＯＦＦピクセル２０４を通過しているビーム２９５ａ及び２９６ａは、それらのそれぞれの偏光は変化せず、その後、第２の偏光回折格子２０２ａにより検光されかつ回折して、非偏光入力光２９０の入射角に対してより大きい角度の出力光２９９ａになる。そして、この軸外出力光２９９ａは、表示スクリーン２３０に達しないように角度フィルタリングステージ２２７によって阻止される。したがって、「暗い」ピクセル２３２（入力光２９０の０％程度を表わす）が見る人に提示される。
【００４９】
対照的に、ＯＮピクセル２０６を通過しているビーム２９５ａ及び２９６ａは、半波長遅延し、共に、それぞれ反対の円偏波２９５ａ’（右円偏波）及び２９６ａ’（左円偏波）に変換される。そして、ビーム２９５ａ’及び２９６ａ’は、第２の偏光回折格子２０２ａにより検光されかつ回折して、入力光２９０の元の入射角と実質的に同様の角度の出力光２９９ｂになる。この軸上光２９９ｂは、角度フィルタリングステージ２７７を介して表示スクリーン２３０に提供される。したがって、「明るい」ピクセル２３４（入射光２９０の強度／輝度の最大１００％を表わす）が見る人に提示される。
【００５０】
ここで、図２Ｂの平行な偏光回折格子配置を参照すると、光源２０５からの非偏光入力光２９０は、第１の偏光回折格子２０１ｂにより同様に偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム２９５ｂ（左円偏光）及び２９６ｂ（右円偏光）になる。液晶層２０３のＯＦＦピクセル２０４を通過しているビーム２９５ｂ及び２９６ｂは、それらのそれぞれの偏光は変化せず、一方でＯＮピクセル２０６を通過しているビーム２９５ｂ及び２９６ｂは、半波長遅延して、それぞれ反対の円偏光２９５ｂ’（右円偏光）及び２９６ｂ’（左円偏光）を提供する。したがって、ビーム２９５ｂ’及び２９６ｂ’は、偏光が変化するため、第２の偏光回折格子２０２ｂにより検光されかつ回折して軸外出力光２９９ａを伝達し、この軸外出力光２９９ａは角度フィルタリングステージ２２７によって阻止される。対照的に、ビーム２９５ｂ及び２９６ｂは、第２の偏光回折格子２０２ｂによって検光されかつ回折して軸上出力光２９９ｂを伝達し、この軸上出力光２９９ｂは、角度フィルタリングステージ２２７を介して表示スクリーン２３０に提供される。したがって、図２Ｂの実施形態では、ＯＦＦピクセル２０４は明るいピクセル２３４を提供し、ＯＮピクセル２０６は暗いピクセル２３２を提供する。
【００５１】
したがって、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述した本発明のいくつかの実施形態は、従来のＬＣＤ装置の輝度の２倍である直視型ＬＣＤ装置を提供することができる。いくつかの実施形態では、偏光回折格子２０１及び２０２は、赤色光、緑色光及び青色光を含む広い波長範囲に対して比較的高いコントラストを達成するように使用されるアクロマチック偏光回折格子である。さらに、本発明のいくつかの実施形態では、視角を拡大するためにディフューザ（図示せず）を含めることができる。同様に、いくつかの実施形態では、角度フィルタリングステージ２２７として、軸外光を阻止し軸上光を通過させるプライバシフィルム（３Ｍ（登録商標）社製のもの等）を使用してもよい。
【００５２】
図３Ａ〜図３Ｃは、液晶マイクロディスプレイを含む投射型システムに実装される本発明のいくつかの実施形態による多重偏光回折格子を示す。特に、図３Ａは、透過モードの投射型ＬＣＤ装置３００ａを示し、図３Ｂ及び図３Ｃは、反射モードの投射型ＬＣＤ装置３００ｂ及び３００ｃを示す。ＬＣＤ装置３００ａ〜３００ｃは、それぞれ、第１の偏光回折格子３０１及び第２の偏光回折格子３０２と、上に配向層３０７及び３０８を含む基板３０５ａ／３０５ｂ／３０５ｃ及び３１５と、基板３０５ａ／３０５ｂ／３０５ｃと基板３１５との間にありかつ配向層３０７及び３０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層３０３とを有している。偏光回折格子３０１及び３０２は、偏光回折格子３０１の複屈折パターンが偏光回折格子３０２の複屈折パターンに対して反転している（すなわち、約１８０度回転している）逆平行配置を有している。液晶層３０３は、例として２つのピクセルを含むように示すピクセルアレイを画定しているが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層３０３は、それより少ないか又は多いピクセルを有していてもよい。ＬＣＤ装置３００ａ〜３００ｃは、投影レンズ３２５及び３２６並びに開口絞り３２０を含む角度フィルタリングステージ３２７と、表示スクリーン３３０とをさらに有している。角度フィルタリングステージ３２７は、入力／入射光３９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光（すなわちゼロ次光）が表示スクリーン３３０に結像するのを可能にするが、入射光３９０に対して平行な方向に伝播していない出力光（すなわち、一次光及び／又は二次光）を阻止するように構成されている。
【００５３】
ここで、ＬＣＤ装置３００ａ〜３００ｃの動作例について説明する。ここで図３Ａを参照すると、非偏光入射光３９０は、第１の偏光回折格子３０１に入り、偏光し回折して、異なる非ゼロ次伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム３９５ａ（左円偏光）及び３９６ａ（右円偏光）になる。偏光回折格子３０１の回折効率により、ビーム３９５ａ及び３９６ａは、各次数において略５０％、可視光のすべての波長を含むことができる。両ビーム３９５ａ及び３９６ａは、透過性基板３０５ａと、ＯＦＦ状態である第１のピクセル３０４とＯＮ状態である第２のピクセル３０６とを含むように示すＬＣ層３０３とを通過する。ＯＦＦピクセル３０４を通過しているビーム３９５ａ及び３９６ａは、それらのそれぞれの偏光は変化せず、透過性基板３１５を透過し、その後、第２の偏光回折格子３０２によって検光されかつ回折して、非偏光入力光３９０の入射角に対してより大きい角度の出力光３９９ａになる。そして、この軸外出力光３９９ａは、角度フィルタリングステージ３２７によって阻止され、それにより、光３９９ａは表示スクリーン３３０に達しない。したがって、入力光３９０の０％程度を表わす「暗い」ピクセル３３２が、見る人に見える。
【００５４】
対照的に、さらに図３Ａを参照すると、ＯＮピクセル３０６を通過しているビーム３９５ａ及び３９６ａは、半波長遅延し、共に、それぞれ反対の円偏波３９５ａ’（右円偏波）及び３９６ａ’（左円偏波）に変換される。そして、ビーム３９５ａ’及び３９６ａ’は、第２の偏光回折格子３０２によって回折して、入力光３９０の元の入射角と実質的に同様の角度の出力光３９９ｂになる。この軸上（すなわちゼロ次）光３９９ｂは、角度フィルタリングステージ３２７によって通過が可能となり、表示スクリーン３３０に投射され結像する。したがって、入力光３９０の強度／輝度の最大１００％を表わす「明るい」ピクセル３３４が見る人に提示される。したがって、ＯＮピクセル３０６からの光３９９ｂの略すべてがスクリーン３３０に提供されるが、ＯＦＦピクセル３０４からの光３９９ｂのほとんどすべてがスクリーン３３０に提供されない。したがって、ＬＣ層３０３が、複数のピクセルを含むピクセルアレイを画定するとき、図３Ａのプロジェクター型ＬＣＤ装置３００ａを使用して、実行可能な画像を投射することができる。
【００５５】
図３Ｂは、図３Ａの透過性基板３０５ａの代りに反射性基板３０５ｂを含む、非テレセントリック投射型ＬＣＤ装置３００ｂを示す。ここで図３Ｂを参照すると、非偏光入射光３９０は同様に、偏光回折格子３０２によって偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム３９５ｂ（左円偏波）及び３９６ｂ（右円偏波）になる。入射光３９０は、いくつかの実施形態では、回折方向に比較して面外であってもよい。両ビーム３９５ｂ及び３９６ｂは、透過性基板３１５及びＬＣ層３０３を通過する。液晶層３０３のＯＦＦピクセル３０４を通過しているビーム３９５ｂ及び３９６ｂは、それぞれの偏光が変化しないが、反射性基板３０５ｂによって反射されて、反対の偏光になり再びＬＣ層３０３を通り偏光回折格子３０２に向かい、偏光回折格子３０２は、ビーム３９５ｂ及び３９６ｂを検光しかつ回折させて軸上出力光３９９ｂを提供する。軸上出力光３９９ｂは、角度フィルタリングステージ３２７によって通過が可能となり、表示スクリーン３３０に投射されかつ結像して、見る人に明るいピクセル３３４を提示する。
【００５６】
さらに図３Ｂを参照すると、ＯＮピクセル３０６を通過しているビーム３９５ｂ及び３９６ｂは、半波長遅延して反対の円偏波のビームを提供し、それらは、反射性基板３０５ｂによって反射されて、戻ってＬＣ層３０３を通り偏光回折格子３０２に向かう。より詳細には、図３ＢのＬＣ層は、厚さが、図３ＡのＬＣ層の厚さの約半分であってもよく、したがって、反射性基板３０５ｂによる反射の前及び後の両方でビーム３９５ｂ及び３９６ｂの１／４波長遅延を提供することができる。偏光回折格子３０２は、ビーム３９５ｂ及び３９６ｂを検光しかつ回折させて軸外出力光３９９ａを提供し、それは角度フィルタリングステージ３２７によって阻止され、それにより、光３９９ａは表示スクリーン３３０に達することなく、暗いピクセル３３２が見る人に提示される。
【００５７】
図３Ｃは、図３Ａの透過性基板３０５ａの代りに反射性基板３０５ｃを含むテレセントリック投射型ＬＣＤ装置３００ｃを示す。ここで図３Ｃを参照すると、非偏光入射光３９０は、同様に第１の偏光回折格子３０１によって偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム３９５ｃ（左円偏光）及び３９６ｃ（右円偏光）になる。そして、ビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、レンズ３２９ａにより反射性開口絞り３４５に向けられ、反射性開口絞り３４５は、ビームを反対の偏光になるようにかつレンズ３２９ｂを通り第２の偏光回折格子３０２に向かうように反射する。第２の偏光回折格子３０２は、反射性開口絞り３４５によって反射されるビーム３９５ｃ及び３９６ｃを検光しかつ回折させ、両ビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、透過性基板３１５及びＬＣ層３０３を通過する。液晶層３０３のＯＦＦピクセル３０４を通過しているビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、それぞれの偏光が変化しないが、反射性基板３０５ｃによって反射されて、反対の偏光になり、再びＬＣ層３０３を通り第２の偏光回折格子３０２に向かい、第２の偏光回折格子３０２は、この場合もまた、ビーム３９５ｃ及び３９６ｃを検光しかつ回折させて軸外出力光３９９ａを提供する。軸外出力光３９９ａは、反射性開口絞り３４５によって阻止され、光３９９ａは表示スクリーン３３０に達することなく、暗いピクセル３３２が見る人に提示される。
【００５８】
さらに図３Ｃを参照すると、ＯＮピクセル３０６を通過しているビーム３９５ｃ及び３９６ｃは、半偏波遅延して反対の円偏波のビームを提供し、それは、反射性基板３０５ｂによって反射されて、再びＬＣ層３０３を通り第２の偏光回折格子３０２に向かう。より詳細には、ＬＣ層３０３は、反射性基板３０５ｃによる反射の前及び後の両方でビーム３９５ｃ及び３９６ｃの１／４波長遅延を提供する。第２の偏光回折格子３０２は、この場合もまた、ビーム３９５ｃ及び３９６ｃを検光しかつ回折させて、軸上出力光３９９ｂを提供し、それは反射性開口絞り３４５によって通過が可能となり、投影レンズ３２５／３２６により表示スクリーン３３０上に投射されかつ結像して、見る人に明るいピクセル３３４を提示する。
【００５９】
したがって、図３Ａ〜図３Ｃを参照して上述した本発明のいくつかの実施形態は、従来のＬＣＤ装置の輝度の２倍である投射ベースのＬＣＤ装置を提供することができる。また、偏光回折格子３０１及び／又は３０２は、赤色光、緑色光及び青色光を含む広い波長範囲に対して比較的高いコントラストを達成するようにアクロマチックである。図３Ａでは、偏光回折格子３０１と偏光回折格子３０２との間に透過性基板３０５ａ及び３１５が含まれるように示しているが、図１Ａ及び図１Ｂに同様に示すように、いくつかの実施形態では、偏光回折格子３０１及び３０２を基板３０５ａと基板３１４との間に設けてもよいことが理解されるべきである。さらに、非偏光入力光３９０に関して示したが、いくつかの実施形態では、図３Ａ〜図３Ｃの投射型システムに偏光入力光を使用してもよいことが理解されるべきである。また、図３Ａ〜図３Ｃに示す配置と共に、既知の遅延補償技法を用いてもよい。
【００６０】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明のさらなる実施形態による、それぞれ投射型システム４００ａ及び３００ｂに実装される多重偏光回折格子配置を示す。特に、ＬＣＤ装置４００ａ及び４００ｂは、それぞれ、第１の偏光回折格子４０１及び第２の偏光回折格子４０２と、上に配向層４０７及び４０８を含む基板４１０及び４１５と、基板４１０と基板４１５との間にありかつ配向層４０７及び４０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層４０３とを含む。偏光回折格子４０１及び４０２は、偏光回折格子４０１の複屈折パターンが偏光回折格子４０２と同じ向きである平行配置を有している。液晶層４０３は、例として２つのピクセルを有するように示すピクセルアレイを画定しているが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層４０３は、それより少ないか又は多いピクセルを有していてもよい。ＬＣＤ装置４００ａ〜４００ｂは、投影レンズ４２５及び４２６並びに開口絞り４２０を含む角度フィルタリングステージ４２７と、表示スクリーン４３０とをさらに有している。角度フィルタリング４２７は、入射光４９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光（すなわち、ゼロ次光）が表示スクリーン４３０上に結像することを可能にするが、入射光４９０に対して平行な方向に伝播していない出力光（すなわち一次光及び／又は二次光）を阻止するように構成されている。
【００６１】
多くの投射型ディスプレイ設計において、光源からの入力光は軸上で提供され、マイクロディスプレイからの画像を、投影レンズにより、明視野（すなわち、ゼロ次、軸上光）又は暗視野（一次、軸外光）のいずれかで収集することができる。したがって、こうした設計は、投射光学系を、光が視野に対して垂直に伝播するようにテレセントリック構成で配置することができ、ゼロ次（すなわち軸上）光を比較的小さい開口で収集することができる。対照的に、図４Ａ及び図４Ｂに示す本発明のいくつかの実施形態は、投影レンズ又はマイクロレンズアレイ４０５を使用して一次（すなわち軸外）回折光を収集することによりコントラスト（したがって画質）を向上させる。入射光４９０が、ＬＣ層４０３に軸外で（すなわち、一次角及び／又は二次角で）入るように配置されている場合、明るいピクセル構成の特性と暗いピクセル構成の特性が逆転する場合もある。言い換えれば、軸上光においてより優れたコントラストが観察される。
【００６２】
図４Ａは、液晶層４０３及び第２の偏光回折格子４０２に軸外光を提供する結像源としてのレンズ４０５をさらに含む、ＬＣＤ装置４００ａを示す。特に、非偏光光４９０は、第１の偏光回折格子４０１に入り、偏光し回折して、異なる非ゼロ次伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム４９５ａ（左円偏光）及び４９６ａ（右円偏光）になる。偏光回折格子４０１の回折効率のために、ビーム４９５ａ及び４９６ａは、それぞれ、各次数において略５０％、赤色光、緑色光及び青色光を有することができる。レンズ４０５は、液晶層４０３及び第２の偏光回折格子４０２に対称的な軸外入力光を提供するようにビーム４９５ａ及び４９６ａを結像させる。両ビーム４９５ａ及び４９６ａは、透過性基板４１０と、ＯＦＦ状態である第１のピクセル４０４及びＯＮ状態である第２のピクセル４０６を含むように示すＬＣ層４０３とを通過する。ＯＦＦピクセル４０４を通過しているビーム４９５ａ及び４９６ａは、それぞれの偏光が変化せず、透過性基板４１５を透過し、その後、第２の偏光回折格子４０２によって検光され回折して、入射非偏光光４９０の入射角に対してより大きい角度の出力光４９９ａになる。この軸外出力光４９９ａは、角度フィルタリングステージ４２７によって阻止され、それにより光４９９ａは表示スクリーン４３０に到達しない。したがって、入力光４９０の０％程度を表わす「暗い」ピクセル３４２が、見る人に見える。
【００６３】
対照的に、ＯＮピクセル４０６を通過しているビーム４９５ａ及び４９６ａは半波長遅延し、共に、それぞれ反対の円偏波４９５ａ’（右円偏波）及び４９６ａ’（左円偏波）に変換される。そして、ビーム４９５ａ’及び４９６ａ’は、第２の偏光回折格子４０２によって検光されかつ回折して、入力光４９０の元の入射角と実質的に同様の角度である出力光４９９ｂになる。この軸上（すなわちゼロ次）光４９９ｂは、角度フィルタリングステージ４２７によって通過が可能になり、表示スクリーン４３０上に投射されかつ結像する。したがって、入力光４９０の強度／輝度の最大１００％を表わす「明るい」ピクセル４３４が、見る人に提示される。
【００６４】
図４Ｂは、軸外光を第２の偏光回折格子４０２に提供するように、液晶層４０３の後にレンズ４０５を配置する同様のＬＣＤ装置４００ｂを示す。したがって、図４Ａを参照して同様に上述したように、非偏光入力光４９０は、第１の偏光回折格子４０１により偏光しかつ回折されて、入射光４９０の伝播方向に対して異なる伝播方向を有する２つの直交する円偏光ビーム４９５ｂ（左円偏波）及び４９６ｂ（右円偏波）になる。ビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、透過性基板４１０及び液晶層４０３を通過する。液晶層４０３のＯＦＦピクセル４０４を通過しているビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、それぞれの偏光が変化しないが、ＯＮピクセル４０６を通過しているビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、半波長遅延して、それぞれ反対の円偏光４９５ｂ’（右円偏光）及び４９６ｂ’(左円偏光）のビームを提供する。レンズ４０５は、第２の偏光回折格子４０２内に対照的な軸外入力光を提供するように、ビーム４９５ｂ〜４９６ｂ及び／又は４９５ｂ’〜４９６ｂ’を結像させる。ビーム４９５ｂ及び４９６ｂは、第２の偏光回折格子４０２によって検光されかつ回折して、軸外出力光４９９ａを提供し、それは角度フィルタリングステージ４２７によって阻止される。ビーム４９５ｂ’及び４９６ｂ’は、図４Ａを参照して同様に上述したように、第２の偏光回折格子４０２によって検光されかつ回折して軸上出力光４９９ｂを提供し、それは、角度フィルタリングステージ４２７を介して表示スクリーン４３０に提供される。
【００６５】
したがって、図４Ａ及び図４Ｂを参照して上述した本発明のいくつかの実施形態は、従来のＬＣＤ装置に対してコントラストを向上させることができる投射ベースのＬＣＤ装置を提供することができる。非偏光入力光４９０に関して示したが、いくつかの実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂの投射型システムにおいて偏光入射光を使用してもよいことが理解されるべきである。また、いくつかの実施形態では、ＬＣ層４０３、基板４１０及び４１５並びに偏光回折格子４０２の代りに、エスクーティ他に対する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８８８に記載されているもののような切換可能な液晶偏光回折格子を使用してもよい。したがって、こうした実施形態は、偏光回折格子４０１及び４０２の連続した配置を提供し、そこでは、偏光回折格子４０１及び４０２の少なくとも一方が、内部を通過している光のそれぞれの偏光及び／又は伝播方向を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過している光のそれぞれの偏光及び伝播方向を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成されている。偏光回折格子４０１及び４０２の他方は、上述したように、入力光を偏光させかつ回折させるように構成された固定のすなわち切換不能の回折格子である。言い換えれば、本発明のいくつかの実施形態は、２つの偏光回折格子の連続した配置であって、それらの一方又は両方を切換可能とすることができ、かつそれらの一方又は両方をピクセル化することができる配置を含むことができる。
【００６６】
図５は、本発明のさらなる実施形態による投射型システム５００で実装される多重偏光回折格子配置を示す。特に、ＬＣＤ装置５００は、第１の偏光回折格子５０１及び５０２と、上に配向層５０７及び５０８を含む基板５１０及び５１５と、基板５１０と基板５１５との間にありかつ配向層５０７及び５０８によって提供される周期的な配向状態に従って配向される液晶層５０３とを有している。偏光回折格子５０１及び５０２は平行な配置を有している。液晶層５０３は、例として２つのピクセルを有しているように示すピクセルアレイを画定するが、本発明のいくつかの実施形態では、液晶層５０３はそれより少ないか又は多いピクセルを有することができる。ＬＣＤ装置５００は、投影レンズ５２５及び５２６並びに開口絞り５２０を含む角度フィルタリングステージ５２７と、表示スクリーン５３０とをさらに含む。角度フィルタリングステージ５２７は、入射光５９０に対して実質的に平行な方向に伝播している出力光（すなわち、ゼロ次光）が表示スクリーン５３０上に結像するのを可能にするが、入射光５９０に対して平行な方向に伝播していない出力光（すなわち、一次光及び／又は二次光）を阻止するように構成されている。
【００６７】
さらに図５を参照すると、ＬＣＤ装置５００は、第１の偏光回折格子５０１及び第２の偏光回折格子５０２の後にオフセット補償器５５０をさらに含む。オフセット補償器５５０は、第３の偏光回折格子５５１及び第４の偏光回折格子５５２とそれらの間の中間層５５３とを有している。中間層５５３は、厚さｔが、液晶層５０３と第２の偏光回折格子５０２との間の距離ｄと実質的に同様であり、いくつかの実施形態では透過性基板である。偏光回折格子５５１及び５５２は、偏光回折格子５５１の局所的なネマチックダイレクタ方位が偏光回折格子５５２と同じ旋光性であるように平行な配置を有している。オフセット補償器５５０は、偏光回折格子５０２によって伝達される出力光の空間オフセットを、その伝播方向を実質的に変更することなく実質的に低減しかつ／又は除去し、この光を、表示スクリーン５３０上に結像させるために角度フィルタリングステージ５２７に提供する。言い換えれば、厚さｔの中間層５５３を有するオフセット補償器５５０は、偏光回折格子５０２からの光の空間オフセットからもたらされる視差問題を改善することができる。
【００６８】
より詳細には、図５に示すように、非偏光入射光５９０は、第１の偏光回折格子５０１により偏光し回折して、２つの直交する円偏光ビーム５９５（左円偏光）及び５９６（右円偏光）になる。液晶層５０３のＯＦＦピクセル５０４を通過しているビーム５９５及び５９６は、それぞれの偏光が変化せず、ＯＮピクセル５０６を通過しているビーム５９５及び５９６は半波長遅延して、それぞれ反対の円偏波５９５’（右円偏光）及び５９６’（左円偏光）のビームを提供する。ビーム５９５’及び５９６’は、第２の偏光回折格子５０２によって検光されかつ回折して軸外出力光５９９ａを伝達し、一方で、ビーム５９５及び５９６は、第２の偏光回折格子５０２により検光されかつ回折して軸上出力光５９９ｂを伝達する。
【００６９】
第３の偏光回折格子５５１は、第２の偏光回折格子５０２から伝達される光を受け取り、軸上ビーム５９９ｂ及び軸外ビーム５９９ａを回折させて、それぞれ軸外ビーム５９９ｂ’及び軸上ビーム５９９ａ’にする。中間層５５３は、両ビーム５９９ｂ’及び５９９ａ’を、それらの伝播方向を実質的に変更することなく厚さｔを通して第４の偏光回折格子５５２に伝達する。第４の偏光回折格子５５２は、軸上ビーム５９９ｂ’及び軸外ビーム５９９ａ’を回折させて、それぞれ軸外ビーム５９９ｂ’’及び軸上ビーム５９９ａ’’に戻し、第２の偏光回折格子５０２を透過したビーム５９９ｂ及び５９９ａと同じ偏光及び方向であるが、空間オフセットが低減した、オフセット補償された出力光を提供する。特に、中間層の厚さにより、視差問題をもたらす、液晶層５０３と第２の偏光回折格子５０２との間の距離ｄからもたらされるオフセットを補償するために、空間オフセットがもたらされる。したがって、軸外出力光５９９ａ’’は、角度フィルタリングステージ５２７によって阻止されることにより、暗いピクセル５３２を見る人に提示し、一方で、軸上出力光５９９ｂ’’は、角度フィルタリングステージ５２７によって通過が可能となり、表示スクリーン５３０上に投射されかつ結像することにより、見る人に明るいピクセル５３４を提示する。
【００７０】
いくつかの実施形態では、中間層５５３は、液晶層５０３と第２の偏光回折格子５０２との間の透明基板５１５に類似する（すなわち、同じ厚さ及び／又は同じ屈折率を有する）基板である。中間層５５３内の第１のビーム及び第２のビームの光路長を、透明基板５１５内の第１のビーム及び第２のビームの光路長と一致させてもよい。この光路長は、中間層５５３の材料の回折角、厚さｔ及び／又は光学指数（屈折率）によって決まり得る。いくつかの実施形態では、中間層５５３は、ガラス等の等方性かつ透明な媒体である。
【００７１】
図６は、図７Ａ〜図７Ｇのシミュレーションデータを提供するために使用される本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置に対するシミュレーション空間例を示す。ここで図６を参照すると、均質に配向されたＬＣ分子を含む均一な平面液晶層６０３が、アクロマチック偏光回折格子６０１及び６０２上の配向層６０７と配向層６０８との間に設けられ、偏光回折格子６０１及び６０２は、透過性基板６１０と透過性基板６１５との間に設けられている。ＬＣ層６０３は、印可される電圧に応じて、入力光を遅延させない「ＯＦＦ」状態と、入力光を半波長遅延させる「ＯＮ」状態との間で切り換えられるように構成されている。ＬＣ層６０３の特徴には、約１．７μｍの厚さｄ（偏光回折格子６０１及び６０２の対向する面の間の方向に沿って測定）と、約１．４２の常光線屈折率ｎｏと、約０．１５９の直線複屈折Δｎとが含まれる。
【００７２】
偏光回折格子６０１は、２つの偏光回折格子層６０１ａ及び６０１ｂを含む。偏光回折格子層６０１ａ及び６０１ｂは、旋光性が反対であるキラル分子（すなわち、異なる左回り形態及び右回り形態を有する非対称分子）を含む。したがって、偏光回折格子層６０１ａの分子方位は、その厚さにわたって回転し又は−７０度のねじれ角Φで「ねじれて」いることにより、その局所異方性パターンにおける連続した位相シフトを提供する。偏光回折格子層６０１ｂの分子方位は、その厚さにわたって＋７０度のねじれ角Φで反対にねじれている。したがって、偏光回折格子６０１は、ねじれの向きが反対である２つの偏光回折格子層６０１ａ及び６０１ｂを有している。偏光回折格子６０２は、同様に、それぞれ−７０度及び＋７０度の反対のねじれ角Φを有する２つの偏光回折格子層６０２ａ及び６０２ｂを有している。偏光回折格子６０１及び６０２のそれぞれの他の特徴には、約１〜４μｍの光学ピッチと、約１．４２の常光線屈折率ｎｏと、約０．１５９の直線複屈折Δｎと、逆平行配置とが含まれる。
【００７３】
偏光回折格子６０１及び６０２の透過性基板６１０及び６１５それぞれとの境界面に、屈折率反射防止（ＡＲ）コーティング６０６が施されている。シミュレーション空間を終端させかつ／又はシミュレーション時間を低減するために、周期的境界６１１及び一軸完全整合層（Uniaxial Perfectly Matched Layer）（ＵＰＭＬ）技法を使用する整合層境界６１２を採用することができる。入力／入射光６０９は、偏光回折格子６０１の前のライン６１３において提供される、中心波長λ０が約５５０ｎｍであるガウスパルスであり、出力回折効率を、偏光回折格子６０２の直後のライン６１４における電界から計算することができる。偏光回折格子６０１及び６０２は、グリッド間隔がλ０／４０＝１３．７５ｎｍであり、これはグリッド密度Ｎが４０であるとも言える。
【００７４】
図７Ａ〜図７Ｇは、ＬＣ層６０３に対する印可電圧を変化させることにより、約０度〜約９０度の範囲にわたりＬＣ層６０３の分子の傾斜角θｔｉｌｔを変化させることに応じて、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置に対する回折特性を示すシミュレーション結果を示す。より詳細には、図７Ａ〜図７Ｆは、偏光回折格子６０１及び６０２の対向する面に対する、それぞれ異なる傾斜角（θｔｉｌｔ）９０度、６０度、４５度、３０度、１５度及び０度に対する正規化された遅延（Δｎｄ／λ）の関数としての、ゼロ次、一次及び二次回折効率を示す。ゼロ次回折効率の和は、図７Ａ〜図７Ｆでは波形７００ａ〜７００ｆによってそれぞれ表されており、入力光６９０の角度に対して実質的に平行な角度で伝播する、偏光回折格子配置から出力される光を示す。同様に、図７Ａ〜図７Ｆでは、一次回折効率の和（入力光６９０と異なる角度で伝播する、偏光回折格子配置から出力される光を示す）は、波形７０１ａ〜７０１ｆで表されており、二次回折効率の和（入力光６９０の角度に対してさらに大きい角度で伝播する、偏光回折格子配置から出力される光を示す）は、波形７０２ａ〜７０２ｆによって表されている。
【００７５】
図７Ａに示すように、青色光、緑色光及び赤色光を含む、約４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲にわたり、ＬＣ層６０３が「ＯＦＦ」状態であるとき（すなわちθtilt＝９０度であるとき）に回折して二次光になる光に対し、比較的高い回折効率が提供される。したがって、この二次出力光を、上述したように、阻止しかつ／又は他の方法で表示スクリーンに伝達されないようにすることができる。対照的に、図７Ｆに示すように、同様の波長範囲にわたり、ＬＣ層６０３が「ＯＮ」状態にあるとき（すなわちθtilt＝０度であるとき）、ゼロ次光に対して比較的高い回折効率が提供される。それにより、このゼロ次出力光を、偏光関連の損失がほとんどないか又はまったくなく表示スクリーンに提供することができる。図７Ｇは、図７Ａのθtilt＝９０度に対するゼロ次効率７００ａに、図７Ｆのθtilt＝０度に対するゼロ次効率７００ｆを重ね合わせることにより、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置のゼロ次偏光効率を示す。したがって、本発明の実施形態は、比較的広範囲のスペクトルにわたり、輝度の上昇（７００ｆによって示す）及び高コントラスト（７００ａによって示す）を共に提供することができる。
【００７６】
図８Ａ〜図８Ｆは、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置の透過率スペクトルを示す実験結果を提供する。特に、図８Ａ〜図８Ｆは、２つの反応性メソゲンアクロマチック偏光回折格子８０１及び８０２の間の半波長遅延厚さを有する均質な液晶層８０３を含む偏光回折格子配置に対する、分光光度計によって測定された透過率対波長特性を示す。液晶層は、常光線屈折率ｎｏが約１．４９であり、直線複屈折Δｎが約０．１１であり、厚さが約２．８μｍである。偏光回折格子は、常光線屈折率ｎｏが約１．４５であり、直線複屈折Δｎが約０．１５９である。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、波形８０ａａ及び８００ｂは、ＬＣ層８０３を組み立てる前の、それぞれ偏光回折格子８０１及び８０２の個々のゼロ次透過率を示す。したがって、偏光回折格子８０１及び８０２は、入射光を略１００％の効率で回折させて、非ゼロ次光にする。図８Ｆは、連続した偏光回折格子８０１及び８０２の組合せを含む配置に対するゼロ次透過率を示す。第１の偏光回折格子８０１を使用して、入射光を入射角から離れるように偏光させかつ回折させ、第２の偏光回折格子８０２を使用して、光を入射角に戻るように検光しかつ回折させ、波形８００ｆに示すように、入射光の約８０％以上の透過率を提供する。図８Ｃの波形８００ｃは、平行な偏光回折格子８０１及び８０２の間に傾斜角が０度であり方位角が４５度である液晶層８０３を含む、本発明のいくつかの実施形態による偏光回折格子配置のゼロ次透過率を示す。図８Ｄ及び図８Ｅは同様に、それぞれ波形８００ｄ及び８００ｅによって示すように、液晶層８０３が９０度及び０度の傾斜角を有する偏光回折格子８０１及び８０２の逆平行配置に対するゼロ次透過率特性を示す。
【００７７】
したがって、本発明のいくつかの実施形態は、回折が偏光回折格子によって行われるが、変調が液晶層によって行われる、多重偏光回折格子配置を提供する。より詳細には、偏光回折格子は、広いスペクトル範囲にわたり透過光の方向及び／又は偏光状態を制御する回折光素子として使用される。こうした配置を使用して、スイッチング素子として従来の液晶材料を使用しながら、輝度及びコントラストを著しく向上させた投射型かつ／又は直視型ＬＣＤ装置を提供することができる。本発明のさらなる実施形態について以下詳細に説明する。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態では、従来のＬＣＤ装置の偏光子の代りに、偏光回折格子（ＰＧ）として知られる、透明ポリマーの薄膜偏光ビームスプリッタを使用することにより、液晶（ＬＣ）マイクロディスプレイの光効率を２倍にすることができる。特に、図９Ａ及び図１０Ａに示すアクロマチック、反応性メソゲン（重合性ＬＣ）フィルムを偏光子及び検光子の両方として採用することができる。その結果、両直交偏光（すなわち、非偏光光の実質的にすべて）を、同時にマイクロディスプレイを通過するように向けることができ、それにより、ディスプレイは、〜１００％（輝度）効率（偏光子を使用した場合の＜５０％効率とは対照的に）を有することができる。こうした「ポリマー・ＰＧディスプレイ」は、市販の既製のＬＣマイクロディスプレイに対してほとんど又はまったく変更が不要である。図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１１Ａ及び図１１Ｂは、こうしたポリマー・ＰＧディスプレイの動作原理を示す実験結果を提供し、実験的に、最大±７度の開口で非偏光ＬＥＤ光に対し全体的な〜９０％効率及び＞２００：１のコントラスト比を示す。さらに、図１２Ａ及び図１２Ｂは、変更した市販のマイクロディスプレイを使用するポリマー・ＰＧ投射型システムのプロトタイプを示す。
【００７９】
光効率の向上及び電力消費の低減は、今日のＬＣＤ市場に対し課題を提示する。１９７１年のツイステッドネマチック液晶の発明以来、ＬＣＤは、フラットパネルディスプレイの主な供給源であった。しかしながら、ＬＣＤの効率は、偏光子からの損失（＞５０％）のために制限される可能性がある。これは、大部分のＬＣＤが、ＬＣ層の複屈折及びねじれを介して光偏光の方向を制御することによって動作する一方で、最も効率的な光源（すなわちＣＣＦＬ及びＬＥＤ）が非偏光光をもたらすためである。ＬＣゲル、ＰＤＬＣ、Ｈ−ＰＤＬＣ及び２値ＬＣ回折格子を含む、偏光子のないディスプレイに対して多数の異なる手法がある。しかしながら、それらのすべてに、ある程度、低コントラスト比、非常に狭い受光角及び／又は限られたピーク効率という問題がある。近年、電気的に切換可能なＬＣＰＧが、非常に効率的な偏光無依存型光変調器として使用されてきた。さらに、最も近年ではＬＣＯＳバックプレーンを使用して、ＬＣＰＧを使用する投射型システム用のマイクロディスプレイプロトタイプが実演されている。
【００８０】
偏光回折格子は、空間的に可変の一軸性複屈折により一意の回折特性を有している。本発明のいくつかの実施形態では、高度架橋アクリレートポリマーフィルムで形成され、かつ従来のＰＧの同じ偏光依存型特性を有する、可視波長範囲全体にわたり経験的に＞９９％回折効率を有する周期的なＬＣプロファイルを有する偏光回折格子を採用する。図９Ａは、白色の非偏光入力光を用いる本発明のいくつかの実施形態によるアクロマチック偏光回折格子（ＰＧ）９０１の挙動を示す。図９Ｂの写真に示すように、±１回折次数９０２及び９０２がそれぞれ円偏光され、直交であり、内部を伝播している入射光の（合計で）最大１００％を有することができる。
【００８１】
本発明の実施形態は、偏光子の代りに偏光素子及び検光素子として作用するアクロマチックＰＧを備えた、非常に効率のよい偏光無依存型マイクロディスプレイ（「ポリマー・ＰＧ ＬＣディスプレイ」）を提供する。図１Ａ及び図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧ ＬＣディスプレイの基本形状及び動作原理を示す。従来の偏光子が使用されないため、ディスプレイの光効率を、２倍向上させることができる可能性がある。開口絞り及びレンズを使用して回折次数をフィルタリングすることによってコントラストを得ることができることが留意されるべきである。しかしながら、マイクロディスプレイの変更は不要である。
【００８２】
従来のＬＣＤと同様に、ＬＣスイッチングにより光が変調される。第１のＰＧは、一次の円形偏光を出力し、その旋光性は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ＬＣスイッチング、及び第１のＰＧと第２のＰＴＧとの間の相対的な方位によって影響される。第２のＰＧは、第１のＰＧからの光の偏光旋光性に基づき、光をより高い角度になるように回折させるか、又はそれを垂直方向に向ける。図１Ａ及び図１Ｂでは、ＰＧの逆平行配向を有するように示すが、本発明の実施形態は、ＰＧ及び／又は他の変更された設計の平行な配向を含むことができることが理解されるべきである。
【００８３】
図１０Ａは、本発明の実施形態による平行なＰＧ配置１００１及び逆平行なＰＧ配置１００２を示し、それらについては、輝度及びコントラスト比に対する上限を強調するように後述する。実験的論証のために、赤色ＬＥＤ光、緑色ＬＥＤ光及び青色ＬＥＤ光に対し高効率（＞９８％）な一対のアクロマチックＰＧサンプル（緑色光に対し回折格子周期＝４μｍ、受光角±７度）。これらの回折格子の製造方法及び光学特性については前述した。平行な方位１００１及び逆平行の方位１００２は、それぞれ、ディスプレイの明るい状態及び暗い状態に略相当する。図１０Ｂは、非偏光入力光に対し、両配置の真の（測定された）透過率スペクトルを示す。波形１００３は、平行なＰＧが約９０％の透過率を明示し得ることを示し、波形１００４は、逆平行なＰＧが可視光（４００〜７００ｎｍ）に対して漏らすのが約０．５％未満であることを示す。波形１００５は、平行な偏光子に対する透過率スペクトルを示す。図１０Ｃの波形１００６は、本発明のいくつかの実施形態による逆平行なＰＧ配置１００２（交差偏光子に類似している）の測定された消光比が≧２００であり、赤色のピークが〜５００であることを示す。フレネル損失を低減するために、反射防止コーティングされたガラスを使用したことが留意されるべきである。
【００８４】
従来のＬＣセルを備えた（垂直配向（ＶＡ）モードの）単一モノリシックピクセルを用いて、電気光学スイッチングも論証した。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、２つのアクロマチックポリマーＰＧがＬＣセルに対して逆平行の方位で配向され、ＬＣセルは、通過する光の偏光を制御する。より詳細には、比較的高い電圧（〜５Ｂ）が印可されると、ＶＡモードＬＣセルは、その主に平面の配向により半波形遅延を提供し、したがって、（第１のＰＧからの）内部を通過する２つのビームの偏光を（同時に）反転させる。そして、この光は、図１Ｂに示すように、第２のＰＧによって垂直方向に向かうように向けられ、その後、スクリーン／見る人に投射される。しかしながら、ＶＡモードのＬＣセルに電圧が印可されていないとき、それは非常にわずかな遅延を提供し、第１のＰＧからＬＣ層に入る光は、図１Ａに示すように、その元の偏光を（同時に）保持し、第２のＰＧによってさらに高い角度になるように回折する。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧ ＬＣディスプレイにおける３つのＬＥＤ色（非偏光）に対する透過率及びコントラスト比を、それぞれ図１１Ａ及び図１１Ｂのグラフに示す。特に、図１１Ａでは、赤色の非偏光ＬＥＤ１１０１（６２５ｎｍ）、緑色の非偏光ＬＥＤ１１０２（５３０ｎｍ）及び青色の非偏光ＬＥＤ１１０３（４７０ｎｍ）に対して、明るい状態の透過率を示し、図１１Ｂでは、３つのＬＥＤ１１０１、１１０２及び１１０３に対するコントラスト比（明るい／暗い）を示す。図１１Ａのダッシュ１１０５は、同じ配置における交差偏光子のＬＣピクセルの推定される透過率を示す。図１１Ａに示すように、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧ ＬＣ変調器の非偏光光に対する真の透過率は≧８０％であり、従来の偏光子ベースのディスプレイの２倍を上回り、一方で、図１１Ｂに示すように、適度なコントラスト比（２００：１〜５００：１）を依然として維持する。
【００８６】
ポリマー・ＰＧディスプレイの結像特性を確認するため、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、本発明のいくつかの実施形態によるアクロマチックＰＧフィルムを備えた市販のＬＣマイクロディスプレイパネル（Ｉｌｊｉｎ Ｄｉｓｌａｙ、０．４１’’ＶＧＡ、平面配向モード）を使用して、プトロタイププロジェクターを構築した。カラーシーケンシャル表示操作をサポートするＧｏｌｄｅｎ−ｅｙｅＬＥＤ光源を使用し、市販のマイクロディスプレイから偏光子を除去した。本発明のいくつかの実施形態によるＰＧフィルムを逆平行構成にかつ回折格子方向に配向させた。図１２Ａに、システム１２００の全体形状を示し、図１２Ｂにシステム１２００の写真を示す。システム１２００の要素は、図３Ａのシステム３００ａに示す同様の要素に対応することができる。わずかな空間オフセットを有する投射画像に視差が観察され、それは、結像面と第２のＰＧとの間の距離（ガラス厚さ）に起因する可能性がある。この視差問題を、いくつかの実施形態では、ＬＣセル内部に第２のＰＧを挿入することによって回避することができる。別の解決法は、第２のＰＧの後にガラスと同じギャップ厚さである２つの追加の平行なＰＧ（すでに選択しているＰＧと同様か又は同じ）を配置するというものであり、それにより、図５の実施形態に関連して上述したように、空間オフセットを完全に補償することができる。
【００８７】
ポリマー・ＰＧディスプレイは、偏光子ベースのディスプレイの最大２倍明るい可能性のある明るいピクセルを投射する。図１２Ｃは、元のディスプレイ１２０４と、同等に先鋭なエッジ及び優れた画像焦点を示す、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧディスプレイ１２０５とからの投射された画像の比較を提供する。図１２Ｃのポリマー・ＰＧディスプレイ画像１２０５に見られる色の劣化と低い画像コントラストは、これらの初期試験における任意の遅延補償の不在（偏光子と共に元のディスプレイから除去された）による可能性があり、それは、製造ディスプレイに組み込まれる。
【００８８】
したがって、本発明のいくつかの実施形態によるポリマー・ＰＧディスプレイは、回折透明ポリマー薄膜を使用することによってＬＣマイクロディスプレイの光効率を向上させることができる。（変更されていない）市販のＬＣマイクロディスプレイの輝度をおよそ倍にすることができ、エテンデューの制限された（etendue-limited）光源を使用することができる。本発明の実施形態を、システムが非常に効率的であるため、携帯型プロジェクターで使用するように目標を定めることができる。
【００８９】
上述したことは、本発明を例示するものであり、それを限定するものとして解釈されるべきではない。本発明のいくつかの例示的な実施形態について説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態において多くの変更が可能であることを容易に理解するであろう。たとえば、図１〜図１２を参照して上述した偏光回折格子を、切換不能かつ／又は切換可能なＬＣ材料を使用して製造することができることが理解されるべきである。さらに、本明細書で説明した基板は、たとえば、その表面に、基板上に透明な酸化インジウム錫（ＩＴＯ）コーティングによって提供される、１つ又は複数の電極を有することができる。したがって、こうした変更のすべては、本発明の範囲内に含まれるように意図されている。したがって、上述したことは、本発明を例示するものであり、開示した特定の実施形態に限定されるように解釈されるべきではなく、開示した実施形態に対する変更は、他の実施形態と同様に、本発明の範囲内に含まれることが意図されていることが理解されるべきである。
【図１】
【図２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された第１の偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された液晶層と、
前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更するように構成された、第２の偏光回折格子と
を具備する、液晶装置。
【請求項２】
前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するよう変更するように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の偏光回折格子は第１の周期的複屈折パターンを含み、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の複屈折パターンに対して反転した第２の周期的複屈折パターンを含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の偏光回折格子は、第１の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む重合液晶層を備え、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的ネマチックダイレクタパターンに対して同じ周期性を有しかつ約１８０度全体的に回転している第２の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む、重合液晶層を備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するよう変更するように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の偏光回折格子は、第１の周期的複屈折パターンを含み、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的複屈折パターンと同じ周期性及び向きを有する第２の周期的複屈折パターンを含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記液晶層の前記第２の状態は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を反転させるように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の偏光回折格子から伝達される出力光を受け取るように構成された角度フィルタリングステージであって、所望の角度を上回る角度で伝播する前記出力光を阻止すると共に、前記所望の角度を下回る角度で伝播する前記出力光をスクリーンに向けるように構成された、角度フィルタリングステージをさらに具備する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記角度フィルタリングステージは、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播する、前記第２の偏光回折格子からの前記出力光が内部を通過することを可能にするが、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない前記第２の偏光回折格子からの前記出力光を阻止するように構成された、少なくとも１つのレンズ及び開口絞りを備える請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記角度フィルタリングステージは、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播する前記第２の偏光回折格子からの前記出力光が内部を通過することを可能にするが、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない前記第２の偏光回折格子からの前記出力光を阻止するように構成されたプライバシフィルムを備える請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のビームの前記偏光は、前記第２のビームの前記偏光に対して直交している請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のビーム及び前記第２のビームは円偏光されている請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記入射光は非偏光光を含み、前記第１の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームが、それぞれ、可視波長範囲にわたり前記入射光の強度の約２５％を上回る強度を有するように、前記入射光を回折させるように構成されている請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームを回折させて、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視波長範囲にわたり、前記入射光の前記強度の約５０％を上回る強度を有する出力光を伝達するように構成されている請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子の少なくとも一方は、
第１の周期的分子構造を備える第１の偏光回折格子層と、
前記第１の偏光回折格子層の上の第２の偏光回折格子層であって、前記第１の周期的分子構造と同じ周期性を有し、かつ前記第１の偏光回折格子と前記第２の偏光回折格子との間の境界面に沿って、前記第１の周期的分子構造に対して第１の位相シフトを画定する、第２の周期的分子構造を備える、第２の偏光回折格子層と、
前記第２の偏光回折格子層が前記第１の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間にあるように該第２の偏光回折格子層の上にある第３の偏光回折格子層であって、前記第２の周期的分子構造と同じ周期性を有し、かつ前記第２の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間の境界面に沿って、前記第２の周期的分子構造に対して第２の位相シフトを画定する、第３の周期的分子構造を備える、第３の偏光回折格子層と
を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子の少なくとも一方は、
前記基板上の第１の偏光回折格子層であって、該第１の偏光回折格子層の局所異方性パターンが第１の厚さにわたって連続的に可変の位相シフトを有するように、該第１の偏光回折格子層の対向する面の間に画定された該第１の厚さにわたり、第１のねじれ角だけ回転された分子構造を備える、第１の偏光回折格子層と、
前記第１の偏光回折格子層の上の第２の偏光回折格子層であって、該第２の偏光回折格子層の局所異方性パターンが第２の厚さにわたって、前記第１の偏光回折格子層の位相シフトとは反対の連続した可変位相シフトを有するように、前記第２の偏光回折格子層の対向する面の間に画定された該第２の厚さにわたり、前記第１のねじれ角と反対の第２のねじれ角だけ回転された分子構造を備える、第２の偏光回折格子と
を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記液晶層は、前記第１の状態と前記第２の状態との間で切り換えられるようにそれぞれ構成された複数のピクセルを含むピクセルアレイを画定する請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取り、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子の上に結像させるように構成されたレンズをさらに具備する請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された第３の偏光回折格子と、
前記第３の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、そのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成された中間層と、
前記中間層からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更して、前記第２の偏光回折格子から出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームの方向に対して実質的に平行な方向に伝播するオフセット補償された出力光を提供するように構成された第４の偏光回折格子と
をさらに具備し、前記中間層は、前記オフセット補償された出力光が、前記第２の偏光回折格子から出力された前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して空間オフセットが低減するように、前記第３の偏光回折格子及び前記第４の偏光回折格子を、前記第２の偏光と前記液晶層との間の距離と実質的に同様の距離だけ分離するように構成された厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された液晶層と、
前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取り、前記第１のビーム及び前記第２のビームを前記液晶層及び前記偏光回折格子を再び通るよう反射するように構成された反射性基板と
を具備する液晶装置であって、前記偏光回折格子は、前記反射性基板からの前記反射された第１のビーム及び第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更し、出力光を提供するように構成されている、液晶装置。
【請求項２１】
前記偏光回折格子は第２の偏光回折格子を備え、
入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするにように構成された第１の偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子にその入力光として提供するように構成されたレンズと
をさらに具備する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記レンズから前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子上に反射してそこに入力光を提供するように構成された反射性開口絞りをさらに具備し、
前記反射性開口絞りは、前記第２の偏光回折格子から内部を通過する前記出力光を画面に向かって伝達するように構成されている請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の偏光回折格子から前記出力光として出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された第３の偏光回折格子と、
前記第３の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、その前記それぞれの伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成された中間層と、
前記中間層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更して、前記第２の偏光回折格子から前記出力光として出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して実質的に平行な方向に伝播するオフセット補償された出力光を提供するように構成された第４の偏光回折格子と
をさらに具備し、前記中間層は、前記オフセット補償された出力光が、前記第２の偏光回折格子から前記出力光として出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して空間オフセットが低減するように、前記第３の偏光回折格子及び前記第４の偏光回折格子を、前記第２の偏光と前記液晶層との間の距離と実質的に同様の距離だけ分離するように構成された厚さを有する、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
入射光を受け取ると共に、そこから光を伝達するように構成された第１の偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記光を受け取ると共に、そこから偏光の異なる第１の成分のビーム及び第２の成分のビームを含む出力光を伝達するように構成された第２の偏光回折格子と
を具備する装置であって、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子のうちの少なくとも一方は、内部を通過する前記光の前記それぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記光の前記それぞれの偏光及び方向を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された切換可能な偏光回折格子を備える、装置。
【請求項２５】
前記第１の偏光回折格子は、前記切換可能な偏光回折格子を備え、かつ、前記第１の状態では、前記入射光を、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成され、前記第２の状態では、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成されており、
前記第２の偏光回折格子は、前記第２の偏光回折格子が前記第２の状態にあるとき、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された固定回折格子を備え、かつ前記第１の偏光回折格子が前記第１の状態にあるとき、前記入射光を偏光させかつ回折させて、偏光及び伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするように構成されている請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光及び伝播方向の異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された固定回折格子を備え、
前記第２の偏光回折格子は、切換可能な偏光回折格子を備え、かつ、前記第１の状態では、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成され、前記第２の状態では、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を変更するように構成されている請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが互いに対して反転しているそれぞれの複屈折パターンを備える請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが実質的に同様のそれぞれの複屈折パターンを備えている請求項２４に記載の装置。
【請求項１】
入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された第１の偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された液晶層と、
前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更するように構成された、第２の偏光回折格子と
を具備する、液晶装置。
【請求項２】
前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するよう変更するように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の偏光回折格子は第１の周期的複屈折パターンを含み、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の複屈折パターンに対して反転した第２の周期的複屈折パターンを含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の偏光回折格子は、第１の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む重合液晶層を備え、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的ネマチックダイレクタパターンに対して同じ周期性を有しかつ約１８０度全体的に回転している第２の周期的ネマチックダイレクタパターンを含む、重合液晶層を備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記伝播方向を、前記液晶層が前記第１の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播する光を伝達し、前記液晶層が前記第２の状態にあるとき、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない光を伝達するよう変更するように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の偏光回折格子は、第１の周期的複屈折パターンを含み、前記第２の偏光回折格子は、前記第１の周期的複屈折パターンと同じ周期性及び向きを有する第２の周期的複屈折パターンを含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記液晶層の前記第２の状態は、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を反転させるように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の偏光回折格子から伝達される出力光を受け取るように構成された角度フィルタリングステージであって、所望の角度を上回る角度で伝播する前記出力光を阻止すると共に、前記所望の角度を下回る角度で伝播する前記出力光をスクリーンに向けるように構成された、角度フィルタリングステージをさらに具備する請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記角度フィルタリングステージは、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播する、前記第２の偏光回折格子からの前記出力光が内部を通過することを可能にするが、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない前記第２の偏光回折格子からの前記出力光を阻止するように構成された、少なくとも１つのレンズ及び開口絞りを備える請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記角度フィルタリングステージは、前記入射光に対して実質的に平行な方向に伝播する前記第２の偏光回折格子からの前記出力光が内部を通過することを可能にするが、前記入射光の方向に対して実質的に平行な方向に伝播しない前記第２の偏光回折格子からの前記出力光を阻止するように構成されたプライバシフィルムを備える請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１のビームの前記偏光は、前記第２のビームの前記偏光に対して直交している請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のビーム及び前記第２のビームは円偏光されている請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記入射光は非偏光光を含み、前記第１の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームが、それぞれ、可視波長範囲にわたり前記入射光の強度の約２５％を上回る強度を有するように、前記入射光を回折させるように構成されている請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の偏光回折格子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームを回折させて、約４００ｎｍから約７００ｎｍの可視波長範囲にわたり、前記入射光の前記強度の約５０％を上回る強度を有する出力光を伝達するように構成されている請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子の少なくとも一方は、
第１の周期的分子構造を備える第１の偏光回折格子層と、
前記第１の偏光回折格子層の上の第２の偏光回折格子層であって、前記第１の周期的分子構造と同じ周期性を有し、かつ前記第１の偏光回折格子と前記第２の偏光回折格子との間の境界面に沿って、前記第１の周期的分子構造に対して第１の位相シフトを画定する、第２の周期的分子構造を備える、第２の偏光回折格子層と、
前記第２の偏光回折格子層が前記第１の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間にあるように該第２の偏光回折格子層の上にある第３の偏光回折格子層であって、前記第２の周期的分子構造と同じ周期性を有し、かつ前記第２の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間の境界面に沿って、前記第２の周期的分子構造に対して第２の位相シフトを画定する、第３の周期的分子構造を備える、第３の偏光回折格子層と
を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子の少なくとも一方は、
前記基板上の第１の偏光回折格子層であって、該第１の偏光回折格子層の局所異方性パターンが第１の厚さにわたって連続的に可変の位相シフトを有するように、該第１の偏光回折格子層の対向する面の間に画定された該第１の厚さにわたり、第１のねじれ角だけ回転された分子構造を備える、第１の偏光回折格子層と、
前記第１の偏光回折格子層の上の第２の偏光回折格子層であって、該第２の偏光回折格子層の局所異方性パターンが第２の厚さにわたって、前記第１の偏光回折格子層の位相シフトとは反対の連続した可変位相シフトを有するように、前記第２の偏光回折格子層の対向する面の間に画定された該第２の厚さにわたり、前記第１のねじれ角と反対の第２のねじれ角だけ回転された分子構造を備える、第２の偏光回折格子と
を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記液晶層は、前記第１の状態と前記第２の状態との間で切り換えられるようにそれぞれ構成された複数のピクセルを含むピクセルアレイを画定する請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取り、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子の上に結像させるように構成されたレンズをさらに具備する請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された第３の偏光回折格子と、
前記第３の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、そのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成された中間層と、
前記中間層からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更して、前記第２の偏光回折格子から出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームの方向に対して実質的に平行な方向に伝播するオフセット補償された出力光を提供するように構成された第４の偏光回折格子と
をさらに具備し、前記中間層は、前記オフセット補償された出力光が、前記第２の偏光回折格子から出力された前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して空間オフセットが低減するように、前記第３の偏光回折格子及び前記第４の偏光回折格子を、前記第２の偏光と前記液晶層との間の距離と実質的に同様の距離だけ分離するように構成された厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取るように構成されると共に、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームのそれぞれの偏光を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記それぞれの偏光を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された液晶層と、
前記液晶層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取り、前記第１のビーム及び前記第２のビームを前記液晶層及び前記偏光回折格子を再び通るよう反射するように構成された反射性基板と
を具備する液晶装置であって、前記偏光回折格子は、前記反射性基板からの前記反射された第１のビーム及び第２のビームを検光しかつ回折させて、前記液晶層の状態に応じてそのそれぞれの伝播方向を変更し、出力光を提供するように構成されている、液晶装置。
【請求項２１】
前記偏光回折格子は第２の偏光回折格子を備え、
入射光を偏光させかつ回折させて、該入射光と偏光が異なりかつ伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするにように構成された第１の偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子にその入力光として提供するように構成されたレンズと
をさらに具備する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記レンズから前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取ると共に、該第１のビーム及び該第２のビームを前記第２の偏光回折格子上に反射してそこに入力光を提供するように構成された反射性開口絞りをさらに具備し、
前記反射性開口絞りは、前記第２の偏光回折格子から内部を通過する前記出力光を画面に向かって伝達するように構成されている請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の偏光回折格子から前記出力光として出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された第３の偏光回折格子と、
前記第３の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、その前記それぞれの伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成された中間層と、
前記中間層から前記第１のビーム及び前記第２のビームを受け取りかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更して、前記第２の偏光回折格子から前記出力光として出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して実質的に平行な方向に伝播するオフセット補償された出力光を提供するように構成された第４の偏光回折格子と
をさらに具備し、前記中間層は、前記オフセット補償された出力光が、前記第２の偏光回折格子から前記出力光として出力される前記第１のビーム及び前記第２のビームに対して空間オフセットが低減するように、前記第３の偏光回折格子及び前記第４の偏光回折格子を、前記第２の偏光と前記液晶層との間の距離と実質的に同様の距離だけ分離するように構成された厚さを有する、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
入射光を受け取ると共に、そこから光を伝達するように構成された第１の偏光回折格子と、
前記第１の偏光回折格子から前記光を受け取ると共に、そこから偏光の異なる第１の成分のビーム及び第２の成分のビームを含む出力光を伝達するように構成された第２の偏光回折格子と
を具備する装置であって、前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子のうちの少なくとも一方は、内部を通過する前記光の前記それぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更しない第１の状態と、内部を通過する前記光の前記それぞれの偏光及び方向を変更する第２の状態との間で切り換えられるように構成された切換可能な偏光回折格子を備える、装置。
【請求項２５】
前記第１の偏光回折格子は、前記切換可能な偏光回折格子を備え、かつ、前記第１の状態では、前記入射光を、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成され、前記第２の状態では、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光が異なりかつ伝播方向が異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成されており、
前記第２の偏光回折格子は、前記第２の偏光回折格子が前記第２の状態にあるとき、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの伝播方向を変更するように構成された固定回折格子を備え、かつ前記第１の偏光回折格子が前記第１の状態にあるとき、前記入射光を偏光させかつ回折させて、偏光及び伝播方向の異なる前記第１のビーム及び前記第２のビームにするように構成されている請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の偏光回折格子は、前記入射光を偏光させかつ回折させて、前記入射光と偏光及び伝播方向の異なる第１のビーム及び第２のビームにするように構成された固定回折格子を備え、
前記第２の偏光回折格子は、切換可能な偏光回折格子を備え、かつ、前記第１の状態では、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を実質的に変更することなく透過させるように構成され、前記第２の状態では、前記第１の偏光回折格子からの前記第１のビーム及び前記第２のビームを検光しかつ回折させて、その前記それぞれの偏光及び伝播方向を変更するように構成されている請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが互いに対して反転しているそれぞれの複屈折パターンを備える請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１の偏光回折格子及び前記第２の偏光回折格子は、向きが実質的に同様のそれぞれの複屈折パターンを備えている請求項２４に記載の装置。
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図８Ｆ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図８Ｆ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２０１２−５０５４３０（Ｐ２０１２−５０５４３０Ａ）
【公表日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３１００２（Ｐ２０１１−５３１００２）
【出願日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１１６１１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４２０８９
【国際公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５０８２９０９８７）ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１１６１１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４２０８９
【国際公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５０８２９０９８７）ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ (7)
【Ｆターム（参考）】
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