JP6265901B2 - 広帯域偏光変換のためのマルチツイストリターダ光学素子および関連製造方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年４月１６日に出願された「Ｌｏｗ−Ｔｗｉｓｔ Ｃｈｉｒａｌ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題する米国仮特許出願第６０／９１２，０４４号の優先権を主張する、２００８年４月１６日の国際出願日を有するＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４８８８号の米国特許法第３７１条による国内段階出願である、米国特許出願第１２／５９６，１８９号の一部係属出願であり、これらの開示を、それらの全体が記載されているように、引用することにより本明細書の一部となすものとする。本出願はまた、米国特許法第１１９条に基づく、２０１１年１０月７日に出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｔｗｉｓｔ Ｒｅｔａｒｄｅｒｓ Ｆｏｒ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題する米国仮特許出願第６１／５４４，９３６号に対する優先権をも主張し、この開示を、引用することにより本明細書の一部となすものとする。

［発明の分野］
本発明は、偏光変換および関連システムに関する。

光の偏光は、波の電場の向きを振動の１周期にわたって空間内の一点で特定することによって説明される。偏光変換は、それだけに限らないが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、光ストレージ（たとえば、ＣＤ／ＤＶＤ／Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標））、３Ｄ映画、光学的リモートセンシング、および光ファイバ網を含む多くの光学デバイスで使用されている。入射光に対して広範囲の波長にわたって精密に制御することができる偏光変換は、広帯域（または無彩色）偏光変換と称され、人間の知覚、または、異なる波長における複数の同時のチャネルを含む用途に使用することができる。

偏光は、完全に偏光されるか、部分的に偏光されるか、または偏光されていない場合がある光の非スカラ量である。偏光を記述する方法の１つは、可能な偏光状態を４つの強度、すなわち、Ｓ＝［Ｓ_０ Ｓ_１ Ｓ_２ Ｓ_３］^Ｔとして記述するストークスベクトルである。偏光を変換する光学素子は、最も多くは４×４ミュラー行列Ｍに配列された１６のパラメータを用いて記述され得る。したがって、入力偏光Ｓ_ＩＮは、関係Ｓ_ＯＵＴ＝Ｍ・Ｓ_ＩＮによって出力偏光Ｓ_ＯＵＴに変換することができる。このコンテキストで使用されるほぼすべての複屈折成分について、行列Ｍの要素の多くは波長とともに大きく変化する可能性があり、これが広帯域偏光変換を困難にし得る。偏光変換を提供する要素のいくつかの例は、４分の１波長遅延素子（直線偏光を有する光を円偏光に、またはその逆に変換するのに使用することができる）、および２分の１波長遅延素子（直線偏光を有する光を異なる直線偏光方向に、またはその逆に変換することができる）である。

一般的に波長板と称される、一軸複屈折性を有する均一なリターダによって、狭帯域（または色彩の強い）偏光変換を達成することができる。これらの波長板は、波長とともに大きく変化する位相遅延（すなわち、Γ＝２π（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）ｄ／λ＝２πΔｎｄ／λ、式中、Δｎ＝（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）は複屈折）、および、波長とともに大きく変化しない異常な光屈折率方向（index direction）に沿った光軸を有する。波長板は、それだけに限らないが、複屈折性結晶、延伸ポリマーフィルム、および液晶層を含む多種多様な材料を用いて形成することができる。

広帯域偏光変換は、異なる材料から形成される少なくとも２つの波長板を、それらの速い光軸および遅い光軸が対向するように組み合わせることによって達成することができる。この手法は、材料の複屈折の分散に適切な差があることに依拠し得る。たとえば、結晶石英およびフッ化マグネシウム波長板を、広帯域偏光変換に使用することができる。しかしながら、そのような天然鉱物または成長結晶の入手可能性、ならびに、性能に関係する他の制約として、そのような素子のサイズおよびコストは、多くの場合において極度な制限になり得る。

代替として、広帯域偏光は、一般的に同じ材料から形成される、２つ以上の個別の波長板を使用して達成することができ、波長板の光軸方向および個々の遅延は通常直交しない。この技法のいくつかの例は３つの波長板を含むが、２つ、５つ、６つ、またはそれ以上の波長板を用いる実施形態を実装することも可能である。これらの波長板は多くのタイプの市販の複屈折膜（液晶層を含む、狭帯域波長板について上述したものなど）を用いて形成することができるが、各個別の波長板を、それ自体は物理的に別個の要素として形成し、その後、続いて各別個の要素を他の要素に対して高いレベルの精度で組み立てる必要があり得る。この手法は、製造費用を実質的に増大させる可能性があり、多くの場合、厚い（すなわち、多数のｍｍまたはｃｍ）構成要素をもたらす可能性があり、他の制約として、開口角が制約される結果になる可能性がある。

広帯域偏光変換素子のさらなるカテゴリは、一般的に、厚さ全体を通じて均一ではないローカル光軸を有する一軸複屈折性材料を用いて形成される、単一の不均質な複屈折層を含む。これらの複屈折層は、ＬＣＤおよび他の光学デバイスに使用されている。これらの複屈折層は、９０°ねじれネマティック（ＴＮ）および超ねじれネマティック（ＳＴＮ）ＬＣＤのような、アドレス指定可能な層、ならびに、正および負の複屈折性を有する補償フィルムを形成することができる。これらの複屈折層は、多くの場合、何らかの無彩色の挙動によって、偏光変換素子として作用することができ、変換され得る入力偏光および出力偏光のタイプに関して制限を有し得る。たとえば、９０°ＴＮおよびＳＴＮ複屈折層は、直線から非直線への偏光を変換するのみであり得るし、多くの補償フィルムは、偏光に多くの細かい調整を行うことができる。また、単一ねじれ層は、相対的に狭い帯域幅範囲にわたって（単一の波長について）円偏光を直線偏光に部分的に変換するためのリターダとして使用することができる。この単一ねじれ層はコレステリック偏光子と組み合わせることができるが、これらの素子は、別個に形成され、その後、互いに組み立てられることがあり、同様に、製造費用、厚さ、性能などにともなう問題をもたらす。

ねじれ層の組合せも、広帯域偏光変換に使用されてきた。たとえば、米国特許第６，７６５，６３５号明細書は、一軸２分の１波長層の両側の２つの１３５°ねじれネマティック層は、電気的に制御される偏光変調器として利用することができることを記載している。別の事例において、広帯域４分の１波長リターダが、別個に製造されてその後組み立てられる、２つのねじれネマティックセルを使用して提供される。

本明細書に記載する本発明のいくつかの実施形態によれば、光学フィルムは、第１の光学層であって、ローカル光軸のそれぞれが第１の光学層の対向する両面の間に画定される第１の厚さにわたって第１のねじれ角で回転されている、第１の光学層と、第２の光学層であって、ローカル光軸のそれぞれが第２の光学層の対向する両面の間に画定される第２の厚さにわたって第２のねじれ角で回転されている、第２の光学層とを含んでいる。たとえば、第１の層の局所異方性は、第１の厚さにわたる第１の連続可変位相シフトを有する可能性があり、第２の層の局所異方性は、第２の厚さにわたる第２の連続可変位相シフトを有し得る。いくつかの実施形態において、それぞれの第１の層および第２の層の分子のそれぞれの相対配向（および、したがってそれらのローカル光軸）は、それらの間の界面に沿って整列されている。

いくつかの実施形態において、第１の光学層および第２の光学層は、広帯域波長範囲にわたって、通過する光の偏光状態を、その伝播方向に実質的に影響を与えることなく変更する第１のリターダ層および第２のリターダ層であってもよい。たとえば、第１の光学層および／または第２の光学層の分子の相対配向は、通過する光の伝播方向を実質的に変更しないように、横寸法において実質的に均一であり得る。他の実施形態において、第１の光学層および／または第２の光学層の分子の相対配向は、横寸法において連続的に変化していてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の層および第２の層は、一体構造（monolithic structure）を規定するように組み立てられてもよい。たとえば、第２の光学層は第１の光学層の直接上にあってもよく、第２の光学層の分子は、第１の光学層の分子によって整列されてもよい。

いくつかの実施形態において、光学フィルムは、内部に実質的に均一な領域を画定する配向状態を有する配向面を有してもよい。配向面は、それを通じて進行する光の局所偏光状態に実質的に影響を与えないものであり得る。第１の光学層は配向面の直接上にあってもよく、第１の層の分子は、配向面の配向状態に従って整列されてもよい。第１の層、第２の層、および／または配向面は実質的に透明であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の光学層は、第１のねじれ方向（twist sense）を有するキラル液晶分子を内部に含む第１のキラル液晶層であってもよく、第２の光学層は、第２のねじれ方向を有するキラル液晶分子を内部に含む第２のキラル液晶層であってもよい。第１のねじれ方向は、いくつかの実施形態において、第２のねじれ方向と同じであってもよく、または反対であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の厚さと第２の厚さとは異なる。いくつかの実施形態において、第１のねじれ角と第２のねじれ角とは異なる。たとえば、いくつかの実施形態において、第２のねじれ角は約０度であってもよく、第１のねじれ角は０度より大きくても、もしくは小さくてもよく、またはその逆であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の光学層および第２の光学層のうちの少なくとも一方は、重合液晶層または重合可能液晶層であってもよい。他の実施形態において、第１の光学層および第２の光学層のうちの少なくとも一方は、非反応性切替可能液晶層であってもよい。いくつかの実施形態において、第１の光学層および第２の光学層のうちの少なくとも一方は、それを通じて進行する光の偏光に実質的に影響を及ぼさない第１の状態と、それを通じて進行する光の偏光を逆にするか、または他の様態で変更する第２の状態との間で切り替えることができる切替可能液晶層であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１のねじれ角および／または第２のねじれ角、および／または、第１の厚さおよび／または第２の厚さは、広帯域波長範囲にわたって４分の１波長遅延を提供するように構成されている。いくつかの実施形態において、第１のねじれ角および／または第２のねじれ角、および／または第１の厚さおよび／または第２の厚さは、広帯域波長範囲にわたって２分の１波長遅延を提供するように構成されている。広帯域波長範囲は、可視波長範囲、たとえば、約４００ｎｍ（ナノメートル）〜約８００ｎｍを含んでもよい。他の実施形態において、広帯域波長範囲は、近赤外線範囲（たとえば、約１０００ｎｍ〜約１６００ｎｍ）、中波赤外線範囲（たとえば、約４０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ）、または紫外線範囲（たとえば、約１８０ｎｍ〜約４００ｎｍ）を含んでもよい。遅延は、実質的に、特定の波長範囲にわたる無彩色であってもよく、または、波長範囲の複数の異なる領域が、異なる遅延を有してもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、光学フィルムを形成する方法は、ある配向パターンを内部に含む配向面を形成するステップと、第１の光学層を形成するステップであって、第１の光学層は、分子のそれぞれの相対配向が第１の光学層の対向する両面の間に画定される第１の厚さにわたって第１のねじれ角で回転されている分子構造を有するステップとを含む。第１の層の分子は、配向面の配向パターンに従って、それらの間の界面に沿って整列されている。第２の光学層は、配向層とは反対の、第１の光学層の表面上に形成されている。第２の光学層は、分子のそれぞれの相対配向が、第２の光学層の対向する両面の間に画定される第２の厚さにわたって第２のねじれ角で回転されている分子構造を有する。第２の光学層の分子は、第１の層および第２の層の分子のそれぞれの相対配向が、それらの間の界面に沿って整列されるように、第１の光学層の表面に基づいて整列されている。

本発明のまたさらなる実施形態によれば、複屈折性リターダは、方位角および傾斜角の境界条件が空間的に均一な配向面と、少なくとも２つの一般ねじれネマティック液晶層とを含む。第１の層は、第１のねじれ角および厚さを有し、第２の層は第２のねじれ角および厚さを有し、第１のねじれ角および第２のねじれ角または第１の厚さおよび第２の厚さのうちの少なくとも１つは異なり、第１のねじれ角および第２のねじれ角のうちの少なくとも１つはゼロではない。第１の層は配向面の上に直接被着されて配向面によって整列され、第２の層は、第２の層がその上に形成される第１の層の表面によって直接整列され、一体構造を形成する。

本明細書に記載する本発明のいくつかの実施形態によれば、光学素子は、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層であって、第１の層および第２の層のそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されているそれぞれのローカル光軸を有する、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層を含む、複数の積層複屈折層を備えている。ローカル光軸は、第１の層と第２の層との間の界面に沿って整列され、それぞれのねじれ角および／またはそれぞれの厚さは異なっている。たとえば、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、それぞれ、通過する光の伝播方向を実質的に変更することなく偏光を変更するように構成されている光学リターダ層とすることができる。

いくつかの実施形態において、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層のそれぞれのローカル光軸は、それらの間の界面に沿った方向において非周期的であってもよい。たとえば、ローカル光軸のそれぞれは、界面に沿った１つまたは複数の領域において実質的に均一であってもよく、または界面に沿って連続的に変化していてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層のそれぞれのローカル光軸は、それらの間の界面に沿った方向において実質的に均一か、または変化しなくてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、互いの上に直接あり、一体構造を画定している。

いくつかの実施形態において、光学素子は、実質的に均一な配向状態を有する配向面を含んでもよい。第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層のうちの一方は、そのそれぞれのローカル光軸が上記の配向状態に従って整列されるように、配向面の直接上にあってもよい。

いくつかの実施形態において、それぞれのねじれ角は、同じまたは反対のねじれ方向を有してもよい。いくつかの実施形態において、それぞれのねじれ角は、実質的に大きさが等しく、ねじれ方向が反対であってもよい。いくつかの実施形態において、それぞれのねじれ角は、大きさが異なってもよく、ねじれ角のうちの一方は非ゼロ（non-zero）であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、それぞれ、第１の隣接領域および第２の隣接領域を含んでもよい。第１の複屈折層および第２の複屈折層のそれぞれのローカル光軸は、それらの間の界面に沿って第１の領域および第２の領域の各々において実質的に均一であってもよく、しかし、第１の領域および第２の領域内のそれぞれのローカル光軸は異なってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、その上に積層される第１の液晶層および第２の液晶層を含んでもよい。第１の液晶層および第２の液晶層のそれぞれの分子の配向は、それらの間の界面に沿って整列されてもよく、第１の液晶層および第２の液晶層のうちの少なくとも一方は、キラル層であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の液晶層および第２の液晶層のうちの少なくとも一方は、重合液晶層であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の液晶層および第２の液晶層のうちのもう一方は、切替可能液晶層であってもよい。

いくつかの実施形態において、第３のキラル液晶層が、第２の液晶層上に積層されてもよい。

いくつかの実施形態において、光学素子は、直線偏光子をさらに含んでもよい。第１の光学層および第２の光学層は、偏光子と光学層との間の配向面または接着層によって直線偏光子上に積層されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の光学層および第２の光学層のそれぞれのねじれ角および／または厚さは、約２００ｎｍ以上の広帯域波長範囲にわたって実質的に無彩色である２分の１波長遅延を提供するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の光学層および第２の光学層のそれぞれのねじれ角および／または厚さは、約２００ｎｍ以上の広帯域波長範囲にわたって実質的に無彩色である４分の１波長遅延を提供するように構成される。

本明細書に記載する本発明のさらなる実施形態によれば、光学素子を製造する方法は、第１の複屈折層を提供するステップと、第１の複屈折層上に積層されている第２の複屈折層を提供するステップとを含む。第１の複屈折層および第２の複屈折層は、それらのそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されており、それらの間の界面に沿って整列されているそれぞれのローカル光軸を有し、それぞれのねじれ角および／またはそれぞれの厚さは異なっている。

いくつかの実施形態において、第１の複屈折層および第２の複屈折層のそれぞれのローカル光軸は、それらの間の界面に沿った方向において非周期的であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複屈折層および第２の複屈折層は、それぞれ、通過する光の伝播方向を実質的に変更することなく偏光を変更するように構成されている光学リターダ層であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複屈折層および第２の複屈折層のそれぞれのローカル光軸は、それらの間の界面に沿った方向において実質的に均一でもよく、または変化しなくてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複屈折層および第２の複屈折層は、一体構造を画定してもよい。たとえば、第１の複屈折層および第２の複屈折層は液晶層であってもよく、第２の複屈折層は第１の複屈折層の直接上に形成されてもよく、それによって、そのそれぞれの分子配向は、それらの間の界面に沿って第１の複屈折層のそれぞれの分子配向に従って整列される。

いくつかの実施形態において、第１の複屈折層および第２の複屈折層を形成する前に、非周期的配向状態を有する配向面が形成されてもよい。非周期的配向状態は、１つまたは複数の実質的に均一な領域を含んでもよく、または連続的に変化していてもよい。第１の複屈折層は、そのそれぞれの分子配向が上記の配向状態に従って整列されるように、配向面の直接上に形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１の複屈折層は、重合可能液晶層であってもよい。第１の複屈折層は、その上に第２の複屈折層を形成する前に配向面上に光重合されてもよい。

いくつかの実施形態において、第３の液晶層は第２の複屈折層の上に直接、形成されてもよく、それによって、それらのそれぞれのローカル光軸が、それらの間の界面に沿って第２の複屈折層のそれぞれのローカル光軸に従って整列される。

いくつかの実施形態において、配向面は、連続的に変化する配向状態を含むように形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、配向面は、その隣接する第１の領域および第２の領域においてそれぞれの実質的に均一な配向状態を含むように形成されてもよく、第１の領域および第２の領域における配向面の実質的に均一な配向状態は異なっている。

したがって、本発明のいくつかの実施形態は、それぞれのローカル光軸が、そのそれぞれの厚さにわたってある方向において連続的に変化し、それらの間のそれぞれの界面に沿ってある方向において整列される（変化してもよいし、変化しなくてもよい）、少なくとも２つの積層光学層を含む光学リターダ素子を提供する。

いくつかの実施形態による他のデバイスおよび／または方法が、以下の図面および詳細な説明を検討することによって、当業者に明らかとなろう。上記の実施形態の任意のあるいはすべての組合せに加えて、すべてのこのような追加の実施形態が、本明細書内に含まれ、本発明の範囲内に含まれるとともに、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。

本発明のいくつかの実施形態による、２つ以上の積層複屈折層を含む光学リターダ素子を示す概略図である。 図２Ａは、広帯域波長範囲にわたる、図１に示す本発明のいくつかの実施形態による光学リターダ構成についての出力Ｓ_３パラメータを示すグラフ図である。図２Ｂは、広帯域波長範囲にわたる、図１に示す本発明のいくつかの実施形態による光学リターダ構成についての楕円率を示すグラフ図である。 本発明のいくつかの実施形態による、３つの例示的な光学素子についての、広帯域波長範囲にわたる測定楕円率を示すグラフ図である。 図４Ａ〜図４Ｃは、広帯域４分の１波長基準フィルムと比較した、複数の異なる偏光器構成の間の、本発明のいくつかの実施形態による３つの光学素子を示す写真である。 本発明のいくつかの実施形態による、３つの積層複屈折層を含む光学リターダ素子を示す概略図である。 図５Ｂは、図５Ａに示す本発明のいくつかの実施形態による光学リターダ構成についての出力Ｓ_３パラメータを示すグラフ図である。図５Ｃは、図５Ａに示す本発明のいくつかの実施形態による光学リターダ構成についての楕円率を示すグラフ図である。 図６Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、直線偏光子上に２つの積層複屈折層を使用して形成された円偏光器を示す概略図である。図６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、直線偏光子上に３つの積層複屈折層を使用して形成された円偏光器を示す概略図である。 図７Ａは、本発明のいくつかの実施形態による２つの積層複屈折層を含む光学リターダ構成についての出力Ｓ_３パラメータを示すグラフ図である。図７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による２つの積層複屈折層を含む光学リターダ構成についての楕円率を示すグラフ図である。 本発明のいくつかの実施形態による、２つの例示的な光学素子についての測定楕円率を示すグラフ図である。 本発明のいくつかの実施形態による、実質的に均一であるが配向状態が異なる２つ以上の隣接するドメインを含む配向面上の２つの積層複屈折層を含む光学リターダ素子を示す概略図である。 図９Ａに示す本発明のいくつかの実施形態による光学リターダ素子の出力を示す写真図である。 図１０Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、連続的に変化する配向状態を含む配向面上の２つの積層複屈折層を含む光学リターダ素子を示す概略図である。図１０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、連続的に変化する配向状態を含む配向面上の３つの積層複屈折層を含む光学リターダ素子を示す概略図である。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、いくつかの商用光学フィルムについての反射率特性を示すグラフ図である。 図１２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、２つの積層複屈折層を含む光学リターダ素子の反射率特性を示すグラフ図である。図１２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、３つの積層複屈折層を含む光学リターダ素子の反射率特性を示すグラフ図である。 本発明のいくつかの実施形態による、単一の基板および配向層上の２つ以上の積層複屈折層を含むマルチツイストリターダ素子を示す概略図である。 本発明のいくつかの実施形態による２層ＭＴＲ設計を示す図である。 ポアンカレ球上の、図１４Ａに示すような本発明のいくつかの実施形態による２層ＭＴＲによって提供される出力ストークス成分を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による３層ＭＴＲ設計を示す図である。 ポアンカレ球上の、図１５Ａに示すような本発明のいくつかの実施形態による３層ＭＴＲによって提供される出力ストークス成分を示す図である。 図１６Ａ〜図１６Ｄは、直線（水平）入力偏光についての既知の光学フィルムと比較した、本発明のいくつかの実施形態による２層４分の１波長ＭＴＲの出力を示すグラフ図である。 図１７Ａ〜図１７Ｄは、直線（水平）入力偏光についての既知の光学フィルムと比較した、本発明のいくつかの実施形態による３層４分の１波長ＭＴＲの出力を示すグラフ図である。 図１８Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、２層直線−直線偏光変換設計の出力を示すグラフ図である。図１８Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、３層直線−直線偏光変換設計の出力を示すグラフ図である。図１８Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、２層円−円偏光変換設計の出力を示すグラフ図である。図１８Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、３層円−円偏光変換設計の出力を示すグラフ図である。 図１９Ａ〜図１９Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、マルチツイストリターダ素子を形成する例示的な製造プロセスを示す概略図である。 図２０Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、２層４分の１波長ＭＴＲの遅延を示すグラフ図である。図２０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、３層４分の１波長ＭＴＲの遅延を示すグラフ図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ＭＴＲの性能動向を比較した棒グラフ図である。 図２２Ａは、直線（水平）入力偏光についての既知の光学フィルムと比較した、本発明のいくつかの実施形態による３層４分の１波長ＭＴＲの出力を示すグラフ図である。図２２Ｂは、直線（水平）入力偏光についての既知の光学フィルムと比較した、本発明のいくつかの実施形態による３層４分の１波長ＭＴＲの出力を示すグラフ図である。図２２Ｃは、円入力偏光についての既知の光学フィルムと比較した、本発明のいくつかの実施形態による３層４分の１波長ＭＴＲの出力を示すグラフ図である。図２２Ｄは、円入力偏光についての既知の光学フィルムと比較した、本発明のいくつかの実施形態による３層４分の１波長ＭＴＲの出力を示すグラフ図である。

以降、本発明の実施形態を図示する添付の図面を参照して、本発明をより十分に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細および完全なものになり、本発明の範囲を当業者に十分に伝達することになるように提供される。図面において、層および領域のサイズおよび相対サイズは、明瞭にするために誇張されている場合がある。全体を通じて同様の参照符号は同様の要素を指す。

第１の、第２の、第３の、などの用語が、本明細書において様々な要素、構成要素、領域、層および／または区画を説明するために使用されている場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または区画はこれらの用語によって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、構成要素、領域、層または区画を別の領域、層または区画から区別するために使用されているに過ぎない。したがって、第１の要素、構成要素、領域、層または区画が、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または区画と称され得る。

「〜の真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「〜より下（ｂｅｌｏｗ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「〜の下（ｕｎｄｅｒ）」、「〜の上（ａｂｏｖｅ）」、「上側（ｕｐｐｅｒ）」などのような空間的に相対的な用語が、本明細書において、図面に示されているような１つの要素または特徴の、別の要素（複数の場合もあり）または特徴（複数の場合もあり）に対する関係を説明するための記述を容易にするために使用されている場合がある。空間的に相対的な用語は、図面に描画されている向きに加えて、使用または動作中のデバイスの異なる向きを包含するように意図されている。たとえば、図面内のデバイスが反転される場合、他の要素または特徴「より下」または「の真下」または「の下」として説明されている要素は、他の要素または特徴「の上」を向くことになる。したがって、例示的な用語「〜より下」および「〜の下」は、上および下の両方の向きを包含する可能性がある。デバイスは、他の様態で方向づけられる（９０度または他の向きに回転される）場合があり、本明細書で使用される空間的に相対的な記述は、それに従って解釈され得る。加えて、層が２つの層「の間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」にあるものとして参照されている場合、これは、それら２つの層の間にある唯一の層であることも、１つまたは複数の介在する層が存在してもよい。

本明細書で使用される用語は特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本発明に対する限定であるようには意図されない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明瞭に別途指示していない限り、複数形も含むように意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という用語は、本明細書で使用されるとき、記述されている特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを規定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群が存在することまたはそれらが加わることを除外するものではないことがさらに理解されよう。本明細書で使用される場合、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、列挙されている関連項目の１つまたは複数のあらゆる組合せを含む。

要素または層が別の要素または層「上にある（ｏｎ）」、「に接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、「に結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」、または「に隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）」ものとして参照されているとき、これは、直接、他の要素または層の上にあり、それに接続されており、それに結合されており、またはそれに隣接している可能性があり、または介在する要素または層が存在してもよいことが理解されよう。対照的に、要素が別の要素または層「の直接上にある（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」、「に直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、「に直接結合されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」、または「に直に隣接する（ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）」として参照されているとき、介在する要素または層は存在しない。

本発明の実施形態を、本明細書において、本発明の理想化された実施形態（および中間構造）を概略的に示す断面図を参照して説明する。そのため、たとえば、製造技法および／または許容誤差の結果として図示されている形状から変形していることが予測されることになる。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ものとして解釈されるべきではなく、たとえば、製造から生じる形状の逸脱を含むべきである。したがって、図面に示す領域は本質的に概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すようには意図されておらず、本発明の範囲を限定するようには意図されていない。

別途規定しない限り、本明細書で使用するすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されているところと同じ意味を有する。一般的に使用されている辞書において定義されているもののような用語は、関連技術および／または本明細書の文脈におけるそれらの意味と一致した意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明確にそのように規定されていない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味においては解釈されないことがさらに理解されよう。

本明細書において、液晶（ＬＣ）材料を参照して本発明の実施形態を説明する。ＬＣは、分子の秩序配置が存在する液体を含み得る。一般的に、ＬＣ分子は異方性であり得るし、細長い（棒状）または平坦な（円盤状）形状のいずれかを有する。異方性分子が秩序化されている結果として、大量のＬＣは、その機械的、電気的、磁気的、および／または光学的特性における異方性のような、その物理的特性における異方性を呈することが多い。本明細書で使用される場合、ＬＣは、ネマティック相、キラルネマティック相、スメクティック相、キラルスメクティック相（強誘電体ＬＣを含む）、および／または別の相を有することができる。棒状または円盤状の性質の結果として、ＬＣ分子の配向の分布が、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような光学用途において重要な役割を果たし得る。これらの用途において、ＬＣ配列は配向面によって決定づけられ得る。配向面は、ＬＣがその面に対して予測可能かつ制御可能に整列するように処理され得る。いくつかの実施形態において、配向面はＬＣ層を通じて単一ドメインを保証し得る。他の実施形態において、配向面はＬＣ層全体を通じて多くのドメインおよび／または多くの不連続性を提供し得る。

ラビングしたまたは光重合可能ポリマーのようないくつかのポリマーが、本明細書に記載する光学層を作成するための配向層として使用され得る。これらのポリマーは、ＬＣに対して不活性であり得るし、ＬＣデバイスの動作温度の範囲（たとえば、約−５０℃〜約１００℃）にわたって安定した配列をもたらすものであり、本明細書に記載する製造方法に適合するものである。本明細書における配向層として使用され得るポリマーのいくつかの例は、ポリイミド、ケイ皮酸エステル、カルコン−エポキシ材料、およびクマリン側鎖ポリイミドを含む。液晶配向の方法のさらなる例は、Ｃｒａｗｆｏｒｄ ｅｔ ａｌ．に対する米国特許第７，１９６，７５８号においても説明されている。さらに、本明細書に記載されているいくつかの構造は、スピンコーティングプロセスおよび液晶材料の調和を通した精密な製造を含み得る。

本明細書で使用される場合、「重合可能液晶」とは、重合することができる、相対的に分子量が小さい液晶材料を指すことができ、本明細書においては「反応性メソゲン」として記載されている場合もあることが当業者には理解されよう。対照的に、「非反応性液晶」は、重合することができない、相対的に分子量が小さい液晶材料を指すことができる。また、「透過性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）」または「透明（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）」な基板または要素とは、入射光の少なくとも一部が通過することが可能なものであり得る。言い換えれば、本明細書に記載される透過性または透明な要素は、完全に透明である必要はなく、等方性または２色吸収特性を有してもよく、および／または、他の様態で入射光の一部を吸収してもよい。透明基板は、いくつかの実施形態においてはガラス基板であってもよい。対照的に、「反射性（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）」基板または要素とは、入射光の少なくとも一部を反射するものであり得る。

本発明のいくつかの実施形態は、広帯域偏光変換を達成することができ、それによって、特定の偏光を有する入力光が目標または所望の偏光に変化することができる、方法およびデバイスを提供する。これは、所望の偏光が通過することを許容し、望ましくない光が吸収または方向転換される、従来の偏向器素子によって達成される偏光変換とは対照的なものである。広帯域光の精密な偏光変換は、ＬＣＤ、光ストレージ、複屈折性光学機器、光学的リモートセンシング、および光ファイバ網を含む多くの用途に使用することができる。別個に形成されてその後組み立てられる、単純な複屈折素子の個々の複数のスタックを使用する従来の方法は、所望の広帯域偏光変換性能を達成することが不可能であり得るし、および／または、大きい開口、小さい厚さ、および／または許容可能な費用を容易にもたらすことができない。

特に、本明細書に記載する本発明の実施形態は、広帯域偏光変換の効率的制御を可能にする、本明細書においてマルチツイストリターダ（ＭＴＲ）と称する２つ以上の複屈折層を含む光学素子を提供する。たとえば、ＭＴＲは、単一の実質的に均一な配向面上の少なくとも２つの一般ネマティック液晶層から成る配列を含んでもよく、それらの層のうちの少なくとも１つは、層の厚さにわたってねじられているネマティックディレクタ（すなわち、ローカル光軸）を有し、後続の層は先行する層の露出面によって直接整列される。これによって、製造をより単純にすることが可能になり、自動的な層間位置合わせが達成され、結果として、その厚さにわたって連続的に変化するローカル光軸を有する一体的なフィルムがもたらされる。対照的に、多くの従来の手法において、層は一般的に別個に形成されてその後組み立てられ、１つの層の端部におけるねじれ角は一般的に、次のねじれ層の開始角と整列されていないか、またはそれに平行である。

加えて、本発明の実施形態による構造は、中心波長（たとえば、５５０ｎｍ）に対して約１５％（たとえば、１００ｎｍ）、約３５％（たとえば、２００ｎｍ）、またはそれ以上大きい波長範囲にわたる広帯域（すなわち、無彩色）４分の１波長および２分の１波長遅延を含む、所望のほぼすべての波長、帯域幅、または入射角範囲について良好に制御された偏光変換を達成する一体型複屈折板を形成する。特定の実施形態において、２つまたは３つの層を使用して、優れた性能および潜在的に非常に低い費用で、広帯域４分の１波長および２分の１波長遅延を達成することができる。追加の層が、フーリエ級数の追加の項と同様の態様で、波長または視野角の関数としての偏光変換プロファイルにわたるさらに精細な制御を可能にすることができる。いくつかの実施形態において、そのような追加の層を使用することによって、真の光軸、すなわち、それに沿って直線偏光が維持される方向を有するＭＴＲ設計が可能になり得る。入力偏光と出力偏光との間で所望される正確な関係は、（本明細書に記載する広帯域４分の１波長および２分の１波長の実施例におけるように）波長とは無関係であり得るか、または、（本明細書に記載する補償フィルムおよび電気通信の実施例におけるように）用途に依存する、波長の、何らかの一定でなく自明でない関数であり得る。製造がより単純であり、自由度が大きいことに起因して、本明細書に記載のＭＴＲは、パターン化アクロマティックリターダに特に良好に適することができ、大きい帯域幅および／または可視〜赤外線波長内での遅延の低変動を達成することができる。しかしながら、概して、相対的に広い波長範囲にわたる無彩色（またはほぼ一定の）遅延スペクトルを参照して本明細書に記載するが、本発明の実施形態によるＭＴＲはそのように限定され得ず、所与のスペクトルの異なる領域にわたる異なる遅延を提供するように構成することができることが理解されよう。たとえば、非無彩色遅延スペクトルの一実施形態は、緑色波長（たとえば、緑色に対応する可視スペクトルの範囲内に入る波長）についてほぼ２分の１波長の遅延を提供するが、赤色および青色波長についてはほぼゼロの遅延を提供するように構成されたＭＴＲである。非無彩色遅延スペクトルの別の実施形態において、ＭＴＲは、より長い波長（たとえば、赤外線）についてほぼ２分の１波長の遅延を提供し、より短い波長（たとえば、可視）については異なる遅延を提供するように構成され得る。

関連の米国特許出願第６０／９１２，０４４号も、配向面上の単一のフィルムまたは一体型素子を画定する２つのねじれ層を使用した無彩色偏光変換を記載している。当該特許文献に記載されているいくつかの実施形態において、配向面は、空間的に不均一な周期的パターンが存在するよう、偏光ホログラムによってパターン化され得る。それゆえ、それらの実施形態において達成される、入射光に対する光学的効果は、本明細書に記載する本発明の実施形態によって達成されるような遅延（すなわち、偏光の変化）ではなく、回折（すなわち、伝播方向の変化）である。

本明細書に記載のリターダは、電磁波の直交する電場成分の間の複数の異なる位相シフトを誘起することによって、伝播方向に実質的に影響を与えることなく偏光を変換することができる複屈折素子であり、波長板とも称される。いくつかの基本的なリターダは、厚さｄでの一様な一軸複屈折Δｎによって規定されてもよく、波長λによって大きく変化する位相遅延Γ＝２πΔｎｄ／λを有し得る。

広範囲の波長にわたって精密に制御することができる広帯域（無彩色を含む）偏光変換は、人間の知覚、または、複数の異なる波長における複数の同時のチャネルを含む用途において特に重要であり得る。不都合なことに、多くの光学材料の複屈折Δｎ（λ）のスペクトル分散は、一般的に、１つの板の中での広帯域偏光変換を可能にすることができない。代わりに、遅延補償の原理によって広帯域挙動を達成する、複数の複屈折板を含むいくつかの技法が開発されており、１つの板の遅延における不足が後続の板によって少なくとも部分的に補正されるが、これらの技法は、個々に製造されその後整列される複数の要素を使用することに起因して、以前の手法と同様に製造が複雑であるという問題があり得る。製造が複雑であることは、各ＬＣ要素が２つの基板および２つのＬＣ配向層（それら自体に配向問題がある）を含む場合にさらに拡大され得る。

対照的に、本発明のいくつかの実施形態による光学フィルムまたは素子は、単一の配向面を含み、その上に少なくとも２つのねじれ複屈折光学リターダ層（たとえば、一般ねじれネマティック液晶層）が配置され、これは本明細書においては概して多層ねじれリターダまたはマルチツイストリターダ（ＭＴＲ）と称され得る。図面に示す円筒形によって表されるローカル光軸（たとえば、液晶のネマティックディレクタ）は、（任意の層の底部で）それより下にある表面の配向方向によって確立され、フィルムの厚さにわたって連続的に変化する光軸を有する一体型フィルムがもたらされる。

図１は、本発明のいくつかの実施形態による光学素子またはフィルム（本明細書においてはＭＴＲと称する）を、断面において示す。図１に示すように、第２の光学リターダ層１０２が、第１の光学リターダ層１０１上に形成されて多層構造を形成している。第１の層１０１および第２の層１０２は、同じまたは互いに対して反対のねじれ方向に従って、それぞれの厚さｄ_１およびｄ_２にわたって回転されている分子構造を有し得る。たとえば、第１の層１０１および第２の層１０２は、同じまたは反対の掌性のキラル分子（すなわち、異なる左形および右形（left-handed and right-handed forms）を有する非対称分子）を含むことができる。そのため、いくつかの実施形態において、第２の層１０２は、厚さｄ_１にわたる第１の層１０１のものと異なる、および／または反対である、厚さｄ_２にわたってそのローカル異方性パターンの位相シフトを有し得る。図１において、第１の層１０１および第２の層１０２は、キラル液晶（ＬＣ）層として示されている。厚さｄ_１およびｄ_２はそれぞれ、第１の光学層１０１および第２の光学層１０２の対向する面の間で規定され、厚さｄ_１およびｄ_２は、いくつかの実施形態において異なってもよい。より一般的には、本明細書に記載する実施形態において、光学フィルムは、２つ以上の層を含んでもよく、これらの層のうちの少なくとも２つは、異なるねじれ角（異なるねじれ方向を含む）および／または異なる厚さを有する。

特に、図１に示すように、第２の層１０２の分子は、第１の層１０１の分子（たとえば、左）と比較して掌性が反対（たとえば、右）である。たとえば、第１の層１０１は、その中の分子の配向が層１０１の厚さｄ_１にわたってねじれ角φ_１で回転され、または「ねじれ」得るように、キラル分子でドープされてもよく、第２の層１０２は、その中の分子の配向が層１０２の厚さｄ_２にわたってねじれ角φ_２で回転され、または「ねじれ」得るように、別のキラル分子でドープされてもよい。第１のねじれ角φ_１または第２のねじれ角φ_２は、いくつかの実施形態においては０°であってもよい。第１の層１０１および第２の層１０２の製造において、ネマティックＬＣ混合物が、実質的に欠陥のないそれぞれのねじれ角をその中に生じさせるように構成されているキラルＬＣ分子でドープされ得る。それぞれのねじれ角φ_１およびφ_２は、キラルドーパントの量を変えること、および／または光学リターダ層の厚さを変えることによって変更されてもよい。各光学層１０１、１０２内の分子の「ねじれ」によって、そのそれぞれの厚さｄ_１、ｄ_２にわたるローカル異方性パターンにおける連続した位相シフトがもたらされ得る。

図１にさらに示すように、第１の光学層１０１および第２の光学層１０２の分子は、それらの間の界面１０９において整列され、または同相にある。特に、第１の光学層１０１および第２の光学層１０２のそれぞれの分子的分子は、界面１０９の平面または方向に沿った方向において実質的に均一な（たとえば、空間的に変化しない）配向を有している。そのため、第１の光学層１０１および第２の光学層１０２は、そのそれぞれの厚さに沿った方向において連続的に変化する分子配向を有し、それらの間の界面に沿った方向において変化しないまたは実質的に均一な分子配向を有する、一体型光学素子またはフィルム１００を規定する。

図１に示す実施例において、第１の光学層１０１および第２の光学層１０２は配向面１１５上に設けられ、配向面は、配向面１１５の平面内で、ある方位角（本明細書においては開始角φ_０とも称する）における実質的に均一な左から右への配向方向を有する。第１の層１０１内のネマティックディレクタ配向は、配向面１１５との界面におけるこの方位角φ_０から開始し、その後、その厚さｄ_１全体にわたって、第１の層１０１内に利用されているねじれネマティック液晶材料の対掌性によって生じるねじれ角φ_１でねじれ、何らかの最終方位角φ_０＋φ１に至り、これによって、第２の層１０２に対する整列がもたらされる。第１の層１０１との界面１０９における第２の層１０２内のネマティックディレクタ配向は、φ_１の値に応じて、配向面１１５上の配向状態に対応する場合もあるし、または対応しない場合もある。第２の層１０２のネマティックディレクタ配向は、第１の層１０１との界面１０９における角度φ_０＋φ_１から開始し、その厚さｄ_２全体を通じてねじれ角φ_２でねじれ、何らかの最終的φ_０＋φ_１＋φ_２に至る。これは第２の層１０２上に形成される場合がある後続のねじれネマティック層について同様に継続しており、これは以下の概括的な原理、すなわち、第１の層１０１が配向面１１５によって整列され、すべての後続の層が先行する表面によって整列されて、単一の分割できない薄膜が形成されるという原理を採用している。

いくつかの実施形態において、第１の層１０１および第２の層１０２は、液晶プレポリマーおよび溶媒の混合物を使用して形成されてもよい。たとえば、第１の層１０１は第１のキラルネマティックＬＣ材料（すなわち、所定の掌性またはねじれ方向をもたらすためにキラル液体でドープされた非キラルネマティック液晶層）を配向面１１５上に、所望の厚さｄ_１に達するように回転成形することによって形成されてもよい。いくつかの実施形態において、配向面１１５は、本明細書においてさらには説明しない技法によって、ガラス基板のような透明基板上に形成される、ラビングしたポリイミド配向層または光配向層であってもよい。第１のキラルＬＣ材料の分子は、（たとえば、方位角φ_０に沿って）配向面１１５によってもたらされる均一な配向状態によって整列されてもよいし、第１のキラルＬＣ材料が、たとえば、ブランケット紫外線（ＵＶ）露光を使用して重合され、その中の光学異方性が永続的に固定されて第１の光学層１０１が形成されてもよい。同じまたは反対の掌性／ねじれ方向をもたらすようにドープされた第２のキラルネマティックＬＣ混合物は、同じく所望の厚さｄ_２に達するまで第１の層１０１上に回転成形または他の様態で直接被着されてよく、第２のキラルＬＣ材料の分子は、第１の層１０１の分子に従って、それらの間の界面１０９において整列されてよい。言い換えれば、第１の層１０１の表面は、第２のキラルＬＣ混合物のための配向面として作用し得る。第２のキラルＬＣ混合物は、その後、重合されて、第２の層１０２が形成され得る。二色性もしくは蛍光染料またはナノ粒子のような、他のドーパントも、ねじれ液晶層１０１および１０２のいずれかの中に含まれてもよい。

他の実施形態において、切替可能液晶光学フィルムが形成されてもよい。より詳細には、第１の層１０１は、第１の配向面上に所定の掌性またはねじれ方向および所望の厚さｄ_１を有して、上述のように形成され得る。その上に第２の配向面を含む反対の透過性基板（ガラス基板など）が、所望の厚さｄ_２に対応するセルギャップをもって第１の層１０１に積層され得る。第２の配向面は、第１の光学層１０１のねじれ方向に基づいて第１の光学層１０１の表面の配向状態に対してずれている配向状態を含み得る。第２の配向面と第１の層１０１との間の間隙に、反対のねじれ方向を有するキラルネマティックＬＣ材料が充填されて、第２の層１０２としての液晶層が設けられ、それによって、切替可能液晶光学フィルムが画定され得る。第２の層１０２の分子の配向は、それを通って進行する光の偏光に実質的に影響を与えない第１の状態と、第２の層１０２に印加される電圧に応答してそれを通って進行する光の偏光を変更する第２の状態との間で切り替えることができる。

いくつかの実施形態において、ラビングしたポリマーまたは直線光重合可能ポリマー（ＬＰＰ）が、配向面１１５を形成するのに使用されてもよい。レーザ、またはいくつかのランプを含む任意の狭帯域光源（時としてＵＶ波長範囲内の）が使用されて、空間的に均一な方位角および傾斜角境界条件を有する配向状態が光配向面１１５上に露光または形成され得る。露光後、第１の光学層１０１および第２の光学層１０２は、スピンコーティングによって配向面１１５上に堆積され得る。第１の層１０１は、ＲＭＳ０３−００１Ｃ（Ｍｅｒｃｋ Ｌｔｄ、５８９ｎｍにおいてΔｎが〜約０．１６）と小量（〜約０．３％）のキラルドーパントＣＢ１５（Ｍｅｒｃｋ Ｌｔｄ、右掌性）とから成る混合物であってもよい。第２の層１０２は、第１の層１０１の上に直接堆積されてもよく、異なる厚さ、ねじれ方向、および／またはねじれ角を受ける、小量（〜約０．３％）の異なるキラルドーパントＺＬＩ−８１１（Ｍｅｒｃｋ Ｌｔｄ、左掌性）でドープされたＲＭＳ０３−００１Ｃから成ってもよい。しかしながら、それだけに限らないが、ラビングしたポリマー（たとえば、ポリイミドまたはＰＶＡ）、延伸ポリマーフィルム、偏光子として作用する配向分子、先行する液晶層（たとえば、コレステリック液晶）、および／または基板自体（これらに限られない）を含む、多くの他の配向面がいくつかの実施形態で使用されてもよいことが理解されよう。

本明細書に記載の本発明の実施形態は、数値計算方法（Ｂｅｒｒｅｍａｎ ４ｘ４転送行列法）を使用してシミュレートされ、その後、理論方程式を使用して分析され、実験的に試験されている。単純にするために、上記のすべてを参照して本発明の実施形態の機能原則を説明する。

本明細書に記載する光学フィルムまたは他の複屈折素子の構成は、偏光変換器として機能するため、その光学的ふるまいを観察するための様々な方法があり、それらのうちのいくつかは変換のタイプに依存し得る。たとえば、遅延（Δｎｄ、長さ単位）は、複屈折層からの偏光出力の２つの直交成分の間の相対位相差を説明する。同様であるが正規化された、遅延特性と称される量（Δｎｄ／λ、波長単位）を広範囲の波長にわたる分析に使用することができる。加えて、いくつかの場合において、特定化された量を分析に使用してもよい。そのような特定化された量は、入力直線偏光を出力円偏光に変換する量の測度である、ストークスパラメータ、または、楕円率ｅ＝ｔａｎ（（ａｓｉｎ^−１（−Ｓ_３）／２）のような、それによって計算される何らかの関数のうちの１つを含んでもよい。

本明細書に記載する実施例および実施形態について、波長（すなわち、色分散）にいくらか依存する現実的な複屈折（Δｎ（λ）＝０．１２８＋８３４０／λ^２、波長はｎｍ単位）を仮定することができる。この特定の複屈折分散は、液晶ポリマーＲＭＳ０３−００１Ｃ（Ｍｅｒｃｋ Ｌｔｄ）に対応する。本明細書において、特定の材料およびその特性を参照して実施例が説明されているが、本発明の実施形態は、そのような特定の材料には決して限定されないことは理解されよう。

図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ、図１に示す多層ねじれリターダ構成１００についての出力Ｓ_３パラメータおよび楕円率を示すグラフである。特に、図２Ａおよび図２Ｂは、代表的な事例として、水平直線偏光入力光（すなわち、Ｓ_１＝１）に対して広帯域４分の１波長遅延（すなわち、目標Ｓ_３＝＋１．０）をもたらす、本発明の実施形態による２つの設計を特定している。図１に示すように、表１（下記）において一覧にされている角度および厚さを有する２つのねじれ層１０１および１０２が利用されており、本明細書において、実施形態１ａおよび１ｂと称される。図２Ａ〜図２Ｂにおいて実施形態１ａ（実線）および実施形態１ｂ（破線）について示す出力楕円率およびＳ_３パラメータは、両方とも、実質的により広い帯域幅または波長範囲にわたって、目標または所望のＳ_３＝＋１．０により近くなっている。楕円率はこれをさらにより強調する、すなわち、実施形態１ａ（実線）は、より広い帯域幅の楕円率＞０．９を有し、実施形態１ｂ（破線）は、スペクトルの中心におけるより広い領域にわたってより高い楕円率（＞０．９５）を有する。

上述の実施形態による光学フィルムは、商用の液晶および配向材料を使用して実験的に製造されており、その結果は図３に示されている。キラル濃度およびスピンコータ処理条件はわずかに変化させた。特に、本発明の実施形態による３つの異なる試料光学フィルム３００ａ、３００ｂ、３００ｃについての測定楕円率を図４に示し、曲線は、実施形態１の構成と一致する広帯域楕円率を示す。加えて、図４Ａ〜図４Ｃは、商用の広帯域４分の１波長基準フィルムである「ＡＱＷ２」フィルム（供給元、ＣｏｌｏｒＬｉｎｋ Ｊａｐａｎ Ｌｔｄ）と比較した、異なる偏光子構成の間の３つの試料フィルム３００ａ、３００ｂ、３００ｃを示す写真である。特に、図４Ａは、平行偏光子の間の３つのフィルム３００ａ、３００ｂ、３００ｃを示しており、図４Ｂは、４５度の角度で配置された偏光子の間の３つのフィルム３００ａ、３００ｂ、３００ｃを示しており、図４Ｃは、交差した（９０度の角度で配置された）偏光子の間の３つのフィルム３００ａ、３００ｂ、３００ｃを示している。平行（図４Ａ）および交差（図４Ｃ）の事例の外観はほぼ同一であり、結果の質を強調している。

図５Ｂおよび図５Ｃは、それぞれ、図５Ａに示し本明細書においては実施形態２と称する、本発明の実施形態による３つの積層複屈折層５０１、５０２、５０３を含む光学リターダ構成５００についての出力Ｓ_３パラメータおよび楕円率を示すグラフである。実施形態２は、実施形態１よりもさらにより広い広帯域４分の１波長遅延を達成する多層ねじれリターダ５００を提供する。特に、表１に示すようなねじれ角（φ_１、φ_２、φ_３）および厚さ（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３）を有する３つのねじれ層５０１、５０２、５０３が配向面５１５上に形成されている。図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、実施形態２（実線）は、４００〜８００ｎｍ範囲全体について＋１に近い出力ストークスパラメータＳ_３および楕円率ｅ＞０．９５を明示しており、これは、実施例１（一点鎖線）および実施例２（点線）にまさる実質的な改善をもたらす。

本発明のさらなる実施形態は、直線偏光子６９５と、それぞれ、図６Ａおよび図６Ｂに示す実施形態１または２のいずれかに従って形成される広帯域４分の１波長リターダとを組み合わせることによって形成される円偏光器を提供し得る。特に、図６Ａは、直線偏光子６９５上の、配向面６１５上に積層されている２つの複屈折層６０１、６０２を含む構成６００ａを示しており、各層６０１および６０２は、異なる厚さｄ_１およびｄ_２ならびに反対のねじれ方向を有するねじれ角φ_１およびφ_２を有する。同様に、図６Ｂは、直線偏光子６９５上の、配向面６１５上に積層されている３つの複屈折層６０１、６０２、６０３を含む構成６００ｂを示しており、層６０１は、層６０２および６０３の厚さｄ_２およびｄ_３とは異なる厚さｄ_１を有し、層６０１および６０３は、層６０２のねじれ角φ_２のねじれ方向と反対の、同じねじれ方向を有するねじれ角φ_１およびφ_３を有する。しかしながら、いくつかの実施形態において、光学層が製造された後に配向面６１５は除去されてもよく、かつ／または、接着剤を使用して偏光子６９５上に光学層を積層してもよいことは理解されよう。

光ストレージデバイスのようないくつかの事例において、様々な波長を有する複数のレーザが利用され、したがって、それらの波長において、またはそれらの波長付近でのみ偏光変換が指定または必要とされてもよい。たとえば、一体型ＢＲ／ＤＶＤ／ＣＤプレーヤの光路に使用される４分の１波長リターダは、４０５ｎｍ（ＢＲ）、６５０ｎｍ（ＤＶＤ）、および７８０ｎｍ（ＣＤ）付近で１．０に近い楕円率を必要とし得る。図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、本明細書において実施形態３と称する、２つの積層光学層を含む別の多層ねじれリターダ構成についての出力Ｓ_３パラメータおよび楕円率ｅを示すグラフである。実施形態３において、２つの積層ねじれ層は、表１に示す、異なるねじれ角および厚さを有し、これらの波長帯域の各々について０．９に近い楕円率を達成する。特に、図８Ｂは、実施形態３の構成の楕円率（実線）が、４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、および７８０ｎｍにおいて０．９に近いことを示している。本明細書に記載する他の実施形態と同様に、実施形態３は自己整合層を用いて単一の基板上に形成されているため、いくつかの現行の製品と比較して製造複雑度（およびそれゆえ、費用）を実質的に低減することができる。

本明細書に記載する実施形態３による光学フィルムも、商用の液晶および配向材料を使用して実験的に製造されており、その結果は図８に示されている。キラル濃度およびスピンコータ処理条件はわずかに変化させた。特に、いくつかの異なる試料８００ａ、８００ｂについての測定楕円率が図８に示されており、曲線は、実施形態３に一致する、ＢＲ／ＤＶＤ／ＣＤデバイスのレーザ波長付近で０．９に近い楕円率を示している。

いくつかの層、厚さ、およびねじれ角の特定の組合せを参照して上述したが、これらのパラメータのうちの１つまたは複数は、所望の結果を達成するために本発明の実施形態に従って変更されてもよいことは理解されよう。たとえば、４分の１波長遅延を参照して上述したが、いくつかの実施形態は、広帯域２分の１波長遅延、または、波長に対して相対的に一定である任意の他の遅延特性を提供するように構成されている２つのねじれ層を含む多層ねじれリターダ構成を提供してもよい。

本発明のさらなる実施形態は、たとえば、層の数、ねじれ角、および／または各層の厚さを変更することによって、広い視野のための広帯域遅延を提供するように構成されている２つまたは３つのねじれ層を含む、多層ねじれリターダ構成を提供し得る。特に、本発明のいくつかの実施形態は、広帯域特性の増強に加えて、視野角特性の増強をもたらすように設計することができる。たとえば、光学アセンブリは、いくつかの極角および方位角において光が入射する、直線偏光子と、４分の１波長多層ねじれリターダと、ミラーとを含むことができる。このアセンブリは基本的に、ミラーと組み合わせた円偏光子を提供し、いくつかの用途の中でも、ＯＬＥＤディスプレイのコントラスト比の増強をもたらすのに使用することができる。特に、直線偏光子は入射光を直線偏光に（たとえば、水平直線偏光に）変換し、４分の１波長リターダは直線偏光をある掌性（たとえば、右掌性）の円偏光に変換し、ミラーは円偏光を反射するとともにその掌性を逆に（たとえば、左掌性に）し、この光はその後、戻って４分の１波長リターダを通過して直線偏光に（たとえば、垂直直線偏光に）なり、その後、偏光子によって吸収される。

そのようなアセンブリは、リターダが４分の１波長遅延を提供するときは、偏光されていない入射光を反射せず（すなわち、暗く見え）、遅延が４分の１波長でないとき（たとえば、リターダが４分の１波長遅延以外の遅延、たとえば、２分の１波長遅延を提供するとき）は、灰色または有色に見える。さらに、法線方向（すなわち、０°の極角）に沿って４分の１波長遅延条件が満たされているときであっても、より大きい角度（すなわち、３０°以上）においてはより大きい光もれが発生し得る。この２つの比較例を図１１Ａおよび図１１Ｂに示し、図１１Ａは、狭帯域位相差板の反射特性を示し、図１１Ｂは３層ねじれなし広帯域位相差板の反射特性を示し、これらはそれぞれ、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上述した実施例１および２の４分の１波長リターダと同様である。図１１Ｃに示し本明細書において実施例３と称する第３の比較例は、４分の１波長リターダが（たとえば、米国特許第７，１８７，４２４号に記載のタイプの）単一のねじれ層である、反射特性を示している。各々の構成の層についての特定の特性を凡例に示す。３つすべての比較例において、何らかの波長および何らかの角度において実質的な光もれがある。

多層ねじれリターダ構成が視野角特性を改善することができることを実証するために、本発明の実施形態による２つの設計の結果を図１２Ａおよび図１２Ｂに示す。図１２Ａに示すグラフは、本明細書において実施形態４ａと称する、２つのねじれ層を有するＭＴＲの反射特性を示し、その具体的詳細は上記表１に示されている。図１２Ｂに示すグラフは、本明細書において実施形態４ｂと称する、３つのねじれ層を有するＭＴＲの反射特性を示し、その具体的詳細は上記表１にある。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、両方の実施形態４ａおよび４ｂについて、ほぼすべての波長および角度について図１１Ａ〜図１１Ｃの比較例と比較して反射性が低減されている。

上述した本発明の実施形態に従って形成されたパターン化広帯域リターダは、複数の個別のドメインを提供するために同一平面内にまたは隣り合って配置することもできる。より詳細には、配向面を複数の（すなわち、２つ以上の）別個のドメインに分けてパターン化することができ、方位角φ_０は各ドメイン内では一定であるが、ドメイン間では異なり、これらのドメインのすべての側方寸法は、回折を避けるために光の波長（および複屈折層の厚さ）よりもはるかに大きい（＞１００λ）。

図９Ａは、各々の中に、実質的に均一であるが異なっている配向状態を有する２つの隣接するドメインまたは領域９１５ａおよび９１５ｂを含む配向面９１５上の２つの層９０１および９０２を含む、多層ねじれリターダ構成９００を示す。第１の層９０１がパターン化マルチドメイン配向面９１５上に形成されると、第１の層９０１の分子は、各ドメイン９１５ａおよび９１５ｂの方位角φ_０ａ、φ_０ｂに従って整列され均一に配向され得るし、第２の層９０２は第１の層９０１によって整列され得る。後続の追加の層（図示せず）も、それより下の層によって形成および整列され得る。また、１つまたは複数の追加のおよび／または交互のドメイン／領域が、第２のドメイン／領域９１５ｂに隣接して配向面９１５内に設けられてもよい。したがって、本発明の実施形態は、空間的変動を有する偏光変換、たとえば、直線偏光を受け入れて、これを、各ドメインが異なる掌性を有する円偏光に変換し、またはその逆を行う４分の１波長遅延を提供することができる。そのようなパターン化リターダは、３Ｄ ＬＣＤ、偏光イメージングカメラ、および偏光変換システム（ＰＣＳ）を含む他の光学系で使用することができる。本明細書に記載の実施形態は、下記の実験結果に示すように１Ｄルーバとして使用することもでき、配向面があるドメイン内で均一な配向を提供する、２Ｄ格子パターンとすることもできる。

図９Ａの実施形態による光学フィルムも、商用の液晶および配向材料を使用して実験的に製造されており、その結果は図９Ｂの写真に示されている。最初に、配向面９１５（ここでは、光配向ポリマー）がクロムマスクを通じた偏光フォトリソグラフィを使用してパターン化された。クロムマスクは、複数の隣接する領域またはドメイン９１５ａ、９１５ｂを画定するために使用されており、これらの領域またはドメインの各々は、空間的に均一な配向状態を有する。本明細書に述べたように、空間的に均一な配向または境界条件は、各ドメイン９１５ａ、９１５ｂ内で均一であるものとして理解されるものであり、回折を避けるために波長よりもはるかに大きい寸法を有する。その後、配向面９１５が、図１および／または実施形態１を参照して上述したものと同様な態様で、液晶材料でコーティングされた。図９Ｂの写真は試料を示しており、２つのドメイン１、２がそれらの間に鮮明な境界９を有して作成されており、両方のドメイン１、２は広帯域４分の１波長特性を有するが、ドメイン１の有効光軸（および表面方位角φ_０ａ）は、ドメイン２の有効光軸（および表面方位角φ_０ｂ）に直交している。

上述した本発明の実施形態に従って形成されたパターン化広帯域リターダは、連続的に変化する光軸をも提供することができる。より詳細には、配向面は、方位角φ_０が、１つまたは複数の横断寸法において（たとえば、配向面の平面によって画定されるように、ｘ方向またはｙ方向のみにおいて、またはｘ方向およびｙ方向の両方において）、配向面にわたって連続的に変化するように、パターン化されることができる。

特に図１０Ａは、基板１０１０上の配向面１０１５上に積層されている２つの複屈折層１００１、１００２を含む多層ねじれリターダ構成１０００ａを示す。配向面１０１５は、連続可変配向状態を含み、各層１００１および１００２は、同じまたは異なる厚さｄ_１およびｄ_２、ならびに、同じまたは反対のねじれ方向を有するそれぞれのねじれ角φ_１およびφ_２を有する。いくつかの実施形態において、配向パターンまたは配向状態は、方位角φ_０（ｘ）またはφ_０（ｘ，ｙ）によって制御され、一方で、各層１００１、１００２内のねじれφ_１、φ_２は、各厚さｄ_１、ｄ_２の中で同じであってもよい。同様に、図１０Ｂは、連続的に変化する配向状態を含む配向面１０１５上に積層されている３つの複屈折層１００１、１００２、１００３を含む構成１０００ｂを示しており、層１００１、１００２および１００３のうちの１つまたは複数は同じまたは異なる厚さｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を有し、層１００１、１００２、１００３は、同じまたは反対のねじれ方向を有するそれぞれのねじれ角φ_１、φ_２、φ_３を有する。したがって、本発明の実施形態は、１つまたは複数の寸法において連続的な空間的変動を有する偏光変換を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態による偏光変換素子の具体的な非限定例をさらに、下記により詳細に説明する。特に、本発明のいくつかの実施形態は、本明細書においてマルチツイストリターダ（ＭＴＲ）と称する、単一の配向層および基板上の複数のねじれＬＣ層を使用する、広帯域リターダを提供する。各ＭＴＲにおいて、後続のＬＣ層は先行するものによって直接整列され、結果として、より低い製造複雑度で生成することができ、ほぼ任意の帯域幅および形状について遅延制御が可能である一体型フィルムがもたらされる。本明細書に記載の本発明のいくつかの実施形態は、明白に、１つの可能なねじれ層としてゼロねじれ角（すなわち、一様な層）を可能にする。言い換えれば、本発明のいくつかの実施形態によるＭＴＲは、２つ以上の自己整合層を含み、２つの層のうちの少なくとも１つは非ゼロねじれを有する。

ＭＴＲによって提供される自由度を使用して、いくつかの従来の手法と比較して、偏光変換性能を向上させることができる。本発明の実施形態によるＭＴＲのさらなる特徴は、それらがルーバ付き位相差板、ベクトルボルテックスプレート、および／または広帯域偏光格子を含むパターン化基板上において、より容易に被着されることである。

本発明の実施形態によるＭＴＲは少なくとも２つのねじれ複屈折層を含むため、高分子網目に形成することができるＬＣ（たとえば、「重合可能」ＬＣ）が使用され得る。反応性メソゲンとも称されるＬＣポリマー（ＬＣＰ）は、最初は低分子量のＬＣである。このＬＣは、表面（および固有のキラリティ）によって複雑なプロファイルに配向され、その後、光重合によって固体ポリマーフィルムに直され（cured）、結果として「重合」ＬＣ層になり得る。本発明の実施形態によるＭＴＲの１つの特徴は、先行する層から後続の層へと伝播する配向、すなわち、自己クローニング配向である。言い換えれば、本明細書に記載する製造プロセスに従って形成されるＭＴＲは、後続の層がその上に形成される先行する層が秩序立っていて重合されていることを条件として、後続の層の自発的な配向を可能にし得る。ほぼ任意のＬＣＰが本明細書に記載のＭＴＲに利用され得る一方で、いくつかの実施形態は、Δｎ（λ）＝０．１２８＋８３９０／λ^２の報告されている複屈折分散を有するＲＭＳ１０−０２５（Ｍｅｒｃｋ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．）を参照して説明されている。この現実世界の複屈折分散は、本明細書に記載するシミュレーションについて想定されている。

図１３に示すように、本発明の実施形態によるＭＴＲ１３００のユニットセルは、２つ以上の複屈折層１３０１、１３０２、．．．１３０ｍを含み、層１３０１、１３０２、．．．１３０ｍのうちの少なくともいくつかは、異なるねじれ角φ_１、φ_２、．．．φ_ｍおよび／または異なる厚さｄ_１、ｄ_１、．．．ｄ_ｍを有する。層１３０１、１３０２、．．．、１３０ｍの各々の分子配向はそれより下の層によって確立され、それによって、層１３０１、１３０２、．．．、１３０Ｍの各々のそれぞれの分子配向はそれらの間のそれぞれの界面において整列される。本明細書に記載する場合、異なるねじれ角φ_１、φ_２、．．．φ_ｍとは、大きさの差および／または方向／ねじれ方向の差（たとえば、符号の正／負）を指し得る。複数のねじれの全体的な効果は、転送行列技法を使用して計算することができる。所与の材料について、合計Ｍ個の層を有するＭＴＲ１３００は、２Ｍ＋１個のパラメータを有する。すなわち、各層ｍがそれ自体のねじれφ_ｍおよび厚さｄ_ｍに加えて、基板１３１０上の配向層１３１５によって設定される第１のねじれ層の開始角φ_０を有する。これらの制約を使用して、任意の特定の層のミュラー行列Ｔｍは以下のように書くことができる。

上記において、各層は正規化遅延ζ_ｍ＝Γ_ｍ（λ）／２＝πΔｎ（λ）ｄ_ｍ／λ、パラメータ

およびバイアス平均

を有する。関数ｓｉｎｅＸ_ｍ＝（ｓｉｎＸ_ｍ）／Ｘ_ｍである。本明細書に記載する場合、光軸は正Δｎ材料についてはＬＣネマティックディレクタに平行であり、これは遅軸である。それゆえ、ＭＴＲ全体のミュラー行列は
Ｔ_ＭＴＲ＝Ｔ_Ｍ．．．Ｔ_２Ｔ_１ （６）
であり、出力偏光はＳ_ｏ＝Ｔ_ＭＴＲＳ_ｉとして求めることができ、ここで、Ｓ_ｏ（λ）およびＳ_ｉ（λ）はそれぞれ各波長についての入力偏光および出力偏光のストークスベクトルである。Ｓ＝（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）^Ｔは、いくつかの手法を使用して測定することができる。ＭＴＲは一様でないプロファイルの一軸複屈折性を有し得るため、それらは、概して全体的に見ると一軸でも二軸でもないものであり得る。それにもかかわらず、有効遅延および光軸方向は、ストークス出力を、同じ入力偏光に対する、標準の一様なリターダから予測されるものと比較することによって、構造全体について計算することができる。

ＭＴＲの設計は、一般的に、２Ｍ＋１個のパラメータを選択することを含む。原則として、これは、行列Ｔ_ＭＴＲを使用し直接行うことができる。一般偏光変換問題が、Ｎ個の特定の設計波長についての既知の入力および所望の出力偏光のセットを含む場合、式（６）から生じる連立方程式を解いて、存在するときには実行可能な正確なＭＴＲ解を見つけることが可能であり得る。高いレベルにおいて、１つの設計プロセスは以下の通りである、すなわち、費用関数ｆを設定し、その大域的最小値（そして、時としては極小値）を求める。この費用関数は、特定の解の目標Ｓ_ｔ（λ）および出力Ｓ_ｏ（λ）偏光スペクトルの関数であり得るし（既知の入力Ｓ_ｉ（λ）が与えられた場合）、または、Ｔ_ＭＴＲ［ｒｏｗ，ｃｏｌ］の成分の１つの関数であり得る。例は、

を含む。多くの場合、探索がより迅速に収束するように、

のような、さらにより非線形的である費用関数を適用することが望ましい場合がある。ここで、

は楕円率である。なお、ｆは、他の制約、たとえば、製造の嗜好または制限を含むように設定される場合もある。

ｄおよびφに対する保守的な制約内であっても、この計算は、多数の極小値をもたらす可能性があり、それらの多くはほぼ同一のｆの結果を有する均等な大域的最小値である。この劣決定の状況において、好都合な解がランク付けおよび選択され得る。

本発明のいくつかの実施形態は、４分の１波長および２分の１波長位相リターダの改善されたまたは最適な設計をさらに提供する。単純および明瞭にするために、これらの実施形態は、可視波長の光を参照して説明されているが、本発明の実施形態の機能は可視波長には限定されず、赤外線および／または紫外線波長にわたっても同様に動作可能であり得ることは理解されよう。さらに、いくつかの実施形態において、ねじれ角を変更することなく個々の層の厚さをスケーリングすることによって、複数の異なる波長範囲の設計を得ることができる。

４分の１波長（ＱＷ）リターダは、直線偏光（たとえば、Ｓｉ＝（１，１，０，０）^Ｔ）および円偏光（たとえば、Ｓ_ｔ＝（１，０，０，１）^Ｔ）への入力光／からの入力光を変換する。したがって、本明細書において説明するように、特定の波長について正確にＴ_ＭＴＲ［２，２］＝０、Ｔ_ＭＴＲ［３，２］＝０、およびＴ_ＭＴＲ［４，２］＝１であるか、または所与の帯域幅についてほぼこのようになる。下記に説明する例は、２つの事例、すなわち、約２００ｎｍの帯域幅範囲（たとえば、４５０〜６５０ｎｍ）にわたるＭ＝２層を有するアクロマティックＱＷ ＭＴＲ、および、約４００ｎｍの帯域幅範囲（たとえば、４００〜８００ｎｍ）にわたるＭ＝３層を有するスーパーアクロマティックＱＷ ＭＴＲをカバーしている。便宜上、これらの設計をそれぞれ２ＴＲ設計および３ＴＲ設計と称し、表２に要約する。

図１４Ａは、本発明のいくつかの実施形態による２層ＭＴＲ設計１４００を示す。多数の２ＴＲアクロマティックＱＷ設計が可能であり得るが、図１４の断面図は概して、そのような設計のために変更され得るパラメータを示す。特に、ＭＴＲ１４００は、それぞれ異なるねじれφ_１およびφ_２で、および／または異なる厚さｄ_１およびｄ_２にわたって回転されている分子配向を有する第１の複屈折層１４０１および第２の複屈折層１４０２を含み、第１の層１４０１のそれぞれの分子配向は、基板１４１０上の配向面１４１５内の実質的に均一な配向状態（開始角φ_０を提供する）によって確立され、第２の層１４０２のそれぞれの分子配向は、第１の層１４０１の表面でその上に提供される実質的に均一な分子配向によって確立される。１つの特定の解を、図２１Ａ〜図２１Ｂを参照して下記に説明する。それにもかかわらず、約４５０〜６５０ｎｍの帯域幅の中で費用関数

の数値的な最適化を使用してこの解および他の解を求めることができる。

表２に示す一例の実施形態（２ＴＲ ＱＷ−Ａ）において、第１の層１４０１は、約０度のねじれ角を有し得るし（たとえば、「ゼロねじれ」層）、かつ第２の層１４０２は非ゼロねじれ角を有し得る（たとえば、「非ゼロねじれ」層）。表２に示すような他の例の実施形態（２ＴＲ ＱＷ−Ｂおよび２ＴＲ ＱＷ−Ｃ）は、それぞれ同じおよび反対のキラル掌性を有する、２つの非ゼロねじれ層を含む。２ＴＲ ＱＷ−Ｂおよび２ＴＲ ＱＷ−Ｃ構成は、いくつかの態様においてそれぞれ実施形態１ａおよび１ｂの構成と同様であり得る。

本発明のいくつかの実施形態による直線（水平）入力偏光に対する２ＴＲ ＱＷ設計の出力を、２ＴＲ ＱＷ−Ａ（実線）、２ＴＲ ＱＷ−Ｂ（破線）、および２ＴＲ ＱＷ−Ｃ（一点鎖線）についての図１６Ａ〜図１６Ｄに示す。特に、図１６Ａは、出力ストークス成分Ｓ_３が４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲にわたって１にほぼ等しいことを示している。同様に、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲にわたって、図１６Ｂは、いくつかの実施形態による２ＴＲ ＭＴＲが約９０°の実効的な正味遅延を提供することを示しており、一方で図１６Ｃは、ＭＴＲから出力される光の楕円率ｅが約０．９５〜約１であることを示している。図１６Ｄは、光軸が４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲にわたって約４５度の角度に配向していることを示している。それぞれ厚さ１．７５および０．８８μｍを有し、それらの光軸が１５度および７４度を向いている２つの均質な板を含む、従来のアクロマティックＱＷ設計から比較結果も（破線で）示されている。図１６Ａ〜図１６Ｄに示すように、本発明のいくつかの実施形態によるＭＴＲによって提供される出力ストークス成分Ｓ_３、正味遅延、出力楕円率ｅ、および有効光軸配向角は、従来のＱＷ設計によって提供されるものと実質的に同様である。

図１４Ｂは、ポアンカレ球上の、本発明のいくつかの実施形態による、ＭＴＲによって提供される出力ストークス成分Ｓ_１ Ｓ_２ Ｓ_３を示す。ポアンカレ球は、２ＴＲ ＱＷがどのように機能するかを説明する一助となる。特に、図１４Ｂは、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍのスペクトルにわたる２ＴＲ ＱＷ−Ａの厚さを通じた偏光の展開を示す。２ＴＲ ＱＷ設計１４００の第１の層１４０１は、入力直線偏光を重大な（nontrivial）楕円偏光に変換し、これはその後、第２の層１４０２によって目標円偏光に変換される。これは、その第１の層が赤道への、その後赤道から極に至るまでの偏光をとる、図１６Ａ〜図１６Ｄ内の比較として示す従来の設計によってとられる経路とは異なる。そのため、いくつかの従来の手法とは対照的に、ＭＴＲ１４００によってもたらされるさらなる自由度によって、より可能性のある偏光軌道に対するアクセスが可能になり、それによって、最終的な偏光スペクトル分布の調節をより柔軟に行うことが可能になる。

ＱＷリターダの実際の帯域幅は、Ｓ_３≧０．９９５、および同等にｅ≧０．９であるおおよその波長範囲を、中心波長で除算したものとして定義され得る。したがって、本発明の実施形態によるいくつかの２ＴＲ ＱＷ設計は、約３７％の帯域幅を有し得る。これは多くの用途にとって有用であるが、実質的により広い帯域幅が、図１５Ａに示すように、追加の層を加えることによってもたらされ得る。

図１５Ａは、本発明のいくつかの実施形態による３層ＭＴＲ設計１５００を示す。図１５Ａは、概して、いくつかの３ＴＲスーパーアクロマティックＱＷ設計の変化している場合があるパラメータを含む断面図を示し、図１４Ａの２ＴＲアクロマティックＱＷ設計よりも動作帯域幅が広くなっている。図１４Ａの実施形態におけるものと同じ数値最適化手法およびｆが使用されたが、こちらは４００〜８００ｎｍの増大した波長範囲にわたっている。特に、ＭＴＲ１５００は、それぞれ異なるねじれφ_１、φ_２、およびφ_３で、および／または異なる厚さｄ_１、ｄ_２、およびｄ_３にわたって回転されている分子配向を有する第１の複屈折層１５０１、第２の複屈折層１５０２、および第３の複屈折層１５０３を含み、第１の層１５０１のそれぞれの分子配向は、基板１５１０上の配向面１５１５内の、開始角φ_０を提供する実質的に均一な配向状態によって確立され、第２の層１５０２のそれぞれの分子配向は、その上の第１の層１５０１の表面で提供される実質的に均一な分子配向によって確立され、第３の層１５０３のそれぞれの分子配向は、その上の第２の層１５０２の表面で提供される実質的に均一な分子配向によって確立される。

表２に示す一例の実施形態（３ＴＲ ＱＷ−Ａ）において、第１の層１５０１はゼロねじれを有することができ、他の２つの層１５０２および１５０３は、任意の非ゼロねじれを有し得る。別の実施形態（３ＴＲ ＱＷ−Ｂ）において、ゼロねじれ制限は除去された。

本発明のいくつかの実施形態によるいくつかの３ＴＲ ＱＷ設計の出力が、２ＴＲ設計に対する多くの類似性があるが、帯域幅がより広くなっている３ＴＲ ＱＷ−Ａ（実線）および３ＴＲ ＱＷ−Ｂ（一点鎖線）についての図１７Ａ〜図１７Ｄに示されている。特に、図１７Ａは、出力ストークス成分Ｓ_３が４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲にわたって１にほぼ等しいことを示している。同様に、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲にわたって、図１７Ｂは、いくつかの実施形態による２ＴＲ ＭＴＲが約９０°の実効的な正味遅延を提供することを示しており、一方で図１７Ｃは、ＭＴＲから出力される光の楕円率ｅが約０．９４〜約１であることを示している。図１７Ｄは、光軸が４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲にわたって約４５度の角度に配向していることを示している。それぞれ厚さ１．６、１．６、および０．８μｍを有し、それらの光軸が７°、２７°、および６５°を向いている３つの均質な板を含む従来のスーパーアクロマティックＱＷ設計から比較結果も（破線で）示されている。図１７Ａ〜図１７Ｄに示すように、本発明のいくつかの実施形態によるＭＴＲによって提供される出力ストークス成分Ｓ_３、正味遅延、出力楕円率ｅ、および有効光軸配向角は、従来のスーパーアクロマティックＱＷ設計によって提供されるものと実質的に同様である。

図１５Ｂは、ポアンカレ球上の、本発明のいくつかの実施形態によるＭＴＲによって提供される出力ストークス成分Ｓ_１ Ｓ_２ Ｓ_３を示す。特に、図１５Ｂは、４２５ｎｍ〜７７５ｎｍのスペクトルにわたる３ＴＲ ＱＷ−Ａの厚さを通じたポアンカレ球上の偏光の展開を示す。３ＴＲ ＱＷ設計の第１の層１５０１は、入力直線偏光付近で偏光を緩やかに扇状に展開させる。その後、これらの偏光は第２の層１５０２によって半球にわたって変換され、最終的には第３の層１５０３によって極に至る。これは、従来の３板設計によってとられる経路とは異なっている。従来の経路では、最初の２つの均質なＨＷリターダは、水平入力を、４５°に整列した子午線に沿って第３の均質なリターダに入る３つの偏光状態まで回転させるように、特定の角度に整列されており、３つの偏光状態は、赤道の周囲に分散して、それらを極に送る第３の均質なリターダの分散に正確に一致する。

本発明の実施形態による３ＴＲ ＱＷ設計は、約７５％の帯域幅を有することができ、これは図１４Ａに示す２ＴＲよりも２倍大きいファクターである。そのため、特定の理論に束縛されることを望むものではないが、本明細書に記載の本発明のいくつかの実施形態は、より多くの複屈折層を加えることによってより広い帯域幅を達成することができることを示している。

本発明の実施形態によって提供される別の偏光素子が、１つの直線偏光を別の（回転した）直線偏光に／別の（回転した）直線偏光を１つの直線偏光に変換（ｌｉｎ−ｌｉｎ）する２分の１波長（ＨＷ）リターダであり、旋光を達成するのに使用することができる。同様に、ＨＷリターダは、円偏光を直交する円偏光に変換（ｃｉｒ−ｃｉｒ）するのに使用することができる。下記に説明する例は、両方の変換を達成する２つのＨＷ ＭＴＲ設計をカバーしている。それぞれ４５０〜６５０ｎｍおよび４００〜８００ｎｍの帯域幅のための特定の２ＴＲおよび３ＴＲ設計を表３に示す。以下の結果は、２ＴＲ ＨＷ設計および３ＴＲ ＨＷ設計の帯域幅が、上述の類似のＱＷ ＭＴＲと同様である（すなわち、アクロマティック２ＴＲおよびスーパーアクロマティック３ＴＲについて、それぞれ３７％および７５％である）ことを示している。このＨＷの事例において、類似の帯域幅の定義は、｜Ｓ_{（１ ｏｒ ３）}｜≧０．９９に対する波長範囲を中心波長で除算したものである。

単一ねじれＬＣ層は中程度の帯域幅にわたる直線偏光の回転を達成することができる一方、ＭＴＲを使用して、相対的により小さい厚さでより広い帯域幅を達成することができる。表３に示すｌｉｎ−ｌｉｎ ＨＷ ＭＴＲ（たとえば、２ＴＲ ＨＷ−Ａおよび３ＴＲ ＨＷ−Ａ設計）について、水平直線偏光を有する入力光が使用され、目標出力偏光は垂直直線として設定された（たとえば、Ｓ_ｔ＝（１，−１，０，０）^Ｔ）。

本発明のいくつかの実施形態による２および３ＭＴＲ ＨＷ−Ａ（ｌｉｎ−ｌｉｎ）設計の出力を、２ＴＲ ＱＷ−Ａ（破線）、３ＴＲ ＱＷ−Ａ（実線）についての図１８Ａ〜図１８Ｂに示す。特に、図１８Ａおよび図１８Ｂは、それぞれ、出力ストークス成分Ｓ_１が−１にほぼ等しく、実効的な正味遅延が約１８０°であることを示している。両方とも厚さが１．７７μｍであり、光軸が２２．５°および６７．５°にある２つの均質な板を含むアクロマティックＨＷ設計（点線）、およびそれぞれ厚さが３．２、１．６、および１．６μｍであり、光軸が１９°、９３°、および４８°にある３つの均質な板を含む設計（一点鎖線）からの比較結果も示されている。したがって、本発明のいくつかの実施形態による２ＴＲ ＨＷ−Ａおよび３ＴＲ ＨＷ−Ａ設計は、ｌｉｎ−ｌｉｎ変換に対するアクロマティックおよびスーパーアクロマティックＨＷ挙動を達成することができる。

単一ねじれＬＣ層は円偏光についてはＨＷリターダを模倣しないという事実があるにもかかわらず、本発明の実施形態によるＭＴＲは、ｃｉｒ−ｃｉｒ ＨＷ変換を提供するのに使用することもできる。表３に示すｃｉｒ−ｃｉｒ ＨＷ ＭＴＲ（たとえば、２ＴＲ ＨＷ−Ｂおよび３ＴＲ ＨＷ−Ｂ設計）について、円偏光を有する入力光（たとえば、Ｓ_ｉ＝（１，０，０，１）^Ｔ）が使用され、目標出力偏光は入力円偏光に直交するものとして設定された（たとえば、Ｓ_ｔ＝（１，０，０，−１）^Ｔ）。本発明のいくつかの実施形態による２および３ＭＴＲ ＨＷ−Ｂ（ｃｉｒ−ｃｉｒ）設計の出力を、２ＴＲ ＱＷ−Ｂ（破線）、３ＴＲ ＱＷ−Ｂ（実線）についての図１８Ｃ〜図１８Ｄに示す。特に、図１８Ｃおよび図１８Ｄは、それぞれ、出力ストークス成分Ｓ_３が−１にほぼ等しく、実効的な正味遅延が約１８０°であることを示している。それぞれ厚さが０．８３、１．６６、および０．８３μｍであり、光軸が１６°、５９．３°、および１６°にある３つの均質な板を含むアクロマティック設計（点線）、および、それぞれ厚さが０．８１、３．２２、および０．８１μｍであり、光軸が１９．７°、７４．１°、および１９．７°にある３つの均質な板を含む別の設計（一点鎖線）の比較結果も示されており、その両方が２ＴＲ ＨＷ−Ｂおよび３ＴＲ ＨＷ−Ｂ設計との実質的に同様の重なりを有する。したがって、本発明のいくつかの実施形態による２ＴＲ ＨＷ−Ｂおよび３ＴＲ ＨＷ−Ｂ設計は、ｃｉｒ−ｃｉｒ変換に対するアクロマティックおよびスーパーアクロマティックＨＷ挙動を達成することができる。

図１９Ａ〜図１９Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、ＭＴＲを形成するのに使用することができる例示的な製造プロセスを示す。図１９Ａ〜図１９Ｄの製造プロセスは、標準的なツールおよび材料を利用して、優れた光学的特性を有するＭＴＲを提供することができる。図１９Ａ〜図１９Ｄに示すように、ＭＴＲ製造は、少なくとも３つのポリマー層をコーティングすることを含む。特に、図１９Ａに示すように、配向層１９１５が基板１９１０に被着される。図１９Ｂにおいて、ＬＣＰの層１９０１’が配向層１９１５上に、その分子が、下の配向層１９１５内の配向状態に整列するように配向されるようにコーティングされる。図１９Ｃにおいて、ＬＣＰ層１９０１’が、たとえば、（ＵＶ）光重合１９９０によって硬化されて、ＬＣＰ１９０１内の架橋高分子網目が形成される。図１９Ｄにおいて、ＭＴＲ１９００全体が完成するまで、１つまたは複数の追加の層ＬＣＰ１９０２’が層１９０１上に、層１９０２’の分子が直前のＬＣＰ層１９０１の上面にある分子の配向によって整列されて、それらのそれぞれの開始角を配向するようにコーティングされて、硬化される。実際には、図１９Ａ〜図１９Ｄの製造プロセスは相対的に迅速で（たとえば、数分）、反復可能であり、大きい面積（たとえば、５．０８〜１５．２４ｃｍ（２〜６インチ）径の素子）に拡大可能であり得る。保護および反射防止効果のために、露出したＬＣＰ最終層（本実施例では層１９０２）の上にガラスエンドキャップも積層されてもよい。

特定の実施例において、光配向材料ＬＩＡ−Ｃ００１（ＤＩＣ Ｃｏｒｐ）が配向層１９１５に使用され、基板１９１０としてのｂｏｒｏｆｌｏａｔガラス（ＰＧ＆Ｏ）上に設けられた。１５００ｒｐｍのスピン工程、その後の１００°Ｃにおける１分間のホットプレート焼成を使用して配向層１９１５を堆積して、配向層はその後、配向層１９１５内で所望の開始角φ_０を設定するように構成された直線偏光器を用いてＵＶ ＬＥＤ光源（０．５Ｊ／ｃｍ^２、３６５ｎｍ、Ｃｌｅａｒｓｔｏｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）に曝露された。後続のＬＣＰ層１９０１、１９０２は、溶剤ＰＧＭＥＡ（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）とともに、それぞれ正および負のねじれ方向を有する、様々な小量のキラル剤ＣＢ−１５およびＭＬＣ−６２４７（Ｍｅｒｃｋ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ）でドープしたＲＭＳ１０−０２５をベースとした。ＬＣＰ層１９０１、１９０２は乾燥窒素環境下で、光配向層１９１５と同じ非偏光ＵＶ光源およびフルエンスを用いて（ただし、上述の偏光器は用いずに）光重合された。表５に示すスピン方法を使用して、表４にリストされているようないくつかの混合物が開発された。

精密回転ステージ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｌｔｄ）内に取り付けられた直線偏光器（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｔｄ）を使用した測定ツール、および、図５Ａ〜図５Ｃに示すような高品質アクロマティックＱＷリターダ（ＡＱＷ２、Ｃｏｌｏｒｌｉｎｋ Ｊａｐａｎ， Ｌｔｄ）が使用されて、他の参考サンプルとともに、本発明の実施形態による例示的なＭＴＲが特性化された。所望の波長範囲にわたって分光計（Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｔｄ）によって収集された一連の強度測定値によってストークスパラメータが測定され、ＭＡＴＬＡＢにおいてデータが後処理されて、ストークスパラメータが推定され、その後、有効遅延、有効光軸配向、および楕円率を含む関連パラメータが計算された。既知のリターダを使用して測定ツールが較正されて、商用の測定ツール（Ａｘｏｓｃａｎ）を使用して一連のリターダに対して測定値が確認された。

本発明の実施形態に従って製造されるＱＷ ＭＴＲからの出力を図２０Ａ〜図２０Ｂに示す。ＱＷ−Ａ設計からの測定遅延は、図１６Ｂおよび図１７Ｂ内のスペクトルに対応する。最小二乗最良適合によって、表２内の目標値±４％以内である推定厚さおよびねじれがもたらされる。商用のＡＱＷ２リターダに対する遅延測定値および商用のスーパーアクロマティックＱＷリターダ（ＡＱＷＯ０５Ｍ−６００， Ｔｈｏｒｌａｂｓ）の供給元提供の遅延がベースラインとして使用された。

図２０Ａに示すように、２ＴＲ ＱＷ−Ａサンプルについての測定遅延は、４５０〜６５０ｎｍの無彩色波長範囲にわたって９０°の所望の値に近い。水平偏光入力について、この素子からの出力の平均楕円率は

として測定されており、これは、発現している／出力光がほぼ完璧に円偏光し得ることを示しており、商用のＡＱＷ２リターダに対する測定値と実質的に同じであった。

図２０Ｂは、３ＴＲ ＱＷ−Ａサンプルについての測定遅延を示しており、これは同様に、４００〜８００ｎｍのより大きい波長範囲にわたって９０°の所望の値に近い。水平偏光について、平均出力楕円率は

として測定された。図２０Ｂに示す例に使用された製造プロセスは、２ＴＲ ＱＷＰのものと同じであり、１つ追加のねじれ層が加わっただけであった。３ＴＲ ＱＷＡサンプルも、その遅延スペクトルが同じ波長範囲にわたってより広い偏差を有する商用のＡＱＷＯ０５Ｍ−６００リターダの性能を改善する。

本発明の実施形態によるＭＴＲは、一般的な偏光操作向けに設計することができ、より単純な方法を使用して製造することができる位相リターダを提供する。図２１は、本発明のいくつかの実施形態による、ＭＴＲの性能動向を比較した棒グラフ図である。図２２に示し、また上述したように、ＭＴＲの動作帯域幅は、層の数Ｍが増大するとともに増大し得る。そのため、４つまたは５つ以上の層を含むＭＴＲは、さらにより広い帯域幅を提供することができ、短、中、および長波長赤外線の波長に特によく適し得る。本発明の実施形態によるＭＴＲは、材料自体の負分散を明示するＬＣ混合物を使用して形成することもできる。そのようなＬＣ混合物は単独で、単一層内である程度の帯域幅増強（すなわち、ほぼすべての他の材料と比較して）を達成し得るし（たとえば、約１５％）、したがって、さらに性能が改善されたリターダを達成するために、本明細書に記載するＭＴＲに利用することができる。

それらの不均質な性質に起因して、一般的なＭＴＲ設計（および、上述した比較例の多く）は、それに沿った方向で直線偏光が確保される真の光軸を有することができないことは理解されよう。しかしながら、実際にそのような挙動が所望される場合、本発明のいくつかの実施形態による追加の層を使用したＭＴＲにおいてこれを達成することが可能である。

遅延Γおよび良好に定義された光軸を有する位相差板としてＭＴＲを設計するために、いくつかの設計条件を以下のミュラー行列成分に関して記しておく。すなわち、Ｔ_ＭＴＲ［２，２］＝１、Ｔ_ＭＴＲ［３，３］＝ｃｏｓΓ、およびＴ_ＭＴＲ［４，３］＝−ｓｉｎΓ。一例として、４５０〜６５０ｎｍの波長範囲にわたって真の光軸を有するアクロマティック４分の１波長板（Γ＝π／２）を達成するために、３層ＭＴＲ設計がシミュレートされた。この３ＴＲ ＱＷ−Ｃ設計は、φ_０＝２３．９°、ｄ_１＝０．９２μｍ、φ_１＝０°、ｄ_２＝０．７μｍ、φ_２＝９３．２°、ｄ_３＝１．８５μｍ、φ_３＝−１４６°の設計パラメータを有する。比較のために、ｄ_１＝１．０８μｍ、θ_１＝１５．４°、ｄ_２＝１．６６μｍ、θ_２＝７０．１°、ｄ_３＝ｄ_１、θ_３＝θ_１の設計パラメータを有する、互いの上に積層される３つの均質な位相差板から成るＱＨＱ−ＱＷ設計がシミュレートされた。これらの位相差板の真の光軸特性は、２つの事例の下で検証することができる。図２２Ａおよび図２２Ｂにおいて、３ＴＲ ＱＷ−Ｃ（太線）およびＱＨＱ−ＱＷ（破線）は、水平入力（Ｓ_１＝１）の右円出力（Ｓ_３＝１、ｅ＝１）への広帯域変換を達成することができる。加えて、同じ側から、両方の設計は、それぞれ図２２Ｃおよび図２２Ｄに示すように、左円入力（Ｓ_３＝−１）を水平偏光出力（Ｓ１＝１、ｅ＝０）に変換し戻すことが可能である。説明されている原理を使用して任意の遅延および波長にわたって同様の結果を得ることができる。

ＭＴＲの別の特性は、それらの受光角（すなわち、開口角）である。本明細書に記載する予備シミュレーションおよび実験的観察は、本発明の実施形態によるＱＷおよびＨＷ ＭＴＲが、少なくとも３０°以上の入射角を有する入力光について均一に振る舞うことを示唆している。したがって、本発明の実施形態において、入力光は、任意の偏光、任意の波長、および／または、約２０度以上までの角度発散で、完全にまたは部分的に偏光し得る。

自己整合挙動に起因して、本明細書に記載するＭＴＲの層は、複雑な複屈折光学を可能にするためにパターン化基板上に被着することができる。本発明の実施形態によるＭＴＲは、たとえば、その開示が引用することにより本明細書の一部となすものとする、「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｉｔｈ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題する共同所有の米国仮特許出願第６１／５４４，８８８号に記載のような、より効率的なポータブルプロジェクタを提供する偏光変換システム内の位相差板としても使用することができる。

本明細書に記載するように、本発明の実施形態は、マルチツイストリターダ（ＭＴＲ）とも称する、単一の基板上の複数のねじれ複屈折層を使用する、広帯域リターダを提供する。キラルＬＣを用いて形成されるとき、これらの層は自己整合性であり、単一の配向層を使用し、かつ複数の均質なリターダを使用する手法と比較して製造するのがより安価およびより容易である。さらに、本発明の実施形態によるＭＴＲは、そのような他の手法と比較して（たとえば、帯域幅、遅延の効率、および配向角に関して）改善された性能を提供することができる。

本明細書に記載する実施形態は、上記の実施形態のいずれかを反転したものも含むことができることは理解されよう。たとえば、本発明の実施形態によれば、配向面は別の側に設けられてもよく、および／または、層の順序は逆になってもよい。また、本明細書に記載する特定のＭＴＲ設計の入力側と出力側とは逆になってもよいが、そうする際には、所望の偏光変換を提供するように注意が払われるべきである。たとえば、表２に示す２ＴＲ ＱＷ−Ａ設計は、入力側が層１４０１であるときは直線偏光を円偏光に変換し、入力側が層１４０２であるときは円偏光を直線偏光に変換する。しかしながら、円偏光が層１４０１内に入力されるようにＭＴＲが構成されるとき、層１４０２から出力される偏光は直線にはならない。さらに、上述した任意の特定のねじれ層は、いくつかの事例においてより容易な、または費用のより低い薄膜コーティングを可能にするために、同じ材料の部分層を介して製造されてもよい。

本明細書に記載するように、光学デバイスに使用される複屈折素子の説明において、「板（ｐｌａｔｅ）」という用語は、フィルム、スラブ、シート、または層と同義である。また、偏光変換効果は２つのカテゴリ（リターダおよび回転子）を参照して説明され得るが、「リターダ（ｒｅｔａｒｄｅｒ）」という用語は、本明細書においては概して、たとえば、旋光および複屈折遅延の両方を包含する、何らかの方法で偏光を変化させる複屈折素子を記載するために使用されている。本明細書に記載する場合、「複屈折リターダ（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｒｅｔａｒｄｅｒ）」、「リターダ」、「遅延板（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ ｐｌａｔｅ）」、および「補償フィルム（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ）」という用語は、均質な位相差板を含む、任意の複屈折板を指すために交換可能に使用され得る。そのような複屈折板はまた、一軸、二軸、または不均質であってもよい。本明細書に記載のリターダは、広帯域（すなわち、アクロマティック）または狭帯域（すなわち、クロマティック）であってもよい。本明細書に記載のリターダは、それゆえ、旋光もしくは複屈折遅延またはそれらの任意の組合せを介して偏光の変更を達成し得るが、それを通過する光の伝播方向に実質的に影響を与えず、またはそれを変化させないものであり得る。

本発明は、本明細書において、すべての層が同じ複屈折性を有する同じ材料から形成されるいくつかの実施形態を参照して記載されているが、本発明の実施形態はそれらには限定されず、異なる液晶材料が各層に使用され得ることは理解されよう。また、本明細書に記載する場合、「ねじれネマティック（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）」という語句は、限定なしに使用されているときは、正、負、またはさらにはゼロであるすべてのねじれ角を含む、任意の一般ねじれネマティック（ＧＴＮ）液晶を指すことができる。一般ねじれネマティック（ＧＴＮ）層は、層の総ねじれΦおよび位相遅延角Γによって特性化することができる。単一の層に対する４つの一般的な型、すなわち、断熱導波、複屈折、ブラッグ、形状複屈折がある。Φ＜＜Γであるとき、単一のねじれ層において旋光が発生し（断熱導波、またはＭａｕｇｕｉｎ型と称される）、Φ≒Γであるとき、複屈折遅延が発生し、Φ＞Γかつｎ_ｏ＜（λ／Ｐ）＜ｎ_ｅであるとき、ここで、Ｐはらせんピッチであるが、円偏光ブラッグ反射が発生し、最後に、Φ＞＞Γであるとき、形状複屈折が発生する。上述の実施形態は０≦Φ≒Γの範囲内のねじれ層を含み、主な光学的効果は、複屈折遅延および旋光の両方の重ね合わせであり、任意のＧＴＮ型が、本明細書に記載する層の１つまたは複数で使用されてもよい。

本発明の実施形態は、実質的に一軸である、二軸である（三重屈折とも称される）、またはいずれでもない（すなわち、全体としての光軸を有しない複雑なリターダ）複屈折フィルムを提供することができる。

本明細書において、ネマティック液晶材料から形成される光学リターダ層を参照して主に説明したが、光学原理は同じままであり得るため、本発明の実施形態による他の材料（たとえば、形状複屈折、メタマテリアル、および／またはナノ粒子／ワイヤ／チューブを含む）が、本明細書に記載する光学的効果を達成するのに使用されてもよいことは理解されよう。たとえば、サブ波長構造を有する等方性材料が、上述と同じまたは同様に構築され得る形状複屈折を生成することができる。そのため、本発明の実施形態は、本明細書に記載する特定の材料には限定されず、本明細書に記載するように機能するあらゆる材料層を使用して実装されてもよい。

上記の説明および図面に関連して多くの異なる実施形態が本明細書に開示されている。これらの実施形態のすべてのコンビネーションおよびサブコンビネーションの言葉で説明しおよび例示した場合、過度に反復的および不明瞭となるかもしれないことは理解されよう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書に記載する実施形態の、および、それらを作成および使用する方法およびプロセスのすべてのコンビネーションおよびサブコンビーネーションの完全な書面での説明を構成するように解釈されるべきであり、任意のそのようなコンビネーションまたはサブコンビネーションに対する特許請求をサポートするものである。

本開示の実施形態が開示されている図面および明細書において、特定の用語が利用されているが、それらは一般的および記述的な意味で使用されているに過ぎず、限定を目的とするものではない。それゆえ、上記は本発明の例示であり、開示されている具体的な実施形態に限定されるように解釈されるべきではないこと、および、開示されている実施形態に対する変更および他の実施形態が、本発明の範囲内に含まれるように意図されていることは理解されたい。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層であって、それぞれのローカル光軸が、該第１の層および第２の層のそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されており、該第１の層と第２の層との間の界面に沿って整列されている、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層を備え、
前記それぞれのねじれ角および／または前記それぞれの厚さは異なっており、前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において非周期的である、光学素子。
請求項２：
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、それぞれ、通過する光の伝播方向を実質的に変更することなく偏光を変更するように構成されている光学リターダ層を備える、請求項１に記載の光学素子。
請求項３：
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において実質的に均一である、請求項１に記載の光学素子。
請求項４：
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、互いの上に直接、積層されており、一体構造を画定している、請求項３に記載の光学素子。
請求項５：
実質的に均一な配向状態を内部に有する配向面をさらに備え、
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層のうちの一方は、その前記それぞれのローカル光軸が前記配向状態に従って整列されるように、前記配向面の直接上にある、請求項４に記載の光学素子。
請求項６：
前記それぞれのねじれ角は同じねじれ方向を有する、請求項４に記載の光学素子。
請求項７：
前記それぞれのねじれ角は大きさが実質的に等しく、ねじれ方向が反対である、請求項４に記載の光学素子。
請求項８：
前記それぞれのねじれ角は異なっており、前記ねじれ角の一方は非ゼロである、請求項４に記載の光学素子。
請求項９：
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において連続的に変化する、請求項１に記載の光学素子。
請求項１０：
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、それぞれ第１の隣接領域および第２の隣接領域を含んでおり、
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿って前記第１の領域および第２の領域の各々において実質的に均一であり、前記第１の領域および第２の領域内の前記それぞれのローカル光軸は異なっている、請求項１に記載の光学素子。
請求項１１：
前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、第１の液晶層およびその上に積層されている第２の液晶層を備え、
前記第１の液晶層および第２の液晶層のそれぞれの分子配向は、それらの間の前記界面に沿って整列され、前記第１の液晶層および第２の液晶層のすくなくとも一方はキラル層である、請求項１に記載の光学素子。
請求項１２：
前記第１の液晶層および第２の液晶層のうちの少なくとも一方は、重合液晶層である、請求項１１に記載の光学素子。
請求項１３：
前記第１の液晶層および第２の液晶層のうちのもう一方は、切替可能液晶層である、請求項１２に記載の光学素子。
請求項１４：
前記第２の液晶層上に積層されている第３のキラル液晶層をさらに備える、請求項１２に記載の光学素子。
請求項１５：
直線偏光子をさらに備え、
前記第１の光学層および第２の光学層は、それらの間の配向層または接着層によって、前記直線偏光子上に積層されている、請求項１に記載の光学素子。
請求項１６：
前記第１の光学層および第２の光学層の前記それぞれのねじれ角および／または厚さは、約２００ｎｍ以上の広帯域波長範囲にわたって実質的に無彩色である２分の１波長遅延を提供するように構成されている、請求項１に記載の光学素子。
請求項１７：
前記第１の光学層および第２の光学層の前記それぞれのねじれ角および／または厚さは、約２００ｎｍ以上の広帯域波長範囲にわたって実質的に無彩色である４分の１波長遅延を提供するように構成されている、請求項１に記載の光学素子。
請求項１８：
第１の複屈折層を提供するステップと、
前記第１の複屈折層上に第２の複屈折層を提供するステップと
を含み、
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は、それらのそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されており、それらの間の界面に沿って整列されているそれぞれのローカル光軸を有し、
前記それぞれのねじれ角および／または前記それぞれの厚さは異なっており、
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において非周期的である、光学素子を製造する方法。
請求項１９：
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は、それぞれ、通過する光の伝播方向を実質的に変更することなく偏光を変更するように構成されている光学リターダ層を含む、請求項１８に記載の方法。
請求項２０：
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において実質的に均一である、請求項１８に記載の方法。
請求項２１：
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は、一体構造を画定している、請求項１８に記載の方法。
請求項２２：
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は液晶層を含み、
前記第２の複屈折層を提供するステップは、前記第２の複屈折層のそれぞれの分子配向が、それらの間の前記界面に沿って前記第１の複屈折層のそれぞれの分子配向に従って整列されるよう、前記第２の複屈折層を前記第１の複屈折層の上に直接、形成するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
請求項２３：
前記第２の複屈折層を形成するステップの前に、
非周期的な配向状態を有する配向面を形成するステップと、
前記第１の複屈折層の前記それぞれの分子配向が、前記配向状態に従って前記配向面との界面に沿って整列されるように、前記第１の複屈折層を前記配向面の上に直接、形成するステップと
をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
請求項２４：
前記第１の複屈折層および第２の複屈折層のうちの少なくとも一方は、キラル液晶層である、請求項２２に記載の方法。
請求項２５：
前記第１の複屈折層は重合液晶層を含み、
前記方法は、前記第１の複屈折層の上に前記第２の複屈折層を形成する前に、前記第１の複屈折層を前記配向面上に光重合するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
請求項２６：
第３の液晶層を、そのそれぞれの分子配向が、前記第２の複屈折層と前記第３の液晶層と間の界面に沿って前記第２の複屈折層の前記それぞれの分子配向に従って整列されるように、前記第２の複屈折層の上に直接、形成するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
請求項２７：
前記配向面を形成するステップは、連続的に変化する配向状態を含むように前記配向面を形成するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
請求項２８：
前記配向面を形成するステップは、前記配向面を、その隣接する第１の領域および第２の領域において実質的に均一な配向状態を含むように形成するステップを含み、
前記配向面の前記第１の領域および第２の領域内の前記実質的に均一な配向状態は異なっている、請求項２３に記載の方法。

Claims (24)

1. 第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層であって、それぞれのローカル光軸が、該第１の層および第２の層のそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されており、該第１の層と第２の層との間の界面に沿って整列されている、第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層を備え、
   前記それぞれのねじれ角は、０度から、前記第１の積層複屈折層と前記第２の積層複屈折層のそれぞれの位相遅延角までの範囲であり、前記それぞれのねじれ角および／または前記それぞれの厚さは異なっており、前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において非周期的であり変化する、光学素子。
2. 前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、それぞれ、通過する光の伝播方向を実質的に変更することなく偏光を変更するように構成されている光学リターダ層を備える、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、互いの上に直接、積層されており、一体構造を画定している、請求項１に記載の光学素子。
4. 非周期的な配向状態を内部に有する配向面をさらに備え、
   前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層のうちの一方は、その前記それぞれのローカル光軸が前記配向状態に従って整列されるように、前記配向面の直接上にある、請求項３に記載の光学素子。
5. 前記それぞれのねじれ角は同じねじれ方向を有する、請求項３に記載の光学素子。
6. 前記それぞれのねじれ角は大きさが実質的に等しく、ねじれ方向が反対である、請求項３に記載の光学素子。
7. 前記それぞれのねじれ角は異なっており、前記ねじれ角の一方は非ゼロである、請求項３に記載の光学素子。
8. 前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのローカル光軸の配向は、それらの間の前記界面に沿った方向において連続的に変化する、請求項１に記載の光学素子。
9. 前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、第１の液晶層およびその上に積層されている第２の液晶層を備え、
   前記第１の液晶層および第２の液晶層のそれぞれの分子配向は、それらの間の前記界面に沿って整列され、前記第１の液晶層および第２の液晶層のすくなくとも一方はキラル層である、請求項１に記載の光学素子。
10. 前記第１の液晶層および第２の液晶層のうちの少なくとも一方は、重合液晶層である、請求項９に記載の光学素子。
11. 前記第１の液晶層および第２の液晶層のうちのもう一方は、切替可能液晶層である、請求項１０に記載の光学素子。
12. 前記第２の液晶層上に積層されている第３のキラル液晶層をさらに備える、請求項１０に記載の光学素子。
13. 直線偏光子をさらに備え、
    前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層は、それらの間の配向層または接着層によって、前記直線偏光子上に積層されている、請求項１に記載の光学素子。
14. 前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのねじれ角および／または厚さは、約２００ｎｍ以上の広帯域波長範囲にわたって実質的に無彩色である２分の１波長遅延を提供するように構成されている、請求項１に記載の光学素子。
15. 前記第１の積層複屈折層および第２の積層複屈折層の前記それぞれのねじれ角および／または厚さは、約２００ｎｍ以上の広帯域波長範囲にわたって実質的に無彩色である４分の１波長遅延を提供するように構成されている、請求項１に記載の光学素子。
16. 第１の複屈折層を提供するステップと、
    前記第１の複屈折層上に第２の複屈折層を提供するステップと
    を含み、
    前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は、それらのそれぞれの厚さにわたってそれぞれのねじれ角で回転されており、それらの間の界面に沿って整列されているそれぞれのローカル光軸を有し、
    前記それぞれのねじれ角は、０度から、前記第１の積層複屈折層と前記第２の積層複屈折層のそれぞれの位相遅延角までの範囲であり、
    前記それぞれのねじれ角および／または前記それぞれの厚さは異なっており、
    前記第１の複屈折層および第２の複屈折層の前記それぞれのローカル光軸は、それらの間の前記界面に沿った方向において非周期的であり変化する、光学素子を製造する方法。
17. 前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は、それぞれ、通過する光の伝播方向を実質的に変更することなく偏光を変更するように構成されている光学リターダ層を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は、一体構造を画定している、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第１の複屈折層および第２の複屈折層は液晶層を含み、
    前記第２の複屈折層を提供するステップは、前記第２の複屈折層のそれぞれの分子配向が、それらの間の前記界面に沿って前記第１の複屈折層のそれぞれの分子配向に従って整列されるよう、前記第２の複屈折層を前記第１の複屈折層の上に直接、形成するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の複屈折層を形成するステップの前に、
    非周期的な配向状態を有する配向面を形成するステップと、
    前記第１の複屈折層の前記それぞれの分子配向が、前記配向状態に従って前記配向面との界面に沿って整列されるように、前記第１の複屈折層を前記配向面の上に直接、形成するステップと
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１の複屈折層および第２の複屈折層のうちの少なくとも一方は、キラル液晶層である、請求項１９に記載の方法。
22. 前記第１の複屈折層は重合液晶層を含み、
    前記方法は、前記第１の複屈折層の上に前記第２の複屈折層を形成する前に、前記第１の複屈折層を前記配向面上に光重合するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
23. 第３の液晶層を、そのそれぞれの分子配向が、前記第２の複屈折層と前記第３の液晶層と間の界面に沿って前記第２の複屈折層の前記それぞれの分子配向に従って整列されるように、前記第２の複屈折層の上に直接、形成するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
24. 前記配向面を形成するステップは、連続的に変化する配向状態を含むように前記配向面を形成するステップを含み、
    前記第１の複屈折層は、前記それぞれの分子配向が前記配向面との界面に沿って連続的に変化するように、前記配向面の上に直接形成される、請求項２０に記載の方法。

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