JP6549335B2 - 広視角を有する電気光学ゲストホスト液晶可変透過フィルタ - Google Patents

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(c)ＬＣ−ＴＥＣ Ｄｉｓｐｌａｙ ＡＢ。本特許明細書の開示の一部は、著作権保護の対象となる資料を含む。著作権者は、本明細書が特許商標庁への特許出願又は記録であると認められる複製又は特許開示に対しては異議を唱えないが、それ以外のあらゆる全ての著作権の権利を保有する。３７ＣＦＲ§１．７１（ｄ）。

本開示は、カメラ等の画像記録装置用の又は画像ビューデバイスと併用される高視角を有するゲストホスト液晶可変透過フィルタ、例えばニアアイディスプレイ用の背景フィルタ、に関する。

いくつかの用途に対して、入射する非偏光の５０％以上を透過し得る液晶可変透過フィルタが望まれる。このような高い透過率は高い耐久性の入力及び出力偏光子を有する伝統的な液晶可変透過フィルタで達成することは、これらの偏光子による高い光吸収量が可変透過フィルタを非偏光の１８％−２０％を透過し得るのみとするために不可能である。偏光子を必要としない液晶可変透過フィルタ設計は５０％以上の透過又はｆ／１を達成することができた。このような設計は、その動作範囲に亘って最小の色ずれを有するのみならず、特に法線入射方向を中心とする入射極角の範囲に亘って最小の透過光度変化を有するようにする必要がある。

米国特許出願公開第２０１２／０２４２９２４号明細書の図６Ａ及び６Ｂに示されるゲストホスト液晶カメラアイリスは、光学的に直列に配置され、それらの表面配向方向が９０°に向けられた、２つの均一に配向されるゲストホストセルからなる。（９０°の表面配向方向を有するように構成されたこれらの２つのホスト−ゲストセルは２つの交差ゲストホストセルと称される）。このカメラアイリスは理論的には法線入射の非偏光の５０％を透過することができるが、許容し得ないほど大きな透過率の視角依存性が存在する。このような透過率の角度依存性は観察者の眼又はカメラの記録媒体の感光領域に到達する透過光の視角に依存する光度の不均一で非対称の知覚をもたらす。

本開示の可変透過フィルタの好ましい実施形態は、一方をその光軸を中心に他方に対して１８０°回転させて逆配置になるように配置された第１及び第２のゲストホスト液晶装置を光学的に直列に組み合わせる。第１のゲストホスト装置は内部表面間に液晶ダイレクタを有する液晶材料を含有する第１の電極構造を含む。液晶ダイレクタは内部表面への投影を有する。半波長光学リターダ等の偏光状態変化装置が第１及び第２のゲストホスト液晶装置の間に置かれる。第１及び第２のゲストホスト液晶装置の液晶ダイレクタの逆配列は可変透過フィルタの視角範囲を改善するが、結果として及び偏光状態変化装置がなければコントラスト比の減少をもたらす。このコントラスト比の減少の理由は、以下の通りである。可変透過フィルタに入射する非偏光は第１及び第２の直交した直線偏光状態とみなせ、第１の偏光状態及び第２の偏光状態はそれぞれ第１のゲストホスト液晶装置の液晶ダイレクタの投影に平行及び直角である。補償がない場合、第１及び第２のゲストホスト液晶装置に印加される電界に応答して可変透過フィルタを伝搬する第２の偏光状態の光の透過に明らかな変化は生じないので、可変透過フィルタのコントラスト比は常に２より小さい。逆配列により生じるコントラスト比の減少は、第１及び第２のゲストホスト液晶装置の間に偏光状態変化装置を配置して、第１のゲストホスト装置を出射する光の偏光状態に変化を導入し、第１のゲストホスト液晶装置に入射する第１の偏光状態及び第２の偏光状態の光の透過率がそれぞれ第１のゲストホスト液晶装置に印加される電界及び第２のゲストホスト液晶装置に印加される電界に応答するようにすることによって、補償することができる。偏光状態変化装置は、逆配列によって提供される視角範囲の改善を維持したまま、第１及び第２のゲストホスト液晶装置の逆配列により生じるコントラスト比の減少を相殺する。

好ましい偏光状態変化装置は９０°偏光回転子である。第１の実施形態では、９０°偏光回転子は通常の半波長光学リターダである。第２の実施形態では、９０°偏光回転子は、それらの光軸が規定の方向に向けられた複数の通常の半波長光学リターダを備える無彩色の９０°偏光回転子である。第３の実施形態では、９０°偏光回転子は９０°ねじれネマティック層であり、従来の液晶セルの形又は液晶ポリマー層としてよい。当業者なら９０°偏光回転子は他の光学配置で達成できることを認識されよう。

第４の実施形態では、偏光状態変化装置は、光学的に正及び光学的に負のモノマー単位を含むブレンドポリマー又はコポリマーからなる単層ポリマー膜を備える広帯域設計の半波長光学リターダである。

開示の液晶可変透過フィルタの有利な用途は、電子調光制御の恩恵を受けるスマートウェア、例えば拡張現実めがね、である。

追加の特徴及び利点は、添付図面を参照して進められる好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。

互いに垂直軸を中心に１８０°回転された２つの垂直配向液晶装置の間に配置された、通常の半波長光学リターダとして実装された光学素子を含む本開示の可変透過フィルタの一実施形態の分解図である。 無彩色の帝人型半波長光学リターダの波長依存性とポリカーボネイト型の半波長光学リターダの波長依存性との比較を示す。 図１に示す実施形態のシミュレートした電気光学曲線を示し、縦軸の目盛りはｆ値を示す。 図４Ａは、法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図４Ｂは、法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図４Ｃは、法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の３層無彩色９０°偏光回転子を含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図５Ａは、法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図５Ｂは、法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図５Ｃは、法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の３層無彩色９０°偏光回転子を含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図６Ａは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図６Ｂは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図６Ｃは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の３層無彩色９０°偏光回転子を含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図７Ａは、法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図７Ｂは、法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図７Ｃは、法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の３層無彩色９０°偏光回転子を含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図８Ａは、法線入射光に対してｆ／５透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図８Ｂは、法線入射光に対してｆ／５透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図８Ｃは、法線入射光に対してｆ／５透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の３層無彩色９０°偏光回転子を含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図９Ａは、従来の可変透過フィルタの０°−１８０°方位角面内で実験的に測定された角度依存性を示す。図９Ｂは、図１に示す実施形態内の従来の半波長光学リターダで実装された可変透過フィルタの０°−１８０°方位角面内で実験的に測定された角度依存性を示す。 図１０Ａは、従来の可変透過フィルタの０°−１８０°方位角面内でシミュレートした角度依存性を示す。図１０Ｂは、図１に示す実施形態内の従来の半波長光学リターダで実装された可変透過フィルタの０°−１８０°方位角面内でシミュレートした角度依存性を示す。図１０Ｃは、図１に示す実施形態内の無彩色９０°偏光回転子で実装された可変透過フィルタの０°−１８０°方位角面内でシミュレートした角度依存性を示す。 シミュレートした本開示による透過光の色のｆ値依存性を１９７６ＣＩＥ均等色空間にｕ′、ｖ′色座標で示す。 図１２Ａは、法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図１２Ｂは、法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図１２Ｃは、法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図１３Ａは、法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図１３Ｂは、法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図１３Ｃは、法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図１４Ａは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図１４Ｂは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図１４Ｃは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 図１５Ａは、法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。図１５Ｂは、法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。図１５Ｃは、法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 法線入射光に対してｆ／４．５透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした従来の透過フィルタの等光度図を示す。 法線入射光に対してｆ／４．５透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等光度図を示す。 法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 法線入射光に対してｆ／１透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 法線入射光に対してｆ／２透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 図１９Ａは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。図１９Ｂは、法線入射光に対してｆ／３透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示のポリカーボネイト半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 法線入射光に対してｆ／４透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 法線入射光に対してｆ／４．５透過率に調整された駆動電圧でシミュレートした本開示の帝人型半波長光学リターダを含む広角透過フィルタの等色度差図を示す。 シミュレートした本開示による法線入射での透過光の色のｆ値依存性を１９７６ＣＩＥ均等色空間にｕ′、ｖ′色座標で示す。 本開示による広角可変透過フィルタの法線入射で透過される光の色のｆ値依存性を低減するために使用されるシアンカラーの２色性染料の正規化吸収スペクトルを示す。 本開示によるシアンカラーの２色性染料の添加を用いて及び用いないでシミュレーションされた、法線入射での透過光の色のｆ値依存性を１９７６ＣＩＥ均等色空間にｕ′、ｖ′色座標で示す。 本開示の可変透過フィルタの代替実施形態の概略分解図であり、この可変透過フィルタは一方が他方に対してその光軸を中心に１８０°回転された２つの垂直に整列したゲストホスト液晶装置に対して共通の基板としても働く半波長光学リターダを含む。 各接眼レンズに図１−図２５の可変透過フィルタを組み入れたスマートアイウェアの絵画図である。

図１は本開示のゲストホスト液晶可変透過フィルタ１０の好ましい実施形態の簡略図であり、この可変透過フィルタ１０は、第１のＶＡＮゲストホスト液晶装置１２と第２のＶＡＮゲストホスト液晶装置１４とを備え、各液晶装置は２色性染料又は染料混合物が添加された負の誘電異方性を有するホスト液晶を含む。液晶装置１２及び１４は電気制御複屈折（ＥＣＢ）タイプであり、負の誘電異方性を有するホスト液晶の場合には、垂直配向ネマティック（ＶＡＮ）ゲストホスト液晶装置とも称される。簡単にするために、ＶＡＮゲストホスト液晶装置１２及び１４の各々の屈折率整合膜は図から省略されている。ＶＡＮゲストホスト液晶装置１２及び１４はそれぞれ、液晶ダイレクタ１８からなる配向場１６及び液晶ダイレクタ２２からなる配向場２０を有する。配向場１６及び２０の各々は中間駆動電圧Ｖでの状態を示す。ＶＡＮゲストホスト液晶装置１４の配向場２０は、ＶＡＮゲストホスト液晶装置１４はその垂直軸を中心に１８０°回転されている点を除いて、ＶＡＮゲストホスト液晶装置１４の配向場１６と同様である。言い換えれば、配向場２０内の液晶ダイレクタ２２は配向場１６内の対応する液晶ダイレクタ１８と比較して逆に配列される。第１のＶＡＮゲストホスト装置１２の配向場１６内に埋め込まれた太い黒線断片１９及び第２のＶＡＮゲストホスト装置１４の配向場２０内に埋め込まれた太い黒線分２３は溶存する２色性染料又は染料の混合物を示す。

ＶＡＮ液晶装置１２は、基板プレート２４_１及び２４_２を含む、離間した対をなす第１の電極構造を有する。基板プレート２４_１上に形成される光学的に透明な電極２６_１は、対をなす第１の電極構造の一方の内面を構成し、この内面上に配向層２８_１が形成される。基板プレート２４_２上に形成される光学的に透明な電極２６_２は、対をなす第１の電極構造の他方の内面を構成し、この内面上に配向層２８_２が形成される。配向層２８_１及び２８_２は、それぞれ配向面３０_１及び３０_２を有する。

ＶＡＮ液晶装置１４は、基板プレート３２_１及び３２_２を含む、離間した対をなす第２の電極構造を有する。基板プレート３２_１上に形成される光学的に透明な電極３４_１は、対をなす第２の電極構造の一方の内面を構成し、この内面上に配向層３６_１が形成される。基板プレート３２_２上に形成される光学的に透明な電極３４_２は、対をなす第２の電極構造の他方の内面を構成し、この内面上に配向層３６_２が形成される。配向層３６_１及び３６_２は、それぞれ配向面３８_１及び３８_２を有する。

表面接触ダイレクタ１８ｃ及び２２ｃは、それぞれ各配向面３０_１、３０_２、及び３８_１、３８_２と好ましくは約８７°プレチルト角αをなす。このタイプの配向は、そのプレチルト角が９０°に近いため、一般に準垂直配向と称される。表面接触ダイレクタの方位角方向が矢印で示されている。具体的には、矢印４０は配向面３０_１及び３８_２における表面接触ダイレクタ１８ｃ及び２２ｃの方位角方向をそれぞれ示し、矢印４２は配向面３０_２及び３８_１における表面接触ダイレクタ１８ｃ及び２２ｃの方位角方向をそれぞれ示す。矢印４２は、ＶＡＮ液晶装置１２及び１４のそれぞれの基板プレート２４_２及び３２_１の隣接又は対面する表面で平行である。直交偏光状態の入来非偏光５０が基板２４の光入力面５２に入射する。液晶ダイレクタ１８は第１の電極構造の内面への投影を有し、液晶ダイレクタ２２は第２の電力構造の内面への投影を有する。液晶ダイレクタ１８及び２２の投影は、図１に矢印４０及び４２で示すように、表面接触ダイレクタの方位角方向と共線をなす。非偏光入射光５０の第１及び第２の偏光状態はそれぞれ液晶ダイレクタ１８の投影に平行及び直角である。

第１の実施形態では、光学素子４４はＶＡＮゲストホスト液晶装置１２及び１４の間に配置された通常の半波長光学リターダである。半波長光学リターダは、その光軸が配向面３０_２及び３８_１における表面接触ダイレクタ１８ｃ及び２２ｃの方位角方向を示す矢印４２に対して４５°に配向される。通常の半波長光学リターダは、２７５ｎｍの半波長光学リターダに対する設計波長λ_０、例えばλ_０＝５５０ｎｍ、において、その光軸に対し４５°の直線偏光された法線入射光を９０°だけ回転する。光学リターダの光軸に対して４５°で入射する直線偏光はλ_０以外の波長に対して楕円偏光になる。

第２の実施形態では、図１の光学素子は、C.j.koesterにより”Achromatic Combinations of Half-wave plates”,J. Opt. Soc. Am. 49(4), 405-408 (1959)に記載されているタイプの無彩色９０°偏光回転子である。このタイプの無彩色９０°偏光回転子は通常の半波長光学リターダを規定の角度で重ねたスタックよりなる。本開示の可変透過フィルタに特に関心のある組み合わせは３層のスタックであり、第１の半波長光学リターダの光軸は図１の矢印４２の方向と（１１．２５°＋δ）の角度をなし、第２の半波長光学リターダの光軸は矢印４２と４５°の角度をなし、第３の半波長光学リターダの光軸は矢印４２と（７８．７５°−δ）の角度をなす。パラメータδはトリム角として知られ、数度以下、例えば０．５°程度である。２層スタックも知られており、第１の半波長光学リターダの光軸は図１の矢印４２の方向と（２２．５°＋δ）の角度をなし、第２の半波長光学リターダの光軸は矢印４２と（６７．５°−δ）の角度をなす。

第３の実施形態では、光学素子４４は配向場で記述される複屈折層であり、この層内ではダイレクタがこの層の一方の表面から他方の表面まで平面内で９０°だけ均等に回転する。このような複屈折層の一例は通常の液晶又は固体重合性液晶のいずれかを含む９０°ねじれネマティック液晶層である。９０°ネジレネマティック構造は「第１最小」条件Δｎｄ/λ_０＝√3/２に従うのが好ましく、ここで、Δｎは液晶又は重合性液晶の複屈折率であり、ｄは層厚であり、λ_０は設計波長である。

第４の実施形態では、図１の光学素子４４は、日本国東京所在の帝人株式会社で製造される材料を用いる帝人型の広帯域半波長光学リターダ膜である。これらの光学リターダ膜は光学的に正又は光学的に負のモノマー単位を含む混合ポリマー又はコポリマーから製造される。これらの広帯域偏光状態変化膜は広い波長範囲に亘って実質的に波長と無関係の位相遅延を示す固有特性を有する。この半波長光学リターダは単層リターダ膜が好ましいが、互いに平行に配置された光軸を有する２層の四分の一波長光学リターダ膜の積層スタックとして構成してもよい。このような積層スタックの外面は第１の主表面及び第２の主表面を有する。第１の実施形態と同様に、この半波長光学リターダはＶＡＮゲストホスト液晶装置１２及び１４の間に配置し、その光軸を配向面３０_２及び３８_１における表面接触ダイレクタ１８ｃ及び２２ｃの方位角方向である矢印４２に対して４５°に向ける。

図２は、帝人型の半波長光学リターダの波長依存性とポリカーボネイト膜からなる半波長光学リターダの波長依存性との比較を示す。ポリカーボネイト半波長光学リターダは５５０ｎｍでのみ半波長遅延を与え、その遅延は２７５ｎｍである。他方、帝人型の半波長光学リターダは５５０ｎｍで半波長リターダであり、その遅延は２７５ｎｍであるのみならず、４４０ｎｍでも半波長リターダであり、その遅延は２２０ｎｍである。その波長依存性は、図２に理想線で示すように、広い波長範囲に亘って波長依存半波長光学リターダの波長依存性に近づく。

図３は図１に示す実施形態のシミュレートした電気光学曲線を示し、縦軸の目盛はｆ値（ｆ−ｓｔｏｐ ｎｕｍｂｅｒ）を示す。シミュレーションは日本国山口県所在のシンテック社から入手し得る市販のソフトウェアＬＣＤ Ｍａｓｔｅｒを使用して行った。２つのＶＡＮゲストホストセルのセル間隔は９．０μｍであり、プレチルト角は配向面に対して８７°である。ゲストホスト染料又は染料混合物は無彩色であり、半波長光学リターダは全波長に対して２７５ｎｍの一定の遅延を有するものと仮定されている。シミュレーションは下表で与えられる液晶材料定数を使用している。

図４Ａ，５Ａ，６Ａ，７Ａ，及び８Ａは、ｆ値１，２，３，４及び５に対してシミュレートした従来構成の２つの交差ゲストホストセルの等光度図をそれぞれ示す。図４Ｂ，５Ｂ，６Ｂ，７Ｂ，及び８Ｂは、ｆ値１，２，３，４及び５に対してシミュレートした第１の実施形態の等光度図をそれぞれ示す。図４Ｃ，５Ｃ，６Ｃ，７Ｃ，及び８Ｃは、ｆ値１，２，３，４及び５に対してシミュレートした第２の実施形態の等光度図をそれぞれ示す。

等光度図は透過光度を極角及び方位角の関数として示し、極角は中心から６０°まで外側に広がり、方位視角の全範囲は図の周りを０°から３６０°まで半時計方向に進む。各等光度図の中心は、ｆ／１に対して、５０％の、ｆ／２に対して、２５％の、ｆ／３に対して、１２．５％の、ｆ／４に対して、６．２５％の、及びｆ／５に対して、３．１２５％の法線入射での公称ｆ値光度に対応する。ｆ／５での光度値で割ったｆ／１での光度値は１６のコントラスト比に対応し、ｆ／１透過状態を達成し得るゲストホストシステムに対して高いとみなせる。等光度等高線は法線入射値から２０％の増分で増加及び／又は減少する。図４Ａ，５Ａ，６Ａ，７Ａ，８Ａ，４Ｂ，５Ｂ，６Ｂ，７Ｂ，８Ｂ，４Ｃ，５Ｃ，６Ｃ，７Ｃ，及び８Ｃの等光度図は液晶層内の大きな極角の影響を比較するために１．５の屈折率を有する環境内でシミュレーションした。空気中では、極角はスネルの法則により決まる屈折効果のために小さくなる。例えば、空気中で１０°の入射角は１．５の屈折率を有する周囲媒質内で６．６°の入射角に対応する。

図９Ａは、０°〜１８０°の方位角面内で−２５°〜＋２５°の範囲の極角に対して実験的に測定された１／ｆ，２／ｆ，３／ｆ，４／ｆ，及び５／ｆのｆ値に対する従来のデュアルゲストホスト透過フィルタの透過光度の視角依存性を示す。図９Ｂは、同様に０°〜１８０°の方位角面内で−２５°〜＋２５°の範囲の極角に対して測定された１／ｆ，２／ｆ，３／ｆ，４／ｆ，及び５／ｆに対する実験的に測定された第１の実施形態の透過光度の視角依存性を示す。図９Ａと図９Ｂを比較すると、本開示の可変透過フィルタの透過光度の角度依存性及び非対称性は従来構成の２つの交差ゲストホスト装置より大幅に小さい。上記の測定で使用した実験用のゲストホスト装置は２つのＶＡＮゲストホストセルを備え、各装置は９．０μｍセル間隔を有するとともに、配向面に対して８７°のプレチルト角αを有する。ゲストホスト液晶混合物は、電圧印加しない状態でｆ／１の透過を達成するために、ホスト混合物ＴＥＣ９２７００−１００で希釈された市販の黒色染料混合物９０７００−１００である。これらの材料は中国、南京所在のＪｉａｎｇｓｕ Ｈｅｃｈｅｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から入手可能である。

図１０Ａは、従来の透過フィルタのシミュレートした視角依存性を示し、図１０Ｂは、図１の光学素子４４として半波長光学リターダを用いる本開示の可変透過フィルタの第１の実施形態のシミュレートした視角依存性を示し、図１０Ｃは、図１の光学素子４４として無彩色９０°偏光回転子を用いる本開示の可変透過フィルタの第２の実施形態のシミュレートした視角依存性を示す。すべてのシミュレーションは０°−１８０°方位角面内で−２５°から＋２５°までの範囲の極角に対して実行しているため、それらの結果は図９Ａ及び９Ｂの実測と直接比較することができる。従来の透過フィルタに対する図１０Ａのシミュレーション結果は図９Ａの実験結果と十分に一致し、同様に本開示の可変透過フィルタの第１の実施形態に対する図１０Ｂのシミュレーション結果は図９Ｂの実験結果と十分に一致する。本開示の可変透過フィルタの第２の実施形態に対する実験結果は提示していないが、図１０Ｃに示す第２の実施形態の角度依存性に対するシミュレーション結果は第１の実施形態に対する図１０Ｂに示すシミュレーション結果とほぼ同じであるため、第２の実施形態の角度依存性に対する実験結果も同様であるものと予想される。

図１１はシミュレートした透過光の色のｆ値依存性を１９７６ＣＩＥ均等色空間にｕ’,ｖ’色度座標で示している。ｆ／１からｆ／５までの範囲のｆ値に対する色ずれ量がＣＩＥ色空間内に記入された線の長さで示され、短い線は本開示の可変透過フィルタの第２の実施形態に対応し、長い線は第１の実施形態に対応する。それゆえ、本開示の可変透過フィルタの第２の実施形態は第１の実施形態より小さい色ずれを受ける。これらのシミュレーションから、半波長リターダはすべての波長に対して２７５ｎｍの遅延を生じるものと考えられる。

図１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ，及び１６Ａは、ｆ値１，２，３，４及び４．５に対してシミュレートした従来構成の２つの交差ゲストホストセルの等光度図をそれぞれ示す。図１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂ，及び１５Ｂは、ｆ値１，２，３，及び４に対してシミュレートした、５５０ｎｍの波長において２７５ｎｍの遅延を有するポリカーボネイト半波長光学リターダを用いる第１の実施形態の等光度図をそれぞれ示す。これらのシミュレーション及び後続のシミュレーションはポリカーボネイトリターダの波長分散を含む。５５０ｎｍ以外の波長での多量の漏洩のために、この光学リターダを用いて４．５のｆ値を達成することはできなかった（よって、シミュレートした等光度図のセットに図１６Ｂはない）。図１２Ｃ，１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃ，及び１６Ｃは、ｆ値１，２，３，４及び４．５に対してシミュレートした帝人型の広帯域半波長光学リターダの第４の実施形態の等光度図をそれぞれ示す。これらのシミュレーションは空気環境内で行われるため、等光度図の極角は実験室で測定されるものに対応する。従来通り、等光度図の等高線は法線入射値から２０％の増分で増加及び／又は減少する光度値を示す。

従来構成の２つの交差ゲストホストセルは図１２Ａに示すｆ／１の場合のほぼ円形の等高線を除いて、図１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ及び１６Ａに示すＦ／２，ｆ／３，ｆ／４及びｆ／４．５の場合は非対称で不均等な等高線を示す。このような光度等高線は従来構成を広視角の可変透過フィルタ用として使用するには不適とする。他方、ポリカーボネイト及び帝人型の半波長光学リターダは水平及び垂直対称性を示し、約２０°まで広がる極角に対して僅かな光度変化を示すだけである。

ゲストホスト可変透過フィルタ１０は、多くの用途のためには、全可視波長に対して可変の減光フィルタとして作動するのが望ましい。この場合には、ゲストホスト液晶装置１２の内部の液晶材料は黒色ゲストホスト２色性染料混合物を含み、視角に伴う色ずれを最小にするのに有利である。これは本開示の広角可変透過フィルタ１０で達成することができる。均一な白色照明下において本開示の減光フィルタにより導入される、法線入射での色と他の視角での色との間の色ずれ量は以下で定義されるΔＣ^＊で定量的に記述することができる。
ここで、Ｙは光度であり、添字ｎは光度及び指定の白色点の色度座標（ｕ′，ｖ′）に関連する。法線入射での色座標ｕ₁ ^＊及びｖ₁ ^＊と他の入射方位角での色座標ｕ₂ ^＊及びｖ₂ ^＊との間の色度差ΔＣ^＊は、
で与えられる。おおざっぱに言えば、ΔＣ^＊≦１は人間の目には知覚し得ず、１＜ΔＣ^＊≦２はよく観察すれば知覚可能であり、２＜ΔＣ^＊≦１０は一見しただけで知覚可能である。

図１７Ａ，１８Ａ，１９Ａ，２０Ａ，１７Ｂ、１８Ｂ、１９Ｂ，２０Ｂ及び２１Ｂはシミュレートした等色度差図を示す。これらの図の等高線は等しい色度差の等高線を表し、図の中心においてΔＣ^＊＝０であり、より大きい極角においてΔＣ^＊＝１の等高線が続き、更に大きい極角においてΔＣ^＊＝２の等高線が続き、以下同様に、毎回１ずつΔＣ^＊＝８までインクリメントする。図１７Ａ，１８Ａ，１９Ａ及び２０Ａはｆ値１，２，３、及び４に対してシミュレートしたポリカーボネイト半波長光学リターダを用いる第１の実施形態の等色度差図をそれぞれ示す。（４．５のｆ値は達成不可能であるため、等色度差図のセットに図２１Ａは存在しない）。図１７Ｂ，１８Ｂ，１９Ｂ，２０Ｂ及び２１Ｂはｆ値１，２，３、４、及び４．５に対してシミュレートした帝人型無彩色半波長光学リターダの第４の実施形態の等色度差図をそれぞれ示す。これらの等色度図を比較すると、帝人型半波長光学リターダを用いる第４の実施形態はポリカーボネイト半波長光学リターダを用いる第１の実施形態と比較して視角に対してはるかに小さい色ずれを示す。

法線入射でも、ｆ値が駆動電圧の変化により変化されるにつれて色ずれが生ずる。図２２はポリカーボネイト半波長光学リターダを用いる本開示の第１の実施形態及び帝人型広帯域半波長光学リターダを用いる本開示の第４の実施形態に対する色ずれのシミュレーションの結果を１０７６ＣＩＥ（ｕ′，ｖ′）均等色空間に定量的に示している。同じｆ値に対して、帝人型広帯域半波長光学リターダはポリカーボネイト半波長光学リターダよりも大幅に小さい色ずれを示す。

この種の色ずれの量は黒色ゲストホスト液晶混合物に追加の２色性染料又は適切な色の染料混合物を添加することによって減少させることができる。例えば、帝人型広帯域半波長光学リターダ用いて構成した第４の実施形態に関して、図２２は、ｆ値が増加するにつれて色は赤に向かってシフトすることを示している。相補的なシアンカラーの２色性染料又は染料混合物を添加することによってこの赤色シフトを相殺することができ、その理由は、駆動電圧及びｆ値が増加するにつれて相補的染料又は染料混合物がますますより多くの赤色光を吸収する結果として色域をより小さい空間に圧縮できるためである。

以下のシミュレーションにおいて、日本国、東京所在のナガセ社のカラー＆高度処理部から入手し得るＳＭＰ−４７５シアン染料が黒色ゲストホスト液晶混合物に添加される。図２３はＳＭＰ−４７５シアン染料の正規化吸収スペクトルを示し、この染料は７．８の２色比を有する。拡大縦目盛りを有する図２４は第４の実施形態の黒色染料混合物へのＳＭＰ−４７５シアン染料の添加による圧縮効果を示す。ＳＭＰ−４７５シアン染料は得られる混合物のピーク吸収が黒色染料混合物のピーク吸収の５％になる濃度に添加される。ＳＭＰ−４７５シアン染料の添加はすべてのｆ値に対する色座標を相補的シアンカラーの方向にシフトさせるが、このときこれらの色座標は互いにより近くに集合され、ずっと小さい空間を占めることになる。必要に応じ、集合全体を赤方向にシフトさせて集合全体の中心が白色点の上になるように少量の等方性染料をゲストホスト染料混合物に添加することができる。これはゲストホスト液晶可変透過フィルタに外部から添付した弱い赤色フィルタによって達成することもできる。

図２５は開示のゲストホスト液晶可変透過フィルタ１０の代替好適実施形態の簡略図である。この代替実施形態では、図１に示す実施形態の２つの内部基板２４_２及び３２_１が第１のゲストホスト装置１２及び第２のゲストホスト装置１４から除去され、単一の光学素子４４と代替され、この場合にはこの光学素子４４は半波長光学リターダとしてのみならず、第１のゲストホスト装置１２ａ及び第２のゲストホスト装置１４ａの内部基板として機能する。この代替実施形態はより薄くより軽量のゲストホスト液晶可変透過フィルタ１０ａをもたらし、このフィルタは第１のゲストホスト装置１２ａ及び第２のゲストホスト装置１４ａを含み、特に外部基板２４_１及び３２_２が湾曲した形状に形成し得る可撓性プラスチック材料からなる場合には、特にアイウェアに適している。図２５の他の番号の要素は図１につき既に記載したものと同じである。

図２６はスマートアイウェア６０の絵画図である。このスマートアイウェア６０は、各接眼レンズ６２ｌ，６２ｒに、ワイヤ６４のセットに印加される駆動電圧により調整される連続的に可変の調光レベルを有する電子調光フィルタとして機能する１つの可変透過フィルタ１０を組み込んでいる。電子調光制御の恩恵を受けるスマートアイウェア用の可変透過フィルタ１０の適切な用途の２つの例には拡張現実メガネ及びサングラスがある。

現実世界のシーンに仮想情報を加える拡張現実メガネの場合には、ニアアイディスプレイシステムの光度は拡張世界がメガネ着用者によりどのくらいはっきりと視覚的に知覚されるかを決定する１つのファクタである。照明状態が変化するとき、例えばメガネ着用者が室内から戸外へ出るとき、２つの世界の光度比も変化し、何かが著しい明瞭さの低下をもたらす。この光度比の変化を克服する解決策はメガネ着用者の目に到達する周囲光の量を制御し、周囲光をディスプレイシステムの光度に適合させる調光フィルタを組み込むことにある。可変透過フィルタ１０はこのようなアナログ調光制御を提供する。

本発明の基本原理から逸脱することなく、上記の実施形態に多くの変更がなされることは、当業者には明らかだろう。それゆえ、本発明の範囲は、後記の請求項によってのみ決定されるべきである。

Claims (20)

1. 広い視角を有する電気光学ゲストホスト液晶可変透過フィルタであって、
   離間した対をなし内面を有する、第１の電極構造を含む第１のゲストホスト液晶装置、及び離間した対をなし内面を有する、第２の電極構造を含む第２のゲストホスト液晶装置であって、光学的に直列に配置され且つ負の誘電体異方性を有する液晶材料を含み、準ホメオトロピック配向された電気制御複屈折（ＥＣＢ）装置である、第１及び第２のゲストホスト液晶装置と、
   前記第１のゲストホスト液晶装置の前記対をなす第１の電極構造の内面に形成された、離間した対をなす第１の配向面と、
   前記第１の電極構造の間に閉じ込められた第１の液晶ダイレクタであって、第１の配向場を形成するとともに、前記第１の配向面の各々に接触する第１の表面接触ダイレクタを含む、第１の液晶ダイレクタと、
   前記第２のゲストホスト液晶装置の前記対をなす第２の電極構造の内面に形成された、離間した対をなす第２の配向面と、
   前記第２の電極構造の間に閉じ込められた第２の液晶ダイレクタであって、第２の配向場を形成するとともに、前記第２の配向面の各々に接触する第２の表面接触ダイレクタを含む、第２の液晶ダイレクタと、
   を備え、
   前記それぞれの第１及び第２の配向場内の前記第１及び第２の液晶ダイレクタの対応するダイレクタは逆配列であり、更に、
   前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置の間に配置された偏光状態変化装置を備える、
   液晶可変透過フィルタ。
2. 前記偏光状態変化装置は半波長光学リターダである、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
3. 前記半波長光学リターダは光学的に正又は負のモノマー単位のブレンドポリマー又はコポリマーを含む広帯域半波長光学リターダである、請求項２に記載の液晶可変透過フィルタ。
4. 前記偏光状態変化装置は複数の半波長光学リターダを含む無彩色の９０°偏光回転子である、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
5. 前記偏光状態変化装置は９０°ねじれネマティック層である、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
6. 前記９０°ねじれネマティック層はねじれネマティック液晶セルである、請求項５に記載の液晶可変透過フィルタ。
7. 前記９０°ねじれネマティック層は液晶ポリマー層である、請求項５に記載の液晶可変透過フィルタ。
8. 前記偏光状態変化装置は、２つの異なる波長の各々に半波長の光学的遅れを与える単一の広帯域偏光状態変化膜である、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
9. 前記単一の広帯域偏光状態変化膜は、光学的に正又は負のモノマー単位のブレンドポリマー又はコポリマーを含む広帯域半波長光学リターダである、請求項８に記載の液晶可変透過フィルタ。
10. 前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置内の前記液晶材料は、黒色２色性染料又は前記可変透過フィルタのｆ値設定の変化に起因する色ずれを補償する選択した量の複数の２色性染料成分を含む染料混合物と混合された液晶を含む、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
11. 前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置内の前記液晶材料は、黒色２色性染料と混合された液晶、又は基準色空間のある色成分に向かう方向に色ずれを導入する染料成分濃度の複数の２色性染料成分と、前記色ずれを基準色空間の前記色成分から離れる方向に相殺する染料成分濃度の相殺２色性染料とを含む染料混合物と混合された液晶を含む、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
12. メガネの接眼レンズに組み込まれ、前記接眼レンズを通って伝搬してメガネ装着者の目に到達する光の電気駆動調光制御するよう構成された、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
13. 前記偏光状態変化装置は、２つの異なる波長の各々に半波長の光学的遅れを与える単一の広帯域偏光状態変化膜である、請求項１２に記載の液晶可変透過フィルタ。
14. 前記第１及び第２の対をなす電極構造及び前記偏光状態変化装置は可撓性材料製である、請求項１２に記載の液晶可変透過フィルタ。
15. 前記偏光状態変化装置は第１及び第２の主表面を有するとともに、前記第１及び第２の対をなす電極構造の共通の基板を形成するように前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置の間に配置され、前記偏光状態変化装置の前記第１の主表面は前記第１の電極構造の一部分として含まれ、前記偏光状態変化装置の前記第２の主表面は前記第２の電極構造の一部分として含まれる、請求項１に記載の液晶可変透過フィルタ。
16. 前記第１及び第２の対をなす電極構造及び前記偏光状態変化装置は可撓性材料製である、請求項１５に記載の液晶可変透過フィルタ。
17. 第１及び第２の直交関係の偏光状態を有する非偏光入射光を受信する高いコントラスト比を示すゲストホスト液晶可変透過フィルタの動作中の光透過の角度依存を克服する方法であって、
    離間した対をなし内面を有する、第１の電極構造を含む第１のゲストホスト液晶装置、及び離間した対をなし内面を有する、第２の電極構造を含む第２のゲストホスト液晶装置を光学的に直列に配置するステップであって、前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置は、負の誘電体異方性を有する液晶材料を含み、準ホメオトロピック配向された電気制御複屈折（ＥＣＢ）装置であり、前記第１のゲストホスト液晶装置は前記対をなす第１の電極構造の内面に形成された離間した対をなす第１の配向構造を有し、前記第１の電極構造の内面間に閉じ込められ且つ該内面への投影を有する第１の液晶ダイレクタを含み、前記第２のゲストホスト液晶装置は前記対をなす第２の電極構造の内面に形成された離間した対をなす第２の配向構造を有し、前記第２の電極構造の内面間に閉じ込められた第２の液晶ダイレクタを含み、前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態はそれぞれ前記第１の液晶ダイレクタの投影に平行及び直角である、ステップと、
    前記可変透過フィルタの視角性能を向上させるために、前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置を前記第１及び第２の液晶ダイレクタの対応するダイレクタが逆配列に設定されるように配向するステップであって、前記第１及び第１の配向場の逆配置は、補償がない場合、前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置に印加される電界に応答して前記可変透過フィルタを伝搬する第２の偏光状態の光の透過率に生ずる僅かな変化に起因するコントラスト比の減少を生じる、ステップと、
    前記第１及び第２のゲストホスト液晶装置の間に偏光状態変化装置を配置して前記コントラスト比の減少を相殺することで前記第１及び第２の偏光場の逆配列を補償するステップであって、前記偏光状態変化装置は、前記第１のゲストホスト液晶装置に入射する光の第１の偏光状態及び第２の偏光状態の透過率がそれぞれ前記第１のゲストホスト液晶装置に印加される電界及び前記第２のゲストホスト液晶装置に印加される電界に応答するように、前記第１のゲストホスト液晶装置から出射する光の偏光状態に変化を導入し、それによって高いコントラスト比及び広い視覚性能を示す可変透過フィルタを提供する、ステップと、
    を備える、方法。
18. 前記偏光状態変化装置は半波長光学リターダである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記偏光状態変化装置は２つの異なる波長の各々に半波長の光学的遅れを与える単一の広帯域偏光状態変化膜である、請求項１７に記載の方法。
20. 前記液晶可変透過フィルタはメガネの接眼レンズに組み込まれ、前記液晶可変透過フィルタは接眼レンズを通って伝搬してメガネ装着者の目に到達する光の電気駆動調光制御を提供する、請求項１７に記載の方法。