JP2005115208A

JP2005115208A - 波長可変フィルタ

Info

Publication number: JP2005115208A
Application number: JP2003351689A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Uchida; 龍男内田; Koichi Shimada; 耕一嶋田; Takahiro Ishinabe; 隆宏石鍋; Takehito Okumura; 剛人奥村
Original assignee: 21 AOMORI SANGYO SOGO SHIEN CT; DKK TOA Corp; Aomori Support Center for Industrial Promotion
Current assignee: 21 AOMORI SANGYO SOGO SHIEN CT; DKK TOA Corp; Aomori Support Center for Industrial Promotion
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【要約】
【課題】液晶の応答速度を落とさずに、半値幅が従来よりも格段に狭まった狭半値幅の透過率ピークを所定の観測波長域内に１つだけ現出させ、あるいは複数現出させたうちから１つを正しくとり出しうる波長可変フィルタを提供する。
【解決手段】液晶セル１，２，３、該液晶セルに重なった位相差フィルム21,22,23、前記液晶セルおよび前記位相差フィルムからなる複合層を挟んだ偏光子10,11,12,13、および前記液晶に印加される電圧源４を具備した液晶フィルタと、該液晶フィルタの出力光をカラーフィルタを介して検出するＣＣＤ32,33,34（または41）等の２次元フォトディテクタとを有する波長可変フィルタであって、前記液晶フィルタは、前記電圧源の印加電圧に応じて所定の観測波長域に１電圧につき複数の透過率ピークを発生するものとした。前記カラーフィルタは、前記複数の透過率ピークの個数以上の枚数（＝色数）のもの、および/または各カラーフィルタの透過波長域に現出する透過率ピークの個数が１個以下あるいは２個以下となるものが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変フィルタに関し、特に液晶セルとカラーフィルタとを組み合わせて透過スペクトルのピークの半値幅を狭くした波長可変フィルタに関する。

液晶を用いた波長可変フィルタとして、偏光子と、該偏光子間に挟まれる液晶と、該液晶に印加される電圧源とを具備する波長可変型オプティカル・バンドパスフィルタが知られている（特許文献１）。これによれば、電圧源の調整によって透過スペクトルの波長を任意に制御できる。液晶および偏光子の配置形態は、次のとおりである。
1) 平行偏光子で挟んだ液晶とクロスニコル（：クロスして配置された偏光子＝直交偏光子）で挟んだ液晶を重ねて配置した形態。
2) クロスニコルで挟んだ液晶を入力側に１枚配置し、平行偏光子で挟んだ液晶を出力側に重ねて配置した形態。
3) クロスニコルで挟んだ液晶を入力側に１枚配置し、平行偏光子で挟んだ液晶を出力側に２枚重ねて配置した形態。
4) 平行偏光子で挟んだ液晶を入力側に配置し、クロスニコルで挟んだ液晶を出力側に１枚配置した形態。
5) 平行偏光子で挟んだ液晶を入力側に２枚配置し、クロスニコルで挟んだ液晶を出力側に１枚配置した形態。
6) 平行偏光子で挟んだ液晶を入力側および出力側に配置し、クロスニコルで挟んだ液晶を中間に１枚配置した形態。
7) 平行偏光子で挟んだ液晶を入力側および出力側にそれぞれ１枚配置し、クロスニコルで挟んだ液晶を中間に１枚配置した形態。

上記の波長可変型オプティカル・バンドパスフィルタでは、電圧を調整して液晶セルのリタデーション（常光と異常光との位相差Δｎｄ：Δｎは複屈折異方性、ｄは液晶セルの厚さ）を変えることにより透過スペクトルの波長域を連続的に変えることができるのであるが、配置する各液晶ごとに個別に電圧を調整する必要があって、回路が複雑になるという問題があった。この問題の解決手段として、配置する液晶相互のセル厚を特定の比（例えば入力側からｄ、２ｄ、1.5ｄ）に設定することで、各液晶の電圧を１つの電圧源で制御可能とした波長可変カラーフィルタが知られている（特許文献２）。
特開平３−２８２４１７号公報特開２０００−２６７１２７号公報

上記従来の波長可変フィルタは、液晶セルへの印加電圧を調整するだけで可視光波長域を透過スペクトルのピークで走査できるというものであるが、得られたスペクトルから物質を同定しようとすると、まだピークの半値幅が広すぎて、例えば黄色光のピークが得られてもそれが黄の単色光なのか赤と緑の合成色光なのかの区別がつかないといったことなどから、物質の同定が困難となる場合が多く、汎用されるまでには至っていない。

発明者らの検討によれば、汎用化のためには、ピークの半値幅をさらに狭くする必要がある。半値幅を減少させるには、１つには液晶セルの枚数を増やすことであるがこの方法は、透過率が低下する問題や、構造が複雑化する問題があり、実用的でない。一方、液晶セルのセル厚を増してリタデーションを大きくする方法もあり、この方法は、透過率の低下や構造の複雑化を伴わないから実用的であると考えられる。もっとも、観測波長域内に複数の透過率ピーク（：透過スペクトルのピーク）が発生するという問題、あるいは液晶の応答速度が低下するという問題があり、これらを解決する必要がある。

本発明は、これらの問題を解決し、液晶の応答速度を落とさずに、半値幅が従来よりも格段に狭まった狭半値幅の透過率ピークを所定の観測波長域内に、１つだけ現出させうる、あるいは複数現出させたうちから１つを正しくとり出しうる波長可変フィルタを提供することを目的とする。

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意検討し、次のような知見を得た。

従来の波長可変フィルタでは、例えば図１（ａ）に示すように、ある印加電圧条件下での透過率ピークの半値幅が１００ｎｍ強であるとき、液晶セルのリタデーションを３倍に増加させると、例えば図１（ｂ）に示すように、観測波長域内に半値幅が図１（ａ）の１/３程度に狭まった３つのピークが発生する。なお、ピークは４つ以上発生する場合もある。このように印加電圧の１電圧につき複数のピークが発生すると、検出器側ではピークと波長との対応関係が不確定となる。

これに対し、例えば図１（ｃ）に示すような透過特性を有するカラーフィルタを液晶セルに積層することにより、図１（ｄ）に示すように、不要なピークがカラーフィルタで吸収され、観測波長域（カラーフィルタの透過波長域）内に１つのピークを現出させることができる。なお、カラーフィルタの透過特性は、厳密には図１（ａ）、（ｂ）、（ｄ）のような山形パターンになるが、それを図１（ｃ）では矩形パターンで近似している。

また、図１（ａ）のような透過率ピークは、具体的には、例えば図２（ａ）に示すような、平行ニコルの偏光子（：透過軸が互いに平行となるように配置された１対の偏光子）10、11で挟まれたセル厚ｄ（例えばｄ＝１０μｍ）の液晶セル１、直交ニコルの偏光子（：透過軸が互いに直交するように配置された１対の偏光子）11、12で挟まれたセル厚１．５ｄの液晶セル２、および平行ニコルの偏光子12、13で挟まれたセル厚２ｄの液晶セル３をこの順（あるいは他の任意の順でもよい。）に重ねて配置し、各液晶セルに共通の電圧を印加するようにした波長可変フィルタによって得られる。なお、液晶の光軸と偏光子の透過軸とのなす角度を４５°とすることが好ましい。そして、この波長可変フィルタの液晶セル１、２、３のセル厚を、例えば図２（ｂ）に示すように、それぞれ３倍にすることにより、図１（ｂ）のような３つの狭半値幅の透過率ピークが得られる。しかしながら、この方法では、液晶の応答性が低下し、実用性に乏しい。

これに対し、例えば図２（ｃ）に示すように、液晶セル１、２、３に対して位相差フィルム21、22、23をそれぞれ重ねて配置し、液晶セル１、２、３のセル厚は電圧調整により透過率ピークが観測波長域を走査しうる必要最小限の値とし、位相差フィルム21、22、23のフィルム厚を、それぞれ対応する液晶セル１、２、３と合成した複合光学系のリタデーションが図２（ａ）の場合の３倍となるように、予め設定しておくことにより、液晶の応答性を損なうことなく、図１（ｂ）のような３つの狭半値幅の透過率ピークを発生させることができる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、液晶セル、該液晶セルに重なった位相差フィルム、前記液晶セルおよび前記位相差フィルムからなる複合層を挟んだ偏光子、および前記液晶に印加される電圧源を具備した液晶フィルタと、該液晶フィルタの出力光をカラーフィルタを介して検出するＣＣＤ（charge coupled device：電荷結合デバイス）等の２次元フォトディテクタとを有する波長可変フィルタであって、前記液晶フィルタは、前記電圧源の印加電圧に応じて所定の観測波長域に透過率ピークを１電圧につき複数個発生するものとしたことを特徴とする波長可変フィルタで。

本発明では、前記カラーフィルタは、観測波長域を部分的重複を許して分かつ複数の帯域をそれぞれの透過波長域とする複数枚を用い、その枚数（＝色数）は、前記複数の透過率ピークの個数以上とすることが好ましい。

また、本発明では、各カラーフィルタは、その透過波長域に現出する透過率ピークの個数が、ＲＧＢ系のカラーフィルタでは１個以下、ＣＭＹ系のカラーフィルタでは２個以下となるものとすることが好ましい。

本発明によれば、液晶フィルタで発生させた複数の狭半値幅の透過率ピークから不要なものをカラーフィルタで吸収して抽出した１つを２次元フォトディテクタで検出し、あるいは検出ピークが２つでも演算により１つを正しくとり出しうるから、観測波長域内を１個の狭半値幅の透過率ピークで走査できる。また、位相差フィルムを用いたので、液晶セルのセル厚を必要最小限に抑えることができ、液晶の応答性低下を回避することができる。

本発明に用いる液晶フィルタは、３枚の液晶セルをセル厚方向に配列したものが好ましい。この場合、位相差フィルムは、１枚の液晶セルに１枚ずつ重なるから計３枚であり、偏光子は、１枚の液晶セルと１枚の位相差フィルムとからなる１枚の複合層を２枚で挟むが、隣り合う２枚の複合層間にはその両方の複合層で共用される１枚のみ配置されるから、計４枚である。

３枚の液晶セルのセル厚は互いに異なる値とされる。これら３枚の液晶セルの配列順はとくに限定されない。

位相差フィルムを用いない従来の場合、可視光波長域にＮ個の透過率ピークを発生させうる液晶フィルタは、次の（１）〜（４）のいずれかである。ここで、液晶フィルタの各液晶セルのセル厚は、式：Δｎ×ｄ₀≧Ｎ×λmax（ただし、Δｎ：液晶の屈折率異方性、Ｎ：発生させる透過率ピークの個数、λmax：２次元フォトディテクタが検出可能な最大波長）を満たすように設定した基準セル厚ｄ₀に対する比で表すものとした。なお、液晶セルの光軸と入力側の偏光子の透過軸とのなす角度は、好ましくは４５°とされる。
（１）両側の偏光子が平行ニコルになる液晶セルを２枚、両側の偏光子が直交ニコルになる液晶セルを１枚用い、セル厚を、平行：平行：直交＝１：２：１.５としたもの。
（２）両側の偏光子が平行ニコルになる液晶セルを３枚用い、セル厚を、１：２：４としたもの。
（３）両側の偏光子が直交ニコルになる液晶セルを３枚用い、セル厚を、１：３：５としたもの。
（４）両側の偏光子が直交ニコルになる液晶セルを２枚、両側の偏光子が平行ニコルになる液晶セルを１枚用い、セル厚を、直交：直交：平行＝１：３：２（または１）としたもの。

しかしながら、液晶セルのみを用いた従来のものは、セル厚が厚くなりすぎて前述したように液晶の応答性が低下する問題がある。

これに対し、位相差フィルムを用いた本発明では、上記（１）〜（４）のいずれかにおいて、液晶セルのセル厚を減厚し、それによるリタデーションの減少を位相差フィルムにより補充する。例えば、リタデーションの全体のＡ％分を位相差フィルムで補充するものとすると、位相差フィルムと液晶セルとの光軸方位を平行とした場合は、液晶セルのセル厚を、減厚前のセル厚の（１００−Ａ）％とし、位相差フィルムのフィルム厚を、（セル厚の減厚量）×Δｎ/Δｎ’（Δｎ’：位相差フィルムの屈折率異方性）とする。また、位相差フィルムと液晶セルとの光軸方位を直交とした場合は、液晶セルのセル厚を、減厚前のセル厚の（Ａ−１００）％とし、位相差フィルムのフィルム厚を、（２×減厚前のセル厚−セル厚の減厚量）×Δｎ/Δｎ’ とする。なお、液晶と位相差フィルムの波長分散は一致していなくてもよい。

これにより、セル厚の増大およびそれに伴う応答性の低下を必要最小限に抑えることができ、前述の問題は解消する。

液晶セルとしては、制御性の点で、ネマティック液晶を用いた電界制御複屈折セル（electrically controlled birefringence cell：ＥＣＢセル）が好ましく、なかでも応答性の点で、位相差フィルムと重ね合わされて光学補償されるベンド配向の液晶セル（optically compensated bend cell：ＯＣＢセル）がより好ましい。

カラーフィルタは、観測波長域を部分的重複を許して分かつ複数の帯域をそれぞれの透過波長域にもつ複数枚のカラーフィルタを用いるのがよく、しかも、液晶フィルタが印加電圧の１電圧あたりに発生する複数の透過率ピークの個数以上の枚数（＝色数）を用いることが好ましい。また、それぞれの透過波長域の部分的重複を許すから、カラーフィルタは、各枚（＝各色）の透過波長域が、互いに異なったものであっても、部分的に重なったものであってもよい。例えば透過率ピークが３個の場合、カラーフィルタとしては、通常用いられているＲＧＢ（赤、緑、青）系のフィルタ、あるいはＣＭＹ（シアン、マゼンタ、イエロー）系のフィルタがあり、これらのいずれも好ましく用いうる。もっとも、ＲＧＢ系のフィルタの場合、各フィルタの透過波長域に現出させる透過率ピークの個数は１個以下とするのがよいが、ＣＭＹ系のフィルタの場合は、前記透過率ピークの個数は２個以下としてもよい。なお、本発明では、前記透過率ピークの個数は、複数発生したもののうち最大ピーク高さの４０％以上のピーク高さをもつ透過率ピークの個数であり、ピーク高さが最大ピーク高さの４０％に満たない透過率ピークは個数に計上しないものとする。

２次元フォトディテクタとしては、前記ＣＣＤのほか、ＣＭＯＳのイメージセンサ、フォトダイオードのイメージセンサ、フォトトランジスタのイメージセンサなどが使用可能なものとして挙げられる。

ＣＣＤは、前記カラーフィルタを既に配設されてなるカラーフィルタ付きＣＣＤが好ましい。かかるカラーフィルタ付きＣＣＤは、放送局用の３板式カラーカメラや、家庭用の１板式カラーカメラの光学系を構成している。この場合、さらに別のカラーフィルタを設ける必要はなくなる。

図３は、本発明の第１例を示す模式図であり、前記基準セル厚ｄ₀の値を適正に設定することより、透過率ピークをＲＧＢの各波長域に１個ずつ発生させるようにした液晶フィルタ５を、３板式カラーカメラ30の入力側に配置した構成を示している。液晶フィルタ５から出た光はダイクロイックプリズム31によりＲＧＢの３方向に分けられ、Ｒ方向の分光はＲ-ＣＣＤ（Ｒフィルタ付きＣＣＤ）32に、Ｇ方向の分光はＧ-ＣＣＤ（Ｇフィルタ付きＣＣＤ）33に、Ｂ方向の分光はＢ-ＣＣＤ（Ｂフィルタ付きＣＣＤ）34に、それぞれ入射する。いずれの方向の分光も３個の透過率ピークをもつが、Ｒ-ＣＣＤ32ではＲフィルタによりＲ波長域内の透過率ピークのみが透過され、Ｇ-ＣＣＤ33ではＧフィルタによりＧ波長域内の透過率ピークのみが透過され、Ｂ-ＣＣＤ34ではＢフィルタによりＢ波長域内の透過率ピークのみが透過されるから、各ＣＣＤが検出する透過率ピークは１個となる。

図４は、本発明の第２例を示す模式図であり、前記基準セル厚ｄ₀の値を適正に設定することより、透過率ピークをＣＭＹの各波長域に２個ずつ発生させるようにした液晶フィルタ６を、１板式カラーカメラ40の入力側に配置した構成を示している。１板式カラーカメラ40は、ＣＭＹ-ＣＣＤ（ＣＭＹカラーフィルタ付きＣＣＤ）41を具備しており、液晶フィルタ６を出た光は、３個の透過率ピークをもちながら、ＣＭＹ-ＣＣＤ41のＣ領域、Ｍ領域、Ｙ領域にそれぞれ入り、各領域に入った光は同領域のフィルタにより同領域を走査波長域とする透過率ピークのみが透過されて、各領域のＣＣＤが検出する透過率ピークは２個となるが、各領域のＣＣＤの検出結果より演算にて１つのピークを正しくとり出すことができる。

ＯＣＢセルを用いて図５に示すように構成した液晶フィルタ５を、図３に示したように３板式カラーカメラ30と組み合わせて、本発明に係る波長可変フィルタを構成した。液晶はＴＤ６００４ＸＸ（チッソ（株）製）を用いた。液晶セル１，２，３の光軸Ｋと入力側の偏光子10の透過軸Ｔとの角度φ_１、φ_２、φ_３はいずれも４５°とし、位相差フィルム21,22,23の光軸Ｋは液晶セル１，２，３の光軸Ｋと平行とした。液晶セル１，２，３のセル厚ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３はそれぞれ１０μｍ、２０μｍ、１５μｍとし、位相差フィルム21,22,23のフィルム厚ｄ₂₁，ｄ₂₂，ｄ₂₃はそれぞれ１５.８μｍ、３１.６μｍ、２３.７μｍとした。これを用いて、電圧源４による印加電圧を０〜７Ｖの範囲で変えながら、透過スペクトルの変化を観測した。その結果、図６に示すように、従来では可視光波長域50の全域を比較的大きな半値幅の１個の透過率ピークで走査していた（図６（ａ））のに対し、実施例では、半値幅が従来の約１/３に減少した１個の透過率ピークでＲＧＢの各フィルタの透過波長域51,52,53を走査できるようになり、従来よりも格段に鮮明なＲＧＢの単色像が得られた。

本発明は、物質から出た光の透過スペクトルからその物質を同定することを必要とする産業、例えば天体観測や医療、食品等に係わる産業に利用することができる。

本発明の基礎とした知見の説明図である。本発明の基礎としたもう１つの知見の説明図である。本発明の第１例を示す模式図である。本発明の第２例を示す模式図である。実施例に用いた液晶フィルタの概要を示す模式図である。実施例の透過率ピークによる走査状況を従来と比較して示す模式図である。

符号の説明

１、２、３液晶セル
４電圧源
５、６液晶フィルタ
10、11、12、13 偏光子
21、22、23 位相差フィルム
30 ３板式カラーカメラ
31 ダイクロイックプリズム
32 Ｒ-ＣＣＤ
33 Ｇ-ＣＣＤ
34 Ｂ-ＣＣＤ
40 １板式カラーカメラ
41 ＣＭＹ-ＣＣＤ
50 可視光波長域
51 Ｒフィルタの透過波長域
52 Ｇフィルタの透過波長域
53 Ｂフィルタの透過波長域

Claims

液晶セル、該液晶セルに重なった位相差フィルム、前記液晶セルおよび前記位相差フィルムからなる複合層を挟んだ偏光子、および前記液晶に印加される電圧源を具備した液晶フィルタと、該液晶フィルタの出力光をカラーフィルタを介して検出する２次元フォトディテクタとを有する波長可変フィルタであって、前記液晶フィルタは、前記電圧源の印加電圧に応じて所定の観測波長域に透過率ピークを１電圧につき複数個発生するものとしたことを特徴とする波長可変フィルタ。
前記カラーフィルタは、観測波長域を部分的重複を許して分かつ複数の帯域をそれぞれの透過波長域とする複数枚のものとし、その枚数は前記複数の透過率ピークの個数以上のものであることを特徴とする請求項１記載の波長可変フィルタ。
前記カラーフィルタがＲＧＢ系のカラーフィルタであり、各カラーフィルタの透過波長域に現出する透過率ピークの個数が１個以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変フィルタ。
前記カラーフィルタがＣＭＹ系のカラーフィルタであり、各カラーフィルタの透過波長域に現出する透過率ピークの個数が２個以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変フィルタ。