JP2006317645A - Wavelength variable liquid crystal filter of half-value width control type - Google Patents
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本発明は複屈折モードを用いた波長可変液晶フィルタに係り、半値幅について液晶と複屈折性フィルムの複屈折の波長分散を組み合わせることにより、半値幅が一定で波長を可変できるフィルタに関する。 The present invention relates to a wavelength tunable liquid crystal filter using a birefringence mode, and relates to a filter capable of changing the wavelength with a constant half width by combining the birefringence wavelength dispersion of a liquid crystal and a birefringent film with respect to the half width.
波長可変液晶フィルタは2次元画像の分光フィルタ等波長分析への応用が可能であり、種々の画像解析を行うことができる。画像の波長分析を行うには、これに用いる液晶フィルタの各波長における半値幅の変動を極力押さえる必要がある。特開2000−267127「液晶を用いた波長可変カラーフィルタ」において内田等が透過軸を直交させて透過順に配置した2枚の偏光子間に、複数のECBセル、あるいはOCBセルを考案している。 The tunable liquid crystal filter can be applied to wavelength analysis such as a spectral filter of a two-dimensional image, and can perform various image analysis. In order to perform wavelength analysis of an image, it is necessary to suppress as much as possible the fluctuation of the half width at each wavelength of the liquid crystal filter used for this. In U.S. Pat. No. 2000-267127, “tunable color filter using liquid crystal”, Uchida et al. Devised a plurality of ECB cells or OCB cells between two polarizers arranged in the transmission order with the transmission axes orthogonal to each other. .
石鍋等は狭帯域フィルタであるリオフィルタの開発を行い、半値幅の一定化について議論を行なっている。[1]その議論の中で、複屈折率Δn(λ)の波長分散特性波長λの2乗に比例するとして、Δn(λ)∝λ2となるような設計を行うと半値幅の変化が無い(一定)液晶セルを作製することが可能であることを示している。これはリタデーション値Δn(λ)dとしたときの位相値Δn(λ)∝λ2が波長に対して線形な関数となり、波長に因らず半値幅の一定値が得られることになる。なお、dは液晶層の厚さである。
従来の波長可変フィルタでは電圧の印加に伴い、液晶分子の配向が変化する。液晶分子は複屈折性を有するた、リタデーションが電圧で変化することになる。したがって、液晶のリタデーション値が変化することで透過波長が制御されることになる。一般的に電圧印加時はΔn(λ)∝λ2条件を満足できなくなり、半値幅一定の条件が崩れてしまう恐れがある。そこで半値幅一定の波長可変フィルタを作ることが課題である。 In a conventional wavelength tunable filter, the alignment of liquid crystal molecules changes with the application of voltage. Since liquid crystal molecules have birefringence, the retardation changes with voltage. Therefore, the transmission wavelength is controlled by changing the retardation value of the liquid crystal. Generally when a voltage is applied will not be able to satisfy Δn (λ) αλ 2 conditions, there is a possibility that the half width constant condition collapses. Therefore, it is a problem to make a wavelength tunable filter having a constant half width.
(1)光源と、その光軸上に、偏光子2枚を配置し、さらにこの間に配置した液晶セル1枚とリタデーション板、例えば一軸性や二軸性の複屈折性光学フィルムから構成される波長可変フィルタであって、液晶セルと複屈折性板との間におけるリタデーションの波長依存性を電圧印加に関わらず、透過率の極大値を示す近傍において、波長に対するリタデーションの傾斜を一定になるように調整してあることを特徴とする半値幅制御型液晶波長可変フィルタ。(2)液晶には電圧印加時の分子配向変化に伴い、複屈折性が変化するモードを用いた(1)に記載の波長可変フィルタ。(3)前記2枚の偏光子が互いに回転角0°あるいは90°にて配置されていることを特徴とする、(2)に記載の波長可変フィルタ。(4)液晶と複屈折性光学フィルムの各遅延軸を互いに回転角回転角0°あるいは90°にて配置されていることを特徴とする、(3)に記載の波長可変フィルタ。 (1) A light source and two polarizers are arranged on the optical axis, and further, one liquid crystal cell arranged between them and a retardation plate, for example, a uniaxial or biaxial birefringent optical film. A wavelength tunable filter, in which the wavelength dependence of retardation between the liquid crystal cell and the birefringent plate is constant in the vicinity of the maximum value of transmittance regardless of voltage application. A half-width control type liquid crystal wavelength tunable filter characterized by being adjusted to (2) The wavelength tunable filter according to (1), wherein the liquid crystal uses a mode in which birefringence changes with a change in molecular orientation during voltage application. (3) The wavelength tunable filter according to (2), wherein the two polarizers are arranged at a rotation angle of 0 ° or 90 °. (4) The wavelength tunable filter according to (3), wherein the delay axes of the liquid crystal and the birefringent optical film are arranged at a rotation angle rotation angle of 0 ° or 90 °.
(5)透過率が極大を示す波長λを主波長λ0とし、その波長での液晶とリタデーション板の屈折率異方性と厚さを各々Δn1、Δn2、d1、d2)とする。液晶とリタデーション板を積層した構成において、液晶への電圧印加に伴いΔn1が変化し、λ0が移動する。その際、液晶とリタデーション板のλ0近傍におけるΔnd/λ0の増減が互いに相補的な関係とし、結果的にλ0近傍におけるΔnd/λ0の傾斜が一定に調整された(4)に記載した波長可変フィルタ。(6)液晶セルに電圧を印加し、透過する主波長を紫外、可視、赤外領域において任意可変でき、主波長が単一、あるいは複数有する(5)に記載した波長可変フィルタ。(7)主波長を同一にした(6)に記載した波長可変フィルタを複数枚積層し、狭帯化を図った波長可変フィルタ。 (5) The wavelength λ at which the transmittance is maximum is the main wavelength λ 0, and the refractive index anisotropy and thickness of the liquid crystal and the retardation plate at that wavelength are Δn1, Δn2, d1, and d2, respectively. In the structure obtained by laminating a liquid crystal and retardation plate, .DELTA.n1 with the voltage applied to the liquid crystal is changed, lambda 0 is moved. At that time, changes in [Delta] nd / lambda 0 in lambda 0 the vicinity of the liquid crystal and the retardation plate is complementary to each other, according to results in the slope of [Delta] nd / lambda 0 in lambda 0 the vicinity is adjusted to a constant (4) Tunable filter. (6) The wavelength tunable filter according to (5), in which a voltage is applied to the liquid crystal cell and the principal wavelength to be transmitted can be arbitrarily varied in the ultraviolet, visible, and infrared regions, and the principal wavelength is single or plural. (7) A wavelength tunable filter obtained by laminating a plurality of wavelength tunable filters described in (6) having the same main wavelength, thereby narrowing the band.
複屈折モードを用いた波長可変液晶フィルタの波長依存性があるため、液晶と複屈折性フィルムを積層し、波長分散を組み合わせる素子を考案した。これによれば可視領域で半値幅が一定で波長が可変できる。 Due to the wavelength dependence of a tunable liquid crystal filter using a birefringence mode, an element was devised in which liquid crystal and a birefringent film were laminated to combine wavelength dispersion. According to this, the half-value width is constant and the wavelength can be varied in the visible region.
液晶セルと一軸性フィルムの複屈折の波長分散を用いて、可視領域で一定の印加電圧変化時の半値幅の変化を一定にすることができた。液晶の複屈折モードはディスプレイ、計測評価素子、光学素子等広く用いられており、本法の分散特性の補正方式は広く応用できる。 By using the birefringence wavelength dispersion of the liquid crystal cell and the uniaxial film, the change in the half-value width when the applied voltage was changed in the visible region could be made constant. The liquid crystal birefringence mode is widely used for displays, measurement evaluation elements, optical elements, etc., and the dispersion characteristic correction method of this method can be widely applied.
ここでは液晶素子部分として正の誘電率異方性を持つ液晶分子を図1のように平行配向した複屈折型液晶表示素子を仮定した。図2に示すように液晶分子の配向は電圧印加に伴い垂直に変化していく。そこで光学特性に影響を与える実効的な平行配向部分の割合を表すパラメータとしてkを用いる。パラメータkは液晶層全体の厚さdに対する実効的な平行配向部分の厚さ2dsの比率2ds/dである。電圧無印加状態では全ての液晶層が平行配向であるためk=1となり、十分高い電圧を印加した状態では液晶分子が垂直になり、複屈折部分が無くなるのでk=0となる。 Here, a birefringent liquid crystal display element in which liquid crystal molecules having positive dielectric anisotropy are aligned in parallel as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the orientation of the liquid crystal molecules changes vertically with voltage application. Therefore, k is used as a parameter representing the proportion of the effective parallel alignment portion that affects the optical characteristics. Parameter k is the ratio 2d s / d of the thickness 2d s in effective parallel orientation portion to the thickness d of the entire liquid crystal layer. When no voltage is applied, all the liquid crystal layers are in parallel alignment, so k = 1, and when a sufficiently high voltage is applied, the liquid crystal molecules become vertical and the birefringence portion disappears, so k = 0.
複屈折モードを用いた液晶は、電圧を印加させてリタデーション値を変化させ、これに応じて透過スペクトルが変化する。平行偏光子を用いた場合、波長で規格化したリタデーション値Δn(λ)d/λが、2mπ(m=0,1,2・・・・)の整数倍で透過スペクトルが最大となり、(2m+1/2)π(m=0,1,2・・・・)では最小値となる。垂直偏光子では最大値と最小値が逆となる。図3にはネマチック液晶における、波長に対するリタデーションの波長依存性を示す。平行偏光子のもとでは、整数値になるPK1、PK2、PK3で透過率が極大となる。 In a liquid crystal using the birefringence mode, a voltage is applied to change the retardation value, and the transmission spectrum changes accordingly. When a parallel polarizer is used, the transmission spectrum becomes maximum when the retardation value Δn (λ) d / λ normalized by the wavelength is an integer multiple of 2mπ (m = 0, 1, 2,...), And (2m + 1 / 2) Minimum value at π (m = 0, 1, 2,...). For vertical polarizers, the maximum and minimum values are reversed. FIG. 3 shows the wavelength dependence of retardation with respect to wavelength in a nematic liquid crystal. Under the parallel polarizer, the transmittance becomes maximum at PK1, PK2, and PK3 that are integer values.
図4は一般的なネマチック液晶を用いた平行配向セルを、平行ニコル間に光軸45度に傾けて配置し、電圧は無印加(k=1)とした場合の透過率の波長依存性である。ピークが3点現われているが、それぞれの半値幅は大きく異なる。液晶は屈折率異方性の波長分散特性を有しているため、波長によってリタデーション値が異なる。このためそれぞれのピーク波長の半値幅は異なっており、長波長側ほど広くなるといった特性が得られる。これは、一般的な液晶材料は長波長側ほど波長分散の傾きが小さいためである。 FIG. 4 shows the wavelength dependence of the transmittance when a parallel alignment cell using a general nematic liquid crystal is arranged with an optical axis of 45 degrees between parallel Nicols and no voltage is applied (k = 1). is there. Three peaks appear, but the half-value width of each peak is greatly different. Since the liquid crystal has a wavelength dispersion characteristic of refractive index anisotropy, the retardation value varies depending on the wavelength. For this reason, the half-value widths of the respective peak wavelengths are different, and the characteristic that the longer wavelength side becomes wider is obtained. This is because a general liquid crystal material has a smaller inclination of chromatic dispersion as the wavelength is longer.
このことから半値幅の変化を一定に保つためには波長分散の傾きが一定に変化するような設計をしなければならない。図5は規格化したリタデーション値Δn(λ)d/λの波長依存性を示した図である。Δn(λ)d/λが整数値では透過率が最大となり、整数値+0.5では最小となる。液晶は電圧無印加時(k=1.0)に大きな波長分散を示している。各ピーク付近での傾斜が異なるが、これが図2で半値幅が異なった理由である。液晶に電圧を印加するとリダデーション値は減少し、k=0になると複屈折が消滅する。 For this reason, in order to keep the change in the half-value width constant, the design must be such that the slope of the chromatic dispersion changes constant. FIG. 5 is a diagram showing the wavelength dependence of the normalized retardation value Δn (λ) d / λ. When Δn (λ) d / λ is an integer value, the transmittance is maximum, and when it is an integer value +0.5, the transmittance is minimum. The liquid crystal exhibits large wavelength dispersion when no voltage is applied (k = 1.0). The slopes in the vicinity of each peak are different, which is the reason why the full width at half maximum is different in FIG. When a voltage is applied to the liquid crystal, the retardation value decreases, and when k = 0, birefringence disappears.
液晶の印加電圧(k)を変化させた場合、ピーク波長がシフトするが、半値幅も影響を受ける。図6はその様子を示したものである。それぞれの曲線は一つのピークが電圧印加によって短波長にシフトするときの半値幅の変化を示したものである。パラメータは最大透過率を示すΔn(λ)d/λの値である。波長に対して傾斜を持つことから、半値幅が変動していることになる。短波長側で半値幅が小さくなるのは複屈折の波長依存性が大きくなるためである。 When the applied voltage (k) of the liquid crystal is changed, the peak wavelength is shifted, but the half width is also affected. FIG. 6 shows this situation. Each curve shows the change in half width when one peak shifts to a short wavelength by voltage application. The parameter is a value of Δn (λ) d / λ indicating the maximum transmittance. Since it has an inclination with respect to the wavelength, the full width at half maximum varies. The reason why the half-value width is reduced on the short wavelength side is that the wavelength dependence of birefringence is increased.
複屈折モードを用いた液晶フィルタにおける設計指針は、電圧印加状態のピーク波長のシフトとともに半値幅一定の条件を見出すことである。図7に半値幅制御の概念を示す。上図はリタデーション値の波長依存性を示しており、mは透過率最大を示すリタデーションである。液晶セルに電圧をかけると素子のリタデーション値が変化することから、図の太線で示すような変化が起きる。このときm値を示す付近での傾斜が一定になるように制御できれば半値幅も一定となる。 The design guideline for the liquid crystal filter using the birefringence mode is to find a condition that the half width is constant along with the shift of the peak wavelength in the voltage application state. FIG. 7 shows the concept of half width control. The upper diagram shows the wavelength dependence of the retardation value, and m is the retardation indicating the maximum transmittance. When a voltage is applied to the liquid crystal cell, the retardation value of the element changes, so that a change as shown by a bold line in the figure occurs. At this time, if it can be controlled so that the inclination near the m value is constant, the full width at half maximum is also constant.
透過率が極大を示す波長λを主波長λ0とし、その波長での液晶とリタデーション板の屈折率異方性と厚さを各々Δn1、Δn2、d1、d2)とする。液晶とリタデーション板を積層した構成において、液晶への電圧印加に伴いΔn1が変化し、λ0が移動する。その際、液晶とリタデーション板のλ0近傍におけるΔnd/λ0の増減が互いに相補的な関係とし、結果的にλ0近傍におけるΔnd/λ0の傾斜が一定に調整された波長可変フィルタを構成する。このことにより透過光の波長
は場一定の波長可変フィルタが実現する。
The wavelength λ at which the transmittance is maximum is the main wavelength λ 0, and the refractive index anisotropy and thickness of the liquid crystal and the retardation plate at that wavelength are Δn1, Δn2, d1, d2), respectively. In the structure obtained by laminating a liquid crystal and retardation plate, .DELTA.n1 with the voltage applied to the liquid crystal is changed, lambda 0 is moved. At that time, changes in [Delta] nd / lambda 0 in lambda 0 the vicinity of the liquid crystal and the retardation plate is complementary to each other, resulting in constituting a tunable filter slope of [Delta] nd / lambda 0 is adjusted to be constant at lambda 0 near To do. This realizes a wavelength tunable filter in which the wavelength of transmitted light is constant.
複屈折を制御しようとした時が液晶だけでは制限を受けてしまうため、一軸性の複屈折性フィルムを積層することでこの条件の実現を図った。単純化されたケースを考える。半値幅を一定にするためには、液晶と複屈折性フィルムを組み合わせた状態で電圧を印加したとき、どのような電圧でも同じ傾斜にならなければならない。もし、この特性が直線的で、印加電圧に因らずにその傾斜が一定であるならばどんな印加電圧においても半値幅の変化が起こらない。しかしいずれの材料も波長分散特性を持つため新たな設計が必要となる。 Since the time when the birefringence is to be controlled is limited only by the liquid crystal, this condition was realized by laminating a uniaxial birefringent film. Consider a simplified case. In order to make the full width at half maximum constant, when a voltage is applied in a state where the liquid crystal and the birefringent film are combined, the same inclination must be obtained at any voltage. If this characteristic is linear and the slope is constant regardless of the applied voltage, no change in the half width occurs at any applied voltage. However, since all materials have wavelength dispersion characteristics, a new design is required.
実際には液晶も複屈折フィルムも波長に対してΔn(λ)d/λは曲線となってしまう。しかも、電圧印加に伴いその波長依存性も変化してしまう。さらに応答回復特性を考慮して液晶層はより薄層であることが求められる。そこで複屈折モードを用いた光学フィルタの設計について述べる。 Actually, Δn (λ) d / λ becomes a curve with respect to the wavelength of both the liquid crystal and the birefringent film. In addition, the wavelength dependency changes with voltage application. Furthermore, the liquid crystal layer is required to be thinner in consideration of response recovery characteristics. Therefore, the design of the optical filter using the birefringence mode will be described.
液晶と複屈折フィルムの積層の際、光軸を平行にさせる場合と直交させる場合が考えられる。前者の場合、双方のリタデーション値が加算されることになる。一般的に両者は紫外域に吸収を持つため、複屈折が長波長側で低減する特性を持つ。したがって、傾斜の一定化には不都合となる。その点、後者は互いに打ち消し合いが起こり、波長依存性を緩和できる可能性があることから、この構成を採用することとした。さらに右上がりと右下がりの特性を持たせることができる。右上がりの構成では波長依存性が凸に成りやすくピーク波長の融合やシフト方向が定まらない恐れがある。以上のことから、液晶と複屈折フィルムは光軸を直交させて右下がりの特性を持たせる構成とした。 When laminating the liquid crystal and the birefringent film, it is conceivable that the optical axis is made parallel or perpendicular. In the former case, both retardation values are added. In general, both have absorption in the ultraviolet region, so that birefringence is reduced on the long wavelength side. Therefore, it becomes inconvenient for making the inclination constant. On the other hand, the latter is canceled out with each other, and the wavelength dependence may be relaxed. Therefore, this configuration is adopted. Furthermore, it can have a characteristic of rising to the right and falling to the right. In a configuration with a rising right angle, the wavelength dependency tends to be convex, and there is a possibility that the fusion of peak wavelengths and the shift direction cannot be determined. From the above, the liquid crystal and the birefringent film have a configuration in which the optical axes are orthogonal to each other and have a right-sloping characteristic.
この素子の場合、k=1では液晶とフィルムの複屈折が打ち消し合うことになる。ピークを示す波長の半値幅はk=1では両者の短波長側のΔn(λ)d/λ特性で決まり、kの低下に伴い、フィルムの長波長側の特性が反映される。k=0ではフィルム自身の複屈折が特性を決めることになる。これらの特性を考慮して得られた結果を図8に示す。ここでは光学フィルムとして一般的なポリカーボネイトを用いている。電圧印加のいずれの状態でも右下がりの特性を示している。また、半値幅の波長依存性を図9に示す。液晶単体で用いた図4の特性に比べ半値幅の変化が小さくなり、半値幅の変化が少なくなっていることが分かる。なお、波長依存性が右上がりになっているのはポリカーボネイトの波長依存性が大きいことに起因する。より波長分散の少ない材料により改善ができる。 In the case of this element, when k = 1, the birefringence between the liquid crystal and the film cancels each other. The half-value width of the wavelength showing the peak is determined by the Δn (λ) d / λ characteristics on both short wavelengths when k = 1, and the characteristics on the long wavelength side of the film are reflected as k decreases. When k = 0, the birefringence of the film itself determines the characteristics. The results obtained in consideration of these characteristics are shown in FIG. Here, a general polycarbonate is used as the optical film. It shows a downward-sloping characteristic in any state of voltage application. Further, FIG. 9 shows the wavelength dependence of the half width. It can be seen that the change in the half-value width is smaller and the change in the half-value width is smaller than the characteristic of FIG. 4 used for the liquid crystal alone. Note that the wavelength dependency is rising to the right because the wavelength dependency of polycarbonate is large. Improvement can be made by using a material with less wavelength dispersion.
画像の2次元波長分光を念頭におき、図10に示すリオフィルタ(非特許文献2)の構成を検討した。先の液晶層の厚さを1として、厚さの比が1:1.5:2の3枚の素子を積層した。(非特許文献3)それぞれ平行偏光子、直交偏光子、平行偏光子となるように構成した。その透過特性を図11に、半値幅の特性を図12に示す。半値幅を狭くすることができるとともに、半値幅の変動は液晶のみの場合と比較して、20%程に抑制されていることが分かる。
本発明の半値幅制御型波長可変液晶フィルタは透過波長域によって半値幅を一定に制御することができる。そして、2次元画像や映像の分光分析が迅速に可能となり、産業上利用価値が高い発明である。 The half-width control type tunable liquid crystal filter of the present invention can control the half-width to be constant according to the transmission wavelength region. And it is an invention that can quickly perform spectral analysis of two-dimensional images and videos, and has high industrial utility value.
LCa,LCb−−−液晶セルRFa,RF1b,RF2b,RF3b−−−リタデーション板P1a,P2a,P1b,P2b,P3b−−−偏光子La,Lb−−−入射光PSa,PSb−−−電源 LCa, LCb --- liquid crystal cells RFa, RF1b, RF2b, RF3b --- retardation plates P1a, P2a, P1b, P2b, P3b --- polarizers La, Lb --- incident light PSa, PSb --- power supply
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