JP2021502600A - 電圧調整可能な偏光子 - Google Patents

Abstract

偏光感受性ナノ粒子の精密なポラリメトリ撮像は、回折限界を超えて偏光感受性ナノ粒子の正確な空間位置を分解するのに不可欠である。しかし、従来の技術では通常、機械的に回転する光学部品を使用しており、回折限界を超えた補正ができないビーム偏向エラーを引き起こす。この制限を克服するために、偏光感受性ナノ粒子のための、空間的に安定したナノ撮像システムを提示する。この開示では、電圧調整可能な偏光子を光学顕微鏡法に統合することにより、機械的に引き起こされる画像シフトなしに、高精度のナノ撮像を達成できることを実証している。また、電圧調整可能な偏光子を写真撮像システムに統合することにより、反射グレアの高速な抑制及び／又は撮像素子への露光の高速な変更を達成できることも実証している。振幅変調された電圧を印加することにより、動的なポラリメトリ・ナノ撮像に向けた、透過偏光の高速回転及び／又は透過強度の変調を達成できる。加えて、電圧調整可能な偏光子を写真用カメラ・システムに統合することにより、よりコントラストのある画像をもたらすために、被写体表面からのグレアを取り除き、また可変ニュートラル・デンシティ・フィルタとして可変露光を制御できることも実証している。

Description

政府条項
この発明は、全米科学財団から授与された助成金番号ＥＣＣＳ−１４５４１８８及び米国空軍／空軍科学研究所から授与された助成金番号ＦＡ９５５０−１６−１−０２７２の下で政府の支援を受けて行われた。政府はこの発明に、ある一定の権利を有する。

本開示は、回折限界を超えた偏光感受性ナノ粒子を分解するナノ撮像システムばかりでなく、グレア除去及び可変露光のための写真用カメラ・システムにも適用される、電圧調整可能な偏光子に関する。

個々の偏光感受性ナノ粒子を分析することにより、回折限界を超えて、不均一な集団内の実際の分布を空間的に分解することが可能になる。集合体の研究から、混合された平均が得られるのに対して、個々のナノ粒子のポラリメトリ撮像から、ナノ粒子の配向を明らかにすることができる。偏光を回転させて異方性ナノ粒子の軸に揃えると、配向情報が抽出され、ナノ粒子の局在する微小環境の特質が生じ得る。特に、それぞれの個々のナノ粒子のポラリメトリ撮像により、不均一な分布内の各構成要素たるナノ粒子の正確な空間位置（ｎｍ）を確認できる可能性がある。しかし、以前の実施態様では、偏光を回転させるために機械的手法を利用している。したがって、結果として得られる画像は、固有の機械的及び製造上の制限（表面欠陥、機械的ぐらつきなど）に起因するビーム偏差エラーを起こしがちである。ビーム偏差エラーは、マイクロメートルのスケールでの画像処理を使用して補正できるが、この開示では理論的且つ実験的に、こうした補正が、個々のナノ粒子の空間位置を正確に補正するには、サブピクセルのスケールでは不十分であることを示している。

この開示では、回折限界を超えた、偏光感受性ナノ粒子を分解するために使用され得る、電圧調整可能な偏光子が提供される。一実例では、電圧調整可能な偏光子は、光学顕微鏡と統合され、ピクセル限界を超えて単一のプラズモニック・ナノ粒子を安定して撮像する。ここでは、機械的回転ではなく電圧を使用して、透過偏光角を動的に調整し、ビーム偏差を取り除く。透過偏光角（θ）を、動的な高速ポラリメトリ・ナノ撮像のために、迅速に調整できることが実証されている。また、ナノ撮像システムにより、ピクセルを跨いで画像がシフトしたときに補正できないエラーをもたらす、機械的に回転する偏光子を用いた従来の仕組みと比較して、空間的に安定し、再現可能なポラリメトリ・ナノ画像（θ_１からθ_２へ）が得られることも示す。

別の実例では、電圧調整可能な偏光子は、写真用カメラと統合され、被写体の表面からの偏光された又は部分的に偏光された反射を除去して、より精細且つ／又はコントラストの付いた画像を提供する。電圧調整可能な偏光子がオンにされ、調整角度が、撮像されるべき被写体からの反射光の偏光状態に垂直になると、反射グレアが抑制され、撮像された被写体の詳細（書かれた文字など）が明らかになることが実証されている。電圧調整可能な偏光子は、可変透過強度及び可変露光を実現する、写真撮影用途の可変ニュートラル・デンシティ・フィルタとして使用することもできる。

電圧調整可能な偏光子には、自動車カメラ・システム、船／ボート・カメラ・システム、水中カメラ・システム、フライト／飛行機カメラ・システム、家電カメラ・システム（ラップトップ、携帯電話など）、スペース・シャトルのカメラ・システム、自律型カメラ・システム、監視カメラ・システム、科学カメラ・システムなどにおける、静止及びライブ写真の用途がある。電圧調整可能な偏光子には、センサ対応の眼鏡、調整可能なスマート眼鏡などの用途もある。

この段落は、必ずしも先行技術ではない、本開示に関連する背景情報を提示している。

本明細書で説明される図面は、選択された実施例の例示のみを目的としており、可能なすべての実施態様ではなく、本開示の範囲を限定することを意図しない。

理想的なケースでの、偏光子の回転後にビーム偏差がないことを示す図である。 偏光子を様々な刻み幅で回転させた後の、単一のプラズモニック・ナノロッドの、シミュレーションした、安定した画像を示す図である。 正確な空間分布を示す、図１Ｂから選択したシミュレーション画像の拡大図である。 偏光子の非平行性による、ビーム偏差を示す図である。 偏光子を様々な刻み幅で機械的に回転させた後の、単一のプラズモニック・ナノロッドの、シミュレーションした不安定な画像を示す図である。 サブピクセル・スケールの補正できないビーム偏差エラーを示す、図２Ｂから選択したシミュレーション画像の拡大図である。 例示的なナノ撮像システムの構成図である。 写真用途の実例の構成図である。 電圧調整可能な偏光子の例示的な実施例の断面分解図である。 強度変調器として機能する、電圧調整可能な偏光子の第２の例示的な実施例の断面分解図である。 電圧調整可能な偏光子の、例示的な実施例の図である。 強度変調器として機能する、電圧調整可能な偏光子の第２の例示的な実施例の図である。 ナノ撮像システムのための電圧調整可能な偏光子を保持する、顕微鏡挿入物の概略図である。 写真用途のための電圧調整可能な偏光子を保持する、挿入物の概略図である。 透過偏光軸の回転（θ）に対する電圧の依存性を示すグラフである。実験データ及びその多項式へのあてはめ（ｆｉｔ）を、両方の液晶リターダについて（下部はＬＣ１の作動電圧Ｕ_１について、上部はＬＣ２の作動電圧Ｕ_２について）プロットした。 電圧調整可能な偏光子の偏光性能を示すグラフである。偏光角が相異なる透過光の強度は、マルスの法則（黒色の線）によく一致していることを示す。実験データ（赤色の点）を、直線偏光子の後の電圧調整可能な偏光子を回転させて取得し（αは偏光子の透過軸と直線偏光子の透過軸との間の角度、挿入図）、次いで正弦波関数にあてはめた（赤色の線）。図のＡ及びＢは、それぞれ直線偏光子及び電圧調整可能な偏光子を表す。 入力電力に対する均一性を示し、様々な偏光角度（赤色の線は０度、緑色の線は３０度、青色の線は６０度、紫色の線は９０度）での透過率を、広い入力電力範囲にわたって示すグラフである。 様々な波長にわたる均一性を示すグラフである。７１０ｎｍから７７０ｎｍまでの広い波長（λ）の範囲にわたって一貫した偏光性能で、ここで挿入図では、第１の直線偏光子（ＬＰ：ｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）の透過軸は、ｙ軸に揃えてセットされ、角度αは、直線偏光子の透過軸と電圧調整可能な偏光子の透過軸との間の角度である。図のＡ及びＢは、それぞれ直線偏光子及び電圧調整可能な偏光子を表す。 電圧調整可能な偏光子のターンオン及びターンオフの切替えを示すグラフである。上部のグラフでは、ＬＣ１の作動電圧を示し、ここで低電圧レベル及び高電圧レベルは１．８６Ｖ及び２．８８Ｖ（青色の波形）であり、偏光軸を、入射光の偏光に対して垂直（オフ状態）方向から平行（オン状態）方向に回転させることに対応している。両方の電圧レベルは、２５０Ｈｚの方形波の形態である。下部のグラフでは、応答時間分析が表示されている。電圧調整可能な偏光子の、振幅変調された電圧下での透過光の強度（赤色の線）。最初及び２番目の影付きの領域はそれぞれ、ターンオン及びターンオフの切替えの応答時間を表す。 電圧調整可能な偏光子の時間的性能を示すグラフである。上部のグラフでは、動的な作動の下での、１つの周期の透過光の強度を（実験データは黒色の点、正弦波へのあてはめは赤色の線）示し、ここで、上部の挿入図は、複数の周期にわたる高い再現性を有する性能である。下部のグラフでは、ＬＣ１を操作するための作動電圧（１周期）を示し、０°から９０°へ、そして０°に戻る、回転する透過軸に対応する１９の個別の電圧レベルが加えられており、ここで下部の挿入図は、複数の周期の作動電圧である。 実験データ及びその非線形へのあてはめが、それぞれ、赤色の棒及び黒色の線としてプロットされている、期間（すなわち、回転速度）と消光比との間のトレードオフの関係を示すグラフである。 電圧調整可能な偏光子により、高速ポラリメトリ・ナノ撮像が可能となることを示すグラフである。金のナノロッドは、電圧調整可能な偏光子によって透過偏光軸を動的に回転させることにより、高速で撮像された。ナノロッドの、経時的に測定された平均強度が、線としてプロットされ、ＬＣ１の経時的な作動電圧が、波形にプロットされている。挿入図は、透過偏光方向が、図の長軸（スケール・バーは５００ｎｍ）に平行（水平矢印）及び垂直（垂直矢印）な状態での、ナノロッドの暗視野画像。 ガラス基板上の単一のナノロッドが撮像された、広い視野での単一のナノロッドのポラリメトリ画像の図である。 電圧調整可能な偏光子の空間精度を示す３Ｄ画像の図である。 電圧調整可能な偏光子の空間精度を示す３Ｄ画像の図である。図９Ｃでは、３つの単一ナノロッド（ｉ、ｉｉ、及びｉｉｉと示す）から構成される、代表的な関心領域を、積み重ねた３Ｄ画像で示す。電圧調整可能な偏光子によって取得された金のナノロッドの位置を、シアン色（右側の積重ね）でたどっており、安定したナノ撮像を示している。比較として、機械的に回転した偏光子によって取得された金のナノロッドの位置を、図９Ｂの赤色でたどっており、大きなビーム偏差及び画像のシフトを示している。ロッドの強度をプロットしており（図９Ｃの右側）、ナノロッドの配向情報はそれぞれ、ｉが約５３°、ｉｉが約２５°、ｉｉｉが約５８°と推定できる（挿入図及び右下隅に示す）。 ３つの単一の金のナノロッド（ｉ、ｉｉ、及びｉｉｉと示す）が、電圧調整可能な偏光子と機械的に回転した偏光子との両方を使用して撮像された、０°の偏光でのナノ画像（スケール・バーは１μｍ）の図である。 機械的に回転した偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°でのナノ画像の図である。 機械的に回転した偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°での対応するビーム偏向エラー（ＲＭＳＤ）の図である。 機械的に回転した偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°でのナノ画像の図である。 機械的に回転した偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°での対応するビーム偏向エラー（ＲＭＳＤ）の図である。 機械的に回転した偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°でのナノ画像の図である。 機械的に回転した偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°での対応するビーム偏向エラー（ＲＭＳＤ）の図である。 機械的に回転する偏光子の仕組みによって得られたナノ画像は、空間的に補正されたので、電圧調整可能な偏光子によるナノ画像と比較できる。電圧調整可能な偏光子によるナノ画像は、どんな空間補正もない状態で示した。赤色の十字線は、０°での、中心ピクセルを示す。ナノロッドごとに、各ピクセルの強度を正弦関数にあてはめ、ビーム偏差エラーを、その正規化した平均２乗偏差（ＲＭＳＤ：ｒｏｏｔ−ｍｅａｎ−ｓｑｕａｒｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）によって計算した。 電圧調整可能な偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°でのナノ画像の図である。 電圧調整可能な偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°での対応するビーム偏差エラー（ＲＭＳＤ）の図である。 電圧調整可能な偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°でのナノ画像の図である。 電圧調整可能な偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°での対応するビーム偏差エラー（ＲＭＳＤ）の図である。 電圧調整可能な偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°でのナノ画像の図である。 電圧調整可能な偏光子による、図１０からの３つのナノロッドの、１７５°での対応するビーム偏差エラー（ＲＭＳＤ）の図である。 電圧調整可能な偏光子によるナノ画像は、どんな空間補正もない状態で示した。赤色の十字線は、０°での、中央のピクセルを示す。 オフ状態の電圧調整可能な偏光子を使って撮影された写真画像の図である。 オン状態の電圧調整可能な偏光子を使って撮影された写真画像の図である。 電圧調整可能な偏光子をオンにすると、被写体からの部分的に偏光された反射グレアが除去され、被写体に書かれた文字の鮮明な画像を示す。 電圧調整可能な偏光子がニュートラル・デンシティ・フィルタとして機能することを示す、写真画像の図である。 電圧調整可能な偏光子がニュートラル・デンシティ・フィルタとして機能することを示す、写真画像の図である。 電圧調整可能な偏光子がニュートラル・デンシティ・フィルタとして機能することを示す、写真画像の図である。 電圧調整可能な偏光子がニュートラル・デンシティ・フィルタとして機能することを示す、写真画像の図である。 画像は、電圧調整可能な偏光子の偏光角が、偏光された入力光に対して０度から９０度まで調整されたときに取得される。偏光子の調整角が変化した結果として、画像の強度が変わる。 直線偏光子が直線偏光薄膜で置き換えられ、１／４波長板が１／４波リターダ薄膜で置き換えられ、且つ液晶セルが薄膜のボトムアップ式プロセスを使用して製造された液晶リターダに置き換えられた、電圧調整可能な偏光子の１つの実施例の構造を説明する図である。 直線偏光子が直線偏光薄膜で置き換えられ、１／４波長板が１／４波リターダ薄膜で置き換えられ、且つ液晶セルが薄膜のボトムアップ式プロセスを使用して製造された液晶リターダに置き換えられた、電圧調整可能な偏光子の別の実施例の構造を説明する図である。 最小のデバイス厚さを有する液晶リターダの、ボトムアップ式薄膜製造プロセスを示す図である。

図面のいくつかの図を通して、一致する参照番号は一致する部品を指す。

ここで、添付図面を参照して、例示的な実施例をより完全に説明することとする。

ポラリメトリ・ナノ撮像システムでは、従来の偏光子の機械的回転によってもたらされるビーム偏差（Δｌ）は、式（１）のように定義することができる。

ここで、θは回転角度、（ｘ０，ｙ０）及び（ｘθ，ｙθ）は、偏光子の回転前及び後のビーム中心の空間座標である。理想的には、図１Ａに示すように、回転に関係なく、ｘθ及びｙθはｘ０及びｙ０に等しいはずである。ただし実際のケースでは、機械的及び製造上の制限のために、ゼロでないΔｌが発生する。その中でも、偏光子の２つの光学面間の非平行性は、図２Ａに示すように、回転後のビーム中心の空間座標が式（２）で表され得る主な要因の１つである。

ここで、ｄは撮像素子（たとえば、電荷結合素子（ＣＣＤ：ｃｈａｒｇｅｄ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ））と偏光子との間の距離、ｎは屈折率、σは偏光子の２つの表面間の非平行角度である。式（２）を式（１）に代入すると、θに対するビーム偏差は、式（３）として得ることができる。

一実例では、ｄ、σ、及びｎは、それぞれ、５０ｍｍ、５アーク秒、及び１．４５であると想定される。偏光子の回転により、ビームは、撮像面で直径約１．１μｍの円を描くであろう。ポラリメトリ・ナノ撮像では、かかるビーム偏差は重大な強度エラーをもたし、画像処理では回折限界を超えて完全に補正することはできない。理解をより深めるために、偏光子の角回転は、式（４）のストークス・ベクトルについて演算するミュラー行列によって記述できる。

ここで、［Ｉ，Ｑ，Ｕ，Ｖ］^Ｔは出力ストークス・ベクトルであり、［Ｉ_Ｓ，Ｑ_Ｓ，Ｕ_Ｓ，Ｖ_Ｓ］^Ｔはナノ構造体によって散乱された光のストークス・ベクトルである。ＣＣＤの場合、測定できるのは強度Ｉ及び強度のθとの依存性だけであり、式（５）のように表すことができる。

一方、ナノ撮像では、ガウス点像分布関数を使用して、ＣＣＤ上の強度分布を式（６）で表すことができる。

ここで、ωはウェスト半径である。実験のケースでは、次いでＣＣＤピクセル（ｍ，ｎ）からの実際の出力信号Ｓ（ｍ，ｎ；θ）は、式（７）で与えられ得る。

ここで、Ｒ（ｘ，ｙ）はピクセル応答関数（ＰＲＦ：ｐｉｘｅｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で、ｐ、ｑはそれぞれｘ方向及びｙ方向のピクセル・ピッチである。不均一なＣＣＤピクセル応答（たとえば、ピクセル間及びピクセル内の感度のばらつき）により、Ｒ（ｘ，ｙ）は様々な位置で相異なり、その結果、偏光子の回転中に出力信号Ｓ（ｍ，ｎ；θ）のエラーが生じる。場合によっては、ピクセルのスケールでのビーム偏差エラーは、画像処理を使用して補正できる（たとえば、ピクセル間の変動を補正する）。ただし、理想的なＰＲＦの場合でさえも、サブピクセルのビーム偏差エラーは取り除くことができない。典型的なケースとして、式（２）と式（５〜７）とを組み合わせることで、理想的な偏光子及び機械的に回転する偏光子を使った、単一のプラズモニック・ナノロッドのポラリメトリ・ナノ画像を、理論計算によって、図１Ｂ及び図２Ｂにそれぞれ示すようにシミュレーションした。シミュレーションは、機械的に回転する偏光子の非平行性による、マイクロメートルのスケールの、かなりのビーム偏差（画像シフト）を示している。さらに、理想的なＰＲＦの場合でさえも、サブピクセルのスケールのビーム偏差により、ＣＣＤでサンプリングされた出力信号の空間分布が変化し、その結果図２Ｃに示すように、避け難いピクセルごとの強度エラーが生じる。かかる強度のばらつきは、ナノ撮像における空間不安定性をもたらし、それによって、個々のナノ粒子の正確な空間及びポラリメトリ情報の分解を妨げる。

図３Ａは、回折限界を超えて偏光感受性ナノ粒子を分解する、ナノ撮像システム３０を示す。ナノ撮像システム３０は、全体的に、光学顕微鏡３１、撮像素子３２、電圧調整可能な偏光子３３、及びコントローラ３４で構成される。

光学顕微鏡３１は、対象となるサンプルに光を投射するよう動作する。１つの例示的な実施例では、光学顕微鏡３１は、オリンパスから市販されているＩＸ７３顕微鏡である。この実例では、光学顕微鏡３１は、暗視野撮像法を使用するが、この開示では他の撮像法も考えられる。光学顕微鏡３１は、集光レンズ３５、対物レンズ３６、ビーム・スプリッタ３７、チューブ・レンズ３８、及びＣＣＤカメラなどの一体型撮像素子３２で構成され得る。光学顕微鏡３１は、光路に沿って撮像素子３２に光を向けるためのより多くの、より少ない、又は相異なる光学部品を備える場合があることが理解されよう。次に、撮像素子３２は、対象となるサンプルの画像を取り込む。また撮像素子３２は、顕微鏡を構成する残りの光学部品に組み込まれるか、又はその外部にあり得ることも想定される。いくつかの実施例では、光学顕微鏡３１は、撮像素子を備えない場合がある。

電圧調整可能な偏光子３３は、光学顕微鏡の光路に配置される。たとえば、電圧調整可能な偏光子３３は、顕微鏡３１の偏光子ポート又は顕微鏡３１の別のポート内に嵌め込む挿入物として設計されてもよい。電圧調整可能な偏光子３３は、それに印加される電圧に応答して、偏光子自体の機械的回転なしに、偏光子を通って伝搬する光の偏光状態を変化させる。電圧調整可能な偏光子は、簡単な形態では、顕微鏡の光路に直列に並べられた一対の液晶可変リターダによって実現される。

図３Ｂは、電圧調整可能な偏光子３３が、写真用カメラ３９に組み込まれている写真用途の実例を示す。システムは、全体的に、写真用カメラ３９、電圧調整可能な偏光子３３、及びコントローラ３４で構成される。

ナノ撮像及び写真の用途について言及しているが、本明細書に記載の電圧調整可能な偏光子には、可変露光のためのニュートラル・デンシティ・フィルタを含むがこれに限定されない他の用途もあることが容易に理解されよう。電圧調整可能な偏光子には、自動車カメラ・システム、船／ボート・カメラ・システム、水中カメラ・システム、フライト／飛行機カメラ・システム、家電カメラ・システム（ラップトップ、携帯電話など）、スペース・シャトルのカメラ・システム、自律型カメラ・システム、監視カメラ・システム、科学カメラ・システムなどにおける、静止及びライブ写真向けの用途、並びに、センサ対応の眼鏡、調整可能なスマート眼鏡などの用途がある。

図４Ａ及び図５Ａは、電圧調整可能な偏光子３３Ａの第１の例示的な実施例を示す。この実例では、電圧調整可能な偏光子３３Ａは、２つの可変液晶リターダ４１、２つのλ／４アクロマティック・ポリマー・リターダ・フィルム４２（すなわち、１／４波長板）、及び高コントラストの直線偏光フィルム４３で構成される、コンパクトなサンドイッチ構造を有する。より具体的には、第１の１／４波長板４２Ａは、光学顕微鏡からの光を受光するよう構成される。第１の液晶リターダ４１Ａは、第１の１／４波長板４２Ａに隣接して配置され、第１の１／４波長板４２Ａを通過する光を受光するよう構成される。直線偏光子４３は、入射面及び出射面を備える。直線偏光子４３の入射面は、第１の液晶リターダ４１Ａに隣接しており、それにより、第１の液晶リターダ４１Ａを通過する光を受光する。直線偏光子４３の出射面は、第２の液晶リターダ４１Ｂに隣接する。第２の液晶リターダ４１Ｂは、直線偏光子４３を通過した光を受光する。最後に、第２の１／４波長板４２Ｂは、第２の液晶リターダ４１Ｂに隣接して配置され、第２の液晶リターダ４１Ｂを通過する光を受光するよう構成される。

図５に示すように、直線偏光フィルム４３の透過軸及びポリマー・リターダ・フィルム４２の速軸は、どちらもｘ軸に対して平行であり、一方液晶リターダ４１の速軸は、ｘ軸と４５度又は４５度の奇数倍に揃えられる。すなわち、直線偏光子４３の透過軸は、第１の１／４波長板４２Ａの速軸及び第２の１／４波長板４２Ｂの速軸と平行である。第１の液晶リターダ４１Ａの速軸は、直線偏光子４３の透過軸と平行であるが、直線偏光子４３の透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する。同様に、第２の液晶リターダ４１Ｂの速軸は、直線偏光子４３の透過軸と平行であるが、直線偏光子４３の透過軸から４５度に揃えられた平面に存在する。液晶リターダ４１Ａ、４１Ｂに振幅変調電圧を印加することにより、光学活性偏光子３３の偏光透過軸は、マイクロ秒からミリ秒の応答時間で０度から１８０度までの範囲で回転され得る。

図４Ｂ及び図５Ｂは、強度変調器として機能する電圧調整可能な偏光子３３Ｂの別の例示的な実施例を示す。この実例では、偏光子３３Ｂは、３つの光学要素、すなわち１／４波長板４２Ｃ、液晶リターダ４１Ｃ、及び薄膜直線偏光子４３を備える。１／４波長板４２Ｃは、その露出面に入射する光を受光するよう構成される。液晶リターダ４１Ｃは、１／４波長板４２Ｃに隣接して配置され、１／４波長板を通過する光を受光するよう構成される。直線偏光子４３は、液晶リターダ４１Ｃに隣接して配置され、液晶リターダ４１Ｃを通過する光を受光するよう構成される。より具体的には、直線偏光子４３の透過軸は、１／４波長板４２Ｃの速軸と平行であり、液晶リターダ４１Ｃの速軸は、直線偏光子４３の透過軸と平行であるが、直線偏光子４３の透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する。したがって、この設計は、必要な光学要素の数を最小限に抑えながら、低コストでコンパクトな占有面積と共に、高い透過率を実現する。この設計は、顕微鏡及びＣＣＤカメラなどの、撮像システムでの使用に特に好適である。また、高い空間精度及び速い応答時間を伴う、異方性ナノ／マイクロ構造体の高精度ポラリメトリ撮像にも好適である。

電圧調整可能な偏光子３３Ａ、３３Ｂの両方の実施例は、高い消光比及び広い入力電力範囲にわたる均一な透過率を有した状態で、比較的広い波長にわたって動作することができる。加えて、電圧調整可能な偏光子３３Ａ、３３Ｂは、円偏光及び楕円偏光変調にも適合し、異方性ナノ／マイクロ構造体の撮像に向けた、多目的に使えるプラットフォームを提供する。

一実例では、電圧調整可能な偏光子３３は、光学顕微鏡３１の偏光子ポート内に嵌め込まれる挿入物６０を使って実現される。挿入物６０は、図６Ａに見られるように、カバー６１及び基部６２で構成される。挿入物は、顕微鏡からの光が通過する標準的な２．５４ｃｍ（１インチ）（しかし２．５４ｃｍ（１インチ）に限定されない）の光学窓６３を有する。電圧調整可能な偏光子３３は、挿入物６０の光学窓６３に配置される。カバー６１は、基部６２に連結されると、偏光子３３を保護するのに役立つ。一実例では、カバー６１は、留め具を使用して基部６２に留められるが、他の取付方法も考えられる。挿入物６０はまた、ワイヤ接続のための２つのスロットを有することもできる。

別の実例では、電圧調整可能な偏光子３３は、図６Ｂに示すように、写真用カメラ・システム内に嵌め込まれる挿入物６５として実現される。挿入物６５は、写真用カメラに装着するための外側アダプタ・リング構造体６６と、電圧調整可能な偏光子を固定するための内側保持リング構造体６７とで構成される。挿入物６５はまた、カメラ本体に接続して電圧信号を送信するための接触電極を備えることもできる。

引き続き図３を参照すると、コントローラ３４は、電圧調整可能な偏光子３３に動作可能に結合され、電圧調整可能な偏光子３３に電圧を供給する。一実施例では、振幅変調電圧信号は、コントローラ３４によって、電圧調整可能な偏光子３３の可変液晶リターダ４１に供給される。たとえば、液晶リターダ４１の位相リタデーションは、２チャネル関数発生器（たとえば、ＡＦＧ２２２５、Ｉｎｓｔｅｋ）によって相異なる電圧レベルを印加することにより制御される。両方の液晶リターダ４１が同じリタデーション（δ）を有する場合、電圧調整可能な偏光子の透過偏光角は、２／δだけ回転させることができる。

両方の例示的な実施例では、コントローラ３４は、マイクロコントローラとして実現される。コントローラ３４のロジックは、ハードウェア・ロジック、ソフトウェア・ロジック、又はハードウェア・ロジックとソフトウェア・ロジックとの組合せで実現できることを理解されたい。この点に関連して、コントローラ３４は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィードバック・センサ、又は上記の方法を実施するソフトウェアがプログラムされる他のプログラム可能なデバイスのいずれかであってもよく、又はこれらを含むことができる。コントローラは、別法として、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス（ＣＰＬＤ：ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）などの、他のロジック・デバイスであるか、又はこれらを含むことを理解されたい。コントローラ３４が機能を実行するか、又は機能を実行するよう構成されると記述されている場合、コントローラ３４は、適切なロジック（ソフトウェア、ロジック・デバイス、又はその組合せなどにおける）を用いてそうするよう構成されることを理解されたい。

ナノ撮像及び写真撮影のための最適な性能を達成するために、最初に消光比、電力、及び波長依存性について、体系的に特性を明らかにした。透過偏光軸の角回転は、液晶リターダに電圧を印加することによって実現できる。図７Ａでは、電圧の、透過偏光軸の回転（θ）への依存性を提示し、θが０°から１８０°の範囲内で優れた直線性を示している。別の特性評価では、透過光の強度を測定するために、電圧調整可能な偏光子３３を直線偏光子の後に配置する。これらの２つの偏光子の透過軸間の角度（α）は、最初は直交するようにセットした。図７Ｂに示すように、作動電圧が増加すると、透過強度は最小から最大まで変化し、次いで最小まで減少する。回転に依存する強度は、ｃｏｓ（２α）に正比例し、マルスの法則（黒色の破線）とかなり一致していることに留意されたい。一方、図７Ｃに示すように、透過偏光軸の所与の角度（たとえば、０°、赤色の線）に対して、電圧調整可能な偏光子３３は、広い入力電力範囲にわたって均一な透過率を示している。加えて、分光器と組み合わせた白色光を使用して、相異なる波長（λ）でのα（２つの偏光子の透過軸間の角度）に依存する透過率も調査した（図７Ｄ）。これは、電圧調整可能な偏光子が、波長の広い範囲にわたって動作できることを示している。ただし、電圧調整可能な偏光子の動作は、ターゲット波長範囲に対応する適切な光学要素が使用される場合、この範囲に限定されない。

次に、電圧調整可能な偏光子３３の時間的性能を、振幅変調された電圧の下で実証する。図８Ａは、電圧調整可能な偏光子３３のターンオン及びターンオフの切替え（すなわち、入射光偏光に対する、垂直方向から平行方向へのθの回転）を示す。液晶リターダの１つの作動電圧を図８Ａの上部に示し、透過強度の信号を図８Ａの下部に示す。ターンオン（青色の領域）とターンオフ（オレンジ色の領域）との両方の切替えで応答時間が速く、透過偏光角を高速回転させるための大きな可能性を示していることがわかる。次いで、図８Ｂは、電圧調整可能な偏光子の透過偏光軸の連続回転を示す。作動電圧信号は、１９の個別の電圧レベル（偏光方向が０°から９０°へ、そして０°に戻るのに対応する）から構成された（図８Ｂ、上部）。透過光の強度を、オシロスコープを使って同時に記録した。該強度は、正弦関数によくあてはまり（図８Ｂ、下部）、電圧調整可能な偏光子が電圧制御によく応答したことを示している。また、性能の明らかな変動が長期間にわたって観察されなかった（図８Ｂ、挿入図）ことから、システムは、再現性の高い長期にわたる撮像用途に向けた優れた候補である。さらに、消光比を犠牲にして、透過偏光回転速度をさらに高めることができる。参考までに、図８Ｃは、消光比の、各電圧信号の期間への依存性を提示しており、性能と回転速度とのトレードオフの関係を反映している。

ナノ撮像システムの時間的性能の確認では、電圧調整可能な偏光子を使った、固着された単一の金のナノロッドのポラリメトリ画像が取得される。画像は、θが０°（ナノロッドに平行）及び９０°（ナノロッドに垂直）の状態で撮影した（図８Ｄ）。撮像の仕組みは、暗視野顕微鏡と、それに続く電圧調整可能な偏光子と、ＣＣＤカメラとで構成した。電圧制御（図８Ｄ、青色の波形）及びＣＣＤからの画像取得を自動化して、高速作動を実現した。次いで、選択した連続画像（図８Ｄ、挿入図）を分析し、図に強度の変化をプロットした（赤色の線）。提案したナノ撮像システム３０は、透過偏光方向を０°（挿入図、左及び右）から９０°（挿入図、中央）まで確実に変更できることがわかる。

次いで、ナノ撮像用途について、図９Ａに見られるように、固着された金のナノロッドの大きい集団を含む、広い視野にわたる大規模な精密ポラリメトリ撮像能力を実証した。機械的に回転する偏光子（図９Ｂ）と調整可能な偏光子（図９Ｃ）との両方を使って、ナノロッドを撮像してその位置をたどった。電圧調整可能な偏光子は、偏光角の全範囲にわたって著しいシフトを引き起こさないので、図９Ｃでは、ナノロッドが、透過偏光軸の回転（ナノロッドの強度の変化として示される）全体にわたってその絶対位置を維持する（シアン色の軌跡）ことがわかる。逆に、機械的に回転する偏光子の画像の不安定性は、図９Ｂの赤色の螺旋状の軌跡によって証明され、最大ビーム偏差エラーはミクロン単位の大きさである。図９Ｃに示すように、金のナノロッド（ｉ、ｉｉ、及びｉｉｉと示す）の偏光（θ）に依存する散乱強度も測定し、そこから正確な位置情報及び面内の偏光情報（挿入図及び右下隅に示されているように、それぞれ、ｉでは約５３°、ｉｉでは約２５°、且つｉｉｉでは約５８°）を抽出することができた。

ピクセルの限界を超える空間安定性は、電圧調整可能な偏光子を機械的に回転する偏光子と比較することにより、図１０〜図１２に示される。機械的に回転する偏光子及び電圧調整可能な偏光子を使用した、０°（図１０）及び１７５°での単一の金のナノロッド（赤色の矢印で示す）の画像が、中央のピクセルを示す赤色の十字線と共に示されている。定量的な比較のために、機械的に回転する偏光子と電圧調整可能な偏光子との両方について、ピクセルの測定された強度とあてはめられる正弦関数との間の、各ピクセルの平均２乗偏差（ＲＭＳＤ）を計算する（図１２）。電圧調整可能な偏光子を使用したナノ画像は、サブピクセルの空間安定性が得られた結果、ＲＭＳＤが大幅に小さくなったことを示し、より良好に正弦関数にあてはまることを表す。さらに、このより小さなＲＭＳＤは、機械的に回転する偏光子と比較して、画像のすべてのピクセルにわたるナノロッドのポラリメトリ情報がより正確であることを示している。

写真用途について、電圧調整可能な偏光子の防眩特性を、図１３において実証する。この用途では、電圧調整可能な偏光子は、より精細な、より優れた撮像品質のために、部分的に偏光された散乱／反射を減らすよう機能する。偏光子をオフにすると、反射によって、文字がはっきり見えなくなる。適切な電圧で電圧調整可能な偏光子をオンにすると、反射が抑制され、それによって文字が見える。液晶の応答時間が速いため、かかる抑制は、マイクロ秒からミリ秒の単位で実現される。

図１４で、電圧調整可能な偏光子を、カメラの前の、直線偏光された入射光に対するニュートラル・デンシティ・フィルタとして使用する、別の例示的な写真用途を実証する。偏光子が全体の調整角９０度で調整されると（実例として、４つの画像は調整角０度から９０度で撮影される）、透過強度が最大から最小に変化し、露光量可変で写真を撮ることができる。

電圧調整可能な偏光子の例示的な実施態様では、ガラスベースの直線偏光子、液晶リターダ、及び１／４波長板を含む市販の部品が、電圧調整可能な偏光子を製造するために使用される。

デバイスの厚さを最小化することを目的とする代替の製造手法では、ガラスベースの直線偏光子を、市販のポリマー薄膜偏光子（たとえば、１８０μｍ）で置き換えることができる。１／４波長板は、薄膜１／４波リターダ（たとえば、７５μｍ）に置き換えることができる。さらに、液晶リターダは、図１５Ａ及び図１５Ｂに見られるように、ボトムアップ式の薄膜製造方法を使用して製造できる。図１６を参照すると、まず、導電性ＩＴＯ層がガラス基板上に堆積される（たとえば、総厚さが１．１ｍｍ）。このＩＴＯ層は、液晶に電圧を印加するための電極として機能することになる。続いて、ポリマー配向層（たとえば、＜５００ｎｍ）がＩＴＯの上に置かれる。スペーサ（たとえば、＜１００μｍ）を配置した後、次いで液晶溶液の層が配向層上にスピンコートされる。次いで、デバイスの上に別の配向層、ＩＴＯ層、及びガラス・カバーが追加され、完全な密閉型液晶可変リターダを形成する。この薄膜製造方法の場合、デバイスの総厚さを数ミリメートルに減らすことができる。

ジョーンズ計算法を使用して、電圧調整可能な偏光子の実現性を示す。図５Ａの実施例のジョーンズ行列は、以下のように表される。

ここで、δは両方の液晶リターダの位相リタデーションである。この場合、ジョーンズ行列によって表す電圧調整可能な偏光子は、直線偏光子と同じ式を有し、透過軸はｘ軸に対してδ／２の角度である。図５Ｂのコンパクトな実施例のジョーンズ行列は、以下のように表される。

ここで、δは液晶リターダの位相リタデーションである。この場合、入射光を任意の角度αで偏光するようセットすると、透過強度は以下のように表される。

透過強度は、位相リタデーションの変化によって変調され、直線偏光子と同じ振舞いをすることがわかる。

本実施例の前述の記載は、例示及び説明の目的で提示してきた。網羅的であること、又は本開示を限定することを意図しない。特定の実施例の個々の要素又は特徴は、全体的に、その特定の実施例に限定されず、適用可能な場合、交換することができ、具体的に図示又は説明されていない場合でも、選択された実施例で使用することができる。同じものが、多くのやり方で変更される場合もある。かかる変形形態は、本開示から外れたものと見なされるべきではなく、すべてのかかる変更形態は、本開示の範囲内に含まれることを意図する。

Claims (23)

1. その入射面に入射する光を受光するよう構成された１／４波長板と、
   前記１／４波長板上に配置され、前記１／４波長板を通過する前記光を受光するよう構成された液晶リターダと、
   前記液晶リターダ上に配置され、前記液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された直線偏光子と、
   前記液晶リターダに動作可能に結合され、前記液晶リターダに電圧を供給するコントローラと
   を備える電圧調整可能な偏光子であって、前記電圧調整可能な偏光子は、前記液晶リターダに印加される前記電圧に応答して、前記電圧調整可能な偏光子自体を機械的に回転することなく、前記電圧調整可能な偏光子を通って伝播する前記光の偏光状態を変化させる、電圧調整可能な偏光子。
2. 前記直線偏光子の透過軸は、前記１／４波長板の速軸と平行であり、前記液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する、請求項１に記載の電圧調整可能な偏光子。
3. 前記液晶リターダ電圧に印加される前記電圧に応答して、偏光透過軸が０度から１８０度まで回転する、請求項１に記載の電圧調整可能な偏光子。
4. 透過光強度が、前記液晶リターダに印加される前記電圧に応答して変調され得る、請求項１に記載の電圧調整可能な偏光子。
5. 第２の液晶リターダをさらに備え、前記直線偏光子は、前記液晶リターダと前記第２の液晶リターダとの間に挟まれる、請求項１に記載の電圧調整可能な偏光子。
6. 前記第２の液体リターダ上に配置され、その露出面に入射する前記光を受光するよう構成された第２の１／４波長板をさらに備え、前記第２の１／４波長板に入射する前記光は、前記直線偏光子に入射する前に、前記第２の１／４波長板及び前記第２の液晶リターダを通過する、請求項５に記載の電圧調整可能な偏光子。
7. 前記直線偏光子の透過軸は、前記第２の１／４波長板の速軸と平行であり、前記第２の液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する、請求項６に記載の電圧調整可能な偏光子。
8. 対象となるサンプルに光を投射するよう動作する光学顕微鏡と、
   前記光学顕微鏡の光路に配置される電圧調整可能な偏光子であって、前記電圧調整可能な偏光子は、それに印加される電圧に応答して、前記偏光子自体の機械的回転なしに、通過して伝搬する光の偏光状態を変化させる、電圧調整可能な偏光子と、
   前記電圧調整可能な偏光子と動作可能に結合され、前記電圧調整可能な偏光子に電圧を供給するコントローラと
   を備える、ナノ撮像システム。
9. 前記電圧調整可能な偏光子はさらに、前記光学顕微鏡の前記光路に直列に並べられた一対の液晶可変リターダと定義される、請求項８に記載のナノ撮像システム。
10. 前記電圧調整可能な偏光子は、前記光学顕微鏡から前記光を受光するよう構成された１／４波長板と、前記１／４波長板に隣接して配置され、前記１／４波長板を通過する前記光を受光するよう構成された液晶リターダと、前記液晶リターダに隣接して配置され、前記液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された直線偏光子とで構成される、請求項８に記載のナノ撮像システム。
11. 前記直線偏光子の透過軸は、前記１／４波長板の速軸と平行であり、前記液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する、請求項１０に記載のナノ撮像システム。
12. 前記電圧調整可能な偏光子は、前記光学顕微鏡からの前記光を受光するよう構成された第１の１／４波長板と、前記第１の１／４波長板に隣接して配置され、前記第１の１／４波長板を通過する前記光を受光するよう構成された第１の液晶リターダと、前記第１の液晶リターダに隣接して配置され、前記第１の液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された入射面を有する直線偏光子と、前記直線偏光子の出射面に隣接して配置され、前記直線偏光子を通過する前記光を受光するよう構成された第２の液晶リターダと、前記第２の液晶リターダに隣接して配置され、前記第２の液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された第２の１／４波長板とで構成され、前記直線偏光子の前記入射面は、前記直線偏光子の前記出射面と対向する、請求項８に記載のナノ撮像システム。
13. 前記直線偏光子の透過軸は、前記第１の１／４波長板の速軸及び前記第２の１／４波長板の速軸と平行である、請求項１２に記載のナノ撮像システム。
14. 前記第１の液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在し、前記第２の液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する、請求項１３に記載のナノ撮像システム。
15. 光学顕微鏡は、暗視野法を使用して対象となるサンプルを撮像する、請求項１に記載のナノ撮像システム。
16. 撮像素子はさらに、電荷結合素子と定義される、請求項１に記載のナノ撮像システム。
17. 対象となる被写体の画像を取り込むカメラと、
    前記カメラの光路に配置される電圧調整可能な偏光子であって、前記電圧調整可能な偏光子は、それに印加される電圧に応答して、前記偏光子自体の機械的回転なしに、それを通過して伝搬する光の偏光状態を変化させる、電圧調整可能な偏光子と、
    前記電圧調整可能な偏光子と動作可能に結合され、前記電圧調整可能な偏光子に電圧を供給するコントローラと
    を備える、写真撮像システム。
18. 前記電圧調整可能な偏光子はさらに、光学顕微鏡の光路に直列に並べられた一対の液晶可変リターダと定義される、請求項１７に記載の写真撮像システム。
19. 前記電圧調整可能な偏光子は、光学顕微鏡から前記光を受光するよう構成された１／４波長板と、前記１／４波長板に隣接して配置され、前記１／４波長板を通過する前記光を受光するよう構成された液晶リターダと、前記液晶リターダに隣接して配置され、前記液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された直線偏光子とで構成される、請求項１７に記載の写真撮像システム。
20. 前記直線偏光子の透過軸は、前記１／４波長板の速軸と平行であり、前記液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する、請求項１９に記載の写真撮像システム。
21. 前記電圧調整可能な偏光子は、光学顕微鏡からの前記光を受光するよう構成された第１の１／４波長板と、前記第１の１／４波長板に隣接して配置され、前記第１の１／４波長板を通過する前記光を受光するよう構成された第１の液晶リターダと、前記第１の液晶リターダに隣接して配置され、前記第１の液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された入射面を有する直線偏光子と、前記直線偏光子の出射面に隣接して配置され、前記直線偏光子を通過する前記光を受光するよう構成された第２の液晶リターダと、前記第２の液晶リターダに隣接して配置され、前記第２の液晶リターダを通過する前記光を受光するよう構成された第２の１／４波長板とで構成され、前記直線偏光子の前記入射面は、前記直線偏光子の前記出射面と対向する、請求項１７に記載の写真撮像システム。
22. 前記直線偏光子の透過軸は、前記第１の１／４波長板の速軸及び前記第２の１／４波長板の速軸と平行である、請求項２１に記載の写真撮像システム。
23. 前記第１の液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在し、前記第２の液晶リターダの速軸は、前記直線偏光子の前記透過軸と平行であるが、前記直線偏光子の前記透過軸から４５度又は４５度の奇数倍に揃えられた平面に存在する、請求項２２に記載の写真撮像システム。