JP5086815B2

JP5086815B2 - 表示デバイス

Info

Publication number: JP5086815B2
Application number: JP2008002594A
Authority: JP
Inventors: 孝室岡; 磴　　秀康; 一郎網盛
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: JP2009163144A; US20090190200A1; US8040585B2

Description

本発明は、光学デバイスおよび光学システムに関する。本発明は、特に、光を透過する光学デバイスおよび当該光学デバイスを利用した光学システムに関する。

強誘電性液晶物質を調整要素として用いる調整可能光学フィルタが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、液晶を用いた波長可変カラーフィルタが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許２９７１９４５号明細書特開２０００―２６７１２７号公報

しかしながら、上記特許文献に記載の技術によると、特定の波長域以外の波長領域の光は遮光されてしまう。このため、実質的になだらかな分布を持つスペクトル等のように、望ましい任意のスペクトルの出射光を得ることができない。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、光学デバイスであって、入射光の伝搬方向に沿って配列され、略同一方向の透過軸を有する複数の偏光子と、複数の偏光子の間に設けられ、複数の偏光子の透過軸と所定の角をなす遅相軸を有する位相子と、伝搬方向に沿って位相子に隣接して設けられ、位相子の遅相軸と略同一方向の遅相軸を有する位相変調素子とを備え、位相変調素子が入射光に与える位相差は、時間的に異なる波長領域の光を透過すべく時間的に調整される。

本発明の第２の形態によると、光学システムであって、光学デバイスと、物体の画像を取得する画像取得部と、画像に含まれる物体を示すオブジェクトを検出する検出部と、オブジェクトに対応づけて、当該オブジェクトが示す物体からの光のスペクトルを格納するスペクトル情報格納部と、検出部が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部が格納しているスペクトルに応じて、光学デバイスの分光透過率を制御する制御部とを備え、光学デバイスは、入射光の伝搬方向に沿って配列され、略同一方向の透過軸を有する複数の偏光子と、複数の偏光子の間に設けられ、複数の偏光子の透過軸と所定の角をなす遅相軸を有する位相子と、伝搬方向に沿って位相子に隣接して設けられ、位相子の遅相軸と略同一方向の遅相軸を有する位相変調素子とを有し、制御部は、検出部が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部が格納しているスペクトルに応じて、時間的に異なる波長領域の光を光学デバイスが透過すべく、位相変調素子が入射光に与える位相差を時間的に調整する。

本発明の第３の形態によると、光学デバイスであって、入射光の伝搬方向に沿って配列され、略同一方向の透過軸を有する複数の偏光子と、複数の偏光子の間に設けられ、複数の偏光子の透過軸と所定の角をなす遅相軸を有する位相子と、伝搬方向に沿って位相子に隣接して設けられ、位相子の遅相軸と略同一方向の遅相軸を有する位相変調素子とを備え、複数の偏光子、位相子、および位相変調素子により形成される光学素子は平面上に複数配列され、複数の光学素子のそれぞれが有する位相変調素子が入射光に与える位相差は、互いに近傍に設けられた複数の光学素子が所定のスペクトルを形成する複数の部分スペクトルの光をそれぞれ出射すべく調整される。

本発明の第４の形態によると、光学システムであって、光学デバイスと、物体の画像を取得する画像取得部と、画像に含まれる物体を示すオブジェクトを検出する検出部と、オブジェクトに対応づけて、当該オブジェクトが示す物体からの光のスペクトルを格納するスペクトル情報格納部と、検出部が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部が格納しているスペクトルに応じて、光学デバイスの分光透過率を制御する制御部とを備え、光学デバイスは、入射光の伝搬方向に沿って配列され、略同一方向の透過軸を有する複数の偏光子と、複数の偏光子の間に設けられ、複数の偏光子の透過軸と所定の角をなす遅相軸を有する位相子と、伝搬方向に沿って位相子に隣接して設けられ、位相子の遅相軸と略同一方向の遅相軸を有する位相変調素子とを有し、複数の偏光子、位相子、および位相変調素子により形成される光学素子は平面上に複数配列され、制御部は、検出部が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部が格納しているスペクトルに応じて、当該スペクトルと略同一のスペクトルを形成する複数の部分スペクトルの光を互いに近傍に設けられた複数の光学素子がそれぞれ出射すべく、複数の光学素子のそれぞれが有する位相変調素子が入射光に与える位相差を調整する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態における光デバイス１００の一例を示す。本実施形態の光デバイス１００は、望ましいスペクトルの光を実質的に生成することを目的とする。光デバイス１００は、光学素子１０５および光源１９０を備える。光学素子１０５は、複数の偏光子１１０ａ−ｄ（以下、偏光子１１０と総称する。）と、複数の位相子１２１ａ−ｃ（以下、位相子１２１と総称する。）と、複数の位相変調素子１２２ａ−ｃ（以下、位相変調素子１２２と総称する。）とを有する。なお、光学素子１０５は、この発明における光学デバイスとして機能する。

光源１９０は、光学素子１０５へと入射する光を発光する。一例として、光源１９０は白色光を発光する。偏光子１１０は入射光の伝搬方向に沿って配列されている。具体的には、偏光子１１０は、光源１９０からの光が伝搬する伝搬方向に沿って配列されている。なお、偏光子１１０は、略同一方向の透過軸を有してよい。なお、光源１９０は、偏光子１１０ａの透過軸方向に偏光した光を含む光を発光する。例えば、光源１９０は、非偏光の光を発光してよい。また、光源１９０は、偏光子１１０ａの透過軸方向に偏光した光を発光してもよい。

位相子１２１は、複数の偏光子１１０の間に設けられている。なお、位相子１２１は、入射光の伝搬方向に沿って配列されている。そして、位相子１２１は、入射光の伝搬方向に沿って配置された偏光子１１０の透過軸と所定の角度をなす遅相軸を有する。例えば、位相子１２１ａおよび位相子１２１ｂの遅相軸は、偏光子１１０の透過軸に対して４５度の角度を有する。なお、位相子１２１ａによるリターデーションをΔ_１とすると、位相子１２１ｂによるリターデーションは２Δ_１であり、位相子１２１ｃによるリターデーションは、３Δ_１であってよい。このように、位相子１２１は、伝搬方向に沿って直前に配置された位相子１２１が入射光に与える位相差の略倍の位相差を入射光に与える。

また、位相変調素子１２２は、入射光の伝搬方向に沿って配置された偏光子１１０と位相子１２１との間に設けられている。位相変調素子１２２は、伝搬方向に沿って位相子１２１に隣接して設けられる。一例として、位相変調素子１２２は、位相子１２１の遅相軸と略同一方向の遅相軸を有する。なお、位相変調素子１２２ａ、位相変調素子１２２ｂ、および位相変調素子１２２ｃによるリターデーションは、それぞれΔ_２、Δ^' _２、およびΔ^'' _２であるとする。

このように、偏光子１１０、位相子１２１、位相変調素子１２２は、入射光の伝搬方向に沿って配列されている。そして、位相変調素子１２２が入射光に与える位相差（例えば、Δ_２、Δ^' _２、およびΔ^'' _２）は、入射光に含まれる所定の波長領域の光を透過すべく調整され得る。一例として、位相変調素子１２２は１／２波長板であってよい。また、位相子１２１は、偏光子１１０の透過軸と４５度の角度をなす遅相軸を有している。

このように、偏光子１１０は、入射光の伝搬方向に沿って３以上配列されている。そして、位相子１２１は、３以上の偏光子１１０の間にそれぞれ設けられており、位相変調素子１２２は、入射光の伝搬方向に沿って位相子１２１にそれぞれ隣接して設けられる。このように、位相変調素子１２２は、入射光の伝搬方向に沿って直後に配置された偏光子１１０と位相子１２１との間にそれぞれ設けられている。

そして、位相変調素子１２２が入射光に与える位相差は、入射光に含まれる所定の波長領域の光を光学素子１０５が透過すべく調整される。一例として、位相変調素子１２２が入射光に与える位相差は、時間的に異なる波長領域の光を光学素子１０５が透過すべく、時間的に調整される。例えば、位相変調素子１２２が入射光に与える位相差は、所定のスペクトルを形成する複数の部分スペクトルの光がそれぞれ異なるタイミングで出射されるべく時間的に調整される。

なお、位相変調素子１２２の位相差は、入射光に含まれる所定の波長領域の光を透過すべき透過量に応じて調整されてよい。また、位相変調素子１２２の位相差は、人間または測定装置が検出することができる時間分解幅より短い時間幅内で調整されてよい。このような位相変調素子１２２としては、応答速度が１０ｍｓ以下と高速なＯＣＢ液晶を例示することができる。

また、偏光子１１０ａ、位相子１２１ａ、位相変調素子１２２ａ、および偏光子１１０ｂによって、光学ユニット１５０ａが形成される。また、偏光子１１０ｂ、位相子１２１ｂ、位相変調素子１２２ｂ、および偏光子１１０ｃによって光学ユニット１５０ｂが形成される。また、偏光子１１０ｃ、位相子１２１ｃ、位相変調素子１２２ｃ、および偏光子１１０ｄによって光学ユニット１５０ｃが形成される。なお、以後、複数の光学ユニット１５０ａ−ｃを、光学ユニット１５０と総称する場合がある。複数の光学ユニット１５０のそれぞれが有する位相変調素子１２２が入射光に与える位相差は、それぞれ時間的に調整されることによって、光学素子１０５の全体の分光透過率が調整され得る。このようにして、光学素子１０５の分光透過率は時間的に調整され得る。

図２は、光学ユニット１５０の分光透過率の一例を示す。なお、１の光学ユニット１５０を通過した後の出射光のストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）は、以下の式で表される。なお、以下の式では、光学ユニットへの入射光のストークスパラメータを（１_，０_，０_，０）としている。なお、ここでは、位相変調素子１２２のリターデーションはΔ_ｌｉｑで示されている。

本図のグラフは、光学ユニット１５０に含まれる位相子１２１ａ、位相子１２１ｂ、および位相子１２１ｃのリターデーションがそれぞれ４００ｎｍ、８００ｎｍ、および１２００ｎｍで固定されており、Δ_ｌｉｑを０ｎｍ，５０ｎｍ，１００ｎｍ，１５０ｎｍ，２００ｎｍ，２５０ｎｍ，３００ｎｍ，３５０ｎｍに変化させた場合において、上記の式により得た出射光の強度から算出された分光透過率を示す。なお、ここでは、基準波長を５５０ｎｍとする。

なお、各分光透過率を示すグラフの上部に記載されたＲｅの値は、位相子１２１および位相変調素子１２２の合計のリターデーションの値を示す。例えば、光学ユニット１５０ａ（位相子１２１ａ：Δ_１＝４００ｎｍ）の分光透過率を示す最上段のグラフは、左から順に、Δ_ｌｉｑを０ｎｍ，５０ｎｍ、１００ｎｍ，１５０ｎｍ，２００ｎｍ，２５０ｎｍ，３００ｎｍ，３５０ｎｍと変化させた場合の光学ユニット１５０ａの分光透過率を示す。上から２番目の段に示す光学ユニット１５０ｂ（位相子１２１ｂ：２Δ_１＝８００ｎｍ）の分光透過率を示すグラフ、および上から３番目の段に示す光学ユニット１５０ｃ（位相子１２１ｃ：３Δ_１＝１２００ｎｍ）の分光透過率を示すグラフについても同様となる。そして、最下段のグラフは、光学ユニット１５０ａ、光学ユニット１５０ｂ、および光学ユニット１５０ｃのトータルの分光透過率、すなわち光学素子１０５の分光透過率を示す。

図３は、光学素子１０５の実効的な分光透過率の一例を示す。本図の実線は、光学素子１０５の分光透過率が、図３の最下段に示した８個のグラフが示す分光透過率に調整されている時間幅を制御した場合における、光学素子１０５の実効的な分光透過率を示す。具体的には、本図の実線は、光学素子１０５が有する位相変調素子１２２のリターデーションΔ_ｌｉｑが０ｎｍ，５０ｎｍ，１００ｎｍ，１５０ｎｍ，２００ｎｍ，２５０ｎｍ，３００ｎｍ，３５０ｎｍである時間幅をそれぞれ４ｍｓｅｃ，３．２ｍｓｅｃ，６．４ｍｓｅｃ，４ｍｓｅｃ，６．４ｍｓｅｃ，１６ｍｓｅｃ，８ｍｓｅｃ，および３２ｍｓｅｃとした場合における光学素子１０５の分光透過率を、重ね合わせることによって得られた分光透過率を示す。

なお、本図の破線は、動物の皮膚からの光の分光強度を、分光透過率のスケールに合わせたものを示す。本図に示されるように、破線と実線はほぼ一致しており、目標とする動物の皮膚からの光の分光強度と光学素子１０５による分光透過率の形状がほぼ一致していることがわかる。なお、４００ｎｍより短波長領域と７５０ｎｍより長波長領域において多少のズレがあるものの、これらの波長領域の光については人間の目は低感度であるから、光学素子１０５からの出射光の色は人間の目には動物の皮膚の色に見える。なお、短波長領域の精度を向上させるべく、位相子１２１あるいは位相変調素子１２２のリターデーションを変化させて、使用波長域を短波側にシフトさせることもできる。同様にして長波長領域の精度を向上することもできる。

このように、光デバイス１００によると、上記のように位相変調素子１２２のリターデーションの値と、位相変調素子１２２が当該リターデーションの値を持つ時間幅を調整することによって、光源１９０から入射された非偏光な白色光を、動物の皮膚からの光のスペクトルと略同等のスペクトルの光に実効的に変換することができる。また、光デバイス１００によると、光源１９０からの入射光の分光強度および偏光度に応じて、Δ_１の値、Δ_ｌｉｑの値、および上記時間幅を変えることによって、所定のスペクトルの光を実効的に再現することができることは言うまでもない。

図４は、複数の光学素子１０５を有する光デバイス１００の一例を示す。本図（ａ）に示されるように、本構成における光デバイス１００は、複数の光学素子１０５ａ−ｚ（以下、光学素子１０５と総称する場合がある。）を有する点で、図１で示した光デバイス１００と異なる。

本図（ｂ）は、入射光の伝搬軸に垂直な平面における複数の光学素子１０５の配列を示す。このように、本構成における光デバイス１００では、光学素子１０５は、入射光の伝搬方向に垂直な平面上にマトリクス上に複数配列されている。そして、互いに異なる位置に配置された光学素子１０５が有する位相変調素子１２２が入射光に与える位相差は、互いに異なる位置に配置された光学素子１０５から互いに異なるスペクトルの光が出射されるべくそれぞれ調整される。

具体的には、複数の光学素子１０５のそれぞれが有する位相変調素子１２２が前記入射光に与える位相差は、互いに近傍に設けられた複数の光学素子１０５が所定のスペクトルを形成する複数の部分スペクトルの光をそれぞれ出射すべく調整される。例えば、光学素子１０５が、人間または測定装置が検出することができる空間分解幅より短いピッチで配列されていれば、近傍の光学素子１０５が所定のスペクトルのうちの部分スペクトルの光を出射すれば、所定のスペクトルの光として実効的に観察され得る。

なお、図２から図３に関連して説明したように、位相変調素子１２２のリターデーションを時間的に変化させることによって、光学素子１０５のそれぞれが部分スペクトルの光を出射すべく光学素子１０５のそれぞれの分光透過率が調整されてもよい。このように、本構成の光学素子１０５により、空間的に異なるスペクトルの光を実効的に再現することができる。

図１から図４に関連して説明したように、光学素子１０５の分光透過率は実効的に自由に調整され得るので、撮像システム用の色フィルタ、あるいは表示デバイス用の色フィルタとして使用することができる。例えば、光学素子１０５は、観察光源に依存しない正確に色再現された画像が求められる医用システム、あるいはショッピングカタログ用の色フィルタとして使用することもできる。

図５は、光学システム５００の他の構成例を示す。光学システム５００は、図１から図３に関連して説明した光デバイス１００、画像取得部５１０、検出部５２０、スペクトル情報格納部５４０、および制御部５３０を有する。

画像取得部５１０は、物体の画像を取得する。画像としては、物体が撮像された撮像画像を例示することができる。検出部５２０は、画像に含まれる物体を示すオブジェクトを検出する。例えば、検出部５２０は、オブジェクトマッチング等によって、オブジェクトを検出することができる。

スペクトル情報格納部５４０は、オブジェクトに対応づけて、当該オブジェクトが示す物体からの光のスペクトルを格納している。例えば、スペクトル情報格納部５４０は、動物の皮膚を示すオブジェクトに対応づけて、動物の皮膚からの光のスペクトルを格納している。そして、制御部５３０は、検出部５２０が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部５４０が格納しているスペクトルに応じて、光学素子１０５の分光透過率を制御する。例えば、制御部５３０は、光デバイス１００の分光透過率を制御して、検出部５２０が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部５４０が格納しているスペクトルの光を光学素子１０５から出射させる。

光学素子１０５の分光透過率は、図１から図３に関連して説明したように、Δ_ｌｉｑを時間的に変化させることによって制御することができる。したがって、制御部５３０は、スペクトル情報格納部５４０が格納しているスペクトルの光が光学素子１０５から実効的に出射されるよう、位相変調素子１２２のそれぞれのΔ_ｌｉｑを時間的に制御する。なお、ＯＣＢ液晶等のように位相変調素子１２２のリターデーションを電界によって制御することができる場合には、制御部５３０は、検出部５２０が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部５４０が格納しているスペクトルに応じて、位相変調素子１２２のリターデーションを電界により制御してよい。

このように、制御部５３０は、検出部５２０が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部５４０が格納しているスペクトルに応じて、時間的に異なる波長領域の光を光学デバイスが透過すべく、位相変調素子１２２が入射光に与える位相差を時間的に調整する。なお、光学システム５００の変形例としては、図４に関連して説明したように、光学素子１０５がマトリクス状に配置されてよい。この場合、制御部５３０は、検出部５２０が検出したオブジェクトに対応づけてスペクトル情報格納部５４０が格納しているスペクトルに応じて、当該スペクトルと略同一のスペクトルを形成する複数の部分スペクトルの光を互いに近傍に設けられた複数の光学素子１０５がそれぞれ出射すべく、複数の光学素子１０５のそれぞれが有する位相変調素子１２２が入射光に与える位相差を調整してよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

一実施形態における光デバイス１００の一例を示す図である。光学ユニット１５０の分光透過率の一例を示す図である。光学素子１０５の分光透過率の一例を示す図である。複数の光学素子１０５を有する光デバイス１００の一例を示す図である。光学システム５００の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１００光デバイス
１０５光学素子
１１０偏光子
１２１位相子
１２２位相変調素子
１５０光学ユニット
１９０光源
５００光学システム
５１０画像取得部
５２０検出部
５３０制御部
５４０スペクトル情報格納部

Claims

色フィルタと、
前記色フィルタへと入射する入射光を発光する光源と、
物体の画像を取得する画像取得部と、
オブジェクトに対応づけて、当該オブジェクトが示す物体からの光のスペクトルを格納するスペクトル情報格納部と、
前記画像取得部が取得した前記画像に含まれる前記物体を示すオブジェクトを検出する検出部と、
前記スペクトル情報格納部に格納された、前記検出部が検出した前記オブジェクトに応じたスペクトルに基づいて、前記色フィルタの分光透過率を制御する制御部と
を備え、
前記色フィルタは、
前記入射光の伝搬方向に沿って配列され、略同一方向の透過軸を有する複数の偏光子と、
前記複数の偏光子の間に設けられ、前記複数の偏光子の透過軸と所定の角をなす遅相軸を有する位相子と、
前記伝搬方向に沿って前記位相子に隣接して設けられ、前記位相子の遅相軸と略同一方向の遅相軸を有する位相変調素子と
を有し、
前記複数の偏光子、前記位相子、および前記位相変調素子により形成される光学素子は平面上に複数配列され、
前記制御部は、前記スペクトル情報格納部に格納された、前記検出部が検出した前記オブジェクトに応じたスペクトルに基づいて、当該スペクトルと略同一のスペクトルを形成する複数の部分スペクトルの光を互いに近傍に設けられた複数の前記光学素子がそれぞれ出射すべく、複数の前記光学素子のそれぞれが有する前記位相変調素子が前記入射光に与える位相差を調整する
表示デバイス。
前記位相子は、前記複数の偏光子の透過軸と略４５度の角をなす遅相軸を有する
請求項１に記載の表示デバイス。
前記偏光子は、入射光の伝搬方向に沿って３以上配列されており、
前記位相子は、３以上の前記偏光子の間にそれぞれ設けられており、
前記位相変調素子は、前記伝搬方向に沿って複数の前記位相子にそれぞれ隣接して設けられる
請求項２に記載の表示デバイス。
前記位相子は、前記伝搬方向に沿って直前に配置された前記位相子が前記入射光に与える位相差の略倍の位相差を前記入射光に与える
請求項３に記載の表示デバイス。