JP5136185B2 - 波長フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、透過する光の波長を特定の値及び／又は範囲に固定して又は可変的に制御するための波長フィルタに関する。

従来、所望の波長領域の光を透過するために様々なバンドパスフィルタが使用されている。例えば、複屈折板を用いて狭帯域の光のみを透過させるバンドパスフィルタとしてリオフィルタが知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。図１３は、リオフィルタの基本的構成を示している。同図に示すように、リオフィルタ１は、透過軸の平行な偏光子２ａ〜２ｄの間にそれぞれ複屈折板３ａ〜３ｃを、それらの結晶光学軸３a1〜３c1が前記偏光子の透過軸２a1〜２d1と４５°をなすように配置する。複屈折板３ａ〜３ｃには、方解石や水晶等の一軸性結晶が用いられ、その厚さｄi は２^ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜３）となるように構成される。特許文献１では、リオフィルタが、背面に反射鏡を配設した液晶表示パネルにおいてＲＧＢの三原色の色純度を高くするために、該液晶表示パネルの表面に積層されている。このリオフィルタを構成するプラスチックフィルムは、液晶表示パネルの背面側から反射される光の透過スペクトルのピークがＲＧＢに対応するように、その光学位相差を決定する。

上記リオフィルタは、使用する複屈折板によって透過スペクトルが特定の波長に固定される。そこで、複屈折板に代えて液晶セルを２枚の偏光子の間に挟んだ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（例えば、特許文献２，３を参照）。このバンドパスフィルタの構成を図１４に示す。同図において、バンドパスフィルタ１１は、偏光子１２ａ〜１２ｄに挟まれた液晶セル１３ａ〜１３ｃへの印加電圧を適当に設定することにより、透過スペクトル波長を変化させる。特に図１４のバンドパスフィルタは、透過軸１２a1、１２b1を直交させて配置した所謂クロスニコルの偏光子１２ａ、１２ｂ間の液晶セル１３ａと、透過軸１２b1〜１２d1を平行に配置した所謂平行ニコルの偏光子１２ｂ〜１２ｄで挟んだ２枚の液晶セル１３ｂ、１３ｃとを組み合わせることにより、可視領域に残る２つの単色光のうち一方を除去するように構成されている。

更に、図１４と同様の構成において、偏光子の間に液晶セルと位相差フィルムとからなる複合層を挟んだ波長可変フィルタが知られている（例えば、特許文献４を参照）。この波長可変フィルタの構成を図１５に示す。同図において、波長可変フィルタ２１は、偏光子２２ａ〜２２ｄに挟まれた各液晶セル２３ａ〜２３ｃにそれぞれ位相差フィルム２４ａ〜２４ｃが重ねて配置されている。この位相差フィルムによって、液晶セルのセル厚を必要最小限に抑え、それによるリタデーション値の減少を補充し、液晶の応答性低下を回避しつつ、狭半値幅の透過率ピークを発生させる。また、液晶セルのセル厚を透過順にｄ、２ｄ、１．５ｄに設定することにより、１つの電圧印加装置を共有して全液晶セルに同じ制御電圧を印加し、透過スペクトルの波長を調整することができる。

同様に、液晶セルと複屈折フィルムからなるリタデーション板とを２枚の偏光子の間に配置した波長可変液晶フィルタが知られている（例えば、特許文献５を参照）。この波長可変液晶フィルタは、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て、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が一定になるように調整することにより、可視領域で半値幅を一定にしかつ波長を可変にする。

特許第３０００６６９号公報 特許第３１０２０１２号公報 特開２０００−２６７１２７号公報 特開２００５−１１５２０８号公報 特開２００６−３１７６４５号公報

しかしながら、リオフィルタ及び上述した従来の波長可変フィルタは、入射光を最初に偏光板で偏光する必要があるため、入射光量の半分が最初の偏光板で吸収又は反射されて失われ、光の利用効率が非常に低い。そこで出射光量を増すために光源の出力を大きくすると、光源ランプの寿命が短くなってコストが増大するという問題が生じる。更に、入射側の最初の偏光板によって、出射光の偏光方向が制限されるため、フィルタの利用の自由度が低い。

また、上述した従来の波長フィルタにおいて、２つの偏光子及びその間に挟まれた複屈折板又は液晶セル等の位相子を１ブロックとして、これを光路に沿って配置した多段構成は、透過スペクトルをより急峻にして狭帯域な透過特性が得られる反面、各構成要素が光軸に沿って直列に配置されるので、部品点数が多くなる。そのために、フィルタ全体を長大化・大型化させるという問題がある。特に多段構成の可変波長フィルタは、仕様の異なる複数の液晶セルが必要になるので、コストが増加する。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光の利用効率が高く、部品点数を少なくでき、それにより装置全体の長大化・大型化を抑制でき、しかも多段構造のリオフィルタと同等に、透過スペクトルが急峻で狭帯域特性を発揮し得る波長フィルタを実現することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、第１及び第２位相子と、入射側偏光子と、第１及び第２外側偏光子と、内側反射膜と、第１及び第２外側反射膜とを備え、第１及び第２位相子がそれらの間に入射側偏光子と内側反射膜とを挟んで積層され、第１位相子の外側主面に第１外側偏光子と第１外側反射膜とが配置され、第２位相子の外側主面に第２外側偏光子と第２外側反射膜とが配置され、第１位相子に入射した光が入射側偏光子により反射光と透過光とに分光され、該反射光が、第１位相子内部を第１外側偏光子又は第１外側反射膜と内側反射膜とによって位相子主面の法線方向に関して一定の角度をもって多重反射して透過し、前記透過光が、第２位相子内部を第２外側偏光子又は第２外側反射膜と内側反射膜とによって位相子主面の法線方向に関して一定の角度をもって多重反射して透過する波長フィルタが提供される。

入射光が入射側偏光子により分光され、各分光がそれぞれ第１位相子及び第２位相子を透過して出射するので、高い光の利用効率が得られる。更に、少なくとも透過率が向上した分は、光源の出力を下げても同じ光量が維持、確保されるので、光源ランプの寿命を従来よりも延長させることができる。そして、第１及び第２位相子それぞれにおいて、その内部を多重反射しながら透過する光の光路に沿って隣接する２つの偏光子間の位相差は、該２つの偏光子間の光路長によって決定され、該位相差に対応して透過スペクトルのピーク波長が設定されるので、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

また、多段構造のリオフィルタと同等の構成にする場合に、位相子の数を増やす必要が無く、それぞれ共通の第１及び第２位相子の外側主面に配置する第１及び第２外側偏光子の数を増やすだけでよいから、従来よりも部品点数を大幅に少なくすることができる。従って、装置全体の長大化・大型化及びコストの増加を抑制することができる。特に、部品点数が従来よりも格段に減少するので、製造過程や使用後の廃棄による環境への影響が少ないという点でも、極めて有利である。

或る実施例では、前記波長フィルタが、積層した第１及び第２位相子間に挟まれた出射側偏光子を更に有し、第１位相子内部を多重反射した光と第２位相子内部を多重反射した光とが、出射側偏光子により合成されて第１又は第２位相子から出射することにより、入射光量に比して損失の少ない光量の出射光が得られる。

別の実施例では、第１位相子内部を透過する光の光路に沿って隣接する２つの偏光子間の位相差Γ_１ｉが、該光路を透過する光の波長に対してΓ_１ｉ＝２^ｉ−１×２π、（但し、ｉ＝１〜ｎ_１、ｎ_１：２以上の整数）の関係を満足し、かつ第２位相子内部を透過する光の光路に沿って隣接する２つの偏光子間の位相差Γ_２ｉが、該光路を透過する光の波長に対してΓ_２ｉ＝２^ｉ−１×２π、（但し、ｉ＝１〜ｎ_２、ｎ_２：２以上の整数）の関係を満足することにより、いずれも常に２πの整数倍となるので、第１及び第２位相子のそれぞれにおいて、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

更に別の実施例では、第１位相子内部の光路に沿って隣接する２つの偏光子及び第２位相子内部の光路に沿って隣接する２つの偏光子が、それぞれ平行ニコルの関係に配置されることにより、第１及び第２位相子のそれぞれにおいて、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

或る実施例では、第１及び第２位相子が固定位相子であることにより、透過帯域を特定の波長又は波長範囲に固定することができる。別の実施例では、第１及び第２位相子が可変位相子であることにより、透過帯域を所望の波長又は波長範囲に変更可能にすることができる。更に別の実施例では、第１及び第２位相子のいずれか一方が固定位相子であり、かついずれか他方が可変位相子であることにより、一方の透過帯域を特定の波長又は波長範囲に固定し、かつ他方の透過帯域を所望の波長又は波長範囲に変更可能にすることができる。

或る実施例では、入射側偏光子がワイヤグリッド偏光子であると、ｐ偏光及びｓ偏光のいずれについても高い透過率を発揮するので、高い光の利用効率を得ることができる。

別の実施例では、出射側偏光子がワイヤグリッド偏光子であると、同様にｐ偏光及びｓ偏光のいずれについても高い透過率を発揮するので、高い光の利用効率を得ることができる。

また、或る実施例では、外側偏光子がワイヤグリッド偏光子であると、第１及び第２位相子内部を透過する光を反射する場合に別個の反射手段を追加する必要がなく、部品点数をより少なくできるので、有利である。

別の実施例では、外側偏光子が吸収型偏光板であると、別個の反射手段を追加する必要があるとは言え、ワイヤグリッド偏光子のような反射による迷光を生じる虞が無く、そのために波長フィルタの特性を劣化させる虞がない。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明による波長フィルタの好適な実施例を詳細に説明する。尚、各図において、類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して表すことにする。

図１は、本発明による波長フィルタの第１実施例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１は、それぞれ一定の光学的厚さと該厚さに対する十分な長さとを有する第１位相子３２と第２位相子３３とを備える。前記第１及び第２位相子は、透過スペクトルを同じ特定の波長に固定した水晶等の複屈折板からなる。前記各位相子は、水晶以外の結晶材料からなる固定位相板や、樹脂位相板、蒸着膜波長板等の固定位相子で形成することもできる。

第１位相子３２と第２位相子３３とは、互いに対向する内側主面の間に入射側偏光子３４、内側反射膜３５及び出射側偏光子３６を挟んで上下に積層され、両端において接着剤３７で一体に接合される。本実施例では、第１位相子３２の外側主面の一方（図中左側）の端部３２ａ付近を光入射口とし、他方の（図中右側）の端部３２ｂ付近を光出射口とする。入射側偏光子３４、内側反射膜３５及び出射側偏光子３６は、図中左側から右側へ前記第１及び第２位相子を透過する光の進行方向に沿って順に配置される。

入射側偏光子３４及び出射側偏光子３６は、ワイヤグリッド偏光子からなる。ワイヤグリッド偏光子は、透明基板の表面に金属細線を周期的に透過波長よりも短い一定の周期で格子状に配列され、格子の周期方向と垂直な振動成分の光を反射し、かつ平行な振動成分の光を透過させるという特性を有する。前記入射側及び出射側偏光子は、入射光をその偏光方向によって透過又は反射するように分光するものであれば、ワイヤグリッド偏光子以外の様々な公知の偏光子を用いることができる。内側反射膜３４は、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属膜や誘電体多層膜により形成される。

第１位相子３２の外側主面には、第１外側偏光子３８〜４０と第１外側反射膜４１とが設けられる。図中左側から右側へ前記第１位相子を透過する光の進行方向に沿って、最初に２つの第１外側偏光子３８，３９が、次に第１外側反射膜４１が、最後に第１外側偏光子４０が順に配置される。第２位相子３３の外側主面には、第２外側偏光子４２〜４４と第２外側反射膜４５とが設けられる。同様に、図中左側から右側へ前記第２位相子を透過する光の進行方向に沿って、最初に２つの第２外側偏光子４２，４３が、次に第２外側反射膜４５が、最後に第２外側偏光子４４が順に配置される。本実施例では、前記第１及び第２外側偏光子がワイヤグリッド偏光子からなる。

このように波長フィルタ３１は、第１位相子３２、入射側偏光子３４、第１外側偏光子３８〜４０、内側反射膜３５、第１外側反射膜４１及び出射側偏光子３６からなる第１波長フィルタ部と、第２位相子３３、入射側偏光子３４、第２外側偏光子４２〜４４、内側反射膜３５、第２外側反射膜４５及び出射側偏光子３６からなる第２波長フィルタ部と一体に備える。本実施例によれば、入射側偏光子３４、内側反射膜３５及び出射側偏光子３６が共通に構成されるので、部品点数が少なくかつ構成が簡単になる。

添付図面において、前記各偏光子の偏光方向は、紙面に対して垂直に配向されている場合を二重丸◎で示し、平行に配向されている場合を短い二重の両端矢印で示している。従って、ワイヤグリッド偏光子は、二重丸◎の場合に、前記格子の周期方向が紙面に関して垂直方向に配向され、短い二重の両端矢印の場合に、紙面に関して平行方向に配向されていることになる。また、図中、ｓ偏光は黒丸点●で、ｐ偏光はは短い両端矢印で示す。

波長フィルタ３１への入射光Ｌ1は、前記光入射口から第１位相子３２を透過して入射側偏光子３４に入射し、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分光される。ｓ偏光は、前記入射側偏光子により前記位相子の主面の法線方向に関して所定の角度θをもって反射され、第１位相子３２内部を前記法線方向に関して同じ反射角度θで多重反射しながら透過する。ｐ偏光は、前記入射側偏光子を透過して第２位相子３３に入射し、その中を同様に前記法線方向に関して同じ反射角度θで多重反射しながら透過する。

前記入射側偏光子により反射されたｓ偏光Ｌsは、第１位相子３２を透過して最初の第１外側偏光子３８に反射される。次にｓ偏光Ｌsは、内側反射膜３５に反射されることにより前記第１位相子を１度往復透過し、２番目の第１外側偏光子３９に反射される。更にｓ偏光Ｌsは、前記内側反射膜と第１外側反射膜４１とにより３度反射されて、前記第１位相子を２度往復透過し、最後の第１外側偏光子４０に反射される。第１外側偏光子４０から反射されたｓ偏光Ｌsは、更に前記第１位相子を透過して出射側偏光子３６に反射され、再び前記第１位相子を透過して前記光出射口から外部に出射する。

第１位相子３２は、その主面間を光が一度透過する間に３６０°の位相差が与えられるように構成されている。ｓ偏光Ｌsの光路に沿って隣接する２つの前記偏光子、即ち入射側偏光子３４と第１外側偏光子３８、第１外側偏光子３８と第１外側偏光子３９、第１外側偏光子３９と第１外側偏光子４０の位相差が、順に３６０°、７２０°、１４４０°に、即ち２^ｎ−１×２π、（ｎ：１〜３）となるように、前記各偏光子が配置されている。前記第１波長フィルタ部は、このように位相差が常に２πの整数倍となるので、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

更に隣接する前記２つの偏光子同士は、前記ワイヤグリッド偏光子の格子の周期方向を上述したように配向したことにより、それぞれ透過軸を互いに平行にした平行ニコルの関係に配置されている。従って、前記入射側偏光子により反射されたｓ偏光Ｌsは、その偏光方向を維持したまま、第１位相子３２を透過する。

前記入射側偏光子を透過したｐ偏光Ｌpは、第２位相子３３を透過して最初の第２外側偏光子４２に反射される。次にｐ偏光Ｌpは、内側反射膜３５に反射されることにより前記第２位相子を１度往復透過し、２番目の第２外側偏光子４３に反射される。更にｐ偏光Ｌpは、前記内側反射膜と第２外側反射膜４５とにより３度反射されて、前記第２位相子を２度往復透過し、最後の第２外側偏光子４４に反射される。第２外側偏光子４４から反射されたｐ偏光Ｌpは、更に前記第２位相子を透過して出射側偏光子３６に入射し、該出射側偏光子及び前記第１位相子を透過して前記光出射口から外部に出射する。

第２位相子３３は、その主面間を光が一度透過する間に３６０°の位相差が与えられるように構成されている。ｐ偏光Ｌpの光路に沿って隣接する２つの前記偏光子、即ち入射側偏光子３４と第２外側偏光子４２、第２外側偏光子４２と第２外側偏光子４３、第２外側偏光子４３と第２外側偏光子４４の位相差が、順に３６０°、７２０°、１４４０°に、即ち２^ｎ−１×２π、（ｎ：１〜３）となるように、前記各偏光子が配置されている。前記第２波長フィルタ部は、このように位相差が常に２πの整数倍となるので、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

更に隣接する前記２つの偏光子同士は、前記ワイヤグリッド偏光子の格子の周期方向を上述したように配向したことにより、それぞれ透過軸を互いに平行にした平行ニコルの関係に配置されている。従って、前記入射側偏光子を透過したｐ偏光Ｌpは、その偏光方向を維持したまま、第２位相子３３を透過する。

第１位相子３２を透過したｓ偏光と第２位相子３３を透過したｐ偏光とは、出射側偏光子３６により合成され、１つの出射光Ｌ2として前記光出射口から入射光Ｌ1とは異なる方向に出射する。これにより、入射光量に比して出射光量の損失が少なく、光利用効率の高い波長フィルタ３１が実現される。更に、波長フィルタ３１は、前記第１及び第２フィルタ部において、第１及び第２位相子３２，３３が、その外側主面に設けられる偏光子の数に拘わらず、共通化されて１つだけで済むことに加えて、前記第１及び第２フィルタ部間において、前記入射側偏光子、内側反射膜及び出射側偏光子が共通化されているので、部品点数を大幅に少なくしかつ装置全体の長大化・大型化を抑制することができる。

本実施例において、第１及び第２位相子３２，３３をＹカット水晶板で形成した場合、ｓ偏光の向きは、前記位相子の長さ方向に平行な向きの光学軸に対して４５°の角度をなす。前記第１位相子の内部を繰り返し反射しながら透過するｓ偏光の向きは、同様に前記位相子の光学軸に対して４５°の角度をなす。これに対し、ｐ偏光の向きは、前記位相子の光学軸に対して１３５°の角度をなす。前記第２位相子の内部を繰り返し反射されながら透過するｐ偏光は、前記位相子の光学軸に対して１３５°の角度をなす。

従って、前記光路に沿って最初に隣接する前記偏光子間における透過特性は、特定波長の整数倍となる波長でピークを有する。前記光路に沿って次に隣接する前記偏光子間における透過特性は、前記特定波長の１／２波長の整数倍となる波長でピークを有する。前記光路に沿って最後に隣接する前記偏光子間における透過特性は、前記特定波長の１／４波長の整数倍となる波長でピークを有する。従って、隣接する前記偏光子間の各透過スペクトルのピークは、前記特定波長の整数倍の波長で全て重なる。その結果、波長フィルタ３１は、前記特定波長の整数倍で急峻なピークが得られる透過特性を示す。

図２は、第１実施例の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１_１は、出射側偏光子３６´がその偏光方向を紙面に対して平行に配向したものである点において、第１実施例と異なる。即ち、出射側偏光子３６´は、ワイヤグリッド偏光子の前記格子の周期方向を第１実施例の出射側偏光子３６に対して９０°回転させた向きに配置している。

第１位相子３２を透過して最後の第１外側偏光子４０に反射されたｓ偏光は、出射側偏光子３６´を透過する。第２位相子３３を透過して最後の第２外側偏光子４４に反射されたｐ偏光は、出射側偏光子３６´により反射される。第１位相子３２及び第２位相子３３をそれぞれ透過したｓ偏光とｐ偏光とは、出射側偏光子３６´により合成されて、第１位相子３２側の前記光出射口の裏側に位置する第２位相子３３の外側主面の端部３３ｂ（図中右側）付近を光出射口として、外部へ入射光Ｌ1と同じ方向に出射する。本実施例では、このように出射光Ｌ2の向きを変えることができる。他の構成は、図１の波長フィルタ３１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図３は、第１実施例の別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１_２は、図２の実施例と同様に出射側偏光子３６´の偏光方向を紙面に対して平行に配向したことに加えて、入射側偏光子３４´をその偏光方向が紙面に対して平行に配向したものであり、かつ第１外部偏光子３８´〜４０´及び第２外部偏光子４２´〜４４´の偏光方向を第１実施例とは逆にした点において、第１実施例と異なる。第１外部偏光子３８´〜４０´は、その偏光方向が紙面に対して平行に配向され、かつ第２外部偏光子４２´〜４４´は、その偏光方向が紙面に対して垂直に配向されている。

これにより、入射光Ｌ1は、前記光入射口から第１位相子３２を透過し、入射側偏光子３４´によりｐ偏光成分が反射されて、第１位相子３２内部を多重反射しながら透過する。ｓ偏光成分は、入射側偏光子３４´を透過して第２位相子３３に入射し、その中を多重反射しながら透過する。第１位相子３２及び第２位相子３３をそれぞれ透過したｐ偏光とｓ偏光とは、出射側偏光子３６´により合成されて、第１位相子３２側の前記光出射口から外部に出射する。このように、ｓ偏光及びｐ偏光がいずれの第１及び第２位相子３２，３３を透過するかは、自由に設定することができる。他の構成は、図１の波長フィルタ３１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図４は、第１実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１_３は、出射側偏光子３６を省略し、かつ最後の第１外側偏光子４０´が図３の実施例と同様に偏光方向を紙面に対して平行に配向したものである点において、第１実施例と異なる。これにより、第１位相子３２内部を透過したｓ偏光は、最後の第１外側偏光子４０´を透過してそのまま外部に出射する。第２位相子３３内部を透過して最後の第２外側偏光子４４で反射されたｐ偏光は、該第２位相子、接着剤３７及び第１位相子３２を透過して外部に出射する。この場合、接着剤３７は、波長フィルタ３１_３の所望の透過波長域で十分な光透過性を有するものが好ましい。

このように本実施例によれば、所望の波長域で異なる偏光成分の２つの光を別個に取り出すことができる。また、第１位相子３２と第２位相子３３とを互いに異なる光学的厚さに設定すると、２つの異なる波長の光を取り出すことができる。更に別の実施例では、別個に出射した２つの光を、波長フィルタ３１_３の外側に配置した偏光ビームスプリッタや複屈折板等の光学手段によって合成することができる。

図５は、第１実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１_４は、前記第１及び第２外側偏光子をワイヤグリッド偏光子から吸収型偏光子に置き換えた点において、第１実施例と異なる。吸収型偏光子としては、例えば樹脂フィルム又はシートを用いた二色性偏光板がある。吸収型偏光子は、所定波長又は波長範囲の光を透過する性質を有するので、その裏側に反射膜を設ける必要がある。

第１位相子３２の外側主面には、吸収型偏光子からなる第１外側偏光子４６が第２実施例の第１外側偏光子３８，３９の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜４７が積層され、吸収型偏光子からなる第１外側偏光子４８が第２実施例の第１外側偏光子４０の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜４９が積層されている。第２位相子３３の外側主面には、吸収型偏光子からなる第２外側偏光子５０が第１実施例の第２外側偏光子４２，４３の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜５１が積層され、吸収型偏光子からなる第２外側偏光子５２が第１実施例の第２外側偏光子４４の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜５３が積層されている。他の構成は、図１の波長フィルタ３１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

本実施例においても、前記各偏光子の偏光方向を図３の実施例のように変えることができる。また本実施例は、図４の実施例のように構成して出射側偏光子３６を省略し、かつ第１外側反射膜４９を省略して、異なる偏光成分の２つの光を別個に取り出し、又は第１位相子３２と第２位相子３３とを互いに異なる光学的厚さに設定して、２つの異なる波長の光を取り出すことができる。

図６は、第１実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１_５は、図２の実施例において、図５の実施例と同様に前記第１及び第２外側偏光子をワイヤグリッド偏光子から吸収型偏光子に置き換えたものである。本実施例によれば、前記第１及び第２位相子を透過したｓ偏光とｐ偏光とを、出射側偏光子３６´で合成して、第２位相子３３の外側主面の端部３３ｂ（図中右側）付近を光出射口として、外部へ入射光Ｌ1と同じ方向に出射することができる。他の構成は、図１の波長フィルタ３１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図７は、第１実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ３１_６は、第１及び第２位相子３２´，３３´が第１実施例よりも短く、かつそれらの間に挟まれた出射側偏光子３６´が、入射側偏光子３４と内側反射膜３５との間に配置されている。第１位相子３２´の外側主面には、ワイヤグリッド偏光子からなる第１外側偏光子３８´と第１外側反射膜４１とが配置されている。第２位相子３３´の外側主面には、ワイヤグリッド偏光子からなる第２外側偏光子４２´と第２外側反射膜４５とが配置されている。積層した第１及び第２位相子３２´，３３´には、光の入射方向とは反対側の端面に垂直反射膜５４が設けられている。

入射側偏光子３４に反射された入射光Ｌ1のｓ偏光成分は、第１位相子３２´を透過して第１外側偏光子３８´に反射される。次にｓ偏光は、内側反射膜３５に反射されて前記第１位相子を１度往復透過し、再び第１外側偏光子３８´に反射される。更にｓ偏光は、前記内側反射膜と垂直反射膜５４と第１外側反射膜４１とにより４度反射されて、前記第１位相子を２度往復透過し、再び第１外側偏光子３８´に反射されて出射側偏光子３６´に入射する。このように第１位相子３２´内部を多重反射して透過したｓ偏光は、出射側偏光子３６´を透過し、第２位相子３３´を透過して外部に出射する。

前記入射側偏光子を透過した入射光Ｌ1のｐ偏光成分は、第２位相子３３´を透過して第２外側偏光子４２´に反射される。次にｐ偏光は、内側反射膜３５に反射されて前記第２位相子を１度往復透過し、再び第２外側偏光子４２´に反射される。更にｐ偏光は、前記内側反射膜と垂直反射膜５４と第２外側反射膜４５とにより４度反射されて、前記第２位相子を２度往復透過し、再び第２外側偏光子４２´に反射されて出射側偏光子３６´に入射する。このように第２位相子３３´内部を多重反射して透過したｐ偏光は、出射側偏光子３６´に反射され、第２位相子３３´を透過して外部に出射する。

第１実施例と同様に、第１及び第２位相子３２´，３３´は、それらの主面間を光が一度透過する間に３６０°の位相差が与えられるように構成されている。入射側偏光子３４、出射側偏光子３６´、第１及び第２外側偏光子３８´，４２´は、第１及び第２位相子３２´，３３´の光路に沿って隣接する２つの前記偏光子の位相差が、順に３６０°、７２０°、１４４０°に、即ち２^ｎ−１×２π、（ｎ：１〜３）となるように配置されている。このように位相差が常に２πの整数倍となるので、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

第１位相子３２´を透過したｓ偏光と第２位相子３３´を透過したｐ偏光とは、出射側偏光子３６´で合成され、１つの出射光Ｌ2として、第２位相子３３´の外側主面の光出射口から出射する。これにより、入射光量に比して出射光量の損失が少なく、光利用効率の高い波長フィルタ３１_６が実現される。更に、波長フィルタ３１_６は、前記第１及び第２位相子を透過する光が前記端面で折り返されて双方向に進行するので、第１実施例よりも更に部品点数を大幅に少なくでき、かつ特に装置の長さ寸法を小型化することができる。

図８は、本発明による波長フィルタの第２実施例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ６１は、第１位相子６２及び第２位相子６３が固定位相子ではなく、可変位相子からなる点において、第１実施例と異なる。第１及び第２位相子６２，６３は、それぞれ液晶層６２ａ，６３ａを２枚の透明電極膜６２ｂ，６３ｂで挟んだ液晶セルからなり、一定の光学的厚さと該厚さに対する十分な長さとを有する。この場合、前記液晶セルへの印加電圧を制御することにより、波長フィルタ６１の透過スペクトルの波長を可変にすることができる。

第１位相子６２と第２位相子６３とは、互いに対向する内側主面の間に入射側偏光子６４、内側反射膜６５及び出射側偏光子６６を挟んで上下に積層され、両端において接着剤６７で一体に接合される。本実施例では、第１位相子３２の外側主面の一方（図中左側）の端部６２ａ付近を光入射口とし、他方の（図中右側）の端部６２ｂ付近を光出射口とする。入射側偏光子６４、内側反射膜６５及び出射側偏光子６６は、図中左側から右側へ前記第１及び第２位相子を透過する光の進行方向に沿って順に配置される。

入射側偏光子６４及び出射側偏光子６６は、ワイヤグリッド偏光子からなる。内側反射膜３４は、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属膜や誘電体多層膜により形成される。接着剤６７は、波長フィルタ６１の組立時に液晶セルにダメージを与えないように、可視光硬化型の接着剤が好ましい。

第１位相子６２の外側主面には、第１外側偏光子６８〜７０と第１外側反射膜７１とが設けられる。図中左側から右側へ前記第１位相子を透過する光の進行方向に沿って、最初に２つの第１外側偏光子６８，６９が、次に第１外側反射膜７１が、最後に第１外側偏光子７０が順に配置される。第２位相子６３の外側主面には、第２外側偏光子７２〜７４と第２外側反射膜７５とが設けられる。同様に、図中左側から右側へ前記第２位相子を透過する光の進行方向に沿って、最初に２つの第２外側偏光子７２，７３が、次に第２外側反射膜７５が、最後に第２外側偏光子７４が順に配置される。前記第１及び第２外側偏光子もワイヤグリッド偏光子からなる。

このように波長フィルタ６１は、第１位相子６２、入射側偏光子６４、第１外側偏光子６８〜７０、内側反射膜６５、第１外側反射膜７１及び出射側偏光子６６からなる第１波長フィルタ部と、第２位相子６３、入射側偏光子６４、第２外側偏光子７２〜７４、内側反射膜６５、第２外側反射膜７５及び出射側偏光子６６からなる第２波長フィルタ部と一体に備える。本実施例においても、入射側偏光子６４、内側反射膜６５及び出射側偏光子６６が共通に構成されるので、部品点数が少なくかつ構成が簡単になる。

波長フィルタ６１への入射光Ｌ1は、第１位相子６２を透過して入射側偏光子６４に入射し、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分光される。ｓ偏光及びｐ偏光は、それぞれ第１及び第２位相子６２，６３内部を第１実施例と同様に反射角度で多重反射しながら透過する。このとき、第１及び第２位相子６２，６３を透過する光の波長は、該位相子を構成する前記液晶セルへの印加電圧を調整することによって、変更することができる。第１位相子６２を透過したｓ偏光と第２位相子６３を透過したｐ偏光とは、出射側偏光子６６により合成され、１つの出射光Ｌ2として前記光出射口から入射光Ｌ1とは異なる方向に出射する。尚、前記第１及び第２波長フィルタ部における光の多重反射は第１実施例と同一であるので、詳細な説明は省略する。

第１及び第２位相子６２，６３は、その主面間を光が一度透過する間に３６０°の位相差が与えられるように構成されている。前記第１及び第２フィルタ部において、前記各偏光子は、その中を透過する光の光路に沿って隣接する２つの偏光子の位相差が、順に３６０°、７２０°、１４４０°に、即ち２^ｎ−１×２π、（ｎ：１〜３）となるように配置されている。前記第１及び第２波長フィルタ部は、このように位相差が常に２πの整数倍となるので、従来のリオフィルタと同様のバンドパスフィルタとしての透過特性が得られる。

更に隣接する前記２つの偏光子同士は、前記ワイヤグリッド偏光子の格子の周期方向を上述したように配向したことにより、それぞれ透過軸を互いに平行にした平行ニコルの関係に配置されている。従って、前記入射側偏光子を透過し又は反射されたｐ偏光及びｓ偏光は、それぞれ偏光方向を維持したまま第１及び第２位相子６２，６３を透過する。

波長フィルタ６１は、上述したように構成されるので、第１実施例と同様に、入射光量に比して出射光量の損失が少なく、高い光の利用効率が得られる。更に、前記第１及び第２フィルタ部において、第１及び第２位相子６２，６３が、その外側主面に設けられる偏光子の数に拘わらず、共通化されて１つだけで済み、更に前記第１及び第２フィルタ部間において、前記入射側偏光子、内側反射膜及び出射側偏光子が共通化されているので、部品点数を大幅に少なくでき、装置全体の長大化・大型化が抑制される。

図９は、第２実施例の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ６１_１は、第１実施例の変形例である図２の実施例に対応したものであり、出射側偏光子６６´がその偏光方向を紙面に対して平行に配向したものである点において、第２実施例と異なる。第１位相子６２を透過して最後の第１外側偏光子７０に反射されたｓ偏光は、出射側偏光子６６´を透過する。第２位相子６３を透過して最後の第２外側偏光子７４に反射されたｐ偏光は、出射側偏光子６６´により反射される。前記第１及び第２位相子を透過したｓ偏光とｐ偏光とは、出射側偏光子６６´で合成され、第２実施例の前記光出射口の裏側に位置する第２位相子６３の外側主面の端部３３ｂ（図中右側）付近を光出射口として、外部へ入射光Ｌ1と同じ方向に出射する。他の構成は、図８の波長フィルタ６１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図１０は、第２実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ６１_２は、第１実施例の変形例である図４の実施例に対応したものであり、出射側偏光子６６を省略し、かつ最後の第１外側偏光子７０´が図９の実施例と同様に偏光方向を紙面に対して平行に配向したものである点において、第２実施例と異なる。第１位相子６２内部を透過したｓ偏光は、最後の第１外側偏光子７０´を透過してそのまま外部に出射する。第２位相子６３内部を透過して最後の第２外側偏光子７４で反射されたｐ偏光は、該第２位相子、接着剤６７及び第１位相子６２を透過して外部に出射する。この場合、接着剤６７は、波長フィルタ６１_３の所望の透過波長域で十分な光透過性を有するものが好ましい。

このように本実施例によれば、所望の波長域で異なる偏光成分の２つの光を別個に取り出すことができる。また、第１位相子６２と第２位相子６３とにおいて、前記液晶セルへの印加電圧を互いに異なるように設定すると、２つの異なる波長の光を取り出すことができる。また、別の実施例では、別個に出射した２つの光を、波長フィルタ６１_３の外側に配置した偏光ビームスプリッタや複屈折板等の光学手段によって合成することができる。

図１１は、第２実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ６１_３は、第１実施例の変形例である図５の実施例に対応するもので、前記第１及び第２外側偏光子をワイヤグリッド偏光子から吸収型偏光子に置き換えた点において、第２実施例と異なる。吸収型偏光子としては、例えば樹脂フィルム又はシートを用いた二色性偏光板がある。吸収型偏光子は、所定波長又は波長範囲の光を透過する性質を有するので、その裏側に反射膜を設ける必要がある。

第１位相子６２の外側主面には、吸収型偏光子からなる第１外側偏光子７６が第２実施例の第１外側偏光子６８，６９の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜７７が積層され、吸収型偏光子からなる第１外側偏光子７８が第２実施例の第１外側偏光子７０の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜７９が積層されている。第２位相子６３の外側主面には、吸収型偏光子からなる第２外側偏光子８０が第１実施例の第２外側偏光子７２，７３の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜８１が積層され、吸収型偏光子からなる第２外側偏光子８２が第１実施例の第２外側偏光子７４の位置に配置され、かつそれに第１外側反射膜８３が積層されている。他の構成は、図８の波長フィルタ６１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

本実施例も、前記各偏光子の偏光方向を図３の実施例のように変えることができる。また本実施例は、図４の実施例のように構成して出射側偏光子６６を省略し、かつ第１外側反射膜７９を省略して、異なる偏光成分の２つの光を別個に取り出すことができる。

図１２は、第２実施例の更に別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例の波長フィルタ６１_４は、図９の実施例において、図５の実施例と同様に前記第１及び第２外側偏光子をワイヤグリッド偏光子から吸収型偏光子に置き換えたものである。本実施例によれば、前記第１及び第２位相子を透過したｓ偏光とｐ偏光とを、出射側偏光子６６´で合成して、第２位相子６３の外側主面の端部６３ｂ（図中右側）付近を光出射口として、外部へ入射光Ｌ1と同じ方向に出射することができる。他の構成は、図８の波長フィルタ６１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

別の実施例では、図８乃至図１２の実施例において、第１及び第２位相子６２，６３のいずれか一方又は両方を、第１実施例の複屈折板のような固定位相子と第２実施例の液晶セルのような可変位相子との積層構造とすることができる。一般に液晶セルは、位相差が大きくなるほど厚さが大きくなり、印加電圧の変化に対する応答性も低下するという問題がある。そこで、必要な位相差の一部を固定位相子が分担することにより、液晶セルの位相差を少なくして、その厚さを小さくしかつ応答性を改善することができる。

また、別の実施例では、第１位相子及び第２位相子の一方を固定位相子で構成し、かつ他方を可変位相子で構成することができる。これにより、入射光から互いに波長の異なる２つの光を取り出し、それらを合成して出射したり、別個に出射することができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、上記各波長フィルタは、２段構造に又は４段以上の多段構造に構成することができる。また、波長フィルタの入射位置、出射位置、反射位置は、上記各実施例以外の様々な位置に設定することができる。

本発明による波長フィルタの第１実施例を概略的に示す断面図。 第１実施例の変形例を概略的に示す断面図。 第１実施例の別の変形例を概略的に示す断面図。 第１実施例の更に別の変形例を概略的に示す断面図。 第１実施例の更に別の変形例を概略的に示す断面図。 第１実施例の更に別の変形例を概略的に示す断面図。 第１実施例の更に別の変形例を概略的に示す断面図。 本発明による波長フィルタの第２実施例を概略的に示す断面図。 第２実施例の変形例を概略的に示す断面図。 第２実施例の別の変形例を概略的に示す断面図。 第２実施例の更に別の変形例を概略的に示す断面図。 第２実施例の更に別の変形例を概略的に示す断面図。 リオフィルタの基本的構成を示す図。 液晶セルを用いた従来例の構成図。 液晶セルを用いた別の従来例の構成図。

符号の説明

１…リオフィルタ、２ａ〜２ｄ，１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄ…偏光子、２a1〜２d1，１２a1〜１２d11…透過軸、３ａ〜３ｃ…複屈折板、３a1〜３c1…光学軸、４…光軸、１１…バンドパスフィルタ、１３ａ〜１３ｃ，２３ａ〜２３ｃ…液晶セル、２１…波長可変フィルタ、２４ａ〜２４ｃ…位相差フィルム、３１，３１_１〜３１_６，６１，６１_１〜６１_４…波長フィルタ、３２，３２´，６２…第１位相子、３３，３３´，６３…第２位相子、３４，３４´，６４…入射側偏光子、３５，６５…内側反射膜、３６，３６´，６６，６６´…出射側偏光子、３７，６７…接着剤、３８〜４０，３８´〜４０´，４６，４８，６８〜７０，７６，７８…第１外側偏光子、４１，４７，４９，７１，７７，７９…第１外側反射膜、４２〜４４，４２´〜４４´，７２〜７４，８０，８２…第２外側偏光子、４５，５１，５３，７５，８１，８３…第２外側反射膜、５４…垂直反射膜、６２ａ，６３ａ…液晶層、６２ｂ，６３ｂ…透明電極膜。

Claims (11)

1. 第１及び第２位相子と、入射側偏光子と、第１及び第２外側偏光子と、内側反射膜と、第１及び第２外側反射膜とを備え、
   前記第１及び第２位相子がそれらの間に前記入射側偏光子と前記内側反射膜とを挟んで積層され、前記第１位相子の外側主面に前記第１外側偏光子と前記第１外側反射膜とが配置され、前記第２位相子の外側主面に前記第２外側偏光子と前記第２外側反射膜とが配置され、
   前記第１位相子に入射した光が前記入射側偏光子により反射光と透過光とに分光され、前記反射光が、前記第１位相子内部を前記第１外側偏光子又は前記第１外側反射膜と前記内側反射膜とによって前記位相子主面の法線方向に関して一定の角度をもって多重反射して透過し、前記透過光が、前記第２位相子内部を前記第２外側偏光子又は前記第２外側反射膜と前記内側反射膜とによって前記位相子主面の法線方向に関して一定の角度をもって多重反射して透過することを特徴とする波長フィルタ。
2. 積層した前記第１及び第２位相子間に挟まれた出射側偏光子を更に有し、前記第１位相子内部を多重反射した光と前記第２位相子内部を多重反射した光とが、前記出射側偏光子により合成されて前記第１又は第２位相子から出射することを特徴とする請求項１記載の波長フィルタ。
3. 前記第１位相子内部を透過する光の光路に沿って隣接する２つの前記偏光子間の位相差Γ_１ｉが、前記光路を透過する光の波長に対してΓ_１ｉ＝２^ｉ−１×２π、（但し、ｉ＝１〜ｎ_１、ｎ_１：２以上の整数）の関係を満足し、かつ前記第２位相子内部を透過する光の光路に沿って隣接する２つの前記偏光子間の位相差Γ_２ｉが、前記光路を透過する光の波長に対してΓ_２ｉ＝２^ｉ−１×２π、（但し、ｉ＝１〜ｎ_２、ｎ_２：２以上の整数）の関係を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の波長フィルタ。
4. 前記第１位相子内部の前記光路に沿って隣接する２つの前記偏光子及び前記第２位相子内部の前記光路に沿って隣接する２つの前記偏光子が、それぞれ平行ニコルの関係に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の波長フィルタ。
5. 前記第１及び第２位相子が固定位相子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の波長フィルタ。
6. 前記第１及び第２位相子が可変位相子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の波長フィルタ。
7. 前記第１及び第２位相子のいずれか一方が固定位相子であり、かついずれか他方が可変位相子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の波長フィルタ。
8. 前記入射側偏光子がワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の波長フィルタ。
9. 前記出射側偏光子がワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項２記載の波長フィルタ。
10. 前記外側偏光子がワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか記載の波長フィルタ。
11. 前記外側偏光子が吸収型偏光板であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか記載の波長フィルタ。

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