JPS6248814B2

JPS6248814B2 -

Info

Publication number: JPS6248814B2
Application number: JP56084208A
Authority: JP
Inventors: Hideto Iwaoka; Sunao Sugyama; Akira Oote
Original assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Current assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Priority date: 1981-06-01
Filing date: 1981-06-01
Publication date: 1987-10-15
Also published as: JPS57198430A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、例えばPLZT基板のような電気光学
効果をもつ電気光学材料を用いた光学フイルタに
関するものである。更に詳しくは、本発明は印加
する電圧信号によつて、通過する光の波長領域を
制御することのできる光学フイルタに関するもの
である。

（従来の技術）光学フイルタは、カメラをはじめ各種の光学装
置に使用されているが、その光学的な特性、特に
通過する光の波長領域は、レンズ等の材料表面に
設けるコーテング層の各種の組合せ等によつて決
定されるものであつた。

（発明が解決しようとする問題点）このため、従来は、各光学特性に応じて予じめ
各種の光学フイルタを用意しなければならないと
いう問題点があつた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされた
もので、本発明の主な目的は印加する電圧を制御
することによつて、通過する光の波長領域を可変
にでき、また、ノイズ成分を除去し、必要な波長
の光だけを出射することのできる特性の良好な光
学フイルタを実現しようとするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明に係る光学フイルタは、電気光学材料基
板と、この基板を挾んで形成され、電気光学材料
基板への接触面を光の乱反射面とした電極板と、
この電極板を介して基板に可変電圧を印加する可
変電源とを含んで構成され、一対の電極板と平行
する方向に光路が形成されるように電気光学材料
基板に光を入射させ、電気光学材料基板に印加す
る電圧を制御することによつて基板を通過する光
の波長領域を変化できるようにしたものである。

（作用）一対の電極板に印加する電圧を例えば90V以上
とし、その電圧を制御すると、基板に入射した光
の各波長でそれ異なつた透過率特性をもつように
なる。また、基板に入射し、電極板に当つた光
は、乱反射する。この作用によつて、ノイズ成分
を除去し、特性の良好な光学フイルタを実現す
る。

（実施例）第１図は本発明の一実施例を示す構成斜視図、
第２図は光軸方向に切つた断面図である。これら
の図において、１は例えばKerr効果のような電
気光学効果をもつた板状の電気光学材料基板であ
る。この材料基板としては、PLZT.LiNb O₃、
BSO等が使用可能であるが、PLZTが他の材料に
比べて電気光学定数が大きく、駆動電圧が低くて
よいこと、また透過波長域が0.4μｍ〜８μｍと
可視ばかりでなく遠赤外域でも動作するため、最
も適する。２，３はこの電気光学材料基板１を挾
むように、その表面に設けたCr、Au等で構成さ
れる一対の電極板で、例えば蒸着、スパツタ等の
技術を利用して基板１上に形成される。ここで、
一対の電極板２，３の電気光学材料基板１への接
触面は光の乱反射面となるように構成されてい
る。４は電極板２，３に接続され、この電極板を
介して電気光学材料基板１に電圧を印加する可変
電源を含む駆動回路である。５，６は電気光学材
料基板１を挾み、光学基板１を通過する光の通路
中に配置された偏光子で、光が入射する側の偏光
子５と光が出射する側の偏光子６の偏光面は、こ
こでは光学材料基板１中の電界方向（電極面に垂
直な方向）と45゜をなし、互に直交するように配
置されている例（直交偏光子の例）を示す。な
お、各偏光子５，６の偏光面は、互に平行するよ
うに配置（平行偏光子）してもよく、また、電気
光学材料基板の形状によつては、これらの偏光子
５，６は必ずしも必要としない。

このように構成した装置において、以下、電気
光学材料基板１として、PLZT基板を用い、電極
を介して電気光学材料基板１に電圧を印加したと
き、材料基板中に生ずる電界によつて、この電界
に垂直な偏光成分と平行な偏光成分の光に位相差
が生じる性質（Kerr効果）を利用する場合を想
定して、その動作を詳しく説明する。

いま、第１図において、偏光子５側から一対の
電極板２，３と平行する方向に光路が形成される
ように光学材料基板１に非単色光（多波長光束）
を入射させると、この入射光は、光学材料基板１
のKerr効果によつて、電界に垂直な偏光成分と
平行な偏光成分の光に位相差が生じ、偏光子６を
通つて出射光となる。また、入射光の中で電極板
に当つた光は、乱反射面で乱反射することとな
り、その乱反射成分は出射光とはならない。

ここで、偏光子５を通過した電気光学材料２へ
の入射光Iiと出射光Ioとの比（光透過率）は、光
学材料基板１による光損失がないものとすれば、
次式で表わすことができる。

直交偏光子の場合：Ｉｏ／Ｉｉ＝sin²（πｎ^３Ｒ・Ｌ／２λＤ・V²）…
…(1) 平行偏光子の場合：Ｉｏ／Ｉｉ＝cos²（πｎ^３Ｒ・Ｌ／２λＤ・V²）…
…(2) ただし、ｎ：屈接率Ｒ：Kerr定数Ｖ：印加電圧 λ：光の波長Ｄ：電極間間隔Ｌ：電気光学材料基板中の光路長第３図は、第１図において、電極２，３間に印
加する電圧と光透過率Io／Iiとの関係を、入射す
る光の波長をそれぞれ異にして調べてみた特性線
図である。ここでｎ≒2.5、Ｒ＝3.0×10^-16m²／
V2.D＝380、μｍＬ＝５mmである。この実験結
果から、印加する電圧が50V以下の場合、各波長
の光は、ほぼ同じような透過率特性を示すが、印
加する電圧が90V以上になると、各波長でそれぞ
れ異なつた透過率特性をもつようになることが認
められた。

第４図は、印加電圧をパラメータとし、透過す
る光の波長と光透過率の関係を調べた特性線図で
ある。ここでは、印加電圧を90V、100V、110V
と変化させて、それぞれの特性をとつたものであ
るが、この実験結果から、印加電圧を制御させれ
ば、通過する光の波長領域を変化できることが分
かつた。すなわち、印加電圧90Vでは、波長440n
ｍ付近の特定光を通過させ、印加電圧100Vで
は、波長550nｍ付近の特定光を通過させ、ま
た、印加電圧110Vでは波長650nｍ付近の特定光
を通過させることができる。

本発明に係る光学フイルタは、このような実験
結果に基づくものであつて、第１図において、電
極板２，３間に印加する電圧Ｖの値を変えること
によつて、通過する光の波長領域を任意に設定す
るものである。また、電極板２，３に当つた光は
乱反射させることで、ノイズ成分を除去するよう
にしている。

このように構成される光学フイルタによれば、
電極間に所定電圧を印加することによつて、光信
号のバンドパスフイルタ、バンドリジエクトフイ
ルタ、ローパスフイルタ、ハイパスフイルタとし
て用いることができ、印加する電圧を制御するこ
とによつて、波長可変、波長掃引を行うことがで
きる。

第５図は、第１図装置において、出射光の色相
の電圧依存性を色度図上に表わした特性図であ
る。ここでは、印加電圧Ｖを40Vから順次160Vま
で増大させたものであつて、この線図から明らか
なように、印加する電圧Ｖを任意の値に設定する
ことによつて、各種の光学フイルタをひとつの装
置によつて実現することができる。

第６図は、第１図装置において、偏光子５，６
の配置を平行偏光子を構成するようにした場合
の、印加電圧Ｖと光透過率との関係を示す特性線
図である。この場合、出射光の明暗の関係が、直
交偏光子の場合と逆になるだけで、他の動作は変
りはない。

第７図は本発明に係る光学フイルタの他の例を
示す構成斜視図である。

この実施例では、第１図の光学フイルタにおい
て、一方の偏光子に代えて反射鏡７を配置させた
ものである。この光学フイルタは、偏光子５側か
ら入射した光が、光学材料基板１、反射鏡７、電
気光学材料基板１、偏光子５の経路で同じ側に出
射するもので、電気光学材料基板中の光路長Ｌを
実際の長さの約２倍とすることができる利点があ
る。なお、偏光子５は、ここでは、平行偏光子と
しての役目をなしている。

第８図は、本発明に係る光学フイルタの更に別
の実施例を示す構成斜視図である。この実施例で
は、第１図で示す光学フイルタを複数個積層し、
アレイ構成としたものである。すなわち、電気光
学材料基板１ａ，１ｂ，１ｃ………を、光が通過
する光路が各々平行となるように配列してアレイ
構成としたものであつて、偏光子５側から、図示
するような帯状の光束が各光学フイルタに入射さ
せる。各光学フイルタは、それぞれ各電極に独立
して所定電圧を印加することにより、各フイルタ
からそれぞれ所定の波長光を出射させることがで
きる。

第９図〜第１１図は、第８図に示した光学フイ
ルタアレイの他の構成例を示す構成斜視図及び構
成断面図で、ここでは、いずれも偏光子は図示し
てない。

第９図の実施例は、ひとつの電気光学材料基板
１の一方の面に共通電極２を設けるとともに、他
方の面に複数個の電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…
……を配列して構成したものである。このような
構成によれば、共通電極２と各電極３ａ，３ｂ，
………に挾まれた部分が、それぞれひとつの光学
フイルタを構成している。

第１０図の実施例は、基板１０上に電気光学材
料基板１を接着し、この電気光学材料基板１に一
定間隔で溝を形成して複数個の電気光学材料基板
に分離し、各溝の側面にそれぞれ電極２ａ，３
ａ，２ｂ，３ｂ………を設けたものである。

第１１図の実施例は、ひとつの電気光学材料基
板１の両表面に、それぞれ対峙して複数個の電極
２ａ，３ａ，２ｂ，３ｂ，２ｃ，３ｃ………を設
けて光学フイルタアレイを構成したものである。

ここで電気光学材料基板内を光束が進行中に、
各アレイ毎の光束が混合し、クロストークとなる
ことがある。これを防止するため、境界層４ａ，
４ｂ，４ｃ………を設けてもよい。この境界層
は、イオン打込み等の技術により、周辺より低屈
折率としたり、光の不透過領域をすることで実現
できる。また、第１０図のような、溝を設けて境
界層としてもよい。ここで述べた境界層は、第９
図の構成に付加しても、同様な効果が得られる。

前記した各実施例では、いずれも電気光学材料
基板１に入射する光及び出射する光を偏光子を介
するようにしたものであるが、これらの偏光子は
必須の構成要件ではなく、電気光学材料１の端面
の構成、あるいは電極構成を工夫することによつ
て、省略できる。

第１２図は偏光子を省略した本発明に係る光学
フイルタの構成断面図である。

第１２図の実施例では、電気光学材料基板１の
両端面を角度θで交わるふたつの面１１，１２で
構成し、一方の面（図では上面側）に薄膜面５
１，６１を形成させたものである。このような構
成の光学フイルタによれば、薄膜面５１，６１が
偏光子としての役目をなしており、この薄膜面５
１に向けて光をブリユスター角θで入射させ、薄
膜面６１からの反射光をブリユスター角θで出射
光として取り出す（平行偏光子）。図では、薄膜
面６１での反射光を示したが、ブリユスター角θ
での透過光を用いてもよい（直交偏光子）。

第１３図〜第１８図は以上に説明した本発明に
係る光学フイルタを応用した各種光学装置の構成
概略図である。

第１３図は、多波長の光を発する白色光源LP
と本発明に係る光学フイルタRFとを筒状ケース
CS内に収容し、白色光源LPからの光を、光学フ
イルタPFを介して出射させるようにしたもの
で、電気光学材料基板１に印加する電圧を駆動回
路４によつて制御し、可変波長光源を構成したも
のである。すなわち、印加電圧を任意の所定電圧
とすることによつて、任意の特定波長の光を出射
する光源となり、また、印加電圧を掃引すること
によつて波長が掃引される光を出射する光源とな
る。

第１４図は、第１３図に示す光源を、顕微鏡光
源に使用した例である。

第１５図は、第１３図に示した光源Ｌを、写真
撮影用光源に使用した例である。

これらの例では、光源Ｌから出射する光の色温
度（分光特性）を、感光材FMの分光感度特性と
マツチングするように電圧制御するものである。

第１６図は、光電変換素子PTと本発明に係る
光学フイルタPFとを筒体CS内に収容し、光学フ
イルタPFを介して入射する光を光電変換素子PT
で受光するようにした可変波長受光素子を構成し
たものである。電気光学材料基板１に印加する電
圧を駆動回路４によつて制御することにより、挾
帯光や広帯域平担光を受光できる。

第１７図イは、第１６図に示した可変波長受光
素子を用いて、色識別センサを構成した場合の構
成図である。ここでは、白色光源LPからの光
を、色を識別すべき物体Cxに照射し、ここから
の反射光を第１６図に示した可変波長受光素子で
受光するように構成したものである。なお、ここ
では、可変波長受光素子は集光のためのレンズ
L₁と、計測対象外の波長光をカツトするフイル
タFL₁とを有している。可変波長受光素子内の光
学フイルタPFには、第１７図ロに示すような時
間とともに増大を繰返す鋸歯状波電圧が印加さ
れ、この光学フイルタPFの通過波長の帯域が掃
引されるようになつており、光電変換素子PTは
この光学フイルタPTを介して入射する測定物体
Cxからの反射光を受光する。したがつて、光電
変換素子PTには、測定物の反射光に対応した波
長でピークが出る第１７図ハに示すような色信号
が得られる。メモリ回路Me１，Me２は、光電変
換素子PTからの各波長λ_１，λ_２及びλ_１，λ
_２の時のピーク値E₁，E₂を記憶し、これらの比
を演算回路μＰで演算することによつて、測定物
体Cxの色を識別することができる。なお、ここ
で、測定物Cxからの反射光検出に先だつて、標
準物体（ニユーメラルグレイの物体）を用い、こ
こからの反射光を受光して波長−透過率特性を求
めておき、この基準特性によるデータで割算演算
を行うようにすれば、光源LP、フイルタFL₁、
光学フイルタPF、光電変換素子PT等の諸特性変
化の影響をなくすることができる。

なお、第１７図イでは、測定物体Cxから反射
光を検出するようにしたが、透過光を検出するよ
うにしてもよい。

第１８図は、第８図〜第１１図で示した光学フ
イルタアレイを応用して、カラー表示装置を構成
したものである。ここでは、第９，１０，１１図
に示す光学フイルタアレイを用いたものであつ
て、この光学フイルタアレイの光の出射面は、各
光学フイルタに対応して積層した拡散板SPが設
けられており、この拡散板SPの一方の端面がカ
ラー表示面を形成している。光学フイルタアレイ
の光の入射面には、白色光源LPからの帯状光
が、直接又はミラーMLで反射し、円筒CLを介し
て入射している。駆動回路４は、ここに与えられ
る例えばプロセス信号ep、設定値信号es、ある
いは警報設定値信号eAに応じて、光学フイルタ
アレイの特定な光学フイルタをそれぞれ選択し、
これに所定の電圧を印加し、図示するように、例
えばcpは緑色で、esは青色で、eAは黄色で多色
表示することができる。なお、この実施例で、光
源LPに代えて、ここに反射鏡を設ければ、反射
形のカラー表示装置が実現できる。

なお、本発明に係る装置において、(1)、(2)式中
にあるKerr定数Ｒが温度依存性をもつため、電
気光学材料基板の温度を検出し、駆動電圧を温度
によつて制御するか、あるいは、光学フイルタの
出力光の一部をフイードバツク制御する等して、
温度変化の影響を除去してもよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明に係る光学フイル
タは、電圧信号によつて通過する光の波長領域を
ノイズ成分を除去し、効果的に制御することがで
きるもので、各種の光学装置に広く応用でき、そ
の実用的効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成斜視図、
第２図は光軸方向に切つた断面図、第３図は電気
光学材料基板に印加する電圧と光透過率との関係
を示す特性線図、第４図は通過する光の波長と光
透過率の関係を示す特性線図、第５図は第１図装
置における出射光の色相の電圧依存性を色度図上
に表わした特性線図、第６図は第１図装置におい
て偏光板５，６の配置を平行偏光子とした場合の
印加電圧と光透過率との関係を示す特性線図、第
７図は本発明に係る光学フイルタの他の例を示す
構成図、第８図は本発明に係る光学フイルタの更
に別の実施例を示す構成斜視図、第９図〜第１２
図は第８図に示した光学フイルタアレイの他の構
成例を示す構成斜視図及び構成断面図、第１２図
は偏光板は省略した本発明に係る光学フイルタの
構成断面図、第１３図〜第１８図は本発明に係る
光学フイルタを応用した各種光学装置の構成概略
図である。１……電気光学材料基板、２，３……電極、４
……駆動回路、５，６……偏光子。

Claims

【特許請求の範囲】

１電気光学材料基板、この電気光学材料基板を
挾んで設けられ電気光学材料基板への接触面を光
の乱反射面とした一対の電極板、この一対の電極
板を介して前記電気光学材料基板に可変電圧を印
加する可変電源を含む駆動回路を具備し、前記一
対の電極板と平行する方向に光路が形成されるよ
うに前記電気光学材料基板に光を入射させ、前記
電気光学材料基板に印加する電圧を前記駆動回路
により制御することによつて電気光学材料基板を
通過する光の波長領域を変化できるようにした光
学フイルタ。