(57)【要約】【課題】デジタル的に切り替え可能なバンドパスフィルタを提供する。【解決手段】チューニング出来ないリターダスタックと切り替え可能な液晶セルを組み合わせて形成されるデジタル的に切り替え可能なバンドパスフィルタを開示する。本願で開示する実施形態に係るフィルタは、可動部分がない車輪状フィルタのように機能する。可動部分を設けないことによって、切り替えを高速化することが出来、画像登録がより良好に行われ、小型化が可能となり、消費電力が低減される。このような効果は、バイオハザードセンサもしくはグルコースモニタなどの携帯可能な手で持つタイプのデバイスにおいて大きな利点となる。【選択図】図１
2009503608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過する一の光線をフィルタリングする光学フィルタであって、
複数のリターダ層を有する一のリターダスタックであって、前記複数のリターダ層の複数のリターダ角度は前記リターダスタックの中央に対して略対称であるリターダスタックと、
前記リターダスタックに隣接する一の液晶セルであって、当該液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する液晶セルと、
隣接する前記リターダスタックと前記液晶セルの互いに対向する側に設けられる、第１偏光子および第２偏光子と
を備える光学フィルタ。
【請求項２】
リターダスタックは偶数の（１からＭ）のリターダ層を有し、前記スタックの中央は第Ｍ／２層と第（Ｍ／２＋１）層の間に位置する
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項３】
リターダスタックは奇数の（１からＭ）リターダ層を有し、前記スタックの中央は第Ｍ／２層の中央である
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項４】
前記第１偏光子および前記第２偏光子は互いに直交するように配向されている
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項５】
前記光線の一のある波長バンドは偏光が変換されている
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項６】
前記リターダスタックは奇数の膜を有し、前記光線は、前記ある波長バンドにおける波長の半分だけ遅延された一の偏光を有する
請求項５に記載の光学フィルタ。
【請求項７】
前記リターダスタックは偶数の膜を有し、前記光線は、前記ある波長バンドにおいて略完全に回転している一の偏光を有する
請求項５に記載の光学フィルタ。
【請求項８】
前記複数のリターダ層のそれぞれのリターダ角度は、入力偏光に対して約±７度未満である
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項９】
前記光学フィルタは、前記液晶セルが前記ある入力電圧信号を受け取る場合には一のバンドパスフィルタであって、前記液晶セルが別の入力電圧によって駆動される場合には一の「ノッチ」フィルタを構成する
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項１０】
別のリターダスタックと、
別の液晶セルであって、当該別の液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する別の液晶セルと、
一の第３偏光子であって、前記別のリターダスタックおよび前記別の液晶セルが当該第３偏光子と前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの１つとの間に位置するように配置される第３偏光子と
をさらに備え、
前記別のリターダスタックと前記別の液晶は互いに隣接し、全体的には前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの前記１つと隣接している
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項１１】
前記リターダスタック、前記液晶セル、前記第１偏光子、および前記第２偏光子は一の第１フィルタステージを構成し、前記別のリターダスタック、前記別の液晶セル、前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの前記１つ、および前記第３偏光子は一の第２フィルタステージを構成する
請求項１０に記載の光学フィルタ。
【請求項１２】
前記フィルタは、前記液晶セルおよび前記別の液晶セルの前記電圧入力において複数の入力電圧信号から成る一の第１入力電圧信号セットを受け取るべく動作し、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの一方は、対応する液晶セルが前記第１入力電圧信号セットに含まれる複数の入力電圧信号のうちの１つを受け取る場合には一のバンドパスフィルタであり、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの他方は、対応する液晶セルが別の入力電圧信号によって駆動される場合には、一の「ノッチ」フィルタを構成する
請求項１１に記載の光学フィルタ。
【請求項１３】
前記フィルタはさらに、前記電圧入力において複数の入力電圧信号から成る一の第２入力電圧信号セットを受け取るべく動作し、当該第２入力電圧信号セットによれば、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの前記他方は一のバンドパスフィルタであり、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの前記一方は一の「ノッチ」フィルタを構成する
請求項１２に記載の光学フィルタ。
【請求項１４】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタのそれぞれに対応するノッチは、ほとんど重複しない
請求項１３に記載の光学フィルタ。
【請求項１５】
前記液晶セルの一の構成は、ねじれネマチック、電界制御複屈折、パイセル、強誘電体、および垂直配向ネマチックから成る一群から選択される
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項１６】
前記液晶セルは、２個の透明電極および当該２個の電極の間に設けられる一の液晶材料を有する一のねじれネマチックセルであり、前記２個の透明電極はそれぞれ一のラビング方向の一の位置合わせ層を持ち、前記複数のリターダ層のそれぞれのリターダ角度は前記複数の位置合わせ層のうちの１つのラビング方向に対して約±４５度未満である
請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項１７】
前記複数のリターダ層のそれぞれのリターダ角度は、前記入射光線の一の入力偏光方向を中心として集まっている
請求項１に記載のフィルタ。
【請求項１８】
通過する一の光線をフィルタリングする光学フィルタであって、
複数のリターダ層を有する一の第１リターダスタックであって、前記複数のリターダ層の複数のリターダ角度は前記リターダスタックの中央に対して略対称である第１リターダスタックと、
前記第１リターダスタックに隣接する一の第１液晶セルであって、当該第１液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する第１液晶セルと、
隣接する前記第１リターダスタックと前記第１液晶セルの互いに対向する側に設けられる、第１偏光子および第２偏光子と、
一の第２リターダスタックと、
一の第２液晶セルであって、当該第２液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する第２液晶セルと、
一の第３偏光子であって、前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶セルが当該第３偏光子と前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの１つとの間に位置するように配置される第３偏光子と
を備え、
前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶は互いに隣接し、全体的には前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの前記１つと隣接している
光学フィルタ。
【請求項１９】
前記フィルタは、前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルの前記電圧入力において複数の入力電圧信号から成る一の第１入力電圧信号セットを受け取るべく動作し、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの一方は、対応する液晶セルが前記第１入力電圧信号セットに含まれる複数の入力電圧信号のうちの１つを受け取る場合には略無色であり、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの他方は、対応する液晶セルが当該入力電圧信号セットに含まれる複数の入力電圧信号のうちの別の入力電圧信号によって駆動される場合には、一の「ノッチ」フィルタを構成する
請求項１８に記載の光学フィルタ。
【請求項２０】
前記フィルタはさらに、前記電圧入力において複数の入力電圧信号から成る一の第２入力電圧信号セットを受け取るべく動作し、当該第２入力電圧信号セットによれば、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの前記他方は略無色であり、前記第１フィルタステージおよび前記第２フィルタステージのうちの前記一方は一の「ノッチ」フィルタを構成する
請求項１９に記載の光学フィルタ。
【請求項２１】
複数のデジタル的にチューニングされる光学フィルタリング特性を持つ、デジタル的にチューニングされる光学フィルタであって、
複数のリターダ層を有する一の第１リターダスタックであって、前記複数のリターダ層の複数のリターダ角度は前記リターダスタックの中央に対して略対称である第１リターダスタックと、
前記第１リターダスタックに隣接する一の第１液晶セルであって、当該第１液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する光線の偏光状態を変化させないように動作する第１液晶セルと、
隣接する前記第１リターダスタックと前記第１液晶セルの互いに対向する側に設けられる、第１偏光子および第２偏光子と、
一の第２リターダスタックと、
一の第２液晶セルであって、当該第２液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する第２液晶セルと、
一の第３偏光子であって、前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶セルが当該第３偏光子と前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの１つとの間に位置するように配置される第３偏光子と、
前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルと電気的に通信する一のコントローラであって、前記光学フィルタの複数のフィルタリング特性をチューニングするべく前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルに対してそれぞれ複数の入力電圧信号から成る第１入力電圧信号セットおよび第２入力電圧信号セットを少なくとも印加するように動作するコントローラと
を備え、
前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶は互いに隣接し、全体的には前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの前記１つと隣接している
デジタル的にチューニングされる光学フィルタ。
【請求項２２】
一の被測定サンプルからの一のサイン光を測定するための分光分析システムであって、
一の光源と、
前記光源からの光を前記被測定サンプルに集束させる複数の光学素子と、
複数のデジタル的にチューニングされる光学フィルタリング特性を持つ、一のデジタル的にチューニングされる光学フィルタと、
前記サンプルからの光を受光するべく配置された一の光学センサと
を備え、
前記デジタル的にチューニングされる光学フィルタは、
複数のリターダ層を有する一の第１リターダスタックであって、前記複数のリターダ層の複数のリターダ角度は前記リターダスタックの中央に対して略対称である第１リターダスタックと、
前記第１リターダスタックに隣接する一の第１液晶セルであって、当該第１液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する光線の偏光状態を変化させないように動作する第１液晶セルと、
隣接する前記第１リターダスタックと前記第１液晶セルの互いに対向する側に設けられる、第１偏光子および第２偏光子と、
一の第２リターダスタックと、
一の第２液晶セルであって、当該第２液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する第２液晶セルと、
一の第３偏光子であって、前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶セルが当該第３偏光子と前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの１つとの間に位置するように配置される第３偏光子と、
前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルと電気的に通信する一のコントローラであって、前記光学フィルタの複数のフィルタリング特性をチューニングするべく前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルに対してそれぞれ複数の入力電圧信号から成る第１入力電圧信号セットおよび第２入力電圧信号セットを少なくとも印加するように動作するコントローラと
を有し、
前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶は互いに隣接し、全体的には前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの前記１つと隣接している
分光分析システム。
【請求項２３】
前記サンプルから受光した前記光は、前記サンプルによって蛍光を発している
請求項２２に記載の分光分析システム。
【請求項２４】
デジタルフィルタは、前記サンプルに対して光学的に後方に配置されている
請求項２２に記載の分光分析システム。
【請求項２５】
前記デジタルフィルタは、前記サンプルに対して光学的に前方に配置されている
請求項２２に記載の分光分析システム。
【請求項２６】
前記デジタルフィルタは、複数の光学波長スペクトルをスキャンする
請求項２２に記載の分光分析システム。
【請求項２７】
一のデジタル的にチューニングされるフィルタを利用した光学撮像システムであって、
一の光源からの光を集束させる複数の光学素子と、
複数のデジタル的にチューニングされた光学フィルタリング特性を持つ一のデジタル的にチューニングされる光学フィルタと
を備え、
当該デジタル的にチューニングされる光学フィルタは、
複数のリターダ層を有する一の第１リターダスタックであって、前記複数のリターダ層の複数のリターダ角度は前記リターダスタックの中央に対して略対称である第１リターダスタックと、
前記第１リターダスタックに隣接する一の第１液晶セルであって、当該第１液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する光線の偏光状態を変化させないように動作する第１液晶セルと、
隣接する前記第１リターダスタックと前記第１液晶セルの互いに対向する側に設けられる、第１偏光子および第２偏光子と、
一の第２リターダスタックと、
一の第２液晶セルであって、当該第２液晶は一の電圧入力を有し、当該電圧入力における一のある入力電圧信号において少なくとも、前記光学フィルタを通過する前記光線の偏光状態を変化させないように動作する第２液晶セルと、
一の第３偏光子であって、前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶セルが当該第３偏光子と前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの１つとの間に位置するように配置される第３偏光子と、
前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルと電気的に通信する一のコントローラであって、前記光学フィルタの複数のフィルタリング特性をチューニングするべく前記第１液晶セルおよび前記第２液晶セルに対してそれぞれ複数の入力電圧信号から成る第１入力電圧信号セットおよび第２入力電圧信号セットを少なくとも印加するように動作するコントローラと
を有し、
前記第２リターダスタックおよび前記第２液晶は互いに隣接し、全体的には前記第１偏光子および前記第２偏光子のうちの前記１つと隣接している
光学撮像システム。
【請求項２８】
前記複数の光学素子が前記光源からの前記光をその上に集束させる、一の光学センサ
をさらに備える、請求項２７に記載の光学撮像システム。
【請求項２９】
前記複数の光学素子が前記光源からの前記光をその上に集束させる、一の像面
をさらに備える、請求項２７に記載の光学撮像システム。
【請求項３０】
前記光源
をさらに備える、請求項２７に記載の光学撮像システム。
【請求項３１】
前記デジタルフィルタは、前記コントローラの制御下において、複数の光学波長スペクトルをスキャンする
請求項２７に記載の光学撮像システム。
【請求項３２】
前記デジタルフィルタは、受光した前記光の前記複数の光学波長スペクトルをスキャンするべく、前記複数の光学素子の後方に配置される
請求項３１に記載の光学撮像システム。
【請求項３３】
前記デジタルフィルタは、前記光源からの前記光の前記複数の光学波長スペクトルをスキャンするべく、前記複数の光学素子の前方に配置される
請求項３１に記載の光学撮像システム。
【請求項３４】
前記光学撮像システムは一のＣＭＯＳ検出器アレイまたは一のＣＣＤ検出器アレイである
請求項３１に記載の光学撮像システム。
【請求項３５】
前記光学撮像システムは一の画像投影システムである
請求項３１に記載の光学撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、米国特許出願第１１／１６１３７６号（出願日：２００５年８月１日、発明の名称：デジタル的に切り替え可能なバンドパスフィルタ）に関連し、当該米国出願に基づき優先権を主張する。当該米国出願は参照により本願に組み込まれるものとする。
【技術分野】
【０００２】
本願で開示する実施形態は、光学システム用のバンドパスフィルタに関し、特にデジタル的に切り替え可能な液晶バンドパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００３】
チューナブルフィルタは、電気的に制御される液晶（ＬＣ）素子を利用して、光の特定の波長を当該フィルタを通過させて送信する。具体的には、特定のＬＣ構成に対応付けられた可変リターデーションを、スペクトル特性をシフトさせる手段として用いる。ＬＣチューナブルフィルタの一種にリオ（または、リオと他種を組み合わせた）偏光干渉フィルタがある。リオフィルタの場合、バンドパスプロファイルは、リターダスタックの膜同士の幾何学的関係に基いた複数のステージで行われるフィルタリングによって合成される。１つのステージの偏光アナライザは、後続のステージに対する入力偏光となり、（Ｎ＋１）個の偏光膜はＮステージのフィルタとして用いられる。つまり、２個の偏光膜は１個のフィルタリングステージを実現し、３個の偏光膜は２個のフィルタリングステージを実現する。完全に調整可能なリオバンドパスフィルタを較正して要件を満たすスペクトル特性と実現するためには、多額のコストがかかってしまう。また、偏光膜ではそれぞれ約１０％の透過損失が発生してしまう。このため、フィネス（ｆｉｎｅｓｓｅ）が高く且つダイナミックレンジが要件を満たすチューナブルリオフィルタは、大型になってしまうだけでなくコストがかさみ、透過ピークも悪い。
【０００４】
一方、ＳｏｌｃフィルタもしくはＳｏｌｃ型フィルタは、１個のリターダスタックに接続された２個の偏光子のみで実現することができる。また、Ｓｏｌｃフィルタは原理的には、サイドローブレベルを低減させるべくカスタマイズすることができる。しかし、現在知られているバンドパスをチューニングするＳｏｌｃフィルタについては、マルチオーダーリターダスタックはそれぞれ完全に調整可能（チューナブル）でなければならない。実際には、偏光子の挿入損失は追加のＬＣセルの損失で相殺されるので、スループットに大きな改善は見られない。また、Ｓｏｌｃフィルタの構造はリオフィルタの構造よりも複雑で、システムの較正を開始する前に、多数の交互に配置される能動素子および受動素子を正確に位置合わせしておかなければならない。このため、組み立て中のある時点でエラーが発生すれば、高価な材料の大部分を廃棄してしまわなければならなくなってしまう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
複数の偏光子を有し、各フィルタステージでの機能が向上した、デジタル的に切り替え可能なバンドパスフィルタを開示する。当該切り替え可能なフィルタは、所定の利用可能なスペクトルプロファイルのセットを複数持つリターダスタックのような固定素子と、リターダスタックから特定のスペクトルプロファイルを選択する液晶（ＬＣ）セルのような擬似的に無色なデジタル偏光スイッチを備える。
【０００６】
本願で開示する実施形態に係るフィルタは、可動部分がない車輪状フィルタのように機能する。このようなバンドパスフィルタの構造によれば、予め定義しておいたスペクトルプロファイルセットの中からスペクトルプロファイルを選択することができるようになる。また、本願で開示するデジタル的に切り替え可能なバンドパスフィルタは、電子的／機械的デバイスと比較して、利点が幾つかある。可動部分を設けないことによって、（ａ）切り替えを高速化することが出来、（ｂ）画像登録がより良好に行われ、（ｃ）小型化が可能となり、（ｄ）消費電力が低減される。このような効果は、バイオハザードセンサもしくはグルコースモニタなどの携帯可能な手で持つタイプのデバイスにおいて大きな利点となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本願で開示するデジタル的にチューニングされるフィルタの実施形態を示す一般的なブロック図である。
【０００８】
【図２】リターダスタックの一例を示す。
【０００９】
【図３】リターダスタック膜によって得られるスペクトルプロファイルを示す。
【００１０】
【図４Ａ−Ｂ】本願の開示内容に係るフィルタの一例に対する、バンドパススペクトルおよび補完的なノッチスペクトルを示す。
【００１１】
【図５】ねじれネマチック液晶セルを組み込んだ１ステージのフィルタをチューニングした場合の４個の透過スペクトルを示す。
【００１２】
【図６】最低スペクトル分離基準を示すグラフである。
【００１３】
【図７】一軸バンドパスフィルタのスペクトルシフトを示すグラフである。
【００１４】
【図８】バンドパス波長を異ならせた場合の分解能とリターダ膜の数の関係を示すグラフである。
【００１５】
【図９】携帯可能な手持ちデバイスに利用された場合の本実施形態に係るデジタル的にチューニングされるフィルタを示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、リターダスタック１０４の予め定義されたスペクトル特性にアクセスするための準中性偏光スイッチとして、デジタル的に切り替え可能な液晶（ＬＣ）セル１０６を示す一般的なブロック図１００である。リオフィルタと同様に、各ブロック１０２は独立したフィルタステージを示す。このデジタル的にチューニングされるフィルタ１００の複数のステージ１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃを示すが、各ステージは偏光子１０８、リターダスタックフィルタ１０４、ＬＣ偏光スイッチ１０６および別の偏光子１１０を備える。互いに隣接するフィルタステージ１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃは偏光子１０８および１１０を共有するとしてもよい。例えば、偏光子１１０ａおよび１１０ｂはステージ１０２ａおよび１０２ｂの一部である一方、偏光子１０８ｂおよび１０８ｃはステージ１０２ｂおよび１０２ｃの一部である。偏光子１０８および１１０の配向は互いに交互になるとしてもよい。偏光配向が交互になると、各ステージ１０２の偏光子１０８および１１０は交差することになる。
【００１７】
光学素子１０４、１０６、１０８および１１０は、無色透明の屈折率が一致した接着剤を用いて接合されるとしてもよい。本実施形態において高品質のバンドパスプロファイルを達成するかどうかはほぼ、唯一つの素子、つまり各ステージ１０２のリターダスタック１０４に限定されて決まる。重要なフィルタリング機能を各ステージ１０２に限定することによって、生産性が向上し、較正の必要性を最低限に抑えたり、無くしてしまうとともに、コストが低くなる。図示したフィルタリングステージは３つに過ぎないが、フィルタリングステージ１０２の数は任意（Ｎ個）としてよい。
【００１８】
図２は、複数のバルク型の透明な伸張されたポリマーリターダ膜１０５から成る多層積層体である、リターダスタック１０４を示す図である。これらの複数の膜は、溶剤結合プロセスを用いて積層されるのが理想的である。膜１０５の面内角度（もしくは、光軸配向）θ１０７を適切に選択することによって、図３に示すような任意のスペクトルプロファイル２００を、偏光情報として得ることができる。図示された角度、θおよび３θ、並びに、リターダスタックの各層の軸と角度θおよび３θの関係は、図３に示された結果として得られるスペクトルプロファイルと同様に、説明を目的としたものに過ぎず、本発明を限定するものと解されるべきではない。
【００１９】
前述したようにリターダスタック１０４が中性偏光子１０８および１１０の間に設けられた場合、ＯＤ３のダイナミックレンジを持ちフィネスが中程度のバンドパスプロファイル２００が得られるとしてもよい。ここで、「ＯＤ３」とは「光学濃度（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）３」と定義され、透過率をＴとした場合に光学濃度はｌｏｇ１０（１／Ｔ）と表され、ＯＤ３でフィルタリングされたレベルはｌｏｇ１０（１／Ｔ）＝−３０ｄＢとなる。つまり、光学フィルタリングのＯＤ３レベルにおいては、フィルタリングされていないレベルとフィルタリングされたレベルとの間に１０００倍の違いがある。このようなダイナミックレンジによれば、１つの低コストな構成要素（リターダスタック１０４）において高度なフィルタリング機能を実現することができ、結果として原理上は信号損失がより小さくなる。現在、１２層から１８層を有するリターダスタック１０４は、１インチ四方当たりたった２〜３ドルという平均価格で、光学投影産業向けに大量生産することができる。リターダスタック１０４の特徴および機能は、同じ譲渡人に譲渡された米国特許第６４５２６４６号（発明の名称：複数のリターダシートから成る光学リターダスタック）において詳細に説明されている。当該米国特許の内容はすべて参照により本願に組み込まれる。
【００２０】
中性ＬＣ偏光スイッチ１０６が、リターダスタック１０４に隣接して設けられ、さらに、偏光膜１０８および１１０の間に設けられた場合（図１を参照のこと）、出力スペクトルプロファイルは、図４Ａおよび図４Ｂに示すバンドパススペクトル２００と補完ノッチスペクトル３００との間で電子的に切り替えることができる。本発明の一実施形態に係る、Ｎ個のステージを持つデジタル的にチューニングされるフィルタ１００の一例によると、１つのバンドパス関数と（Ｎ−１）個のノッチスペクトル３００の積として、各バンドパスプロファイル２００を生成することができる。ノッチスペクトル３００は分解能およびダイナミックレンジを増加させることができるが、バンドパスプロファイル２００に対して与える影響は比較的小さい。このため、ステージ１０２間にはほとんど結合がなく、このため生産性がさらに向上する。
【００２１】
原理上は、デジタル的に切り替え可能なＬＣセル１０６をＮ個持つ、偏光干渉フィルタは、２Ｎ個の識別できるスペクトルを出力出来る。このようなスケーリングは、ＬＣセル１０６およびフィルタステージ１０２の数を最小限にするという点においては利点があるが、通常の場合ステージ１０２間のスペクトル結合が高いので、性能のロバスト性が劣化し生産性が低下する。本発明の一の側面によると、出力帯域２００の数がＬＣセル１０６の数に応じて直線的に増加するようなスキームを利用する。効果としては、ステージ１０２同士を所望されるレベルで互いから独立させることができること、および、ＬＣセル１０６の等方性を利用して重要なバンドパスプロファイル２００を生成すること、などが挙げられる。
【００２２】
一般的には、デジタル的に切り替え可能な素子として動作するネマチックＬＣセル１０６のある電圧状態は実質的に、もう一方の電圧状態に比べて、より有色（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ）であるか、より無色（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）である。例えば、９０度のねじれネマチックＬＣセル１０６は、自己補正特性を持つので、駆動状態は非常に等方性に近い。交差した偏光子１０８および１１０の間で駆動されたねじれネマチックＬＣセル１０６について、通常の入射に対する光漏れが０．１％未満であるのは異常ではない。逆に、波長とは無関係に、入力された直線偏光を直交偏光へと変換するねじれネマチックＬＣセル１０６を設計するには多大な労力が必要となる。実際には、妥当な切り替え速度を持つねじれネマチックＬＣセル１０６は、偏光変換スペクトルに対して比較的高い色度（ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ）を持つ。このため、リターダスタック１０４の性能が低下する。最も顕著な影響として、ダイナミックレンジが減少してしまう。好ましい実施形態によると、駆動状態は、スペクトルの劣化を最小限にするようにバンドパスプロファイル２００を生成するべく利用されるのが好ましい。
【００２３】
ある設計によれば、一例として具体的にねじれネマチックに基づいた設計を説明すると、リターダスタック１０４は、当該リターダスタックの各層のリターダ角度が、ＬＣセル１０６の透明電極のうちの１つの位置合わせ層のラビング方向に対して鋭角（４５度未満）となるように設計および配置される。このような設計の場合光は、上記透明電極のラビング方向と平行となる偏光状態で導入される。
【００２４】
実際には、ねじれネマチックＬＣセル１０６は、他のデバイス（例えば、πセル）に比べて変換状態においてより無色となるように設計することができる。この結果、セルギャップの不均一性に対する感度が低下し、空間的な透過状態が不均一となる。多くの場合セルは完全に均一ではないので、このために、バンドパス出力の変換なしという状態を割り当てる。ファースト・ミニマム（ｆｉｒｓｔ  ｍｉｎｉｍｕｍ）のねじれネマチックＬＣセル１０６においては、１つのフリンジ（ｆｒｉｎｇｅ）が重大な透過不均一性を意味するわけではない。
【００２５】
上記を鑑みると、ねじれネマチックＬＣセル１０６の低電圧状態において、性能の低下を最低限に抑えてノッチフィルタリングスペクトル３００を生成することができる。劣化の程度は、フィルタのスペクトル範囲（例えば、可視切り替えの場合は４２０ｎｍ乃至６８０ｎｍ）と共に増加する。これは通常、ノッチの中心波長３０２での漏れ、若しくは、ノッチ以外の部分３０４でのスループット損失として現れる。別の実施形態によると、ねじれネマチックＬＣセル１０６の低電圧状態は、選択されたバンドパスの中心波長に対応するように理想的な偏光変換の波長を配置するべくチューニングすることができる。低電圧状態に対するこのような１次的な（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ）アナログ補正は比較的耐性が高く、電圧レベルの３ビットは通常、バンドパスの高スループットを確保する上で適切である。
【００２６】
図１を再び参照すると、複数のフィルタリングステージ１０２のＬＣセル１０６に対して電圧が印加される様子が示されている。所望のフィルタリング特性を実現するべく、ＬＣセル１０６の電圧入力に対して入力電圧の複数のセットを印加することができる。当該電圧は、マイクロコントローラ１２０からのデジタル信号がデジタル／アナログ変換回路（不図示）へと印加された結果変換されて得られるアナログ電圧であってもよいし、電圧入力へと印加されるべく他の方法で生成される電圧であってもよい。このような構成によって、光学フィルタリング特性を、システムデザイン上の需要に応じてデジタル制御によって柔軟にチューニングすることができると共に、性能に対する要件が変化してもその変化に応じて柔軟に調整することができる。
【００２７】
図５は、交差した偏光子１０８および１１０の間に配置された、１ステージ（ＯＤ３の遮蔽度を持つ、１２層から成るバンドパススタック）のファースト・ミニマムのねじれネマチックＬＣセル１０６のピーク透過をチューニングする場合のスペクトル５００を示す。異なる電圧レベル５００ａ、５００ｂ、５００ｃおよび５００ｄに対応付けて４つのスペクトルを図示する。このようなスペクトルサンプリングは、４００ｎｍから７００ｎｍの帯域における損失を十分に１％未満とする。例えば、さらに損失を低減するべく、もしくは、温度影響を補償するべく、電圧レベルを追加する必要があるとしてもよい。
【００２８】
ねじれネマチックＬＣセル１０６以外にも、他のＬＣ構成にも一般的な原理は当てはまるとしてよい。平行配向されたネマチック（電界制御型複屈折（ＥＣＢ）方式）ＬＣセル１０６およびπセル１０６は自己補償を実現せず、このためどの高電圧レベルにおいても残存リターデーションを生じさせることができる。補償膜を用いて、バンドパススペクトルを生成するための好ましい等方性状態を実現するとしてもよい。反転可能な電圧状態を持つ垂直配向されたネマチックＬＣセル１０６の効果としては、ゼロボルトでプレチルトが小さい場合に当該セルの面内リターデーションが低く、補償を実現しないことが挙げられるとしてもよい。これ以外には、補償膜はまた残存リターデーションがあればそれを除去するべく利用されるとしてもよい。上記以外のＬＣセル、例えば、強誘電体ＬＣセル１０６もまた補償膜を用いて無色化されるとしてもよい。面内ＬＣスイッチ、例えば強誘電体ＬＣセル１０６によれば、変換なし状態と９０度の変換状態が共に擬似的に無色になるという独特の特性が得られる。また、強誘電体ＬＣセル１０６は双安定性を有するので、スループットを最大限とするべく状態を変換する場合にアナログ的にチューニングする必要がないとしてもよい。しかし、強誘電体ＬＣセル１０６はあまり利用されておらず高価であり、ネマチックＬＣセル１０６ほど機械的もしくは熱的に安定していない。
【００２９】
本明細書で開示されている実施形態によると、プロファイルが重ならない限り、複合フィルタの各バンドパススペクトルの中心波長の選択は任意である。複数のバンドパススペクトルを互いに近接させることによってダイナミックレンジに関しては利点を得ることができる。しかし、バンドパスの詰め込みにも上限があり、この上限はバンドパスプロファイルの幅および形状に左右される。一般的には、偏光干渉フィルタのバンドパススペクトルは膜の数とフィネス（プロファイルの全幅に対する周期スペクトル間の分離の比）の間のトレードオフによって決まる。この結果、ダイクロイックフィルタもしくはホログラフィックフィルタの急峻なエッジ関数特性とは異なり、通常入射の場合のバンドパスは比較的スムーズなものとなる。それゆえ多くの場合に、スペクトルの尻尾部分にノッチプロファイルに対応するものがあり、このノッチプロファイルは隣接するバンドパスに対して近接し過ぎた場合には、大きなスループット損失を生じ得る。この尻尾部分の特性はアポディゼーションの程度によって決まる。このため、リターダスタックフィルタのプロファイルに応じて、スペクトルのサンプリング間隔には限界がある。上述した効果は、以下の部分において図面を参照しつつさらに詳しく説明する。
【００３０】
図６は、ＯＤ３の最大サイドローブレベルに基づく設計を利用して（−３０ｄＢ）、１２層設計を用いた場合の最低スペクトル分離基準６００を示すグラフである。最大スペクトルサンプリングは、分解能の関数で、隣接するノッチ部分からスループットが受ける影響が大きくなり過ぎないようにという要件が課されている。利用されるのは、隣接するバンドパスステージ６０２ａおよび６０２ｃのファーストミニマム６０４ａおよび６０４ｃが中央バンド６０２ｂの中心波長６０６に対応する、という基準である。この基準は、バンドパスの中心波長６０６においてノッチスペクトルの損失をゼロにするという要件と同等である。図６によると、中央バンドパススペクトル６０２ｂおよび隣接するバンドパススペクトル６０２ａおよび６０２ｃのファーストヌル６０４ａおよび６０４ｃは、およそ５３１ｎｍの辺りに位置している。数学的に言うと、この場合の分離の推定値は、Δλが分離または自由スペクトル領域で、ＦＷＨＭが透過ピーク６０２の半値全幅６０８とした場合に、Δλ＝（４／３）（ＦＷＨＭ）によって求められる。
【００３１】
上記の式によれば、重複点はこのサイドローブレベルにおいておよそ２５％から３０％に見られる。スペクトルの詰め込み密度を高くした場合には分解能に関して利点が得られる。隣接するスペクトル６０２ａおよび６０２ｃはバンドパスのベース（ｂａｓｅ）を狭める傾向がある。中心が５３５ｎｍに設定された１２層のバンドパス設計によれば、プロファイルの幅の１％は５３ｎｍである。同一の設計に基づくノッチフィルタを当該プロファイルの両側に密度高く詰め込んだ場合、ベース幅の１％は４７ｎｍとなる。さらに、当該ノッチは、小さい波長範囲にわたって、ダイナミックレンジを向上させる。
【００３２】
別の実施形態によると、好ましいリターダスタック１０４は角度を小さくする解決策に基づいて設計されているとしてもよい。このような設計は、バンドパスプロファイルの中心波長においてマルチオーダーの半波長リターデーションを持つ膜１０５に基づいている。この方法を用いると、スペクトルの比較的小さい部分が直交状態に変換され、交差した偏光子１０８および１１０の間においてバンドパスを生じさせる。好ましい実施形態では、特定の数のリターダ膜１０５を有する最適化されたバンドパス設計を利用することによって、最小限のバンドパス幅で選択されたダイナミックレンジ（もしくはストップ・バンド・リップル）を実現できる。
【００３３】
リターダスタックの設計において角度を小さくすることには幾つかの利点が見られる。まず第一に、ロール状の材料から切り出される膜の幾何学的な収率が最大値を取る。第２に、より重要な点だと思われるが、製造されたスタックのスペクトル性能と、リターデーションの統計値、光軸の統計値および積層プロセスが及ぼす影響などの実用時の問題の影響を考慮した理論的な推定値との一致度がより高い場合がある。また、角度を小さくした設計方法を利用することによって、図７に示すように、（空気中の）入射角に対する一軸バンドパスフィルタのスペクトルの中心波長シフトは、ゼロに沿って配向された１つのマルチオーダーリターダのスペクトルの中心波長シフトに非常に似ている。正の一軸リターダと同様に、光軸の平面内において負のシフト７００ａがあり、直交する平面内において同様の大きさの正のシフト７００ｂがあり、±４５度のアジマスにおいてはほとんどシフトしない７００ｃ。正方形の部品の場合には、後者のケースは、入射角が最大となる当該部品の角に対応する。
【００３４】
バンドパス設計は、ピークのサイドローブレベルが０．１％未満（ＯＤ３）を保つようにアポダイズされるのが好ましい。製造工程においてこのレベルの性能へと収束させるためには、リターダ膜１０５の空間統計値は非常に小さいレベルで維持されなければならない。クロスウェブ測定（ｃｒｏｓｓ−ｗｅｂ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）の標準偏差が約±１ｎｍ〜２ｎｍ（スペクトルシフト）および±０．２度で非常にスムーズであるのが理想的である。良好に制御された伸張プロセスにおいては、ダウンウェブ（ｄｏｗｎ−ｗｅｂ）統計値は比較的変化がゆっくりであるので、リターダスタックの材料となる１つのマザーシートのレイアウトに対応するスパンにわたって当該統計値は比較的安定している。
【００３５】
以上のような限定に基づいた場合、光軸の角度１０７が入力された偏光方向の周りに集まった、角度を小さくしたリターダスタック設計１０４が通常得られる。以下に例示するスタック設計１０４においては、角度１０７は±７度を越えては外れておらず、ストップバンドのサイドローブレベルは、交差された偏光子１０８および１１０の間において０．１％を超えていない。
【表１】
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【００３６】
好ましいスタック設計によれば、可能な限り最も狭いバンド幅が、所定のダイナミックレンジ（例えばＯＤ３）で、直交偏光へと変換される（膜の数毎に）。これは、Ｓｏｌｃフィルタに類似しているが、アポディゼーションは改善されているのが好ましい。同一のリターデーションを持つ複数の膜１０５を有する（実質インパルス応答はＮ＋１単位となる）スタック１０４を用いることによって、バンドパスは周波数領域において半波長に対して対称的な特徴を持つ。奇数の膜１０５を有するスタック１０４（ＢＰ１３）は半波長において複合半波リターダとして機能することが知られており、一方、偶数の膜１０５を有するスタック１４（ＢＰ１２）はこの波長において完全な回転子として機能する。透過バンドは非常に狭いので、当該スペクトル範囲にわたるスタック１０４の機能は非常に均一化されたものとすることができる。
【００３７】
以上のような効果は、バンドが変換されない場合には得られない。バンドが変換されない場合には、角度を小さくして設計すると、入力偏光に沿って大きな複合リターデーションが生じる。当該複合リターデーションは多くの場合、スタック１０４内の全リターデーションの大部分を占める。このため、ダイナミックレンジが劣化しないようにするためには、偏光子１０８および１１０に対するリターダスタック１０４の配向合わせが重要となる。配向を誤ると、サイドローブレベルが大幅に上昇してしまう。これは、配向誤りによって複合リターダの両軸に沿った電界が上昇するためである。
【００３８】
一連の好ましい解決策によると、中点に対して対称なリターダ角度１０７を持つ。リターダ１０５の数が奇数である場合（ＢＰ１３）、好ましいスタック設計は、角度の順序（α１、α２、α３、・・・αＮ、α０、αＮ、・・・α３、α２、α１）に従ったものとなる。リターダ１０５の数が偶数である場合（ＢＰ１２）、好ましいスタック設計は、角度の順序（α１、α２、α３、・・・αＮ、−αＮ、・・・−α３、−α２、−α１）に従ったものとなる。上述したように、これらの角度１０７は±７度未満とするのが好ましい。バンドパス設計が奇数の膜１０５（ＢＰ１３）に基づいている場合、一連の好ましい解決策によれば、変換されたバンドにおいて完全に半波リターデーションが実現される。バンドパス設計が偶数の膜１０５（ＢＰ１２）に基づいている場合、一連の好ましい解決策によれば、変換されたバンドにおいて完全に回転が実現される。
【００３９】
スループットとスペクトル重複との関係以外には、デジタル的にチューニングされるフィルタ１００は独立して、リターダスタック１０４からスペクトルプロファイルを選択できる。一例を挙げると、リターデーションのバラツキに基づいて、偏光干渉フィルタの、波長に依存した分解能を制御することが挙げられる。例えば、ポリカーボネート分散に基づいた、４４０ｎｍにおいてＦＷＨＭの分解能が１８ｎｍである従来のチューニング可能な偏光干渉フィルタは、６５５ｎｍにおいて３３ｎｍの分解能を持つ。本発明の一実施形態に係るデジタル的にチューニングされるフィルタ１００を用いた場合には、リターダ膜１０５の数は、動作バンドにわたって分解能を一定にするように、選択することができる。ある分解能に固定した場合（ＦＷＨＭ）、図８に示すように、４４３ｎｍのバンドパス８０２において必要となるリターダ膜１０５の数は、６０１ｎｍのバンドパス８０６において必要となるリターダ膜１０５の数よりも少ない。
【００４０】
また、膜を利用して形成されるデジタル的にチューニングされるフィルタ１００は、層数を許容可能な値としつつ分解能の幅を大きくすることができる。自由スペクトル領域の範囲が大きい場合、１．５波長のリターダ膜１０５を利用することができる。自由スペクトル領域は小さくても分解能を大きくする必要がある場合、２．５波長のリターデーションを持つ膜１０５を利用することができる。さらに別の波長のリターデーションを利用することによって、分解能を増加させるとしてもよい。
【００４１】
本発明の一実施形態に係るデジタル的にチューニングされるフィルタ１００は、数多くの用途で利用されるとしてもよい。電子センサに関連した用途では（ＣＭＯＳ／ＣＣＤ検出器アレイのシリコン検出器など）、フィルタ１００はその場面を照らす光のスペクトルを制御する目的で利用されるとしてもよい。もしくは、当該場面は自然光によって照らされ、フィルタ１００はセンサに直接隣接して設けられるとしてもよい。フィルタ１００は、撮像光学システムの前に配置して、視野および見かけに関する要件を頻繁に緩和するが、開度を大きくする。撮像光学システムの間に配設されたフィルタ１００は一般的により小さくなるが、入射角に応じた透過スペクトルの光学的性能および光学的安定性はより重要となる。
【００４２】
上記で例示した用途は、波長スペクトルをスキャンして像面に投影するべく光学素子がデジタルフィルタと共に利用される画像投影システムを含む。別の実施可能な用途としては、光学素子によって集束された光をデジタルフィルタがスキャンしてＣＭＯＳ／ＣＣＤ検出器アレイに対して出力することも考えられる。
【００４３】
図９は、蛍光もしくはそれ以外の分光分析システム９００内に設けられたデジタル的にチューニングされるフィルタ９１２を示す図である。バンドパス励起フィルタ９０５に接続されたランプ９０４から出力される光９０２もしくはレーザから出力される光が、ビームスプリッタ９０６によってフィルタリング且つ反射され、サンプル９０８に集束される。ビームスプリッタ９０６は、反射面に狭帯域（ｎａｒｒｏｗ  ｂａｎｄ）反射コーティングを持つとしてもよい。サンプル９０８は蛍光サイン９１０を発し、当該蛍光サイン９１０はビームスプリッタ９０６を通過する。当該サイン光９１０は、デジタル的にチューニングされるフィルタ９１２によってフィルタリングされる。当該サイン光９１０は、一連のバンドパススペクトルを周期的に繰り返し、センサ９１４に集束／撮像される。このような波長スキャンは、サンプル９０８に当たる前の光路において実行されるとしてもよく、サイン光９１０のスペクトルプロファイルを測定するべく利用されるとしてもよい。制御および検出は、図１に図示したように、ＬＣセル１０６に対して電圧制御信号を供給するべく配置されたデジタルコントローラ１２０によって実現するとしてもよい。
【００４４】
本発明は上記以外の具体的な形態でもその目的または本質的な特徴から離れることなく実施できるということは、当業者には明らかである。このため、本明細書で開示した実施形態は、例示を目的としたものに過ぎず本発明を限定するものではない。本発明の範囲は上記の説明よりはむしろ添付の特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲に相当する意味および範囲内で行われる変更はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【００４５】
また、本明細書で用いたセクションのタイトルは米国特許法施行規則§１．７７に基づく提言を遵守して、もしくはそれ以外では本明細書の構成を分かりやすくするべく設けたものである。これらのタイトルは、本開示に基づく請求項に明記した発明を限定または特徴づけるものではない。具体的に例を挙げると、「技術分野」としてタイトルが設けてあるが、本願請求項は、いわゆる「技術分野」を説明するべくこのタイトル以下の内容に基づき選択される用語によって限定されるべきではない。また、「背景技術」のセクションにおける技術の説明は、当該技術を本明細書で開示された発明に対する先行技術と自認したものと解されるべきではない。同様に、「発明の説明」セクションの内容も本願の請求項に記載する発明を特徴づけるものとして解釈されるべきではない。またさらに、本開示において「発明」と言及しているが、本開示において請求している新規性が１点しかないと解されるべきではない。本開示内容に対応する複数の請求項の限定に基づき複数の発明が記載されているとしてもよく、このため請求項は１または複数の発明を定義しており、当該発明と同等のものは請求項によって保護される。どのような場合においても、請求項の範囲は明細書に鑑みてそれ自体で解釈されるべきであり、本明細書に記載されたタイトルによって限定されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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