(57)【要約】      （修正有）【課題】半値幅が変化しない波長可変液晶フィルタを提供する。【解決手段】液晶とリタデーション媒質を積層させ、波長依存性と電圧依存性を組み合わせて半値幅の一定化を実現する。光源と、その光軸上に、偏光子２枚を配置し、さらにこの間に配置した液晶セル１枚とリタデーション板、例えば一軸性や二軸性の複屈折性光学フィルムから構成される波長可変フィルタであって、液晶セルと複屈折性板との間におけるリタデーションの波長依存性を電圧印加に関わらず、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を一定になるように調整してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、その光軸上に、偏光子２枚を配置し、さらにこの間に配置した液晶セル１枚とリタデーション媒質、例えば一軸性や二軸性の複屈折性光学フィルムから構成される波長可変フィルタであって、液晶セルと複屈折性板との間におけるリタデーションの波長依存性を電圧印加に関わらず、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を一定になるように調整してあることを特徴とする半値幅制御型液晶波長可変フィルタ。
【請求項２】
液晶には電圧印加時の分子配向変化に伴い、複屈折性が変化するモードを用いた請求項１に記載の波長可変フィルタ。
【請求項３】
前記２枚の偏光子が互いに回転角０°あるいは９０°にて配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の波長可変フィルタ。
【請求項４】
液晶と複屈折性光学フィルムの各遅延軸を互いに回転角回転角０°あるいは９０°にて配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の波長可変フィルタ。
【請求項５】
透過率が極大を示す波長λを主波長λ０とし、その波長での液晶とリタデーション板の屈折率異方性と厚さを各々Δｎ１、Δｎ２、ｄ１、ｄ２）とする。液晶とリタデーション板を積層した構成において、液晶への電圧印加に伴いΔｎ１が変化し、λ０が移動する。その際、液晶とリタデーション板のλ０近傍におけるΔｎｄ／λ０の増減が互いに相補的な関係とし、結果的にλ０近傍におけるΔｎｄ／λ０の傾斜が一定に調整された請求項４に記載した波長可変フィルタ。
【請求項６】
液晶セルに電圧を印加し、透過する主波長を紫外、可視、赤外領域において任意可変でき、主波長が単一、あるいは複数有する請求項５に記載した波長可変フィルタ。
【請求項７】
主波長を同一にした請求項６に記載した波長可変フィルタを複数枚積層し、狭帯化を図った波長可変フィルタ。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複屈折モードを用いた波長可変液晶フィルタに係り、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ることにより、半値幅が一定で波長を可変できるフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変液晶フィルタは２次元画像の分光フィルタ等波長分析への応用が可能であり、種々の画像解析を行うことができる。画像の波長分析を行うには、これに用いる液晶フィルタの各波長における半値幅の変動を極力押さえる必要がある。特開２０００−２６７１２７「液晶を用いた波長可変カラーフィルタ」において内田等が透過軸を直交させて透過順に配置した２枚の偏光子間に、複数のＥＣＢセル、あるいはＯＣＢセルを考案している。  
【０００３】
石鍋等は狭帯域フィルタであるリオフィルタの開発を行い、半値幅の一定化について議論を行なっている。［１］その議論の中で、複屈折率Δｎ（λ）の波長分散特性波長λの２乗に比例するとして、Δｎ（λ）∝λ２となるような設計を行うと半値幅の変化が無い（一定）液晶セルを作製することが可能であることを示している。これはリタデーション値Δｎ（λ）ｄとしたときの位相値Δｎ（λ）∝λ２が波長に対して線形な関数となり、波長に因らず半値幅の一定値が得られることになる。なお、ｄは液晶層の厚さである。
【特許文献１】特開２０００−２６７１２７
【非特許文献１】Ｔ．Ｉｓｈｉｎａｂｅ，Ａ．Ｔｓｕｃｈｉｕｃｈｉ  ａｎｄ  Ｔ．Ｕｃｈｉｄａ：Ａｂｓｔｒａｃｔｓ  ｏｆ  ２０ｔｈ  ＩＬＣＣ  ２００４，  Ｎｏ．ＡＰＰＬ−Ｐ１１２，  ｐｐ．３１２（２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の波長可変フィルタでは電圧の印加に伴い、液晶分子の配向が変化する。液晶分子は複屈折性を有するた、リタデーションが電圧で変化することになる。したがって、液晶のリタデーション値が変化することで透過波長が制御されることになる。一般的に電圧印加時はΔｎ（λ）∝λ２条件を満足できなくなり、半値幅一定の条件が崩れてしまう恐れがある。そこで半値幅一定の波長可変フィルタを作ることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）光源と、その光軸上に、偏光子２枚を配置し、さらにこの間に配置した液晶セル１枚とリタデーション板、例えば一軸性や二軸性の複屈折性光学フィルムから構成される波長可変フィルタであって、液晶セルと複屈折性板との間におけるリタデーションの波長依存性を電圧印加に関わらず、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を一定になるように調整してあることを特徴とする半値幅制御型液晶波長可変フィルタ。（２）液晶には電圧印加時の分子配向変化に伴い、複屈折性が変化するモードを用いた（１）に記載の波長可変フィルタ。（３）前記２枚の偏光子が互いに回転角０°あるいは９０°にて配置されていることを特徴とする、（２）に記載の波長可変フィルタ。（４）液晶と複屈折性光学フィルムの各遅延軸を互いに回転角回転角０°あるいは９０°にて配置されていることを特徴とする、（３）に記載の波長可変フィルタ。  
【０００６】
（５）透過率が極大を示す波長λを主波長λ０とし、その波長での液晶とリタデーション板の屈折率異方性と厚さを各々Δｎ１、Δｎ２、ｄ１、ｄ２）とする。液晶とリタデーション板を積層した構成において、液晶への電圧印加に伴いΔｎ１が変化し、λ０が移動する。その際、液晶とリタデーション板のλ０近傍におけるΔｎｄ／λ０の増減が互いに相補的な関係とし、結果的にλ０近傍におけるΔｎｄ／λ０の傾斜が一定に調整された（４）に記載した波長可変フィルタ。（６）液晶セルに電圧を印加し、透過する主波長を紫外、可視、赤外領域において任意可変でき、主波長が単一、あるいは複数有する（５）に記載した波長可変フィルタ。（７）主波長を同一にした（６）に記載した波長可変フィルタを複数枚積層し、狭帯化を図った波長可変フィルタ。
【発明の効果】
【０００７】
複屈折モードを用いた波長可変液晶フィルタの波長依存性があるため、液晶と複屈折性フィルムを積層し、波長分散を組み合わせる素子を考案した。これによれば可視領域で半値幅が一定で波長が可変できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
液晶セルと一軸性フィルムの複屈折の波長分散を用いて、可視領域で一定の印加電圧変化時の半値幅の変化を一定にすることができた。液晶の複屈折モードはディスプレイ、計測評価素子、光学素子等広く用いられており、本法の分散特性の補正方式は広く応用できる。  
【０００９】
ここでは液晶素子部分として正の誘電率異方性を持つ液晶分子を図１のように平行配向した複屈折型液晶表示素子を仮定した。図２に示すように液晶分子の配向は電圧印加に伴い垂直に変化していく。そこで光学特性に影響を与える実効的な平行配向部分の割合を表すパラメータとしてｋを用いる。パラメータｋは液晶層全体の厚さｄに対する実効的な平行配向部分の厚さ２ｄｓの比率２ｄｓ／ｄである。電圧無印加状態では全ての液晶層が平行配向であるためｋ＝１となり、十分高い電圧を印加した状態では液晶分子が垂直になり、複屈折部分が無くなるのでｋ＝０となる。  
【００１０】
複屈折モードを用いた液晶は、電圧を印加させてリタデーション値を変化させ、これに応じて透過スペクトルが変化する。平行偏光子を用いた場合、波長で規格化したリタデーション値Δｎ（λ）ｄ／λが、２ｍπ（ｍ＝０，１，２・・・・）の整数倍で透過スペクトルが最大となり、（２ｍ＋１／２）π（ｍ＝０，１，２・・・・）では最小値となる。垂直偏光子では最大値と最小値が逆となる。図３にはネマチック液晶における、波長に対するリタデーションの波長依存性を示す。平行偏光子のもとでは、整数値になるＰＫ１、ＰＫ２、ＰＫ３で透過率が極大となる。  
【００１１】
図４は一般的なネマチック液晶を用いた平行配向セルを、平行ニコル間に光軸４５度に傾けて配置し、電圧は無印加（ｋ＝１）とした場合の透過率の波長依存性である。ピークが３点現われているが、それぞれの半値幅は大きく異なる。液晶は屈折率異方性の波長分散特性を有しているため、波長によってリタデーション値が異なる。このためそれぞれのピーク波長の半値幅は異なっており、長波長側ほど広くなるといった特性が得られる。これは、一般的な液晶材料は長波長側ほど波長分散の傾きが小さいためである。  
【００１２】
このことから半値幅の変化を一定に保つためには波長分散の傾きが一定に変化するような設計をしなければならない。図５は規格化したリタデーション値Δｎ（λ）ｄ／λの波長依存性を示した図である。Δｎ（λ）ｄ／λが整数値では透過率が最大となり、整数値＋０．５では最小となる。液晶は電圧無印加時（ｋ＝１．０）に大きな波長分散を示している。各ピーク付近での傾斜が異なるが、これが図２で半値幅が異なった理由である。液晶に電圧を印加するとリダデーション値は減少し、ｋ＝０になると複屈折が消滅する。  
【００１３】
液晶の印加電圧（ｋ）を変化させた場合、ピーク波長がシフトするが、半値幅も影響を受ける。図６はその様子を示したものである。それぞれの曲線は一つのピークが電圧印加によって短波長にシフトするときの半値幅の変化を示したものである。パラメータは最大透過率を示すΔｎ（λ）ｄ／λの値である。波長に対して傾斜を持つことから、半値幅が変動していることになる。短波長側で半値幅が小さくなるのは複屈折の波長依存性が大きくなるためである。  
【００１４】
複屈折モードを用いた液晶フィルタにおける設計指針は、電圧印加状態のピーク波長のシフトとともに半値幅一定の条件を見出すことである。図７に半値幅制御の概念を示す。上図はリタデーション値の波長依存性を示しており、ｍは透過率最大を示すリタデーションである。液晶セルに電圧をかけると素子のリタデーション値が変化することから、図の太線で示すような変化が起きる。このときｍ値を示す付近での傾斜が一定になるように制御できれば半値幅も一定となる。  
【００１５】
透過率が極大を示す波長λを主波長λ０とし、その波長での液晶とリタデーション板の屈折率異方性と厚さを各々Δｎ１、Δｎ２、ｄ１、ｄ２）とする。液晶とリタデーション板を積層した構成において、液晶への電圧印加に伴いΔｎ１が変化し、λ０が移動する。その際、液晶とリタデーション板のλ０近傍におけるΔｎｄ／λ０の増減が互いに相補的な関係とし、結果的にλ０近傍におけるΔｎｄ／λ０の傾斜が一定に調整された波長可変フィルタを構成する。このことにより透過光の波長
は場一定の波長可変フィルタが実現する。  
【００１６】
複屈折を制御しようとした時が液晶だけでは制限を受けてしまうため、一軸性の複屈折性フィルムを積層することでこの条件の実現を図った。単純化されたケースを考える。半値幅を一定にするためには、液晶と複屈折性フィルムを組み合わせた状態で電圧を印加したとき、どのような電圧でも同じ傾斜にならなければならない。もし、この特性が直線的で、印加電圧に因らずにその傾斜が一定であるならばどんな印加電圧においても半値幅の変化が起こらない。しかしいずれの材料も波長分散特性を持つため新たな設計が必要となる。  
【００１７】
実際には液晶も複屈折フィルムも波長に対してΔｎ（λ）ｄ／λは曲線となってしまう。しかも、電圧印加に伴いその波長依存性も変化してしまう。さらに応答回復特性を考慮して液晶層はより薄層であることが求められる。そこで複屈折モードを用いた光学フィルタの設計について述べる。  
【００１８】
液晶と複屈折フィルムの積層の際、光軸を平行にさせる場合と直交させる場合が考えられる。前者の場合、双方のリタデーション値が加算されることになる。一般的に両者は紫外域に吸収を持つため、複屈折が長波長側で低減する特性を持つ。したがって、傾斜の一定化には不都合となる。その点、後者は互いに打ち消し合いが起こり、波長依存性を緩和できる可能性があることから、この構成を採用することとした。さらに右上がりと右下がりの特性を持たせることができる。右上がりの構成では波長依存性が凸に成りやすくピーク波長の融合やシフト方向が定まらない恐れがある。以上のことから、液晶と複屈折フィルムは光軸を直交させて右下がりの特性を持たせる構成とした。  
【００１９】
この素子の場合、ｋ＝１では液晶とフィルムの複屈折が打ち消し合うことになる。ピークを示す波長の半値幅はｋ＝１では両者の短波長側のΔｎ（λ）ｄ／λ特性で決まり、ｋの低下に伴い、フィルムの長波長側の特性が反映される。ｋ＝０ではフィルム自身の複屈折が特性を決めることになる。これらの特性を考慮して得られた結果を図８に示す。ここでは光学フィルムとして一般的なポリカーボネイトを用いている。電圧印加のいずれの状態でも右下がりの特性を示している。また、半値幅の波長依存性を図９に示す。液晶単体で用いた図４の特性に比べ半値幅の変化が小さくなり、半値幅の変化が少なくなっていることが分かる。なお、波長依存性が右上がりになっているのはポリカーボネイトの波長依存性が大きいことに起因する。より波長分散の少ない材料により改善ができる。  
【００２０】
画像の２次元波長分光を念頭におき、図１０に示すリオフィルタ（非特許文献２）の構成を検討した。先の液晶層の厚さを１として、厚さの比が１：１．５：２の３枚の素子を積層した。（非特許文献３）それぞれ平行偏光子、直交偏光子、平行偏光子となるように構成した。その透過特性を図１１に、半値幅の特性を図１２に示す。半値幅を狭くすることができるとともに、半値幅の変動は液晶のみの場合と比較して、２０％程に抑制されていることが分かる。
【非特許文献２】Ｂ．Ｌｙｏｔ：Ｃｏｍｐｔｅｓ  Ｒｅｎｄｕｓ、ｖｏｌ．１９７，ｐ．１５９３（１９３３），Ａｎｎ．Ａｓｔｒｏｐｈｙｓ、ｖｏｌ．７，ｐ．３１（１９４４）．
【非特許文献３】Ｋ．Ｓａｔｏ，Ｎ．Ｋａｔｏ，Ｓ．Ｋａｎｏ，Ｙ．Ｈａｎａｚａｗａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｕｃｈｉｄａ：Ｊａｐａｎ  ｄｉｓｐｌａｙ，ｐ．３９２−３９５（１９８９）．
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の半値幅制御型波長可変液晶フィルタは透過波長域によって半値幅を一定に制御することができる。そして、２次元画像や映像の分光分析が迅速に可能となり、産業上利用価値が高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】考案した半値幅制御型波長可変フィルタの基本構成。
【図２】平行配向させた液晶セルの断面図。電圧を印加すると液晶分子はセル中央付近から配向を変化させる。表面層は実効的に配向変化しない部分を表す。
【図３】ネマチック液晶における、波長に対するリタデーションの波長依存性。平行偏光子のもとでは、整数値になるＰＫ１、ＰＫ２、ＰＫ３で透過率が極大となる。
【図４】複屈折液晶モードが示す透過率の波長依存性。透過率がピークを示す部分が長波長になるにつれ、半値幅が増加する。
【図５】波長で規格化したリタデーションΔｎ（λ）ｄ／λの波長依存性。表面層のセル厚に対する比をｋとしているが、電圧印加に伴いｋが減少し、ｋ＝１では液晶は垂直配向となりリタデーションが無くなる。
【図６】複屈折液晶モードが示す半値幅の波長依存性。電圧により波長は可変できるが、半値幅は大きく変化する。
【図７】複屈折型波長可変フィルタにおける半値幅制御の概念。液晶と複屈折性フィルタにおけるリタデーションを波長で割った値の傾斜が一定になる条件を見出すことにより、半値幅の一定化ができる。
【図８】複屈折フィルムと液晶を積層した素子におけるリタデーションの波長依存性。透過率の極大となる部分を横切る曲線の傾斜を一定にする。
【図９】複屈折フィルムと液晶を積層した素子における半値幅の波長依存性。図４に比べて半比は場の変化が抑制されている。
【図１０】狭帯域波長可変リオフィルタの構成。
【図１１】複屈折フィルムと液晶を積層した素子を用いたリオフィルタにおける透過率の波長依存性。波長を可変しても波長変化が無い。
【図１２】複屈折フィルムと液晶を積層した素子を用いたリオフィルタにおける半値幅の波長依存性。複屈折性フィルムの積層が半値幅の一定化に大きな効果を示している。
【符号の説明】
【００２３】
ＬＣａ，ＬＣｂ−−−液晶セルＲＦａ，ＲＦ１ｂ，ＲＦ２ｂ，ＲＦ３ｂ−−−リタデーション板Ｐ１ａ，Ｐ２ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ｂ−−−偏光子Ｌａ，Ｌｂ−−−入射光ＰＳａ，ＰＳｂ−−−電源     
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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