(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過軸を直交させて透過順に配置した第１、第２の偏光子間に、ネマティック液晶を用いた複数のＥＣＢセルを、該セルの光軸が第１の偏光子の透過軸となす角度を45°としセル間に透過軸を第１の偏光子と平行にした第３の偏光子を介在させて、透過順に配置してなり、配置順のセル厚が最後を除き公比２の等比数列をなし、最後のセル厚が最初の1.5 倍であって、全セルに共通の電圧制御装置から印加される各セルで同じ制御電圧の電圧レベルの３段以上の多段的あるいは連続的切替えに応じて透過色光が変化することを特徴とするネマティック液晶を用いた波長可変カラーフィルタ。
【請求項２】
前記45°に代えて22.5〜67.5°とし、前記公比２に代えて公比1.6 〜2.4 とし、前記1.5 倍に代えて1.1 〜1.9 倍とした請求項１記載の波長可変カラーフィルタ。
【請求項３】
前記ＥＣＢセルが、ベンドセルに位相差フィルムを重ねてなるＯＣＢセルである請求項１または２に記載の波長可変カラーフィルタ。
【請求項４】
前記ＯＣＢセルのベンドセル厚と位相差フィルムリタデーションの比を、相異なるＯＣＢセル間で同じ値とした請求項３記載の波長可変カラーフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ネマティック液晶を用いた波長可変カラーフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に使用されているカラーフィルタは、透過波長が固定されたものである。つまり、赤のフィルタは赤色光のみ、緑のフィルタは緑色光のみ、青のフィルタは青色光のみというように特定の波長のみ透過し、透過波長を変えるにはフィルタを交換する必要がある。この不便さを解消する技術として、ネマティック液晶の複屈折効果をリオフィルタ（Lyot-filter ）の原理に応用した波長可変カラーフィルタが知られている。
【０００３】
リオフィルタは、例えば図４（ａ）に示すように、平行ニコルの偏光子10，10間（平行偏光子間）に複屈折板（一軸結晶）11を光軸と透過軸との角度が45°になるように配置してなる積層板Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を透過順に重ね、複屈折が２の累乗倍で増加するよう、各複屈折板11の厚さを１つ前の２倍にして構成される。なお、隣り合う複屈折板ではその間の偏光子を共有することができる（以下同じ）。
【０００４】
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の透過スペクトルは図４（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、特定波長λ0 （相対波長λ0 ／λ＝１）のところで透過率１のピークを保ちながらピーク間隔が順次半減するような挙動を呈する。これらを重ね合わせると図４（ｅ）に示すように、特定波長λ0 のところで透過率１の鋭いピークが得られる（B.Lyot : Comptes Rendus 197, 1953(1933) ）。すなわち、この構成によりバンドパスフィルタとして良好な特性が得られる。なお、フィルムの枚数は４以上であってもよい。
【０００５】
前記リオフィルタの原理にネマティック液晶の複屈折効果を応用した波長可変カラーフィルタとして、修正型液晶リオフィルタが提案されている（K.Sato, N.Kato, Y.Hanazawa and T.Uchida : Proc.Japan Display,392(1989); Proc.SID 32,183(1991) ）。
これは、例えば図５に示すように、複屈折板として、１軸結晶の代わりに、ネマティック液晶を用いた電界制御複屈折セル（Electrically Controlled Birefringence Cell；ＥＣＢセルと略称する）１を使用するもので、ＥＣＢセル１を平行偏光子間に光軸と透過軸との角度が45°になるように配置してなる平行ニコル液晶セルＣ１，Ｃ２を透過順に重ね、さらにＣ２の次に、所望の波長以外の波長を可視領域から排除するために、ＥＣＢセル１を垂直偏光子間に光軸と透過軸（偏光子10の透過軸）との角度が45°になるように配置してなる垂直ニコル液晶セルＣ３を付加して構成される。
【０００６】
ＥＣＢセル１の厚さ（セル厚）ｄはどれも同じとし、各ＥＣＢセル１には個別に電圧印加装置30が接続される。
この構成によれば、平行ニコル液晶セルＣ１，Ｃ２、および垂直ニコル液晶セルＣ３に印加する電圧をリオフィルタの複屈折条件に適合するように調整することで鋭いピークの透過スペクトルが得られ、また、これら電圧の組合せを変えることで透過ピーク波長（透過スペクトルの主波長）を変えることができ、十分な量のＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の透過光が得られる。なお、平行ニコル液晶セルの枚数は３以上であってもよい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記修正型液晶リオフィルタには次のような課題が残されている。まず、電圧印加装置がセルの枚数分必要となる。また、液晶の複屈折効果に依存するため温度の影響を受けやすい。すなわち、温度変動により透過率や透過ピーク波長が変動する。そして温度の影響を電圧により補償しようとしても、セル毎の補償が必要なため回路が複雑になる。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、ネマティック液晶を用いた波長可変カラーフィルタにおいて１つの電圧印加装置を全セルで共有できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するために、まず、液晶層の光学特性を検討した。この検討内容を説明する。
複屈折の大きさを示すリタデーションδ（Ｖ）は数１式(1) で表される。すなわち、δ（Ｖ）は、光軸に平行方向の屈折率ｎe と光軸に垂直方向の屈折率ｎo の差にセル厚ｄを掛けたものである。ここでｎo は一定であるが、ｎe は各液晶分子配向状態によって異なり、数１式(2) で表される。また、ｎ（θ）は、各液晶分子が透過方向に垂直な面となす角θにより数１式(3) で与えられる。
【００１０】
【数１】
0004143202.tif 000002
【００１１】
一方、ネマティック液晶の配向は、弾性連続体理論により求められる。弾性連続体理論によれば、各液晶分子が透過方向に垂直な面となす角θとセル厚方向距離ｘとの関係は微分方程式（数２式(4) ）で表される（P.Sheng : RCA Review 35,(1974)p.408 ）。
【００１２】
【数２】
0004143202.tif 000003
【００１３】
前記式(1) 〜式(4) を解くと、電圧印加時のリタデーションδ（Ｖ）は数３式(5) で表される。ここでθM は電圧の関数であり、それ以外の変数は液晶または液晶セルの固有値である。したがって、電圧を変えればリタデーションを変えることができるが、ここで着目すべき点は、δ（Ｖ）がセル厚ｄに比例している点である。これは、セル厚の違う複数のセルに同じ電圧を印加したとき、個々のリタデーションの比はセル厚の比に等しくなることを示している。
【００１４】
【数３】
0004143202.tif 000004
【００１５】
このことから、前記修正型液晶リオフィルタにおいて、各セルに同じ電圧を印加するという条件下でリオフィルタの複屈折条件が満たされるようなセル厚の組合せを採用すれば、１つの電圧印加装置でＲＧＢの各色光を選択透過可能な波長可変カラーフィルタが実現できると考えられる。
そこで、そのようなセル厚の組合せを計算により求めると、セル厚を平行偏光子間でｄ，２ｄ、垂直偏光子間で 1.5ｄとすればよいことがわかった。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは、透過軸を直交させて透過順に配置した第１、第２の偏光子間に、ネマティック液晶を用いた複数のＥＣＢセルを、該セルの光軸が第１の偏光子の透過軸となす角度を45°としセル間に透過軸を第１の偏光子と平行にした第３の偏光子を介在させて、透過順に配置してなり、配置順のセル厚が最後を除き公比２の等比数列をなし、最後のセル厚が最初の1.5 倍であって、全セルに共通の電圧制御装置から印加される各セルで同じ制御電圧の電圧レベルの３段以上の多段的あるいは連続的切替えに応じて透過色光が変化することを特徴とするネマティック液晶を用いた波長可変カラーフィルタにある。
【００１７】
本発明では、前記45°に代えて22.5〜67.5°とし、前記公比２に代えて公比1.6 〜2.4 とし、前記1.5 倍に代えて1.1 〜1.9 倍とすることができる。また、前記ＥＣＢセルは、ベンドセルに位相差フィルムを重ねてなるＯＣＢセルが好ましい。ＥＣＢセルにＯＣＢセルを用いる場合、用いる複数のＯＣＢセル相互間で、ベンドセル厚と位相差フィルムリタデーションの比を同じ値とすることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明試作例のセル構造を示す模式図である。セル厚の異なる３枚のＥＣＢセル１を垂直偏光子（透過軸を直交させて透過順に配置した第１の偏光子10と第２の偏光子10Ａ）間に透過順に配置し、セル間には、この例では透過軸を第１の偏光子10と平行にした第３の偏光子10Ｂを介在させ、最初（平行偏光子間）のセル厚をｄ、次（平行偏光子間）のセル厚を２ｄ、最後（垂直偏光子間）のセル厚を 1.5ｄとしている。各セルは、光軸が第１の偏光子10の透過軸と45°の角度をなすように配置されている。各セルは共通の電圧印加装置30に並列接続され、各セルには同じ制御電圧が印加される。
【００１９】
この例では、ＥＣＢセル１の液晶としてチッソ（株）製のLIXON GR41を用い、セル厚は、透過順に４μm （＝ｄ），８μm （＝２ｄ），６μm （＝ 1.5ｄ）とした。
この試作例を用いて透過特性を調査した。その結果を図２に示す。制御電圧を1.4 Ｖ，1.7 Ｖ，1.9 Ｖと変えていくと、順次、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長のところで透過率のピークが現れる。なお、図中の点線は理論値、実線は実測値である。
【００２０】
ここで、２枚目のセル（セル厚２ｄ）を省略（片隣の偏光子10Ｂも省略）した場合、ピークがややブロード化し、一方、２枚目と３枚目（最後）のセル間にセル厚16μm （＝４ｄ）のセルを挿入（片隣の偏光子10Ｂも共に挿入）した場合、ピークがさらに先鋭化するが、いずれにしても、１つの電圧操作により透過スペクトルの主波長を連続的に変更することができる。すなわち、本発明では、ＥＣＢセルの枚数は３枚に限定されるものではなく、２枚以上であればよい。
【００２１】
このように、最後のセルを除き透過順のセル厚が公比２の等比数列をなすように構成し、最後のセル厚を最初の1.5 倍（より一般的には半整数倍）にすることで、１つの電圧操作により透過スペクトルの主波長を連続的に変更可能な波長可変カラーフィルタが実現する。
なお、各セルの光軸と第１又は第３の偏光子の透過軸とのなす角度は、45°を中心に±22.5°の範囲内で変化させてもフィルタとして許容できる透過特性が得られるが、この範囲を逸脱するとピーク値の低下が著しくなる。また、前記公比は２を中心に、最後のセル厚の最初に対する倍率は 1.5を中心に、それぞれ±0.4 の範囲内で変化させてもフィルタとして許容できる透過特性が得られるが、この範囲を逸脱すると可視領域内の複数の透過ピークが現れ、ピーク値が著しく低下する。
【００２２】
このため、本発明では、前記45°に代えて22.5〜67.5°とし、前記公比２に代えて公比1.6 〜2.4 とし、前記1.5 倍に代えて1.1 〜1.9 倍とすることができる。
また、本発明では、液晶セルとこれを挟む偏光子との相対的な位置関係を変えない限り、透過順を変更してもよい。例えば、基準セル厚をｄとして、透過順に、平行偏光子間２ｄ、垂直偏光子間 1.5ｄ、平行偏光子間ｄとしてもよい。
【００２３】
また、セル厚 1.5ｄは、一般にはｄの半整数倍、すなわち（ｍ＋1/2 ）ｄのセル厚であればよい。ｍ＝１の場合が 1.5ｄである。ｍが小さいと相対波長λ0 以外の波長を遮断する効果（遮断効果）が大であるが、スペクトルを先鋭にする効果（先鋭化効果）は小である。逆にｍが大きいと遮断効果は小であるが先鋭化効果は大である。この点を考慮して、用途に応じてｍを決定すればよい。
【００２４】
すなわち、本発明のさらに一般化した要旨は、透過軸を直交させて透過順に配置した第１、第２の偏光子間に、複数のＥＣＢセルを、該セルの光軸が第１の偏光子の透過軸となす角度を45°（許容範囲は22.5〜67.5°）としセル間に透過軸を第１の偏光子と平行または垂直にした第３の偏光子を介在させて、透過順に配置してなり、平行偏光子間のセル厚が互いに２（許容範囲は1.6 〜2.4 ）の累乗倍の関係にあり、垂直偏光子間のセル厚が互いに半整数倍（ (ｍ＋1/2)倍；ｍは自然数、1/2 (=0.5)の許容範囲は0.1 〜0.9 ）の関係にあることを特徴とする液晶を用いた波長可変カラーフィルタにある。
【００２５】
以上のように、本発明によれば、各セルの制御電圧を共通の値にすることができ、これによって透過スペクトルの主波長を任意に調整できるバンドパスフィルタを構成することができる。したがって、電圧操作が１つで足りる。また、３枚のＥＣＢセルで波長可変カラーフィルタを構成する場合、従来の修正型液晶リオフィルタではセル厚の比が最大４であるのに対し本発明では高々略２であるから、本発明によれば厚み過剰を回避できて現実的なセル厚設計が可能となる。そして、液晶の特性が系の温度変化により変動しても、電圧操作を１つで行えることから温度補償回路の構成も容易である。
【００２６】
ところで、前記ＥＣＢセルは、ベンドセル（ベンド配向を有する液晶セル）に位相差フィルムを重ねてなるＯＣＢセル（optically compensated bend cell ）が好ましい。というのは、ＯＣＢセルは、応答が速く視野角が広いという長所を有するからである（例えば、T.Miyashita, P.Vetter, M.Suzuki, Y.Yamaguchi and T.Uchida: Proc.Eurodisplay,p.149(1993) 、特開平７−84254 号公報等参照）。
【００２７】
なお、ＯＣＢセルを用いる場合、リオフィルタの複屈折条件に適合させるために、ベンドセルと位相差フィルムは、各々の厚さ条件を全体の厚さ条件と同じにしておくことが望ましい。すなわち、本発明で用いる厚さの異なるＯＣＢセルは厚さ方向に関して相似なものであることが好ましい。
【００２８】
【実施例】
図３は、ＯＣＢセルを用いた本発明実施例のセル構成を示す模式図である。ＥＣＢセルとしてベンドセル２Ａに位相差フィルム２Ｂを重ねてなるＯＣＢセル２を用いた。ベンドセル２Ａに用いた液晶は、チッソ（株）製のTD6004XXである。この液晶の物性は、弾性定数比：κ＝０，誘電率比：γ＝1.88，フレデリクス閾値：Ｖc ＝1.405 Ｖである。位相差フィルム２Ｂには日東電工（株）製の一軸性フィルムを用いた。
【００２９】
ベンドセル２Ａと位相差フィルム２Ｂは、それぞれの光軸と第１の偏光子10の透過軸との角度が45°になるように配置した。ベンドセルのセル厚と位相差フィルムのフィルム厚は本発明に従い表１に示す通りとした。この実施例では印加電圧に対する透過スペクトルの主波長の理論値は表２の通りである。
【００３０】
【表１】
0004143202.tif 000005
【００３１】
【表２】
0004143202.tif 000006
【００３２】
この実施例の波長可変カラーフィルタの背面側から白色光を当て、電圧印加装置30を操作して印加電圧を12.6〜2.3 Ｖの範囲で変更すると、正面側では、表２の関係に則って各種主波長の色光が交番的に透過してくるのを視認することができる。
【００３３】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、１つの電圧操作で各種色光を交番的に透過させることがきるバンドパスフィルタが実現するという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明試作例のセル構造を示す模式図である。
【図２】本発明試作例の透過特性を示す透過スペクトル図である。
【図３】本発明実施例のセル構成を示す模式図である。
【図４】リオフィルタの原理説明図である。
【図５】修正型液晶リオフィルタの構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１  ＥＣＢセル（電界制御複屈折セル）
２  ＯＣＢセル
２Ａ  ベンドセル
２Ｂ  位相差フィルム
10  偏光子（第１の偏光子）
10Ａ  偏光子（第２の偏光子）
10Ｂ  偏光子（第３の偏光子）
11  複屈折板（一軸結晶）
30  電圧印加装置
【図１】
0004143202.tif 000007
【図２】
0004143202.tif 000008
【図３】
0004143202.tif 000009
【図４】
0004143202.tif 000010
【図５】
0004143202.tif 000011