(57)【要約】【課題】紫外域〜青色の短波長域を含む広波長域で高い透過率を有し、透過波長を簡単かつ高精度に可変制御できる波長可変フィルタを提供する。【解決手段】波長可変フィルタ３１は、複数の偏光子３２ａ〜３２ｄとそれらの間に配置された水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃとを有する。水晶複屈折板の結晶光学軸と偏光子の透過軸とは４５°をなすように配置する。偏光子及び水晶複屈折板全体が、その法線方向３４を入射光の光軸方向３５に対して角度ψで傾斜させて配置される。傾斜角度ψは、波長可変フィルタの所望の透過波長に対応して決定され、ステップモータ等の適当な機械式又は電気式アクチュエータによって高精度にかつ容易に調整制御することができ、それにより透過波長を変化させることができる。【選択図】図１
2009069576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の偏光子と、前記偏光子の間に配置された水晶複屈折板とを有し、前記水晶複屈折板の結晶光学軸と前記偏光子の透過軸とが４５°をなすように配置され、かつ、前記偏光子及び水晶複屈折板の主面の法線方向を入射光の光軸方向に対して所定の角度に傾斜させて配置したことを特徴とする波長可変フィルタ。
【請求項２】
１つの前記水晶複屈折板と前記水晶複屈折板を挟む２つの前記偏光子とを１ブロックとして、ｎ個（ｎ：２以上の整数）の前記ブロックを第１ブロックから第ｎブロックまで光路に沿って積層し、前記第１ブロックの前記水晶複屈折板の厚さをｄとして、前記ｎ個のブロックの前記各水晶複屈折板の厚さが２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変フィルタ。
【請求項３】
前記水晶複屈折板の前記主面の放線方向と前記結晶光学軸とのなす角度が５０〜９０°の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長可変フィルタ。
【請求項４】
前記水晶複屈折板の前記主面の放線方向と前記結晶光学軸とのなす前記角度が５４．７°であ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】
前記法線方向を前記入射光の光軸方向に対して傾斜させた前記所定の角度が、前記水晶複屈折板を透過する光がその界面において全反射しない範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変フィルタ。
【請求項６】
前記法線方向を前記入射光の光軸方向に対して傾斜させた前記所定の角度が−２４°から３２°までの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変フィルタ。
【請求項７】
前記法線方向を前記入射光の光軸方向に対して傾斜させた前記所定の角度が可変であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波長可変フィルタ。
【請求項８】
前記法線方向を前記入射光の光軸方向に対して傾斜させた前記所定の角度を変化させるアクチュエータを更に有することを特徴とする請求項７に記載の波長可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自然光や白色光源等を分光することによりイメージング分光を行ったり可変波長光源を実現するために、透過する光の波長を制御できる波長可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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を参照）。図４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２枚の偏光子２ａ〜２ｄの間にそれぞれ位相素子として複屈折板３ａ〜３ｃが、その結晶光学軸３ａ１〜３ｃ１と透過軸２ａ１〜２ｄ１とが４５°をなすように配置される。複屈折板には、方解石や水晶等の一軸性結晶が用いられる。複屈折板３ａ〜３ｃは、厚さｄi（ｉ＝１〜３）が透過順に２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜３）即ちｄ，２ｄ，４ｄとなるように構成される。前記各複屈折板を透過するスペクトルの光学位相差ｄiΔｎ（但し、ｄi：厚さ、Δｎ：複屈折率）は、λ０
を特定波長としたとき、それぞれλ０ 、２λ０ 、４λ０ となる。従って、それらを透過するスペクトルを重ね合わせると、特定波長のλ０
のところで透過率１の鋭いピークが得られる。
【０００３】
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、２枚の偏光子の間に液晶セルを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１，２を参照）。図５に示すように、この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ことができる。特に図５のバンドパスフィルタは、透過軸１２ａ１，１２ｂ１を直交させて配置される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。
【０００４】
更に、図５の構成において、液晶セルとカラーフィルタとを組み合わせた波長可変フィルタが知られている（例えば、特許文献３を参照）。図６に示すように、この波長可変フィルタ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即ちカラーフィルタ２４ａ〜２４ｃが重ねて配置されている。このカラーフィルタによって、透過スペクトルから不要なピークを吸収し、観測波長域即ち該カラーフィルタの透過波長域内に１つのピークのみを現出させることができる。
【０００５】
また、上述したリオフィルタの構成から偏光子を省略し、複屈折結晶板を光軸に対してブリュースター角で傾斜させて配置した波長可変型の複屈折フィルタが知られている（例えば、特許文献４，５を参照）。このフィルタでは、各結晶板をその法線周りに回転させることによって、連続的な透過波長の変化を実現している。この場合、入射光のＰ偏光成分は透過率が略１００％であるのに対し、Ｓ偏光成分は透過率が大幅に低下する。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２６７１２７号公報
【特許文献２】特許第３１０２０１２号公報
【特許文献３】特開２００５−１１５２０８号公報
【特許文献４】特開昭５９−１４７２２号公報
【特許文献５】特開平１０−１９０１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
波長可変フィルタは、イメージング分光に使用する場合、入射した画像情報をそのまま分光できることが望ましい。しかしながら、液晶セルは、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等からなる透明導電膜による光の反射のために、透過光量が減少するという問題がある。更に液晶セルは、特に紫外域〜青色の短波長域の光を吸収する性質がある。そのため、上述した従来の液晶セルを用いた波長可変フィルタは、短波長域での透過率が大幅に低下するという問題がある。
【０００８】
また、複数の液晶セルへの印加電圧を単一の制御回路で制御することは、各液晶セルへの印加電圧とそれにより得られる位相差とにばらつきを生じ易く、透過波長を正確に調整することが困難であったり、複雑な制御が必要となる。そのため、個々の液晶セルをそれぞれ独立の制御回路で制御する方が有利であるが、装置全体の構成及び制御が複雑になるという問題を生じる。
【０００９】
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、紫外域〜青色の短波長域を含む広い波長域の光について高い透過率を実現することができ、透過波長の可変制御をより簡単にかつ高精度に行うことができる波長可変フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者らは、一軸性結晶からなる水晶複屈折板が、液晶セルのように特定波長の光を吸収する性質ではないことに着目し、様々な検討を行った。その結果、水晶複屈折板を切り出す切断角度とその透過率との関係には、水晶の旋光性が大きく影響していることが分かった。特に、水晶複屈折板の主面即ち入射面及び出射面の法線方向と該水晶複屈折板の結晶光学軸とのなす角度、即ち該水晶複屈折板を切り出す切断角度が５０°〜９０°の範囲内にある場合に透過率が良好であった。更に、水晶複屈折板主面の法線方向を入射光の光軸方向に対して傾斜させかつ傾斜角度を変化させたシミュレーションを行った結果、該水晶複屈折板における透過光の位相差がその傾斜角度に対して比較的直線的に変化することを見出した。
【００１１】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。従って、本発明によれば、上記目的を達成するために、複数の偏光子と、それらの間に配置された水晶複屈折板とを有し、水晶複屈折板の結晶光学軸と偏光子の透過軸とが４５°をなすように配置し、それら偏光子及び水晶複屈折板を全体としてその主面の法線方向を入射光の光軸方向に対して所定の角度で傾斜させて配置した波長可変フィルタが提供される。
【００１２】
前記水晶複屈折板を透過する光は、偏光子及び水晶複屈折板の主面の法線方向と入射光の光軸方向との傾斜角度によって位相差が変化するので、該傾斜角度を適当に決定することにより、それに対応して透過スペクトルのピークの波長を設定することができる。
【００１３】
ここで、偏光子及び水晶複屈折板の主面の法線方向と入射光の光軸方向との前記傾斜角度を可変にすることによって、透過スペクトルのピーク波長を変化させ、所望の透過波長を得ることができる。更に前記傾斜角度は、水晶複屈折板を透過する光がその界面において全反射しない範囲内にすることにより、必要な透過率を確保することができる。
【００１４】
或る実施例では、前記傾斜角度を変化させる適当な機械式又は電気式アクチュエータを更に有することによって、波長可変フィルタの透過波長を高精度にかつ容易に調整制御することができる。
【００１５】
別の実施例では、１つの水晶複屈折板と該水晶複屈折板を挟む２つの偏光子とを１ブロックとして、ｎ個（ｎ：２以上の整数）のブロックを第１ブロックから第ｎブロックまで光路に沿って積層し、第１ブロックの水晶複屈折板の厚さをｄとして、ｎ個のブロックの各水晶複屈折板の厚さを２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）とすることにより、より急峻な狭帯域特性を得ることができる。
【００１６】
或る実施例では、水晶複屈折板を、その主面の放線方向と結晶光学軸とのなす角度即ちその切断角度が５０〜９０°の範囲内にあるように形成することにより、上述したように良好な透過率が得られる。
【００１７】
更に、この水晶複屈折板の切断角度を５４．７°にすると、水晶複屈折板における透過光の位相差がその傾斜角度に対して比較的直線的に変化するので、広い波長範囲内で透過波長を変更することができる。ここで、特に前記傾斜角度が−２４°から３２°までの範囲内であると、透過波長が比較的直線的に変化するので、より容易にかつ高精度に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明による波長可変フィルタの好適な実施例を詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の波長可変フィルタ３１は、従来のリオフィルタと同様に、透過軸を平行に配置した平行ニコルの複数の偏光子３２ａ〜３２ｄを有する。前記偏光子間には、それらと平行に水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃがそれぞれ配置されている。前記水晶複屈折板は、その結晶光学軸３３ａ１〜３３ｃ１と前記偏光子の透過軸３２ａ１〜３２ｄ１とが４５°をなすように配置される。別の実施例では、前記水晶複屈折板を挟む少なくとも１組２つの前記偏光子を、それらの透過軸を直交させた直交ニコルに配置した構成を採用することができる。
【００１９】
偏光子３２ａ〜３２ｄ及び水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃは、全体としてその法線方向３４が入射光の光軸方向３５に対して角度ψをもって傾斜するように配置される。この傾斜角度ψは、所望の透過波長に対応して決定される。更に傾斜角度ψは、例えばステップモータ等の適当な機械式又は電気式アクチュエータ（図示しない）によって、高精度にかつ容易に調整制御しつつ変化させることができる。但し、傾斜角度ψは、入射光が前記各水晶複屈折板の界面で全反射しない範囲で決定する必要がある。
【００２０】
水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃは、図２に示すように、水晶の直交する３つの結晶軸、即ち電気軸、機械軸、光学軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で表したとき、Ｚ面をＸ軸周りに角度α回転させた水晶板３６から切り出したものである。この切断角度α、即ち水晶複屈折板３３ａ〜３３の主面（入射面及び出射面）の法線方向と結晶光学軸（Ｚ軸）とのなす角度が５０°〜９０°の範囲であると、水晶板３６の透過率が良好で、５４．７°の場合に特に良好であることを、本願発明者らは確認した。また、切断角度α＝５４．７°の場合、水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃの傾斜角度ψは、全反射を防止する観点から４５°以下が好ましい。
【００２１】
各水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃの厚さＤi（ｉ＝１〜３）は、従来のリオフィルタと同様に、２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜３）となるように構成される。実際の厚さは、使用する波長可変フィルタ３１の透過波長範囲によって決定される。また、前記水晶複屈折板は、比較的簡単かつ安価に所望の厚さに高精度に加工することができる。
【００２２】
偏光子３２ａ〜３２ｄには、目的とする波長可変フィルタ３１の透過波長範囲に対応して、従来公知の様々な偏光子を用いることができる。例えば、一般に利用されているＰＶＡ（ポリビニルアルコール）又はそれとヨウ素との組合せを延伸させた樹脂フィルム偏光板、アルミニウム等の無機材料薄膜やフォトニック結晶を基板上に形成した無機偏光板、基板上に格子状の金属微細構造を形成したグリッド偏光板、ＰＢＳ（偏波ビームスプリッタ）プリズム等がある。ＰＶＡの樹脂フィルム偏光板が４００ｎｍ以下の波長で光の吸収が大きいのに対し、アルミニウムの無機偏光板は３５０〜８００ｎｍの広い可視光域で透過率が良くかつ耐熱性に優れている。フォトニック結晶の無機偏光板も耐熱性に優れ、光源用の波長可変フィルタに適している。ＰＢＳプリズムは、その材質を適当に選択することによって非常に広い波長範囲で使用可能であるが、他の偏光子と比較して、特に１５０〜１７０ｎｍの短波長域で良好な透過率が得られるので、紫外域の光源用の波長可変フィルタに適している。
【００２３】
波長可変フィルタ３１において、前記各水晶複屈折板を透過する光は、その傾斜角度ψによって位相差が変化し、それに対応して透過スペクトルのピークの波長が変化する。上述したように切断角度α＝５４．７°の水晶板から形成した水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃを用いて図１の波長可変フィルタ３１を構成し、３００〜８００ｎｍの可視光域について傾斜角度ψを−２４°から３２°まで８°ずつ等角度間隔で変化させながら、透過スペクトルのピークの透過率をシミュレーションした。その結果を図３に示す。
【００２４】
同図から分かるように、波長範囲全体において略１００％又はそれに近い透過率が得られ、透過率が最も低い波長３００ｎｍ付近でも９０％以上であった。しかも、透過スペクトルのピークが、傾斜角度ψの変化に対して比較的直線的に現出している。また、いずれの波長においても、透過スペクトルのピークは急峻であることを確認した。このように、本発明の波長可変フィルタは、使用する水晶複屈折板の切断角度を適当に選択することによって、透過スペクトルが急峻で優れた狭帯域特性及び高い透過性能を発揮し、かつ水晶複屈折板の傾斜角度を制御することによって透過波長を高精度にかつ簡単に調整変化させることができる。
【００２５】
上記実施例では、波長可変フィルタ３１に３枚の水晶複屈折板３３ａ〜３３ｃを用い、各水晶複屈折板及びそれを挟む２枚の偏光子を１ブロックとして、３つのブロックを透過順に積層して構成される。別の実施例では、更に多数のブロックを透過順に積層することにより、より急峻な狭帯域特性を得ることができる。その場合、各ブロックの水晶複屈折板の厚さは、図１の実施例と同様に、透過順に２ｉ−１ｄ（ｉ＝１〜ｎ）となるように設定する。本発明の波長可変フィルタは、水晶複屈折板において透過率がほとんど低下しないので、偏光子における透過率の低下を考慮しても、ブロックを６段位まで積層しても、実用上十分な透過率が得られる。
【００２６】
また、本発明によれば、公比２の等比数列をなす前記各領域の厚さは、透過順に配置する必要が無い。例えば、透過方向とは逆の順に等比数列をなすように配置したり、２ｄ：ｄ：４ｄ等のように透過順に関係なく光路に沿ってランダムに配置することができる。
【００２７】
以上、本発明についてその好適な実施例を用いて詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、偏光子及び水晶複屈折板を駆動してその傾斜角度を調整するアクチュエータは、波長可変フィルタ３１と一体に、又は外部の駆動手段として別個にかつ連結可能に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による波長可変フィルタの実施例の構成図。
【図２】図１の水晶複屈折板に使用する水晶板の切断角度を模式的に示す図。
【図３】図１の実施例の透過特性を示す線図。
【図４】リオフィルタの基本的構成を示す図。
【図５】液晶セルを用いた従来例の構成図。
【図６】液晶セルを用いた別の従来例の構成図。
【符号の説明】
【００２９】
１…リオフィルタ、２，１２ａ〜１２ｄ，２２ａ〜２２ｄ，３２ａ〜３２ｄ…偏光子、２ａ１〜２ｄ１，１２ａ１〜１２ｄ１，３２ａ１〜３２ｄ１…透過軸、３ａ〜３ｃ…複屈折板、３ａ１〜３ｃ１，３３ａ１〜３３ｃ１…結晶光学軸、１１…バンドパスフィルタ、１３ａ〜１３ｃ，２３ａ〜２３ｃ…液晶セル、２１，３１…波長可変フィルタ、２４ａ〜２４ｃ…カラーフィルタ、３３ａ〜３３ｃ…水晶複屈折板、３４…法線方向、３５…光軸方向、３６…水晶板。
【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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