特許 6715427 液晶波長可変フィルタおよび光学部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6715427

(24)【登録日】2020年6月11日

(45)【発行日】2020年7月1日

(54)【発明の名称】液晶波長可変フィルタおよび光学部品

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20200622BHJP

   G02F 1/1347 20060101ALI20200622BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/13 505

   G02F1/1347

【請求項の数】12

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-27770(P2019-27770)

(22)【出願日】2019年2月19日

【審査請求日】2019年12月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】若生 一広

(72)【発明者】

【氏名】菊地 哲

【審査官】 鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭４９−０９６７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１７６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９７５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２４８５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０８３８８０５５（ＣＮ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／００４８０４９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｆ １／１３４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の偏光板と、第２の偏光板と、一対の前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に配置される第１の液晶セルおよび第２の液晶セルと、を含むユニット、を少なくとも１つ有する光学部品と、
前記第１の液晶セルに電圧を印加する第１の電圧源と、
前記第２の液晶セルに電圧を印加する第２の電圧源と、
前記第１の電圧源が前記第１の液晶セルに印加する電圧および前記第２の電圧源が前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することにより前記光学部品を透過する光の波長範囲である透過波長域を制御するとともに、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのリタデーションが、前記光学部品の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するように前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのそれぞれに印加する電圧を制御する電圧制御部と、
を備え、
前記第１の液晶セルの光学軸は、前記第２の液晶セルの光学軸と直交することを特徴とする液晶波長可変フィルタ。

【請求項2】

前記ユニットは、一対の前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に、さらに、リタデーションが予め定められている位相差板を含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項3】

前記電圧制御部は、複数の前記透過波長域のうち少なくとも１つの前記透過波長域に対応する透過率の半値幅が定められた値となるように前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項4】

前記電圧制御部は、第１の透過波長域の透過率の半値幅が前記第１の透過波長域より長波長の第２の透過波長域の透過率の半値幅に近づくように、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項5】

前記電圧制御部は、第１の透過波長域の透過率の半値幅が前記第１の透過波長域より長波長の第２の透過波長域の透過率の半値幅に近づくように、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項6】

前記第１の透過波長域のピーク波長を含む波長領域で、前記ユニットのリタデーションが、前記ピーク波長のモードを示す整数または半整数であるモード値と波長とを乗算した値と近づくように前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項４または５に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項7】

前記電圧制御部は、第１の透過波長域より長波長の第２の透過波長域の透過率の半値幅が、前記第１の透過波長域の透過率の半値幅に近づくように、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項8】

前記第１の透過波長域で、前記第２の液晶セルのリタデーションが、波長が長くなるにつれて、前記位相差板および前記第１の液晶セルのリタデーションの合計値に比べ急激に減少するように前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項４に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項9】

前記第１の透過波長域で、前記第２の液晶セルのリタデーションが、波長が長くなるにつれて、前記第１の液晶セルのリタデーションに比べ急激に減少するように前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項５に記載の液晶波長可変フィルタ。

【請求項10】

第１の偏光板と、第２の偏光板と、一対の前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に配置される第１の液晶セルおよび第２の液晶セルと、を含むユニット、を少なくとも１つ有する光学部品と、
前記第１の液晶セルに電圧を印加する第１の電圧源と、
前記第２の液晶セルに電圧を印加する第２の電圧源と、
前記第１の電圧源が前記第１の液晶セルに印加する電圧および前記第２の電圧源が前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することにより前記光学部品を透過する光の波長範囲である透過波長域を制御するとともに、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのリタデーションが、前記光学部品の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するように前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのそれぞれに印加する電圧を制御する電圧制御部と、
を備え、
前記ユニットは、一対の前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に、さらに、リタデーションが予め定められている位相差板を含み、
第１の透過波長域の透過率の半値幅が前記第１の透過波長域より長波長の第２の透過波長域の透過率の半値幅に近づくように、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御し、
前記第１の透過波長域で、前記第２の液晶セルのリタデーションが、波長が長くなるにつれて、前記位相差板および前記第１の液晶セルのリタデーションの合計値に比べ急激に減少するように前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする液晶波長可変フィルタ。

【請求項11】

第１の偏光板と、第２の偏光板と、一対の前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に配置される第１の液晶セルおよび第２の液晶セルと、を含むユニット、を少なくとも１つ有する光学部品と、
前記第１の液晶セルに電圧を印加する第１の電圧源と、
前記第２の液晶セルに電圧を印加する第２の電圧源と、
前記第１の電圧源が前記第１の液晶セルに印加する電圧および前記第２の電圧源が前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することにより前記光学部品を透過する光の波長範囲である透過波長域を制御するとともに、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのリタデーションが、前記光学部品の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するように前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのそれぞれに印加する電圧を制御する電圧制御部と、
を備え、
第１の透過波長域の透過率の半値幅が前記第１の透過波長域より長波長の第２の透過波長域の透過率の半値幅に近づくように、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御し、
前記第１の透過波長域で、前記第２の液晶セルのリタデーションが、波長が長くなるにつれて、前記第１の液晶セルのリタデーションに比べ急激に減少するように前記第２の液晶セルに印加する電圧を制御することを特徴とする液晶波長可変フィルタ。

【請求項12】

光学部品であって、
第１の偏光板と、
第２の偏光板と、
リタデーションが予め定められている位相差板と、
第１の液晶セルと、
第２の液晶セルと、
を備え、
前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に前記位相差板、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルが配置され、
前記第１の液晶セルの光学軸は、前記第２の液晶セルの光学軸と直交し、
前記第１の液晶セルに印加する電圧および前記第２の液晶セルに印加する電圧が制御されることにより前記光学部品を透過する光の波長範囲である透過波長域が制御されるとともに、前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのリタデーションが、前記光学部品の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するように前記第１の液晶セルおよび前記第２の液晶セルのそれぞれに印加する電圧が制御されることを特徴とする光学部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、透過波長を任意に制御できる液晶波長可変フィルタおよび光学部品に関する。

【背景技術】

【0002】

液晶波長可変フィルタ（ＬＣＴＦ：Liquid Crystal Tunable Filter）は、画像情報を保持しながら任意の波長の光を透過させる光学フィルタである。液晶素子に印加する電圧を変更することで液晶波長可変フィルタの透過波長を容易に変更することが可能である。

【0003】

例えば、特許文献１には、偏光板と、偏光板の間に挟まれる液晶素子と、液晶素子に電圧を印加する電圧源とを備える液晶波長可変フィルタが開示されている。このような液晶波長可変フィルタは、分光イメージングの分野において用いることが可能である。分光イメージングは、農林水産、航空宇宙、医療、食品、工業をはじめとする多くの分野において様々な用途で用いられる。例えば、分光イメージングを行うことで、農作物の生育状況や血糖値を測定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０３−２８２４１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

液晶波長可変フィルタの各透過波長すなわち各波長ピークに対応する透過率の半値幅は、波長に依存する。このため、液晶波長可変フィルタの透過波長域内の長波長で半値幅が適切になるように設計すると、透過波長域内の短波長では半値幅が狭すぎてしまう。逆に、液晶波長可変フィルタの透過波長域内の短波長で半値幅が適切になるように設計すると、透過波長域内の長波長では半値幅が広すぎてしまう。上記特許文献１には、半値幅の調整についての開示はない。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、各波長ピークの透過率の半値幅を自在に制御できる液晶波長可変フィルタおよび光学部品を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の偏光板と、第２の偏光板と、一対の前記第１の偏光板および前記第２の偏光板の間に配置される第１の液晶および第２の液晶と、を含むユニット、を少なくとも１つ有する光学部品と、前記第１の液晶および前記第２の液晶に電圧を印加する電圧源と、前記電圧源が前記第１の液晶および前記第２の液晶に印加する電圧を制御することにより前記光学部品を透過する光の波長範囲である透過波長域を制御するとともに、前記第１の液晶および前記第２の液晶のリタデーションが、前記光学部品の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するように前記第１の液晶および前記第２の液晶に印加する電圧を制御する前記電圧制御部と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、各波長ピークの透過率の半値幅を自在に制御できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１の実施形態にかかる液晶波長可変フィルタの機能を示す図である。

【図2】図１に示す液晶波長可変フィルタの機能構成例を示す図である。

【図3】図２に示す光学部品の構成例を示す図である。

【図4】高リタデーション時と低リタデーション時のそれぞれにおける波長と透過率の関係を示す図である。

【図5】実施の形態の液晶波長可変フィルタ１の構成例を示す図である。

【図6】ピーク波長の周辺の透過率が１となるように調整したリタデーションの一例を示す図である。

【図7】図６のようにリタデーションを調整した場合の透過率を示す図である。

【図8】実施の形態のユニットの物理的な構成を示す模式図である。

【図9】サブ液晶の有無によるユニットのリタデーションの差を示す模式図である。

【図10】位相差クリスタルおよびメイン液晶のリタデーションとこれらの合計値の波長依存の一例を示す図である。

【図11】サブ液晶のリタデーションの波長依存の一例を示す図である。

【図12】位相差クリスタル、メイン液晶およびサブ液晶を組み合わせた場合のリタデーションの波長依存の一例を示す図である。

【図13】実施の形態のユニットの透過率を、サブ液晶を設けない比較例の透過率とともに示す図である。

【図14】実施の形態のユニットを含む７つのユニットを組み合わせた場合の透過率の一例を示す図である。

【図15】長波長側の半値幅を狭める手法における位相差クリスタル、メイン液晶およびサブ液晶の合計のリタデーションの一例を示す図である。

【図16】図１５に示した調整を行った場合の透過率の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明の実施の形態にかかる液晶波長可変フィルタおよび光学部品を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0011】

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる液晶波長可変フィルタ１の機能を示す図である。液晶波長可変フィルタ１は、撮像範囲からの入射光が入射されると、設定された透過波長域の波長の光を透過させて、透過波長域以外の波長の光を遮断する。液晶波長可変フィルタ１は、定められた全波長範囲のなかで透過波長域を変更可能である。液晶波長可変フィルタ１に設定可能な各透過波長域において、透過率がピークとなる波長を、以下、ピーク波長と呼ぶ。全波長範囲は、どのように設定されてもよいが、例えば、４００ｎｍ−１６００ｎｍである。撮像装置２は、液晶波長可変フィルタ１の透過光を撮像して、画像データを生成する。

【0012】

液晶波長可変フィルタの各ピーク波長に対応する各透過波長域の透過率の波長に対する特性は、各ピーク波長の透過率をピークとし、ピーク波長から離れるにしたがって透過率が低下する形状となる。一般に、液晶波長可変フィルタにおいては、各透過波長域の透過率の半値幅は、波長に依存する。

【0013】

一般に、液晶波長可変フィルタは、２枚の偏光板と該２枚の偏光板に挟まれる液晶とを含むユニットを１つ以上備える。１ユニットの透過率Ｔは、２枚の偏光板の透過軸が平行なパラレルニコルの場合、以下の式（１）で表すことができ、２枚の偏光板の透過軸が直交するクロスニコルの場合、以下の式（２）で表すことができる。λは波長を示し、δはリタデーションを示す。
Ｔ＝cos²（（δ／λ）π） …（１）
Ｔ＝sin²（（δ／λ）π） …（２）

【0014】

上記式からわかるように、透過率は１／λに比例して変化するため、短波長ほど透過率の変化が激しくなる。図２は、各ピーク波長に対応する透過率特性の一例を示す図である。図２において、透過率１０１〜１０８は、それぞれピーク波長４００ｎｍ，４９１ｎｍ，６０１ｎｍ，７７６ｎｍ，８８６ｎｍ，１０３１ｎｍ，１２０１ｎｍ，１５４１ｎｍに対応する透過率特性を示す。図２から、波長が長いほど透過率特性が波長方向に広がっており半値幅が広くなっていることがわかる。

【0015】

また、上記式（１）、（２）からわかるように、リタデーションが大きいほど透過率の波長に依存する変化が激しくなる。図３は、高リタデーション時と低リタデーション時のそれぞれにおける波長と透過率（規格化透過率）の関係を示す図である。透過率１１０は、高リタデーション時（高δ時）の透過率を示し、透過率１０９は、低リタデーション時（低δ時）の透過率を示している。図３および上記式（１）、（２）からわかるように、高リタデーション時は、低リタデーション時に比べて、波長に依存した透過率の変化が激しくなる。

【0016】

さらに、リタデーションは波長が短いほど急激に変化する。図４は、リタデーションの波長依存性を示す図である。図４に示すように、リタデーションは、短波長側では波長に依存した変化が激しくなっている。

【0017】

以上のように、透過率が波長に依存することと、リタデーションが波長に依存することの２つの要因により、各ピーク波長の透過率の半値幅は波長に依存することになる。

【0018】

一方、光量のバランス等の観点から、波長によらず透過率の半値幅をなるべく均等に調整したい場合がある。上述したとおり、各ピーク波長の透過率の半値幅は波長に依存するため、液晶波長可変フィルタの透過波長域内の長波長で半値幅が適切になるように設計すると、透過波長域内の短波長では半値幅が狭すぎてしまう。逆に、液晶波長可変フィルタの透過波長域内の短波長で半値幅が適切になるように設計すると、透過波長域内の長波長では半値幅が広すぎてしまう。また、あるピーク波長に対応する透過率の半値幅を所望の値にしたいといった要求がある場合もある。本実施の形態の液晶波長可変フィルタ１は、後述するようにメイン液晶とサブ液晶とを組み合わせることによりリタデーションの調整の自由度を上げることで、各ピーク波長に対応する半値幅を自在に制御できる。

【0019】

次に、本実施の形態の液晶波長可変フィルタ１の構成について説明する。図５は、本実施の形態の液晶波長可変フィルタ１の構成例を示す図である。本実施の形態の液晶波長可変フィルタ１は、１つ以上のユニット１０から構成される光学部品４０と、各ユニット１０に電圧を印加する電圧源２０と、各電圧源２０がユニット１０に印加する電圧の値を指示する電圧制御部３０とを有する。

【0020】

以下、光学部品４０を構成するユニット１０のそれぞれを区別する場合、符号の後に枝番号を付加する。具体的には、図５に示した例では、光学部品４０は、３つのユニット１０−１、ユニット１０−２、およびユニット１０−３を有する。図５では、液晶波長可変フィルタ１が３つのユニット１０を備える例を示しているが、液晶波長可変フィルタ１は１つ以上のユニット１０を備えればよく、ユニット１０の数は図５に示した例に限定されない。

【0021】

ユニット１０のそれぞれは、第１の偏光板である偏光子１１と、第２の偏光板である検光子１２とを有している。ユニット１０のそれぞれは、さらに、偏光子１１と検光子１２との間に配置される中間部を備えている。中間部は、位相差板である位相差クリスタル１３と、第１の液晶であるメイン液晶１４Ａと、第２の液晶であるサブ液晶１４Ｂとで構成される。すなわち、光学部品４０は、偏光子１１と、検光子１２と、偏光子１１および検光子１２の間に配置され、リタデーションが予め定められている位相差クリスタル１３と、位相差クリスタル１３と検光子１２の間に配置されるメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂと、を備える。なお、図５に示した例では、中間部が、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａ、サブ液晶１４Ｂの順に配置されているが、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａ、サブ液晶１４Ｂの並び順は任意であり、図５に示した例に限定されない。例えば、位相差クリスタル１３がメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂの間に配置されてもよい。

【0022】

各ユニット１０を構成する偏光子１１と検光子１２は、透過軸が互いに平行であってもよいし、透過軸が互いに直交していてもよい。また、液晶波長可変フィルタ１が備えるユニット１０が複数である場合、偏光子１１と検光子１２の透過軸が互いに平行なユニット１０と、偏光子１１と検光子１２の透過軸が互いに直交なユニット１０と、の組み合わせであってもよい。なお、隣接するユニット１０の偏光子１１と検光子１２を１つの偏光板により実現してもよい。例えば、ユニット１０−１の検光子１２−１と、ユニット１０−１に隣接するユニット１０−２の偏光子１１−２と、を１つの偏光板により実現してもよい。

【0023】

また、図５に示した例では、本実施の形態で述べるユニット１０を複数備える例を示しているが、液晶波長可変フィルタ１の光学部品４０の備えるユニットのうち一部は、ユニット１０と異なる他の構成のユニットであってもよい。例えば、光学部品４０の備える他の構成のユニットとして、中間部がメイン液晶１４Ａのみで構成されるユニットを備えていてもよいし、中間部が位相差クリスタルとメイン液晶１４Ａで構成されるユニットを備えていてもよい。

【0024】

また、各ユニット１０を構成するサブ液晶１４Ｂは、メイン液晶１４Ａと光学軸が９０度異なる。すなわち、各ユニット１０を構成するメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂは、光学軸が互いに直交する。メイン液晶１４Ａの材料とサブ液晶１４Ｂの材料とは同じであってもよいし異なっていてもよい。異なる材料を使用すると、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂで波長分散特性が異なることになるため、この違いも利用して、後述する半値幅の調整も行ってもよい。また、メイン液晶１４Ａのセルギャップとサブ液晶１４Ｂのセルギャップとについても、同じあってもよいし異なっていてもよい。

【0025】

液晶波長可変フィルタ１は、各メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに接続される複数の電圧源２０を有する。メイン液晶１４Ａに接続されている電圧源２０を電圧源２０Ａと称し、サブ液晶１４Ｂに接続されている電圧源２０を電圧源２０Ｂと称する。図５では、ユニット１０−１、ユニット１０−２およびユニット１０−３のそれぞれに対応する偏光子１１、検光子１２、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａ、サブ液晶１４Ｂ、電圧源２０Ａおよび電圧源２０Ｂに、各ユニットと同一の枝番号を付加した符号を付している。位相差クリスタル１３は、リタデーションが予め定められており、波長に応じた固有のリタデーションを有する。メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂは、接続される電圧源２０から印加される電圧に応じて透過波長域が制御される。このとき、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂのリタデーションは、印加される電圧に応じて変化する。なお、図５では、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂのそれぞれに対応した電圧源２０を備える例を示しているが、１つの電圧源２０がメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに電圧を印加してもよい。

【0026】

液晶波長可変フィルタ１は、複数の電圧源２０に接続された電圧制御部３０を有する。電圧制御部３０は、各電圧源２０がメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧の値を指示することによって、ユニット１０ごとに光学部品４０を透過する光の波長範囲である透過波長域を制御する。すなわち、電圧制御部３０は、電圧源２０がメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御することにより光学部品４０の透過波長域を制御する。また、電圧制御部３０は、電圧源２０がメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御することにより光学部品４０のリタデーションを制御することができる。すなわち、電圧制御部３０は、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂのリタデーションが、光学部品４０の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するようにメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御することが可能である。

【0027】

次に、本実施の形態の各ピーク波長に対応する透過率の半値幅の制御について説明する。本実施の形態では、光学軸が互いに直交するメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂを用いることで、リタデーションの波長依存性が所望の特性となるように制御する。ここでは、一例として波長ごとの半値幅の差を抑制する、すなわち半値幅を波長によらずなるべく均一にするようにする例を説明する。半値幅を波長によらずなるべく均一にする場合、具体的な制御の手法としては、長波長側または短波長側のどちらかで半値幅が所望の値となるように位相差クリスタル１３のリタデーションを決定し、他の波長における半値幅を、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂのリタデーションを調整することによって制御する手法が考えられる。

【0028】

上記手法の例として、まず、長波長側で半値幅が所望の値となるように位相差クリスタル１３のリタデーションを決定し、短波長側の半値幅を広げるようにメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂのリタデーションを調整する手法（以下、短波長側の半値幅を広げる手法と呼ぶ）について説明する。

【0029】

ユニット１０の透過率は、リタデーションδがδ＝ｍλを満たすときに１となる。ｍはモードを示す値であり、パラレルニコルの場合は整数であり、クロスニコルの場合は半整数である。半値幅の調整対象とする透過波長域のピーク波長をλ_Ｐとし、ピーク波長λ_Ｐに対応するリタデーションをδ_Ｐとし、λ_Ｐおよびδ_Ｐに対応するｍの値をｍ_Ｐとする。このｍ_Ｐを用いて、ユニット１０の透過率が、ピーク波長λ_Ｐだけでなくピーク波長λ_Ｐの周辺でも１となるようにδを調整すれば、透過率が大きくなる範囲を広げることができる。すなわち、ピーク波長λ_Ｐの周辺でδ＝ｍ_Ｐλとなるようにすれば、透過率が大きくなる範囲を広げることができる。例えば、短波長側の第１の透過波長域のピーク波長を含む波長領域で、ユニット１０のリタデーションが、ピーク波長のモードを示す整数または半整数であるモード値と波長とを乗算した値と近づくようにメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御する。

【0030】

図６は、ピーク波長の周辺の透過率が１となるように調整したリタデーションの一例を示す図である。図７は、図６に示したリタデーションの調整を行った場合の透過率を示す図である。図６および図７に示した例では、ピーク波長λ_Ｐが４００ｎｍであり、ｍ_Ｐが６．５であり、４００ｎｍの周辺の範囲として３９０ｎｍ−４１０ｎｍの範囲で透過率を１となるようにδを調整している。図６に示すように、３９０ｎｍ−４１０ｎｍの範囲で、δ＝ｍ_Ｐλとなるように調整すれば、図７に示すように、３９０ｎｍ−４１０ｎｍの範囲で透過率を１とすることができる。図６および図７では、３９０ｎｍ−４１０ｎｍの範囲で透過率を１とする例を説明したが、厳密に図６および図７に示した特性とならなくても、図６および図７に示した特性に近づけば、透過率が大きくなる範囲を広げることができる。

【0031】

このようなδの調整を行うために、本実施の形態では、ユニット１０に、メイン液晶１４Ａと、光軸がメイン液晶１４Ａと９０度異なるサブ液晶１４Ｂとを設けている。図８は、本実施の形態のユニット１０の物理的な構成を示す模式図である。図８において、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに示した矢印は光学軸を示し、偏光子１１および検光子１２に示した矢印は透過軸を示している。

【0032】

図９は、サブ液晶１４Ｂの有無によるユニット１０のリタデーションの差を示す模式図である。図９の上段には、サブ液晶１４Ｂが無い場合、すなわち、偏光子１１と検光子１２とに挟まれる中間部が、位相差クリスタル１３とメイン液晶１４Ａで構成される場合のリタデーションを模式的に示している。図９の下段には、サブ液晶１４Ｂが有る場合、すなわち、偏光子１１と検光子１２とに挟まれる中間部が、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂで構成される場合のリタデーションを模式的に示している。図９では、ある波長におけるリタデーションを模式的に示している。

【0033】

位相差クリスタル１３のリタデーションは波長に応じた固有のものである。図９の上段の左端に示すように位相差クリスタル１３の、ある波長におけるリタデーションは固定である。一方、図９の上段の左端から２番目に示すメイン液晶１４Ａのリタデーションは、印加される電圧に応じて変更可能である。図９では、メイン液晶１４Ａのリタデーションの最小値をハッチングで示している。メイン液晶１４Ａのハッチングされた部分の上の波線で囲まれた部分がリタデーションを変更可能な範囲である。図９の上段の右端に示すように、位相差クリスタル１３とメイン液晶１４Ａを組み合わせたときには、リタデーションの最小値は、位相差クリスタル１３のリタデーションにメイン液晶１４Ａのリタデーションの最小値を加算した値（合計最小値とよぶ）となる。また、位相差クリスタル１３とメイン液晶１４Ａを組み合わせたときのリタデーションの可変範囲は、図９にδ可変範囲と示したように、合計最小値より上の破線の範囲となる。

【0034】

図９の下段において、左端に示す位相差クリスタル１３のリタデーションと、左端から２番目のメイン液晶１４Ａのリタデーションとは、図９の上段と同様である。一方、下段では、左端から３番目に示したサブ液晶１４Ｂのリタデーションが追加される。図９では、サブ液晶１４Ｂのリタデーションの最小値をハッチングで示している。サブ液晶１４Ｂのハッチングされた部分の上の波線で囲まれた部分はリタデーションを変更可能な範囲である。サブ液晶１４Ｂは、メイン液晶１４Ａと光学軸が９０度異なるため、メイン液晶１４Ａのリタデーションからサブ液晶１４Ｂのリタデーションが引かれることになる。このため、図９の下段の右端に示すように、位相差クリスタル１３とメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂとを組み合わせたときのリタデーションの最小値は、位相差クリスタルのリタデーションより低い値にすることができる。図９の下段の右端に示すように、位相差クリスタル１３とメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂとを組み合わせたときのリタデーションの可変範囲は、位相差クリスタル１３のリタデーションより低い値から位相差クリスタルのリタデーションより大きい値までの広い範囲となる。

【0035】

図１０は、位相差クリスタル１３およびメイン液晶１４Ａのリタデーションとこれらの合計値の波長依存の一例を示す図である。図１０において、リタデーション２０２は、位相差クリスタル１３のリタデーションを示し、リタデーション２０３は、メイン液晶１４Ａのリタデーションを示し、合計値２０１は、位相差クリスタル１３およびメイン液晶１４Ａを組み合わせた場合のリタデーションを示す。なお、メイン液晶１４Ａのリタデーションは上述したとおり変更可能であるが、図１０ではメイン液晶１４Ａのリタデーション可変範囲のうちの１つを例として示している。図１１は、サブ液晶１４Ｂのリタデーションの波長依存の一例を示す図である。図１１において、リタデーション２０４は、サブ液晶１４Ｂのリタデーションを示している。なお、サブ液晶１４Ｂのリタデーションは上述したとおり変更可能であるが、図１１ではサブ液晶１４Ｂのリタデーションの可変範囲のうちの１つを例として示している。図１０および図１１からわかるように、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂのリタデーションはいずれも波長が短いほど増加する。また、サブ液晶１４Ｂのリタデーションは、位相差クリスタル１３およびメイン液晶１４Ａのリタデーションに比べ、短波長側での変化が急激である。すなわち、サブ液晶１４Ｂのリタデーションは、短波長側では波長が長くなるに従って急激に減少する。

【0036】

図１２は、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂを組み合わせた場合のリタデーションの波長依存の一例を示す図である。上述したように、サブ液晶１４Ｂのリタデーションは、位相差クリスタル１３およびメイン液晶１４Ａのリタデーションから引かれることになる。このため、図１２に示すように、これらを組みあわた場合、短波長側で、サブ液晶１４Ｂの特性（波長が長くなるに従ってリタデーションが急激に減少する特性）が反転し、波長が長くなるに従ってリタデーションが増加する特性が得られる。すなわち、サブ液晶１４Ｂのリタデーションを図１１に示すように波長が長くなるに従ってリタデーションが急激に減少する特性となるように調整すれば、位相差クリスタル１３およびメイン液晶１４Ａと組み合わせると、波長が長くなるに従ってリタデーションが増加する特性が得られる。これにより、短波長側で、図６に示した特性に近い特性を得ることができる。したがって、ピーク波長に応じて、透過率が１となる範囲を広げる特性となるように、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂのリタデーションを調整することで、半値幅を広げることができる。このように、短波長側の半値幅を広げる手法では、電圧制御部３０は、短波長側の第１の透過波長域の透過率の半値幅が第１の透過波長域より長波長の第２の透過波長域の透過率の半値幅に近づくように、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御する。

【0037】

図１３は、本実施の形態のユニット１０の透過率を、サブ液晶１４Ｂを設けない比較例の透過率とともに示す図である。図１３において、透過率３０１は、本実施の形態のユニット１０すなわち位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂを備える場合の透過率を示し、透過率３０２は、サブ液晶１４Ｂを設けない比較例の透過率を示す。図１３では、１つのユニット１０を用いて、図６および図７の特性となるように、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂを調整した場合の透過率特性を示す。図１３に示した例では、図６および図７の例と同様、ピーク波長は４００ｎｍとし、ｍ_Ｐは６．５としている。このように、本実施の形態のユニット１０の透過率は、比較例に比べて値の大きい範囲が波長方向に広がっていることがわかる。

【0038】

図１４は、本実施の形態のユニット１０を含む７つのユニットを組み合わせた場合の透過率の一例を示す図である。図１４において、透過率３０３は、図１３に示した透過率特性を有する本実施の形態のユニット１０と、他の６つのユニットとを組み合わせた合計７つのユニットを用いた場合の透過率を示している。また、透過率３０４は、図１３に示した比較例のユニットと、上記他の６つのユニットとを組み合わせた合計７つのユニットを用いた場合の透過率を示している。他の６つのユニットは、本実施の形態のユニット１０であってもよいし、他の構成のユニットであってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。図１３に示す透過率特性を有するユニット１０を用いて、不要な波長域の透過率を低下させるような特性を他の６つのユニットにより実現することで、図１４に示すように、本実施の形態のユニット１０を含む７つのユニットを組み合わせた場合の透過率３０３では、比較例のユニットを用いた場合の透過率３０４に比べて、半値幅が広くなっている。なお、これら他の６つのユニットの透過率特性の調整については、一般的な液晶波長可変フィルタにおける技術を用いることができるため、詳細な説明は省略する。

【0039】

なお、図１４では、７つのユニットを組み合わせる例を説明したが、組み合われるユニットの数は７つに限定されない。例えば、１つのユニット１０を用いてリタデーションを調整して、透過率特性が所望の半値幅となるようにしてもよい。

【0040】

以上、短波長側の半値幅を広げる手法を説明した。上述したように、半値幅を広げるようなリタデーションの調整すなわちメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂへ印加する電圧の調整をピーク波長ごとに実施し、電圧制御部３０は、調整により得られたメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂへ印加する電圧をピーク波長ごとに保持しておく。例えば、まず、調整対象のピーク波長が、透過率のピークとなるようにメイン液晶１４Ａに印加する電圧を調整する。その後、上述したように、半値幅を広げるようなリタデーションとなるようにサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を調整する。さらに、必要に応じて、半値幅を広げるようなリタデーションとなるようにサブ液晶１４Ｂに印加する電圧とメイン液晶１４Ａに印加する電圧を微調整する。さらに、他のユニットを組み合わせて使用する場合にも同様に、他のユニットについても、同様に電圧を調整して、最終的に、ピーク波長ごとに所望の半値幅となるように、全ユニットの電圧を調整する。このような調整により得られた、ユニットごとの電圧をテーブルとして、電圧制御部３０に設定しておく。そして、液晶波長可変フィルタ１を使用する際には、電圧制御部３０は、テーブルを参照して、所望のピーク波長に対応する電圧を印加するよう各電圧源２０を制御する。

【0041】

次に、短波長側で半値幅が所望の値となるように位相差クリスタル１３のリタデーションを決定し、長波長側の半値幅を狭めるようにメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂのリタデーションを調整する手法（以下、長波長側の半値幅を狭める手法と呼ぶ）について説明する。

【0042】

短波長側で半値幅が所望の値となるように位相差クリスタル１３のリタデーションを決定する。そして、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂのリタデーションを、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂの合計のリタデーションが、長波長側で、波長が長くなるに従って急激に減少するように調整する。図１５は、長波長側の半値幅を狭める手法における位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂの合計のリタデーションの一例を示す図である。

【0043】

図１５に示すように、位相差クリスタル１３、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂの合計のリタデーションが、波長が長くなるに従って急激に減少するように調整することで、長波長側の透過率の半値幅を狭めることができる。図１６は、図１５に示した調整を行った場合の透過率の一例を示す図である。図１６では、１つのユニット１０の透過率を示している。透過率３０５は、本実施の形態のユニット１０の透過率を示しており、透過率３０６は、比較例の透過率を示している。図１６に示すように、本実施の形態のユニット１０では、長波長側の透過率のピークの間隔を狭くすることができ、透過率の半値幅を狭めることができる。

【0044】

なお、以上説明した例では、中間部は、位相差クリスタル１３とメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂとの３つの素子で構成されている例を説明したが、液晶波長可変フィルタ１に要求される透過率特性によっては、中間部がメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂの２つの素子で構成されてもよい。

【0045】

なお、以上の説明では、メイン液晶１４Ａの光学軸とサブ液晶１４Ｂの光学軸とが直交する例を示した。しかしながら、この例に限定されず、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂを組み合わせて、所望の半値幅を実現するためのリタデーションの特性を実現できれよく、メイン液晶１４Ａの光学軸とサブ液晶１４Ｂの光学軸とが７０°異なる等、光学軸の方向の角度差は９０°に限定されない。メイン液晶１４Ａのリタデーションとサブ液晶１４Ｂのリタデーションとが引き算の関係となるような光学軸の方向の角度差であればよい。さらには、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂの材料が異なる等によりメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂのリタデーションが異なる場合には、メイン液晶１４Ａのリタデーションとサブ液晶１４Ｂのリタデーションが足し算になる場合であっても、所望の半値幅を実現するためのリタデーションの特性を実現できる可能性もある。したがって、メイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂを組み合わせて、所望の半値幅を実現するためのリタデーションの特性を実現するように調整できれば、メイン液晶１４Ａの光学軸とサブ液晶１４Ｂの光学軸との角度差が、メイン液晶１４Ａのリタデーションとサブ液晶１４Ｂのリタデーションが足し算になるような値であってもよい。

【0046】

また、以上の説明では、半値幅を波長によらずなるべく均等に調整する例を説明したが、このような例に限らず、ある波長ピークに対応する透過率の半値幅を所望の値にしたいといった場合にも、同様にメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂのリタデーションを調整すればよい。すなわち、電圧制御部３０が、複数の透過波長域のうち少なくとも１つの透過波長域に対応する透過率の半値幅が定められた値となるようにメイン液晶１４Ａとサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御すればよい。このように、この本実施の形態によれば、各波長ピークに対応する透過率の半値幅を自在に制御することができる。

【符号の説明】

【0047】

１ 液晶波長可変フィルタ、２ 撮像装置、１０，１０−１，１０−２，１０−３ ユニット、１１，１１−１，１１−２，１１−３ 偏光子、１２，１２−１，１２−２，１２−３ 検光子、１３ 位相差クリスタル、１４Ａ，１４Ａ−１，１４Ａ−２，１４Ａ−３ メイン液晶、１４Ｂ，１４Ｂ−１，１４Ｂ−２，１４Ｂ−３ サブ液晶、２０，２０Ａ，２０Ａ−１，２０Ａ−２，２０Ａ−３，２０Ｂ，２０Ｂ−１，２０Ｂ−２，２０Ｂ−３ 電圧源、３０ 電圧制御部、４０ 光学部品。

【要約】

【課題】透過率の各波長ピークの半値幅を自在に制御できる液晶波長可変フィルタおよび光学部品を得ること。
【解決手段】偏光子１１と、検光子１２と、偏光子１１および検光子１２の間に配置されるメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂと、を含むユニット１０、を少なくとも１つ有する光学部品と、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに電圧を印加する電圧源と、電圧源がメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御することにより光学部品を透過する光の波長範囲である透過波長域を制御するとともに、メイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂのリタデーションが、光学部品の透過率の半値幅を所望の値に近づけるような波長依存特性を有するようにメイン液晶１４Ａおよびサブ液晶１４Ｂに印加する電圧を制御する電圧制御部と、を備える。
【選択図】図８

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】