特許 6942879 波長可変光学フィルタとその切り替え及び調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6942879

(24)【登録日】2021年9月10日

(45)【発行日】2021年9月29日

(54)【発明の名称】波長可変光学フィルタとその切り替え及び調整方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20210916BHJP

   G02B 5/26 20060101ALI20210916BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/13 505

   G02B5/26

【請求項の数】15

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2020-503377(P2020-503377)

(86)(22)【出願日】2017年4月3日

(65)【公表番号】特表2020-515919(P2020-515919A)

(43)【公表日】2020年5月28日

(86)【国際出願番号】IB2017000494

(87)【国際公開番号】WO2018185509

(87)【国際公開日】20181011

【審査請求日】2020年4月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(73)【特許権者】

【識別番号】518007555

【氏名又は名称】エシロール・アンテルナシオナル

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(72)【発明者】

【氏名】エヴァ・オトン

(72)【発明者】

【氏名】エステル・ネッテ

【審査官】 近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１８０２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００７５７２１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｂ ５／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学フィルタにおいて、
− 相互に対向する２つの電極（１３、１４）であって、前記電極（１３、１４）の各々は配向層により覆われ、セルギャップ（ｄ）により分離される２つの電極と、前記２つの電極（１３、１４）間に挿入されたコレステリック液晶混合物（２）と、を含む液晶セル（１）を含み
− 前記液晶セル（１）は電圧（Ｖ）を前記２つの電極（１３、１４）間に印加するように構成され、
− 前記コレステリック液晶混合物（２）は、キラルドーパントと二周波駆動液晶ホスト材料を含み、前記二周波駆動液晶ホスト材料はクロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）を有し、
− 前記液晶セル（１）は、水平配向構造を有するオフモードを有し、液晶分子の長軸が２つの電極（１３、１４）と平行であり、前記液晶分子の長軸方向は、らせんピッチＰ_０のらせんに沿って前記２つの電極（１３、１４）の間で徐々に方向転換し、前記液晶セル（１）は、印加電圧がゼロであるとき、及び前記印加電圧が高周波数限界（ｆ_Ｈ）より高い周波数で変調されたときに、水平配向構造と３００ｎｍ〜９００ｎｍのスペクトル範囲の前記オフモードにおけるブラッグ反射波長を有し、
− 前記液晶セル（１）は、前記印加電圧が閾値電圧より高く、前記印加電圧がクロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）より高く、且つ高周波数限界（ｆ_Ｈ）より低い中間周波数範囲内にある他の周波数で変調されたときに、前記オフモードにおいて前記らせんピッチＰ_０と比較して増大したピッチを有する水平配向構造と第一のブラッグ反射波長の第一のブラッグ反射モードを有し、前記第一のブラッグ反射モードにおける前記第一のブラッグ反射波長は、前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長とは異なり、前記第一のブラッグ反射波長は前記印加電圧の周波数に応じて変化する、光学フィルタ。

【請求項2】

前記二波長駆動液晶ホスト材料の屈折率複屈折は可視範囲内で０．２未満である、請求項１に記載の光学フィルタ。

【請求項3】

前記キラルドーパントのらせん誘起力は１００μｍ^−１以上である、請求項１又は２の何れか１項に記載の光学フィルタ。

【請求項4】

前記二波長駆動液晶ホスト材料のクロスオーバ周波数は１０キロヘルツ未満、好ましくは５ｋＨｚ未満であり、閾値電圧は約１００Ｖ未満であり、前記コレステリック液晶混合物（２）は前記高周波数範囲を有し、前記高周波数範囲は高周波数限界（ｆ_Ｈ）より高い範囲にわたり、前記高周波数限界（ｆ_Ｈ）は１００ｋＨｚ未満である、請求項１〜３の何れか１項に記載の光学フィルタ。

【請求項5】

前記二周波駆動液晶ホスト材料はＷ−１９７８Ｃ又はＷ−１８３１Ａを含み、及び／又は前記キラルドーパントは（１３ｂＲ）−５，６−ジヒドロ−５−（ｔｒａｎｓ−４−プロピルシクロヘキシル）−４Ｈ−ジナフト［２，１−ｆ：１’，２’−ｈ］［１，５］ジオキソニンを含む、請求項１〜４の何れか１項に記載の光学フィルタ。

【請求項6】

前記液晶セル（１）は、少なくとも第一のブラッグ反射モードにおいて、前記閾値電圧より高く、前記中間周波数範囲に含まれる第一の所定の周波数で変調された印加電圧で動作するように、コントローラ（５）によって制御されるように適合され、前記コレステリック液晶混合物（２）は高周波数モードで水平配向構造を有し、前記印加電圧は前記閾値電圧より高く、印加電圧の前記周波数は前記高周波数範囲内にあり、前記液晶セル（１）は、前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長と等しい前記高周波数モードにおけるブラッグ反射波長を有する、請求項１〜５の何れか１項に記載の光学フィルタ。

【請求項7】

請求項１〜６の何れか１項に記載の第一の光学フィルタと第二の光学フィルタとであって、所定の第一のブラッグ反射波長を有する第一の光学フィルタと、所定の第二のブラッグ反射波長を有する第二の光学フィルタと、を含み、前記第一の光学フィルタと前記第二の光学フィルタは光学的に直列に配置される光学フィルタデバイス。

【請求項8】

前記第一の光学フィルタと前記第二の光学フィルタは、らせん方向によって、又はそれぞれのブラッグ反射波長の値によっての何れかで異なる、請求項７に記載の光学フィルタデバイス。

【請求項9】

請求項１〜８の何れかに記載の光学フィルタと、少なくとも前記第一のブラッグ反射モードと、また、オフモード及び高周波数モードのうちの一方で前記光学フィルタを制御するように構成されるコトンローラ（５）と、を含み、それにしたがって、前記オフモードでは、前記コントローラ（５）は前記電極（１３、１４）に電圧を印加せず、前記液晶セル（１）は、前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長を有し、また、前記コントローラ（５）は、前記高周波数範囲にある周波数で変調された前記閾値電圧より高い電圧を印加し、前記液晶セル（１）は、前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長と同様の値の前記高周波数モードにおけるブラッグ反射波長を有し、前記第一のブラッグ反射モードでは、前記コントローラ（５）は前記中間周波数範囲に含まれる第一の所定の周波数で変調された、前記閾値電圧より高い電圧を印加し、それによって前記液晶セル（１）は第一の所定のブラッグ反射波長を有する光学デバイス。

【請求項10】

前記コントローラ（５）はさらに、前記第一のブラッグ反射モードで前記光学フィルタを制御するように構成され、前記コントローラ（５）は中間周波数範囲にある第二の所定の周波数で変調された、前記閾値電圧より高い電圧を印加し、それによって前記液晶セル（１）は第二の所定のブラッグ反射波長を有し、前記第二の所定の周波数は前記第一の所定の周波数とは異なり、前記第二のブラッグ反射波長は前記第一の所定のブラッグ反射波長とは異なる、請求項９に記載の光学デバイス。

【請求項11】

前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長はＵＶ範囲にあり、また、前記第一のブラッグ反射モードにおける前記第一のブラッグ反射波長は３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲、例えば４００ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲にある、請求項９又は１０の何れかに記載の光学デバイス。

【請求項12】

前記光学フィルタと直列に配置された、光学パワーを有する光学構成部品をさらに含む、請求項９又は１１の何れかに記載の光学デバイス。

【請求項13】

前記光学デバイスは眼鏡又はレンズを含む、請求項９〜１２の何れかに記載の光学デバイス。

【請求項14】

光学フィルタの反射波長の調整方法において、
− 液晶セル（１）内の２つの電極（１３、１４）間に挟まれたコレステリック液晶混合物（２）を提供するステップであって、前記２つの電極（１３、１４）の各々は液晶セル内の配向層で覆われ、前記コレステリック液晶混合物（２）はキラルドーパントと二周波駆動液晶ホスト材料を含み、前記二周波駆動液晶ホスト材料は閾値電圧（Ｖｔｈ）とクロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）を有し、前記コレステリック液晶混合物（２）が周波数と共に変化し、負である誘電異方性を有する、前記クロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）より高い中間周波数範囲と、前記コレステリック液晶混合物が周波数に依存せず、負である誘電異方性を有する、前記中間周波数より高い高周波数範囲を画定する、ステップと、
− オフモードで、前記電極（１３、１４）に電圧を印加しないか、前記高周波数範囲にある周波数で変調された電圧を印加するステップであって、これにより、前記液晶セル（１）が３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の前記オフモードにおけるブラッグ反射波長を有し、かつ、前記コレステリック液晶混合物（２）は他の波長での透過時に散乱しないようにする、ステップと、
− 第一の所定のモードで、前記中間周波数範囲にある第一の周波数で変調された、前記閾値電圧より高い電圧を印加するステップであって、これにより、前記液晶セル（１）が、前記第一の周波数に応じた第一のブラッグ反射波長を有し、かつ、前記コレスリテック液晶混合物（２）はその他の波長で透過時に散乱しないようにし、前記第一のブラッグ反射波長は前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長とは異なる、ステップと、
を含む方法。

【請求項15】

請求項１４に記載の方法であって、
− 低周波数モードで、前記クロスオーバ周波数より低い低周波数範囲にある周波数で変調された、前記閾値電圧より高い電圧を印加するステップであって、これにより、前記コレステリック液晶混合物（２）を、ブラッグ反射を持たない垂直配向構造に切り替え、かつ、前記コレステリック液晶混合物（２）は前記低周波数モードで透過時に散乱しないようにする、ステップと、
− 第二の所定のモードで、前記中間周波数範囲にある第二の周波数で変調された、前記閾値電圧より高い電圧を印加するステップであって、これにより、前記液晶セル（１）が、前記第二の周波数に応じた第二のブラッグ反射波長を有し、かつ、前記コレステリック液晶混合物（２）が他の波長で透過時に散乱しないようにし、前記第二のブラッグ反射波長は、前記第一の所定のモードにおける前記第一のブラッグ反射波長と、前記オフモードにおける前記ブラッグ反射波長のどちらとも異なる、ステップと、
のうちの少なくとも一方をさらに含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は波長可変光学フィルタに関する。

【0002】

特に本発明は、狭帯域を有し、広いスペクトル範囲で調整可能な波長可変光学反射フィルタに関する。

【背景技術】

【0003】

波長選択型光学フィルタ処理は、顕微鏡装置等の計測ツールや眼鏡レンズをはじめとする多くの分野で使用される。

【0004】

多くの文献に、狭いスペクトルバンド幅内の所定の波長を選択的にフィルタ処理するように設計された、ノッチフィルタ等のパッシブ光学フィルタが記載されている。パッシブノッチフィルタは一般に、多層フィルムに基づく。パッシブノッチフィルタは、所定の波長を反射させ、それ以外の波長を透過させる。バンドストップ波長は、入射角を変えることによって数十ナノメートルの狭いスペクトル範囲内で調整されるかもしれない。

【0005】

しかしながら、異なる分野には、より広いスペクトル範囲で調整可能な波長可変バンドストップ光学フィルタが求められる。

【0006】

特に、青及びＵＶスペクトル範囲内で調整可能なアクティブ治療用フィルタが求められている。

【0007】

３８０ナノメートル（ｎｍ）〜５００ｎｍ（青色光）の間の高エネルギー可視光は人間の目の網膜に対する累積損傷を誘発するが、これは特に４１５ｎｍ〜４５５ｎｍの青紫光、すなわち高有害青色範囲（ｂａｄ ｂｌｕｅ ｒａｎｇｅ）について言える。しかしながら、４６５ｎｍ〜４９５ｎｍのスペクトル範囲、すなわち低有害青色範囲（ｇｏｏｄ ｂｌｕｅ ｒａｎｇｅ）は人体に対して、睡眠、気分、体温、又は精神運動性に関する幾つかの目に見えない機能を有する。それゆえ、青紫範囲全体にわたるパッシブ光学フィルタは、概日周期に不利な影響を与えるかもしれない。さらに、青色範囲内にわたるフィルタを使用することにより、色認識も影響を受ける。

【0008】

それゆえ、眼科レンズの装用者にとって、ＵＶ保護を確実にしながら容認可能な色認識を提供する、ＵＶカット専用モードを有する治療用フィルタを配置する必要がある。概日周期を効率的に同期させるには、低有害青色範囲への暴露を短時間のみ、特定の時間に行えばよい。それゆえ、いわゆる低有害青色範囲への暴露は、日中において有利な効果を与えるが、これらの効果は、夜間は不利となり得る。それゆえ、青色範囲において高有害青から低有害青へと希望に応じてシフトさせることのできる選択的スペクトルバンド幅を有する治療用フィルタが必要とされている。

【0009】

顕微分光測定の分野、特に蛍光顕微鏡装置においては、一般に、異なる染料の検出に異なるパッシブダイクロイックフィルタが必要である。例えば４０５ｎｍ〜４８８ｎｍ、５６０ｎｍ、及び／又は６４０ｎｍの励起レーザ波長に応じて選択的スペクトルバンドを切り替えるために、１つ又は２つのチューナブルダイクロイックフィルタのみを配置することが望ましい。

【0010】

多くのアクティブ光学フィルタデバイスは、液晶技術に基づく。反射式に動作するバンドストップフィルタを製造するために、異なる種類の液晶が使用される。特に、コレステリック液晶（ＣＬＣ）は、液晶ホストとキラルドーパントを含み、その結果、らせんピッチ及び軸により画定されるＣＬＣ水平配向構造が得られる。コレステリック液晶デバイスは、カラーフィルタに応用するために、特定の波長を反射するように調整できる。

【0011】

ＣＬＣデバイスのフォトニックバンドギャップは一般に、液晶ホスト及び／又はキラルパラメータを調整することによって、又は温度（非特許文献１）、圧力、光照射（非特許文献２）、若しくは電界（非特許文献３）等の外的要因を調整することによって制御される。

【0012】

しかしながら、電気駆動式ＣＬＣフィルタデバイスは一般に、２つの状態間のみのスイッチとして動作し（又は、切り替えのみ可能なデバイス）、これは、円偏光について、それぞれ透過係数１００％と０％のＯＮとＯＦＦの２つの安定状態しかないことを意味する。周波数だけで反射ピークをオフにするには、印加周波数は高周波数範囲（ＭＨｚ）にある。異なる高印加周波数で対処することにより、ブラッグ反射波長内のシフトも可能とすることができるが、スペクトル反射範囲は非常に限定的である。オン及びオフ状態を切り替える際、ＣＬＣデバイスは中間状態を呈する。これらの中間状態では、ＣＬＣデバイスはフォーカルコーニック構造を示し、これは望ましくない散乱の原因となる。

【0013】

ＣＬＣデバイスはまた、らせんポリマナノ分散液晶又はブルー相液晶（ＢＰＬＣ）等のポリマ安定化形態でも入手可能である。しかしながら、ポリマベースのＣＬＣバージョンには、高い閾値電圧が必要であり、これも望ましくない散乱を示す。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】Ｓ．Ｆｕｒｕｍｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｈｏｔｏｔｕｎａｂｌｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｉｎ ａ ｃｈｉｒａｌ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４，２４９１（２００４）

【非特許文献2】Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｉｇｈｔ−ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ ｃｈｉｒａｌ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：ｆｒｏｍ １Ｄ ｔｏ ３Ｄ”，Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ（２０１４）

【非特許文献3】Ｚｈｏｕ，ｅｔ ａｌ．，“Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ”，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １９，８０３２（２０１１）

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記の目的は、本開示によれば、光学フィルタを提供することによって達成される。

【0016】

本発明によれば、光学フィルタは、相互に対向する２つの電極であって、２つの電極の各々は配向層により覆われ、セルギャップにより分離されている２つの電極と、２つの電極間に挿入されたコレステリック液晶混合物と、を含む液晶セルを含み、液晶セルは電圧（Ｖ）を２つの電極間に印加するように構成され、コレステリック液晶混合物は、キラルドーパントと二周波駆動液晶ホスト材料を含み、二周波液晶ホスト材料はクロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）を有し、液晶セルは、印加電圧がゼロであるとき、及び印加電圧が高周波数限界より高い周波数で変調されたときに、水平配向構造と３００ｎｍ〜９００ｎｍの間のスペクトル範囲内の参照ブラッグ反射波長の参照ブラッグ反射モードを有し、液晶セルは、印加電圧が閾値電圧より高く、印加電圧がクロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）より高く、且つ高周波数限界（ｆ_Ｈ）より低い中間周波数範囲内にある他の周波数で変調されたときに、ほどかれた水平配向構造と第一のブラッグ反射波長の第一のブラッグ反射モードを有し、第一のブラッグ反射波長は参照ブラッグ反射波長とは異なる。

【0017】

この光学フィルタは、電気制御式可変波長バンドストップ光学フィルタを提供する。さらに、この光学フィルタは電気的に切り替え可能である。

【0018】

本開示の特定の有利な態様によれば、二波長駆動液晶ホスト材料の屈折率複屈折は可視範囲内で０．２未満である。

【0019】

他の特定の有利な態様によれば、キラルドーパントのらせん誘起力は１００μｍ^−１以上である。

【0020】

有利な態様として、二波長駆動液晶ホスト材料のクロスオーバ周波数は１０キロヘルツ（ｋＨｚ）未満、好ましくは５ｋＨｚ未満であり、閾値電圧は約１０Ｖ未満であり、コレステリック液晶混合物は高周波数範囲を有し、高周波数範囲は高周波数限界（ｆ_Ｈ）より高い範囲にわたり、高周波数限界（ｆ_Ｈ）は１００ｋＨｚ未満である。

【0021】

好ましい実施形態によれば、二周波駆動液晶ホスト材料は、ポーランドのＭｉｌｉｔａｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙが販売するＷ−１９７８Ｃ又はＷ−１８３１Ａを含み、及び／又はキラルドーパントはＲ−５０１１を含み、これはＣＡＳ番号９４４５３７−６１−５の（１３ｂＲ）−５，６−ジヒドロ−５−（ｔｒａｎｓ−４−プロピルシクロヘキシル）−４Ｈ−ジナフト［２，１−ｆ：１’，２’−ｈ］［１，５］ジオキソニンとも呼ばれる。

【0022】

他の実施形態によれば、液晶ホストはポーランド、ワルシャワのＭｉｌｉｔａｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＭＵＴが販売するＷ−１８３１Ａであり、及び／又はキラルドーパントはＲ−５０１１を含む。Ｒ−５０１１の化学式は以下のとおりである：

【化1】

【0023】

本開示の特定の有利な態様によれば、液晶セルは、少なくとも第一のブラッグ反射モードにおいて、閾値電圧より高く、中間周波数範囲に含まれる第一の所定の周波数で変調された印加電圧で動作するように、コントローラによって制御されるように適合され、液晶混合物は高周波数モードで水平配向構造を有し、印加電圧は閾値電圧より高く、印加電圧の周波数は高周波数範囲内にあり、液晶セルは高周波数モードにおいて、参照ブラッグ反射波長と等しいブラッグ反射波長を有する。

【0024】

特定の実施形態において、光学フィルタデバイスは、本明細書で開示される第一の光学フィルタであって、所定の第一のブラッグ反射波長を有する第一の光学フィルタと、本明細書で開示される第二の光学フィルタであって、所定の第二のブラッグ反射波長を有する第二の光学フィルタと、を含み、第一の光学フィルタと第二の光学フィルタは光学的に直列に配置される。

【0025】

この実施形態の変形型によれば、第一の光学フィルタと第二の光学フィルタはらせん方向によって、及び／又はそれぞれのブラッグ反射波長の値によって異なる。

【0026】

本発明はまた、光学デバイスにも関し、これは、本明細書で開示される何れかの実施形態による光学フィルタと、少なくとも第一のブラッグ反射モードと、また、オフモード及び高周波数モードのうちの一方で光学フィルタを制御するように構成されるコトンローラと、を含み、それにしたがって、オフモードでは、コントローラは電極に電圧を印加せず、液晶セルはオフモードでは参照ブラッグ反射波長を有し、また、高周波数モードでは、コントローラは、高周波数範囲にある周波数で変調された、閾値電圧より高い電圧を印加し、液晶セルは高周波数モードでは参照ブラッグ反射波長と同様の値のブラッグ反射波長を有し、第一のブラッグ反射モードでは、コントローラは中間周波数範囲にある第一の所定の周波数で変調された、閾値電圧より高い電圧を印加し、それによって液晶セルは第一の所定のブラッグ反射波長を有する。

【0027】

特定の有利な態様によれば、コントローラはさらに、第一のブラッグ反射モードで光学フィルタを制御するように構成され、コントローラは中間周波数範囲にある第二の所定の周波数で変調された、閾値電圧より高い電圧を印加し、それによって液晶セルは第二の所定のブラッグ反射波長を有し、第二の所定の周波数は第一の所定の周波数とは異なり、第二のブラッグ反射波長は第一の所定のブラッグ反射波長とは異なる。

【0028】

好ましくは、オフモードでは、参照ブラッグ反射波長はＵＶ範囲にあり、また、第一のブラッグ反射モードでは、第一のブラッグ反射波長は３８０〜７８０ｎｍの範囲、例えば４００〜４６０ｎｍの範囲にある。

【0029】

特定の有利な実施形態によれば、光学デバイスは、光学フィルタと直列に配置された、光学パワーを有する光学構成部品をさらに含む。

【0030】

好ましくは、眼鏡又はレンズを含む光学デバイス。

【0031】

本開示はまた、光学フィルタの反射波長の調整方法も提供し、これは、
− ２つの電極間に挟まれたコレステリック液晶混合物を提供するステップであって、２つの電極の各々は液晶セル内の配向層で覆われ、コレステリック液晶混合物はキラルドーパントと二周波駆動液晶ホスト材料を含み、二周波駆動液晶ホスト材料は閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）とクロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）を有し、液晶混合物が周波数と共に変化し、負である誘電異方性を有する、クロスオーバ周波数（ｆ_Ｃ）より高い中間周波数範囲と、液晶混合物が周波数に依存せず、負である誘電異方性を有する、中間周波数より高い高周波数範囲を画定し、液晶セルは３００〜９００ｎｍの範囲の参照ブラッグ反射波長を有するようなステップと、
− オフモードで、電極に電圧を印加しないか、高周波数範囲にある周波数で変調された電圧を印加して、液晶セルが参照ブラッグ反射波長を有し、その一方で、コレステリック液晶混合物は他の波長で透過時に散乱しないようにするステップと、
− 第一の所定のモードで、中間周波数範囲にある第一の周波数で変調された、閾値電圧より高い電圧を印加して、液晶セルが、第一の周波数に応じた第一のブラッグ反射波長を有し、その一方で、コレステリック液晶混合物は他の波長で透過時に散乱しないようにするステップであって、第一のブラッグ反射波長は参照ブラッグ反射波長とは異なるようなステップと、
を含む。

【0032】

特定の態様によれば、方法は、
− 低周波数モードで、クロスオーバ周波数より低い低周波数範囲にある周波数で変調された、閾値電圧より高い電圧を印加して、液晶混合物をブラッグ反射を持たない垂直配向構造に切り替え、その一方で、コレステリック液晶混合物は低周波数モードで透過時に散乱しないようにするステップと、
− 第二の所定のモードで、中間周波数範囲にある第二の周波数で変調された、閾値電圧より高い電圧を印加して、液晶セルが、第二の周波数に応じた第二のブラッグ反射波長を有し、その一方で、コレステリック液晶混合物が他の波長で透過時に散乱しないようにするステップであって、第二のブラッグ反射波長は第一のブラッグ反射波長と参照ブラック反射波長のどちらとも異なるようなステップ
のうちの一方をさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1A】液晶セルとコントローラに基づく光学フィルタデバイスの、閾値電圧より高い印加電圧での、オフモードの動作状態の断面を概略的に示す図である。

【図1B】液晶セルとコントローラに基づく光学フィルタデバイスの、閾値電圧より高い印加電圧での、第一のブラッグ反射モードの動作状態の断面を概略的に示す図である。

【図1C】液晶セルとコントローラに基づく光学フィルタデバイスの、閾値電圧より高い印加電圧での、低周波数モードの動作状態の断面を概略的に示す図である。

【図2】本発明の二周波駆動液晶混合物の、印加電圧（Ｖ）及び印加電圧の周波に応じた異なる状態を概略的に示す。

【図3A】ＤＦＬＣ材料Ｗ−１９７８Ｃに基づく実施形態による光学フィルタの、直角入射による非偏光に関する、一定の印加電圧での印加周波数（ｆ）に応じた最大反射ピーク波長の測定結果を示す図である。

【図3B】ＤＦＬＣ材料Ｗ−１９７８Ｃに基づく実施形態による光学フィルタの図である。

【図3C】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図3D】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図3E】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図4A】ＤＦＬＣ材料Ｗ−１８３１Ａに基づく別の実施形態による光学フィルタの、直角入射による非偏光に関する、一定の印加電圧での印加周波数（ｆ）に応じた最大反射ピーク波長の測定結果を示す図である。

【図4B】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図4C】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図4D】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図4E】様々な変調周波数での液晶光学フィルタの、相互に対応する反射光の顕微鏡画像とスペクトル透過曲線を挿入図として示す。

【図5】幾つかのピッチ（１５から１１まで０．５刻み）及び直角入射での非偏光に関する、理想的な液晶セルの波長に応じた透過曲線のシミュレーションを示す。

【図6】４５度の入射角での円偏光に関する、幾つかのピッチ（１５から１１まで０．５刻み）を有する他の理想的な液晶セルの波長に応じた透過曲線のシミュレーションを示す。

【発明を実施するための形態】

【0034】

本開示は、所定のスペクトル範囲内で選択された波長を調整するように適合された波長選択光学フィルタに関する。光学フィルタは、反射式及び／又は透過式に動作してよい。波長の選択は、反射ピークを初期又は参照波長からより長い波長へとシフトさせることによって行われる。

【0035】

デバイス
より正確には、本開示は液晶に基づくアクティブ光学フィルタに関する。光学フィルタは少なくとも１つの液晶セルを含む。

【0036】

図１は、異なる動作条件での、液晶セル１とコントローラ５に基づく光学フィルタの例示的な断面図を概略的に示す。

【0037】

液晶セル１は、第一の基板１１と第二の基板１２を含む。第一の基板１１と第二の基板１２は、可視スペクトル範囲で透過性を有する材料で製作される。液晶セル１は、液晶セル１の第一の基板１１の上に配置された第一の電極１３と第二の基板１２の上に配置された第二の電極１４を含む。好ましくは、第一の基板１１は第二の基板１２に平行である。第一の電極１３は液晶セル１の、第二の電極１４の反対側に設置される。第一の電極１３と第二の電極１４は好ましくは、例えばインジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）層からなる透明導電性電極である。液晶セル１は、第一の電極１３の表面上に配置された第一の配向構造と第二の電極１４の表面上に配置された第二の配向構造を含み、第一の電極１３の付近にある液晶分子と第二の電極１４の付近にあるそれらの配向を決定し、したがってセルのバルクを組織化する。

【0038】

コントローラ５は、第一の電極１３と第二の電極１４に接続されるように適合される。コントローラ５は、第一の電極１３と第二の電極１４との間への印加電圧を生成するように適合される。印加電圧は、可変振幅を有していてもよい。さらに、コントローラは、選択可能な周波数で印加電圧を変調するように適合される。変調周波数範囲は０Ｈｚから数キロヘルツ又は数十キロヘルツにわたり、任意選択により高周波数ＭＨｚ範囲にある。

【0039】

液晶混合物２は、液晶セル１の第一の電極１３と第二の電極１４との間に充填される。マイクロサイズのスペーサがＬＣセル内に含められてもよく、それによって液晶セル全体のセルギャップが一定となることが確実になる。換言すれば、液晶セル１は厚さｄの液晶層を含む。一般に、ＬＣ層の厚さは２μ〜１０μｍに含まれる。

【0040】

好ましくは、配向構造は配向層である。例えば、第一の配向層は第一の電極１３の上に形成され、第二の配向層は第二の電極１４の上に形成される。これらの配向層は、例えば液晶分子の配向を生じさせるようにラビングされたポリイミド層からなる。第二の配向層は好ましくは、第一の配向層の配向方向に対してアンチパラレルである配向方向を有する。第一の配向層と第二の配向層は、ｄで示されるセルギャップにより分離される。配向層のアンチパラレル配向は好ましいが、本発明は平行又は垂直配向でも有効であることに留意されたい。

【0041】

より正確には、液晶混合物２は二周波駆動液晶（ＤＦＬＣ）ホスト材料を含む。ＤＦＬＣ材料は、低周波数範囲では第一の符号の誘電異方性を有し、高周波数範囲では反対の符号の誘電異方性を有する。ＤＦＬＣ材料は通常、閾値電圧Ｖ_ｔｈとクロスオーバ周波数ｆ_Ｃにより定義される。クロスオーバ周波数ｆ_Ｃは異方性ゼロであり、低周波数範囲と高周波数範囲を分離する。ＤＦＬＣ材料は通常、２つのモード、すなわち低周波数及び高周波数でのみ動作する。

【0042】

本開示によれば、ＤＦＬＣホスト材料は、低いクロスオーバ周波数ｆ_Ｃ、好ましくは１０ｋＨｚ未満を呈するように選択される。ＤＦＬＣホスト材料はまた、低い閾値電圧、約５０Ｖ〜１００Ｖを有するように選択される。

【0043】

液晶混合物２はまた、キラルドーパントも含む。ＤＦＬＣホスト材料とキラルドーパントの性質と相対量は、用途並びに標的とされる波長範囲及び入射光条件に応じて選択される。

【0044】

キラルドーパントは、高らせん誘起力（ＨＴＰ）及び低温度依存性を有するように選択される。例えば、キラルドーパントはＲ−５０１１であり、これはＨＴＰ≒１００μｍ^−１である。

【0045】

それゆえ、ＤＦＬＣ材料は、コレステリック液晶のらせん構造に合わせて調整される。

【0046】

本開示から、液晶混合物２は２つより多いモードで、すなわちオフモード、高周波数モード、低周波数モード、及び／又は中間モードで動作してもよいことがわかる。

【0047】

図１Ａに概略的に示されるオフモードについて考える。オフモードでは、コントローラ５は液晶セル１に電圧を印加しないか、ゼロ電圧を液晶セル１に印加する。オフモードでは、液晶混合物２は、らせんピッチＰ_０、らせん軸が電極１３、１４の表面に対して横方向であるらせん周期構造を有する。この構造では、液晶分子の長軸は電極１３、１４に平行であり、ＬＣ分子の長軸方向は、第一の電極１３から第二の電極１４へとらせんに沿って徐々に方向転換する。換言すれば、液晶混合物２は、オフモードで水平配向構造を有する。このような液晶構造によって、ブラッグ反射波長を選択的に反射することができ、これを以下、参照ブラッグ反射波長という。コレステリック液晶では、ブラッグ反射波長はλ＝＜ｎ＞．Ｐ_０で与えられ、＜ｎ＞は液晶混合物２の平均屈折率、Ｐ_０はらせんピッチである。平均屈折率＜ｎ＞はＬＣホスト材料に依存する。らせんピッチＰ_０はキラルドーパントに依存する。反射ハンド幅は、Δλ＝Ｐ_０（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）により定義され、ｎ_ｅは液晶ホスト材料の異常光光学屈折率、また、ｎ_ｏは液晶ホスト材料の常光光学屈折率である。それゆえ、反射バンド幅は、ピッチＰ_０を変化させることによって調整できる。

【0048】

ＤＦＬＣ材料は、低複屈折、例えば０．２未満となるように選択される。例として、液晶ホストはポーランド、ワルシャワのＭｉｌｉｔａｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＭＵＴが販売するＷ１９７８Ｃであり、これは５８９ｎｍの波長でΔｎ＝０．１２３３である。

【0049】

他の例として、液晶ホストはポーランド、ワルシャワのＭｉｌｉｔａｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＭＵＴが販売するＷ−１８３１Ａである。

【0050】

キラルドーパントの量は、印加電圧がない状態で選択されたブラッグ波長を反射させるコレステリックＬＣのピッチ長さを得るように特定される。

【0051】

オフモードでは、電極１３、１４は開回路状態である。換言すれば、ｆ_Ｃより高い周波数では、印加電圧がないか、ゼロ電圧又は閾値電圧より低い電圧がある。液晶セル１の液晶混合物２は、設計されたピッチＰ_０により特定された参照ブラッグ波長の光を反射する。代替的に、液晶セルは、閾値電圧より低い電圧がｆ_Ｃより高い周波数で印加される場合、又は閾値電圧より高い電圧が後で定義されるｆ_Ｈより高い周波数で印加された場合に、オフモードの参照ブラッグ波長の光を反射してもよい。

【0052】

ある応用において、光学フィルタデバイスは、電圧が印加されない場合、青から近ＵＶ範囲、すなわち４００ｎｍ〜４４０ｎｍの参照ブラッグ反射波長を有するように構成される。

【0053】

次に、高周波数モードについて考える。高周波数モードでは、コントローラ５は、高周波数限界ｆ_Ｈより高い高周波数範囲内の周波数で変調された電圧Ｖを印加する。高周波数限界ｆ_Ｈは、クロスオーバ周波数ｆ_Ｃより高い。好ましくは高周波数限界ｆ_Ｈは、１００ｋＨｚより低い。高周波数モードでは、ＬＣセル１のＬＣ分子は水平配向構造のままでいる傾向がある。その結果、ブラッグ反射波長は、電圧が印加されなければ、オフモードと同じ位置にとどまる。それゆえ、液晶セル１は、高周波数モードでは、参照ブラッグ反射波長と同様の値のブラッグ反射波長を有する。

【0054】

次に、図１Ｂに概略的に示される第一のブラッグ反射モードを考える。第一のブラッグ反射モードでは、コントローラ５は閾値電圧Ｖ_ｔｈより高い電圧Ｖを印加し、印加電圧Ｖはクロスオーバ周波数ｆ_Ｃより高く、高周波数限界ｆ_Ｈより低い中間周波数範囲内の周波数ｆで変調される。印加周波数ｆは高周波数範囲と比較して低いため、ＬＣ分子は再配置され、コレステリック構造のらせんはほどけ始める。ＬＣ分子がほどけると、コレステリックピッチは増大する。したがって、反射光の第一のブラッグ反射波長も、参照ブラッグ反射波長と比べてより増大する。

【0055】

印加電圧がオフに切り替えられると、ＬＣデバイスは水平配向構造のオフモード構成に戻り、参照ブラッグ反射波長で反射する。

【0056】

注目すべき点として、ＬＣセルはオフモードで、高周波数モードで、及び第一のブラッグ反射モードでも散乱がない。

【0057】

第一のブラッグ反射モードは、発明者が知るかぎり、開示されず、追求されていないと理解すべきである。実際に、第一のブラッグ反射モードは、クロスオーバ周波数ｆ_Ｃと高周波数ｆ_Ｈの中間である。さらに、クロスオーバ周波数ｆ_Ｃの付近で、液晶分子はフォーカルコーニック状態にあり、これは光が非常に拡散している状態である。それゆえ、一般に、透過性を有する垂直配向モードとブラッグ反射と透過性を有する高周波数モードとの間の印象が、中間の、制御されない非透過状態を呈する。

【0058】

実際に、液晶混合物が改良されてクロスオーバ周波数ｆ_Ｃと高周波数ｆ_Ｈとの間の周波数範囲が広げられないかぎり、前記周波数範囲は、周波数の値と比較して小さいことが大きく、それゆえ、容易に検出できないが、それでも本発明には使用可能である。

【0059】

後述のように、本発明の１つの態様は、上述のいわゆる制御されない状態の特定の部分を使用することであり、本発明の他の態様は、クロスオーバ周波数と高周波数との間の周波数範囲を広くして、液晶混合物の挙動の中間モードでの制御を安定化させ、容易にすることである。

【0060】

次に、図１Ｃに概略的に示される低周波数モードを考える。低周波数モードでは、コントローラ５は、低周波数範囲内の、すなわちクロスオーバ周波数ｆ_Ｃより低い周波数で変調された、閾値電圧Ｖ_ｔｈより高い電圧Ｖを印加する。低周波数範囲モードでは、液晶混合物２は垂直配向構造に切り替わり、ＬＣ分子は電極１３、１４の表面に対して垂直に配向される。コレステリック液晶混合物が垂直配向構造を有する場合、ブラッグ反射はなく、すべての波長が透過する。さらに、この構成はまた、低周波数モードで透過中の散乱がない。

【0061】

図２は、本開示によるＬＣセルの異なる動作モードを概略的に要約する。ＬＣ混合物は、オフモードで、すなわち電圧が電極に印加されないとき、印加電圧Ｖが閾値電圧Ｖｔｈより低く、クロスオーバ周波数ｆより高く、且つ高周波数限界ｆ_Ｃより低い中間周波数範囲内の周波数ｆで変調されているとき、また、高周波数範囲においては、電圧が高周波数限界ｆ_Ｈより高い周波数で変調されたときに、水平配向構造を有する。ＬＣ混合物は、低周波数モードでは、印加電圧Ｖが閾値電圧Ｖ_ｔｈより高く、印加電圧Ｖが、クロスオーバ周波数ｆ_Ｃより低い低周波数範囲内の周波数ｆで変調されているとき、垂直配向構造を有する。ＬＣ混合物は、印加電圧Ｖがゼロではないが閾値電圧Ｖｔｈより低く、低周波数範囲内の周波数ｆで変調されているときに、フォーカルコーニック構造を有する。また、ＬＣ混合物は、第一のブラッグ反射モードで、印加電圧Ｖが閾値電圧Ｖｔｈより高く、印加電圧Ｖがクロスオーバ周波数ｆ_Ｃより高く、高周波数限界ｆ_Ｈより低い中間周波数範囲内の周波数ｆで変調されているとき、ほどけた水平配向構造を有する。先行技術のコレステリック液晶デバイスとは対照的に、この光学フィルタは、周波数／電圧駆動制御のおかげで、水平配向構造から、又はほどけた水平配向から垂直構造に、及びその逆に移行する際にフォーカルコーニック構造を呈さない。

【0062】

それゆえ、本開示の光学フィルタは、１つのモードからもう１つのモードに移行中であっても、透過及び反射において散乱がない。

【0063】

図３Ｂは、ある実施形態による光学フィルタデバイス１０を示す。ＬＣ混合物は、ＤＦＬＣホスト材料としてのＷ１９７８ＣとキラルドーパントとしてのＲ−５０１１を含む。この特定の構成におけるキラルドーパントＲ−５０１１の量は、液晶Ｗ１９７８Ｃの４．０％であり、この例でのセルギャップは３μｍである。

【0064】

図３Ｂのデバイスの反射率Ｒ及び／又は透過率Ｔが、分光光度計を使って波長に関して測定されている。

【0065】

光学フィルタデバイス１０は、電圧が印加されていないときに約４４０ｎｍのブラッグ反射波長の青に近いＵＶを反射するように設計される。

【0066】

図３Ａは、直角入射時の非偏光に関する一定の印加電圧での印加周波数ｆに応じた最大反射ピーク波長を示す。図３Ａからわかるように、印加電圧を受けたとき、印加周波数が９ｋＨｚから２ｋＨｚに変化するとブラッグ反射波長はＵＶの４４０ｎｍから約５５０ｎｍの緑波長へと変化する。より正確には、ブラッグ反射波長は、印加周波数が５ｋＨｚから９ｋＨｚの間で変化するときに４４０ｎｍとほぼ等しい。また、ブラッグ反射波長は、印加周波数が５ｋＨｚから２ｋＨｚへと低くなると４４０ｎｍから５５０ｎｍに増大する。ブラッグ反射は、印加周波数が２ｋＨｚ未満であるときには見られない。

【0067】

それゆえ、ブラッグ反射波長は約１００ｎｍの範囲で可変的である。

【0068】

図３Ｃは、２．５ｋＨｚの周波数ｆで変調された、閾値電圧より高い９０Ｖの印加電圧を受けたＬＣデバイスの、反射光において交差偏光板間に見られるＬＣデバイス１０の顕微鏡画像と、それに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約５５０ｎｍの光を反射させ、反射光は緑に見える。透過曲線はバンドストップ形状を有し、約５５０ｎｍブラッグ波長で透過率は最小となる。光は他の波長では透過し、フォーカルコーニック状態が現れない。

【0069】

図３Ｄは、５ｋＨｚの周波数ｆで変調された印加電圧を受けた、同じＬＣデバイス１０の顕微鏡画像とそれに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約５００ｎｍの光を反射させ、反射光は青に見える。同様に、透過曲線はバンドストップ形状を有し、約５００ｎｍのブラッグ波長で透過率は最小となる。光は他の波長では透過し、フォーカルコーニック状態が現れない。

【0070】

図３Ｅは、１０ｋＨｚの周波数ｆで変調された印加電圧を受けた、同じＬＣデバイス１０の顕微鏡画像とそれに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約４４０ｎｍの光を反射させ、反射光は濃い紫に見える。同様に、透過曲線はバンドストップ形状を有し、約４４０ｎｍのブラッグ波長で透過率は最小となる。光は他の波長では透過し、フォーカルコーニック状態が現れない。

【0071】

光学フィルタデバイスの第二の例は、図４Ａ〜４Ｅに示されるように、ＤＦＬＣホスト材料としてＷ−１８３１Ａ、及びキラルドーパントとしてＲ−５０１１を使用し、セルギャップは３μｍである。この第二の例では、光学フィルタデバイス１０は電圧が印加されていないとき、約４５０〜４６０ｎｍのブラッグ反射波長で青範囲を反射するように設計される。

【0072】

図４Ａは、直角入射時の非偏光に関する一定の印加電圧での印加周波数ｆに応じた最大反射ピーク波長を示す。図４Ａからわかるように、印加電圧を受けたとき、印加周波数が２５ｋＨｚから７ｋＨｚに変化するとブラッグ反射波長は青範囲の４５０ｎｍから約５２０ｎｍの波長へと変化する。より正確には、ブラッグ反射波長は、印加周波数が１５ｋＨｚから２５ｋＨｚの間で変化するときに４５５ｎｍとほぼ等しい。また、ブラッグ反射波長は、印加周波数が１５ｋＨｚから６ｋＨｚへと低くなると４５５ｎｍから５２０ｎｍに増大する。ブラッグ反射は、印加周波数が６ｋＨｚ未満であるときには見られない。それゆえ、この第二の例では、ブラッグ反射波長は約７０ｎｍの範囲内で可変的である。

【0073】

図４Ｂは、６ｋＨｚの周波数ｆで変調された、閾値電圧より高い９０Ｖの印加電圧を受けたＬＣデバイスの、反射光において交差偏光板間に見られるＬＣデバイス１０の顕微鏡画像と、それに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約５２０ｎｍの光を反射させ、反射光は緑に見える。

【0074】

図４Ｃは、８ｋＨｚの周波数ｆで変調された印加電圧を受けた、同じＬＣデバイス１０の顕微鏡画像とそれに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約５００ｎｍの光を反射させ、反射光は明るい緑に見える。同様に、透過曲線はバンドストップ形状を有し、約５００ｎｍのブラッグ波長で透過率は最小となる。光は他の波長では透過し、フォーカルコーニック状態が現れない。

【0075】

図４Ｄは、約１０ｋＨｚの周波数ｆで変調された印加電圧を受けた、同じＬＣデバイス１０の顕微鏡画像とそれに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約４８０ｎｍの光を反射させ、反射光は青緑に見える。同様に、透過曲線はバンドストップ形状を有し、約４８０ｎｍのブラッグ波長で透過率は最小となる。光は他の波長では透過し、フォーカルコーニック状態が現れない。

【0076】

図４Ｅは、約２０ｋＨｚの周波数ｆで変調された、閾値電圧より高い９０Ｖの印加電圧を受けたＬＣデバイスの、反射光において交差偏光板間に見られるＬＣデバイス１０の顕微鏡画像と、それに対応する透過曲線を示す。このデバイスは、約４５５ｎｍの光を反射させ、反射光は青に見える。透過曲線はバンドストップ形状を有し、約４５５ｎｍブラッグ波長で透過率は最小となる。光は他の波長では透過し、フォーカルコーニック状態が現れない。

【0077】

選択されたＤＦＬＣ材料、キラルドーパント材料、及び相対比率に応じて、参照ブラッグ波長と可変反射波長は用途にしたがって調整されてよい。

【0078】

同様の光学フィルタは、反射波長を青範囲から黄範囲へとシフトさせるために設計できる。

【0079】

それゆえ、電気的に調整可能なブラッグ反射波長を有するアクティブ光学フィルタを得る。反射波長は、印加電圧の周波数に応じて変化する。有利な点として、周波数範囲は０〜約１０ｋＨｚ又は数十ｋＨｚの比較的中度の周波数に限定される。光学フィルタは、ＭＨｚ範囲の変調周波数を必要としない。

【0080】

特定の有利な実施形態によれば、光学フィルタデバイスは、スタックとして配置された２つのＬＣセルを含み、各ＬＣセルは所定の可変反射範囲を有する。このような配置により、波長調整範囲を拡張できる。第一のＬＣセルは、より低い波長範囲内での反射率ピークをシフトするように構成され、第二のＬＣセルは、より高い波長範囲内での反射率ピークをシフトするように構成される。例えば、第一のＬＣセルは、ＵＶ緑範囲内の第一の反射波長に合わせて調整され、第二のＬＣセルは、青−黄内の第二の反射波長に合わせて調整される。

【0081】

ある変形型では、光学フィルタデバイスは、スタックとして配置された２つのＬＣセルを含み、第一のＬＣセルは右巻き、第二のＬＣセルは左巻きである。第一のＬＣセルは、所定のスペクトルバンド幅（ＦＷＨＭ）の第一のブラッグ反射波長を有し、第二のＬＣセルは、第二のブラッグ反射波長を有する。第一のブラッグ反射波長と第二のブラッグ反射波長との間のシフトは、ＦＷＨＭより小さい。この配置によって、２つのＬＣセルを含む光学フィルタデバイスのスペクトルバンド幅を１つのＬＣセルのスペクトルバンド幅より小さくすることができる。

【0082】

他の変形型において、光学フィルタデバイスは、スタックとして配置された２つのＬＣセルを含み、第一のＬＣセルは右巻き、第二のＬＣセルは左巻きである。第一のＬＣセルと第二のＬＣセルは、同じ反射率ピークを有するように構成される。各ＬＣセルは非偏光について５０％の反射効率を有するため、この配置によって反射効率を高めることができる。

【0083】

ある用途において、このような光学フィルタは直角入射と非偏光による治療用アクティブフィルタとして使用できる。治療用アクティブフィルタは、本明細書で開示されるような可変バンドストップＬＣフィルタに基づき、ＬＣフィルタは、色認識及び／又はＵＶ保護を可能にするＵＶカット専用モードを有し、高有害青から低有害青へと希望に応じて青範囲内で電気的にシフトできる可変選択スペクトルバンドを有する。

【0084】

他の用途において、アクティブ光学フィルタは、４５度未満の入射角と円偏光で動作する共焦点顕微鏡用のチューナブル反射フィルタとして使用できる。一例として、このようなチューナブル反射フィルタは幾つかの励起レーザ波長、例えば４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５６０ｎｍ、及び／又は６４０ｎｍ間で切り替わるように構成される。１つ又は複数のチューナブルダイクロイックフィルタは、有利な点として、従来の共焦点顕微鏡における異なる染料の蛍光検出に使用される複数のダイクロイックミラーの代わりとなる。

【0085】

図５及び６は、本開示による光学フィルタの透過曲線のシミュレーションを示す。このシミュレーションは、市販のシミュレーションソフトウェア、ＬＣＤＭａｓｔｅｒ １Ｄ（シンテック）を使って得られる。ＬＣＤマスタ１Ｄにおいて、二周波駆動コレステリックＬＣは、ネマティック液晶としてシミュレートされ、これはある程度のねじれが加わった、印加電圧がない場合の二周波駆動ＬＣと同じ特徴を呈する。

【0086】

より正確には、Ｗ１９７８Ｃ混合物（Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｈｃｎｏｌｏｇｙ、ＭＵＴが販売）は、正の異方性（Δε＝１．８５、ε_ｅ＝７．９１、ε_ｏ＝６．０６）、５８９ｎｍでの屈折率、ｎ_ｅ＝１．６０３９、ｎ_ｏ＝１．４８０６のＬＣとしてモデル化される。

【0087】

ねじれは次式となるように選択される：
ねじれ＝プレツイスト＋（ｄ／ｐ）×３６０
式中、ｐはオフモードにおいて４０５ｎｍでのブラッグ反射を得るために特定されるピッチである。

【0088】

用途に応じて：
治療用フィルタでは、直角入射時に以下となる。

【0089】

【数1】

【0090】

共焦点の用途の場合、材料中のθ＝２７．３度の入射角（ＡＯＩ）（空気中のＡＯＩ、４５度に相当）で以下となり、ｄはセルギャップ値であり、これは治療用フィルタの場合、３．９４μｍ、共焦点用途の場合、４．４３μｍに対応する１５ピッチと等しくなるように選択される。

【0091】

【数2】

【0092】

プレツイストの値は、ラビング条件が基板上で完璧であると想定されるため、０と等しいと考えられる。

【0093】

ＬＣデバイスの印加周波数ｆを低下させる効果は、ＬＣセルの厚さを同じに保ち、ステップごとに、すなわち印加周波数ごとにシステムに対して０．５ピッチ取り除くことによってモデル化される。換言すれば、このシミュレーションでは半ピッチ損失メカニズムだけが考慮される。

【0094】

図５は、直角入射の非偏光に関する、セルギャップ３．９４μｍのＬＣセルの波長に応じた、幾つかのピッチの値（１５ピッチから１１ピッチまで０．５ピッチ刻み）での透過曲線のシミュレーションを示す。

【0095】

図５のシミュレーションは、１つのＬＣセルに基づくＬＣデバイスが反射ブラッグ波長をスペクトルバンド幅３５ｎｍでの４０５ｎｍからスペクトルバンド幅４０ｎｍでの４３５ｎｍへ、及びスペクトルバンド幅５０ｎｍでの４８５ｎｍへと切り替えることができることを示している。このようなフィルタは、治療用アクティブフィルタとして使用できる。１つのセルを使用した場合、非偏光の最大反射率は５０％、透過率は９１％である。このシミュレーションにおける透過率損失は、空気／材料／空気界面におけるフレネル反射係数のみによるもので、これらを軽減できる。

【0096】

図６は、４５度の入射角での円偏光に関する、セルギャップ４．４３μｍのＬＣセルの波長に応じた、幾つかのピッチの値（１５ピッチから１１ピッチまで０．５ピッチ刻み）での透過曲線のシミュレーションを示す。

【0097】

図６のシミュレーションは、１つのＬＣセルに基づくＬＣデバイスが反射ブラッグ波長を、入射角４５度でスペクトルバンド幅４０ｎｍでの４０５ｎｍからスペクトルバンド幅６０ｎｍでの４８８ｎｍへと切り替えることができることを示している。１つのセルを使用した場合、右円偏光の最大反射率は５０％、透過率は８８．７％である。このシミュレーションにおける透過率損失は、斜めの入射による空気／材料／空気界面におけるフレネル反射係数のみによるもので、これらを軽減できる。

【0098】

図５及び６に示されるシミュレーション結果は、理想的なケースに対応する。現実には、波長をシフトさせる際に実際の測定値において透過率の損失がある。また、実験的に、低周波数範囲内、特に５ｋＨｚ未満の周波数で、フォーカルコーニック状態によるのではなく、らせんの折れ曲がりによる反射効率の損失がある。効率損失は２ｋＨｚで半減する。図５及び６のシミュレーションは、らせんの折れ曲がりは考慮せず、ねじれがほどけることのみ考慮されている。

【符号の説明】

【0099】

１ 液晶セル
２ 液晶混合物
２ コレステリック液晶混合物
５ コトンローラ
１０ ＬＣデバイス、光学フィルタデバイス
１１ 第一の基板
１２ 第二の基板
１３ 第一の電極
１４ 第二の電極

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3A-3E】

【図4A-4E】

【図5】

【図6】