JPH0720418A

JPH0720418A - 光学フィルタ

Info

Publication number: JPH0720418A
Application number: JP18696993A
Authority: JP
Inventors: Hideki Nagano; 秀樹長野; Eiji Koyama; 栄二小山
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶と固体透明高分子を使用し、光の干渉効
果を利用することにより、電気的に光学フィルタの作用
の制御を迅速かつ簡便に行うことのできる光学フィルタ
を提供する。【構成】本発明の光学フィルタは、上面から下面に貫
通する、一定間隔に配列された複数個の貫通孔あるいは
凹溝を有する固体透明高分子層が一対の電極間に間挿さ
れており、前記固体透明高分子層に設けられた貫通孔あ
るいは凹溝内に液晶が充填されて保持されており、前記
電極間に電圧を印加または非印加することに対応して干
渉光を発生または発生しないように駆動する。液晶は電
極に電圧が印加されている状態のとき、電極面に対して
垂直に配向し、電極に電圧が印加されていない状態のと
き、電極面に対して概ね非垂直に配向する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学フィルタに関する。
更に詳細には、本発明は、液晶を使用し入射光に対する
干渉効果が電気的に制御可能な光学フィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】写真およびビデオ撮影法の一つとして、
撮影レンズにフィルタを装着し、軟焦点効果と光の滲出
効果を出す方法が一般に知られている。これらの効果を
狙ったフィルタには様々な形態のものが市販されている
が、その一つの例としては、紗を使用したフィルタが挙
げられる。撮影時に紗を使用することにより、被写体は
軟焦点でフラットな映像が得られ、特に被写体に強い光
点がある場合、紗の違いによって被写体のハイライト部
に様々な光芒が現れ、光を強調した効果的な写真が得ら
れる。

【０００３】現在市販されている特殊フィルタはフィル
タの脱着および回転によって滲出効果を変える方式であ
り、フィルタ交換に手間を要し、操作が煩雑になった
り、途切れの無い撮影ができないなどの難点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、液晶と固体透明高分子を使用し、光の干渉効果を利
用することにより、電気的に光学フィルタの作用の制御
を迅速かつ簡便に行うことのできる光学フィルタを提供
することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明では、所定間隔で上面から下面に直線的に貫通
した貫通孔を配列するか又は所定間隔で配列された柱状
あるいは壁状突起を有する固体透明高分子層が、一対の
電極間に間挿されており、前記固体透明高分子層に設け
られた貫通孔又は前記固体透明高分子層の柱状あるいは
壁状突起により形成される空間（以下「凹溝」という）
内に液晶が充填されて保持されていて、前記液晶は電極
に電圧が印加されている状態のとき前記電極面に対し概
ね垂直に配向し、電極に電圧が印加されていない状態の
とき前記電極面に対し概ね非垂直方向に配向する構造と
した光学フィルタを提供する。

【０００６】

【作用】固体透明高分子層中に設けられた貫通孔または
凹溝内に液晶を充填密封し、固体透明高分子層の上下面
から電圧を印加して、液晶の屈折率と固体透明高分子の
屈折率の差を電気的に制御することにより、干渉光を発
生させたり、発生させないようにしたりすることによ
り、光学フィルタの作用を生じさせたり、生じさせない
ようにすることができる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の光学フィ
ルタについて更に詳細に説明する。

【０００８】図１は本発明の光学フィルタの電圧非印加
状態を模式的に説明した図である。固体の透明高分子層
１には格子パターン状に配列された貫通孔２が設けられ
ており、この貫通孔２内には常光屈折率（ｎ₀ ）が固体
透明高分子層１の屈折率にほぼ等しい液晶３が充填され
ている。貫通孔２の両端、即ち、固体透明高分子層１の
上下両面には透明電極４が配設されており、両電極面４
は貫通孔２内の液晶３と接触している。各電極４の上部
は例えば、透明なガラス基板８ａおよび８ｂで被覆され
ている。図１に図示されているように、電圧を印加しな
い状態、すなわち、スイッチ７が開いている場合、液晶
３の分子は透明電極４の壁面に対して非垂直に配向して
いる。これにより、一方の透明ガラス基板８ａから光が
入射した場合、固体透明高分子層１と液晶層３の間に屈
折率差が生じ、これにより光は位相差を生じるため、透
過光は高分子層１と液晶層３の配置に対応した干渉パタ
ーンを形成する。

【０００９】これに対し、図２に示されるように、スイ
ッチ７が閉じられ、液晶３に電界が印加された場合、液
晶３の分子は電極面４に対して垂直な方向に配向する。
この場合、入射光に対する固体透明高分子層１および液
晶層３の屈折率は等しくなるため、透過光は位相差を生
じないで液晶層３内を通過し、干渉は起こらない。

【００１０】図３は凹溝を有する本発明の光学フィルタ
の電圧非印加状態を模式的に説明した図である。固体の
透明高分子層１には格子パターン状に配列された凹溝９
が設けられており、この凹溝９内には常光屈折率（ｎ
₀ ）が固体透明高分子層１の屈折率にほぼ等しい液晶３
が充填されている。凹溝９を挟む様に、固体透明高分子
層１の上下両面には透明電極４が配設されている。一方
の電極面４は凹溝９内の液晶３と接触している。他方の
電極面４は凹溝９の底部から所定の間隔をあけて離され
ている。各電極４の上部は例えば、透明なガラス基板８
ａおよび８ｂで被覆されている。図３に図示されている
ように、電圧を印加しない状態、すなわち、スイッチ７
が開いている場合、液晶３の分子は透明電極４の壁面に
対して非垂直に配向している。これにより、一方の透明
ガラス基板８ａから光が入射した場合、固体透明高分子
層１と液晶層３の間に屈折率差が生じ、これにより光は
位相差を生じるため、透過光は高分子層１と液晶層３の
配置に対応した干渉パターンを形成する。

【００１１】これに対し、図４に示されるように、スイ
ッチ７が閉じられ、液晶３に電界が印加された場合、液
晶３の分子は電極面４に対して垂直な方向に配向する。
この場合、入射光に対する固体透明高分子層１および液
晶層３の屈折率は等しくなるため、透過光は位相差を生
じないで液晶層３内を通過し、干渉は起こらない。凹溝
９の底部側に対峙する電極面は凹溝の底部と非接触であ
るが、交流電圧を印加すると固体透明高分子の静電分極
のために通電状態になり、図２の場合と同様に液晶を垂
直配向させることができる。但し、この場合、図２の場
合の印加電圧よりも若干高い電圧を印加しなければなら
ない。

【００１２】貫通孔内径および凹溝幅の決定は、所望の
干渉効果および使用される高分子層の膜厚に依存する。
平行光に対しての干渉効果は図５によって説明される。
図５は固体透明高分子層１と液晶層３からなる本発明の
光学フィルタに、波長λの平面波が入射されたときの、
直進透過光線に対しｍ番目に隣接する回折光を表した図
であり、格子の周期（即ち、高分子層１の幅＋液晶層３
の幅）をｃとしたとき、格子への波長λの入射光に対す
る回折角θは、 θ＝ｍ・λ／ｃ（式１）（ｍは直進透過光線に対しｍ番目に隣接する回折光であ
ることを示す係数であり、ｍ＝０，±１，±２，・・・
の整数である。液晶と透明高分子からなる本発明の光学
フィルタでは、ｍ＝０，±１，±２，±３までの干渉光
が確認できている。）で表される。従って、格子周期ｃ
によって光学フィルタの干渉効果を規定できる。θの値
は光学フィルタの用途あるいは所望の干渉効果の度合い
により変化させることができるが、一般的には、０．１
°〜６０°の範囲内であることが好ましい。θの値が
０．１°よりも小さいとき、得られる干渉効果は光学フ
ィルタとして実用に供するほど大きくないため、光学フ
ィルタとしての用をなさない。一方、格子周期ｃが可視
光の波長レベルより小さいとき干渉効果が起こらない。
（式１）より計算すると、λとｃの比が１：１であると
きのθの値は６０°となる。θがこの値より大きな数値
をとるとき、干渉効果を目的とした光学フィルタとして
使用できなくなる。

【００１３】ｍ＝０，±１，±２，±３の場合、可視光
の波長４００〜８００ｎｍに対し格子周期ｃが１ｍｍ以
上になると、殆ど干渉効果が得られないため格子周期ｃ
は１ｍｍ以下、好ましくは１／３ｍｍ以下が望ましい。
また、容易な液晶充填という目的からすれば、一般的に
液晶層３の幅は０．５μｍ以上であることが好ましい。
固体透明高分子層１の膜厚は厚いほど強い干渉強度が得
られるが、固体透明高分子層１および液晶層３の保持と
いう目的から固体透明高分子層１の膜厚は高分子層１の
幅又は液晶層３の幅の１０倍を越えないことが望まし
い。

【００１４】貫通孔２および凹溝９の形成方法自体は本
発明の必須要件ではない。公知慣用の方法が全て使用で
き、例えば、ドライレジストフィルムなどの方法によっ
ても形成することができる。

【００１５】固体透明高分子層１の貫通孔２または凹溝
９内に充填される液晶３の材料自体は特に限定されな
い。従来から使用されている、例えば、ネマチィック液
晶、スメチィック液晶、カイラルネマチィック液晶、コ
レステリック液晶など、および、誘電異方性によるｐ型
液晶など、全ての種類の液晶を使用することができる。
液晶３の貫通孔２および凹溝９内への充填方法は例え
ば、液晶３に固体透明高分子層１を浸漬し、超音波振動
を加えて貫通孔２および凹溝９内の気泡を脱気すること
により容易に実施できる。

【００１６】以下、図４〜図１０に示す実施例により本
発明を更に説明する。

【００１７】固体透明高分子として膜厚３５μｍの透明
ネガ型ドライレジストフィルム１０（東洋インキ社製）
をＩＴＯ膜付きガラス８ａのＩＴＯ膜４上に貼り付け、
線径２５μｍ１インチ間目数５００メッシュのステンレ
ス金網をフォトマスクとして介し、リソグラフィー用紫
外光源により平行光線を照射し、露光を行った後、０．
１％炭酸ナトリウム水溶液でエッチングし、図６および
図７に示す２５μｍ間隔、２５μｍ角柱状の格子パター
ンを形成した。その後、液晶配向を均一にするため、こ
の作製されたレジスト付きガラスをシランカップリング
剤ＴＳＲ８１８５（化学式：Ｃ₁₃Ｈ₃₇Ｓｉ（ＯＣＨ₃ ）
₃ 、東芝シリコーン社製）の２％エタノール溶液に浸漬
し、１１５℃で１時間加熱して撥水処理を行った。次い
で、常光屈折率（ｎ₀ ）がレジストフィルム１０の屈折
率と等しいシアノビフェニル系ネマティック液晶を含浸
し、これをもう一枚のＩＴＯ膜付きのガラス８ｂでＩＴ
Ｏ膜４がレジストフィルム１０と接する側になるように
挟み、図６に示されるような構造を有する光学フィルタ
を作製した。

【００１８】上記光学フィルタとビーム径５ｍｍ、波長
６７０ｎｍの赤色レーザ光源（図示されていない）を図
１のように配置し、スイッチ７を開き電極４間に電圧を
印加しない状態で、レーザ光を光学フィルタに照射した
ところ、２ｍ離れたスクリーンに図８（ａ）のような干
渉パターンが得られた。この干渉縞間隔が２８ｍｍで回
折角θは０．８０°となり、前記の（式１）に波長（６
７０×１０^-9）および格子周期（５０×１０^-6）を入れ
て得られた理論値（但し、１番目に隣接する光点を扱っ
ているため、ｍ＝１となる）、 θ＝（６７０×１０^-9）／（５０×１０^-6）＝０．０１３４＝０．７７° にほぼ合致していた。

【００１９】また、図２に示されるように、スイッチ７
を閉じ電極４間に１０Ｖの交流電圧（５０Ｈz ）６を印
加してレーザを照射したところ、図８（ｂ）のように光
は全て透過し、干渉は生じなかった。図中、１１がレー
ザ光の直進透過光点を示し、１２がレーザ光の回折光点
群を示す。

【００２０】また、上記光学フィルタ作製中、液晶配向
処理としてシランカップリング剤によるドライレジスト
フィルム１０の壁面への撥水処理を行ったが、その代わ
りに、レジスト付きガラスともう一枚のガラスをＰＶＰ
（ポリビニルピロリドン）２wt％水溶液に浸漬し、１２
０℃で１時間加熱反応させ、親水処理を行い作製した光
学フィルタは上記光学フィルタと同様の駆動特性を示し
た。

【００２１】更に、図７に示すパターンの代わりに、図
９に示すパターンを使用し同様の処理を行いレーザ照射
を行った結果、電圧非印加時に図１０（ａ）のような干
渉パターンが得られた。この干渉縞間隔は１８ｍｍで、
回折角θは０．４９°となり、前記の（式１）に波長
（６８０×１０^-9）および格子周期（８０×１０^-6）を
入れて得られた理論値（但し、１番目に隣接する光点を
扱っているため、ｍ＝１となる）、 θ＝（６８０×１０^-9）／（８０×１０^-6）＝０．０８５＝０．４９° にほぼ合致していた。そして、電圧印加時には図１０
（ｂ）のように、光は全て透過し、干渉は生じなかっ
た。図８と同様に、図中、１１がレーザ光の直進透過光
点を示し、１２がレーザ光の回折光点群を示す。

【００２２】上記のようにして作製された光学フィルタ
の写真撮影用の特殊フィルタへの応用例としては、液晶
素子に印加される電圧値を制御することにより、本発明
の光学フィルタの滲出効果を制御することが考えられ
る。印加する電圧値を高めると滲出効果が弱くなり、印
加する電圧値を下げると滲出効果が強くなる。

【００２３】図７に示す回折格子パターンを持った光学
フィルタを使用して、蝋燭の炎１３を撮影した場合、光
学フィルタに電圧が印加されているときには図１１
（ａ）のような写真像が得られ、光学フィルタの電圧が
印加されていないときには図１１（ｂ）のような光芒１
４のある写真像が得られた。本発明の実施例において
は、光学フィルタは一枚の回折格子パターンのみで構成
されるものを使用したが、本発明は一つの回折格子パタ
ーンを持った光学フィルタに限定されるわけではなく、
幾種類もの回折格子パターンを持った複数枚の光学フィ
ルタを重ね合わせ、外部リモートコントローラにより、
使用したい格子パターンのみを選択するような機構も考
えられる。例えば、カメラレンズのキャップ部分に本発
明の光学フィルタを２枚装着し、外部にある電源および
リモートコントローラにより２枚の光学フィルタの滲出
効果を遠隔操作することもできる。電源部は携帯性を考
慮して直流電源を使用し、光学フィルタへの印加電圧は
ＤＣ／ＡＣ変換装置を使用し、リモートコントローラの
スイッチの開閉によって、所望の光学フィルタ以外に電
圧を印加することにより使用したい格子パターンのみを
選択することができる。言うまでもなく、電源およびリ
モートコントローラは外部に取り付けるタイプの他に、
カメラ内の電源を使用し、開閉スイッチをカメラに内蔵
させることも可能であり、ＤＣ／ＡＣ変換装置およびス
イッチの切り替え方法、形態については公知慣用の方法
が全て使用できる。直流電源およびＤＣ／ＡＣ変換装置
を使用する代わりに、交流電源を使用し、光学フィルタ
に直接印加する方法も可能である。本発明の光学フィル
タの駆動はカメラのシャッター系と連動させる必要はな
い。例えば、撮影時に所望のソフトフォーカス効果およ
び／または光芒効果をファインダーから確認しながら本
発明の光学フィルタに印加する電圧値をコントロール
し、シャッターを切ることができる。本発明の光学フィ
ルタは一眼レフカメラ、二眼レフカメラの別なく使用で
きる。

【００２４】写真撮影用途の他には、図７および図９に
見られるようなレーザ光の干渉パターンを利用した舞台
証明における特殊撮影や電圧印加−非印加により指向性
モードおよび非指向性モードのモード切り替え可能なレ
ーザポインターなどへの応用が考えられる。

【００２５】なお、本発明の実施例では新規な構成の光
学フィルタを作製する方法として、フォトリソグラフィ
ーにより形成したパターンを用いてその間隙に液晶３を
充填する方法を用いたが、液晶層３を固体透明高分子層
１を貫通するように形成できるものであれば、特に方法
および材料は限定されない。

【００２６】本発明の光学フィルタを構成する固体透明
高分子層１は上面から下面に貫通する微小孔２または凹
溝９を有するが、この微小貫通孔２の形状は特に限定さ
れず、真円形、楕円形、方形、直線、曲線など任意の形
状をとることができる。貫通孔２の配列は直線状でもよ
いし、折れ曲がっていてもよい。貫通孔２同士は物理的
に隔離された独立状でもよい。光学フィルタの製造上の
簡略化の目的からすれば、微小貫通孔の方が望ましい
が、駆動特性に問題をもたらさない範囲で接着剤層ある
いは固体透明高分子層１そのものなどで液晶３と電極４
とが離れていても問題はない。

【００２７】また、液晶層３は固体透明高分子層１を完
全に貫通する必要はなく、図３に示されるように、光学
フィルタ駆動特性に問題をもたらさない範囲で接着剤層
あるいは固体透明高分子１そのものなどで液晶３と電極
４とが離れていても何ら問題がない。

【００２８】本発明の実施例では（液晶層３＋高分子層
１）の幅を５０〜８０μｍ程度としたが、高分子層１お
よび液晶層３の幅は光学フィルタ特性と製造上の要求に
合わせて任意に設定することができる。

【００２９】更に、パターンの配列、形状についてもこ
れ以外に任意の干渉パターンを得るため、干渉効果の調
節などの目的で、例えば、とんぼレンズ状に光芒の現れ
る蜂の巣状、三角格子状、リング状に光芒の現れるリン
グ状など、各種の配列および形状パターンを形成するこ
とも当然可能である。

【００３０】前記実施例では、液晶３としての正の誘電
異方性をもつネマスチィック液晶を用いたが、これ以外
にもスメチック液晶、コレステリック液晶などいずれで
あってもよい。また、必要に応じて、これら液晶に２色
性色素を加えることも可能であり、固体透明高分子１も
必要に応じて着色することも当然可能である。

【００３１】また、実施例では基板８としてガラスを用
いたが、この他にも例えば、ポリカーボネート、ポリメ
チルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレートなど
の透明プラスチックを使用することも当然可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学フィ
ルタでは、液晶層を電極面に対し垂直な方向に固体透明
高分子を貫通するか、または貫通しないように形成し、
格子パターンを構成することにより、光の干渉効果を電
気的に制御できる。これにより、従来の紗を使用したフ
ィルタと同様な軟焦点効果および光の滲出効果がフィル
タの交換なしに、連続的に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学フィルタの一例の電圧非印加状態
の模式図である。

【図２】図１の本発明の光学フィルタの電圧印加状態の
模式図である。

【図３】本発明の光学フィルタの別の例の電圧非印加状
態の模式図である。

【図４】図３の本発明の光学フィルタの電圧印加状態の
模式図である。

【図５】周期ｃの格子からの回折の様子を示す原理説明
図である。

【図６】実施例で製作された光学フィルタの構造を示す
一部切り欠き断面斜視図である。

【図７】実施例で製作された格子パターンの構造を示す
部分拡大配置図である。

【図８】（ａ）は図７の格子パターンを有する光学フィ
ルタによる電圧非印加時の干渉パターンを示す拡大図で
あり、（ｂ）は電圧印加時の干渉パターンを示す拡大図
である。

【図９】実施例で製作された別の例の格子パターンを示
す拡大図である。

【図１０】（ａ）は図９の格子パターンを有する光学フ
ィルタによる電圧非印加時の干渉パターンを示す拡大図
であり、（ｂ）は電圧印加時の干渉パターンを示す拡大
図である。

【図１１】図７の格子パターンを有する光学フィルタを
使用し蝋燭を撮影したものであり、（ａ）は電圧印加時
の干渉パターンを示す拡大図であり、（ｂ）は電圧非印
加時の干渉パターンを示す拡大図である。

【符号の説明】

１固体透明高分子２貫通孔または凹溝３液晶４透明電極５導体６電極７スイッチ８ガラス９凹溝１０ドライレジストフィルム１１レーザ光の直進光点１２レーザ光の回折光点群１３燭光１４光芒１５蝋燭

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上面から下面に貫通する、一定間隔に配
列された複数個の貫通孔あるいは凹溝を有する固体透明
高分子層が一対の電極間に間挿されており、前記固体透
明高分子層に設けられた貫通孔あるいは凹溝内に液晶が
充填されて保持されており、前記電極間に電圧を印加ま
たは非印加することに対応して干渉光を発生または発生
しないことを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】前記液晶は電極に電圧が印加されている
状態のとき、前記電極面に対して垂直に配向し干渉光を
発生せず、電極に電圧が印加されていない状態のとき、
前記電極面に対して概ね非垂直に配向して干渉光を発生
することを特徴とする請求項１の光学フィルタ。