特許 7565454 光学素子の駆動方法

(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】

(24)【登録日】2024-10-02

(45)【発行日】2024-10-10

(54)【発明の名称】光学素子の駆動方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20241003BHJP

   G02F 1/1343 20060101ALI20241003BHJP

   G02F 1/1347 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

G02F1/1343

G02F1/1347

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023545155

(86)(22)【出願日】2022-07-22

(86)【国際出願番号】 JP2022028427

(87)【国際公開番号】W WO2023032517

(87)【国際公開日】2023-03-09

【審査請求日】2024-02-07

(31)【優先権主張番号】P 2021144295

(32)【優先日】2021-09-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】今井 貴之

(72)【発明者】

【氏名】池田 幸次朗

(72)【発明者】

【氏名】小糸 健夫

【審査官】植田 裕美子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１９６３１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１２８２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８１４１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｆ １／１３４３

Ｇ０２Ｆ １／１３４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の液晶セルおよび前記第１の液晶セルの上の第２の液晶セルを含む光学素子の駆動方法であって、
前記第１の液晶セルは、
第１の方向において、第１の透明電極と第２の透明電極とが交互に配置された第１の基板と、
前記第１の方向と交差する第２の方向において、第３の透明電極と第４の透明電極とが交互に配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間の第１の液晶層と、を含み、
前記第２の液晶セルは、
前記第１の方向において、第５の透明電極と第６の透明電極とが交互に配置された第３の基板と、
前記第２の方向において、第７の透明電極と第８の透明電極とが交互に配置された第４の基板と、
前記第３の基板と前記第４の基板との間の第２の液晶層と、を含み、
前記第１の透明電極に、第１の信号を入力し、
前記第２の透明電極に、前記第１の信号との位相差がπを有する第２の信号を入力し、
前記第３の透明電極に、前記第１の信号との位相差が任意の値αを有する第３の信号を入力し、
前記第４の透明電極に、前記第３の信号との位相差がπを有する第４の信号を入力し、
前記第５の透明電極に、第５の信号を入力し、
前記第６の透明電極に、前記第５の信号との位相差がπを有する第６の信号を入力し、
前記第７の透明電極に、前記第５の信号との位相差が任意の値βを有する第７の信号を入力し、
前記第８の透明電極に、前記第７の信号との位相差がπを有する第８の信号を入力し、
前記任意の値βは、前記任意の値αと異なる、光学素子の駆動方法。

【請求項2】

前記任意の値αは、０＜α＜πを満たす、請求項１に記載の光学素子の駆動方法。

【請求項3】

前記任意の値αは、π／２である、請求項１に記載の光学素子の駆動方法。

【請求項4】

前記任意の値βは、０である、請求項１に記載の光学素子の駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、光源から出射された光の配光を制御する光学素子、特に、液晶を用いた光学素子の駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、液晶に印加する電圧を調整し、液晶の屈折率が変化することを利用した光学素子、いわゆる液晶レンズが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、または特許文献３参照）。例えば、特許文献１および特許文献２に記載された照明装置は、液晶レンズを利用し、光源からの光を円形状に配光する。また、特許文献３に記載されたビーム成形デバイスでは、液晶に印加する電極のパターンを変えて配光の形状を変化させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－３１７８７９号公報

【文献】特開２０１０－２３０８８７号公報

【文献】特開２０１４－１６０２７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

液晶を用いた光学素子では、液晶に印加する電位の振幅の大きさを変化させて配光の形状を変化させることもできる。しかしながら、電位の振幅の大ききを変えるためには、デジタルアナログ変換回路（ＤＡＣ）または増幅回路（ＡＭＰ）などを含む複雑な制御回路が必要であるが、配光の微調整が難しいという問題があった。そのため、配光の制御が容易な光学素子が望まれている。

【0005】

本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、配光の制御が容易な光学素子の駆動方法を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態に係る光学素子の駆動方法は、第１の液晶セルを含む光学素子の駆動方法であって、第１の液晶セルは、第１の方向において、第１の透明電極と第２の透明電極とが交互に配置された第１の基板と、第１の方向と交差する第２の方向において、第３の透明電極と第４の透明電極とが交互に配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間の第１の液晶層と、を含み、第１の透明電極に、第１の信号を入力し、第２の透明電極に、第１の信号との位相差がπを有する第２の信号を入力し、第３の透明電極に、第１の信号との位相差が任意の値αを有する第３の信号を入力し、第４の透明電極に、第３の信号との位相差がπを有する第４の信号を入力する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的な斜視図である。

【図2A】本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的な断面図である。

【図2B】本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的な断面図である。

【図3A】本発明の一実施形態に係る光学素子による配光の制御を説明する模式的な断面図である。

【図3B】本発明の一実施形態に係る光学素子による配光の制御を説明する模式的な断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る光学素子の透明電極に入力される信号線を説明する模式図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る光学素子の透明電極に入力される信号のタイミングチャートである。

【図6】本発明の一実施形態に係る光学素子の透明電極に入力される信号のタイミングチャートである。

【図7A】本発明の一実施形態に係る光学素子の第１の液晶セルの透過率を示すグラフである。

【図7B】本発明の一実施形態に係る光学素子の第１の液晶セルの透過率を示すグラフである。

【図8】本発明の一実施形態に係る光学素子の第１の液晶セルを透過した光の色度座標のｘ座標を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の各実施形態において、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その技術的思想の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

【0009】

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、図示の形状そのものが本発明の解釈を限定するものではない。また、図面において、明細書中で既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、別図であっても同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。

【0010】

ある一つの膜を加工して複数の構造体を形成した場合、各々の構造体は異なる機能、役割を有する場合があり、また各々の構造体はそれが形成される下地が異なる場合がある。しかしながらこれら複数の構造体は、同一の工程で同一層として形成された膜に由来するものであり、同一の材料を有する。従って、これら複数の膜は同一層に存在しているものと定義する。

【0011】

ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接して、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。

【0012】

［１．光学素子１０の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の模式的な斜視図である。図１に示すように、光学素子１０は、第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２を含む。第２の液晶セル１１０－２は、第１の光学弾性樹脂層１７０－１を介して、第１の液晶セル１１０－１上に配置されている。すなわち、光学素子１０は、ｚ軸方向において、第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２が積層された構造を有する。第１の光学弾性樹脂層１７０－１は、第１の液晶セル１１０－１と第２の液晶セル１１０－２とを接着し、固定する。第１の光学弾性樹脂層１７０－１として、透光性を有するアクリル樹脂またはエポキシ樹脂などを含む接着剤を用いることができる。

【0013】

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の模式的な断面図である。具体的には、図２Ａは、図１に示すＡ１－Ａ２線に沿って切断されたｚｘ面内の模式的な断面図であり、図２Ｂは、図１に示すＢ１－Ｂ２線に沿って切断されたｙｚ面内の模式的な断面図である。なお、以下では、ｘ軸方向およびｙ軸方向を、それぞれ、第１の方向および第１の方向と交差する第２の方向として記載する場合がある。

【0014】

第１の液晶セル１１０－１は、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２が形成された第１の基板１２０－１と、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４が形成された第２の基板１２０－２と、を含む。第１の基板１２０－１上には、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２を覆う第１の配向膜１４０－１が形成されている。また、第２の基板１２０－２上には、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４を覆う第２の配向膜１４０－２が形成されている。第１の基板１２０－１と第２の基板１２０－２とは、第１の基板１２０－１上の第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２と、第２の基板１２０－２上の第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４とが交差上に（以下、同様）対向するように配置されている。また、第１の基板１２０－１および第２の基板１２０－２の各々の周辺部には、第１のシール材１５０－１が形成されている。すなわち、第１の基板１２０－１と第２の基板１２０－２とは、第１のシール材１５０－１を介して接着されている。また、第１の基板１２０－１（より具体的には、第１の配向膜１４０－１）、第２の基板１２０－２（より具体的には、第２の配向膜１４０－２）、および第１のシール材１５０－１で囲まれた空間には液晶が封入され、第１の液晶層１６０－１が形成されている。

【0015】

第２の液晶セル１１０－２は、第５の透明電極１３０－５および第６の透明電極１３０－６が形成された第３の基板１２０－３と、第７の透明電極１３０－７および第８の透明電極１３０－８が形成された第４の基板１２０－４と、を含む。第３の基板１２０－３上には、第５の透明電極１３０－５および第６の透明電極１３０－６を覆う第３の配向膜１４０－３が形成されている。また、第４の基板１２０－４上には、第７の透明電極１３０－７および第８の透明電極１３０－８を覆う第４の配向膜１４０－４が形成されている。第３の基板１２０－３と第４の基板１２０－４とは、第３の基板１２０－３上の第５の透明電極１３０－５および第６の透明電極１３０－６と、第４の基板１２０－４上の第７の透明電極１３０－７および第８の透明電極１３０－８とが対向するように配置されている。また、第３の基板１２０－３および第４の基板１２０－４の各々の周辺部には、第２のシール材１５０－２が形成されている。すなわち、第３の基板１２０－３と第４の基板１２０－４とは、第２のシール材１５０－２を介して接着されている。また、第３の基板１２０－３（より具体的には、第３の配向膜１４０－３）、第４の基板１２０－４（より具体的には、第４の配向膜１４０－４）、および第２のシール材１５０－２で囲まれた空間には液晶が封入され、第２の液晶層１６０－２が形成されている。

【0016】

第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２は、基本的な構成は同じである。そのため、以下では、第１の液晶セル１１０－１の透明電極１３０の配置について説明し、第２の液晶セル１１０－２の透明電極１３０の配置については説明を省略する。

【0017】

第１の液晶セル１１０－１では、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２はｙ軸方向に延在し、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４はｘ軸方向に延在している。また、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２とは、ｘ軸方向において交互に櫛歯状に配置され、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４とは、第２の方向において交互に櫛歯状に配置されている。平面視において、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２の延在方向（ｙ軸方向）は、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４の延在方向（ｘ軸方向）と直交しているが、直交から僅かにずれた状態で交差していてもよい。

【0018】

平面視において、第１の液晶セル１１０－１の第１の透明電極１３０－１および第２の液晶セル１１０－２の第５の透明電極１３０－５は、互いに延在方向（ｙ軸方向）が略一致するように重畳している。但し、第１の透明電極１３０－１および第５の透明電極１３０－５が僅かにずれて重畳するように、第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２が配置されていてもよい。

【0019】

第１の基板１２０－１～第４の基板１２０－４の各々として、例えば、ガラス基板、石英基板、またはサファイア基板などの透光性を有する剛性基板が用いられる。また、第１の基板１２０－１～第４の基板１２０－４の各々として、例えば、ポリイミド樹脂基板、アクリル樹脂基板、シロキサン樹脂基板、またはフッ素樹脂基板などの透光性を有する可撓性基板を用いることもできる。

【0020】

第１の透明電極１３０－１～第８の透明電極１３０－８の各々は、液晶層１６０に電界を形成するための電極として機能する。第１の透明電極１３０－１～第８の透明電極１３０－８の各々として、例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）またはインジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料が用いられる。

【0021】

第１の液晶層１６０－１および第２の液晶層１６０－２の各々は、液晶分子の配向状態に応じて、透過する光を屈折し、または透過する光の偏光状態を変化させることができる。第１の液晶層１６０－１および第２の液晶層１６０－２の各々の液晶として、ネマティック液晶などが用いられる。本実施形態で説明する液晶はポジ型であるが、液晶分子の初期の配向方向などを変更することによりネガ型を適用する構成も可能である。また、液晶には、液晶分子にねじれを付与するカイラル剤が含まれていることが好ましい。

【0022】

第１の配向膜１４０－１～第４の配向膜１４０－４の各々は、液晶層１６０内の液晶分子を所定の方向に配列する。第１の配向膜１４０－１～第４の配向膜１４０－４の各々として、ポリイミド樹脂などが用いられる。なお、第１の配向膜１４０－１～第４の配向膜１４０－４の各々は、ラビング法または光配向法などの配向処理によって配向特性が付与されてもよい。ラビング法は、配向膜の表面を一方向に擦る方法である。また、光配向法は、配向膜に直線偏光の紫外線を照射する方法である。

【0023】

第１のシール材１５０－１および第２のシール材１５０－２の各々として、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂を含む接着材などが用いられる。なお、接着材は、紫外線硬化型であってもよく、熱硬化型であってもよい。

【0024】

図１～図２Ｂでは、２つの液晶セル１１０を含む光学素子１０を示したが、光学素子１０の液晶セル１１０の数は２つに限られない。光学素子１０に含まれる液晶セル１１０の数は、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。但し、光学素子１０は、少なくとも２つの液晶セル１１０を含むことにより、無偏光の配光を制御することができる。この場合、液晶表示素子の表裏面に設けられるような一対の偏光板を設ける必要はない。具体的には、図１～図２Ｂに示す光学素子１０では、第１の液晶セル１１０－１の第１の基板１２０－１および第２の液晶セル１１０－２の第４の基板１２０－４の各表面には、偏光板を設ける必要はない。

【0025】

［２．光学素子１０による配光の制御］
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０による配光の制御を説明する模式的な断面図である。図３Ａおよび図３Ｂには、図２Ａに示す第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２の断面図の一部が示されている。図３Ａには、透明電極１３０に電位が供給されていない状態の光学素子１０が示され、図３Ｂには、透明電極１３０に電位が供給されている状態の光学素子１０が示されている。なお、透明電極１３０への電位の供給の制御（信号の入力）については、後述する。

【0026】

第１の配向膜１４０－１はｘ軸方向に配向処理が行われている。そのため、図３Ａに示すように、第１の液晶層１６０－１の第１の基板１２０－１側の液晶分子は、長軸がｘ軸方向に沿って配向する。すなわち、第１の基板１２０－１側の液晶分子の配向方向は、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２の延在方向（ｙ軸方向）に対して直交している。また、第２の配向膜１４０－２はｙ軸方向に配向処理が行われている。そのため、図３Ａに示すように、第１の液晶層１６０－１の第２の基板１２０－２側の液晶分子は、長軸がｙ軸方向に沿って配向する。すなわち、第２の基板１２０－２側の液晶分子の配向方向は、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４の延在方向（ｘ軸方向）に対して直交している。したがって、第１の液晶層１６０－１の液晶分子は、第１の基板１２０－１から第２の基板１２０－２に向かうにつれて徐々に長軸の向きをｘ軸方向からｙ軸方向に変化し、９０度ねじれた状態で配向している。

【0027】

第２の液晶層１６０－２の液晶分子も、第１の液晶層１６０－１の液晶分子と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0028】

透明電極１３０に電位が供給されると、図３Ｂに示すように、液晶分子の配向が変化する。ここでは、第１の透明電極１３０－１、第３の透明電極１３０－３、第５の透明電極１３０－５、および第７の透明電極１３０－７にＬｏｗ電位が供給され、第２の透明電極１３０－２、第４の透明電極１３０－４、第６の透明電極１３０－６、および第８の透明電極１３０－８にＨｉｇｈ電位が供給されているものとして説明する。なお、図３Ｂでは、便宜上、Ｌｏｗ電位およびＨｉｇｈ電位を、それぞれ、「－」および「＋」の記号を用いて図示している。なお、以下では、隣接する２つの透明電極１３０間に生じる電界を横電界と言う場合がある。

【0029】

図３Ｂに示すように、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間の横電界の影響によって、第１の基板１２０－１側の液晶分子は、全体として、第１の基板１２０－１に対してｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向する。同様に、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間の横電界の影響によって、第２の基板１２０－２側の液晶分子は、全体として、第２の基板１２０－２に対してｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向する。第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間のほぼ中央に位置する液晶分子は、いずれの横電界によっても配向がほとんど変化しない。したがって、第１の液晶層１６０－１に入射した光は、第１の基板１２０－１側のｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向された液晶分子の屈折率分布にしたがってｘ軸方向に拡散され、第２の基板１２０－２側のｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向された液晶分子の屈折率分布にしたがってｙ軸方向に拡散される。

【0030】

なお、第１の基板１２０－１と第２の基板１２０－２とは、十分に離れた基板間距離を有しているため、第１の基板１２０－１の第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間の横電界は、第２の基板１２０－２側の液晶分子の配向に対して影響を及ぼさない、または、無視できるほどに小さい。同様に、第２の基板１２０－２の第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間の横電界は、第１の基板１２０－１側の液晶分子の配向に対して影響を及ぼさない、または、無視できるほどに小さい。

【0031】

第５の透明電極１３０－５～第８の透明電極１３０－８に電位が供給された場合における第２の液晶層１６０－２の液晶分子も、第１の液晶層１６０－１の液晶分子と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0032】

続いて、光学素子１０を透過する光の配光について説明する。光源から出射された光は、ｘ軸方向の偏光成分（Ｐ偏光成分）およびｙ軸方向の偏光成分（Ｓ偏光成分）を有するが、以下では、便宜上、光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分けて説明する。すなわち、光源から出射された光（図３Ａおよび図３Ｂ中の（１）参照）は、Ｐ偏光成分を有する第１の偏光３１０およびＳ偏光成分を有する第２の偏光３２０を含む。なお、図３Ａおよび図３Ｂ中の矢印の記号および丸印にバツを付した記号は、それぞれ、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を表している。

【0033】

第１の偏光３１０は、第１の基板１２０－１に入射した後、第２の基板１２０－２に向かうにつれて、液晶分子の配向のねじれにしたがってＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化する（図３Ａおよび図３Ｂ中の（２）～（４）参照）。より具体的には、第１の偏光３１０は、第１の基板１２０－１側ではｘ軸方向に偏光軸を有しているが、第１の液晶層１６０－１の厚さ方向に通過する過程でその偏光軸を徐々に変化させ、第２の基板１２０－２側ではｙ軸方向に偏光軸を有し、その後、第２の基板１２０－２側から出射される（図３Ａおよび図３Ｂ中の（５）参照）。

【0034】

ここで、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第１の基板１２０－１側の液晶分子がｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。そのため、第１の偏光３１０は、当該液晶分子の屈折率分布にしたがって、ｘ軸方向に拡散する。また、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第２の基板１２０－２側の液晶分子がｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。そのため、第１の偏光３１０は、当該液晶分子の屈折率分布の変化にしたがって、ｙ軸方向に拡散する。

【0035】

したがって、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）、第１の液晶セル１１０－１を透過する第１の偏光３１０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化する。一方、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）、第１の液晶セルを透過する第１の偏光３１０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化するとともに、ｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散する。

【0036】

第２の偏光３２０は、第１の基板１２０－１に入射した後、第２の基板１２０－２に向かうにつれて、液晶分子の配向のねじれにしたがってＳ偏光成分からＰ偏光成分に変化する（図３Ａおよび図３Ｂ中の（２）～（４）参照）。より具体的には、第２の偏光３２０は、第１の基板１２０－１側ではｙ軸方向に偏光軸を有しているが、第１の液晶層１６０－１の厚さ方向に通過する過程でその偏光軸を徐々に変化させ、第２の基板１２０－２側ではｘ軸方向に偏光軸を有し、その後、第２の基板１２０－２側から出射される（図３Ａおよび図３Ｂ中の（５）参照）。

【0037】

ここで、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第１の基板１２０－１側の液晶分子がｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。しかしながら、第２の偏光３２０の偏光軸は、第１の基板１２０－１側の液晶分子の配向と直交しているため、当該液晶分子の屈折率分布の影響を受けず、拡散せずにそのまま通過する。また、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第２の基板１２０－２側の液晶分子がｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。しかしながら、第２の偏光３２０の偏光軸は、第２の基板１２０－２側の液晶分子の配向と直交しているため、当該液晶分子の屈折率分布の影響を受けず、拡散せずにそのまま通過する。

【0038】

したがって、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）だけでなく、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）も、第１の液晶セル１１０－１を透過する第２の偏光３２０は、偏光成分がＳ偏光成分からＰ偏光成分に変化するが、拡散しない。

【0039】

第２の液晶セル１１０－２の第２の液晶層１６０－２の液晶分子も、第１の液晶セル１１０－１の第１の液晶層１６０－１の液晶分子と同様の屈折率分布を有する。但し、第１の偏光３１０および第２の偏光３２０は、第１の液晶セル１１０－１を透過することで、偏光軸が変化しているため、第２の液晶層１６０－２の液晶分子の屈折率分布の影響を受ける偏光は逆となる。すなわち、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）だけでなく、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）も、第２の液晶セル１１０－２を透過する第１の偏光３１０は、偏光成分がＳ偏光成分からＰ偏光成分に変化するが、拡散しない（図３Ａおよび図３Ｂ中の（６）～（８）参照）。一方、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）、第２の液晶セル１１０－２を透過する第２の偏光３２０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化するのみであるが、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）、第２の液晶セル１１０－２を透過する第２の偏光３２０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化するとともに、ｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散する。

【0040】

以上からわかるように、光学素子１０では、同一の構造を有する２つの液晶セル１１０を積層させることにより、光学素子１０に入射する光の偏光成分を２度にわたって変化させ、その結果、入射前と入射後での偏光成分を変わらなくすることができる（図３Ａおよび図３Ｂ中の（１）および（９）参照）。他方、光学素子１０は、透明電極１３０に電位が供給されると、液晶セル１１０の液晶層１６０の液晶分子が有する屈折率分布を変化させ、液晶セル１１０を透過する光を屈折させることができる。より具体的には、第１の液晶セル１１０－１が第１の偏光３１０（Ｐ偏光成分）の光をｘ軸方向、ｙ軸方向、またはｘ軸およびｙ軸の両軸方向に拡散させ、第２の液晶セル１１０－２が第２の偏光３２０（Ｓ偏光成分）の光をｘ軸方向、ｙ軸方向、またはｘ軸およびｙ軸の両軸方向に拡散させることができる。

【0041】

［３．光学素子１０の透明電極１３０への信号の入力］
図４は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の透明電極１３０に入力される信号線２００を説明する模式図である。なお、図４には、第１の液晶セル１１０－１の第１の透明電極１３０－１～第４の透明電極１３０－４のみが示されている。また、図４では、説明の便宜上、第２の基板１２０－２が破線で示されている。

【0042】

第１の透明電極１３０－１、第２の透明電極１３０－２、第３の透明電極１３０－３、および第４の透明電極１３０－４は、それぞれ、第１の信号線２００－１、第２の信号線２００－２、第３の信号線２００－３、および第４の信号線２００－４と電気的に接続されている。第１の透明電極１３０－１には、第１の信号線２００－１を介して、第１の信号Ｓ１が入力される。第２の透明電極１３０－２には、第２の信号線２００－２を介して、第２の信号Ｓ２が入力される。第３の透明電極１３０－３には、第３の信号線２００－３を介して、第３の信号Ｓ３が入力される。第４の透明電極１３０－４には、第４の信号線２００－４を介して、第４の信号Ｓ４が入力される。

【0043】

図５および図６は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、透明電極１３０に入力される信号のタイミングチャートである。図５および図６の各々に示す第１の信号Ｓ１～第４の信号Ｓ４は、Ｈｉｇｈ電位とＬｏｗ電位とが交互に繰り返される交流矩形波である。

【0044】

図５および図６に示す信号入力において、第２の信号Ｓ２は、第１の信号Ｓ１と位相差がπ（またはλ／２）ずれている。また、第４の信号Ｓ４は、第３の信号Ｓ３と位相差がπ（またはλ／２）ずれている。図５に示す信号入力の時刻ｔ_１および図６に示す信号入力の時刻ｔ_２では、第１の透明電極１３０－１にＨｉｇｈ電位が供給され、第２の透明電極１３０－２にＬｏｗ電位が供給され、第３の透明電極１３０－３にＨｉｇｈ電位が供給され、第４の透明電極１３０－４にＬｏｗ電位が供給される。上述したように、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間に電位差が生じているため、第１の液晶セル１１０－１の第１の基板１２０－１に入射した光は、第１の基板１２０－１側の第１の液晶層１６０－１の液晶分子によって拡散される。同様に、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間に電位差が生じているため、第１の液晶層１６０－１を通過する光は、第２の基板１２０－２側の第１の液晶層１６０－１の液晶分子によって拡散される。したがって、図５に示す信号入力および図６に示す信号入力では、第１の液晶セル１１０－１を通過する光が拡散されるように配光が制御される。

【0045】

一方、図５に示す信号入力と図６に示す信号入力とでは、信号の位相差が異なる。図５に示す信号入力では、第１の信号Ｓ１および第３の信号Ｓ３（または第２の信号Ｓ２および第４の信号Ｓ４）は、同じ位相である。すなわち、第１の信号Ｓ１と第３の信号Ｓ３との間に、位相差は生じていない。これに対し、図６に示す信号入力では、第１の信号Ｓ１と第３の信号Ｓ３との間（または第２の信号Ｓ２と第４の信号Ｓ４との間）でπ／２（またはλ／４）の位相差が生じている。

【0046】

本発明の発明者らは、液晶セル１１０の透明電極１３０に入力される信号の位相を変えると、配光が変化することを見出した。そのため、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の駆動方法では、液晶セル１１０の透明電極１３０に入力される信号の位相を変化させることにより、配光を制御することができる。

【0047】

図７Ａ～図８を参照して、図５に示す信号入力および図６に示す信号入力における配光の違いについて説明する。なお、図５に示す信号入力では、第１の基板１２０－１側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２）と第２の基板１２０－２側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第３の信号Ｓ３および第４の信号Ｓ４）との間には位相差が生じていないということができるため、以下では、便宜上、図５に示す信号入力を位相差０の信号入力として説明する。また、図６に示す信号入力では、第１の基板１２０－１側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２）と第２の基板１２０－２側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第３の信号Ｓ３および第４の信号Ｓ４）との間にはπ／２の位相差が生じているということができるため、以下では、便宜上、図６に示す信号入力を位相差π／２の信号入力として説明する。

【0048】

図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の第１の液晶セル１１０－１の透過率を示すグラフである。透過率は、第１の液晶セル１１０－１の透明電極１３０に、位相差０の信号入力または位相差π／２の信号入力を行い、測定した。ここで、測定に用いた第１の液晶セル１１０－１の透明電極１３０の幅は８（μｍ）であり、隣接する２つの透明電極１３０間の距離は８（μｍ）であった。また、第１の液晶層１６０－１の厚さは３０（μｍ）であった。信号のＨｉｇｈ電位は３０Ｖであり、Ｌｏｗ電位は０Ｖであった。図７Ａおよび図７Ｂに示す極角は、ｚ軸方向からの角度を表す。図７Ａは、位相差０の信号入力の極角０度を透過率１００％として規格化したグラフである。また、図７Ｂは、位相差０の信号入力および位相差π／２の信号入力の各々において、極角０度を透過率１００％として規格化したグラフである。

【0049】

図７Ａに示すように、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力よりも極角０度近傍における透過率が低下している。また、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力よりも－３０度から－５０度の範囲における透過率が増加している。すなわち、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力に比べ、第１の液晶層１６０－１による散乱特性が強まり、第１の液晶セル１１０－１を透過した光が、より拡散されている。このことは、図７Ｂからも理解することができる。図７Ｂに示すように、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力よりも、少なくとも極角－７０度以上０度よりも小さい範囲において、透過率の極角０度に対する割合が増加している。

【0050】

したがって、本発明の一実施形態に係る光学素子１０では、液晶セル１１０に入力する信号の電位の振幅の大きさを変えることなく、信号の位相を変えることによって、配光を制御することができる。

【0051】

図８は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の第１の液晶セル１１０－１を透過した光の色度座標のｘ座標を示すグラフである。光源には白色光を用いた。図８に示すように、位相差０の信号入力と位相差π／２の信号入力とでは、色度座標が変化している。そのため、本発明の一実施形態に係る光学素子１０では、液晶セル１１０に入力する信号の位相を変えることによって、配光の色を変化させることもできる。例えば、白色光の場合では、信号の位相を変えることにより、赤みがかった暖色または青みがかった寒色の光を光学素子１０から出射することができる。

【0052】

なお、上記では、位相差０の信号入力および位相差π／２の信号入力について説明したが、位相差はこれに限られない。位相差は、任意の値αとして、０≦α≦πとすることができる。本発明の一実施形態に係る光学素子１０では、特に、位相差が０＜α＜πを満たす場合において、従来とは異なる配光の制御が可能である。

【0053】

また、光学素子１０の配光の粗調整を供給する電位の振幅の大きさで行い、配光の微調整を信号の位相差で行うこともできる。

【0054】

以上、説明したように、光学素子１０では、信号の位相差を変えることによって、配光を制御することができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の駆動方法によれば、透明電極１３０に入力される信号の位相差を変えることによって、配光を制御する。すなわち、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の駆動方法によれば、透明電極１３０に入力する信号のタイミングを調整することにより、容易に配光を制御することができる。また、光学素子１０は、１つまたは複数の液晶セル１１０を含むが、１つまたは複数の液晶セル１１０の少なくとも１つが、位相差を変える配光の制御を有していればよい。これにより、配光の微調整を行うことができる。また、光学素子１０に２つの液晶セル１１０が含まれている場合、２つの液晶セル１１０の各々は、異なる位相差を有するように駆動されてもよい。例えば、第１の液晶セル１１０－１は、位相差αを有する信号が入力されることによって駆動され、第２の液晶セル１１０－２は、位相差αと異なる位相差βを有する信号が入力されることによって駆動されてもよい。

【0055】

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に相当し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、もしくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略、もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

【0056】

また、本実施形態において態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

【符号の説明】

【0057】

１０：光学素子、 １１０：液晶セル、 １１０－１：第１の液晶セル、 １１０－２：第２の液晶セル、 １２０－１：第１の基板、 １２０－２：第２の基板、 １２０－３：第３の基板、 １２０－４：第４の基板、 １３０：透明電極、 １３０－１：第１の透明電極、 １３０－２：第２の透明電極、 １３０－３：第３の透明電極、 １３０－４：第４の透明電極、 １３０－５：第５の透明電極、 １３０－６：第６の透明電極、 １３０－７：第７の透明電極、 １３０－８：第８の透明電極、 １４０：配向膜、 １４０－１：第１の配向膜、 １４０－２：第２の配向膜、 １４０－３：第３の配向膜、 １４０－４：第４の配向膜、 １５０－１：第１のシール材、 １５０－２：第２のシール材、 １６０：液晶層、 １６０－１：第１の液晶層、 １６０－２：第２の液晶層、 １７０－１：第１の光学弾性樹脂層、 ２００：信号線、 ２００－１：第１の信号線、 ２００－２：第２の信号線、 ２００－３：第３の信号線、 ２００－４：第４の信号線

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】