CN116868115A - 光学元件和照明装置 - Google Patents

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Abstract

提供可以控制光的配光或配光图案的光学元件。一种光学元件，包括被层叠的两个液晶单元(120、110)，其中，两个液晶单元分别包括：第一基板(111‑1、121‑1)，沿第一方向交替地配置有第一透明电极(112‑1、122‑1)和第二透明电极(112‑2、122‑2)；第二基板(111‑2、121‑2)，沿与第一方向交叉的第二方向交替地配置有第三透明电极(112‑3、122‑3)和第四透明电极；以及液晶层(113、123)，位于第一基板与第二基板之间，两个液晶单元的一方的液晶单元的第二基板(111‑2)与两个液晶单元的另一方的液晶单元的第一基板(121‑1)相邻。

Description

光学元件和照明装置
技术领域
本发明的一个实施方式涉及能够控制配光的光学元件。另外，本发明的一个实施方式涉及包含能够控制配光的光学元件的照明装置。
背景技术
以往，已知有一种利用了通过调整施加于液晶的电压，液晶的折射率变化的这一情况的光学元件、即所谓的液晶透镜。另外，正在进行使用光源和液晶透镜的照明装置的开发(例如，参照专利文献1、专利文献2或专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-317879号公报
专利文献2：日本特开2010-230887号公报
专利文献3：日本特开2014-160277号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在专利文献1或专利文献2所记载的照明装置中，仅仅是以利用液晶透镜来控制光的扩散分布、即光的配光角而进行聚光为目的。换言之，在专利文献1或专利文献2所记载的照明装置中，光的配光图案限于同心圆状。另外，专利文献3所记载的光束成型设备需要具有构成复杂的液晶单元，以便改变施加于液晶的电极的图案而使配光图案变化等得到光的配光图案的变化，从而缺乏量产性。
鉴于上述问题，本发明的一个实施方式的目的之一在于，提供一种能够控制光的配光或配光图案的光学元件。另外，本发明的一个实施方式的目的之一在于，提供一种能够控制光的配光或配光图案的照明装置。
用于解决问题的技术方案
本发明的一个实施方式涉及的光学元件包括被层叠的两个液晶单元，其中，两个液晶单元分别包括：第一基板，沿第一方向交替地配置有第一透明电极和第二透明电极；第二基板，沿与第一方向交叉的第二方向交替地配置有第三透明电极和第四透明电极；以及液晶层，位于第一基板与第二基板之间，两个液晶单元的一方的液晶单元的第二基板与两个液晶单元的另一方的液晶单元的第一基板相邻。
另外，本发明的一个实施方式涉及的照明装置包括光源和所述光学元件。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的光学元件的立体示意图。
图2A是本发明的一个实施方式涉及的光学元件的剖视示意图。
图2B是本发明的一个实施方式涉及的光学元件的剖视示意图。
图3A是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中第一基板上的第一透明电极和第二透明电极的配置的俯视示意图。
图3B是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中第二基板上的第三透明电极和第四透明电极的配置的俯视示意图。
图4A是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中液晶层的液晶的取向的剖视示意图。
图4B是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中液晶层的液晶的取向的剖视示意图。
图5A是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中施加了电压时的液晶层的液晶分子的取向的立体示意图。
图5B是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中施加了电压时的液晶层的液晶分子的取向的剖视示意图。
图5C是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件中施加了电压时的液晶层的液晶分子的取向的剖视示意图。
图6A是说明本发明的一个实施方式涉及的光学元件对光的配光的控制的剖视示意图。
图6B是说明本发明的一个实施方式涉及的光学元件对光的配光的控制的剖视示意图。
图7A是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件中包含的各透明电极施加的电压的时序图。
图7B是在本发明的一个实施方式涉及的光学元件中，对各透明电极施加图7A所示的电位而得到的光的配光图案的照片。
图8A是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件中包含的各透明电极施加的电压的时序图。
图8B是在本发明的一个实施方式涉及的光学元件中，对各透明电极施加图8A所示的电位而得到的光的配光图案的照片。
图9A是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件中包含的各透明电极施加的电压的时序图。
图9B是在本发明的一个实施方式涉及的光学元件中，对各透明电极施加图9A所示的电位而得到的光的配光图案的照片。
图10是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件中包含的各透明电极施加的电压的时序图。
图11是示出在本发明的一个实施方式涉及的光学元件的液晶单元中相对于d/p的正面相对亮度的曲线图。
图12是示出本发明的一个实施方式涉及的照明装置的构成的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图等对本发明的各实施方式进行说明。但是，本发明能够在不脱离其技术思想的主旨的范围内以各种方式实施，并不限定解释为以下示例的实施方式的记载内容。
为了使说明更加明确，与实际形态相比，附图中的各部分的宽度、厚度、形状等有时示意性地表示，说到底仅为一例，图示的形状本身并不限定本发明的解释。另外，在附图中，对于具备与在说明书中关于已出现的附图进行了说明的要素同样的功能的要素，即使是其他附图中也标注相同的附图标记，有时省略重复的说明。
在对某一个膜进行加工而形成多个结构体的情况下，各个结构体有时具有不同的功能、作用，另外，有时形成各个结构体的基底不同。但是，这些多个结构体来源于在同一工序中作为同一层形成的膜，具有相同的材料。因此，这些多个膜定义为存在于同一层。
在表达在某个结构体上配置其他的结构体的形态时，在仅表述为“上”的情况下，只要没有特别说明，则包括与某个结构体接触，在正上方配置其他结构体的情况、和在某个结构体的上方进一步隔着其他结构体配置其他结构体的情况这两者。
<第一实施方式>
参照图1～图11，对本发明的一个实施方式涉及的光学元件10进行说明。
[1.光学元件的构成]
图1是本发明的一个实施方式涉及的光学元件10的立体示意图。如图1所示，光学元件10包括第一液晶单元110、第二液晶单元120以及光学弹性树脂层130。光学弹性树脂层130设置于第一液晶单元110与第二液晶单元120之间。即，第一液晶单元110和第二液晶单元120以将光学弹性树脂层130夹在中间的方式沿z轴方向层叠。
光学弹性树脂层130可以将第一液晶单元110与第二液晶单元120粘合并固定。作为光学弹性树脂层130，可以使用光学弹性树脂，例如包括具有透光性的丙烯酸树脂的粘合剂。
图2A和图2B是本发明的一个实施方式涉及的光学元件10的剖视示意图。具体而言，图2A是沿图1所示的A1-A2线剖切得到的zx面内的剖视示意图，图2B是沿图1所示的B1-B2线剖切得到的yz面内的剖视示意图。此外，以下有时将x轴方向和y轴方向分别记载为第一方向和第二方向。
第一液晶单元110包括第一基板111-1、第二基板111-2、第一透明电极112-1、第二透明电极112-2、第三透明电极112-3、第四透明电极112-4、液晶层113、第一取向膜114-1、第二取向膜114-2以及密封材料115。第二液晶单元120包括第一基板121-1、第二基板121-2、第一透明电极122-1、第二透明电极122-2、第三透明电极122-3、第四透明电极122-4、液晶层123、第一取向膜124-1、第二取向膜124-2以及密封材料125。
光学元件10具有两个液晶单元，优选两个液晶单元的构成相同。因此，以下有时为了方便起见，仅对第一液晶单元110的构成进行说明，而省略第二液晶单元120的构成的说明。
第一基板111-1上设置有第一透明电极112-1和第二透明电极112-2。另外，设置有将第一透明电极112-1、第二透明电极112-2以及第一基板111-1的表面覆盖的第一取向膜114-1。
第二基板111-2上设置有第三透明电极112-3和第四透明电极112-4。另外，设置有将第三透明电极112-3、第四透明电极112-4以及第二基板111-2的表面覆盖的第二取向膜114-2。
第一基板111-1和第二基板111-2以第一基板111-1上的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2与第二基板111-2上的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4对置的方式配置。
另外，在第一基板111-1和第二基板111-2各自的周边部配置有密封材料115。即，第一基板111-1与第二基板111-2经由密封材料115而被粘合。另外，在由第一基板111-1(更具体而言为第一取向膜114-1)、第二基板111-2(更具体而言为第二取向膜114-2)以及密封材料115包围的空间中封入液晶，形成液晶层113。
作为第一基板111-1和第二基板111-2，分别使用例如玻璃基板、石英基板或者蓝宝石基板等具有透光性的刚性基板。另外，作为第一基板111-1和第二基板111-2，分别也可以采用例如使用聚酰亚胺树脂基板、丙烯酸树脂基板、硅氧烷树脂基板、或者氟树脂基板等具有透光性的挠性基板的构成。
第一透明电极112-1、第二透明电极112-2、第三透明电极112-3以及第四透明电极112-4分别作为用于在液晶层113形成电场的电极发挥功能。作为第一透明电极112-1、第二透明电极112-2、第三透明电极112-3以及第四透明电极112-4，分别使用例如铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)等的透明导电材料。
液晶层113可以根据液晶分子的取向状态使透过的光折射、或者使透过的光的偏振状态变化。作为液晶层113的液晶，例如可以使用向列型液晶等。液晶在本实施方式中采用正型，但也可以为通过变更液晶分子的初始的取向方向等而采用负型的构成。另外，优选液晶中含有对液晶分子赋予扭转的手性剂。
第一取向膜114-1和第二取向膜114-2分别将液晶层113内的液晶分子沿预定方向排列。第一取向膜114-1和第二取向膜114-2分别可以使用例如聚酰亚胺树脂等。此外，第一取向膜114-1和第二取向膜114-2分别也可以通过摩擦法或者光取向法等的取向处理而被赋予取向特性。摩擦法是沿一个方向摩擦取向膜的表面的方法。另外，光取向法是对取向膜照射直线偏振光的紫外线的方法。
密封材料115将第一基板111-1与第二基板111-2粘合并固定。作为密封材料115，例如可以使用环氧树脂粘合材料或丙烯酸树脂粘合材料等。粘合材料可以为紫外线固化型，也可以为热固化型。
光学元件10通过包含两个液晶单元(第一液晶单元110和第二液晶单元120)，可以控制无偏振的光的配光，形成配光图案，详细情况将后述。因此，不需要在各基板的外侧表面设置例如设置于液晶显示元件的表背面那样的一对偏振片。
[2.透明电极的配置]
参照图3A和图3B，对第一透明电极112-1、第二透明电极112-2、第三透明电极112-3以及第四透明电极112-4各自的配置详细进行说明。
图3A是示出在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中，第一基板111-1上的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2的配置的俯视示意图。另外，图3B是示出在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中，第二基板111-2上的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4的配置的俯视示意图。此外，图3A和图3B分别示出了从第一液晶层115-1侧观察到的各透明电极的配置。
如图3A所示，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2分别在x轴方向上具有第一宽度a1，并沿y轴方向延伸。另外，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2在x轴方向上具有第一电极间距离b1，并交替地配置。即，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2具有第一节距p1，且满足p1＝a1+b1。另外，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2分别与形成于第一基板111-1上的第一布线116-1和第二布线116-2电连接。第一布线116-1可以形成于第一透明电极112-1之下，也可以形成于第一透明电极112-1之上。该情况下，第一布线116-1也可以由金属形成。另外，第一布线116-1也可以形成于与第一透明电极112-1相同的层中。第二布线116-2也是同样的。
第一取向膜114-1沿x轴方向进行取向处理。该情况下，构成液晶层113的液晶分子中的第一基板111-1侧的液晶分子的长轴在无电场状态下沿x轴方向进行取向。即，第一取向膜114-1的取向方向(x轴方向)与第一透明电极112-1或第二透明电极112-2的延伸方向(y轴方向)正交。此外，作为取向处理，可以举出基于摩擦或光取向的取向处理。另外，第一取向膜114-1和第二取向膜114-2的取向方向只要彼此所成的角正交即可，各自的取向方向也可以与设置有第一取向膜114-1或第二取向膜114-2的透明电极的延伸方向以直角以外的角度交叉。
如图3B所示，第三透明电极112-3和第四透明电极112-4分别在y轴方向上具有第二宽度a2，并沿x轴方向延伸。另外，第三透明电极112-3和第四透明电极112-4在y轴方向上具有第二电极间距离b2，并交替配置。即，第三透明电极112-3和第四透明电极112-4具有第二节距p2，且满足p2＝a2+b2。另外，第三透明电极112-3和第四透明电极112-4分别与形成于第二基板111-2上的第三布线116-3和第四布线116-4电连接。第三布线116-3和第四布线116-4可以形成于第三透明电极112-3和第四透明电极112-4之下，也可以形成于第三透明电极112-3和第四透明电极112-4之上。该情况下，第三布线116-3和第四布线116-4也可以由金属形成。另外，第三布线116-3和第四布线116-4也可以形成于与第三透明电极112-3和第四透明电极112-4相同的层中。
第二取向膜114-2沿y轴方向进行取向处理。该情况下，构成液晶层113的液晶分子中的第二基板111-2侧的液晶分子的长轴在无电场状态下沿y轴方向进行取向。即，第二取向膜114-2的取向方向(y轴方向)与第三透明电极112-3或第四透明电极112-4的延伸方向(x轴方向)正交。
此外，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2也可以在第一基板111-1上以具有第一节距p1的梳齿状图案形成。同样地，第三透明电极112-3和第四透明电极112-4也可以在第二基板111-2上以具有第二节距p2的梳齿状图案形成。
在第一液晶单元110中，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2与第三透明电极112-3和第四透明电极112-4隔着液晶层113对置。在此，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2的延伸方向(y轴方向)与第三透明电极112-3和第四透明电极的延伸方向(x轴方向)正交。换言之，形成于第一基板111-1上的梳齿状的电极图案与形成于第二基板上的梳齿状的电极图案在俯视时相互正交。另外，在第一基板111-1形成有第五布线116-5和第六布线116-6。当第一基板111-1和第二基板111-2贴合时，第三布线116-3和第四布线116-4分别与设置于第一基板111-1的第五布线116-5和第六布线116-6电连接。第三布线116-3与第五布线116-5的电连接以及第四布线116-4与第六布线116-6的电连接例如可以使用银膏或者导电粒子(包含包覆了金属的粒子。)等进行。
此外，在本实施方式中，第一透明电极112-1和第二透明电极112-2交替配置的第一方向与第三透明电极112-3和第四透明电极112-4交替配置的第二方向正交，但它们只要交叉即可，交叉角度也可以为90度以外的角度。另外，通过使第一基板111-1的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2与第二基板的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4交叉，如后所述，可以控制施加于各透明电极的电压从而控制液晶层113的液晶的取向。由此，可以控制光的取向或配光图案。
第一基板111-1或第二基板111-2上形成有保持它们的间隔的光间隔物(省略图示)。
作为第一布线116-1、第二布线116-2、第三布线116-3、第四布线116-4、第五布线116-5以及第六布线116-6，分别可以使用例如铝或钼等的金属材料或者铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)等的透明导电材料。此外，也可以在第一布线116-1、第二布线116-2、第五布线116-5以及第六布线116-6分别设置用于与外部装置连接的端子。
第一布线116-1、第二布线116-2、第五布线116-5(或者第三布线116-3)以及第六布线116-6(或者第四布线116-4)相互电绝缘。因此，在第一液晶单元110中，通过对第一透明电极112-1、第二透明电极112-2、第三透明电极112-3以及第四透明电极112-4分别施加不同的电压，可以控制液晶层113的液晶分子的取向。
[3.液晶的取向的控制]
参照图4A和图4B，对液晶层113的液晶的取向详细进行说明。
图4A和图4B是示出本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中的液晶层113的液晶分子的取向的剖视示意图。图4A和图4B分别对应于图2A和图2B所示的第一液晶单元110的剖视图的一部分。
如图4A和图4B所示，第一基板111-1与第二基板111-2以具有基板间距离d的方式贴合。另外，第一基板111-1的第一取向膜114-1和第二基板111-2的第二取向膜114-2分别沿x轴方向和y轴方向进行取向处理。因此，在液晶层113中，在未对透明电极施加电压的状态下，第一基板111-1侧的液晶分子的长轴沿x轴方向进行取向(在图4A和图4B中，为了方便，使用箭头的记号表示沿纸面左右方向进行取向的液晶分子的取向方向。)。即，第一基板111-1侧的液晶分子的取向方向与第一透明电极112-1和第二透明电极112-2的延伸方向正交。另外，在不对透明电极施加电压的状态下，第二基板111-2侧的液晶分子的长轴沿y轴方向进行取向(在图4A和图4B中，为了方便，使用在圆圈中标注了叉的记号来表示沿纸面法线方向进行取向的液晶分子的取向方向。)。即，第二基板111-2侧的液晶分子的取向方向与第三透明电极112-3和第四透明电极112-4的延伸方向正交。因此，液晶层113的液晶分子在z轴方向上以随着从第一基板111-1朝向第二基板111-2而扭转90度的状态进行取向。更具体而言，在图4A中，第一基板111-1侧的液晶分子沿着第一取向膜114-1的取向方向以长轴朝向x轴方向(纸面左右方向)的状态进行取向。另外，第二基板111-2侧的液晶分子沿着第二取向膜114-2的取向方向以长轴朝向y轴方向(纸面法线方向)的状态进行取向。另外，位于它们之间的液晶分子随着从第一基板111-1朝向第二基板111-2而使长轴的朝向逐渐从x轴方向向y轴方向变化。
接着，参照图5A～图5C，对施加了电压时的液晶层113的液晶的取向详细进行说明。
图5A是示出在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中施加了电压时的液晶层113的液晶分子的取向的立体示意图。另外，图5B和图5C是示出在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中施加了电压时的液晶层113的液晶分子的取向的剖视示意图。在图5A中，为了方便，省略了第一取向膜114-1和第二取向膜114-2。另外，在图5B和图5C中，与图4A和图4B同样地使用箭头或在圆圈中标注了叉的记号来图示第一取向膜114-1和第二取向膜114-2的取向方向。
在图5A～图5C中，对第一透明电极112-1和第三透明电极112-3施加低电位，对第二透明电极112-2和第四透明电极112-4施加高电位(在图5A～图5C中，为了方便，分别使用“-”和“+”的记号图示低电位和高电位。)。即，在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间以及第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间产生电位差。该情况下，第一基板111-1侧的液晶分子依照第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间产生的电场(电位分布)进行取向。即，第一基板111-1侧的液晶分子的长轴沿着从第一透明电极112-1朝向第二透明电极112-2的方向进行取向。同样地，第二基板111-2侧的液晶分子沿着从第三透明电极112-3朝向第四透明电极112-4的方向进行取向。此外，以下有时将在同一基板上相邻的透明电极间产生的电场称为横向电场。
进而，对液晶分子的取向详细进行说明。第一基板111-1侧的液晶分子在无电场状态下沿x轴方向进行取向，但该液晶分子的取向与第一透明电极112-1和第二透明电极112-2之间的横向电场的方向相同。因此，在俯视时，位于第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间的大致中央的液晶分子的取向几乎不会因为该横向电场而发生变化。另外，比中央更靠近第一透明电极112-1或第二透明电极112-2的液晶分子与横向电场相对应而在z轴方向上具有倾斜(tilt)地进行取向。因此，如图5B所示，受到第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间的横向电场的影响，第一基板111-1侧的液晶分子整体上在各个相邻的透明电极彼此间以从第一基板111-1观察时从第一透明电极112-1朝向第二透明电极112-2的凸圆弧状进行取向。同样地，第二基板111-2侧的液晶分子沿y轴方向进行取向，但该液晶分子的取向和第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间的横向电场的朝向相同。因此，位于第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间的大致中央的液晶分子的取向几乎不会因为该横向电场而发生变化。另外，比中央更靠近第三透明电极112-3或第四透明电极112-4的液晶分子以在z轴方向上具有倾斜(tilt)地进行取向。因此，如图5C所示，受到第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间的横向电场的影响，第二基板111-2侧的液晶分子整体上在各个相邻的透明电极彼此间以从第二基板111-2观察时从第三透明电极112-3朝向第四透明电极112-4的凸圆弧状进行取向。因此，入射至液晶层113的光依照第一基板111-1侧或第二基板111-2侧的以凸圆弧状进行取向的液晶分子的折射率分布而扩散。
由于第一基板111-1和第二基板111-2具有足够远的基板间距离d，因此，第一基板111-1的第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间的横向电场不会对第二基板111-2侧的液晶分子的取向产生影响，或者影响小到可以忽略不计。同样地，第二基板111-2的第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间的横向电场不会对第一基板111-1侧的液晶分子的取向产生影响，或者影响小到可以忽略不计。
此外，在本说明书中，第一基板111-1侧的液晶层113(或者液晶分子)是指从第一基板111-1的表面至d/2为止的液晶层(或者液晶分子)。同样地，第二基板111-2侧的液晶层113(或者液晶分子)是指从第二基板111-2的表面至d/2为止的液晶层(或者液晶分子)。
在第一液晶单元110中，通过控制对第一透明电极112-1、第二透明电极112-2、第三透明电极112-3以及第四透明电极各自施加的电压，可以使液晶层113的液晶分子的取向变化。液晶层113的折射率分布随着液晶分子的取向的变化而变化。因此，第一液晶单元110可以使透过的光扩散。光学元件10可以利用第一液晶单元110的液晶层113和第二液晶单元120的液晶层123的折射率分布的变化来控制透过光学元件10的光的配光或者配光图案。
[5.光学元件对配光或配光图案的控制]
参照图6A和图6B，对于光学元件10对光的配光或配光图案的控制详细进行说明。
图6A和图6B是说明本发明的一个实施方式涉及的光学元件10对光的配光的控制的剖视示意图。图6A和图6B所示的光学元件10对应于图2A所示的第一液晶单元110和第二液晶单元120的剖视图的一部分。在图6A所示的光学元件10中，未对任何透明电极施加电位。另外，在图6B所示的光学元件10中，对第一液晶单元110的第一透明电极112-1和第三透明电极112-3施加低电位，对第二透明电极112-2和第四透明电极112-4施加高电位。同样地，对第二液晶单元120的第一透明电极122-1和第三透明电极122-3施加低电位，对第二透明电极122-2和第四透明电极122-4施加高电位。此外，在图6B中，为了方便，分别使用“-”和“+”的记号来图示低电位和高电位。
在图6A和图6B所示的光学元件10中，第一液晶单元110的第一取向膜114-1和第二液晶单元120的第一取向膜124-1沿x轴方向进行取向处理。另一方面，第一液晶单元110的第二取向膜114-2和第二液晶单元120的第二取向膜124-2沿y轴方向进行取向处理。因此，在第一液晶单元110中，第一取向膜114-1的取向方向为x轴方向，第二取向膜114-2的取向方向为y轴方向。同样地，在第二液晶单元120中，第一取向膜124-1的取向方向为x轴方向，第二取向膜124-2的取向方向为y轴方向。
在将第一液晶单元110与第二液晶单元120层叠而成的光学元件10中，在俯视时，第一液晶单元110的第一透明电极112-1与第二液晶单元120的第一透明电极122-1以在整个延伸方向上大致一致的方式重叠。其他的透明电极也是同样的。但是，第一液晶单元110和第二液晶单元120也可以配置为第一液晶单元110的第一透明电极112-1和第二液晶单元120的第一透明电极122-1在x轴方向或y轴方向上稍微错开地重叠。更具体而言，在俯视时，第一液晶单元110的第一透明电极112-1与第二液晶单元120的第一透明电极122-1相互在整个延伸方向上部分或全部重叠。或者，即使第一液晶单元110的第一透明电极112-1与第二液晶单元120的第一透明电极122-1不相互重叠，但只要沿相同方向延伸即可。
在图6A和图6B中，光从与第一液晶单元110的第一基板111-1垂直的方向入射，并从第二液晶单元120的第二基板121-2射出。入射至第一液晶单元110的第一基板111-1的光具有x轴方向的偏振光(P偏振成分)和y轴方向的偏振光(S偏振成分)。因此，以下为了方便，将从光源发出的光中的x轴方向的偏振成分设为第一偏振成分310，并将y轴方向的偏振成分设为第二偏振成分320，对这些偏振成分透过图6B的光学元件10的过程进行说明。
第一偏振成分310和第二偏振成分320分别对应于从光源射出的光的P偏振成分和S偏振成分(参照图6B中的(1))。此外，在图6A和图6B中，P偏振成分使用箭头(示出纸面水平方向的箭头)进行图示，S偏振成分使用在圆圈标注了叉的记号(示出纸面法线方向的箭头)进行图示。
第一液晶单元110的第一基板111-1侧的液晶层113的液晶分子的长轴沿x轴方向取向，因此，如图6B所示，当在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间产生横向电场时，该液晶分子在x轴方向上具有折射率分布。另外，第一液晶单元110的第二基板111-2侧的液晶层113的液晶分子的长轴沿y轴方向取向，因此，当在第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间产生横向电场时，该液晶分子在y轴方向上具有折射率分布。
因此，入射至光学元件10(更具体而言为第一液晶单元110)的第一偏振成分310在入射至第一基板111-1之后，随着朝向第二基板111-2，其偏振成分随着液晶取向的扭转而变化为S偏振成分(参照图6B中的(2)～(4))。更具体而言，第一偏振成分310在第一基板111-1侧沿x轴方向具有偏振轴，但在沿液晶层113的厚度方向穿过的过程中使其偏振轴逐渐变化，在第二基板111-2侧变为沿y轴方向具有偏振轴，然后，从第二基板111-2侧射出(参照图6B中的(5))。在此，如图6B所示，当在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间产生横向电场时，受到该横向电场的影响，液晶分子的取向状态如图5A所示进行变化，且折射率分布发生变化。另外，在第一基板111-1侧，第一偏振成分310的偏振轴与该第一基板111-1侧的液晶层113的液晶分子的取向方向平行，因此，第一偏振成分310根据该液晶分子的折射率分布的变化沿x轴方向扩散。另外，第一偏振成分310通过在液晶层113内使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化，从而在第二基板111-2侧，其偏振轴变为与该第二基板111-2侧的液晶层113的液晶分子的取向方向平行。在此，如图6B所示，当在第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间产生横向电场时，受到该横向电场的影响，液晶分子的取向状态如图5B所示进行变化，且折射率分布发生变化。因此，第一偏振成分310根据该液晶分子的折射率分布的变化沿y轴方向扩散。
另外，如图6B所示，在入射至光学元件10(更具体而言为第一液晶单元110)之前为S偏振成分的第二偏振成分320在入射至第一基板111-1之后，随着朝向第二基板111-2，其偏振成分随着液晶取向的扭转而变化为P偏振成分(参照图6B中的(2)～(4))。更具体而言，第二偏振成分320在第一基板111-1侧沿y轴方向具有偏振轴，但在沿液晶层113的厚度方向穿过的过程中使其偏振轴逐渐变化，在第二基板111-2侧变为沿x轴方向具有偏振轴，然后，从第二基板111-2侧射出(参照图6B中的(5))。在此，即使在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间产生横向电场，由于在第一基板111-1侧，第二偏振成分320的偏振轴与该第一基板111-1侧的液晶层113的液晶分子的取向方向正交，因此，不受该液晶分子的折射率分布的影响，直接不扩散地穿过。另外，第二偏振成分320通过在液晶层113内使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化，从而在第二基板111-2侧，其偏振轴也与该第二基板111-2侧的液晶分子的取向方向正交，因此，不受该液晶分子的折射率分布的影响，直接不扩散地穿过。
即，在入射至光学元件10之前为S偏振成分的第二偏振成分320在穿过第一液晶单元110的过程中使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化而成为P偏振成分，但不产生第一偏振成分310那样的扩散。
第二液晶单元120的液晶层123的液晶分子也具有与第一液晶单元110的液晶层113的液晶分子同样的折射率分布。因此，在第二液晶单元120内也基本上产生与第一液晶单元110内同样的现象。另一方面，第一偏振成分310和第二偏振成分320通过穿过第一液晶单元110而使其偏振轴更换，因此，受到液晶层113的液晶分子的折射率分布的影响的偏振成分也更换。即，如图6B所示，即使在第二液晶单元120的第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间以及第三透明电极122-3与第四透明电极112-4之间产生横向电场，虽然穿过第二液晶单元120的第一偏振成分310的偏振轴从y轴方向再次向x轴方向变化(参照图6B中的(6)～(8))，但也不产生扩散。另一方面，穿过第二液晶单元120的第二偏振成分320的偏振轴从x轴方向再次向y轴方向变化(参照图6B中的(6)～(8))，并且受到液晶层123的液晶分子的折射率分布的影响而扩散。
由以上可知，在光学元件10中，通过使具有相同结构的两个液晶单元层叠，使入射至光学元件10的光的偏振方向变化两次，其结果可以使入射前和入射后的偏振方向不变(参照图6B中的(1)和(9))。另一方面，该光学元件10可以使液晶单元的液晶层的液晶分子所具有的折射率分布变化，使透过的光折射。更具体而言，第一液晶单元110使第一偏振成分310(P偏振成分)的光向x轴方向、y轴方向、或者x轴和y轴这两个方向扩散，第二液晶单元120使第二偏振成分320(S偏振成分)的光向x轴方向、y轴方向、或者x轴和y轴这两个方向扩散。因此，光学元件10对于无偏振的光可以不改变光的偏振状态而使光扩散。
另外，上述主要使用图6B对于在各个偏振成分穿过光学元件10的过程中使扩散和偏振轴变化的过程进行了说明。图6A的光学元件10除了呈未对各透明电极施加电位的状态(相邻的透明电极间没有电位差的状态)，不使偏振成分扩散这一点以外，与图6B的光学元件同样地使偏振成分的偏振轴变化。为了避免重复说明，穿过图6A的光学元件的偏振成分的说明标注与图6B的(1)～(9)相同的附图标记并省略其说明。
此外，如图6A和图6B所示，在第一液晶单元110与第二液晶单元120之间设置有光学弹性树脂层130。光在第一液晶单元110的第二基板111-2与光学弹性树脂层130的界面或者第二液晶单元120的第一基板121-1与光学弹性树脂层130的界面也能够被折射。因此，优选光学弹性树脂层130的光学弹性树脂的折射率接近于第一液晶单元110的第二基板111-2和第二液晶单元120的第一基板121-1的折射率。另外，光学元件10配置于靠近光源的位置，有时温度会因为来自光源的热而上升。该情况下，优选光学弹性树脂层130的厚度大于第一液晶单元110中的第一基板111-1与第二基板111-2之间或第二液晶单元120中的第一基板121-1与第二基板121-2之间的基板间距离d，以便可以缓和光学弹性树脂层130的光学弹性树脂的热膨胀的影响。
光学元件10不仅使光扩散，还可以通过对各透明电极施加的电位来控制光的配光，形成预定的配光图案。以下，参照图7A～图10，示例几个使用光学元件10控制的光的配光图案。但是，通过光学元件10控制的光的配光图案并不限于此。此外，图7A～图10中记载的电位的符号(V11等)如表1所示。
[表1]
另外，以下为了方便，将施加于各透明电极的电位设为第一电位(变动电位，例如低电位为0V和高电位为30V)、相位与第一电位相反的第二电位(变动电位，例如低电位为0V和高电位为30V)、以及第三电位(中间电位，例如15V)来进行说明。第三电位是低电位与高电位之间的电位，既可以为固定电位，也可以为变动电位。此外，电压的值并不限于图7A～图10所记载的0V、15V以及30V。
[例1：沿x轴方向扩展的配光图案]
图7A是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中包含的各透明电极施加的电位的时序图。另外，图7B是在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中对各透明电极施加图7A所示的电位而得到的光的配光图案的照片。
在第一液晶单元110中，对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2分别施加第一电位和第二电位。另外，对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4分别施加第三电位。对第一透明电极112-1施加的第一电位的相位与对第二透明电极112-2施加的第二电位的相位相反。因此，在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间产生电位差(例如+30V或-30V)。相对于此，第二基板111-2侧的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4之间呈无电位状态。另外，第二基板111-2侧的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4在任一状态下都与第一基板111-1侧的第一透明电极112-1之间或者与第二透明电极112-2之间产生+15V或-15V，在以绝对值来看的情况下，与第一基板111-1侧的一个透明电极之间以及与另一个透明电极之间的电位差没有偏差。
由此，第一基板111-1侧的液晶分子根据第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另一方面，由于在第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间未产生电位差，并且第一基板111-1与第二基板111-2充分分离至不受第一基板111-1侧的电位影响的程度，因此，第二基板111-2侧的液晶分子不会使取向方向从初始取向方向发生变化。另外，由于对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4施加的第三电位是第一电位与第二电位之间的中间电位，因此，即使对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2交替地施加低电位和高电位也不会蓄积电容，第二基板111-2侧的液晶分子的取向状态也不会变化。
在第二液晶单元120中，对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2分别施加第一电位和第二电位。另外，对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4分别施加第三电位。对第一透明电极122-1施加的第一电位的相位与对第二透明电极122-2施加的第二电位的相位相反。因此，在第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间产生电位差(例如+30V或-30V)。相对于此，第二基板121-2侧的第三透明电极122-3和第四透明电极122-4之间呈无电位状态。另外，第二基板121-2侧的第三透明电极122-3和第四透明电极122-4在任一状态下都与第一基板121-1侧的第一透明电极122-1之间或者与第二透明电极122-2之间产生+15V或-15V，在以绝对值来看的情况下，与第一基板121-1侧的一个透明电极之间以及与另一个透明电极之间的电位差没有偏差。
由此，第一基板121-1侧的液晶分子根据第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另一方面，由于在第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间未产生电位差，并且第一基板121-1与第二基板121-2充分分离至不受第一基板121-1侧的电位影响的程度，因此，第二基板121-2侧的液晶分子不会使取向方向从初始取向方向发生变化。另外，由于对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4施加的第三电位是第一电位与第二电位之间的中间电位，因此，即使对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2交替地施加低电位和高电位也不会蓄积电容，第二基板121-2侧的液晶分子的取向状态也不会变化。
另外，如图7A所示，第一液晶单元110的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2的电位变动分别与第二液晶单元120的第一透明电极122-1和第二透明电极122-2的电位变动同步。
在对各透明电极施加了上述那样的电位时，第一液晶单元110的第一基板111-1侧的液晶层113的液晶分子可以使具有x轴方向的偏振的光向x轴方向折射。因此，第一液晶单元110可以使具有x轴方向的偏振的光沿x轴方向扩散。
另外，第二液晶单元120的第一基板121-1侧的液晶层123的液晶分子也使具有x轴方向的偏振的光向x轴方向折射。因此，第二液晶单元120也使具有x轴方向的偏振的光沿x轴方向扩散。
即，在各透明电极的电位为图7A所示的电位时，若光从第一液晶单元110的第一基板111-1侧入射(如图6A及图6B所示，意味着从第一液晶单元110的下方侧朝向第一基板111-1照射光。下同。)，则光学元件10在穿过第一液晶单元110的过程中，使具有x轴方向的偏振轴的第一偏振成分310在第一基板111-1侧沿x轴方向扩散，并且使偏振轴向y轴方向变化。另一方面，具有y轴方向的偏振的第二偏振成分320不扩散，使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。而且，这些偏振成分直接入射至第二液晶单元120。在第一液晶单元110内不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化的第二偏振成分320在穿过第二液晶单元120的过程中沿x轴方向扩散，然后使偏振轴向y轴方向变化。另一方面，在第一液晶单元110内扩散且使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化的第一偏振成分310不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。由此，入射至光学元件10的光在穿过第一液晶单元110或第二液晶单元120的过程中沿x轴方向扩散。因此，如图7B所示，透过了光学元件10的光可以形成沿x轴方向扩展的配光图案A。
[例2：沿y轴方向扩展的配光图案]
图8A是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中包含的各透明电极施加的电压的时序图。另外，图8B是在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中对各透明电极施加图8A所示的电位而得到的光的配光图案的照片。
在第一液晶单元110中，对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2分别施加第三电位。另外，对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4分别施加第一电位和第二电位。对第三透明电极112-3施加的第一电位的相位与对第四透明电极112-4施加的第二电位的相位相反。因此，在第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间产生电位差(例如+30V或-30V)。相对于此，第一基板111-1侧的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2之间呈无电位状态。另外，第一基板111-1侧的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2在任一状态下都与第二基板111-2侧的第三透明电极112-3之间或者与第四透明电极112-4之间产生+15V或-15V，在以绝对值来看的情况下，与第二基板111-2侧的一个透明电极之间以及与另一个透明电极之间的电位差没有偏差。
由此，第二基板111-2侧的液晶分子根据第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另一方面，由于在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间未产生电位差，并且第一基板111-1与第二基板111-2充分分离至不受第二基板111-2侧的电位影响的程度，因此，第一基板111-1侧的液晶分子不会使取向方向从初始取向方向发生变化。另外，由于对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2施加的第三电位是第一电位与第二电位之间的中间电位，因此，即使对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4交替地施加低电位和高电位也不会蓄积电容，第一基板111-1侧的液晶分子的取向状态也不会变化。
在第二液晶单元120中，对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2分别施加第三电位。另外，对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4分别施加第一电位和第二电位。对第三透明电极122-3施加的第一电位的相位与对第四透明电极122-4施加的第二电位的相位相反。因此，在第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间产生电位差(例如+30V或-30V)。相对于此，第一基板121-1侧的第一透明电极122-1和第二透明电极122-2之间呈无电位状态。另外，第一基板121-1侧的第一透明电极122-1和第二透明电极122-2在任一状态下都与第二基板121-2侧的第三透明电极122-3之间或者与第四透明电极122-4之间产生+15V或-15V，在以绝对值来看的情况下，与第二基板121-2侧的一个透明电极之间以及与另一个透明电极之间的电位差没有偏差。
由此，第二基板121-2侧的液晶分子根据第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另一方面，由于在第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间未产生电位差，并且第一基板121-1与第二基板121-2充分分离至不受第二基板121-2侧的电位影响的程度，因此，第一基板121-1侧的液晶分子不会使取向方向从初始取向方向发生变化。另外，由于对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2施加的第三电位是第一电位与第二电位之间的中间电位，因此，即使对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4交替地施加低电位和高电位也不会蓄积电容，第一基板121-1侧的液晶分子的取向状态也不会变化。
另外，如图8B所示，第一液晶单元110的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4的电位变动分别与第二液晶单元120的第三透明电极122-3和第四透明电极122-4的电位变动同步。
在对各透明电极施加了上述那样的电位时，第一液晶单元110的第二基板111-2侧的液晶层113的液晶分子可以使具有y轴方向的偏振的光向y轴方向折射。因此，第一液晶单元110也使具有y轴方向的偏振的光沿y轴方向扩散。
另外，第二液晶单元120的第二基板121-2侧的液晶层123的液晶分子也使具有y轴方向的偏振的光向y轴方向折射。因此，第二液晶单元120也使具有y轴方向的偏振的光沿y轴方向扩散。
即，在各透明电极的电位为图8A所示的电位时，若光从第一液晶单元110的第一基板111-1侧入射，则光学元件10在穿过第一液晶单元110的过程中，使具有x轴方向的偏振的第一偏振成分310的偏振轴从x轴方向向y轴方向变化，并在第二基板111-2侧沿y轴方向扩散。另一方面，具有y轴方向的偏振的第二偏振成分320不扩散，使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。而且，这些偏振成分直接入射至第二液晶单元120。在第一液晶单元110内不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化的第二偏振成分320在穿过第二液晶单元120的过程中使偏振轴向y轴方向变化，并在第二基板121-2侧沿y轴方向扩散。另一方面，在第一液晶单元110内扩散且使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化的第一偏振成分310不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。由此，入射至光学元件10的光在穿过第一液晶单元110或第二液晶单元120的过程中沿y轴方向扩散。因此，如图8B所示，透过了光学元件10的光可以形成沿y轴方向扩展的配光图案B。
[例3：呈十字扩展的配光图案]
图9A是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中包含的各透明电极施加的电位的时序图。另外，图9B是在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中对各透明电极施加图9A所示的电位而得到的光的配光图案的照片。
在第一液晶单元110中，对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2分别施加第一电位和第二电位。另外，对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4分别施加第三电位。对第一透明电极112-1施加的第一电位的相位与对第二透明电极112-2施加的第二电位的相位相反。因此，在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间产生电位差(例如+30V或-30V)。相对于此，第二基板111-2侧的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4之间呈无电位状态。另外，第二基板111-2侧的第三透明电极112-3和第四透明电极112-4在任一状态下都与第一基板111-1侧的第一透明电极112-1之间或者与第二透明电极112-2之间产生+15V或-15V，在以绝对值来看的情况下，与第一基板111-1侧的一个透明电极之间以及与另一个透明电极之间的电位差没有偏差。
由此，第一基板111-1侧的液晶分子根据第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另一方面，由于在第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间未产生电位差，并且第一基板111-1与第二基板111-2充分分离至不受第一基板111-1侧的电位影响的程度，因此，第二基板111-2侧的液晶分子不会使取向方向从初始取向方向发生变化。另外，由于对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4施加的第三电位是第一电位与第二电位之间的中间电位，因此，即使对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2交替地施加低电位和高电位也不会蓄积电容，第二基板111-2侧的液晶分子的取向状态也不会变化。
在第二液晶单元120中，对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2分别施加第三电位。另外，对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4分别施加第一电位和第二电位。对第三透明电极122-3施加的第一电位的相位与对第四透明电极122-4施加的第二电位的相位相反。因此，在第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间产生电位差(例如+30V或-30V)。相对于此，第一基板121-1侧的第一透明电极122-1和第二透明电极122-2之间呈无电位状态。另外，第一基板121-1侧的第一透明电极122-1和第二透明电极122-2在任一状态下都与第二基板121-2侧的第三透明电极122-3之间或者与第四透明电极122-4之间产生+15V或-15V，在以绝对值来看的情况下，与第二基板121-2侧的一个透明电极之间以及与另一个透明电极之间的电位差没有偏差。
由此，第二基板121-2侧的液晶分子根据第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另一方面，由于在第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间未产生电位差，并且第一基板121-1与第二基板121-2充分分离至不受第二基板121-2侧的电位影响的程度，因此，第一基板121-1侧的液晶分子不会使取向方向从初始取向方向发生变化。另外，由于对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2施加的第三电位是第一电位与第二电位之间的中间电位，因此，即使对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4交替地施加低电位和高电位也不会蓄积电容，第一基板121-1侧的液晶分子的取向状态也不会变化。
另外，如图9A所示，第一液晶单元110的第一透明电极112-1和第二透明电极112-2的电位变动分别与第二液晶单元120的第三透明电极122-3和第四透明电极122-4的电位变动同步。
在对各透明电极施加了上述那样的电位时，第一液晶单元110的第一基板111-1侧的液晶层113的液晶分子使具有x轴方向的偏振的光向x轴方向折射。因此，第一液晶单元110使具有x轴方向的偏振的光沿x轴方向扩散。
另外，第二液晶单元120的第二基板121-2侧的液晶层123的液晶分子使具有y轴方向的偏振的光向y轴方向折射。因此，第二液晶单元120使具有y轴方向的偏振的光沿y轴方向扩散。
即，在各透明电极的电位为图9A所示的电位时，若光从第一液晶单元110的第一基板111-1侧入射，则光学元件10在穿过第一液晶单元110的过程中，使具有x轴方向的偏振的第一偏振成分310在第一基板111-1侧沿x轴方向扩散，并且使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化。另一方面，具有y轴方向的偏振的第二偏振成分320不扩散，使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。而且，这些偏振成分直接入射至第二液晶单元120。在第一液晶单元110内不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化的第二偏振成分320在穿过第二液晶单元120的过程中使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化，并在第二基板121-2侧沿y轴方向扩散。另一方面，在第一液晶单元110内扩散且使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化的第一偏振成分310不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。这样，入射至光学元件10的光在第一偏振成分310穿过第一液晶单元110的过程中沿x轴方向扩散，在第二偏振成分320穿过第二液晶单元120的过程中沿y轴方向扩散。因此，如图9B所示，透过了光学元件10的光可以形成呈十字扩展的配光图案C。
此外，如上所述，通过对各透明电极施加图9A所示的电位，主要通过使第一偏振成分310扩散而形成十字状的配光图案，但通过改变向各透明电极供给的电位，可以使第二偏振成分320扩散并形成十字状的配光图案。具体而言，在第一液晶单元110中，对第三透明电极112-3和第四透明电极112-4分别施加第一电位和第二电位，并对第一透明电极112-1和第二透明电极112-2分别施加第三电位。而且，在第二液晶单元120中，对第一透明电极122-1和第二透明电极122-2分别施加第一电位和第二电位，并对第三透明电极122-3和第四透明电极122-4分别施加第三电位。由此，主要通过使第二偏振成分320扩散而形成十字状的配光图案。
[例4：呈矩形扩展的配光图案]
图10是示出对本发明的一个实施方式涉及的光学元件10中包含的各透明电极施加的电压的时序图。
在第一液晶单元110中，对第一透明电极112-1和第三透明电极112-3分别施加第一电位。另外，对第二透明电极112-2和第四透明电极112-4分别施加第二电位。对第一透明电极112-1和第三透明电极112-3施加的第一电位的相位与对第二透明电极112-2和第四透明电极112-4施加的第二电位的相位相反。因此，在第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间以及第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间产生电位差(例如，+30V或-30V)。另外，在第一透明电极112-1与第四透明电极112-4之间以及第二透明电极112-2与第三透明电极112-3之间也产生电位差(例如，+30V或-30V)。
由此，第一基板111-1侧的液晶分子根据第一透明电极112-1与第二透明电极112-2之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另外，第二基板111-2侧的液晶分子根据第三透明电极112-3与第四透明电极112-4之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。此外，由于第一基板111-1与第二基板111-2充分分离，因此，对第三透明电极112-3施加的第一电位或者对第四透明电极112-4施加的第二电位对第一基板111-1侧的液晶分子的影响很小。同样地，对第一透明电极112-1施加的第一电位或者对第二透明电极112-2施加的第二电位对第二基板111-2侧的液晶分子的影响很小。
在第二液晶单元120中，对第一透明电极122-1和第三透明电极122-3分别施加第一电位。另外，对第二透明电极122-2和第四透明电极122-4分别施加第二电位。对第一透明电极122-1和第三透明电极122-3施加的第一电位的相位与对第二透明电极122-2和第四透明电极122-4施加的第二电位的相位相反。因此，在第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间以及第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间产生电位差(例如，+30V或-30V)。另外，在第一透明电极122-1与第四透明电极122-4之间以及第二透明电极122-2与第三透明电极122-3之间也产生电位差(例如，+30V或-30V)。
由此，第一基板121-1侧的液晶分子根据第一透明电极122-1与第二透明电极122-2之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。另外，第二基板121-2侧的液晶分子根据第三透明电极122-3与第四透明电极122-4之间的电位差使取向状态变化(参照图5A～图5C等)。此外，由于第一基板121-1与第二基板121-2充分分离，因此，对第三透明电极122-3施加的第一电位或者对第四透明电极122-4施加的第二电位对第一基板121-1侧的液晶分子的影响很小。同样地，对第一透明电极122-1施加的第一电位或者对第二透明电极122-2施加的第二电位对第二基板121-2侧的液晶分子的影响很小。
另外，如图10所示，第一液晶单元110的第一透明电极112-1和第三透明电极112-3的电位变动以及第二液晶单元120的第一透明电极122-1和第三透明电极122-3的电位变动彼此同步。另外，第一液晶单元110的第二透明电极112-2和第四透明电极112-4的电位变动以及第二液晶单元120的第二透明电极122-2和第四透明电极122-4的电位变动彼此同步。
在对各透明电极施加了上述那样的电位时，第一液晶单元110的第一基板111-1侧的液晶层113的液晶分子使具有x轴方向的偏振的光向x轴方向折射。另外，第一液晶单元110的第二基板111-2侧的液晶层113的液晶分子使具有y轴方向的偏振的光向y轴方向折射。因此，第一液晶单元110使具有x轴方向的偏振的光沿x轴方向和y轴方向扩散。
另外，第二液晶单元120的第一基板121-1侧的液晶层123的液晶分子使具有x轴方向的偏振的光向x轴方向折射。另外，第二液晶单元120的第二基板121-2侧的液晶层123的液晶分子使具有y轴方向的偏振的光向y轴方向折射。因此，第二液晶单元120也使具有x轴方向的偏振的光沿x轴方向和y轴方向扩散。
即，在各透明电极的电位为图10所示的电位时，若光从第一液晶单元110的第一基板111-1侧入射，则光学元件10在穿过第一液晶单元110的过程中，使具有x轴方向的偏振的第一偏振成分310在第一基板111-1侧沿x轴方向扩散，并且使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化。另外，使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化的第一偏振成分310在第二基板111-2侧沿y轴方向扩散。另一方面，具有y轴方向的偏振的第二偏振成分320不扩散，使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。而且，这些偏振成分直接入射至第二液晶单元120。在第一液晶单元110内不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化的第二偏振成分320在穿过第二液晶单元120的过程中在第一基板121-1侧沿x轴方向扩散，并使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化。另外，使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化的第二偏振成分320在第二基板121-2侧沿y轴方向扩散。另一方面，在第一液晶单元110内扩散且使偏振轴从x轴方向向y轴方向变化的第一偏振成分310不扩散且使偏振轴从y轴方向向x轴方向变化。这样，入射至光学元件10的光在第一偏振成分310穿过第一液晶单元110的过程中沿x轴方向和y轴方向扩散，在第二偏振成分320穿过第二液晶单元120的过程中沿x轴方向和y轴方向扩散。因此，透过了光学元件10的光可以形成呈矩形扩展的配光图案。
以上，示例了几个配光图案，但表示光的配光的分布的配光角可以通过施加于透明电极的电压的大小来控制。例如，当提高施加于透明电极的电压时，配光角变大，得到光进一步扩散的配光图案。另外，配光角例如也可以通过基板间距离d或者节距p来控制。
[4.基板间距离与节距的相关关系]
参照图11，对基板间距离d与节距p的相关关系详细进行说明。
图11是示出在本发明的一个实施方式涉及的光学元件10的液晶单元中相对于d/p的正面相对亮度(0度时的相对亮度)的曲线图。如图4A～图5B所示，基板间距离d是第一液晶单元110的第一基板111-1与第二基板111-2之间的距离(或者，第二液晶单元120的第一基板121-1与第二基板121-2之间的距离)。另外，节距p是图3A所示的第一节距p1(或者图3B所示的第二节距p2)。另外，正面相对亮度是从第一基板111-1入射并从第二基板111-2射出的光中从第二基板111-2的垂直方向(0度)射出的光的亮度。图11所示的曲线图将没有光学元件10时(仅为光源时)的光的亮度标准化为1。因此图11所示的曲线图的y轴也可以称为将没有光学元件10时的亮度设为1时的相对亮度比。
此外，获得了图11所示的曲线图的数据的液晶单元在第一基板111-1上形成有第一透明电极112-1和第二透明电极112-2，但在第二基板111-2上未形成第三透明电极112-3和第四透明电极112-4。另外，在测定亮度时，对第一透明电极112-1施加低电位(0V)，对第二透明电极112-2施加高电位(30V)。
如图11所示，当d/p变大时，正面相对亮度下降，但在d/p＜1和d/p≥1时，正面相对亮度的下降比例大不相同。在d/p＜1时，虽然正面相对亮度随着接近d/p＝1而大幅下降，但测定到正面亮度比为0.2～0.4左右的正面亮度。这表示虽然随着液晶单元使光扩散而亮度降低，但该扩散还不够充分。相对于此，当d/p≥1时，正面相对亮度变为0.1以下，然后，即使增大d/p，正面相对亮度也稳定。这表示在d/p≥1时液晶单元使光充分扩散。即，在d/p≥1时，能够得到优异的光扩散。因此，在光学元件10中，基板间距离d和节距p优选满足d/p≥1，更优选满足d/p≥2。
另外，透明电极材料的折射率高，有时对液晶单元的透射率造成影响。因此，优选透明电极的宽度小。即，电极间距离b(图3A或图3B所示的第一电极间距离b1或第二电极间距离b2)优选为透明电极的宽度a(图3A或图3B所示的第一宽度a1或第二宽度a2)以下。例如，若用与节距p的关系表示电极间距离b，则优选满足p/2≤b。
如以上所说明，本实施方式涉及的光学元件10具有两个液晶单元，通过控制对各透明电极施加的电压，可以容易地控制透过光学元件10的光的配光或配光图案。
<第二实施方式>
参照图12，对本发明的一个实施方式涉及的照明装置20的构成进行说明。
图12是示出本发明的一个实施方式涉及的照明装置20的构成的示意图。如图12所示，照明装置20包括光学元件10、光源210、凸透镜220以及反射器230。凸透镜220配置于光学元件10与光源210之间。另外，反射器230以将光源210与凸透镜220之间的空间包围的方式配置。
光源210可以照射光。作为光源210，例如可以使用灯泡、荧光灯、冷阴极管、发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)等。优选照明装置20的光源210为LED。使用高发光效率的LED作为光源210的照明装置20的亮度高且功耗低。此外，LED和LD分别包括有机发光二极管(OLED)和有机激光二极管(OLD)。
凸透镜220可以对从光源210照射的光进行聚光，并使聚光后的光入射至光学元件10。
反射器230可以反射从光源210照射的光，并使反射的光入射至凸透镜。反射器230的形状例如为大致圆锥形，但并不限于此。另外，反射器230的表面可以为平面，也可以为曲面。
进而，照明装置20也可以包括控制对透明电极施加的电压的控制部，能够形成各种光的配光图案。
如以上所说明，本实施方式涉及的照明装置20包括光学元件10，因此，可以容易地控制从照明装置20射出的光的配光或配光图案。
应了解的是，本领域技术人员能够在本发明的思想的范畴内想到各种变更例和修正例，这些变更例和修正例也属于本发明的范围。例如，本领域技术人员对上述各实施方式适当地进行了构成要素的追加、删除或设计变更而得的方案、或者进行了工序的追加、省略或条件变更而得的方案，只要具备本发明的主旨，就包含在本发明的范围内。
另外，应了解的是，关于本实施方式中的形态带来的其他的作用效果中从本说明书的记载明确可知的作用效果、或者本领域技术人员能够适当地想到的作用效果当然为本发明所带来的作用效果。
附图标记说明
10：光学元件、20：照明装置、110：第一液晶单元、111-1：第一基板、111-2：第二基板、112-1：第一透明电极、112-2：第二透明电极、112-3：第三透明电极、112-4：第四透明电极、113：液晶层、114-1：第一取向膜、114-2：第二取向膜、115：密封材料、116-1：第一布线、116-2：第二布线、116-3：第三布线、116-4：第四布线、116-5：第五布线、116-6：第六布线、120：第二液晶单元、121-1：第一基板、121-2：第二基板、122-1：第一透明电极、122-2：第二透明电极、122-3：第三透明电极、122-4：第四透明电极、123：液晶层、124-1：第一取向膜、124-2：第二取向膜、125：密封材料、130：光学弹性树脂层、210：光源、220：凸透镜、230：反射器、310：第一偏振成分、320：第二偏振成分。

Claims (15)

1.一种光学元件，包括被层叠的两个液晶单元，其中，
所述两个液晶单元分别包括：
第一基板，沿第一方向交替地配置有第一透明电极和第二透明电极；
第二基板，沿与所述第一方向交叉的第二方向交替地配置有第三透明电极和第四透明电极；以及
液晶层，位于所述第一基板与所述第二基板之间，
所述两个液晶单元的一方的液晶单元的所述第二基板与所述两个液晶单元的另一方的液晶单元的所述第一基板相邻。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述第二方向与所述第一方向正交。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，
所述第一基板与所述第二基板之间的基板间距离d和所述第一透明电极与所述第二透明电极的第一节距p1满足d/p1≥1。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，
满足d/p1≥2。
5.根据权利要求3或4所述的光学元件，其中，
所述第一节距p1和所述第一透明电极与所述第二透明电极之间的第一电极间距离b1满足p1/2≤b1。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的光学元件，其中，
所述基板间距离d和所述第三透明电极与所述第四透明电极的第二节距p2满足d/p2≥1。
7.根据权利要求6所述的光学元件，其中，
满足d/p2≥2。
8.根据权利要求6或7所述的光学元件，其中，
所述第二节距p2和所述第三透明电极与所述第四透明电极之间的第二电极间距离b2满足p2/2≤b2。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，其中，
所述一方的液晶单元的所述第二基板与所述另一方的液晶单元的所述第一基板隔着光学弹性树脂层相邻。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学元件，其中，
所述第一透明电极、所述第二透明电极、所述第三透明电极以及所述第四透明电极分别被施加不同的电压。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学元件，其中，
在俯视时，
所述一方的液晶单元的所述第一透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第一透明电极在整个延伸方向上重叠，
所述一方的液晶单元的所述第二透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第二透明电极在整个延伸方向上重叠，
所述一方的液晶单元的所述第三透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第三透明电极在整个延伸方向上重叠，
所述一方的液晶单元的所述第四透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第四透明电极在整个延伸方向上重叠。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的光学元件，其中，
在俯视时，
所述一方的液晶单元的所述第一透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第一透明电极在整个延伸方向上大致一致地重叠，
所述一方的液晶单元的所述第二透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第二透明电极在整个延伸方向上大致一致地重叠，
所述一方的液晶单元的所述第三透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第三透明电极在整个延伸方向上大致一致地重叠，
所述一方的液晶单元的所述第四透明电极与所述另一方的液晶单元的所述第四透明电极在整个延伸方向上大致一致地重叠。
13.一种照明装置，包括：
光源；以及
权利要求1至12中任一项所述的光学元件。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其中，
所述照明装置还在所述光源与所述光学元件之间包括凸透镜。
15.根据权利要求13或14所述的照明装置，其中，
所述照明装置还包括反射器，所述反射器反射从所述光源照射的光，以使其入射至所述光学元件。
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