CN117480434A - 光学装置 - Google Patents

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小糸健夫
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Abstract

光学装置包括：光学元件，所述光学元件包括对从光源照射的光进行配光的至少一个液晶单元；电源部，生成第一电位以及与第一电位不同的第二电位；控制信号生成电路部，生成控制信号，所述控制信号控制第一电位以及第二电位各自的脉冲宽度；以及开关电路部，基于控制信号，输出第一电位信号，该第一电位信号包含具有第一脉冲宽度的第一电位以及具有第二脉冲宽度的第二电位，至少一个液晶单元包括：第一基板，所述第一基板在第一方向上交替配置有第一透明电极和第二透明电极；以及第二基板，所述第二基板在与第一方向交叉的第二方向上交替配置有第三透明电极和第四透明电极，第一电位信号被输入到第一透明电极。

Description

光学装置
技术领域
本发明的一个实施方式涉及控制从光源射出的光的配光的光学装置，特别是涉及使用了液晶的光学装置。
背景技术
以往，已知有调整施加于液晶的电压、利用了液晶的折射率变化的光学元件，即所谓的液晶透镜(例如，参照专利文献1、专利文献2或专利文献3)。例如，专利文献1以及专利文献2所记载的照明装置利用液晶透镜来将来自光源的光配光成圆形状。另外，在专利文献3所记载的光束成型器件中，改变对液晶施加的电极的图案而使光的配光的形状变化。
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
发明所要解决的问题
在使用了液晶的光学装置中，有时使施加于液晶的电压的大小变化而进行配光的控制。在该情况下，光学装置需要具备数字模拟变换电路(DAC)或放大电路(AMP)，成为配光的控制复杂化、并且制造成本上升的主要原因。
本发明的一个实施方式鉴于上述问题，其目的之一在于提供一种抑制了制造成本的光学装置。
用于解决问题的技术方案
本发明的一个实施方式所涉及的光学装置包括：光学元件，所述光学元件包括对从光源照射的光进行配光的至少一个液晶单元；电源部，生成第一电位以及与第一电位不同的第二电位；控制信号生成电路部，生成控制信号，所述控制信号控制第一电位以及第二电位各自的脉冲宽度；以及开关电路部，基于控制信号，输出第一电位信号，该第一电位信号包含具有第一脉冲宽度的第一电位以及具有第二脉冲宽度的第二电位，至少一个液晶单元包括：第一基板，所述第一基板在第一方向上交替配置有第一透明电极和第二透明电极；以及第二基板，所述第二基板在与第一方向交叉的第二方向上交替配置有第三透明电极和第四透明电极，第一电位信号被输入到第一透明电极。
另外，本发明的一个实施方式所涉及的光学装置包括：光学元件，所述光学元件包括对从光源照射的光进行配光的至少一个液晶单元；电源部，包括生成第一电位的第一电源以及生成与第一电位不同的第二电位的第二电源；控制信号生成部，生成分别控制第一电位以及第二电位各自的脉冲宽度的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号；以及开关电路部，分别与第一电源以及第二电源电连接，包括基于第一控制信号输出第一电位信号的第一开关电路、基于第二控制信号输出第二电位信号的第二开关电路、基于第三控制信号输出第三电位信号的第三开关电路、以及基于第四控制信号输出第四电位信号的第四开关电路，光学元件包括至少一个液晶单元，至少一个液晶单元包括：第一基板，所述第一基板在第一方向上交替配置有第一透明电极和第二透明电极；以及第二基板，所述第二基板在与第一方向交叉的第二方向上交替配置有第三透明电极和第四透明电极，第一透明电极、第二透明电极、第三透明电极以及第四透明电极分别与第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路以及第四开关电路电连接，向第一透明电极、第二透明电极、第三透明电极以及第四透明电极分别输入第一电位信号、第二电位信号、第三电位信号以及第四电位信号。
附图说明
图1A是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的示意性立体图。
图1B是说明本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的图。
图2是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的光学元件的示意性立体图。
图3A是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的光学元件的示意性剖视图。
图3B是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的光学元件的示意性剖视图。
图4A是说明本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的光学元件对配光的控制的示意性剖视图。
图4B是说明本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的光学元件对配光的控制的示意性剖视图。
图5是说明在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，光学元件的透明电极与开关电路部的连接的示意图。
图6是示出在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，开关电路部所包含的开关电路的电路图。
图7A是说明在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，被输入到开关电路部的控制信号和从开关电路部输出的电位信号的关系的时序图。
图7B是说明在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，被输入到开关电路部的控制信号和从开关电路部输出的电位信号的关系的时序图。
图8是示出在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，电位信号和透明电极间的电位差的关系的时序图。
图9是示出在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，电位信号和透明电极间的电位差的关系的时序图。
图10是示出在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置中，电位信号和透明电极间的电位差的关系的时序图。
图11是示出使用了本发明的一个实施方式所涉及的光学装置的光的配光状态的曲线图。
具体实施方式
以下，在本发明的各实施方式中，参照附图等进行说明。另外，本发明在不脱离其技术思想的主旨的范围内能够以各种方式实施，并不限定地解释为以下例示的实施方式的记载内容。
为了使说明更明确，与实际的方式相比，附图有时示意性地表示各部分的宽度、厚度、形状等，但仅是一例，图示的形状本身并不限定本发明的解释。另外，在附图中，对于具有与在说明书中关于已出现的图说明的要素相同的功能的要素，在其他图中也标注同一符号，有时省略重复的说明。
在加工某一个膜而形成多个结构体的情况下，有时各个结构体具有不同的功能、作用，另外，有时各个结构体形成其的基底不同。然而，这些多个结构体源自在同一工序中作为同一层形成的膜，具有同一材料。因此，定义为这些多个膜存在于同一层。
在表现在某个结构体上配置其他结构体的方式时，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相接而在正上方配置其他结构体的情况、和在某个结构体的上方隔着又一结构体配置其他结构体的情况这两种情况。
参照图1A～图11，对本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1进行说明。首先，参照图1A以及图1B，对光学装置1的结构进行说明。
[1.光学装置1的结构]
图1A是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1的示意性立体图。另外，图1B是说明本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1的框图。如图1A所示，光学装置1包括光学元件10以及控制光学元件10的控制部20。另外，在光学装置1中，不仅包括光学元件10以及控制部20，还可以包括向光学元件10照射光的光源30。从光源30照射的光透过光学元件10而射出。控制部20控制光学元件10，使得透过光学元件10的光扩散或会聚。即，光学装置1能够控制配光。
如图1B所示，控制部20包括电源部210、开关电路部220以及控制信号生成电路部230。光学元件10与开关电路部220连接。另外，开关电路部220与电源部210连接。即，光学元件10经由开关电路部220与电源部210连接。
电源部210包括生成预定电位的电源。例如，电源部210能够包括生成两个电位的两个电源，但不限于此。另外，电源部210能够包含作为GND(例如，0V)的电位。需要说明的是，在本说明书中，为了便于说明，即使在GND的情况下，也有时作为生成电位的电源进行说明。
控制信号生成电路部230生成控制开关电路部220的控制信号。也可以生成多个控制开关电路部220的控制信号。开关电路部220所包含的开关电路是所谓的模拟开关。即，开关电路部220能够基于来自控制信号生成电路部230的控制信号来控制由电源部210生成的电位向光学元件10的供给。在光学装置1中，由于使用开关电路部220直接控制由电源部210生成的电位的供给，因此光学装置1不需要DAC或AMP。
控制信号生成电路部230是能够使用数据或信息进行运算处理的计算机。控制信号生成电路部230例如包括中央运算处理装置(Central Processing Unit：CPU)、微处理器(Micro Processing Unit：MPU)、图像处理装置(Graphics Processing Unit：GPU)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、随机存取存储器(Random AccessMemory：RAM)，或DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)等。控制信号生成电路部230能够根据预定的信息(脉冲宽度或占空比等)生成控制信号。
接下来，参照图2～图3B，对光学元件10的结构进行说明。
[2.光学元件10的结构]
图2是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1的光学元件10的示意性立体图。如图2所示，光学元件10包括第一液晶单元110-1、第二液晶单元110-2、第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4。第一液晶单元110-1、第二液晶单元110-2、第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4沿z轴方向层叠。第二液晶单元110-2设置在第一液晶单元110-1上。第三液晶单元110-3设置在第二液晶单元110-2上。第四液晶单元110-4设置在第三液晶单元110-3上。虽未图示，但光源30配置在第一液晶单元110-1的下方。因此，从光源30照射的光依次透过第一液晶单元110-1、第二液晶单元110-2、第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4。
第一光学弹性树脂层170-1粘接并固定第一液晶单元110-1和第二液晶单元110-2。第二光学弹性树脂层170-2粘接并固定第二液晶单元110-2和第三液晶单元110-3。第三光学弹性树脂层170-3粘接并固定第三液晶单元110-3和第四液晶单元110-4。作为第一光学弹性树脂层170-1、第二光学弹性树脂层170-2以及第三光学弹性树脂层170-3的各个树脂层，能够使用包含具有透光性的丙烯酸树脂或环氧树脂等的粘接剂。
图3A以及图3B是本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1的光学元件10的示意性剖视图。具体而言，图3A是沿着图2所示的A1-A2线切断的zx面内的示意性剖视图，图3B是沿着图2所示的B1-B2线切断的yz面内的示意性剖视图。需要说明的是，以下，有时将x轴方向以及y轴方向分别记载为第一方向以及第二方向。
第一液晶单元110-1包括形成有第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2的第一基板120-1、和形成有第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4的第二基板120-2。在第一基板120-1上，形成有覆盖第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2的第一取向膜140-1。另外，在第二基板120-2上，形成覆盖第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4的第二取向膜140-2。第一基板120-1和第二基板120-2以第一基板120-1上的第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2与第二基板120-2上的第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4在交叉上(以下相同)相对的方式配置。另外，在第一基板120-1以及第二基板120-2各自的周边部形成有第一密封材料150-1。即，第一基板120-1和第二基板120-2经由第一密封材料150-1粘接。另外，在由第一基板120-1(更具体而言，第一取向膜140-1)、第二基板120-2(更具体而言，第二取向膜140-2)以及第一密封材料150-1包围的空间中封入液晶，形成第一液晶层160-1。
第二液晶单元110-2包括形成有第五透明电极130-5以及第六透明电极130-6的第三基板120-3、和形成有第七透明电极130-7以及第八透明电极130-8的第四基板120-4。在第三基板120-3上，形成有覆盖第五透明电极130-5以及第六透明电极130-6的第三取向膜140-3。另外，在第四基板120-4上形成有覆盖第七透明电极130-7以及第八透明电极130-8的第四取向膜140-4。第三基板120-3和第四基板120-4以第三基板120-3上的第五透明电极130-5以及第六透明电极130-6与第四基板120-4上的第七透明电极130-7以及第八透明电极130-8相对的方式配置。另外，在第三基板120-3以及第四基板120-4各自的周边部形成有第二密封材料150-2。即，第三基板120-3和第四基板120-4经由第二密封材料150-2粘接。另外，在由第三基板120-3(更具体而言，第三取向膜140-3)、第四基板120-4(更具体而言，第四取向膜140-4)以及第二密封材料150-2包围的空间中封入液晶，形成第二液晶层160-2。
第三液晶单元110-3包括形成有第九透明电极130-9以及第十透明电极130-10的第五基板120-5、以及形成有第十一透明电极130-11以及第十二透明电极130-12的第六基板120-6。在第五基板120-5上形成有覆盖第九透明电极130-9以及第十透明电极130-10的第五取向膜140-5。另外，在第六基板120-6上形成有覆盖第十一透明电极130-11以及第十二透明电极130-12的第六取向膜140-6。第五基板120-5和第六基板120-6以第五基板120-5上的第九透明电极130-9以及第十透明电极130-10与第六基板120-6上的第十一透明电极130-11以及第十二透明电极130-12相对的方式配置。另外，在第五基板120-5以及第六基板120-6各自的周边部形成有第三密封材料150-3。即，第五基板120-5和第六基板120-6经由第三密封材料150-3粘接。另外，在由第五基板120-5(更具体而言，第五取向膜140-5)、第六基板120-6(更具体而言，第六取向膜140-6)以及第三密封材料150-3包围的空间中封入液晶，形成第三液晶层160-3。
第四液晶单元110-4包括形成有第十三透明电极130-13以及第十四透明电极130-14的第七基板120-7、和形成有第十五透明电极130-15以及第十六透明电极130-16的第八基板120-8。在第七基板120-7上形成有覆盖第十三透明电极130-13以及第十四透明电极130-14的第七取向膜140-7。另外，在第八基板120-8上，形成覆盖第十五透明电极130-15以及第十六透明电极130-16的第八取向膜140-8。第七基板120-7和第八基板120-8以第七基板120-7上的第十三透明电极130-13以及第十四透明电极130-14与第八基板120-8上的第十五透明电极130-15以及第十六透明电极130-16相对的方式配置。另外，在第七基板120-7以及第八基板120-8各自的周边部形成有第四密封材料150-4。即，第七基板120-7和第八基板120-8经由第四密封材料150-4粘接。另外，在由第七基板120-7(更具体而言，第七取向膜140-7)、第八基板120-8(更具体而言，第八取向膜140-8)以及第四密封材料150-4包围的空间中封入液晶，形成第四液晶层160-4。
第一液晶单元110-1、第二液晶单元110-2、第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4的基本结构相同。因此，以下对第一液晶单元110-1的透明电极130的配置进行说明，对于第二液晶单元110-2、第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4的各个透明电极130的配置省略说明。
在第一液晶单元110-1中，第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2在y轴方向上延伸，并且第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4在x轴方向上延伸。另外，第一透明电极130-1和第二透明电极130-2在x轴方向上交替配置成梳齿状，第三透明电极130-3和第四透明电极130-4在第二方向上交替配置成梳齿状。在俯视观察时，第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2的延伸方向(y轴方向)与第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4的延伸方向(x轴方向)正交，但也可以以稍微偏离正交的状态交叉。
在俯视观察时，第一液晶单元110-1的第一透明电极130-1、第二液晶单元110-2的第五透明电极130-5、第三液晶单元110-3的第九透明电极130-9以及第四液晶单元110-4的第十三透明电极130-13以延伸方向(y轴方向)相互大致一致的方式重叠。另外，也可以以第一透明电极130-1、第五透明电极130-5、第九透明电极130-9以及第十三透明电极130-13稍微偏移重叠的方式配置第一液晶单元110-1～第四液晶单元110-4。
作为第一基板120-1～第八基板120-8的各个基板，例如使用玻璃基板、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120-1～第八基板120-8的各个基板，例如也能够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。
第一透明电极130-1～第十六透明电极130-16的各个电极作为在液晶层160中用于形成电场的电极发挥功能。作为第一透明电极130-1～第十六透明电极130-16的各个电极，例如使用铟·锡氧化物(ITO)或铟·锌氧化物(IZO)等透明导电材料。
第一液晶层160-1～第四液晶层160-4中的各个液晶层能够根据液晶分子的取向状态来折射透过的光或者改变透过的光的偏振状态。作为第一液晶层160-1～第四液晶层160-4的各个液晶，使用向列型液晶等。在本实施方式中说明的液晶是正型，但也能够是通过变更液晶分子的初始取向方向等来应用负型的结构。另外，优选在液晶分子中含有对液晶分子赋予扭曲的手性剂。
第一取向膜140-1～第八取向膜140-8分别将液晶层160内的液晶分子排列在预定的方向上。作为第一取向膜140-1～第八取向膜140-8的各个膜，使用聚酰亚胺树脂等。需要说明的是，第一取向膜140-1～第八取向膜140-8的各个膜也可以通过摩擦法或光取向法等取向处理来赋予取向特性。摩擦法是在一个方向上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。
作为第一密封材料150-1～第四密封材料150-4的各个材料，使用包含环氧树脂或丙烯酸树脂的粘接材料等。需要说明的是，粘接材料可以是紫外线固化型，也可以是热固化型。
光学元件10通过包括至少两个液晶单元(例如，第一液晶单元110-1以及第二液晶单元110-2)，从而能够控制非偏振光的配光。因此，在第一液晶单元110-1的第一基板120-1以及第四液晶单元110-4的第八基板120-8的各表面上，不需要设置例如设置在液晶显示元件的表背面上的一对偏振片。
[3.光学元件10对配光的控制]
图4A以及图4B是说明本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1的光学元件10对配光的控制的示意性剖视图。图4A以及图4B示出了图3A所示的第一液晶单元110-1以及第二液晶单元110-2的剖视图的一部分。图4A示出了未向透明电极130供给电位的状态下的光学元件10，图4B示出了向透明电极130供给电位的状态下的光学元件10。需要说明的是，对向透明电极130供给电位的控制将在后面叙述。
第一取向膜140-1在x轴方向上进行取向处理。因此，如图4A所示，第一液晶层160-1的第一基板120-1侧的液晶分子的长轴沿着x轴方向取向。即，第一基板120-1侧的液晶分子的取向方向与第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2的延伸方向(y轴方向)正交。另外，第二取向膜140-2在y轴方向上进行取向处理。因此，如图3A所示，第一液晶层160-1的第二基板120-2侧的液晶分子的长轴沿着y轴方向取向。即，第二基板120-2侧的液晶分子的取向方向与第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4的延伸方向(x轴方向)正交。因此，第一液晶层160-1的液晶分子随着从第一基板120-1朝向第二基板120-2而使长轴的朝向从x轴方向逐渐变化为y轴方向，以扭转了90度的状态进行取向。
第二液晶层160-2的液晶分子也与第一液晶层160-1的液晶分子相同，因此在此省略说明。
当向透明电极130供给电位时，如图4B所示，液晶分子的取向发生变化。在此，对向第一透明电极130-1、第三透明电极130-3、第五透明电极130-5以及第七透明电极130-7供给低电位，向第二透明电极130-2、第四透明电极130-4、第六透明电极130-6以及第八透明电极130-8供给高电位的情况进行说明。需要说明的是，在图4B中，为了方便，将低电位以及高电位分别用“-”以及“+”的记号图示。需要说明的是，以下有时将邻接的透明电极间产生的电场称为横向电场。
如图4B所示，由于第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间的横向电场的影响，第一基板120-1侧的液晶分子整体上相对于第一基板120-1沿着x轴方向以凸圆弧状取向。同样地，由于第三透明电极130-3和第四透明电极130-4之间的横向电场的影响，第二基板120-2侧的液晶分子整体上相对于第二基板120-2沿着y轴方向以凸圆弧状取向。位于第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间的大致中央的液晶分子，取向几乎不会因任何横向电场而变化。因此，入射到第一液晶层160-1的光按照沿着第一基板120-1侧的x轴方向以凸圆弧状取向的液晶分子的折射率分布在x轴方向上扩散，按照沿着第二基板120-2侧的y轴方向以凸圆弧状取向的液晶分子的折射率分布在y轴方向上扩散。
需要说明的是，由于第一基板120-1和第二基板120-2具有充分离开的基板间距离，因此第一基板120-1的第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间的横向电场不会对第二基板120-2侧的液晶分子的取向产生影响，或者小到可以忽略的程度。同样地，第二基板120-2的第三透明电极130-3和第四透明电极130-4之间的横向电场不会对第一基板120-1侧的液晶分子的取向产生影响，或者小到可以忽略的程度。
向第五透明电极130-5～第八透明电极130-8供给电位时的第二液晶层160-2的液晶分子也与第一液晶层160-1的液晶分子相同，因此在此省略说明。
接下来，对透过光学元件10的光的配光进行说明。从光源射出的光具有x轴方向的偏振光成分(以下称为“P偏振光成分”。)以及y轴方向的偏振光成分(以下称为“S偏振光成分”。)，以下，为了方便，将光分为P偏振光成分和S偏振光成分进行说明。即，从光源射出的光(参照图4A以及图4B中的(1))包含具有P偏振光成分的第一偏振光310以及具有S偏振光成分的第二偏振光320。需要说明的是，图4A以及图4B中的箭头的记号以及在圆圈中画叉的记号分别表示P偏振光成分以及S偏振光成分。
第一偏振光310入射到第一基板120-1后，随着朝向第二基板120-2，随着液晶分子的取向的扭曲而从P偏振光成分变化为S偏振光成分(参照图4A以及图4B中的(2)～(4))。更具体而言，第一偏振光310在第一基板120-1侧在x轴方向上具有偏振轴，但在通过第一液晶层160-1的厚度方向的过程中使其偏振轴逐渐变化，在第二基板120-2侧在y轴方向上具有偏振轴，然后，从第二基板120-2侧射出(参照图4A以及图4B中的(5))。
在此，当在第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间产生横向电场时，由于该横向电场的影响，第一基板120-1侧的液晶分子沿着x轴方向以凸圆弧状取向，折射率分布发生变化。因此，第一偏振光310按照该液晶分子的折射率分布在x轴方向上扩散。另外，当在第三透明电极130-3和第四透明电极130-4之间产生横向电场时，由于该横向电场的影响，第二基板120-2侧的液晶分子沿着y轴方向以凸圆弧状取向，折射率分布发生变化。因此，第一偏振光310按照该液晶分子的折射率分布的变化在y轴方向上扩散。
因此，在未产生横向电场的情况下(参照图4A)，透过第一液晶单元110-1的第一偏振光310的偏振光成分从P偏振光成分变化为S偏振光成分。另一方面，在产生横向电场的情况下(参照图4B)，透过第一液晶单元的第一偏振光310的偏振光成分从P偏振光成分变化为S偏振光成分，并且在x轴方向以及y轴方向上扩散。
第二偏振光320在入射到第一基板120-1后，随着朝向第二基板120-2，随着液晶分子的取向的扭曲而从S偏振光成分变化为P偏振光成分(参照图4A以及图4B中的(2)～(4))。更具体而言，第二偏振光320在第一基板120-1侧在y轴方向上具有偏振轴，但在通过第一液晶层160-1的厚度方向的过程中使其偏振轴逐渐变化，在第二基板120-2侧在x轴方向上具有偏振轴，然后，从第二基板120-2侧射出(参照图4A以及图4B中的(5))。
在此，当在第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间产生横向电场时，由于该横向电场的影响，第一基板120-1侧的液晶分子沿着x轴方向以凸圆弧状取向，折射率分布发生变化。然而，由于第二偏振光320的偏振轴与第一基板120-1侧的液晶分子的取向正交，因此不受该液晶分子的折射率分布的影响，不扩散而直接通过。另外，当在第三透明电极130-3和第四透明电极130-4之间产生横向电场时，由于该横向电场的影响，第二基板120-2侧的液晶分子沿着y轴方向以凸圆弧状取向，折射率分布发生变化。然而，由于第二偏振光320的偏振轴与第二基板120-2侧的液晶分子的取向正交，因此不受该液晶分子的折射率分布的影响，不扩散而直接通过。
因此，不仅在未产生横向电场的情况下(参照图4A)，而且在产生横向电场的情况下(参照图4B)，透过第一液晶单元110-1的第二偏振光320的偏振光成分也从S偏振光成分变化为P偏振光成分，但不扩散。
第二液晶单元110-2的第二液晶层160-2的液晶分子也具有与第一液晶单元110-1的第一液晶层160-1的液晶分子相同的折射率分布。但是，由于第一偏振光310以及第二偏振光320透过第一液晶单元110-1，偏振轴发生变化，因此受到第二液晶层160-2的液晶分子的折射率分布的影响的偏振光相反。即，不仅在未产生横向电场的情况下(参照图4A)，而且在产生横向电场的情况下(参照图4B)，透过第二液晶单元110-2的第一偏振光310的偏振光成分也从S偏振光成分变化为P偏振光成分，但不扩散(参照图4A以及图4B中的(6)～(8))。另一方面，在未产生横向电场的情况下(参照图4A)，透过第二液晶单元110-2的第二偏振光320的偏振光成分仅从P偏振光成分变化为S偏振光成分，但在产生横向电场的情况下(参照图4B)，透过第二液晶单元110-2的第二偏振光320的偏振光成分从P偏振光成分变化为S偏振光成分，并且在x轴方向以及y轴方向上扩散。
由以上可知，在光学元件10中，通过层叠具有同一结构的两个液晶单元110，使入射到光学元件10的光的偏振光成分经过两次变化，其结果是，能够使入射前和入射后的偏振光成分不变(参照图4A以及图4B中的(1)以及(9))。另一方面，光学元件10在向透明电极130供给电位时，能够使液晶单元110的液晶层160的液晶分子所具有的折射率分布变化，使透过液晶单元110的光折射。更具体而言，第一液晶单元110-1能够使第一偏振光310(P偏振光成分)的光向x轴方向、y轴方向、或x轴以及y轴的两轴方向扩散，第二液晶单元110-2能够使第二偏振光320(S偏振光成分)的光向x轴方向、y轴方向、或x轴以及y轴的两轴方向扩散。
在图4A以及图4B中，仅示出了第一液晶单元110-1以及第二液晶单元110-2，并且对透过第一液晶单元110-1以及第二液晶单元110-2的光的配光进行了说明，但透过第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4的光的配光也是如此。在光学元件10中，通过增加液晶单元110的层叠数，能够使扩散的光进一步扩散，能够使光的配光的形状大幅变化。
[4.对光学元件10的透明电极130的电位供给的控制]
图5是说明在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1中光学元件10的透明电极130和开关电路部220的连接的示意图。需要说明的是，图5仅示出了第一液晶单元110-1的第一透明电极130-1～第四透明电极130-4。另外，在图5中，为了便于说明，用虚线示出了第二基板120-2。
第一透明电极130-1、第二透明电极130-2、第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4分别与第一电位信号线224-1、第二电位信号线224-2、第三电位信号线224-3以及第四电位信号线224-4电连接。开关电路部220包括第一开关电路222-1、第二开关电路222-2、第三开关电路222-3以及第四开关电路222-4。第一开关电路222-1、第二开关电路222-2、第三开关电路222-3以及第四开关电路222-4分别与第一电位信号线224-1、第二电位信号线224-2、第三电位信号线224-3以及第四电位信号线224-4电连接。因此，由第一开关电路控制的第一电位信号经由第一电位信号线224-1被输入到第一透明电极130-1。同样地，由第二开关电路控制的第二电位信号经由第二电位信号线224-2被输入到第二透明电极130-2，由第三开关电路控制的第三电位信号经由第三电位信号线224-3被输入到第三透明电极130-3，由第四开关电路控制的第四电位信号经由第四电位信号线224-4被输入到第四透明电极130-4。这样，在第一液晶单元110-1中，通过开关电路部220所包含的开关电路222，能够独立地向透明电极130的每一个供给电位。需要说明的是，第二液晶单元110-2～第四液晶单元110-4也是如此，因此在此省略说明。
图6是示出在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1中开关电路部220所包含的开关电路222的电路图。需要说明的是，在图6中，仅示出了与第一透明电极130-1电连接的第一开关电路222-1，但第二开关电路222-2～第四开关电路222-4的结构也与第一开关电路222-1的结构相同。
第一开关电路222-1包括第一晶体管Tr1、第二晶体管Tr2以及第三晶体管Tr3。在第一晶体管Tr1中，源极以及漏极中的一方与从电源部210的第一电源供给第一电位V1的第一电源线226-1电连接，源极以及漏极中的另一方与第一电位信号线224-1电连接。另外，第一控制信号线228-1电连接到第一晶体管Tr1的栅极，由控制信号生成电路部230生成的第一控制信号CL1被输入到第一晶体管Tr1的栅极。在第二晶体管Tr2中，源极以及漏极中的一方与从电源部210的第二电源供给第二电位V2的第二电源线226-2电连接，源极以及漏极中的另一方与第一电位信号线224-1电连接。另外，第二控制信号线228-2电连接到第二晶体管Tr2的栅极，由控制信号生成电路部230生成的第二控制信号CL2被输入到第二晶体管Tr2的栅极。在第三晶体管Tr3中，源极以及漏极中的一方与从电源部210的第三电源供给第三电位V3的第三电源线226-3电连接，源极以及漏极中的另一方与第一电位信号线224-1电连接。另外，第三控制信号线228-3电连接到第三晶体管Tr3的栅极，由控制信号生成电路部230生成的第三控制信号CL3被输入到第三晶体管Tr3的栅极。
在第一开关电路222-1中，通过第一控制信号CL1、第二控制信号CL2以及第三控制信号CL3，选择第一电位V1、第二电位V2以及第三电位V3中的任意一个，包含所选择的电位的第一电位信号VL1输出到第一电位信号线224-1。需要说明的是，以下，为了方便，有时将第一电位V1、第二电位V2以及第三电位V3分别设为30V、15V以及0V来进行说明。另外，第一电位V1、第二电位V2以及第三电位V3的电位不限于此。
图7A以及图7B是说明在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1中被输入到开关电路部220的控制信号和从开关电路部220输出的电位信号的关系的时序图。需要说明的是，在图7A以及图7B中，仅示出了输出到第一电位信号线224-1的第一电位信号VL1，但输出到第二电位信号线224-2的第二电位信号VL2也是如此，因此在此省略说明。
如图7A所示，通过第一控制信号CL1被输入到开关电路部220，从而向第一电位信号线224-1供给第一电位V1(30V)。另外，通过停止向开关电路部220输入第一控制信号CL1，并且向开关电路部220输入第二控制信号CL2，从而向第一电位信号线224-1供给第二电位V2(15V)。另外，通过停止向开关电路部220输入第二控制信号CL2，并且向开关电路部220输入第三控制信号CL3，从而向第一电位信号线224-1供给第三电位V3(0V)。因此，第一电位信号VL1是包含第一电位、第二电位以及第三电位的信号，向与第一电位信号线224-1连接的第一透明电极130-1供给第一电位、第二电位以及第三电位中的任意一个。
需要说明的是，在图7A中，第一控制信号CL1～第三控制信号CL3的脉冲宽度相同，但如图7B所示，第一控制信号CL1～第三控制信号CL3的脉冲宽度也可以不同。即使在这样的情况下，第一电位信号VL1也成为包含基于第一控制信号CL1、第二控制信号CL2以及第三控制信号CL3各自的脉冲宽度的第一电位、第二电位以及第三电位的信号。
图8～图10是示出在本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1中，电位信号与透明电极130间的电位差的关系的时序图。需要说明的是，在图8～图10中，示出了被输入到第一透明电极130-1的第一电位信号VL1、被输入到第二透明电极130-2的第二电位信号VL2、以及第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间的电位差VL1-VL2。
在图8中，第一电位信号VL1是向第一透明电极130-1依次供给+30V、+15V、0V以及+15V的电位的信号。另外，第二电位信号VL2是对第二透明电极130-2依次供给0V、+15V、+30V以及+15V的电位的信号。第一电位信号VL1以及第二电位信号VL2具有相同的脉冲宽度，相位相互反转。因此，在第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间产生+30V、0V、-30V以及0V的电位差(VL1-VL2)。在该情况下，当电位差为+30V以及-30V时，第一液晶层160-1的液晶分子的取向状态发生变化，从而能够使透过第一液晶单元110-1的光扩散。因此，在光学装置1中，能够通过具有相对于周期T(由于在+30以及-30V的电位差下的液晶分子的取向状态相同，因此在此将|VL1-VL2|的重复单位定义为一个周期。)的脉冲宽度H的透明电极130间的电位差来控制配光。
第三透明电极130-3以及第四透明电极130-4也与第一透明电极130-1以及第二透明电极130-2相同。另外，第二液晶单元110-2、第三液晶单元110-3以及第四液晶单元110-4也与第一液晶单元110-1相同。
第一电位信号VL1和第二电位信号VL2的相位也可以偏移。参照图9对此进行说明。
在图9中，第一电位信号VL1是向第一透明电极130-1依次供给30V、+15V、0V以及+15V的电位的信号。另外，第二电位信号VL2是向第二透明电极130-2依次供给0V、+15V、+30V以及+15V的电位的信号。但是，第二电位信号VL2所具有的相位与第一电位信号VL1所具有的相位不同。具体而言，第二电位信号VL2的相位相对于第一电位信号VL1偏移+45°(π/4)。更具体而言，第二电位信号VL2相对于第一电位信号VL1反相，并进一步延迟π/4。这样，在本实施方式中，第二电位信号VL2具有第一电位信号VL1所具有的相位的反转以外的相位。因此，在第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间产生+15V、+30V、+15V、0V、-15V、-30V、-15V以及0V的电位差。在该情况下，当电位差为+15V、+30V、-15V以及-30V时，第一液晶层160-1的液晶分子的取向状态发生变化，并且能够扩散透过第一液晶单元110-1的光。在图9所示的时序图中，通过组合第一电位信号VL1或第二电位信号VL2，能够通过具有与它们所具有的脉冲宽度不同的脉冲宽度的透明电极130间的电位差来控制配光。
第一电源电位信号和第二电源电位信号也可以不具有相同的脉冲宽度。参照图10对此进行说明。
在图10中，第一电位信号VL1是向第一透明电极130-1依次供给30V、+15V、0V以及+15V的电位的信号。另外，第二电位信号VL2是向第二透明电极130-2依次供给0V、+15V、+30V以及+15V的电位的信号。但是，第二电位信号VL2所具有的脉冲宽度与第一电位信号所具有的脉冲宽度不同。更具体而言，第一电位信号VL1以及第二电位信号VL2的相位相互反转，但第二电位信号VL2的脉冲宽度是第一电位信号VL1的脉冲宽度的一半，因此尽管第一电位信号VL1以脉冲宽度振动，但存在一部分第二电位信号VL2具有中间电位的时间。因此，在第一透明电极130-1和第二透明电极130-2之间产生+30V、+15V、0V、-30V、-15V以及0V的电位差(VL1-VL2)。在该情况下，当电位差为+15V、+30V、-15V以及-30V时，第一液晶层160-1的液晶分子的取向状态发生变化，能够扩散透过第一液晶单元110-1的光。在图10所示的时序图中，也能够通过具有与第一电位信号VL1或第二电位信号VL2所具有的脉冲宽度不同的脉冲宽度的透明电极130间的电位差来控制配光。
如上所述，在光学装置1中，通过使被输入到透明电极130的电位信号的脉冲宽度或相位变化，能够通过使用了各种脉冲宽度以及占空比(例如，相对于图8所示的周期T的脉冲宽度H)的所谓的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation：PWM)驱动来控制配光。需要说明的是，透明电极130间的电位差所具有的脉冲宽度或占空比也可以使第一控制信号CL1、第二控制信号CL2以及第三控制信号CL3的脉冲宽度变化。
如上所述，在光学装置1中，能够仅用所谓的模拟开关选择向光学元件10供给的电位，通过PWM驱动来控制光学元件10。即，光学装置1不需要DAC或AMP那样的高价元件。因此，光学装置1能够廉价地制造，能够抑制制造成本。
实施例
图11是示出使用了本发明的一个实施方式所涉及的光学装置1的光的配光状态的曲线图。图11所示的曲线图的横轴是上述占空比(％)，纵轴是半值角(度)。另外，半值角是在亮度的角度依存测定中相对于光学装置1的正面(0度)的亮度具有50％的亮度的角度。即，如果半值角变大，则意味着光被更加扩散。
制作的光学装置1在光学元件10上具有4个液晶单元110，各液晶单元110的透明电极130的宽度为8(μm)，透明电极130间的距离为8(μm)。另外，被输入到各透明电极130的电源电位信号的周期T为60Hz。
如图11所示，当占空比变大时，半值角也变大。即，可知光被光学装置1较大地扩散。特别是，可知当占空比超过10％时大幅扩散。
可以了解，在本发明的思想范畴中，本领域技术人员可以想到各种变更例以及修正例，这些变更例以及修正例也属于本发明的范围。例如，对于上述各实施方式，本领域技术人员适当地进行了构成要素的追加、删除或设计变更的实施方式，或者进行了工序的追加、省略或条件变更的实施方式，只要具备本发明的主旨，也包含在本发明的范围内。
另外，关于在本实施方式中由方式带来的其他作用效果，根据本说明书的记载而明确的内容，或者本领域技术人员可以适当想到的内容，当然可以理解为是由本发明带来的。
符号说明
1、光学装置；10、光学元件；20、控制部；30、光源；110、液晶单元；120、基板；130、透明电极；140、取向膜；150、密封材料；160、液晶层；170、光学弹性树脂层；210、电源部；220、开关电路部；222、开关电路；224、电位信号线；226、电源线；228、控制信号线；230、控制信号生成电路部；310、第一偏振光；320、第二偏振光。

Claims (11)

1.一种光学装置，包括：
光学元件，所述光学元件包括对从光源照射的光进行配光的至少一个液晶单元；
电源部，生成第一电位以及与所述第一电位不同的第二电位；
控制信号生成电路部，生成控制信号，所述控制信号控制所述第一电位以及所述第二电位各自的脉冲宽度；以及
开关电路部，基于所述控制信号，输出第一电位信号，该第一电位信号包含具有第一脉冲宽度的所述第一电位以及具有第二脉冲宽度的所述第二电位，
所述至少一个液晶单元包括：
第一基板，所述第一基板在第一方向上交替配置有第一透明电极和第二透明电极；以及
第二基板，所述第二基板在与所述第一方向交叉的第二方向上交替配置有第三透明电极和第四透明电极，
所述第一电位信号被输入到所述第一透明电极。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二脉冲宽度与所述第一脉冲宽度不同。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述开关电路部还输出第二电位信号，所述第二电位信号包含具有所述第一脉冲宽度的所述第一电位以及具有所述第二脉冲宽度的所述第二电位，
所述第二电位信号的第二相位与所述第一电位信号的第一相位不同，
所述第二电位信号被输入到所述第二透明电极。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，
所述第二相位是所述第一相位被反转的相位。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述电源部还生成与所述第一电位以及所述第二电位不同的第三电位，
所述控制信号生成电路部还生成控制所述第三电位的脉冲宽度的所述控制信号，
所述开关电路部还输出包含具有第三脉冲宽度的所述第三电位的所述第一电位信号。
6.一种光学装置，包括：
光学元件，所述光学元件包括对从光源照射的光进行配光的至少一个液晶单元；
电源部，包括生成第一电位的第一电源以及生成与所述第一电位不同的第二电位的第二电源；
控制信号生成部，生成分别控制所述第一电位以及所述第二电位各自的脉冲宽度的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号；以及
开关电路部，分别与所述第一电源以及所述第二电源电连接，包括基于所述第一控制信号输出第一电位信号的第一开关电路、基于所述第二控制信号输出第二电位信号的第二开关电路、基于所述第三控制信号输出第三电位信号的第三开关电路、以及基于所述第四控制信号输出第四电位信号的第四开关电路，
所述光学元件包括至少一个液晶单元，
所述至少一个液晶单元包括：
第一基板，所述第一基板在第一方向上交替配置有第一透明电极和第二透明电极；以及
第二基板，所述第二基板在与所述第一方向交叉的第二方向上交替配置有第三透明电极和第四透明电极，
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与所述第一开关电路、所述第二开关电路、所述第三开关电路以及所述第四开关电路电连接，
向所述第一透明电极、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输入所述第一电位信号、所述第二电位信号、所述第三电位信号以及所述第四电位信号。
7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，
所述电源部还包括生成第三电位的第三电源，
所述控制信号生成部还生成分别控制所述第三电位的脉冲宽度的所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号以及所述第四控制信号，
所述第一开关电路、所述第二开关电路、所述第三开关电路以及所述第四开关电路分别与所述第三电源电连接。
8.根据权利要求6所述的光学装置，其中，
所述第一电位信号的相位是所述第二电位信号的相位被反转的相位，
所述第三电位信号的相位是所述第四电位信号的相位被反转的相位。
9.根据权利要求6所述的光学装置，其中，
基于所述第一电位信号与所述第二电位信号的差值的脉冲宽度具有超过10％的占空比。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学装置，其中，
所述第一电位是所述第二电位的两倍。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学装置，其中，
所述至少一个液晶单元是四个液晶单元。
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