JP2013250369A - 光照射装置及び液晶素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、かつ、低コストで製造可能な光照射装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を出射する光源と、光源を出射したレーザ光の光路上に配置され、電極を備える第１、第２の基板、及び、第１、第２の基板間に配置される液晶層を含み、第１、第２の基板の少なくとも一方に微細形状構造が形成された液晶素子とを有し、微細形状構造は、液晶層中の液晶の屈折率と、微細形状構造が形成されている材料の屈折率との間に差が生じたときに、レーザ光が回折するように形成され、第１、第２の基板の電極間への電圧の供給態様の変化により、液晶素子を出射するレーザ光の配光を制御する光照射装置を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、レーザ光源を含む光照射装置、及び、該光照射装置に使用される液晶素子に関する。

レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射された光を制御する薄膜光学系として、サブミクロンサイズの微細加工が施された回折素子が提案されている。しかしこのような回折素子は、電気的な配光状態の切り替えができない。

液晶を用いた光学素子の種々の発明がなされており、たとえばレンズやプリズムを用いた光学素子により、様々な照明の配光制御が可能である。一例として特許文献１には、数ミクロンから数十ミクロンのサイズを有する複数のマイクロプリズムを用い、ＬＥＤなど
の光の配光を制御する光学素子が提案されている。しかしながら、本願発明者の研究の結果、特許文献１記載の光学素子でレーザ光の配光制御を行おうとすると、プリズム間の光干渉現象により、レーザ光の照射範囲の幅が広がるという問題があることがわかった。

図７は、特許文献１記載のマイクロプリズム液晶素子によるレーザ光配光制御の結果を示す写真である。本図には、電圧無印加時（０Ｖ）、１０Ｖ印加時、２０Ｖ印加時、３０Ｖ印加時、及び、４０Ｖ〜１００Ｖ印加時における、レーザ光のビームスポット近傍の写真を並列して示した。レーザ光の照射範囲の幅が大きく広がっているのがわかる。これはマイクロプリズム液晶素子におけるレーザ光の干渉、回折によるものである。特許文献１記載のマイクロプリズム液晶素子においては、レーザ光のビームスポットの最も明るい部分（輝線・輝点）の位置は、マイクロプリズム液晶素子に印加する電圧により制御可能であるが、レーザ光そのものを偏向させることは困難である。

レーザ光を使用した照明等の光学製品が提案されはじめているが、配光制御はモータなどを用い、メカ的に行うものが多い。したがって小型で、かつ、製造コストを抑えた電子制御照明機器の製造は困難であり、また、信頼性やノイズ発生に課題があった。

たとえば特許文献２には、反射防止用の微細構造が形成された液晶素子（波面収差補正装置）を含む光ピックアップ装置の発明が開示されている。波面収差補正装置は、液晶と微細構造とを組み合わせた光学素子であるが、レーザ光の配光制御に積極的に適用されたものではない。また、たとえば配光制御された光を蛍光体に入射させ色変換を行う照明機器に適用するという提案でもない。

特開２０１１−８１９８５号公報 再公表特許２００４−８６３８９号公報

本発明の目的は、小型、かつ、低コストで製造可能な光照射装置、及び、該光照射装置に用いられる液晶素子を提供することである。

本発明の一観点によればレーザ光を出射する光源と、前記光源を出射したレーザ光の光路上に配置され、電極を備える第１、第２の基板、及び、該第１、第２の基板間に配置される液晶層を含み、前記第１、第２の基板の少なくとも一方に微細形状構造が形成された液晶素子とを有し、前記微細形状構造は、前記液晶層中の液晶の屈折率と、該微細形状構造が形成されている材料の屈折率との間に差が生じたときに、前記レーザ光が回折するように形成され、前記第１、第２の基板の電極間への電圧の供給態様の変化により、前記液晶素子を出射するレーザ光の配光を制御する光照射装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、電極を備える第１、第２の基板と、前記第１、第２の基板間に配置される液晶層とを有し、前記第１、第２の基板の少なくとも一方に微細形状構造が形成され、前記微細形状構造は、前記液晶層中の液晶の屈折率と、該微細形状構造が形成されている材料の屈折率との間に差が生じたときに、レーザ光が回折するように形成されている液晶素子が提供される。

本発明によれば、小型、かつ、低コストで製造可能な光照射装置、及び、該光照射装置に用いられる液晶素子を提供することができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、実施例による液晶素子の製造方法を示す概略的な断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、樹脂層１１に形成された微小凹凸構造を示すＳＥＭ写真である。 図３は、実施例による光照射装置を示す概略図である。 図４Ａ〜図４Ｄは、液晶素子４０の電圧ＯＮ／ＯＦＦ状態に応じたレーザ光３０ａの照射領域を示す概略図である。 図５Ａ〜図５Ｄは、配光制御の様子を示す写真及び概略図である。 図６Ａ〜図６Ｃは、配光制御の他の例を示す概略図である。 図７は、特許文献１記載のマイクロプリズム液晶素子によるレーザ光配光制御の結果を示す写真である。

図１Ａ〜図１Ｃは、実施例による液晶素子の製造方法を示す概略的な断面図である。

図１Ａに示すように、透明基板、たとえば研磨されたガラス基板１０を準備し、ガラス基板１０の一表面上に微小凹凸構造を形成する。微小凹凸構造の形成は、様々な方法で行うことが可能である。実施例においては、精密な微細形状を形成した金型を作製し、その形状を反転転写することで、ガラス基板１０の表面上に微小凹凸構造を形成した。

具体的には、ガラス基板１０上に耐熱性、耐光性に優れたアクリル系紫外線硬化性樹脂を所定量滴下し、その上に精密な微細形状を形成した金型を配置しプレスした。プレスは、厚手の石英などをガラス基板１０の裏側に配置し、平面性を補強した状態で行う。

プレス後、１分以上放置し、紫外線硬化性樹脂を十分広げ、ガラス基板１０裏側（石英配置側）から紫外線を照射して紫外線硬化性樹脂を硬化させた。紫外線の照射量は２０Ｊ／ｃｍ^２とした。こうして微小凹凸構造を備える樹脂層１１が、ガラス基板１０の一表面上に形成された。

なお、金型の微細形状パターンの形成は、たとえば電子線を照射して行うことができる。金型を用いず、直接ガラス基板１０上に電子線を照射して微細形状パターンを形成してもよい。ただしその場合は、製造コストが高くなるという問題がある。

レジスト材料に微細形状を転写し、そのレジストを使用してガラス基板１０をエッチングすることにより、ガラス基板１０表面に微細形状構造を形成することも可能である。この場合には、エッチング材料（ドライエッチングを行う場合はプラズマ化したエッチングガス）が、レジスト及び基板材料（ガラス）をエッチングする速度に注意する必要がある。レジストのエッチング速度が、ガラスのエッチング速度よりも速いと、レジストに形成された微細形状よりも凹凸の差が小さい微細形状パターンが、ガラス基板１０に形成される傾向がある。また、レジストのエッチング速度が、ガラスのエッチング速度よりも遅いと、レジストに形成された微細形状よりも凹凸の差が大きい微細形状パターンが、ガラス基板１０に形成される傾向がある。

図１Ｂを参照する。微小凹凸構造を備える樹脂層１１上に、たとえばＩＴＯで厚さ２０ｎｍの透明電極１２を形成する。ＩＺＯ等の他の金属酸化膜や金などの薄膜金属で形成することもできる。透明電極１２の厚さは、微小凹凸構造の深さやガラス基板１０の大きさを考慮して決定することが望ましい。透明電極１２は薄いことが好ましく、厚くなる場合は、透明電極１２の厚さも考慮して微小凹凸構造の設計を行うことが好ましい。

実施例では、微小凹凸構造の形成された樹脂層１１上に透明電極１２を形成したが、ガラス基板１０上に透明電極１２を形成し、透明電極１２上に微小凹凸構造の形成された樹脂層１１を形成してもよい。紫外線硬化性樹脂を所定量滴下し、その上に金型を配置しプレスした後、紫外線を照射して紫外線硬化性樹脂を硬化させる実施例の方法によれば、透明電極１２上に微小凹凸構造の形成された樹脂層１１を形成することは容易であり、樹脂層１１を構成する樹脂に耐熱性が必須でなくなるというメリットがある点で好ましい。

図２Ａ及び図２Ｂは、樹脂層１１に形成された微小凹凸構造を示すＳＥＭ写真である。図２Ｂの写真は、図２Ａの写真の一部を拡大したものである。

両図に示すように、実施例で作製した微小凹凸構造は、全体として一方向、写真においては全体として縦方向に延在する溝部を有している。溝は幅（写真において横方向の長さ）が１００ｎｍ程度〜５μｍ程度、深さが数十ｎｍ〜３μｍ程度である。実施例においては、溝は厚さ方向に多段に形成されている。

以上のような工程を経て、微小凹凸構造及び電極の形成された下側基板１３が作製される。

微小な溝構造により液晶分子が配向することが知られている。微細な凹凸形状に方位角的な異方性がある場合には、その異方性により液晶分子が並びやすい方向があり、たとえば実施例による液晶素子においては、下側基板１３界面付近の液晶は、溝の延在方向（図２Ａ及び図２Ｂの写真においては縦方向）と略平行な方向に配向する。しかしその配向規制力は比較的弱い（アンカリングエネルギが低い）こともわかっている。したがって一般的には、溝の形状のみで液晶の均一配向を得ることは難しいとされている。このため、実施例の下側基板１３においては、透明電極１２上に配向膜を形成しなかったが、たとえばポリイミド配向膜を形成し、ラビング等により配向処理を施してもよい。その場合、配向処理は、微小溝パターンと略平行となるように（図２Ａ及び図２Ｂにおいては縦方向に）行うことが望ましい。また、配向膜の厚さは、微小凹凸構造の深さや基板１０の大きさなどを考慮して決定することが好ましい。配向膜は薄いことが望ましく、厚くなる場合は、配向膜の厚さも考慮して微小凹凸構造の設計を行うことが望ましい。

なお、配向膜を形成することなく液晶分子の配向方向を決定可能なことが知られている（ベアラビング）。実施例の下側基板１３について、ベアラビングを行ってもよい。

下側基板１３に配向処理を行うことで、後述の光照射装置において、液晶素子による配光制御性を向上させることができる。

なお、実施例においては、異方性を有する微小溝形状としたが、異方性の見られない微細形状パターンとした場合は、ラビングなどにより、積極的に配向処理を行うことが望ましい。

図１Ｃを参照する。たとえばガラス基板１４上にＩＴＯで透明電極１５を形成し、透明電極１５を覆うように、ガラス基板１４上に配向膜１６を形成する。実施例においては、配向膜材料として（株）日産化学工業製のＳＥ−１３０Ｂを用い、ポリイミド配向膜１６を形成した。配向膜材料は特に限定されないが、アンカリング強度（液晶への吸着力を含む。）が強い材料が望ましい。具体的にはＴＮやＩＰＳ用として使用されるポリイミド系の材料が望ましい。

配向膜１６は、フレキソ印刷法にて厚さ８００Åに形成し、１８０℃で１．５時間の焼成を行った。焼成後に配向処理としてラビングを実施した。ラビング条件、ラビング方向については特に制限されないが、ストロングアンカリング条件とすることが好ましい。実施例においては、下側基板１３と重ね合わせたとき、下側基板１３界面付近における液晶の配向方向（図２Ａ及び図２Ｂにおける縦方向）と平行となる方向に、配向膜１６に配向処理を施した。

こうして電極及び配向膜の形成された上側基板（対向基板）１７が作製される。

上側基板１７及び下側基板１３を、洗浄機により洗浄した。アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアブロー、ＵＶ照射、ＩＲ乾燥の順に行ったが、洗浄方法はこれに限られない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを実施してもよい。

次に、一方の基板上、たとえば下側基板１３上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜５ｗｔ％含んだメインシール剤１８を、スクリーン印刷法またはディスペンサを用いて形成する。実施例においては、５μｍ径のプラスチックファイバを、（株）三井化学製シール剤ＥＳ−７５００に２ｗｔ％添加し、メインシール剤１８とした。他方の基板（上側基板１７）上には、ギャップコントロール剤を散布する。ここでは（株）積水化学製の５μｍ径プラスチックボールを乾式のギャップ散布機を用いて散布した。

上側基板１７及び下側基板１３の重ね合わせを行い、プレス機などで一定圧力を加えた状態で熱処理し、メインシール剤１８を硬化させる。実施例においては、１５０℃で３時間の熱処理を行った。こうして作製された、セル厚５μｍ程度の空セルに、液晶を真空注入した。誘電率異方性Δεが正の液晶材料（複屈折率Δｎ＝０．２９８）を使用した。液晶の常光屈折率ｎｏは微細形状パターンを形成する材料（実施例においては樹脂層１１を形成する材料）の屈折率とほぼ等しい（約１．５）。液晶の異常光屈折率ｎｅは、微細形状パターンを形成する材料の屈折率とは異なる（約１．８）。

注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し封止した。

なお、液晶の注入は真空注入法によらず、たとえばＯＤＦ法（液晶滴下注入法）で行ってもよい。ＯＤＦ法を用いると注入口のない素子が作製される。小型素子の場合、特に生産性に優れている。

封止後、再配向処理（１５０℃で１時間の熱処理）を行い、液晶分子の配向状態を均一に整えた。微細形状パターンによる配向規制力はそれほど強くなく、注入時の液晶の流れの影響を受け、流れる方向に配向（流動配向）する現象が見られる。高温処理を行い、液晶を一旦、等方相温度以上にすることで流動配向（流れスジ）を消去して、微小溝方向（図２Ａ及び図２Ｂの縦方向）に起因した方向に再配向させることができる。注入後、長時間経過すると、流動配向状態が安定してしまい、多少の熱処理では完全に消去することが困難となる（配向のメモリ性）ため、再配向処理は液晶注入後すみやかに、たとえば３時間以内に、遅くとも２４時間以内に行うことが望ましい。再配向処理には、基板界面の液晶分子を界面吸着から解放するエネルギ（ここでは熱エネルギ）が必要である。必要なエネルギは、微細形状を形成する樹脂材料、配向膜等の界面膜材料、及び液晶材料によって異なるが、おおむね液晶を相転移温度以上の温度とするエネルギである。

特に微細な凹凸形状による配向状態はアンカリング強度が低く、均一に配向させることが難しいが、液晶層１９にカイラル材を添加していない実施例の場合、再配向処理により液晶の状態を等方相にし、その後冷却により液晶相に戻すと、液晶相はまずラビング配向界面（上側基板１７界面）から現れ、その配向状態がバルクを通じて下側基板１３側まで伝えられるため、（すべてのバルク、界面の液晶分子がラビング方向に並ぶため、）微細凹凸形状上（下側基板１３上）の液晶分子も所望の方向に均一に配向させることができる。

なお、液晶層にカイラル材を添加している場合は、ラビング配向界面（上側基板界面）の配向状態がカイラル材により捩られながらバルクを通じて下側基板側まで伝えられるため、カイラル材の添加量を適量とすることで、微細凹凸形状上（下側基板上）の液晶分子も所望の方向に均一に配向させることができる。添加するカイラル材の自然ピッチと液晶素子のセル厚の関係により得られる、上下基板間のねじれ角を考慮し、微細形状パターンにより液晶分子が並びやすい方向から、ねじれ角分だけずらした方向に、上側基板への配向処理を行うことが好ましい。

以上のような工程を経て、実施例による液晶素子４０が作製される。

実施例による液晶素子は、相互に略平行に対向配置された上側基板１７、下側基板１３、及び両基板１７、１３間に配置された液晶層１９を含んで構成される。上側基板１７は、ガラス基板１４、ガラス基板１４上に形成された透明電極１５、及び透明電極１５を覆うようにガラス基板１４上に形成された配向膜１６を含む。下側基板１３は、ガラス基板１０、ガラス基板１０上に形成され、微小凹凸構造を有する樹脂層１１、及び、樹脂層１１上に形成された透明電極１２を含む。液晶層１９は、上側基板１７の配向膜１６と、下側基板１３の透明電極１２との間に配置される。微小凹凸構造は、液晶層１９の基板１３界面（近傍）に形成されている。

両基板１７、１３の透明電極１５、１２間に電圧、たとえば約１０Ｖの交流電圧を印加することにより、液晶層１９の液晶分子は基板１３、１７とほぼ垂直な方向に配向する。電圧無印加状態では、液晶分子は微細形状パターンの溝方向と略平行な方向に配向する。
後述するように、実施例による液晶素子４０は、たとえば光照射装置内でレーザ光の干渉、回折状態の電気的な制御に用いられる。液晶層１９の液晶分子の配向状態を変化させ、配向状態に応じて、液晶素子４０を出射する光の照射領域や照射強度の切り替え等の配光制御を行うことができる。

図３は、実施例による光照射装置を示す概略図である。実施例による光照射装置は、レーザ光源３０、液晶素子４０、蛍光体プレート５０、レンズ６０、及び電圧供給装置７０を含んで構成される。液晶素子４０は、たとえば図１Ｃに示す液晶素子であり、光変調手段である。液晶素子４０は、レーザ光源３０から出射されるレーザ光３０ａ（照明光）を、たとえば所定の配光形状及び輝度分布を有する再生光に変換する。電圧供給装置７０により、液晶素子４０の上下基板間に電圧、一例として約１０Ｖの交流電圧を印加することができる。なお、蛍光体プレート５０とレンズ６０は省略可能である。

レーザ光源３０は、たとえば半導体レーザを含み、波長４０５ｎｍの連続波のレーザ光（単色レーザ光）３０ａを出射する。レーザ光３０ａは偏光性を示すレーザ光である。レーザ光３０ａは電圧供給装置７０により電圧の印加された（電圧ＯＮ状態）、または印加されない（電圧ＯＦＦ状態）液晶素子４０に入射する。液晶素子４０の上下基板に形成された電極は、レーザ光源３０から出射されるレーザ光３０ａに対して透明である。液晶素子４０は、レーザ光３０ａの偏光方向と下側基板（微細形状パターンが形成された基板）上の液晶分子の配向方向が略平行となるように配置される。なお、実施例においては液晶素子４０は、下側基板がレーザ光３０ａ入射側となるように配置した。レーザ光３０ａ出射側となるように配置してもよい。この場合も、下側基板上の液晶分子の配向方向と、レーザ光３０ａの偏光方向とが略平行となるように配置することが望ましい。

液晶素子４０に入射したレーザ光３０ａは、電圧ＯＮ／ＯＦＦ状態にしたがって、たとえば相互に異なる光路に出射され、再生像を形成する。

液晶素子４０を出射（透過）したレーザ光（再生光）３０ａは、蛍光体プレート５０に入射する。蛍光体プレート５０は、液晶素子４０による再生像が投影される所定の位置（所定の距離、角度）に配置される。蛍光体プレート５０は、たとえばレーザ光（再生光）３０ａを吸収し、レーザ光３０ａとは異なる波長の光を出射する蛍光体を用いて構成される。

蛍光体プレート５０は、たとえば透明基板及びその上に形成される蛍光体層を含む。透明基板は、ガラスまたは耐熱性、耐光性の高い樹脂で形成される。樹脂として、たとえばＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、シリコーン、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、エポキシ樹脂等のプラスチックを用いることができる。

蛍光体層は、たとえば紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する蛍光体材料、好ましくは、青色または紫外領域の波長に対し、黄色または青色と赤色に発光する材料で形成される。黄色に発光する材料としては、ＹＡＧ系蛍光体材料をあげることができる。その他、たとえば珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を、蛍光体層形成材料として使用可能である。

蛍光体プレート５０を出射したレーザ光３０ａは、たとえばプロジェクターレンズ（投影レンズ）であるレンズ６０を経由して照射面８０に照射され、光学像を結像する。レンズ６０は、たとえば凸レンズであり、蛍光体プレート５０の位置の投影像（発光像）を制御する。蛍光体プレート５０から出射される再生光を集光して、レーザ光３０ａの進行方向、たとえば照射面８０に反転投影することができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、液晶素子４０の電圧ＯＮ／ＯＦＦ状態に応じたレーザ光３０ａの照射領域を示す概略図である。

図４Ａ及び図４Ｂに、電圧ＯＮ状態の場合を示す。図４Ａを参照する。前述のように、液晶素子４０において、液晶の常光屈折率ｎｏは微細形状パターンを形成する材料（樹脂層１１を形成する材料）の屈折率とほぼ等しい。また、約１０Ｖの交流電圧ＯＮ状態では、液晶素子４０の液晶分子は基板とほぼ垂直な方向に配向する。基板界面付近の液晶の屈折率は常光屈折率ｎｏ程度となるが、その値は微細形状パターンを形成する材料の屈折率とほぼ等しいため、電圧ＯＮ状態の液晶素子４０に入射するレーザ光３０ａは、微小形状パターンで干渉、回折することなく、液晶素子４０を透過する。蛍光体プレート５０上には、レーザ光３０ａのビームスポット（０次光）がそのまま投影される。レーザ光３０ａは、蛍光体プレート５０、レンズ６０を経由して照射面８０に照射される。

図４Ｂに、照射面８０におけるレーザ光３０ａの照射領域を示す。電圧ＯＮ状態においては、照射面８０上には０次光が投影される。実施例においてレーザ光３０ａは、円形状の照射領域を形成して、照射面８０に照射される。

図４Ｃ及び図４Ｄに、電圧ＯＦＦ状態の場合を示す。図４Ｃを参照する。前述のように、液晶の異常光屈折率ｎｅは、微細形状パターンを形成する材料の屈折率とは異なる。また電圧ＯＦＦ状態では、液晶素子４０の液晶分子は微細形状パターンの溝方向と略平行な方向に配向する。液晶の異常光屈折率ｎｅと微細形状パターンを形成する材料の屈折率との屈折率差により、電圧ＯＦＦ状態の液晶素子４０に入射するレーザ光３０ａは、微小形状パターンで干渉、回折する。このように微細形状パターンは、液晶の屈折率と微細形状パターンが形成されている材料の屈折率との間に差が生じたときに、レーザ光３０ａが回折するように形成されている。蛍光体プレート５０上には、微細形状パターンに起因する回折投影パターン、実施例においては１次光が投影される。レーザ光３０ａ（１次光）は、蛍光体プレート５０、レンズ６０を経由して照射面８０に照射される。

図４Ｄに、照射面８０におけるレーザ光３０ａの照射領域（回折投影パターン）を示す。電圧ＯＦＦ状態においては、照射面８０上には１次光が投影される。実施例においては、レーザ光３０ａは、２つの楕円形状の照射領域を形成して、照射面８０に照射される。

このように実施例による光照射装置は、レーザを光源として用いた光照射装置であり、液晶素子４０への電圧の供給態様の変化（実施例においては電圧のＯＮ／ＯＦＦ）により、蛍光体プレート５０ひいては照射面８０における光の照射領域（投影像の形状や位置）を変化させ、電気的に配光を制御することができる。電圧供給装置７０から配線を通して電気信号、たとえば数Ｖ、数百Ｈｚの交流電圧を、状況に応じて送るだけで配光制御が可能である。消費電力は極めて小さい。配光制御をメカ的に行う場合に比べ、信頼性が極めて高く、小型で、低コストで製造することができる。

なお、実施例では約１０Ｖの交流電圧を印加したが、中間的な電圧を印加することにより、図４Ｂ、図４Ｄに示す状態の中間的な状態を得ることもできる。

また、実施例においては、液晶素子４０に印加する電圧により、レーザ光３０ａの０次光と、液晶素子４０内に形成された微細形状により配光制御される干渉、回折像（１次光）とに切り替えたが、１次光に限らず、２次光以下の回折光を利用してもよい。

本願発明者は、実施例による液晶素子及び光照射装置を実際に作製し、配光制御の様子を確認した。

図５Ａ〜図５Ｄは、配光制御の様子を示す写真及び概略図である。

図５Ａは、蛍光体プレート５０の位置にスクリーンを配置し、液晶素子４０を電圧ＯＮ状態としたときの写真を示す。図５Ｂは、そのときのスクリーンへの投影像の概略図である。電圧ＯＮ状態においては、もとのレーザビームの円形スポット（０次光）が強く見られ、その両側に、微細形状パターンに起因する楕円形状の回折像（１次光）が弱く見られる。

図５Ｃは、蛍光体プレート５０の位置にスクリーンを配置し、液晶素子４０を電圧ＯＦＦ状態としたときの写真を示し、図５Ｄは、そのときのスクリーンへの投影像の概略図を示す。電圧ＯＦＦ状態においては、円形状の０次光が弱く観察され、その両側に、楕円形状の１次光が強く観察される。

実作した液晶素子においては、完全に０次光を消したり、１次光を消したりする制御ができていない（光の照射強度の切り替えの制御にとどまる）が、液晶の配向性を改善したり、微小形状の最適化（深さ、ピッチ等の再設計）を行うことで、図４Ｂ、図４Ｄに示すような投影像の制御を行うことが可能である。

なお、光の照射領域（形状や位置）の切り替えとせず、光の照射強度（液晶素子４０に印加する電圧により、蛍光体プレート５０に投影された光３０ａを、レンズ６０を通して反転投影する像の輝度）の切り替えを積極的に利用する装置、一例として０次光と１次光の照射割合の異なる配光制御を行う装置としてもよい。

図６Ａ〜図６Ｃは、配光制御の他の例を示す概略図である。微小形状パターンを用途に応じて設計することにより、たとえば図６Ａ〜図６Ｃに示す光の照射（配光）状態を得ることができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、レンズ６０を出射し、照射面８０に投影される像を示す。図６Ａは、液晶素子４０を電圧ＯＦＦ状態としたときの、１次光によって形成される像を表し、図６Ｂは、液晶素子４０をＯＮ状態としたときの、０次光によって形成される像を表す。

図６Ｃは、実施例による光照射装置を、自動車のヘッドライトに適用したときの、路面における光の照射状態を示す平面図である。図６Ａに示す配光で路面を照射したときの照射範囲を実線で、図６Ｂに示す配光で路面を照射したときの照射範囲を点線で表した。実線で示される配光は、対向車とすれ違うときに好ましく使用される「すれ違いビーム配光」である。また、点線で示される配光は、対向車がない場合に好ましく使用される「走行ビーム配光」である。

このように、実施例による光照射装置は、たとえば自動車のヘッドライトに適用することができる。

ここで、蛍光体プレート５０について説明を補足する。蛍光体プレート５０の蛍光体層の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）及び蛍光体層の密度は、たとえばレーザ光源３０から出射されるレーザ光３０ａの光量に応じて最適化されることが望ましい。用途によっては、たとえば自動車のヘッドライトに適用される場合には、蛍光体プレート５０から出射される光は白色であることが望ましいため、蛍光体プレート５０の蛍光体層は、レーザ光３０ａの青色が残る厚さと密度とすることが好ましい。また、レーザ光３０ａの照射強度が強い部分（たとえば０次光が照射される部分）は、蛍光体層の密度を高くする、または、厚みを厚くすることが望ましい。このように、蛍光体層の厚さ及び密度を、再生光の輝度分布に応じて変えることで、レーザ光３０ａの蛍光体プレート５０への入射位置によらず、蛍光体プレート５０から、均一の白色光を出射させることができる。

次に、微細形状パターンの設計について補足する。液晶素子の微細形状は、レーザ光の波長と、用いる液晶の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅを考慮し、更に、液晶の異常光屈折率ｎｅと微細形状を形成する材料の屈折率を考慮し、主としてレーザと液晶を用いたときに干渉現象を引き起こすように（レーザ光を干渉させる形状に）光学設計される。

実施例における微細形状パターン（微小凹凸構造）の光学設計は市販の回折光学設計ツール（ソフト）を用いて行った。レーザ光源の情報（ニアフィールド、ファーフィールド）、結果として得たい光学像情報（出力形状分布、輝度分布）、微細形状周辺の条件（液晶の屈折率、微細形状を形成する材料の屈折率、透明電極の厚さ等）を入力し、シミュレーションすることで、最適な再生光の位相分布を得ることができる。それを基に、必要な微細形状を決定し、図２Ａ及び図２Ｂに示すようなミクロンオーダーもしくはサブミクロンオーダーの微細形状分布を形成する。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においては、図４Ｂ、図４Ｄ、及び、図６Ａ〜図６Ｃに示す像を再生したが、液晶素子により再生される投影像はこれに限られない。

また、実施例においては、波長４０５ｎｍの偏光レーザを出射する１つのレーザ光源３０を用いたが、レーザ光の波長はこれに制限されない。波長に対するマージンは広い。また、複数のレーザ光源を使用してもよい。たとえば波長の異なるレーザ光を出射する複数のレーザ光源を用い、舞台照明の配光制御を行うことができる。

更に、実施例においては、下側基板（微細形状パターンが形成された基板）１３にはラビングを行わず、液晶素子４０を、レーザ光３０ａの偏光方向と下側基板１３上の液晶分子の配向方向（微小溝の方向）とが略平行となるように配置した。下側基板１３には、微小溝と異なる方向に積極的にラビング処理を施してもよく、その場合は、レーザ光３０ａの偏光方向とラビング方向とを略平行とすることが望ましい。すなわち、液晶素子４０内の微細形状の異方性もしくは微細形状が形成された基板の配向処理により、微細形状が形成された基板界面付近の液晶分子の配向方向をほぼ一方向に揃え、その配向方向と偏光レーザの偏光方向とを略平行とする。

プロジェクターレンズ６０の焦点距離にあわせて、蛍光体プレート５０を湾曲させてもよい。蛍光体プレート５０は、たとえばガラスまたは樹脂を加熱して液体状にし、蛍光体材料を混合、攪拌しながら型に流し込んで作製することができ、その場合には湾曲形状を容易に形成することができる。

また、実施例においては、微細形状パターンを片側の基板のみに形成したが、上下基板双方に形成してもよい。それぞれの基板に形成する微細形状パターンに、相互に異なる機能をもたせることもできる。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

一般照明、ストロボ、舞台照明等を含む照明機器全般に利用可能である。また、車両用前照灯全般、車両用テールランプ全般に利用することができる。更に、通信用レーザの切り替え、分岐等に応用することもできる。

１０ ガラス基板
１１ 樹脂層（微小凹凸構造）
１２ 透明電極
１３ 下側基板
１４ ガラス基板
１５ 透明電極
１６ 配向膜
１７ 上側基板
１８ シール剤
１９ 液晶層
３０ レーザ光源
３０ａ レーザ光
４０ 液晶素子
５０ 蛍光体プレート
６０ レンズ
７０ 電圧供給装置
８０ 照射面

Claims (5)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源を出射したレーザ光の光路上に配置され、電極を備える第１、第２の基板、及び、該第１、第２の基板間に配置される液晶層を含み、前記第１、第２の基板の少なくとも一方に微細形状構造が形成された液晶素子と
   を有し、
   前記微細形状構造は、前記液晶層中の液晶の屈折率と、該微細形状構造が形成されている材料の屈折率との間に差が生じたときに、前記レーザ光が回折するように形成され、
   前記第１、第２の基板の電極間への電圧の供給態様の変化により、前記液晶素子を出射するレーザ光の配光を制御する光照射装置。
2. 前記第１、第２の基板の電極間への電圧の供給態様の変化により、前記液晶素子を出射するレーザ光の照射領域の切り替えを行う請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記光源は偏光性を示すレーザ光を出射し、前記液晶素子は、前記光源を出射したレーザ光の偏光方向と、前記微細形状構造が形成された基板上の液晶分子の配向方向とが平行となるように、レーザ光の光路上に配置される請求項１または２に記載の光照射装置。
4. 更に、
   前記液晶素子による再生像が投影される位置に配置され、前記レーザ光を吸収し、前記レーザ光の波長とは異なる波長の光を出射する蛍光体と、
   前記蛍光体の位置の投影像を制御するレンズと
   を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光照射装置。
5. 電極を備える第１、第２の基板と、
   前記第１、第２の基板間に配置される液晶層と
   を有し、
   前記第１、第２の基板の少なくとも一方に微細形状構造が形成され、
   前記微細形状構造は、前記液晶層中の液晶の屈折率と、該微細形状構造が形成されている材料の屈折率との間に差が生じたときに、レーザ光が回折するように形成されている液晶素子。