JP2016090717A - 液晶光学素子及び液晶光学素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】広い光の走査範囲を実現可能な液晶光学素子を提供する。
【解決手段】液晶光学素子１は、第１の液晶層２を挟むように、第１の電極４及び第２の電極５が対向配置され、第２の液晶層３を挟むように、第３の電極６及び第４の電極７が対向配置されている。第１の電極４は、直線状の第１のスリット部１３によって２つに分割され、第３の電極６は、直線状の第２のスリット部１９によって２つに分割されている。光軸の方向から見た場合に、第１のスリット部１３の長手方向と、第２のスリット部１９の長手方向とが互いに直交し、第１のスリット部１３を通過した光は、第１の液晶層２で第１のスリット部１３の短手方向への屈折角が可変とされ、第２のスリット部１９を通過した光は、第２の液晶層３で第２のスリット部１９の短手方向への屈折角が可変とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の屈折角を調整可能な液晶光学素子に関する。

周知のように、液晶レンズは、液晶分子が配向している液晶層に電圧を加えて液晶分子の励起状態を制御し、これにより生じる屈折率変化を利用して焦点距離を可変とする液晶光学素子の一つである。

この種の光学レンズとして、例えば特許文献１には、光軸上に順に、第１の電極、第２の電極、第３の電極を有し、第１の電極と第２の電極の間に液晶層が設けられたものが開示されている。第２の電極は、中心に形成された穴の周方向に４つに分割されている。

特許文献１では、上記のように構成された液晶レンズにおいて、第１の電極と第２の電極の間に印加される電圧と、第１の電極と第３の電極の間に印加される電圧を異ならせるとともに、第１の電極と分割されたそれぞれの第２の電極の間に印加される電圧を微小に可変制御することで、焦点位置の三次元的な移動を実現している。

特開２００６−９１８２６号公報

ところで、特許文献１に開示の液晶レンズでは、焦点位置の三次元的な移動を実現するために、第１〜第３の電極を用いて１つの液晶層内の電位分布を複雑に制御することにより、液晶分子の配向状態を複雑に変化させ、焦点位置の三次元的な移動を実現している。

しかしながら、１つの液晶層内の電位分布を制御したとしても、その電位分布を大きく変化させると、光を集光して焦点を結ぶことが困難になり、レンズ機能が失われるという不具合が生じ得る。そのため、焦点位置の移動範囲、すなわち光の走査範囲を大きくするには限界がある。したがって、物体の有無を検出するためのセンサなどのように、広い光の走査範囲が要求されるような用途への適用が難しいという問題がある。

ここで、液晶レンズの場合には、レンズ機能を果たすために液晶レンズを通過した光に焦点を設ける必要があるが、センサなどの用途に用いられる液晶光学素子の場合には、液晶光学素子を通過した光が必ずしも焦点を有している必要はない。

以上の実情に鑑み、本発明は、広い光の走査範囲を実現可能な液晶光学素子を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために創案された本発明に係る液晶光学素子は、光軸上に光入射側からこの順に配置された第１の液晶部及び第２の液晶部と、第１の液晶部を挟むように対向配置され、第１の液晶部に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極と、第２の液晶部を挟むように対向配置され、第２の液晶部に電圧を印加する第３の電極及び第４の電極とを備え、第１の電極が、直線状の第１のスリット部によって分割されるとともに、第３の電極が、直線状の第２のスリット部によって分割されており、光軸の方向から見た場合に、第１のスリット部の長手方向と、第２のスリット部の長手方向とが互いに交差し、第１のスリット部を通過した光は、第１の液晶部によって、第１のスリット部の短手方向への屈折角が可変とされ、第２のスリット部を通過した光は、第２の液晶部によって、第２のスリット部の短手方向への屈折角が可変とされていることを特徴とする。

このような構成によれば、第１のスリット部と第２のスリット部をそれぞれ通過した光は、第１の液晶部で第１のスリット部の短手方向に曲げられるとともに、第２の液晶部で第２のスリット部の短手方向、すなわち、第１のスリット部の短手方向とは異なる方向に更に曲げられる。したがって、液晶光学素子を通過する光を、第１の液晶部と第２の液晶部との２段階に分けて異なる方向に曲げることが可能であるため、光の走査領域を三次元的に拡大することができる。

上記の構成において、光軸の方向から見た場合に、第１のスリット部の長手方向と、第２のスリット部の長手方向とが、互いに直交することが好ましい。

このようにすれば、光軸の方向から見た場合に、第１の液晶部で光が曲げられる方向と、第２の液晶部で光が曲げられる方向とが互いに直交する。そのため、光の走査領域を効率よく三次元的に拡大することが可能となる。

上記の構成において、第１の液晶部と第２の液晶部のそれぞれが、ｓ偏光波の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層と、ｐ偏光波の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層とを備えていることが好ましい。

このようにすれば、第１の液晶部と第２の液晶部のそれぞれにおいて、ｓ偏光もｐ偏光も曲げることができるため、無偏光に対応することが可能となる。

上記の構成において、第２の液晶部の光出射側に凹レンズを備えていてもよい。

このようにすれば、凹レンズによって光を更に拡散するように曲げることができるため、光の走査領域を更に拡大することができる。

また、以上の構成を適宜備えた液晶光学素子を、第１のスリット部の長手方向（又は第２のスリット部の長手方向）が同方向を向くように、光軸と垂直な面内に複数配列し、液晶光学素子アレイとしてもよい。

このようにすれば、既に述べた液晶光学素子がアレイ状に配列されるため、光の走査範囲の更なる拡大を図ることができる。

上記の構成において、液晶光学素子は、第１のスリット部の長手方向と、第２のスリット部の長手方向とにそれぞれ複数配列されており、第１のスリット部の長手方向に隣接する液晶光学素子は、第１の電極のうち、第１のスリット部を隔てて同じ側に位置する電極同士が電気的に接続されるとともに、第２の電極同士が同電位とされ、第２のスリット部の長手方向に隣接する液晶光学素子は、第３の電極のうち、第２のスリット部を隔てて同じ側に位置する電極同士が電気的に接続されるとともに、第４の電極同士が同電位とされていてもよい。

このようにすれば、各液晶光学素子の第１及び第２の液晶部に対して同じ条件で電圧を容易に印加することができる。そのため、各液晶光学素子を通過した複数の光を同じ方向に簡単に曲げることができる。

以上のように本発明によれば、光の走査範囲の広い液晶光学素子を提供することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子の断面図であって、（ｂ）は、そのＸ−Ｘ断面図である。 （ａ）は、図１の液晶光学素子における第１の電極を示す平面図であって、（ｂ）は、図１の液晶光学素子における第３の電極を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る液晶光学素子の断面図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る液晶光学素子の断面図であって、（ｂ）は、そのＹ−Ｙ断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る液晶光学素子の電極のみを図示した概略平面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子１は、光軸Ｚ上に光入射側（図中の下方側）から順に、第１の液晶部としての第１の液晶層２と、第２の液晶部としての第２の液晶層３とを備えている。第１の液晶層２は、互いに対向配置された第１の電極４と第２の電極５によって挟まれており、第２の液晶層３は、互いに対向配置された第３の電極６と第４の電極７によって挟まれている。第１〜第４の電極４〜７によって印加する電圧を調整することで、第１の液晶層２及び第２の液晶層３のそれぞれの屈折率が可変とされる。ここで、光軸Ｚは、液晶光学素子１全体としての光軸であって、第１の液晶層２や第２の液晶層３の光軸とは必ずしても一致しない。

詳細には、液晶光学素子１は、光軸Ｚ上に光入射側から順に、第１の基板８、第２の基板９、第３の基板１０及び第４の基板１１を備えている。

第１の基板８と第２の基板９の間には、中心に貫通孔を有する第１の隔壁部材１２が設けられている。第１の液晶層２は、第１の基板８、第２の基板９及び第１の隔壁部材１２で区画形成される空間に液晶を充填することで形成される。

第１の基板８の光出射側には、透明な第１の電極４が形成されている。第１の電極４は、直線状の第１のスリット部１３によって２つに分割されている。

第１の電極４の光出射側（図中の上方側）には、透明な絶縁層１４が設けられている。絶縁層１４の内部には、透明な高抵抗膜１５が設けられている。ここで、高抵抗膜１５は液晶光学素子１の駆動電圧を低下させるためのものであり、絶縁層１４は第１の電極４と高抵抗膜１５を絶縁するためのものである。

第１の基板８の光入射側には、第１のスリット部１３に対応するスリット状の開口部１６を有する第１の遮光膜１７が設けられている（図２（ａ）を参照）。

第２の基板９の光入射側には、透明な第２の電極５が形成されている。

同様に、第３の基板１０と第４の基板１１の間には、中心に貫通孔を有する第２の隔壁部材１８が設けられている。第２の液晶層３は、第３の基板１０、第４の基板１１及び第２の隔壁部材１８で区画形成される空間に液晶を充填することで形成される。

第３の基板１０の光出射側には、透明な第３の電極６が形成されている。第３の電極６は、直線状の第２のスリット部１９によって２つに分割されている。第２のスリット部１９の長手方向は、光軸Ｚの方向から見た場合（平面視の場合）に、第１のスリット部１３の長手方向と直交する。

第３の電極６の光出射側には、透明な絶縁層２０が設けられている。絶縁層２０の内部には、透明な高抵抗膜２１が設けられている。ここで、高抵抗膜２１は液晶光学素子１の駆動電圧を低下させるためのものであり、絶縁層２０は第３の電極６と高抵抗膜２１を絶縁するためのものである。

第３の基板１０の光入射側には、第２のスリット部１９に対応するスリット状の開口部２２を有する第２の遮光膜２３が設けられている（図２（ｂ）を参照）。

第４の基板１１の光入射側には、透明な第４の電極７が形成されている。

なお、図示は省略するが、絶縁層１４の光出射側の表面および第２の電極５の光入射側の表面には、それぞれ配向膜が形成されている。また同様に、絶縁層２０の光出射側の表面および第４の電極７の光入射側の表面には、それぞれ配向膜が形成されている。これらの配向膜により、第１の液晶層２中の液晶分子や第２の液晶層３中の液晶分子の配向が行われる。

第１の液晶層２における配向方向と、第２の液晶層３における配向方向とは、光軸Ｚと垂直な面内において同じ（０°）か又は１８０°異なっている。すなわち、この実施形態では、ｐ偏光とｓ偏光のいずれか一方の偏光の入射光に対してのみその振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向をもつ。

図２（ａ）に示すように、第１の基板８の光出射側の表面には、第１の電極４の他に、第２の電極５と電気的に接続された端子２４が設けられている。第２の電極５は、この端子２４を介して接地されている。第１の電極４の一方側の電極４ａと端子２４（第２の電極５）との間には電圧Ｖ_Ｌ１が印加され、第１の電極４の他方側の電極４ｂと端子２４（第２の電極５）との間には電圧Ｖ_Ｒ１が印加される。印加する電圧Ｖ_Ｌ１と電圧Ｖ_Ｒ１の大きさを調整することで、第１の遮光膜１７の開口部１６を通過して、第１のスリット部１３へと入射する光が、第１のスリット部１３の短手方向（矢印Ａ方向）に屈折される。

一方、図２（ｂ）に示すように、第３の基板１０の光出射側の表面には、第３の電極６の他に、第４の電極７と電気的に接続された端子２５が設けられている。第３の電極６は、この端子２５を介して接地されている。第３の電極６の一方側電極６ａと端子２５（第４の電極７）との間には電圧Ｖ_Ｌ２が印加され、第３の電極６の他方側電極６ｂと端子２５（第４の電極７）との間には電圧Ｖ_Ｒ２が印加される。印加する電圧Ｖ_Ｌ２と電圧Ｖ_Ｒ２の大きさを調整することで、第２の遮光膜２３の開口部２２を通過して、第２のスリット部１９へと入射する光が、第２のスリット部１９の短手方向（矢印Ｂ方向）、すなわち第１のスリット部１３の短手方向と９０°異なる方向に屈折される。

ここで、第１〜第４の基板８〜１１、及び隔壁部材１２，１８は、例えばガラスで構成することができる。

第１〜第４の電極４〜７は、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明導電体で構成することができる。

絶縁層１４，２０は、例えば、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、フッ化マグネシウムのうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。この実施形態では、絶縁層１４，２０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ--_２）-から形成されている。

高抵抗膜１５，２１は、例えば、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物、ゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。この実施形態では、高抵抗膜１５，２１は、アルミニウム亜鉛酸化物（ＺｎＯ−Ａｌ）から形成されている。

配向膜は、例えばラビング処理されたポリイミド膜で構成することができる。

なお、後述する他の実施形態における基板、電極、隔壁部材、絶縁膜、高抵抗膜及び配向膜についても、上記に例示した同様の材料を用いることができる。

以上のように構成された液晶光学素子１の動作について図１（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。なお、第１の液晶層２及び第２の液晶層３が、ｓ偏光波の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する場合を例にとって説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、偏光板などを用いて、第１の遮光膜１７に対してｓ偏光を入射する。このうち、第１の遮光膜１７の開口部１６に入射した光以外は、第１の遮光膜１７で遮られる。そのため、第１の遮光膜１７の開口部１６を通過したｓ偏光は、ライン光に形態を変更された状態で、第１のスリット部１３をそのまま通過する。第１のスリット部１３を通過したｓ偏光は、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１よりも小さければ第１の液晶層２で電極４ａ側（図中の左側）に屈折し、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１よりも大きければ第１の液晶層２で電極４ｂ側（図中の右側）に屈折する。屈折角の大きさは、電圧Ｖ_Ｌ１と電圧Ｖ_Ｒ１との電圧差の大きさによって調整できる。なお、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１と等しい場合には、第１のスリット部１３を通過した光は、第１の液晶層２で実質的に屈折しない。ここで、「実質的に屈折しない」とは、液晶層の表裏面の境界部における僅かな屈折は生じ得るという意味である（以下、同様）。

次に、図１（ｂ）に示すように、第１の液晶層２を通過したｓ偏光は、第２の遮光膜２３に入射する。このうち、第２の遮光膜２３の開口部２２に入射した光以外は、第２の遮光膜２３で遮られる。第２の遮光膜２３の開口部２２の長手方向と、第１の遮光膜１７の開口部１６の長手方向は、光軸Ｚ方向から見た場合に互いに直交するため、第２の遮光膜２３の開口部２２を通過したｓ偏光は、ライン光からスポット光に形態を変更される。スポット光に変更されたｓ偏光は、第２のスリット部１９をそのまま通過する。第２のスリット部１９を通過したｓ偏光は、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２よりも小さければ第２の液晶層３で電極６ａ側（図中の左側）に屈折し、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２よりも大きければ第２の液晶層３で（電極６ｂ側（図中の右側）に屈折する。屈折角の大きさは、電圧Ｖ_Ｌ２と電圧Ｖ_Ｒ２との電圧差の大きさによって調整できる。なお、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２と等しい場合には、第２のスリット部１９を通過した光は、第２の液晶層３で実質的に屈折しない。

このようにすれば、第１の液晶層２と第２の液晶層３でｓ偏光が曲げられる方向は、光軸Ｚの方向から見た場合に互いに９０°異なる。したがって、液晶光学素子１を通過するｓ偏光を、第１の液晶層２と第２の液晶層３の２段階に分けて平面視で９０°異なる方向に曲げることが可能であるため、光の走査領域を三次元的に拡大することができる。

そして、このような特性を利用して、液晶光学素子１は、例えば、静止している対象物や移動している対象物の有無を検出するセンサや、これらの対象物までの距離を測定するセンサの光走査部として利用することもできる。

なお、第１の液晶層２及び第２の液晶層３として、ｐ偏光波の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有するものを用い、液晶光学素子１に対してｐ偏光を入射してもよい。

＜第２の実施形態＞
図３に示すように、本発明の第２の実施形態に係る液晶光学素子１が、第１の実施形態に係る液晶光学素子１と相違するところは、第２の液晶層３の光出射側である、第４の基板１１の光出射側の表面に、凹レンズ３１を配置した点にある。これにより、第１の液晶層２と第２の液晶層３によって曲げられた光は、凹レンズ３１によって更に曲げられるため、光の走査範囲を更に拡大することができる。なお、第１の実施形態と共通の構成については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

＜第３の実施形態＞
図４（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の第３の実施形態に係る液晶光学素子１が、第１の実施形態に係る液晶光学素子１と相違するところは、第１の液晶部が第１の液晶層４１と第２の液晶層４２の２層から構成されるとともに、第２の液晶部が第３の液晶層４３と第４の液晶層４４との２層から構成されており、ｓ偏光及びｐ偏光のそれぞれの入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する点にある。なお、第１の液晶部及び第２の液晶部の構成以外は、第１のスリット部１３の長手方向と第２のスリット部１９の長手方向とが光軸Ｚに垂直な面内において互いに直交するなどの点は第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態と共通の構成については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

詳細には、第３の実施形態に係る液晶光学素子１は、第１の基板８、第２の基板９、第３の基板１０及び第４の基板１１に加えて、第１の基板８と第２の基板９の間に第１の中間基板４５を備え、第３の基板１０と第４の基板１１の間に第２の中間基板４６を備えている。中間基板４５，４６は、例えばガラスで構成することができる。

第１の基板８と第１の中間基板４５の間には、中心に貫通孔を有する第１の隔壁部材４７が設けられ、第１の基板８、第１の中間基板４５及び第１の隔壁部材４７で区画形成される空間に第１の液晶層４１が設けられている。

第１の中間基板４５と第２の基板９の間には中心に貫通孔を有する第２の隔壁部材４８が設けられ、第１の中間基板４５、第２の基板９及び第２の隔壁部材４８で区画形成された空間に第２の液晶層４２が設けられている。

第３の基板１０と第２の中間基板４６の間には、中心に貫通孔を有する第３の隔壁部材４９が設けられ、第３の基板１０、第２の中間基板４６及び第３の隔壁部材４９で区画形成された空間に第３の液晶層４３が設けられている。

第２の中間基板４６と第４の基板１１の間には、中心に貫通孔を有する第４の隔壁部材５０が設けられ、第２の中間基板４６、第４の基板１１及び第４の隔壁部材５０で区画形成された空間に第４の液晶層４４が設けられている。

なお、図示しないが、第１〜第４の液晶層４１〜４４のそれぞれの表裏面（光入射側の面と光出射側の面）に接する面には、配向膜が形成されている。

第１の液晶層４１における配向方向と、第２の液晶層４２における配向方向とは、光軸Ｚと垂直な面内において９０°異なっている。また、第３の液晶層４３における配向方向と、第４の液晶層４４における配向方向は、光軸Ｚに垂直な面内において９０°異なっている。

この実施形態では、第１の液晶層２における配向方向と、第３の液晶層４３における配向方向とが、光軸Ｚに垂直な面内において同じ（０°）か又は１８０°異なるとともに、第２の液晶層４２における配向方向と、第４の液晶層４４における配向方向とが、光軸Ｚに垂直な面内において同じ（０°）か又は１８０°異なっている。すなわち、第１及び第３の液晶層４１，４３のそれぞれが、ｐ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する場合には、第２及び第４の液晶層４２，４４のそれぞれが、ｓ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する。逆に、第１及び第３の液晶層４１，４３のそれぞれが、ｓ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する場合には、第２及び第４の液晶層４２，４４のそれぞれが、ｐ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する。

もちろん、第１及び第２の液晶層４１，４２のうち、一方がｓ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層であり、他方がｐ偏光の入射光に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層であれば、第１及び第２の液晶層４１，４２のいずれをｓ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層としてもよい。このことは、第３及び第４の液晶層４３，４４についても同様である。

以上のように構成された液晶光学素子１の動作について図４（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。なお、第１及び第３の液晶層４１，４３が、ｓ偏光の入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有し、第２及び第４の液晶層４２，４４が、ｐ偏光に入射光の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する場合を例にとって説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、第１の遮光膜１７の開口部１６を通過した光は、第１のスリット部１３を通過する。第１のスリット部１３を通過した光のｓ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１よりも小さければ第１の液晶層４１で電極４ａ側（図中の左側）に屈折し、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１よりも大きければ第１の液晶層４１で電極４ｂ側（図中の右側）に屈折する。なお、第１のスリット部１３を通過した光のｓ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１と等しければ、第１の液晶層４１で実質的に屈折しない。

一方、第１のスリット部１３を通過した光のｐ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ１と電圧Ｖ_Ｒ１の大小に関わらず、第１の液晶層４１では実質的に屈折しない。第１のスリット部１３を通過した光のｐ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１よりも小さければ第２の液晶層４２で電極４ａ側（図中の左側）に屈折し、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１よりも大きければ第２の液晶層４２で電極４ｂ側（図中の右側）に屈折する。なお、第１のスリット部１３を通過した光のｐ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ１が電圧Ｖ_Ｒ１と等しければ、第２の液晶層４２で実質的に屈折しない。また、第１のスリット部１３を通過した光のｓ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ１と電圧Ｖ_Ｒ１の大小に関わらず、第２の液晶層４２では実質的に屈折しない。

次に、図４（ｂ）に示すように、第１及び第２の液晶層４１，４２を通過した光は、第２の遮光膜２３の開口部２２を通過した後、第２のスリット部１９を通過する。第２のスリット部１９を通過した光のｓ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２よりも小さければ第３の液晶層４３で電極６ａ側（図中の左側）に屈折し、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２よりも大きければ第３の液晶層４３で電極６ｂ側（図中の右側）に屈折する。なお、第２のスリット部１９を通過した光のｓ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２と等しければ、第３の液晶層４３で実質的に屈折しない。

一方、第２のスリット部１９を通過した光のｐ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ２と電圧Ｖ_Ｒ２の大小に関わらず、第３の液晶層４３では実質的に屈折しない。第２のスリット部１９を通過した光のｐ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２よりも小さければ第４の液晶層４４で電極６ａ側（図中の左側）に屈折し、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２よりも大きければ第４の液晶層４４で電極６ｂ側（図中の右側）に屈折する。なお、第２のスリット部１９を通過した光のｐ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ２が電圧Ｖ_Ｒ２と等しければ、第４の液晶層４４で実質的に屈折しない。また、第２のスリット部１９を通過した光のｓ偏光成分は、電圧Ｖ_Ｌ２と電圧Ｖ_Ｒ２の大小に関わらず、第４の液晶層４４では実質的に屈折しない。

このようにすれば、第１の液晶層４１と第３の液晶層４３でｓ偏光が曲げられる方向は、光軸Ｚの方向から見た場合に互いに９０°異なる。また、第２の液晶層４２と第４の液晶層４４でｐ偏光が曲げられる方向も、光軸Ｚの方向から見た場合に互いに９０°異なる。そのため、液晶光学素子１を通過するｓ偏光を第１の液晶層４１と第３の液晶層４３の２段階に分けて平面視で９０°異なる方向に曲げることが可能であり、液晶光学素子１を通過するｐ偏光を第２の液晶層４２と第４の液晶層４４の２段階に分けて平面視で９０°異なる方向に曲げることが可能である。したがって、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の両成分を含む無偏光に対しても光の走査領域を大幅に拡大することができる。

＜第４の実施形態＞
図５に示すように、本発明の第４の実施形態に係る液晶光学素子アレイ１０１は、第１〜第３の実施形態に係る液晶光学素子１を、第１のスリット部１３（又は第２のスリット部１９）の長手方向が同方向を向くように、光軸Ｚと垂直な面内に複数配列してなる。

詳細には、図中の符号Ｃで区画する部分及び１点鎖線で区画する部分が、１つの液晶光学素子１であり、図示例では、液晶光学素子１が、光軸Ｚと垂直な面内において、縦３列と横３列の計９つ配列されている。なお、図中においてクロスハッチングを付した部分Ｄは、各液晶光学素子１において、光を屈折させることなく光軸Ｚに沿って直進させた場合に、光が出射される領域を示している。第１のスリット部１３と第２のスリット部１９以外の隣接する電極間の隙間は、遮光膜によってマスキングされているため、当該部分から光が漏れ出すことはない。

この実施形態では、第１のスリット部１３の長手方向（縦方向）に隣接する液晶光学素子１同士では、第１の電極４の一方側電極４ａが互いに連続するとともに、他方側電極４ｂが互いに連続している。また、第２のスリット部１９の長手方向（横方向）に隣接する液晶光学素子１同士では、第３の電極６の第１の電極４の一方側電極６ａが互いに連続するとともに、他方側電極６ｂが互いに連続している。すなわち、第１の電極４の一方側電極４ａと他方側電極４ｂが、第１のスリット部１３の長手方向（縦方向）における液晶光学素子アレイ１０１の一端から他端に亘って延びる長尺体で構成されるとともに、第３の電極６の一方側電極６ａと他方側電極６ｂが、第２のスリット部１９の長手方向（横方向）における液晶光学素子アレイ１０１の一端から他端に亘って延びる長尺体で構成されている。そのため、縦方向に隣接する液晶光学素子１同士では、第１の電極４の一方側電極４ａ同士が電気的に接続されるとともに、その他方側電極４ｂ同士が電気的に接続される。また、横方向に隣接する液晶光学素子１同士では、第３の電極６の一方側電極６ａ同士が電気的に接続されるとともに、その他方側電極６ｂ同士が電気的に接続される。

ここで、図示を省略している各液晶光学素子１の第２の電極５及び第４の電極７は、それぞれ接地されているため、各第２の電極５同士および各第４の電極７同士は、同電位に保たれている。

このようにすれば、各液晶光学素子１の第１及び第２の液晶部に対して同じ条件で電圧を容易に印加することができるため、各液晶光学素子１を通過した光を同じ方向に簡単に曲げることができる。したがって、走査する光の光量の増加と、走査範囲の更になる拡大を図ることができる。

液晶光学素子アレイ１０１の光出射側の面に凹レンズアレイを配置し、各液晶光学素子１の光出射側の面に対応する位置に凹レンズが位置するようにしてもよい。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の形態で実施することができる。

上記の実施形態では、第１のスリット部１３の長手方向と第２のスリット部１９の長手方向が、光軸の方向から見たときに、互いに直交する場合を説明したが、第１のスリット部１３の長手方向と第２のスリット部１９の長手方向は、互いに交差していれば、直交していなくてもよい。すなわち、光軸Ｚの方向から見たときの第１のスリット部１３の長手方向と第２のスリット部１９の長手方向の交差角は、４５°〜９０°であることが好ましく、特に８５°〜９０°であることがより好ましく、９０°であることが最も好ましい。

上記の実施形態では、第１〜第４の電極４〜７を透明電極から構成する場合を説明したが、第１の電極４と第３の電極６は、有色電極から構成してもよい。この場合、遮光膜１７，遮光膜２３は、省略してもよい。

また、第１〜第４の電極４〜７を透明電極から構成し、遮光膜１７，２３を設ける場合には、第１のスリット部１３を有する第１の電極４と、第２の電極５の位置を入れ替えてもよいし、第２のスリット部１９を有する第３の電極６と、第４の電極７の位置を入れ替えてもよい。すなわち、第１の液晶部の光入射側に第２の電極５を配置し、光出射側に第１の電極４を配置してもよい。また、第２の液晶部の光入射側に第４の電極７を配置し、光出射側に第３の電極６を配置してもよい。

上記の実施形態では、第１の液晶部及び第２の液晶部を、１層又は２層の液晶層から構成する場合を説明したが、これらを３層以上の液晶層から構成してもよい。また、更に電極に挟まれた液晶部を設けることで、１又は複数の液晶層を有する液晶部を光軸Ｚ上に３つ以上設けてもよい。

上記の実施形態では、絶縁層及び高抵抗膜を設ける場合を説明したが、これらの構成は省略してもよい。

１ 液晶光学素子
２ 第１の液晶層
３ 第２の液晶層
４ 第１の電極
４ａ 一方側電極
４ｂ 他方側電極
５ 第２の電極
６ 第３の電極
６ａ 一方側電極
６ｂ 他方側電極
７ 第４の電極
８ 第１の基板
９ 第２の基板
１０ 第３の基板
１１ 第４の基板
１２ 第１の隔壁部材
１３ 第１のスリット部
１７ 第１の遮光膜
１８ 第２の隔壁部材
１９ 第２のスリット部
２３ 第２の遮光膜
３１ 凹レンズ
４１ 第１の液晶層
４２ 第２の液晶層
４３ 第３の液晶層
４４ 第４の液晶層
４５ 第１の中間基板
４６ 第２の中間基板
４７ 第１の隔壁部材
４８ 第２の隔壁部材
４９ 第３の隔壁部材
５０ 第４の隔壁部材
１０１ 液晶光学素子アレイ

Claims (6)

1. 光軸上に光入射側からこの順に配置された第１の液晶部及び第２の液晶部と、
   前記第１の液晶部を挟むように対向配置され、前記第１の液晶部に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極と、
   前記第２の液晶部を挟むように対向配置され、前記第２の液晶部に電圧を印加する第３の電極及び第４の電極とを備え、
   前記第１の電極が、直線状の第１のスリット部によって分割されるとともに、
   前記第３の電極が、直線状の第２のスリット部によって分割されており、
   前記光軸の方向から見た場合に、前記第１のスリット部の長手方向と、前記第２のスリット部の長手方向とが互いに交差し、
   前記第１のスリット部を通過した光は、前記第１の液晶部によって、前記第１のスリット部の短手方向への屈折角が可変とされ、
   前記第２のスリット部を通過した光は、前記第２の液晶部によって、前記第２のスリット部の短手方向への屈折角が可変とされていることを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記光軸の方向から見た場合に、前記第１のスリット部の長手方向と、前記第２のスリット部の長手方向とが、互いに直交することを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記第１の液晶部と前記第２の液晶部のそれぞれが、ｓ偏光波の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層と、ｐ偏光波の振動方向に対して平行な液晶分子の配向方向を有する液晶層とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶光学素子。
4. 前記第２の液晶部の光出射側に凹レンズを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶光学素子。
5. 請求項１〜４のいずれか1項に記載の液晶光学素子を、前記第１のスリット部の長手方向が同方向を向くように、前記光軸と垂直な面内に複数配列してなることを特徴とする液晶光学素子アレイ。
6. 前記液晶光学素子は、前記第１のスリット部の長手方向と、前記第２のスリット部の長手方向とにそれぞれ複数配列されており、
   前記第１のスリット部の長手方向に隣接する前記液晶光学素子は、前記第１の電極のうち、前記第１のスリット部を隔てて同じ側に位置する電極同士が電気的に接続されるとともに、前記第２の電極同士が同電位とされ、
   前記第２のスリット部の長手方向に隣接する前記液晶光学素子は、前記第３の電極のうち、前記第２のスリット部を隔てて同じ側に位置する電極同士が電気的に接続されるとともに、前記第４の電極同士が同電位とされていることを特徴とする請求項５に記載の液晶光学素子アレイ。

Images