JP2022178927A - 照明装置、車両用灯具システム - Google Patents

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Abstract

【課題】液晶素子を用いる照明装置等における照射光の明るさを向上させること。【解決手段】光源と、前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、を含み、前記液晶素子は、前記光入射面及び／又は前記光出射面が前記投影レンズの光軸に対して非直交かつ非平行である所定角度をなすように傾けて配置される、照明装置である。【選択図】図１

Description

本開示は、照明装置、車両用灯具システムに関する。
特開２０１９－１２８４４９号公報（特許文献１）には、垂直配向型の液晶素子を用いた照明装置の一例として可変配光ヘッドランプが記載されている。しかし、照明装置から出射させる照射光の明るさ向上という観点で改良の余地があった。
特開２０１９－１２８４４９号公報
本開示に係る具体的態様は、液晶素子を用いる照明装置等における照射光の明るさを向上させることを目的の１つとする。
［１］本発明に係る一態様の照明装置は、（ａ）光源と、（ｂ）前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、（ｃ）前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、（ｄ）前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、（ｅ）前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、（ｆ）前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、を含み、（ｇ）前記液晶素子は、前記光入射面及び／又は前記光出射面が前記投影レンズの光軸に対して非直交かつ非平行である所定角度をなすように傾けて配置される、照明装置である。
［２］本発明に係る一態様の照明装置は、（ａ）光源と、（ｂ）前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、（ｃ）前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、（ｄ）前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、（ｅ）前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、（ｆ）前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、を含み、（ｇ）前記液晶素子は、一対の基板間に配置された液晶層を有しており、当該液晶層の層厚方向が前記前記投影レンズの光軸に対して非直交かつ非平行である所定角度をなすように傾けて配置される、照明装置である。
［３］本発明に係る一態様の照明装置は、（ａ）光源と、（ｂ）前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、（ｃ）前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、（ｄ）前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、（ｅ）前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、（ｆ）前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、（ｇ）前記液晶素子と前記第１偏光素子との間に配置される第１プリズムアレイと、（ｈ）前記液晶素子と前記第２偏光素子との間に配置される第２プリズムアレイと、を含み、（ｉ）前記液晶素子は、前記光入射面及び／又は前記光出射面が前記投影レンズの光軸と略直交するように配置されており、（ｊ）前記第１プリズムアレイは、前記液晶素子へ向かう光の進行方向を屈折させて前記液晶素子へ入射させ、前記第２プリズムアレイは、前記液晶素子から出射する光の進行方向を屈折させて前記第２偏光素子へ入射させる、照明装置である。
［４］本発明に係る一態様の車両用灯具システムは、前記［１］～［３］の何れかの照明装置と、当該照明装置に接続されて動作制御を行うコントローラとを含む、車両用灯具システムである。
上記構成によれば、液晶素子を用いる照明装置等における照射光の明るさを向上させることができる。
図１は、一実施形態の車両用灯具システムの構成を示す図である。 図２（Ａ）は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。図２（Ｂ）は、各配向膜への一軸配向処理の方向について説明するための図である。 図３（Ａ）は、液晶素子の透過率特性の測定例を示す図である。図３（Ｂ）は、透過率測定における測定系の配置を説明するための図である。 図４（Ａ）は、液晶素子を傾けない配置とする場合の構成を示す図である。図４（Ｂ）、図４（Ｃ）の各々は、液晶素子を傾けて配置する場合の構成例を示す図である。 図５（Ａ）～図５（Ｃ）は、投影レンズからの出射光の１０ｍ先投影像中央部の相対光度の測定例を示す図である。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）の各々は、画素部の平面視形状と対応する投影光の形状の一例を示す図である。 図７（Ａ）は、液晶素子を傾けることに代えてプリズムアレイを用いる場合の構成例を示す図である。図７（Ｂ）、図７（Ｃ）の各々は、プリズムアレイの構成例を示す図である。 図８（Ａ）は、配向方向ねじれ角と許容されるプレティルト角の関係の一例を示す計算結果のグラフである。図８（Ｂ）は、配向方向ねじれ角と許容される傾斜角度（あおり角度）の関係の一例を示す計算結果のグラフである。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、液晶素子と光学補償板を傾けて配置する場合の構成例を示す図である。図９（Ｃ）は、液晶素子を傾けることに代えてプリズムアレイを用い、光学補償板を配置する場合の構成例を示す図である。
図１は、一実施形態の車両用灯具システムの構成を示す図である。図１に示す車両用灯具システムは、車両用灯具（ランプユニット）１と、コントローラ２と、カメラ３を含んで構成されている。この車両用前照灯システムは、カメラ３によって撮影される画像に基づいて自車両の周囲に存在する前方車両や歩行者の顔等の位置を検出し、前方車両等の位置を含む一定範囲を非照射範囲（減光領域）に設定し、それ以外の範囲を光照射範囲に設定して選択的な光照射を行うとともに、路面上へ種々形状の光照射を行うものである。
車両用灯具１は、車両前部の所定位置に配置されており、車両前方を照明するための照射光を形成する。なお、車両用灯具１は車両の左右それぞれに１つずつ設けられるがここでは１つのみ図示する。
コントローラ２は、車両用灯具１の光源１０や液晶素子１６の動作制御を行うものである。このコントローラ２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有するコンピュータシステムを用い、このコンピュータシステムにおいて所定の動作プログラムを実行させることによって実現される。本実施形態のコントローラ２は、運転席に設置されたライトスイッチ（図示せず）の操作状態に応じて光源１０を点灯させるとともに、カメラ３によって検出される前方車両（対向車両、先行車両）、歩行者、道路標識、路上白線などの対象体に応じた配光パターンを設定し、この配光パターンに対応する像を形成するための制御信号を液晶素子１１へ供給する。
カメラ３は、自車両の前方空間を撮影して画像を生成し、この画像に対して所定の画像認識処理を行って上記した前方車両等の対象体の位置、範囲、大きさ、種別などを検出する。画像認識処理による検出結果は、カメラ３と接続されているコントローラ２へ供給される。カメラ３は、自車両の車室内の所定位置（例えば、フロントガラス上部）に設置されるか、または自車両の車室外の所定位置（例えば、フロントバンパー内）に設置される。車両に他の用途（例えば、自動ブレーキシステム等）のためのカメラが備わっている場合にはそのカメラを共用してもよい。
なお、カメラ３における画像認識処理の機能をコントローラ２にて代替してもよい。その場合には、カメラ３は、生成した画像をコントローラ２へ出力、この画像に基づいてコントローラ２側で画像認識処理が行われる。あるいは、カメラ３から画像とそれに基づく画像認処理の結果の双方がコントローラ２へ供給されてもよい。その場合に、コントローラ２は、カメラ３から得た画像を用いてさらに独自の画像認識処理を行ってもよい。
図１に示す車両用灯具１は、光源１０、リフレクタ（反射部材）１１、１３、偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１４、液晶素子１５、光学補償板１６、偏光板１７、投影レンズ１８を含んで構成されている。これらの各要素は、例えば１つのハウジング（筐体）に収容されて一体化されている。また、光源１０と液晶素子１５は、それぞれコントローラ２と接続されている。なお、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２が「第１偏光素子」に対応し、偏光板１７が「第２偏光素子」に対応する。
光源１０は、コントローラ２による制御を受けて光を放出する。この光源１０は、例えばいくつかの白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子と駆動回路を含んで構成される。なお、光源１０の構成はこれに限定されない。例えば、光源１０としては、レーザ素子、さらには電球や放電灯など車両用灯具に一般的に使用されている光源が使用可能である。
リフレクタ１１は、光源１０に対応づけて配置されており、光源１０から放出される光が所定位置で焦点を結ぶように反射および集光して偏光ビームスプリッタ１２の方向へ導き、液晶素子１５へ入射させる。リフレクタ１１は、例えば楕円面状の反射面を有する反射鏡である。この場合、光源１０は、リフレクタ１１の反射面の焦点付近に配置することができる。なお、リフレクタ１１に代えて集光部として集光レンズを用いてもよい。
偏光ビームスプリッタ１２は、入射光のうち特定方向の偏光を透過し、これと直交方向の偏光を反射させる透過反射型偏光素子であり、液晶素子１５の光入射面側に配置されている。このような偏光ビームスプリッタ１２としては、例えばワイヤーグリッド型偏光素子や多層膜偏光素子などを用いることができる。
リフレクタ１３は、偏光ビームスプリッタ１２によって反射される光が入射し得る位置に設けられており、入射した光を偏光ビームスプリッタ１２の方向へ反射させる。
１／４波長板１４は、偏光ビームスプリッタ１２とリフレクタ１３の間の光路上に配置されており、入射する光に位相差を与える。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２によって反射された光は、１／４波長板１４を透過し、リフレクタ１３で反射されて再度１／４波長板１４を透過することで偏光方向が９０°回転して偏光ビームスプリッタ１２へ再入射する。それにより、再入射した光は偏光ビームスプリッタ１２をより透過しやすい状態となるので光の利用効率が向上する。
液晶素子１５は、リフレクタ１１、１３のそれぞれにより反射および集光された光の焦点に対応して配置され、当該光が入射するように配置されている。液晶素子１５は、互いに独立に制御可能な複数の画素部（光変調部）を備えている。本実施形態では、液晶素子１５は、各画素部に駆動電圧を与えるためのドライバ（図示せず）を有している。ドライバは、コントローラ２から供給される制御信号に基づいて、液晶素子１５に対して、各画素部を個別に駆動するための駆動電圧を与える。図示のように液晶素子１５に入射する光は、液晶素子１５の光入射面に対して広角に入射する。具体的には、光入射面の法線方向に対して４０°～６０°くらいの広角に光が入射する。
光学補償板１６は、液晶素子１５を透過した光の位相差を補償し、偏光度を高めるためのものであり、液晶素子１５の光出射面側に配置されている。具体的には、光学補償板１６は、液晶層１５の位相差と合算した位相差が０またはそれに近い値となるようにその位相差が設定される。なお、光学補償板１６は省略されてもよい。
偏光板１７は、液晶素子１５の光出射面側に配置されている。偏光ビームスプリッタ１２、偏光板１７とこれらの間に配置された液晶素子１２によって、自車両の前方へ照射する光の配光パターンに対応した像が形成される。
投影レンズ１８は、リフレクタ１１、１３により反射および集光され、液晶素子１５を透過した光が入射し得る位置に配置されており、この入射した光を自車両の前方へ投影する。投影レンズ１８は、その焦点が液晶素子１５の液晶層の位置に対応するように配置されている。投影レンズ１８の光軸は図中において一点鎖線で示されるように、図中の左右方向に沿っている。
図２（Ａ）は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。ここではセグメント表示型の液晶素子を例示する。具体的には、例示の液晶素子１５は、対向配置された第１基板５１および第２基板５２、複数の配線５３、共通電極（対向電極）５４、絶縁層（絶縁膜）５５、複数の画素電極５６、配向膜５７、５８及び液晶層５９を含んで構成されている。
第１基板５１および第２基板５２は、それぞれ、例えば平面視において矩形状の基板であり、互いに対向して配置されている。各基板としては、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透光性基板を用いることができる。第１基板５１と第２基板５２の間には、例えば樹脂膜などからなる球状スペーサー（図示省略）が分散配置されており、それら球状スペーサーによって基板間隙が所望の大きさ（例えば数μｍ程度）に保たれている。なお、球状スペーサーに代えて、樹脂等からなる柱状体を第１基板５１側若しくは第２基板５２側に設け、それらをスペーサーとして用いてもよい。本実施形態では、第１基板５１が偏光板１７と対向し、第２基板５２が偏光ビームスプリッタ１２と対向するように各基板が配置されているものとする。すなわち、第１基板５１側が液晶素子１５としての光出射側となり、第２基板５２が液晶素子１５としての光入射側となるように各基板が配置されているものとする。
複数の配線５３は、第２基板５２の一面側において絶縁層５５の下層側に設けられている。これらの配線部５３は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。各配線５３は、ドライバから各画素電極５６に対して電圧を与えるためのものである。
共通電極５４は、第１基板５１の一面側に設けられている。この共通電極５４は、第２基板５２の各画素電極５６と対向するようにして一体に設けられている。共通電極５４は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。
絶縁層５５は、第２基板５２の一面側において各配線５３の上側にこれらを覆うようにして設けられている。本実施形態では、絶縁層５５は、第２基板５２の一面側において略全体を覆うように設けられている。この絶縁層５５は、例えばＳｉＯ２膜、ＳｉＯＮ膜であり、スパッタ法などの気相プロセスあるいは溶液プロセスにより形成することができる。なお、この絶縁層５５としては有機絶縁膜を用いてもよい。絶縁層５５の層厚は、例えば１μｍ程度である。
複数の画素電極５６は、第２基板５２の一面側において絶縁層５５の上側に設けられている。これらの画素電極５６は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。本実施形態では、各画素電極５６と共通電極５４とが向かい合う部分において画素部が構成される。
各画素電極５６は、絶縁層５５に設けられるスルーホールを介していずれかの配線５３と物理的および電気的に接続されている。このように、各画素電極５６と各配線５３を異なる層に設けることで、画素電極５６の相互間に配線を設ける必要がないことから画素電極５６の相互間の隙間を少なくして開口率を向上し、透過光量を増加させることができる。また、各配線５３についてもレイアウトの自由度が高まる。
配向膜５７は、第１基板５１の一面側において各画素電極５６を覆うようにしてそれらの上側に配置されている。配向膜５８は、第２基板５２の一面側において共通電極５４を覆うようにしてその上側に配置されている。これらの配向膜５７、５８は、液晶層５９の配向状態を規制するためのものである。各配向膜５７、５８は、例えばラビング処理等の一軸配向処理が施されており、その方向に沿って液晶層５９の液晶分子の配向を規定する一軸配向規制力を有している。各配向膜５７、５８への配向処理の方向は、例えば互い違い（アンチパラレル）となるように設定される。各配向膜５７、５８と液晶層５９との界面近傍におけるプレティルト角は例えば８９°程度である。
液晶層５９は、第１基板５１と第２基板５２の間に設けられている。液晶層５９は、例えば、流動性を有するネマティック液晶材料を用いて構成される。本実施形態では、液晶層５９は、負の誘電率異方性を有し、左ねじれのカイラル材が添加された液晶材料を用いて構成される。カイラル材の添加量は、例えばｄ／ｐ＝０．３１となるように設定することができる。ここでｄは液晶層５９の層厚、ｐはカイラルピッチである。液晶層５９の層厚は、例えば４μｍ程度とすることができる。
なお、液晶素子１５としては、透過光を自在に変調して所望の像を形成し得る限りにおいて内部構造や駆動方法について特に限定がない。例えば上記した構成例では配線と画素電極が別の層に形成される例を示したがこれに限定されず、同層に形成されてもよい。また、液晶素子１５として、各画素に対して薄膜トランジスタを対応づけて構成されるアクティブマトリクス型の液晶素子が用いられてもよいし、複数のストライプ状の透明電極を対向配置してそれら透明電極同士の重なる各領域を画素部として用いる単純マトリクス型の液晶素子が用いられてもよい。さらに、液晶素子１５としては、一方基板に設けられた任意形状の複数の画素電極と、他方基板に設けられた１つ（または複数）の対向電極を有するセグメント表示型の液晶素子を用いてもよく、その場合の駆動方法についてはマルチプレックス駆動を採用してもよいし、スタティック駆動を採用してもよい。
図２（Ｂ）は、各配向膜への一軸配向処理の方向について説明するための図である。ここでは、液晶素子１５を第１基板１１側から平面視した際の各配向膜への一軸配向処理の方向が示されている。図示のように、例えば表側（光出射側）の偏光板１７の透過軸ｂ１が９０°－２７０°方位に配置され、裏側（光入射側）の偏光ビームスプリッタ１２の透過軸ｂ２が０°－１８０°方位に配置されているとする。そして、表側に対応する第１基板５１の配向膜５７における一軸配向処理の方向ａ１は２２５°方位に設定され、裏側に対応する第２基板５２の配向膜５８における一軸配向処理の方向ａ２は４５°方位に設定されている。すなわち、各一軸配向処理の方向ａ１、ａ２は、各透過軸ｂ１、ｂ２に対して４５°の角度をなすように配置されている。なお、実際上は製造時の位置ずれ等により相対的な角度に相違を生じ得るので、各透過軸ｂ１、ｂ２に対する一軸配向処理の方向ａ１、ａ２の相対的な角度は、例えば４５°±５°程度の範囲が許容される。
第１基板５１の配向膜５７は、液晶層５９へ電圧が印加されていない初期状態において方向ａ１に沿った一軸配向規制力を有し、第２基板５２の配向膜５８は、液晶層５９へ電圧が印加されていない初期状態において方向ａ２に沿った一軸配向規制力を有する。これにより、液晶層５９は、初期配向状態において各配向膜５７、５８による一軸配向規制力を受けた一様配向（モノドメイン配向）となる。また、液晶層５９への電圧印加時においては、液晶分子の配向方向が各基板５１、５２の基板面と水平に近づく方向へ倒れるように変化するとともに、カイラル材の影響を受けて捻れ配向が発現する。例えば、液晶層５９に対して液晶材料の閾値電圧の２．５倍以上の電圧が印加された場合には、表側に対応する第１基板５１との液晶層５９との界面付近では液晶分子の実質的な配向方向が１８０°方位（図示の方向ｃ１）となり、裏側に対応する第２基板５２と液晶層５９との界面付近では液晶分子の実質的な配向方向が９０°方位（図示の方向ｃ２）となる。
図３（Ａ）は、液晶素子の透過率特性の測定例を示す図である。また、図３（Ｂ）は、透過率測定における測定系の配置を説明するための図である。図３（Ｂ）に示すように、極角θは液晶素子の各基板面に略直交する軸を基準にして定義され、方位角φは液晶素子の各基板面に略水平な軸を基準に定義される。液晶素子と各偏光板（表側偏光板、裏側偏光板）との相対的な配置関係は図２（Ｂ）と同様である。この測定系では、光源からの光が液晶素子を透過して受光器により受光されるように構成されており、その際の極角θ、方位角φを可変に設定できる。
図３（Ａ）では、極角θについては同心円状に軸が設定されており、円の中心が極角θ＝０に対応し、最外周が極角θ＝４０°に対応する。また、方位角φについては図中の左右方向が０°－１８０°に対応し、図中の上下方向が９０°－２７０°に対応している。また、この測定例は、液晶素子の液晶層５９に閾値電圧の２．５倍以上の十分に高い電圧（例えば１２Ｖ）が印加された場合のものである。図示のように、最良視認方位はφ＝２２５°の方位（７時半方位）であり、図中に当該方位における透過率の具体的な数値例を示すように極角θが大きいほど透過率が上昇する傾向にある。また、最良視認方位に直交する２つの方位においても透過率は比較的高くなるが、最良視認方位と１８０°異なる方位である反視認方向（φ＝４５°の方位）では透過率が相対的に低くなっている。これは、電圧印加時の液晶層５９では液晶分子が一方位に傾斜配向する状態であるモノドメイン配向が生じているからである。なお、このような傾向は、偏光素子として上記した偏光ビームスプリッタ１２を用いた場合でも同様であり、また光学多層膜による透過反射偏光板を用いた場合でも同様である。上記の検討から、最良視認方位に対応付けて液晶素子１５（具体的には液晶層５９）を傾けて配置することで、上記した極角θを大きくした際の透過率を活用して車両用灯具１からの照射光の最大光度を上昇させることができるという知見が得られる。以下に、この知見を適用した液晶素子１５の配置について具体的に説明する。
図４（Ａ）は、液晶素子を傾けない配置とする場合の構成（基準構成）を示す図である。なお、ここでは説明を理解しやすくするため主要な構成である液晶素子１５とその前後の偏光ビームスプリッタ１２及び偏光板１７と投影レンズ１８を示している。また、図示の光伝搬方向とは、図１における液晶素子１５に入射する光の主要な伝搬方向であり、具体的には図１の左右方向に水平な方向な軸であって液晶素子１５を通過する軸である。また、光伝搬方向は、投影レンズ１８の光軸と平行である。ここでいう投影レンズ１８の光軸とは投影レンズ１８の中心と焦点を通る仮想的な直線である。
図４（Ａ）に示す配置を基準に、液晶素子１５の各基板と平行であって液晶素子１５の左右方向と平行方向（紙面と直交する方向）に沿った軸をｘ軸とし、液晶素子１５の各基板と平行であって液晶素子１５の上下方向（紙面の上下方向）に沿ったｙ軸と定義する。ｘ軸、ｙ軸はともに光伝搬方向と交差する軸である。本実施形態では、ｘ軸は上記した図２（Ｂ）に示した０°－１８０°方向に対応し、ｙ軸は上記した図２（Ｂ）に示した９０°－２７０°方向に対応する。また、図４（Ａ）に示す配置において、ｘ軸は車両用灯具１の左右方向に対応し、ｙ軸は車両用灯具１の上下方向に対応する。図４（Ａ）に示す状態では液晶素子１５のｘ軸での回転角度、ｙ軸での回転角度はともに０°である。また、液晶素子１５の液晶層５９における層厚方向の略中央の液晶分子の配向方向は図３（Ｂ）における４５°方位としている。これは図中におけるｘ軸及びｙ軸のそれぞれに対して４５°の角度をなす方向である。
図４（Ｂ）は、液晶素子を傾けて配置する場合の構成例を示す図である。図示の例では、液晶素子１５は、ｘ軸を中心に所定角度だけ回転して配置されている。図中の時計回りの回転角度をプラス、反時計回りの回転角度をマイナスと定義する。図示の例では、ｘ軸方向の回転角度がマイナスの値に設定されている。このように液晶素子１５を投影レンズ１８の光軸に対して非直交かつ非平行となるように傾けて配置することで、光伝搬方向が液晶素子１５の液晶層５９を斜交するようになる。別言すれば投影レンズ１８の光軸と液晶層５９の層厚方向とが０°より大きく９０°より小さい角度をなすように液晶素子１５が配置されるようになる。なお、図示を省略するが同様にしてｙ軸を中心に所定角度だけ回転した位置に液晶素子１５を配置することもできる。さらに、図４（Ｃ）に示すように、ｘ軸とｙ軸の双方を中心に所定角度だけ回転した位置に液晶素子１５を配置することもできる。
図５（Ａ）～図５（Ｃ）は、投影レンズからの出射光の１０ｍ先投影像中央部の相対光度の測定例を示す図であり、具体的には、図４（Ａ）に示した基準の配置における透過光の光度を１００％として、光度比率の回転角度依存性を求めたグラフである。図５（Ａ）には、ｘ軸を中心に液晶素子１５を回転させて配置した場合の光度比率の回転角度依存性が示されている。この配置は上記した図３（Ｂ）での０°－１８０°方位を軸として回転させた場合に相当する。透過率が上昇する２７０°方位に回転させる場合に相当する回転角度、すなわちマイナスの値の回転角度にて光度比率が上昇し、プラスの値の回転角度にて光度比率が低下することが分かる。なお、回転角度を±４０°までとしているのは、液晶素子１５に対して広角に入射する光の入射角度が概ねこのくらいの範囲であることに対応している。
図５（Ｂ）には、ｙ軸を中心に液晶素子１５を回転させて配置した場合の光度比率の回転角度依存性が示されている。この配置は上記した図３（Ｂ）での９０°－２７０°方位を軸として回転させた場合に相当する。透過率が上昇する１８０°方位に回転させる場合に相当する回転角度、すなわちマイナスの値の回転角度にて光度比率が上昇し、プラスの値の回転角度にて光度比率が低下することが分かる。
図５（Ｃ）には、ｘ軸及びｙ軸を中心に液晶素子１５を回転させて配置した場合の光度比率の回転角度依存性が示されている。この配置は上記した図３（Ｂ）での１３５°－３１５°方位を軸として回転させた場合に相当する。透過率が上昇する２２５°方位に回転させる場合に相当する回転角度、すなわちマイナスの値の回転角度にて光度比率が上昇し、プラスの値の回転角度にて光度比率が低下することが分かる。また、ｘ軸のみ、あるいはｙ軸のみを中心とする場合に比べてより光度比率の上昇が大きい。
このように、液晶素子１５を傾けて配置し、光伝搬方向が液晶層５９を斜交するようにすることで光度比率の上昇を図ることができる。すなわち、車両用灯具１から出射する照射光の光度（明るさ）を向上させることができる。
ここで、本実施形態では車両用灯具としての用途を想定しているので、多くの場合、上下方向の配光角度は小さく、左右方向の配光角度は大きく設定されている。この場合、液晶素子１５の画素部にて制御したいセグメント分割はx軸方向に長く、y軸方向に短く設定されると考えられる。光学系としては液晶素子１５のｘ軸とy軸の交点に焦点を合わせているので、本来その位置から液晶素子１５の画素部の位置がずれると照射光におけるパターンのピントがずれる現象が生じ得ることから、左右方向に広がる照射配光パターンの場合はx軸方向を中心に回転したほうが好ましいと考えられる。他方で、上下方向に照射配光パターンが広がるのであればy軸方向を中心に回転させた方が好ましいと考えられる。２２５°方位への傾斜角度と同等な効果を得ようとするならば１／√２倍の角度に設定することが好ましいと考えられる、図３（Ａ）より最大透過率は２２５°方位にて約３８°であるのでｘ軸方向、ｙ軸方向の回転の場合は約２７°であると考えられる。
なお、液晶素子１５を傾けて配置すると、画素部の平面視形状に対してこの画素部によって形成される投影光の平面視形状に変形を生じる。例えば、図６（Ａ）に示すように画素部７０の平面視形状が矩形状である場合に、ｘ軸を中心に回転させた位置に液晶素子１５を配置したとすると投影された光による照射像７１の形状は台形状に変形する。これについては、例えば図６（Ｂ）に示すように予め変形の度合いを加味して平面視形状を構成した画素部７０ａを用いることで照射光７１ａの変形を抑制することができる。ｙ軸を中心に回転させた場合、ｘ軸、ｙ軸ともに中心にして回転させた場合も同様であり、予め変形の度合いを加味して画素部の平面視形状を決めればよい。結果として、画素部の平面視形状と照射像の平面視形状とは互いに非相似形状となる。
また、液晶素子１５を傾けて配置する際に、光出射面側の偏光板１７については液晶素子１５に対応付けて傾けることなく、図５（Ａ）～図５（Ｃ）に示したように光伝搬方向ないし投影レンズ１８の光軸に対して入射面が略直交するように配置することが好ましい。これは、偏光板１７を傾けて配置したとすると透過光を遮光する際の光抜けが大きくなるためである。
図７（Ａ）は、液晶素子を傾けることに代えてプリズムアレイを用いる場合の構成例を示す図である。図示のように液晶素子１５についてはｘ軸、ｙ軸ともに回転角度を持たせることなく０°に設定し、液晶素子１５の光入射面側と光出射面側のそれぞれにプリズムアレイ２０、２１を配置してもよい。例えば、ｘ軸を中心に回転角度を設けた場合と同様の効果を得るためのプリズムアレイ２０、２１の構成例を図７（Ｂ）に示す。図示のプリズムアレイ２０（又は２１）は、断面三角形状でｘ軸に沿って延在するプリズムをｙ軸方向に複数配列して構成されている。このようなプリズムアレイ２０、２１を用いることによっても光伝搬方向が液晶素子１５の液晶層５９の層厚方向と非直交かつ非並行な角度をなして斜交するように構成できる。また、プリズムアレイ２０とプリズムアレイ２１の配置を互いのプリズム斜面が略平行となるように配置することで偏光板１７への入射光の光伝搬方向を入射面に略直交させることができる。
なお、図示を省略するがｙ軸を中心に回転角度を設けた場合と同様の効果を得るには図７（Ｂ）に示したプリズムアレイ２０（又は２１）を９０°回転させた構成のプリズムアレイを用いればよい。また、ｘ軸及びｙ軸を中心に液晶素子１５を回転させて配置した場合と同様の効果を得るためには、図７（Ｃ）に示す構成例のプリズムアレイ２０、２１を用いればよい。具体的には、プリズムアレイ２０（又は２１）は、各プリズムの延在方向がｘ軸に対して平行ではなく、ｙ軸に対して直交もせず、各軸に対して所定角度をなすように構成されている。別言すれば各プリズムの延在方向は、液晶素子１５の外形辺と非直交かつ非平行な方向となるように構成されている。
このようにプリズムアレイ２０、２１を用いることで液晶素子１５自体を傾けずに同様の効果が得られるので、車両用灯具１の液晶素子１５周辺のレイアウトが容易になり、かつ光学設計も容易になる。また、照射光による照射像の輪郭をより先鋭にする効果も期待される。
次に、液晶素子１５を傾ける際の好適な角度の数値例を説明する。図２（Ａ）に示したように、液晶素子１５の液晶層５９の層厚方向の略中央における液晶分子の配光方向は４５°方位に設定されているので、その反対側の方位である２２５°方位に対応して傾き角度を設けることが好ましい。このときに、図３（Ａ）に示す観察例では透過率が最も高くなる極角の角度は、方位角２２５°にて約３８°である。しかし、このような角度に傾斜すると液晶素子１５の電圧無印加時において液晶素子１５を斜めから観察することによる光抜けが生じる可能性がある。各偏光素子（偏光ビームスプリッタ１２、偏光板１７）の透過軸と液晶素子１５の配置関係が図２（Ｂ）に示す構成となっている場合、光抜けが許容されるプレティルト角は実サンプルでの外観観察の結果、８４°以上である。プレティルト角８９°の液晶素子１５を２つの偏光素子間で傾斜して配置した場合の傾斜角度の許容値は、傾斜により先のプレティルト角許容値と同等な液晶層への光入射角度になる場合と考えられるため、許容される傾斜角度は、液晶素子１５の外側の空気層の屈折率を１、液晶素子１５を構成する各基板（ガラス基板）の屈折率を１．５２、液晶材料の常光屈折率を１．４８、異常光屈折率を１．５９とすると約９°である。なお、プリズムアレイを用いる構成の場合には、この傾斜角度に対応してプリズムアレイの屈折角等の設計をすればよい。
ここで、上記した各実施形態では第１基板１１と第２基板１２の各々への一軸配向処理の方向ａ１、ａ２を互いに反平行であるアンチパラレル配向とした場合を示したが、液晶層５９の層厚方向の略中央における液晶分子の配向方向を変化させず固定し、第１基板１１と第２基板１２の各々への一軸配向処理の方向ａ１、ａ２を互いに非平行となるように設定し、液晶層５９の層厚方向に沿って配向にねじれを生じさせたとすると、上記で示した許容されるプレティルト角が変化する。なお、以下では第１基板１１と第２基板１２をまとめて「裏表基板」と称する。
シンテック製液晶表示素子１次元解析ソフトウェアを用い、裏表基板間の配向方向のねじれ角が変化した場合において許容されるプレティルト角の変化を求めた計算結果を図８（Ａ)に示す。図示のように、ねじれ角が大きくなるに従って許容されるプレティルト角が低くなることが分かる。プロットは計算結果だが、破線は４次関数にて最小自乗カーブフィッティングした曲線である。この４次関数は以下のように表される。この図において裏表基板間配向方向ねじれ角をｘ、許容されるプレティルト角をyとする。
ｙ＝０．０００００００２ｘ４＋０．００００００６５ｘ３＋０．０００２７０９７ｘ２－０．０３３７８９６ｘ＋８４．００１６４６２１
また、図８（Ａ）の計算結果を元に空気層から裏表基板（ガラス基板）へ入射する光入射角度、すなわち許容される入射角度に対応する傾斜角度（あおり角度）をスネルの法則により計算すると図８（Ｂ）に示す通りとなる。プロットは計算結果だが、破線は４次関数にて最小自乗カーブフィッティングした曲線である。この図において裏表基板間配向方向ねじれ角をｘ、許容される傾斜角度（あおり角度）をyとすると以下のように表せる。
０．０００００００５ｘ４－０．０００００６４５ｘ３＋０．０００３２７７９ｘ２
＋０．０１６９７６３９ｘ＋８．９９３０８０５８≧y＞０
上記は２２５°方位へ傾斜角度を設定した場合の角度であるが、図４（Ａ）に示したx軸方向またはy軸方向のみ回転させる場合は、１／√２倍となるので以下のようになる。
０．０００００００４ｘ４－０．０００００４５６ｘ３＋０．０００２３１７８ｘ２
＋０．０１２００４１２ｘ＋６．３５９０６８２６≧y＞０
一方、図１の光学系において偏光素子間には液晶素子１５と光学補償板１６が配置されている。光学補償板１６は、図１において紙面の上下方向をy軸、紙面の手前／奥方向をx軸、光伝搬方向、すなわち光学補償板１６の面内法線方向をｚ軸とし、光学補償板１６のｘｙｚ軸方向の屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚとしたときに、光学補償板１６は、ｎｘ≒ｎｙ＞ｎｚである負の一軸光学異方性を有するとものとする。このとき、例えば図９（Ａ）又は図９（Ｂ）に示す構成例のように、液晶素子１５の傾斜と同じ角度の傾斜が光学補償板１６に生じることにより、許容される傾斜角度は上記の制限を受けることがない。なお、光学補償板１６の傾斜角度は必ずしも液晶素子１５の傾斜角度と同じでなくてよい。また、プリズムアレイを用いる場合も同様であり、例えば図９（Ｃ）に示すように、液晶素子１５とプリズムアレイ２１の間において液晶素子１５と略平行になるように光学補償板１６を配置するとよい。また、光学補償板１６がｎｘ＜ｎｙ＜ｎｚである負の二軸光学異方性を有する場合でも同様の効果が得られる。これは、液晶素子１５の液晶層５９で生じる位相差を光学補償板１６の位相差で打ち消すことができるためである。ただし、それを実現する光学補償板１６の厚さ方向位相差Ｒｔｈは、偏光素子としてワイヤーグリッド偏光板や光学多層膜による透過反射偏光板が用いられる場合を前提にすると、Δｎｄ×０．８≦Ｒｔｈ≦Δｎｄ×１．２の範囲であることが好ましい。なお、ｄは液晶素子１５の液晶層５９の層厚、Δｎは液晶層５９の屈折率異方性である。一方、光源１０からリフレクタ１１を経て液晶素子１５へ入射する光の入射角度は全方位で極角４０°範囲であることから液晶素子１５の傾斜角度は最大でも５０°未満である。
以上のような各実施形態によれば、液晶素子を用いる照明装置等における照射光の明るさを向上させることが可能となる。
なお、本開示は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態では照明装置の一例として車両用灯具を挙げていたが本開示の適用範囲はこれに限定されない。例えば街路灯、踏切照明装置、方向案内照明装置など種々の照明装置に本開示に係る構成を適用することができる。また、車両用灯具の光学系についても上記した実施形態の構成に限定されない。
１：車両用灯具、２：コントローラ、３：カメラ、１０：光源、１１、１３：リフレクタ、１２：偏光ビームスプリッタ、１４：１／２波長板、１５：液晶素子、１６：光学補償板、１７：偏光板、１８：投影レンズ、２０、２１：プリズムアレイ、５１：第１基板５１、５２：第２基板、５３：配線、５４：共通電極（対向電極）、５５：絶縁層（絶縁膜）、５６：画素電極、５７、５８：配向膜、５９：液晶層

Claims (10)

  1. 光源と、
    前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、
    前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、
    前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、
    前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、
    前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、
    を含み、
    前記液晶素子は、前記光入射面及び／又は前記光出射面が前記投影レンズの光軸に対して非直交かつ非平行である所定角度をなすように傾けて配置される、
    照明装置。
  2. 光源と、
    前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、
    前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、
    前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、
    前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、
    前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、
    を含み、
    前記液晶素子は、一対の基板間に配置された液晶層を有しており、当該液晶層の層厚方向が前記前記投影レンズの光軸に対して非直交かつ非平行である所定角度をなすように傾けて配置される、
    照明装置。
  3. 光源と、
    前記光源から出射する光が所定位置で焦点を結ぶように集光する集光部と、
    前記焦点の位置に対応して配置される液晶素子と、
    前記液晶素子の光入射面側に配置される第１偏光素子と、
    前記液晶素子の光出射面側に配置される第２偏光素子と、
    前記液晶素子、前記第１偏光素子及び前記第２偏光素子によって生じる像を拡大して投影する投影レンズと、
    前記液晶素子と前記第１偏光素子との間に配置される第１プリズムアレイと、
    前記液晶素子と前記第２偏光素子との間に配置される第２プリズムアレイと、
    を含み、
    前記液晶素子は、前記光入射面及び／又は前記光出射面が前記投影レンズの光軸と略直交するように配置されており、
    前記第１プリズムアレイは、前記液晶素子へ向かう光の進行方向を屈折させて前記液晶素子へ入射させ、前記第２プリズムアレイは、前記液晶素子から出射する光の進行方向を屈折させて前記第２偏光素子へ入射させる、
    照明装置。
  4. 前記第１偏光素子は、第１方向の偏光を反射し、当該第１方向と直交する第２方向の偏光を透過させる透過反射型偏光素子である、
    請求項１～３の何れか１項に記載の照明装置。
  5. 前記第２偏光素子は、光入射面が前記投影レンズの光軸に対して略直交するように配置される、
    請求項１～４の何れか１項に記載の照明装置。
  6. 前記液晶素子は、相互に直交する２つの軸であって、各々、前記投影レンズの光軸に略直交する軸である第１軸及び第２軸のうち少なくとも１つを中心にして傾けて配置される、
    請求項１又は２に記載の照明装置。
  7. 前記液晶素子は、少なくとも１つの画素部を有しており、
    前記投影レンズによって投影された照射像の平面視形状は、前記画素部の平面視形状と非相似形である、
    請求項１～６の何れか１項に記載の照明装置。
  8. 前記液晶素子は、モノドメイン垂直配向の液晶素子である、
    請求項１～７の何れか１項に記載の照明装置。
  9. 前記第１プリズムアレイ及び前記第２プリズムアレイの各々は、一方向に延在する複数のプリズムを含み、
    前記複数のプリズムの各延在方向は、前記液晶素子の外形辺と非平行かつ非直交の方向である、
    請求項３に記載の照明装置。
  10. 請求項１～９の何れか１項に記載の照明装置と、当該照明装置に接続されて動作制御を行うコントローラとを含む、車両用灯具システム。
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