JP2023092284A - 照明装置、車両用灯具システム - Google Patents

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１０と、光源１０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、前記焦点を含む位置に配置される液晶素子１５と、第１偏光素子と、第２偏光素子と、液晶素子１５、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１８と、を含み、液晶素子１５は、前記焦点の位置を含む範囲であって投影レンズ１８の光軸に対して略直交する第１面と、当該第１面の周囲に配置されており投影レンズ１８の光軸に対して傾斜する方向に配置された少なくとも１つの第２面とを有しており、前記第２面は、液晶素子１５の最良視認方位又は当該最良視認方位を基準に方位角方向において±９０°以下の範囲内の方位から液晶素子１５の前記液晶層へ前記光が入射するように配置される、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）液晶層を備え、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、前記焦点の位置を含む範囲であって前記投影レンズの光軸に対して略直交する第１面と、当該第１面の周囲に配置されており前記投影レンズの光軸に対して傾斜する方向に配置された少なくとも１つの第２面とを有しており、前記第２面は、前記液晶素子の最良視認方位又は当該最良視認方位を基準に方位角方向において±９０°以下の範囲内の方位から前記液晶素子の前記液晶層へ前記光が入射するように配置される、照明装置である。
［２］本発明に係る一態様の車両用灯具システムは、前記［１］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は、液晶素子の平面視構造を例示する図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、車両用灯具に適用可能な液晶素子の構成例を示す模式的な斜視図である。 図８は、図７（Ａ）に示す構成例の液晶素子における液晶層の構造を示す模式的な断面図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、車両用灯具に適用可能な液晶素子の構成例を示す模式的な斜視図である。

図１（Ａ）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（Ａ）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１５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１５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（Ａ）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。なお、１／４波長板１４に代えて、図１（Ｂ）に示す変形実施例の車両用灯具１ａに示すように、偏光ビームスプリッタ１２からの反射光は入射せずにリフレクタ１３からの反射光が入射する位置に１／２波長板１４ａを配置する構成としてもよい。

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を含む位置に配置され、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１５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、複数の配線部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。

複数の配線部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。各配線部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部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ＳｉＯ_２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部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と各配線部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、各配線部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）に示した通りである。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１５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。つまり、最良視認方位を基準としてこの最良視認方位から±９０°以下までの範囲（１３５°以上３１５°以下の範囲）では透過率が相対的に上昇し、逆に反視認方位を基準としてこの反視認方位から±９０°未満までの範囲（３１５°より大きく０°までの範囲及び０°から１３５°未満までの範囲）では透過率が相対的に低下するといえる。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、最良視認方位ないしその±９０°以下の範囲内の方位（より好ましくは最良視認方位から±４５°以下までの範囲）に対応付けて液晶素子１５（具体的には液晶層５９）が傾くように配置することで、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。

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。つまり、この測定例ではマイナスの回転角度が最良視認方位±９０°以下の範囲に対応し、プラスの回転角度が反視認方位±９０°未満の範囲に対応する。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。つまり、この測定例ではマイナスの回転角度が最良視認方位±９０°以下の範囲に対応し、プラスの回転角度が反視認方位±９０°未満の範囲に対応する。

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。つまり、この測定例ではマイナスの回転角度が最良視認方位±９０°以下の範囲に対応し、プラスの回転角度が反視認方位±９０°未満の範囲に対応する。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（投影レンズ１８の光軸Ｌ）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。しかし、液晶素子１５自体を傾けると光伝搬方向における液晶層５９の層厚が増加する。液晶層厚をｄ、液晶素子１５の傾き角をθとすると、液晶素子１５を傾斜させた際の実質的な液晶層厚はｄ／ｃｏｓθとなるが、液晶素子１５と偏光ビームスプリッタ１２の間または液晶素子１５と偏光板１７の間に負の一軸光学異方性を有する光学補償板を配置すれば実質的な液晶層厚の増加によるリタデーション増加を光学補償できる。しかし、液晶層と光学補償板の屈折率の波長分布が一致しなければ可視波長域全体で完全な光学補償を得られず光漏れが生じ得る。また、液晶素子１５の出射側の偏光板１７は液晶素子１５に対して相対的に傾くことから吸収軸のズレによる光漏れが生じ得る。

図６に液晶素子１５の平面視構造を例示する。図示の液晶素子１５において、特に中央付近の投影光の光度が高い「高照度帯」においては光伝搬方向が液晶素子１５の入射面／出射面の法線方向となるように液晶素子１５が配置されることが好ましいといえる。この高照度帯は、例えば車両前方の中央付近への配光に寄与する部分であり、この位置に焦点を合わせて集光される部分である。一方で、高照度帯を高光度にするため投影光がスポット光となってしまった場合、中央部から離れた位置における光度を高くするには、液晶素子１５の入射面／出射面に対して光伝搬方向（投影レンズ１８の光軸Ｌ）が法線方向とならずに傾斜するようにすることで、高照度帯での光抜けを抑制し、高照度帯以外のワイド領域における光度を上昇させて光利用効率を向上させることができると考えられる。以下、このような知見に基づき、車両用灯具１に適用可能な液晶素子１５の構成例を説明する。なお、以下では各構成例を区別するために、適宜、液晶素子に付する符号を１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄとする。すべて上記した車両用灯具１における液晶素子１５として適用可能な構成例である。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、車両用灯具に適用可能な液晶素子の構成例を示す模式的な斜視図である。図７（Ａ）に示す構成例の液晶素子１５ａは、光軸Ｌと交差する位置Ｐに上記の高照度帯を対応付けて配置されており、この位置Ｐを含む一定範囲（第１面）については投影レンズ１８の光軸Ｌと液晶素子１５ａの入射面／出射面とが略直交するように構成されている。また、図中のＸ方向において、位置Ｐを含む一定範囲外（第２面）においては、液晶素子１５ａが湾曲している。このような湾曲形状の液晶素子１５ａは、例えば第１基板５１及び第２基板５２として樹脂基板を用いるか、あるいは薄いガラス基板を用いることで実現可能である。

図８は、図７（Ａ）に示す構成例の液晶素子における液晶層の構造を示す模式的な断面図である。図８は図７（Ａ）に示したＹ方向から見た断面に対応している。図示のように、液晶素子１５ａの液晶層５９は、この液晶層５９を挟んで対向配置される第１基板５１及び第２基板５２の形状に沿った形状を有しており、具体的には平坦で平板状の第１部位５９ａと、その両側に配置される湾曲形状の２つの第２部位５９ｂとを有している。この液晶素子１５ａにおいては、第１部位５９ａの光入射側界面５９ｃ及び光出射側界面５９ｄが投影レンズ１８の光軸Ｌと略直交しており、各第２部位５９ｂの光入射側界面５９ｅ及び光出射側界面５９ｆが投影レンズ１８の光軸Ｌに対して斜交する方向に配置されている。

この液晶素子１５ａにおいては、第１部位５９ａの少なくとも光入射側界面５９ｃが上記した第１面に対応し、各第２部位５９ｂの少なくとも光入射側界面５９ｅが上記した第２面に対応するといえる。別言すれば、液晶素子１５ａにおいて、第１基板５１ないし第２基板５２の第１部位５９ａと重なる部位であって液晶層５９と接しない側の面が第１面に対応し、第１基板５１ないし第２基板５２の各第２部位５９ｂと重なる部位であって液晶層５９と接しない側の面が第２面に対応すると考えることもできる。このような配置することで、液晶素子１５ａの第２部位５９ｂに対して、最良視認方位ないしこれを基準に±９０°以下の範囲内の方位から光を入射させることができる。

なお、図示及び詳細な説明を省略するが図７（Ｂ）に示す構成例の液晶素子においても同様の液晶層の構造を有している。

図７（Ａ）に示す構成例では、液晶素子１５ａの図中左端側がＺ方向において偏光板１７に近づくように湾曲し、液晶素子１５ａの図中右側端がＺ方向において偏光ビームスプリッタ１２に近づくように湾曲している。つまり、液晶素子１５は、位置Ｐを含む一定範囲は平坦であり、この一定範囲を挟んで両側は対称な方向にそれぞれ湾曲している。図７（Ｂ）に示す構成例の液晶素子１５ｂも同様であり、湾曲する方向が図中のＹ方向に変更されている点のみ異なっている。

これらの液晶素子１５ａ、１５ｂを用いることで、光伝搬方向を液晶素子１５ａ、１５ｂの両端側の入射面／出射面に対して傾斜させることができるので、透過率を上昇させることができる。なお、液晶素子１５ａのＸ方向両側、液晶素子１５ｂのＹ方向両側は、それぞれ図示のように湾曲させる場合のほか、一定角度で傾斜させるように液晶素子自身を屈曲させる構成としてもよい。湾曲させた場合には、中央部の位置Ｐから離れるほど傾斜角を大きくすることで、よりワイドな投影光を得られると考えられ、同時に中央部のグレアも抑制可能と考えられる。なお、図示の例ではＸ方向又はＹ方向に湾曲させた液晶素子の構成例を示したが、Ｘ方向とＹ方向の双方に湾曲ないし屈曲させるように構成してもよい。

図９（Ａ）は、車両用灯具に適用可能な液晶素子の構成例を示す模式的な斜視図である。図９（Ａ）に示す構成例の液晶素子１５ｃは、平板状の液晶層５９を有して平板状に構成された液晶パネル部２０と、この液晶パネル部２０と偏光ビームスプリッタ１２との間に配置される第１プリズム２１と、液晶パネル２０部と偏光板１７との間に配置される第２プリズム２２を備える。液晶パネル部２０の構成は上記した図２に示した液晶素子１５と同様である。このような第１プリズム２１、第２プリズム２２を用いることで、液晶素子自体を湾曲ないし屈曲させる場合と同等の機能を得ることができる。すなわち、第１プリズム２１及び第２プリズム２２による光の屈折効果を利用することで液晶パネル部２０の液晶層５９に入射する光および液晶層５９から出射する光を上記した図７（Ａ）に示した液晶素子１５ａを用いた場合と同様にすることができる。なお、本明細書における「プリズム」とは、少なくとも光を屈折させる作用を得られる光学素子をいう。

図示の例では構成を分かりやすくするために第１プリズム２１及び第２プリズム２２を液晶パネル部２０と離間させて示しているが、第１プリズム２１と第２プリズム２２はそれぞれ液晶パネル部２０と密着させて配置することが好ましい。またその場合には、第１プリズム２１、第２プリズム２２の各々と液晶パネル部２０との間は光学マッチング可能な接着剤を配置して接合を図ることが好ましい。それにより、界面での光損失を抑制できる。

第１プリズム２１は、液晶パネル部２０と対向する側に平坦な一面を有し、液晶パネル部２０と対向しない側に一部が湾曲して傾斜した他面を有している。第１プリズム２１の傾斜した他面の形状は上記した図７（Ａ）に示した液晶素子１５ａ自体を湾曲する場合と同様の形状とすることができる。詳細には、第１プリズム２１の他面は、投影レンズ１８の光軸Ｌと交差する位置を含む一定範囲については投影レンズ１８の光軸Ｌと略直交する平坦な第１面を有し、図中のＸ方向における一定範囲外において、図中右側では偏光ビームスプリッタ１２に徐々に近づくように湾曲し、図中左側では偏光ビームスプリッタ１２から徐々に遠ざかるように湾曲して傾斜した第２面を有する。

同様に、第２プリズム２２は、液晶パネル部２０と対向する側に平坦な一面を有し、液晶パネル部２０と対向しない側に一部が湾曲して傾斜した他面を有している。第２プリズム２２の傾斜した他面の形状は上記した図７（Ａ）に示した液晶素子１５ａ自体を湾曲する場合と同様の形状とすることができる。詳細には、第２プリズム２２の他面は、投影レンズ１８の光軸Ｌと交差する位置を含む一定範囲については投影レンズ１８の光軸Ｌと略直交する平坦な第１面を有し、図中のＸ方向における一定範囲外において、図中左側では偏光板１７に徐々に近づくように湾曲し、図中右側では偏光板１７から徐々に遠ざかるように湾曲した第２面を有する。

なお、第１プリズム２１、第２プリズム２２における各他面の湾曲する方向については、図示の例では一方向であったがこれを二方向に湾曲させることも可能である。第１プリズム２１と第２プリズム２２の各々の材質は、例えばガラス、石英、アクリル樹脂などを用いることができる。

図９（Ｂ）は、車両用灯具に適用可能な液晶素子の構成例を示す模式的な斜視図である。図９（Ｂ）に示す構成例の液晶素子１５ｄは、平板状の液晶層５９を有して平板状に構成された液晶パネル部２０と、この液晶パネル部２０と偏光ビームスプリッタ１２との間に配置される第１平板状プリズム２１ａと、液晶パネル部２０と偏光板１７との間に配置される第２平板状プリズム２２ａを備える。液晶パネル部２０の構成は上記した図２に示した液晶素子１５と同様である。このような第１平板状プリズム２１ａ、第２平板状プリズム２２ａを用いることでも、液晶素子自体を湾曲させる場合と同等の機能を得ることができる。すなわち、液晶パネル部２０の液晶層に入射する光および液晶層から出射する光を上記した図７（Ａ）に示した液晶素子１５ａを用いた場合と同様にすることができる。また、第１平板状プリズム２１ａと第２平板状プリズム２２ａは、フレネルレンズ状に構成された平板状プリズムであり、図９（Ａ）に示す第１プリズム２１、第２プリズム２２に比較して、液晶素子１５ｄを含む光学系のコンパクト化が可能となる。

第１平板状プリズム２１ａは、液晶パネル部２０と対向する側に平坦な一面を有し、液晶パネル部２０と対向しない側に一部が湾曲して傾斜した他面を有している。第１平板状プリズム２１ａの他面は、投影レンズ１８の光軸Ｌと交差する位置を含む一定範囲については投影レンズ１８の光軸Ｌと略直交する平坦な第１面を有し、図中のＸ方向における一定範囲外において、断面鋸歯状の凹凸面からなる第２面を有する。

第２平板状プリズム２２ａは、液晶パネル部２０と対向する側に平坦な一面を有し、液晶パネル部２０と対向しない側に一部が湾曲して傾斜した他面を有している。第２平板状プリズム２２ａの他面は、投影レンズ１８の光軸Ｌと交差する位置を含む一定範囲については投影レンズ１８の光軸Ｌと略直交する平坦な第１面を有し、図中のＸ方向における一定範囲外において、断面鋸歯状の凹凸面からなる第２面を有する。

図示の例では構成を分かりやすくするために第１平板状プリズム２１ａ及び第２平板状プリズム２２ａを液晶素子１５ｄと離間させて示しているが、第１平板状プリズム２１ａと第２平板状プリズム２２ａはそれぞれ液晶パネル部２０と密着させて配置することが好ましい。またその場合には、第１平板状プリズム２１ａ、第２平板状プリズム２２ａの各々と液晶パネル部２０との間は光学マッチング可能な接着剤を配置して接合を図ることが好ましい。それにより、界面での光損失を抑制できる。

図９（Ｂ）に示す第１平板状プリズム２１ａは、上記した図９（Ａ）に示した第１プリズム２２の他面における第２面を複数領域に分割してフレネルレンズのように構成したものであり、Ｘ方向両側に鋸歯状の微細な凹凸構造を有する。第１平板状プリズム２１ａにおいて、凹凸構造を構成する各微細プリズムの偏光ビームスプリッタ１２と対向する面の傾斜角度は、上記した図９（Ａ）に示した第１プリズム２１の第２面を擬似的に再現可能な角度分布を持つ。ここでいう「擬似的に再現可能」とは、鋸歯状の凹凸構造によって形成される面をつなぎ合わせたとすると、図９（Ａ）に示した第１プリズム２１の第２面と同じ面が得られ、光学的に同等の機能を得られるという意味である。凹凸構造の面の傾斜角度は、Ｘ方向両端に近づくほど大きくなる。

同様に、第２平板状プリズム２２ａは、上記した図９（Ａ）に示した第２プリズム２２の他面における第２面を複数領域に分割してフレネルレンズのように構成したものであり、Ｘ方向両側に鋸歯状の微細な凹凸構造を有する。第２平板状プリズム２２ａにおいて、凹凸構造を構成する各微細プリズムの偏光板１７と対向する面の傾斜角度は、上記した図９（Ａ）に示した第２プリズム２２ａの第２面を擬似的に再現可能な角度分布を持つ。ここでいう「擬似的に再現可能」とは、鋸歯状の凹凸構造によって形成される面をつなぎ合わせたとすると、図９（Ａ）に示した第２プリズム２２の第２面と同じ面が得られ、光学的に同等の機能を得られるという意味である。凹凸構造の面の傾斜角度は、Ｘ方向両端に近づくほど大きくなる。

なお、第１プリズム２１ａ、第２プリズム２２ａにおける各第２面の湾曲する方向については、図示の例では一方向であったがこれを二方向に湾曲させることも可能である。第１プリズム２１ａと第２プリズム２２ａの各々の材質は、例えばガラス、石英、アクリル樹脂などを用いることができる。また、平板ガラス基板上に紫外線効果型樹脂などを用いて金型でモールドしてもよい。

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。また、液晶素子の構成についても上記した実施形態の構成に限定されない。また、上記した実施形態（図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示す実施形態）では、液晶パネル部２０と偏光ビームスプリッタ１２の間に第１プリズム２１ないし第１平板状プリズム２１ａを配置していたが、偏光ビームスプリッタ１２と第１プリズム２１ないし第１平板状プリズム２１ａの位置を入れ替えてもよい。すなわち、第１プリズム２１ないし第１平板状プリズム２１ａと液晶パネル部２０との間に偏光ビームスプリッタ１２を配置してもよい。同様に、偏光板１７と第２プリズム２２ないし第２平板状プリズム２２ａの位置を入れ替え、第２プリズム２２ないし第２平板状プリズム２２ａと液晶パネル部２０との間に偏光板１７を配置してもよい。

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、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ：液晶素子、１６：光学補償板、１７：偏光板、１８：投影レンズ、２０：液晶パネル部、２１：第１プリズム、２１ａ：第１平板状プリズム、２２：第２プリズム、２２ａ：第２平板状プリズム、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 (8)

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、
   液晶層を備え、前記焦点を含む位置に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、前記焦点の位置を含む範囲であって前記投影レンズの光軸に対して略直交する第１面と、当該第１面の周囲に配置されており前記投影レンズの光軸に対して傾斜する方向に配置された少なくとも１つの第２面とを有しており、
   前記第２面は、前記液晶素子の最良視認方位又は当該最良視認方位を基準に方位角方向において±９０°以下の範囲内の方位から前記液晶素子の前記液晶層へ前記光が入射するように配置される、
   照明装置。
2. 前記液晶素子は、対向配置される基板間に前記液晶層を配置して構成されており、
   前記液晶層は、平坦な第１部位と、屈曲又は湾曲した第２部位とを有しており。
   前記第１面は、前記第１部位に設けられ、
   前記第２面は、前記第２部位に設けられる、
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記液晶素子は、対向配置される基板間に配置された平板状の前記液晶層を有する平板状の液晶パネル部と、当該液晶パネル部と前記第１偏光素子との間に配置される第１プリズムと、当該液晶パネル部と前記第２偏光素子との間に配置される第２プリズムを有しており、
   前記第１プリズムは、前記第１偏光素子と対向する側に前記第１面及び前記第２面が設けられ、
   前記第２プリズムは、前記第２偏光素子と対向する側に前記第１面及び前記第２面が設けられる、
   請求項１に記載の照明装置。
4. 前記液晶素子は、対向配置される基板間に配置された平板状の前記液晶層を有する平板状の液晶パネル部と、当該液晶パネル部と前記第１偏光素子との間に配置される第１平板状プリズムと、当該液晶パネル部と前記第２偏光素子との間に配置される第２平板状プリズムを有しており、
   前記第１平板状プリズムは、前記第１偏光素子と対向する側に前記第１面及び前記第２面が設けられ、
   前記第２平板状プリズムは、前記第２偏光素子と対向する側に前記第１面及び前記第２面が設けられ、
   前記第１平板状プリズムの前記第２面および前記第２平板状プリズムの前記第２面は、各々、断面鋸歯状の凹凸構造によって擬似的に構成されている、
   請求項１に記載の照明装置。
5. 前記第１平板状プリズムは、前記断面鋸歯状の凹凸構造の前記第１偏光素子と対向する面をつなぎ合わせたとすると前記第２面が再現され、光学的に同等の機能を得られるものであり、
   前記第２平板状プリズムは、前記断面鋸歯状の凹凸構造の前記第２偏光素子と対向する面をつなぎ合わせたとすると前記第２面が再現され、光学的に同等の機能を得られるものである、
   請求項４に記載の照明装置。
6. 前記第１偏光素子及び／又は前記第２偏光素子は、ワイヤーグリッドを有する透過反射型偏光板又は光学多層膜偏光板である、
   請求項１～５の何れか１項に記載の照明装置。
7. 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１～６の何れか１項に記載の照明装置。
8. 請求項１～７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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