JP7447359B2 - 照明装置および光学素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態の一つは、照明装置とその駆動方法に関する。例えば、本発明の実施形態の一つは、光の照射領域に文字や絵などのパターンを表現可能な照明装置とその駆動方法に関する。

光源から出射される光を変調する、あるいは一部を物理的に遮光することにより、光源からの光が照射される領域（以下、照射領域と記す）に様々な文字や絵などを表現することができる照明装置が知られている（特許文献１から３参照）。

特開２００９－１４５７１８号公報 特開２００４－６２１２２号公報 特開２０１１－４４３２８号公報

本発明の実施形態の一つは、消費電力の増大を招くことなく、光の射出方向を多様に変化させることによって照射領域に文字や絵などのパターンを表現可能な照明装置を提供することを課題の一つとする。

本発明の実施形態の一つは、照明装置である。この照明装置は、光源、光源上の第１の液晶セル、および第１の液晶セル上の第２の液晶セルを備える。第１の液晶セルと第２の液晶セルの各々は、第１の基板、複数の第１の下部電極、複数の第２の下部電極、第１の液晶層、および第２の基板を有する。第１の基板は第１の領域と第２の領域を有する。複数の第１の下部電極は、第１の領域上に位置し、列方向に延伸する。複数の第２の下部電極は、第２の領域上に位置し、列方向に延伸する。第１の液晶層は、複数の第１の下部電極と複数の第２の下部電極上に位置する。第２の基板は第１の液晶層上に位置する。複数の第１の下部電極と複数の第２の下部電極は、互いに独立して駆動される。

本発明の実施形態の一つは、光学素子である。光学素子は、第１の基板、複数の第１の下部電極、複数の第２の下部電極、液晶層、第２の基板、複数の第１の上部電極、および複数の第２の上部電極を備える。第１の基板は、第１の領域と第２の領域を有する。複数の第１の下部電極は、第１の領域上に位置し、列方向に延伸する。複数の第２の下部電極は、第２の領域上に位置し、列方向に延伸する。液晶層は、複数の第１の下部電極と複数の第２の下部電極上に位置する。第２の基板は、液晶層を介して第１の基板に対向し、第１の領域と第２の領域とそれぞれ重なる第３の領域と第４の領域を有する。複数の第１の上部電極は、第３の領域下に位置し、行方向に延伸する。複数の第２の上部電極は、第４の領域下に位置し、行方向に延伸する。複数の第１の下部電極、複数の第２の下部電極、複数の第１の上部電極、および複数の第２の上部電極は、互いに独立して駆動される。

本発明の実施形態に係る照明装置の模式的斜視図。 本発明の実施形態に係る照明装置の光源の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の光源の模式的斜視図。 本発明の実施形態に係る照明装置の光源の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的展開斜視図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の液晶セルの動作原理を説明する模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の照射領域を示す模式的図。 本発明の実施形態に係る照明装置のタイミングチャート。 本発明の実施形態に係る照明装置の照射領域を示す模式的図。 本発明の実施形態に係る照明装置のタイミングチャート。 本発明の実施形態に係る照明装置の照射領域を示す模式的図。 本発明の実施形態に係る照明装置のタイミングチャート。 本発明の実施形態に係る照明装置の照射領域を示す模式的図。 本発明の実施形態に係る照明装置のタイミングチャート。 本発明の実施形態に係る照明装置の照射領域を示す模式的図。 本発明の実施形態に係る照明装置の模式的斜視図。 本発明の実施形態に係る照明装置の光源の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の光源の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の模式的斜視図。 本発明の実施形態に係る照明装置の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る照明装置の模式的展開斜視図。

以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。同一、あるいは類似する複数の構造を総じて表す際にはこの符号が用いられ、これらを個々に表す際には符号の後にハイフンと自然数が加えられる。また、一つの構造の一部を示す際には、符号の後に小文字のアルファベットを付すことがある。

本明細書および請求項において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。

本明細書および請求項において、二つの構造体が「直交する」という表現は、二つの構造体が垂直（９０°）に交差する状態のみならず、９０°±１０°の角度で交差する状態も含む。

本明細書および請求項において、「ある構造体が他の構造体から露出する」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない態様を意味し、この他の構造体によって覆われていない部分は、さらに別の構造体によって覆われる態様も含む。また、この表現で表される態様は、ある構造体が他の構造体と接していない態様も含む。

＜第１実施形態＞
本実施形態では、本発明の実施形態の一つである光学素子、および光学素子を備える照明装置１００とその駆動方法について説明する。

１．照明装置の全体構造
図１に照明装置１００の模式的斜視図を示す。図１に示すように、照明装置１００は、基本的な構成として、光源１１０、光源１１０と重なり、光源１１０上に設けられる二つの光学素子を有する。一方の光学素子は光源１１０上の第１の液晶セル１２０－１であり、他方は第１の液晶セル１２０－１と重なり、第１の液晶セル１２０－１上に設けられる第２の液晶セル１２０－２である。第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２は、直接接してもよく、あるいは図示しない接着層を介して互いに固定されてもよい。

１－１．光源
光源１１０は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を支持するとともに、ビーム内の光線が平行となった光（コリメート光とも称する）、または拡散性の低い光（直進性が強い光）を生成し、その上方に射出する機能を備える。この光は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２に供給される。したがって、例えば図１の鎖線Ａ－Ａ´に沿った光源１１０の端面の模式図（図２）に示すように、光源１１０は、筐体１１２、筐体１１２内に配置される一つまたは複数の発光素子１１４、および発光素子１１４からの光を収束させる一つまたは複数のレンズ１１６を備えることができる。

筐体１１２は、金属、プラスチック、あるいは木材を材料として含み、内部表面の可視光に対する反射率が高くなるように構成される。例えば、筐体１１２の内部表面には、アルミニウムや銀、金、クロム、ステンレスなどの金属を含む膜、酸化チタンや酸化タンタルなどの高屈折材料を含む薄膜と酸化ケイ素やフッ化マグネシウムなどの低屈折率材料を含む薄膜の積層体などを配置してもよい。筐体１１２の形状や厚さ、大きさは任意であり、照明装置１００に求められる性能（照射領域の大きさ、レンズ１１６の光学特性など）によって適宜設定すればよい。

レンズ１１６は、一つまたは複数の発光素子１１４と重なるように配置すればよく、その光学特性も、発光素子１１４からの光の拡散の程度、発光素子１１４からの距離などに応じて適宜設定すればよい。

あるいは、図３Ａと図３Ａの鎖線Ｂ－Ｂ´に沿った端面の模式図（図３Ｂ）に示すように、一つまたは複数の発光素子１１４からの光が筐体１１２の内部表面で反射してコリメート光または拡散性の低い光を与えるよう、筐体１１２の内部に傾斜面１１２ａを設けてもよい。この場合においても、光を収束させるためのレンズ１１６をさらに設けてもよい。

発光素子１１４は、電流を供給することで発光する機能を有する素子であり、その構造に制約はない。典型的な例として、発光ダイオード（ＬＥＤ）が挙げられる。発光ダイオードは、例えば窒化ガリウム、インジウムを含む窒化ガリウムなどの無機発光体を一対の電極で挟持した電界発光素子、および電解発光素子を保護する保護膜を基本的な構造として有し、電界発光（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）によって可視光を発光するように構成される。

発光素子１１４の発光色も任意に選択することができる。例えば、白色発光を与える発光素子１１４を一つまたは複数筐体１１２内に配置してもよく、あるいは赤色発光の発光素子１１４、緑色発光の発光素子１１４、青色発光の発光素子１１４を設け、これらの発光素子１１４からの光を混合して白色を含む種々の色の発光が得られるように光源１１０を構成してもよい。

各発光素子１１４の大きさに制約はなく、例えば、それぞれの占有面積が１．０×１０^４μｍ^２以上１．０×１０^６μｍ^２以下、４．０×１０^４μｍ^２以上５．０×１０^５μｍ^２以下、あるいは９．０×１０^４μｍ^２以上２．５×１０^５μｍ^２以下の発光ダイオードを用いることができる。一例として大きさが３２０μｍ×３００μｍ程度の所謂マイクロＬＥＤを発光素子１１４として用いることができる。

１－２．液晶セル
上述したように、照明装置１００では、少なくとも二つの液晶セル１２０が光源１１０上に配置される。二つの液晶セル１２０の模式的な展開斜視図を図４に示す。二つの液晶セル１２０の構造は同一でもよく、異なってもよい。図４に示すように、液晶セル１２０の各々は、第１の基板１２２と第１の基板１２２に対向する第２の基板１３０を備え、これらの間に液晶素子を構成する種々の要素（複数の第１の下部電極１３６、複数の第２の下部電極１３８、複数の第１の上部電極１４０、複数の第２の上部電極１４２、液晶層１５４、第１の配向膜１５０、第２の配向膜１５２など）が配置される。

（１）第１の基板と第２の基板
第１の基板１２２と第２の基板１３０は、液晶セル１２０に機械的強度を与えるための基材として機能するとともに、液晶層１５４が封止される空間を提供する。第１の基板１２２と第２の基板１３０は、光源１１０からの光を透過させて照明機能を発現するため、発光素子１１４からの光に対して高い透過率を示す材料を含むことが好ましい。したがって、例えばガラスや石英、またはポリイミドやポリカルボナート、ポリエステル、アクリル樹脂などの高分子材料を含むように第１の基板１２２と第２の基板１３０を構成することが好ましい。

図５に模式的に示すように、各第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２のそれぞれにおいて、第１の基板１２２は複数の領域に区分することができる。同様に、図８に示すように、各第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２のそれぞれにおいて、第２の基板１３０も複数の領域に区分することができる。第１の基板１２２と第２の基板１３０において領域の数に制限はなく、例えば２以上２０以下、２以上１０以下、または２以上５以下でもよい。また、各領域の形状も任意に設定すればよい。図５と図８で示された例では、雲型形状の領域とそれを囲む形状の領域が形成されている。好ましくは、第１の基板１２２と第２の基板１３０がそれぞれ有する領域の数は同一であり、各領域は第１の基板１２２と第２の基板１３０の間で同一の形状、大きさ、配置を備える。この場合、第１の基板１２２の複数の領域が、それぞれ第２の基板１３０の対応する領域と重なる。以下、第１の基板１２２が二つの領域（第１の領域１２４と第２の領域１２６）を備え、第２の基板１３０も二つの領域（第３の領域１３２と第４の領域１３４）を備える例を用いて説明する。第１の領域１２４と第３の領域１３２の形状は互いに同じであり、互いに全体的に重なる。同様に、第２の領域１２６と第４の領域１３４の形状も互いに同じであり、互いに全体的に重なる。また、第１の基板１２２と第２の基板１３０の主面がｘｙ平面であり、便宜上、ｘ方向を行方向、ｘ方向に直交するｙ方向を列方向と呼ぶ。ｘｙ平面の法線方向をｚ方向とする。例えばｘ方向とｙ方向は、第１の基板１２２または第２の基板１３０の辺と平行な方向である。

（２）下部電極と上部電極
図５に示すように、各液晶セル１２０は、第１の基板１２２上に複数の列を有するストライプ状に配置された複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８を有する。複数の第１の下部電極１３６は第１の領域１２４に配置され、複数の第２の下部電極１３８は第２の領域１２６に配置される。換言すると、ｘｙ平面において複数の第１の下部電極１３６の全てを選択的に囲む単一の領域が第１の領域１２４であり、複数の第２の下部電極１３８を選択的に囲む単一の領域が第２の領域１２６である。図５に示すように、第１の領域１２４は、第２の領域１２６に囲まれていてもよく、図示しないが第２の領域１２６が、第１の領域１２４に囲まれていてもよい。あるいは、一方の領域が他方を完全に囲まないように第１の領域１２４と第２の領域１２６を配置してもよい。

複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８は、いずれも一方向、すなわち列方向（図５に示す例ではｙ方向）に延伸する。各列では、単一の第１の下部電極１３６のみが配置されてもよく、複数の第１の下部電極１３６がｙ方向において重なるように配置されてもよい。同様に、各列では、単一の第２の下部電極１３８のみが配置されてもよく、あるいは複数の第２の下部電極１３８がｙ方向において重なるように配置されてもよい。また、ｙ方向において第１の領域１２４と第２の領域１２６が重なる場合、ｙ方向において隣接する二つの第２の下部電極１３８によって一つまたは複数の第１の下部電極１３６が挟まれてもよい。

同様に、図８に示すように、各液晶セル１２０は、第２の基板１３０上に複数の行を有するストライプ状に配置された複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２を有する。複数の第１の上部電極１４０は第３の領域１３２に配置され、複数の第２の上部電極１４２は第４の領域１３４に配置される。換言すると、ｘｙ平面において複数の第１の上部電極１４０の全てを選択的に囲む単一の領域が第３の領域１３２であり、複数の第２の上部電極１４２を選択的に囲む単一の領域が第４の領域１３４である。図８に示すように、第３の領域１３２は、第４の領域１３４に囲まれていてもよく、図示しないが第３の領域１３２が第４の領域１３４に囲まれていてもよい。あるいは、一方の領域が他方を完全に囲まないように第３の領域１３２と第４の領域１３４を配置してもよい。

なお、本実施形態においては、複数の第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８が列方向（ｙ方向）にストライプ状に延伸し、複数の第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２が行方向（ｘ方向）に延伸するが、各電極は、全体としては行方向または列方向に延伸しているものの、１箇所は複数個所でわずかに屈曲する構成を有することも可能である。また、第１の下部電極１３６と第２の下部電極のそれぞれの延伸方向も、ｙ方向に対して１～１０°程度の角度を有しても構わない。また、第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２のそれぞれの延伸方向も、ｘ方向に対して１～１０°程度の角度を有しても構わない。

複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２は、いずれも一方向、すなわち行方向（図８に示す例ではｘ方向）に延伸する。各行では、単一の第１の上部電極１４０のみが配置されてもよく、複数の第１の上部電極１４０がｘ方向において重なるように配置されてもよい。同様に、各行では、単一の第２の上部電極１４２のみが配置されてもよく、あるいは複数の第２の上部電極１４２がｘ方向において重なるように配置されてもよい。また、ｘ方向において第３の領域１３２と第４の領域１３４が重なる場合、ｘ方向において隣接する二つの第２の上部電極１４２によって一つまたは複数の第１の上部電極１４０が挟まれてもよい。

図示しないが、複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８は、いずれも行方向に延伸するように配置してもよい。この場合、複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２は、いずれも列方向に延伸する。

詳細は後述するが、光源１１０から入射する光は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を通過し、照明装置１００から出射する。このため、液晶セル１２０に高い透光性を付与するため、第１の下部電極１３６、第２の下部電極１３８、第１の上部電極１４０、および第２の上部電極１４２は、いずれもインジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）やインジウム－亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの可視光に対して高い透過率を示す導電性酸化物で形成することが好ましい。

第１の下部電極１３６、第２の下部電極１３８、第１の上部電極１４０、および第２の上部電極１４２には、いずれも一定電圧またはパルス状の交流電圧が与えられる。交流電圧の場合、複数の第１の下部電極１３６には、行方向で隣接する第１の下部電極１３６間で位相が反転するように交流電圧が与えられる。他の電極についても同様である。すなわち、複数の第２の下部電極１３８には、行方向で隣接する第２の下部電極１３８間で位相が反転するように交流電圧が与えられ、複数の第１の上部電極１４０は、列方向で隣接する第１の上部電極１４０間で位相が反転するように交流電圧が与えられ、複数の第２の上部電極１４２は、列方向で隣接する第２の上部電極１４２間で位相が反転するように交流電圧が与えられる。なお、列方向で重なる複数の第１の下部電極１３６に対しては、互いに同位相の交流電圧が与えられ、列方向で重なる複数の第２の下部電極１３８に対しても互いに同位相の交流電圧が与えられる。同様に、行方向で重なる複数の第１の上部電極１４０に対しては、互いに同位相の交流電圧が与えられ、行方向で重なる複数の第２の上部電極１４２に対しても互いに同位相の交流電圧が与えられる。

各液晶セル１２０では、第１の下部電極１３６、第２の下部電極１３８、第１の上部電極１４０、および第２の上部電極１４２は領域ごとに駆動することができる（エリア駆動）。具体的には、第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８は、互いに独立して駆動することができる。このため、例えば複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８に同時に同一電圧または異電圧の交流電圧を与えることもでき、あるいは複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８の一方を非動作（すなわち、電圧を与えない、または一定電圧を与える）としつつ、他方に交流電圧を与えることもできる。同様に、第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２も互いに独立して駆動することができる。このため、例えば複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２に同時に同一電圧または異電圧の交流電圧を与えることもでき、複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２の一方を非動作（すなわち、電圧を与えない、または一定電圧を与える）としつつ、他方に交流電圧を与えることもできる。

上述したエリア駆動を実現するための配線構造の一例を図６Ａから図１０Ｂを用いて説明する。図６Ａから図７Ｂは、それぞれ図５の鎖線Ｃ－Ｃ´、Ｄ－Ｄ´、Ｅ－Ｅ´、Ｆ－Ｆ´に沿った端面の模式図である。図９Ａから図１０Ｂは、それぞれ図８の鎖線Ｇ－Ｇ´、Ｈ－Ｈ´、Ｊ－Ｊ´、Ｋ－Ｋ´に沿った端面の模式図である。

図６Ａと図６Ｂから理解されるように、第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８に一定電圧または交流電圧を供給するための信号線（第１の信号線１６４、第２の信号線１６６、第３の信号線１６８、第４の信号線１７０）が第１の基板１２２の辺に沿うように配置される。これらの信号線は、アルミニウムや銅、タンタル、タングステン、チタン、モリブデンなどの金属またはこれらの金属の少なくとも一つを含む合金などによって形成され第１の基板１２２と接するように、または下地膜１４６を介して第１の基板１２２上に設けられる。下地膜１４６は、窒化ケイ素や酸化ケイ素などのケイ素含有無機化合物を含む一つまたは複数の膜によって形成すればよい。これらの信号線の上には、層間絶縁膜１４８が形成される。層間絶縁膜１４８も、ケイ素含有無機化合物を含む一つまたは複数の膜によって形成してもよく、あるいはエポキシ樹脂やアクリル樹脂、ポリイミド、ポリアミド、シリコン樹脂などの高分子化合物を用いて形成してもよい。

複数の第１の下部電極１３６のうち行方向において一つ置きに選択される第１の下部電極１３６は、層間絶縁膜１４８に形成される開口を介し、第３の信号線１６８と電気的に接続される（図６（Ａ））。これらの第１の下部電極１３６は、第３の信号線１６８と直接接続されてもよく、あるいは図６（Ａ）に示すように、第３の信号線１６８とは異なる層に存在する配線１７２を介して第３の信号線１６８と接続されてもよい。第３の信号線１６８と配線１７２は、第２の下部電極１３８と重なってもよい。一方、残りの第１の下部電極１３６は、層間絶縁膜１４８に形成される開口を介し、第４の信号線１７０と電気的に接続される（図６（Ｂ））。これらの第１の下部電極１３６は、第４の信号線１７０と直接接続されてもよく、あるいは図６（Ｂ）に示すように、第４の信号線１７０とは異なる層に存在する配線１７４を介して第４の信号線１７０と接続されてもよい。第３の信号線１６８と第４の信号線１７０には、一定電圧、または互いに位相が反転したパルス状の交流電圧が供給される。このため、第３の信号線１６８と第４の信号線１７０に対して交流電圧が供給される場合、行方向において隣合う第１の下部電極１３６に与えられる交流電圧は、互いに位相が反転する。

複数の第２の下部電極１３８のうち行方向において一つ置きに選択される第２の下部電極１３８は、層間絶縁膜１４８に形成される開口を介し、第１の信号線１６４と電気的に接続される（図６（Ａ））。これらの第２の下部電極１３８は、第１の信号線１６４と直接接続されてもよく、図示しない配線などを介して第１の信号線１６４と接続されてもよい。一方、残りの第２の下部電極１３８は、層間絶縁膜１４８に形成される開口を介し、第２の信号線１６６と電気的に接続される（図６（Ｂ））。これらの第２の下部電極１３８も、第２の信号線１６６と直接接続されてもよく、あるいは図示しない配線を介して第２の信号線１６６と接続されてもよい。第１の信号線１６４と第２の信号線１６６には、一定電圧または互いに位相が反転したパルス状の交流電圧が供給される。このため、第１の信号線１６４と第２の信号線１６６に対して交流電圧が供給される場合、行方向において隣合う第２の下部電極１３８に与えられる交流電圧は、互いに位相が反転する。

図７Ａと図７Ｂに示すように、配線１７２や配線１７４は、一部がｘ方向に延伸するように構成してもよい。この構成を採用することで、行方向において一つ置きに選択される第１の下部電極１３６を配線１７２を介して第３の信号線１６８と接続し、残りの第１の下部電極１３６を配線１７４を介して第４の信号線１７０と接続することができる。

第２の基板１３０についても同様の配線配置を採用することができる。具体的には、図９Ａと図９Ｂから理解されるように、第２の基板１３０には、第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２に一定電圧または交流電圧を供給するための信号線（第５の信号線１８０、第６の信号線１８２、第７の信号線１８４、第８の信号線１８６）が第２の基板１３０の辺に沿って配置される。これらの信号線も、第１の信号線１６４から第４の信号線１７０で用いることができる材料を用いて形成され、第２の基板１３０と接するように、または下地膜１７６を介して第２の基板１３０上（図９Ａから図１０Ｂでは第２の基板１３０の下）に設けられる。下地膜１７６もケイ素含有無機化合物を含む一つまたは複数の膜によって形成すればよい。これらの信号線の上には、層間絶縁膜１７８が形成される。層間絶縁膜１７８も、層間絶縁膜１４８で使用可能な材料を用いて形成
すればよい。

複数の第１の上部電極１４０のうち列方向において一つ置きに選択される第１の上部電極１４０は、層間絶縁膜１７８に形成される開口を介し、第７の信号線１８４と電気的に接続される（図９（Ａ））。これらの第１の上部電極１４０は、第７の信号線１８４と直接接続されてもよく、あるいは図９（Ａ）に示すように、第７の信号線１８４とは異なる層に存在する配線１８８を介して第７の信号線１８４と接続されてもよい。第７の信号線１８４と配線１８８は、第２の上部電極１４２と重なってもよい。一方、残りの第１の上部電極１４０は、層間絶縁膜１７８に形成される開口を介し、第８の信号線１８６と電気的に接続される（図９（Ｂ））。これらの第１の上部電極１４０は、第８の信号線１８６と直接接続されてもよく、あるいは図９（Ｂ）に示すように、第８の信号線１８６とは異なる層に存在する配線１９０を介して第８の信号線１８６と接続されてもよい。第７の信号線１８４と第８の信号線１８６には、一定電圧または互いに位相が反転したパルス状の交流電圧が供給される。このため、第７の信号線１８４と第８の信号線１８６に交流電圧が供給される場合、列方向において隣合う第１の上部電極１４０に与えられる交流電圧は、互いに位相が反転する。

複数の第２の上部電極１４２のうち列方向において一つ置きに選択される第２の上部電極１４２は、層間絶縁膜１７８に形成される開口を介し、第５の信号線１８０と電気的に接続される（図９（Ａ））。これらの第２の上部電極１４２は、第５の信号線１８０と直接接続されてもよく、図示しない配線などを介して第５の信号線１８０と接続されてもよい。一方、残りの第２の上部電極１４２は、層間絶縁膜１７８に形成される開口を介し、第６の信号線１８２と電気的に接続される（図９（Ｂ））。これらの第２の上部電極１４２も、第６の信号線１８２と直接接続されてもよく、あるいは図示しない配線を介して第６の信号線１８２と接続されてもよい。第５の信号線１８０と第６の信号線１８２には、一定電圧または互いに位相が反転したパルス状の交流電圧が供給される。このため、第５の信号線１８０と第６の信号線１８２に交流電圧が供給される場合、列方向において隣合う第２の上部電極１４２に与えられる交流電圧は、互いに位相が反転する。

図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、配線１８８や配線１９０は、一部がｘ方向に延伸するように構成してもよい。この構成を採用することで、列方向において一つ置きに選択される第２の上部電極１４２を配線１８８を介して第７の信号線１８４と接続し、残りの第２の上部電極１４２を配線１９０を介して第８の信号線１８６と接続することができる。

図示しないが、第１の基板１２２と第２の基板１３０に設けられる領域数が３以上の場合には、さらに信号線が設けられる。具体的には、第１の基板１２２と第２の基板１３０の領域数をそれぞれｎとすると（ｎは２以上の自然数）、第１の基板１２２と第２の基板１３０のそれぞれには、２ｎの信号線を設けることができる。なお、本明細書中では、同一の機能を有する信号線には同一の符号が付されており、同一の符号が付された信号線が複数に分割されている場合でも、これらの信号線は同一であるとする。

第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８の幅（長手方向であるｙ方向と交差するｘ方向の長さ）は、例えば２μｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択され、行方向で隣合う第１の下部電極１３６間の距離、第２の下部電極１３８間の距離、および第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８間の距離も例えば２μｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択すればよい。典型的な例として、第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８の各々の幅と行方向におけるピッチは、それぞれ５μｍ、１０μｍとすることができる。

第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２についても同様であり、これらの幅（長手方向であるｘ方向と交差するｙ方向の長さ）は、例えば２μｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択され、列方向で隣接する第１の上部電極１４０間の距離、第２の上部電極１４２間の距離、および第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２間の距離も例えば２μｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択すればよい。典型的な例として、第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２の各々の幅と列方向におけるピッチは、それぞれ５μｍ、１０μｍとすることができる。

（３）第１の配向膜、第２の配向膜、および液晶層
複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８上には第１の配向膜１５０が設けられ（図６Ａ、図６Ｂ）、複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２の上（図９Ａから図１０Ｂでは複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２の下）には第２の配向膜１５２が設けられる（図９Ａ、図９Ｂ）。第１の基板１２２と第２の基板１３０は封止材１２８によって貼り合わされ、固定される（図１１）。第１の基板１２２、第２の基板１３０、および封止材１２８によって形成される空間には液晶層１５４が充填される。

第１の配向膜１５０と第２の配向膜１５２は、ポリイミドやポリエステルなどの高分子を含み、これらの表面はラビング処理される。ラビング処理は、第１の配向膜１５０の配向方向が第１の下部電極１３６や第２の下部電極１３８が延伸する方向に対して所定の角度あるいは垂直で交差する（図５の矢印参照）。また、第２の配向膜１５２の配向方向が第１の上部電極１４０や第２の上部電極１４２が延伸する方向に対して所定の角度あるいは垂直で交差する（図８の矢印参照）。したがって、第１の配向膜１５０の配向方向と第２の配向膜１５２の配向方向は所定の角度で交差あるいは直交する。ここで、配向方向とは、配向膜の影響によって液晶分子が無電界状態で配向するときの液晶分子の長軸方向である。なお、ラビング処理に替えて、光配向によって第１の配向膜１５０と第２の配向膜１５２の配光制御方向を制御してもよい。光配向は、光を用いたラビングレスの配向処理であり、例えば、紫外領域の偏光を所定方向からラビング処理していない配向膜に照射する。これによって配向膜中で光反応を生じさせ、その配向膜表面に異方性を導入して液晶配向制御能を付与する。

液晶層１５４には液晶分子が含まれる。液晶分子の構造は限定されない。したがって、液晶分子はネマチック液晶でもよく、あるいはスメクチック液晶、コレステリック液晶、キラルスメチック液晶でもよい。

液晶層１５４の厚さｄ（図１１参照）、すなわち、第１の配向膜１５０と第２の配向膜１５２との間の距離も任意であるが、第１の下部電極１３６や第２の下部電極１３８、第１の上部電極１４０、第２の上部電極１４２のピッチよりも大きいことが好ましい。例えば、液晶層１５４の厚さｄは、これらの電極のピッチに対して２倍以上１０倍以下、２倍以上５倍以下、または２倍以上３倍以下に設定することが好ましい。具体的な液晶層１５４の厚さは、例えば２０μｍ以上６０μｍ以下または２０μｍ以上５０μｍ以下の範囲から選択すればよい。図示しないが、この厚さを照明装置１００の全体に亘って維持するためのスペーサを液晶層１５４内に設けてもよい。なお、上述した液晶層１５４の厚さを液晶表示装置において採用した場合、動画を表示するために必要な高い液晶応答性を得ることができず、液晶表示装置としての機能を発現することは困難となる。

（４）その他の構成
各液晶セル１２０において、第１の基板１２２上には、照明用の一定電圧または交流電圧を生成して第１の信号線１６４から第８の信号線１８６へ供給するための駆動回路１４４が設けられる（図４）。駆動回路１４４は、第１の基板１２２上でパターニングされた種々の導電膜、半導体膜、導電膜を適宜組み合わせることで形成してもよく、あるいは半導体基板上に形成される集積回路を備えるＩＣチップを第１の基板１２２上に搭載することで形成してもよい。あるいは、駆動回路１４４を第１の基板１２２上に設けず、第１の信号線１６４から第８の信号線１８６に接続されるフレキシブル印刷基板（ＦＰＣ）などのコネクタ上にＩＣチップを駆動回路１４４として設けてもよい。

２．動作原理
上述したように、発光素子１１４から出射される光は、第１の液晶セル１２０－１を通過し、さらに第２の液晶セル１２０－２を通過して照明装置１００から出射する。各液晶セル１２０には、ストライプ状に配置された複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８、液晶層１５４、およびストライプ状に配置され、第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８と交差する複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２が設けられる。このため、これらの電極に印加される電圧を制御することにより、液晶層１５４をある種の液晶レンズとして機能させることができる。また、第１の領域１２４、第２の領域１２６、第３の領域１３２、および第４の領域１３４に配置される電極は、互いに独立して制御される。その結果、第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光と第２の領域１２６と第４の領域１３４を通過する光を個別に拡散させることができるため、光源１１０から二つの液晶セル１２０を介して取り出される光の照射領域を多様に、かつ、任意に制御することができる。また、各領域の形状を反映させたパターンを照射領域に表現することができる。以下、照明装置１００の動作原理と駆動方法について説明する。ここで、「照射領域」とは、照明装置１００を駆動した際に対象物上に光が照射される領域を指す。ただし、光の進行方向と対象物上の面の角度や照明装置１００と対象物との距離により、照射領域は変化する。したがって、「照射領域」とは、液晶セル１２０の第２の基板１３０の主面の法線に対して垂直な平面（照射面）に照明装置１００からの光が照射される領域と定義される。以下の説明では、第１の領域１２４と第３の領域１３２が重なる部分における動作原理と第２の領域１２６と第４の領域１３４が重なる部分における動作原理は同じであるため、前者の動作原理について説明する。

２－１．非駆動時
図１２Ａと図１２Ｂに、非駆動時における液晶セル１２０の端面の模式図を示す。図１２Ａは行方向（ｘ方向）から見た模式図であり、図１２Ｂは列方向（ｙ方向）から見た模式図である。図１２Ａと図１２Ｂにおいて、液晶分子は楕円として模式的に描かれている。

上述したように、第１の配向膜１５０と第２の配向膜１５２の配向方向は、それぞれ複数の第１の下部電極１３６と複数の第１の上部電極１４０が延伸する方向に対して直交する。このため、液晶セル１２０を駆動しない場合、すなわち、複数の第１の下部電極１３６と複数の第１の上部電極１４０に電圧を印加しない場合、または複数の第１の下部電極１３６と複数の第１の上部電極１４０にそれぞれ一定電圧を印加する場合には、液晶分子の配向は電界の影響を受けず、配向方向によって決定される。その結果、第１の下部電極１３６側では、液晶分子は長軸が第１の下部電極１３６が延伸する方向（ｘ方向）に垂直な方向（ｙ方向）に沿って配向する。一方、第１の上部電極１４０側では、液晶分子は長軸が第１の上部電極１４０が延伸する方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｘ方向）に沿って配向する。さらに、液晶分子の配向方向は、第１の基板１２２から第２の基板１３０に近づくにつれてｚ方向を中心軸として旋回し、９０°捻じれる。

２－２．駆動時
駆動時には、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の複数の第１の下部電極１３６に対し、行方向で隣接する第１の下部電極１３６間で位相が反転するようにパルス状の交流電圧が印加される。同様に、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の複数の第１の上部電極１４０に対し、列方向で隣接する第１の上部電極１４０で位相が反転するようにパルス状の交流電圧が印加される。それぞれの液晶セル１２０内で、これらの交流電圧の周波数は同一である。交流電圧は、例えば５Ｖ以上５０Ｖ以下、または５Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲から選択すればよい。交流電圧の印加により、行方向で隣接する第１の下部電極１３６間および列方向で隣接する第１の上部電極１４０間には、それぞれ図１３Ａと図１３Ｂの矢印に示すように電界（横電界）が発生する。一方、第１の下部電極１３６と第１の上部電極１４０間でも電界（縦電界）が発生するが、上述したように、液晶層１５４の厚さｄは、隣接する第１の下部電極１３６間や第１の上部電極１４０間の距離の距離と比較して大きい。このため、縦電界は横電界に対して無視することが可能であり、液晶分子が横電界に従って配向する。

液晶層１５４内に横電界が発生すると、第１の基板１２２側では、隣接する第１の下部電極１３６の間のほぼ中間に位置する液晶分子は、横電界の方向は第１の基板１２２の上面とほぼ平行であるため、初期の配向状態を保つ。しかしながら、第１の上部電極１４０に近づくにつれて電界方向がｚ方向に傾くため、液晶分子もｚ方向に傾き、その角度（チルト角）が増大する。その結果、第１の基板１２２側の液晶層中の液晶分子は、上に凸の円弧状に配向する（図１３Ａ）。第２の基板１３０側でも同様であり、隣接する第１の上部電極１４０の間のほぼ中間に位置する液晶分子は、横電界の方向は第２の基板１３０の下面とほぼ平行であるため、初期の配向状態を保つ。しかしながら、第１の上部電極１４０に近づくにつれて電界方向がｚ方向に傾くため、液晶分子もｚ方向に傾き、そのチルト角が増大する。その結果、第２の基板１３０側の液晶層中の液晶分子は、下に凸の円弧状に配向する（図１３Ｂ）。

液晶分子の配向変化により、液晶層１５４に入射した光は、第１の基板１２２側の円弧状に配向した液晶分子の屈折率分布に従って拡散し、さらに第２の基板１３０側の円弧状に配向した液晶分子の屈折率分布に従って拡散する。その結果、液晶セル１２０は光を拡散するレンズとして機能する。この光の拡散メカニズムについて、図１４を用いて詳細に説明する。図１４には、図１３Ａと図１３Ｂに示す液晶分子の配向を示した模式的斜視図、および二つの液晶セル１２０を透過する光の挙動を示す模式図が示されている。ここでは、二つの液晶セル１２０の間で、第１の下部電極１３６が延伸する方向は互いに平行であり、第１の上部電極１４０が延伸する方向も互いに平行である例をモデルとして用いて説明する。

上述したように、複数の第１の下部電極１３６に対し、隣接する第１の下部電極１３６間で互いに位相が反転するようにパルス状の交流電圧を印加し、複数の第１の上部電極１４０に対し、隣接する第１の上部電極１４０間で互いに位相が反転するようにパルス状の交流電圧を印加すると、図１４に示すように、第１の下部電極１３６側と第１の上部電極１４０側に互いに直交する横電界が発生する。その結果、液晶層中の液晶分子は、第１の基板１２２側で隣接する第１の下部電極１３６側間で上に凸に配向し、第２の基板１３０側で隣接する第１の上部電極１４０間で下に凸に配向する。また、液晶分子の配向は、第１の下部電極１３６から第１の上部電極１４０に向かうに従って９０°捻じれる。

図１４に示すように、光源１１０から出射した光は、最初に第１の液晶セル１２０－１に入射する。この光はｙ方向の偏光成分２００（図中、直線矢印）とｘ方向の偏光成分２０６（図中、丸印にバツを付した記号）を有している。以下、便宜上、液晶セル１２０に入射する前の光のｙ方向の偏光成分２００をＳ成分、ｘ方向の偏光成分２０６をＰ成分と呼び、偏光軸の回転に依存せず、この名称を使用する。

第１の下部電極１３６側では液晶分子はｙ方向に沿って配向しているため、液晶層１５４はｙ方向に屈折率分布を有する。このため、液晶層１５４に入射したＳ成分２００は、第１の下部電極１３６側のｙ方向の屈折率分布によってｙ方向に拡散する。この光は、液晶層１５４を通過する際、液晶分子の配向の捻じれによって旋光し、偏光軸がｘ方向に変化する。すると、第１の上部電極１４０側では、液晶層１５４はｘ方向に屈折率分布を有するため、この光はさらにｘ方向に拡散する。その結果、Ｓ成分２００は第１の液晶セル１２０－１の液晶層１５４を通過すると、ｘ方向とｙ方向に拡散したＳ成分２０２となる。

一方、第１の液晶セル１２０－１に入射したＰ成分２０６は、第１の下部電極１３６側においては屈折率分布はｙ方向に存在するため、屈折率分布の影響を受けず、拡散することなく液晶分子の配向の捻じれによって旋光し、偏光軸がｙ方向に変化する。また、第１の上部電極１４０側の屈折率分布はｘ方向に存在するため、偏光軸がｙ方向に変化したＰ成分２０６は屈折率分布の影響を受けない。その結果、Ｐ成分２０６は、第１の液晶セル１２０－１の液晶層１５４を通過すると、拡散せずに旋光したＰ成分２０８となる。

次に、第１の液晶セル１２０－１を通過した光を考える。上述したように、このモデルでは、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の間で第１の下部電極１３６の長手方向は互いに平行であり、第１の上部電極１４０の長手方向も互いに平行である。このため、第２の液晶セル１２０－２の液晶層１５４においても、第１の下部電極１３６側にはｙ方向に屈折率分が存在し、第１の上部電極１４０側にはｘ方向に屈折率分布が存在する。

上述したように、Ｓ成分２００は、第１の液晶セル１２０－１を通過するとｘ方向とｙ方向に拡散したＳ成分２０２となる。このＳ成分２０２は、第２の液晶セル１２０－２の第１の下部電極１３６側ではその偏光軸が屈折率分布の方向と直交するため、拡散しない。Ｓ成分２０２は、液晶層１５４を通過する間、液晶分子の配向の捻じれに応じて旋光し、偏光軸がｙ方向に変化する。しかしながら、第１の上部電極１４０側の屈折率分布はｘ方向であるため、屈折率分布の影響を受けない。その結果、Ｓ成分２０２は、第２の液晶セル１２０－２によって旋光するものの、拡散せずにＳ成分２０４となる。纏めると、光源１１０から出射するＳ成分２００は、第１の液晶セル１２０－１によってｘ方向とｙ方向に拡散するとともに旋光してＳ成分２０２となり、第２の液晶セル１２０－２によって拡散せずに旋光し、最終的にｘ方向とｙ方向に拡散したＳ成分２０４となる。

一方、第２の液晶セル１２０－２の液晶層１５４に入射したＰ成分２０８は、第１の下部電極１３６側のｙ方向の屈折率分布によってｙ方向に拡散する。この光は、液晶層１５４を通過する際、液晶分子の配向の捻じれによって旋光し、偏光軸がｘ方向になる。すると、第１の上部電極１４０側では、液晶層１５４はｘ方向に屈折率分布を有するため、この光はｘ方向に拡散する。その結果、Ｐ成分２０８は第２の液晶セル１２０－２を通過すると、旋光すると同時にｘ方向とｙ方向に拡散したＰ成分２１０となる。纏めると、光源１１０から出射するＰ成分２０６は、第１の液晶セル１２０－１によって拡散せずに旋光し、第２の液晶セル１２０－２によって旋光するとともにｘ方向とｙ方向に拡散し、最終的にｘ方向とｙ方向に拡散したＰ成分２１０となる。

液晶分子の配向の程度は第１の下部電極１３６と第１の上部電極１４０に印加される電圧によってそれぞれ制御することができるため、光の拡散の程度も第１の下部電極１３６と第１の上部電極１４０に印加される電圧によって制御することが可能である。このため、上述したメカニズムに従い、第１の下部電極１３６と第１の上部電極１４０に印加される電圧によって第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光の拡散の程度を独立に制御することができる。

なお、光の拡散は隣接する第１の下部電極１３６間と隣接する第１の上部電極１４０間に発生する横電界によって制御される。したがって、光の拡散のためには、各液晶セルにおいて隣接する第１の下部電極１３６間および／または隣接する第１の上部電極１４０間に電位差が与えられれば良い。このため、隣接する第１の下部電極１３６に対して異なる電圧の一定電圧を印加してもよく、あるいは、一つ置きに選択される複数の第１の下部電極１３６に交流電圧を与え、残りの第１の下部電極１３６に一定電圧を与えてもよい。第１の上部電極１４０についても同様である。

３．配光制御
上述したメカニズムを利用することにより、光源１１０からの照射領域を任意に制御するとともに、第１の領域１２４から第４の領域１３４の形状が反映されたパターンを照射面上に表現することができる。このことを以下説明する。

以下の説明では、図１５Ａに示すように、各液晶セル１２０では、一つ置きに選択される複数の第１の下部電極１３６に対して交流電圧Ｖ_{１３６－１}が、残りの複数の第１の下部電極１３６に対して交流電圧Ｖ_{１３６－２}が印加されるものとする。一つ置きに選択される複数の第２の下部電極１３８に対して交流電圧Ｖ_{１３８－１}が、残りの複数の第２の下部電極１３８に対して交流電圧Ｖ_{１３８－２}が印加されるものとする。同様に、図１５Ｂに示すように、一つ置きに選択される複数の第１の上部電極１４０に対して交流電圧Ｖ_{１４０－１}が、残りの複数の第１の上部電極１４０に対して交流電圧Ｖ_{１４０－２}が印加されるものとする。一つ置きに選択される複数の第２の上部電極１４２に対して交流電圧Ｖ_{１４２－１}が、残りの複数の第２の上部電極１４２に対して交流電圧Ｖ_{１４２－２}が印加されるものとする。このモデルにおいても、二つの液晶セル１２０の間で、第１の下部電極１３６、第２の下部電極１３８、第１の上部電極１４０、および第２の上部電極１４２は、それぞれ互いに平行である。上述したように、各液晶セル１２０において形成される領域の形状は任意であるため、以下の説明の一部では、第１の領域１２４と第３の領域１３２が互いに同一の星型形状を有し、第２の領域１２６と第４の領域１３４が上記星型形状を囲む形状を有する例を用いる。

３－１．液晶セルの非駆動時
液晶セル１２０が非駆動時の場合には、隣接する電極間に電界が発生しない。このため、液晶層１５４には屈折率分布が存在しないので、Ｓ成分２００とＰ成分２０６は各液晶セル１２０によって旋光するものの、拡散効果を受けない。したがって、例えば図１６に示すように、光源１１０から出射された光は二つの液晶セル１２０を通過しても大きく広がらず、床などの照射面１０４上に比較的狭い照射領域１０２－１を与える。

３－２．液晶セルの駆動時
一例として、図１７Ａのタイミングチャートに示すように液晶セル１２０を駆動するケースを考える。ここでは、各液晶セル１２０において、複数の第１の下部電極１３６に対し、隣接する第１の下部電極１３６間で位相が反転するように交流電圧を与え、複数の第２の下部電極１３８に対し、隣接する第２の下部電極１３８間で位相が反転するように交流電圧を与える。同様に、各液晶セル１２０において、複数の第１の上部電極１４０に対し、隣接する第１の上部電極１４０間で位相が反転するように交流電圧を与え、複数の第２の上部電極１４２に対し、隣接する第２の上部電極１４２間で位相が反転するように交流電圧を与える。各電圧に印加される電圧は同一である。

このように液晶セル１２０を動作させると、図１４から理解されるように、光源１１０からの光のＳ成分２００とＰ成分２０６は、二つの液晶セル１２０を通過することでｘ方向とｙ方向に拡散する。このため、照明装置１００は、二つの液晶セル１２０を駆動しない場合に形成される照射領域１０２－１と比較し、ｘ方向とｙ方向に広がった照射領域１０２－２を与える（図１７Ｂ）。また、各電圧に印加される電圧は同一であるため、第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光と第２の領域１２６と第４の領域１３４を通過する光の拡散の程度は略同一となる。このため、各領域の形状は反映されず、照射領域１０２－２における照度分布は小さい。

他の例として、図１８Ａのタイミングチャートに示すように液晶セル１２０を駆動するケースを考える。ここでは、各液晶セル１２０において、第１の下部電極１３６に対し、隣接する第１の下部電極１３６間で位相が反転するように交流電圧を与え、複数の第２の下部電極１３８に対し、隣接する第２の下部電極１３８間で位相が反転するように交流電圧を与える。一方、各液晶セル１２０において、複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２に対しては、電圧を印加しない、または一定電圧（例えば接地電圧）を与える。

この場合、各液晶セル１２０の液晶層１５４の第２の基板１３０側には横電界が発生しないので、屈折率分布も生じない。したがって、図１４から理解されるように、Ｓ成分２００とＰ成分２０６は、いずれもｘ方向にのみ拡散する。その結果、図１８Ｂに模式的に示すように、照射領域１０２－１と比較して一方向（ｘ方向）に広がった照射領域１０２－３を与える。詳細な説明は割愛するが、複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８に対して電圧を印加しない、または一定電圧（例えば接地電圧）を与え、複数の第１の上部電極１４０に対して隣接する第１の上部電極１４０間で位相が反転するように交流電圧を与え、複数の第２の上部電極１４２に対して隣接する第２の上部電極１４２間で位相が反転するように交流電圧を与えることにより、ｙ方向に広がった照射領域を得ることも可能である。また、広がりの程度は交流電圧の電圧によって制御することができる。

他の例として、図１９Ａのタイミングチャートに示すように液晶セル１２０を駆動するケースを考える。ここでは、各液晶セル１２０において、複数の第２の下部電極１３８に対し、隣接する第２の下部電極１３８間で位相が反転するように交流電圧を与え、複数の第２の上部電極１４２に対し、隣接する第２の上部電極１４２間で位相が反転するように交流電圧を与える。一方、各液晶セル１２０において、複数の第１の下部電極１３６と複数の第１の上部電極１４０に対しては、電圧を印加しない、または一定電圧を与える。

このような駆動では、第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光は拡散しない。光源１１０からはコリメートされた光が射出するため、第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光は大きく広がることは無く、照射面１０４において比較的高い照度の照射領域１０２－４を形成する。

一方、第２の領域１２６と第４の領域１３４を通過する光は、液晶層１５４の第１の基板１２２と第２の基板１３０側にそれぞれ形成される屈折率分布によって拡散する。したがって、広い照射領域１０２－５を与えるが、照射領域の拡大に起因し、この照射領域１０２－５の照度は照射領域１０２－４の照度と比較して低い。その結果、照射面１０４上に第１の領域１２４から第４の領域１３４の形状が反映されたパターンを照度の差を用いて表現することができる（図１９Ｂ）。

逆の例として、図２０Ａのタイミングチャートに示すように液晶セル１２０を駆動するケースを考える。ここでは、各液晶セル１２０において、複数の第１の下部電極１３６に対し、隣接する第１の下部電極１３６間で位相が反転するように交流電圧を与え、複数の第１の上部電極１４０に対し、隣接する第１の上部電極１４０間で位相が反転するように交流電圧を与える。一方、各液晶セル１２０において、複数の第２の下部電極１３８と複数の第２の上部電極１４２に対しては、電圧を印加しない、または一定電圧を与える。

このような駆動では、第２の領域１２６と第４の領域１３４を通過する光は拡散しない。すなわち、第２の領域１２６と第４の領域１３４から出射する光は大きく広がることは無く、照射面１０４において比較的高い照度の照射領域１０２－６を形成する。

一方、第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光は、液晶層１５４の第１の基板１２２と第２の基板１３０側にそれぞれ形成される屈折率分布によって拡散する。したがって、照射領域１０２－４と比較して広がった照射領域１０２－７を与えるが、この照射領域１０２－７の照度は照射領域１０２－６の照度と比較して低い。その結果、照射面１０４上に第１の領域１２４から第４の領域１３４の形状が反映されたパターンを照度の差を用いて表現することができる（図２０Ｂ）。

図２１に示すように、照明装置１００の液晶セル１２０上に、透光性を有し、光を拡散するカバー１０８を設ける場合には、カバー１０８も照射面１０４となるため、カバー１０８上に第１の領域１２４から第４の領域１３４の形状が反映されたパターンを表現することができる。したがって、様々なパターンが表現された光源１１０を視認することも可能である。

このように、本発明の実施形態を適用することにより、光源１１０からの光を任意に配光し、様々な形状の照射領域を作り出すことが可能となるとともに、各領域の形状を反映したパターンを照射面上に表現することができる。この照明装置１００では、液晶プロジェクタや液晶表示装置で使用される偏光板は必要としない。また、光パターンの表現においては、光源１１０の光を物理的に遮蔽する必要がない。このため、光源１１０からの光を有効に活用することができる。その結果、消費電力の増大を招くことなく光のパターンを表現することが可能となる。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、第１実施形態で述べた照明装置１００の変形例について説明する。第１実施形態で述べた構成と同一または類似する構成については説明を割愛することがある。

１．変形例１
第１実施形態でも述べたように、第１の基板１２２と第２の基板１３０に設けられる領域の数に制約はない。このため、一つの変形例では、図２２Ａと図２２Ｂに示すように、第１の基板１２２にさらに第５の領域２２０と第６の領域２２２を設け、第２の基板１３０に第５の領域２２０と第６の領域２２２にそれぞれ重なる第７の領域２２４と第８の領域２２６を設けてもよい。この変形例では、第５の領域２２０と第６の領域２２２が第１の領域１２４によって囲まれ、第７の領域２２４と第８の領域２２６が第３の領域１３２に囲まれている。第１の領域１２４と第３の領域１３２を非駆動とし、他の領域を駆動させると、第１の領域１２４と第３の領域１３２を通過する光は直線的に進み、照射面１０４に高い照度の照射領域を与えるため、数字などの比較的複雑な図形を表現することも可能である。

２．変形例２
照明装置１００は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２に加え、さらに複数の液晶セル１２０を第２の液晶セル１２０－２上に備えてもよい。液晶セル１２０の層数に制約はなく、２以上１０以下、２以上６以下、または２以上４以下でもよい。好ましくは、液晶セル１２０の総数は偶数である。図２３には、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４が第２の液晶セル１２０－２上に搭載された例が示されている。

液晶セル１２０の総数が２を超える場合、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２のそれぞれの第１の基板１２２と第２の基板１３０上に区画される領域の形状と、それ以外の液晶セル１２０の第１の基板１２２と第２の基板１３０上に区画される領域の形状は、互いに異なってもよい。例えば、照明装置１００が第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２に加えて第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４を有する場合（図２３）、第３の液晶セル１２０－３の第１の基板２３０には、第１の液晶セル１２０－１の第１の領域１２４と第２の領域１２６と異なる形状を有する第９の領域２３２と第１０の領域２３４を設けてもよい（図２４Ａ）。これらの第９の領域２３２と第１０の領域２３４には、それぞれ複数の第１の下部電極２３６と複数の第２の下部電極２３８を選択的に形成することができる。同様に、第３の液晶セル１２０－３の第２の基板２４０には、第１の液晶セル１２０－１の第１の領域１２４と第２の領域１２６と異なる形状を有する第１１の領域２４２と第１２の領域２４４を設けてもよい。第１１の領域２４２と第１２の領域２４４の形状は、それぞれ第９の領域２３２と第１０の領域２３４と同一でもよい。これらの第１１の領域２４２と第１２の領域２４４には、それぞれ複数の第１の上部電極２４６と複数の第２の上部電極２４８を選択的に配置することができる。第４の液晶セル１２０－４についても同様であるため、説明は省略する。

第１の下部電極２３６と第２の下部電極２３８は、第１の液晶セル１２０－１や第２の液晶セル１２０－２の第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８に対応するため、第１の下部電極１３６と第２の下部電極１３８と同様の駆動方法を適用すればよい。同様に、第１の上部電極２４６と第２の上部電極２４８は、第１の液晶セル１２０－１や第２の液晶セル１２０－２の第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２に対応するため、第１の上部電極１４０と第２の上部電極１４２と同様の駆動方法を適用すればよい。駆動方法に関する詳細な説明は割愛するが、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４を適宜駆動する、より具体的には、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を非駆動とする状態で第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４を駆動させることで、第９の領域２３２から第１２の領域２４４の形状を反映したパターンを照射面１０４に表現することができる。同様に、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４を非駆動とする状態で第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を駆動させることで、第１の領域１２４から第８の領域２２６の形状を反映したパターンを照射面に表現することができる。

このように、一対の液晶セル（ここでは第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２）と他の一対の液晶セル（ここでは第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４）が表現するパターンが異なるように液晶セル１２０を構成することで、複数のパターンを照射面１０４に表現することができる。

３．変形例３
本変形例に係る照明装置２５０は、図２５の模式的な展開図に示されるように、少なくとも一方の液晶セル１２０において、第２の基板１３０には単一の上部電極２５２が設けられ、この上部電極２５２が第１の基板１２２に設けられる複数の領域と重なるように配置される点で第１実施形態で述べた照明装置１００と異なる。上部電極２５２は、複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８と重なる。

照明装置２５０では、液晶層１５４の屈折率分布は第１の基板１２２側のみに生じる。したがって、図１４から理解されるように、ｘ方向とｙ方向の両方向に光を拡散させるため、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の間で複数の第１の下部電極１３６または複数の第２の下部電極１３８の延伸方向が互いに異なるように第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を配置することが好ましい。

図示しないが、第１の基板１２２上に単一の下部電極を設け、第２の基板１３０側に複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２を設けてもよい。この場合においても、ｘ方向とｙ方向の両方向に光を拡散させるため、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の間で複数の第１の上部電極１４０または複数の第２の上部電極１４２の延伸方向が互いに異なるように第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を配置することが好ましい。

図示しないが、第２の基板１３０側には、電極を配置しなくてもよい。この場合には、第１の基板１２２上には、第１の領域１２４と第２の領域１２６に、それぞれ複数の第１の下部電極１３６と複数の第２の下部電極１３８が配置される。液晶層１５４の屈折率分布は第１の基板１２２側のみに生じるため、図１４から理解されるように、ｘ方向とｙ方向の両方向に光を拡散させるため、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の間で複数の第１の下部電極１３６または複数の第２の下部電極１３８の延伸方向が互いに異なるように第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を配置することが好ましい。

あるいは、第１の基板１２２側に電極を配置しなくてもよい。この場合には、第２の基板１３０の第３の領域１３２と第４の領域１３４に、それぞれ複数の第１の上部電極１４０と複数の第２の上部電極１４２が配置される。この場合においても、ｘ方向とｙ方向の両方向に光を拡散させるため、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の間で複数の第１の上部電極１４０または複数の第２の上部電極１４２の延伸方向が互いに異なるように第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２を配置することが好ましい。

上述した変形例１から３のいずれにおいても、液晶層１５４に屈折率分布を形成することができるため、各基板に設けられる複数の領域の形状を反映したパターンを照射面１０４に表現することができる。したがって、第１実施形態に係る照明装置１００と同様、消費電力の増大を招くことなく、種々のパターンを表現することが可能な照明装置を提供することが可能である。

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態の表示装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１００：照明装置、１０２－１：照射領域、１０２－２：照射領域、１０２－３：照射領域、１０２－４：照射領域、１０２－５：照射領域、１０２－６：照射領域、１０２－７：照射領域、１０４：照射面、１０８：カバー、１１０：光源、１１２：筐体、１１２ａ：傾斜面、１１４：発光素子、１１６：レンズ、１２０：液晶セル、１２０－１：第１の液晶セル、１２０－２：第２の液晶セル、１２０－３：第３の液晶セル、１２０－４：第４の液晶セル、１２２：第１の基板、１２４：第１の領域、１２６：第２の領域、１２８：封止材、１３０：第２の基板、１３２：第３の領域、１３４：第４の領域、１３６：第１の下部電極、１３８：第２の下部電極、１４０：第１の上部電極、１４２：第２の上部電極、１４４：駆動回路、１４６：下地膜、１４８：層間絶縁膜、１５０：第１の配向膜、１５２：第２の配向膜、１５４：液晶層、１６４：第１の信号線、１６６：第２の信号線、１６８：第３の信号線、１７０：第４の信号線、１７２：配線、１７４：配線、１７６：下地膜、１７８：層間絶縁膜、１８０：第５の信号線、１８２：第６の信号線、１８４：第７の信号線、１８６：第８の信号線、１８８：配線、１９０：配線、２００：Ｓ成分、２０２：Ｓ成分、２０４：Ｓ成分、２０６：Ｐ成分、２０８：Ｐ成分、２１０：Ｐ成分、２２０：第５の領域、２２２：第６の領域、２２４：第７の領域、２２６：第８の領域、２３０：第１の基板、２３２：第９の領域、２３４：第１０の領域、２３６：第１の下部電極、２３８：第２の下部電極、２４０：第２の基板、２４２：第１１の領域、２４４：第１２の領域、２４６：第１の上部電極、２４８：第２の上部電極、２５０：照明装置、２５２：上部電極

Claims (20)

1. 光源、
   前記光源上の第１の液晶セル、および
   前記第１の液晶セル上の第２の液晶セルを備え、
   前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々は、
   第１の領域と第２の領域を有する第１の基板、
   前記第１の領域上に位置し、列方向に延伸する複数の第１の下部電極、
   前記第２の領域上に位置し、前記列方向に延伸する複数の第２の下部電極、
   前記複数の第１の下部電極と前記複数の第２の下部電極上の第１の液晶層、および
   前記第１の液晶層上の第２の基板を有し、
   前記複数の第１の下部電極と前記複数の第２の下部電極は、互いに独立して駆動される、照明装置。
2. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々において、
   前記複数の第１の下部電極には、前記列方向に交差する行方向において隣接する前記第１の下部電極間で位相が反転するよう、交流電圧が印加され、
   前記複数の第２の下部電極には、前記行方向において隣接する前記第２の下部電極間で位相が反転するよう、交流電圧が印加される、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１の液晶セルと前記第２の領域の間で、前記第１の領域は互いに重なり、形状が互いに同じである、請求項１に記載の照明装置。
4. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々において、前記第１の領域は前記第２の領域に囲まれる、請求項１に記載の照明装置。
5. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々において、前記複数の第１の下部電極の少なくとも一つは、前記複数の第２の下部電極から選択される二つと前記列方向において重なり、かつ、前記二つに挟まれる、請求項１に記載の照明装置。
6. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々は、
   前記第１の液晶層と前記複数の第１の下部電極の間、および前記第１の液晶層と前記複数の第２の下部電極の間の第１の配向膜、および
   前記第１の液晶層と前記第２の基板の間の第２の配向膜をさらに有し、
   前記第１の配向膜の配向方向は、前記列方向および前記第２の配向膜の配向方向と交差する、請求項１に記載の照明装置。
7. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々は、前記第１の液晶層と前記第２の基板の間に、単一の上部電極をさらに有する、請求項１に記載の照明装置。
8. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々において、前記第２の基板は、それぞれ前記第１の領域と前記第２の領域と重なる第３の領域と第４の領域を有し、
   前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々は、
   前記第３の領域下に位置し、前記列方向と交差する行方向に延伸する複数の第１の上部電極、および
   前記第４の領域下に位置し、前記行方向に延伸する複数の第２の上部電極をさらに有する、請求項１に記載の照明装置。
9. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々において、
   前記複数の第１の上部電極には、前記列方向において隣接する前記第１の上部電極間で位相が反転するよう、交流電圧が印加され、
   前記複数の第２の上部電極には、前記列方向において隣接する前記第２の上部電極間で位相が反転するよう、交流電圧が印加される、請求項８に記載の照明装置。
10. 前記第１の液晶セルと前記第２の領域の間で、前記第３の領域は互いに重なり、形状が互いに同じである、請求項８に記載の照明装置。
11. 前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルの各々において、前記第１の領域と前記第３の領域は互いに重なり、形状が互いに同じである、請求項８に記載の照明装置。
12. 前記第２の液晶セル上の第３の液晶セル、および
    前記第３の液晶セル上の第４の液晶セルをさらに備え、
    前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々は、
    第５の領域と第６の領域を有する第３の基板、
    前記第５の領域上に位置し、前記列方向に延伸する複数の第３の下部電極、
    前記第６の領域上に位置し、前記列方向に延伸する複数の第４の下部電極、
    前記複数の第３の下部電極と前記複数の第４の下部電極上の第２の液晶層、および
    前記第２の液晶層上の第４の基板を有し、
    前記複数の第３の下部電極と前記複数の第４の下部電極は、互いに独立して駆動される、請求項１に記載の照明装置。
13. 前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々において、
    前記複数の第３の下部電極には、前記列方向に交差する行方向において隣接する前記第３の下部電極間で位相が反転するよう、交流電圧が印加され、
    前記複数の第４の下部電極には、前記行方向において隣接する前記第４の下部電極間で位相が反転するよう、交流電圧が印加される、請求項１２に記載の照明装置。
14. 前記第１の液晶セルまたは前記第２の液晶セルの前記第１の基板の第１の領域は、前記第３の液晶セルまたは前記第４の液晶セルの前記第３の基板の前記第５の領域と形状が異なる、請求項１２に記載の照明装置。
15. 前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの間で、前記第３の基板の前記第５の領域は、互いに重なり、形状が互いに同一である、請求項１２に記載の照明装置。
16. 前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々において、前記複数の第３の下部電極の少なくとも一つは、前記複数の第４の下部電極から選択される二つと前記列方向において重なり、かつ、前記二つに挟まれる、請求項１２に記載の照明装置。
17. 前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々は、
    前記第２の液晶層と前記複数の第３の下部電極の間、および前記第２の液晶層と前記複数の第４の下部電極の間の第３の配向膜、および
    前記第２の液晶層と前記第４の基板の間の第４の配向膜をさらに有し、
    前記第３の配向膜の配向方向は、前記列方向および前記第４の配向膜の配向方向と交差する、請求項１２に記載の照明装置。
18. 前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々は、前記第２の液晶層と前記第４の基板の間に、単一の上部電極をさらに有する、請求項１２に記載の照明装置。
19. 前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々において、前記第２の基板は、それぞれ前記第５の領域と前記第６の領域と重なる第７の領域と第８の領域を有し、
    前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの各々は、
    前記第７の領域下に位置し、ストライプ状に配置され、前記列方向と交差する行方向に延伸する複数の第３の上部電極、および
    前記第８の領域下に位置し、ストライプ状に配置され、前記行方向に延伸する複数の第４の上部電極をさらに有する、請求項１２に記載の照明装置。
20. 第１の領域と第２の領域を有する第１の基板、
    前記第１の領域上に位置し、列方向に延伸する複数の第１の下部電極、
    前記第２の領域上に位置し、前記列方向に延伸する複数の第２の下部電極、
    前記複数の第１の下部電極と前記複数の第２の下部電極上の液晶層、
    前記液晶層を介して前記第１の基板に対向し、前記第１の領域と前記第２の領域とそれぞれ重なる第３の領域と第４の領域を有する第２の基板、
    前記第３の領域下に位置し、行方向に延伸する複数の第１の上部電極、
    前記第４の領域下に位置し、前記行方向に延伸する複数の第２の上部電極、
    前記複数の第１の下部電極、前記複数の第２の下部電極、前記複数の第１の上部電極、および前記複数の第２の上部電極は、互いに独立して駆動される、
    光学素子。
    
    
    

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