WO2018135571A1 - 光学装置 - Google Patents

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    • G02F1/3137—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions

Definitions

  • the present invention relates to an optical device including an optical element including a liquid crystal layer.
  • Patent Document 1 discloses an optical control device having a liquid crystal cell in which liquid crystal is sandwiched between a pair of electrode substrates, an alignment film that controls the alignment of liquid crystal by application of a voltage, and a polarizing plate.
  • the optical device constitutes a light source system together with a light source.
  • driving to adjust the alignment state of liquid crystal molecules in the liquid crystal element is performed by supplying a voltage, and the light transmission condition of the liquid crystal element with respect to light input from the light source is adjusted.
  • the amount of light extracted from the optical device is adjusted, and various optical processes such as brightness adjustment and optical path switching are performed.
  • the optical device it is preferable that light loss in the device is small, that is, light is extracted with high efficiency.
  • the optical device preferably has high drive response.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an optical device having high drive response and capable of performing highly efficient light extraction.
  • the invention according to claim 1 includes first and second optical elements, and the first optical element is formed on the first liquid crystal element and the first liquid crystal element, and incident light from the outside.
  • a first light transmitting body having a light incident surface on which light is incident and a first light emitting surface from which reflected light reflected by the first liquid crystal element is emitted, and transmitted light that has passed through the first liquid crystal element is emitted.
  • a second light transmitting surface having a second light emitting surface, wherein the second optical element is formed on the second liquid crystal element and the second liquid crystal element, and the first light emitting surface.
  • a third translucent body bonded to the substrate.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical element in an optical device according to Example 1.
  • FIG. (A) And (b) is a typical top view and sectional drawing of the liquid crystal element in the optical element which concerns on Example 1, respectively.
  • (A) is a figure which shows typically the arrangement
  • (b) is the path
  • FIG. (A) is a figure which shows typically the arrangement
  • (b) is the path
  • FIG. (A) And (b) is a perspective view of the optical element in the optical apparatus based on Example 1.
  • FIG. (A) And (b) is a typical top view and sectional drawing of the liquid crystal element in the optical element which concerns on Example 1, respectively.
  • (A) And (b) is a figure which shows typically the alignment state of the liquid crystal molecule in the liquid crystal element of the optical element which concerns on Example 1, and the course of the light in an optical element.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a light path in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. (A) And (b) is a typical top view and sectional view of an optical element concerning modification 1 of Example 1, respectively.
  • (A) And (b) is a figure which shows typically the alignment state of the liquid crystal molecule in the liquid crystal element of the optical element which concerns on the modification 1 of Example 1, and the course of the light in an optical element.
  • 6 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to Modification 2 of Example 1.
  • FIG. (A) is a perspective view of an optical device according to Modification 3 of Embodiment 1
  • (b) is a diagram schematically showing a light path in the optical device according to Modification 3 of Embodiment 1.
  • FIG. (A) is a block diagram of a light source system including the configuration of the optical device according to the second embodiment, and (b) is a perspective view of the optical device according to the second embodiment.
  • (A) is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal element in the optical element according to Example 2
  • (b) is a diagram schematically showing a light path in the optical element according to Example 2.
  • FIG. (A) is a block diagram of a light source system including a configuration of an optical device according to a third embodiment
  • (b) is a perspective view of the optical device according to the third embodiment.
  • (A) And (b) is a typical top view and sectional drawing of the liquid crystal element in the optical element which concerns on Example 3, respectively.
  • FIG. (A) And (b) is a figure which shows typically the course of the light in the optical element which concerns on Example 3.
  • FIG. (A) is typical sectional drawing of the liquid crystal element in the optical element which concerns on the modification of Example 3
  • (b) shows typically the course of the light in the optical element which concerns on the modification of Example 3.
  • FIG. 1A is a block diagram illustrating a configuration of a light source system 10 according to the first embodiment.
  • the light source system 10 includes a light source 11, an optical device 12 that optically processes light from the light source 11, and an output device 13 that outputs light processed by the optical device 12.
  • the light source 11 includes a light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser.
  • the output device 13 includes a reflecting mirror that reflects the light from the optical device 12 toward the output destination.
  • FIG. 1B is a schematic perspective view of the optical device 12.
  • the optical device 12 includes two optical elements (first and second optical elements) 20 and 30 and a drive circuit 40 that drives the optical elements 20 and 30.
  • the first optical element 20 includes a layered liquid crystal element (first liquid crystal element) 21 containing liquid crystal molecules and a light transmitting body (first and second light transmitting bodies) provided so as to sandwich the liquid crystal element 21. 22 and 23.
  • the optical element 30 includes a layered liquid crystal element (second liquid crystal element) 31 containing liquid crystal molecules and a light transmitting body (third and fourth light transmitting bodies) 32 provided so as to sandwich the liquid crystal element 31. And 33.
  • the optical elements 20 and 30 are optically coupled to each other by joining the light transmitting body 22 of the optical element 20 and the light transmitting body 32 of the optical element 30.
  • the drive circuit 40 drives the liquid crystal elements 21 and 31.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the optical element 20.
  • the liquid crystal element 21 has two main surfaces (first and second main surfaces) S1 and S2 facing each other.
  • the main surface S1 functions as a surface on which light from the light source 11 is incident.
  • the main surface S2 functions as a surface from which light transmitted through the main surface S1 is emitted from the liquid crystal element 21.
  • the main surface S1 is referred to as an incident liquid crystal surface (first liquid crystal surface)
  • the main surface S2 is referred to as an output liquid crystal surface (second liquid crystal surface).
  • the liquid crystal element 21 has an incident liquid crystal surface S1 and an outgoing liquid crystal surface S2 opposite to the incident liquid crystal surface S1.
  • the translucent body 22 is formed on the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal element 21.
  • the translucent body 22 has translucency with respect to the light from the light source 11.
  • the translucent body 22 is a transparent medium made of, for example, a glass material or a resin material.
  • the transparent body 22 has a prismatic shape with a trapezoidal cross section.
  • the translucent body 22 has a side surface corresponding to the lower base of the trapezoid in the rectangular column formed on the incident liquid crystal surface S ⁇ b> 1 of the liquid crystal element 21.
  • the translucent body 22 has a light incident surface 22A on which light from the light source 11 is incident.
  • the light incident surface 22A is inclined with respect to the incident liquid crystal surface S1. In the present embodiment, the angle formed by the incident liquid crystal surface S1 and the light incident surface 22A is about 70 °.
  • the translucent body 22 has a light emitting surface (first light emitting surface) 22B from which the light reflected by the incident liquid crystal surface S1 is emitted.
  • the translucent body 22 has one of the two side surfaces corresponding to the trapezoidal legs of the prisms as the light incident surface 22A and the other as the light emitting surface 22B.
  • the light transmitting body 23 is formed on the outgoing liquid crystal surface S2 of the liquid crystal element 21.
  • the translucent body 23 has translucency with respect to the light from the light source 11.
  • the translucent body 23 is a transparent medium made of, for example, a glass material or a resin material.
  • the transparent body 23 has a prismatic shape with a triangular cross section.
  • the translucent body 22 has one of the side surfaces corresponding to the sides of the maximum length of the triangle in the triangular prism on the outgoing liquid crystal surface S ⁇ b> 1 of the liquid crystal element 21.
  • the translucent body 23 has a light emission surface (second light emission surface) 23A from which light transmitted through the liquid crystal element 21 is emitted.
  • the light incident surface 22A of the light transmitting body 22 and the light emitting surface 23A of the light transmitting body 23 are arranged in parallel to each other. Further, for example, the light transmitting bodies 22 and 23 have a light refractive index of 1.76.
  • the liquid crystal element 21 has a flat plate shape as a whole and a rectangular top surface shape. Further, the incident liquid crystal surface S1 and the outgoing liquid crystal surface S2 of the liquid crystal element 21 are formed in parallel to each other.
  • a direction along the light incident surface 22A of the light transmitting body 23 in the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal element 21 is referred to as an x-axis direction (width direction of the liquid crystal element 21).
  • the direction perpendicular to the x-axis direction in the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal element 21, that is, the direction from the light incident surface 22A of the light transmitting body 22 toward the light emitting surface 22B in this embodiment is the y-axis direction (liquid crystal element 21 In the length direction).
  • a direction orthogonal to both the x-axis direction and the y-axis direction is referred to as a z-axis direction (a depth direction or a thickness direction of the liquid crystal element 21).
  • the optical element 21 is configured and arranged so that the light from the light source 11 is incident only with components in the y-axis and z-axis directions. That is, the main component (main optical axis) of the light incident on the optical element 21 does not have a component in the x-axis direction but has a component in a direction perpendicular to the x-axis direction.
  • FIG. 3A is a schematic top view of the liquid crystal element 21.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing the incident liquid crystal surface S ⁇ b> 1 of the liquid crystal element 21.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal element 21.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. The configuration of the liquid crystal element 21 will be described with reference to FIGS.
  • the liquid crystal element 21 includes a liquid crystal layer 21A containing liquid crystal molecules MC, alignment films (first and second alignment films) 21B and 21C formed opposite to each other with the liquid crystal layer 21A interposed therebetween, and an alignment film 21B.
  • the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal element 21 is the surface of the liquid crystal layer 21A on the light transmitting body 22 side
  • the outgoing liquid crystal surface S2 is the surface of the liquid crystal layer 21A on the light transmitting body 23 side.
  • the transparent body 22 is formed on the alignment film 21B on the incident liquid crystal surface S1 side (on the drive electrode 21D in the present embodiment).
  • the translucent body 23 is formed on the alignment film 21C on the outgoing liquid crystal surface S2.
  • the liquid crystal layer 21A includes, for example, a rod-like nematic liquid crystal as the liquid crystal molecules MC.
  • the alignment films 21B and 21C are made of, for example, a film-like polyimide that has been subjected to an alignment process.
  • the alignment films 21 ⁇ / b> B and 21 ⁇ / b> C are translucent with respect to the light from the light source 11.
  • the liquid crystal molecules MC in the liquid crystal layer 21A are rubbed by the alignment films 21B and 21C.
  • the liquid crystal layer 21A has a light refractive index of 1.52 when not driven, that is, when no electric field is applied by the drive electrode 21D.
  • the liquid crystal molecules MC are in the major axis direction (the major axis direction of the nematic liquid crystal) between the incident liquid crystal surface S1 side (alignment film 21B side) and the emission side liquid crystal surface S2 side when not driven. ) Are rubbed so as to have an orthogonal twist orientation. Specifically, for example, the major axis direction of the liquid crystal molecules MC is aligned along the y-axis direction (first direction) on the incident liquid crystal surface S1 side, and the x-axis direction (second direction) on the outgoing liquid crystal surface S2 side. Orientation).
  • the drive electrode 21D has translucency with respect to the light from the light source 11.
  • the drive electrode 21D includes a pair of striped electrodes (first and second electrodes) E1 and E2 extending along the y-axis direction, that is, the incident direction of light from the light source 11 on the alignment film 21B.
  • the electrodes E1 and E2 are made of a transparent conductive oxide film such as ITO or IZO.
  • the electrodes E1 and E2 are formed in a comb-teeth shape on the alignment film 21B so that the stripe portions are alternately engaged with each other.
  • the electrode E1 has a stripe portion (comb portion) extending from the light incident surface 22A toward the light emitting surface 22B on the alignment film 21B.
  • the electrode E2 has a stripe portion (comb portion) extending from the light emitting portion 22B toward the light incident portion 22A on the alignment film 21B.
  • the drive circuit 40 applies an alternating voltage as the drive signal DS1 between the electrodes E1 and E2. As a result, an electric field along the x-axis direction is generated in the vicinity of the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal layer 21A.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing the alignment state of the liquid crystal molecules MC in the liquid crystal layer 21A when not driven, that is, when the drive signal DS1 is not supplied to the drive electrode 21D.
  • FIG. 4B is a diagram schematically showing the path of light in the optical element 20 when not driven.
  • the liquid crystal molecules MC in the liquid crystal layer 21A are in an alignment state rubbed by the alignment films 21B and 21C. Specifically, the liquid crystal molecules MC1 on the incident liquid crystal surface S1 side are rubbed along the y-axis direction (first direction), and the liquid crystal molecules MC2 on the output liquid crystal surface S2 side are rubbed in the x-axis direction (second direction). ) Is rubbed along.
  • the translucent members 22 and 23 have a higher refractive index than the liquid crystal layer 21A when not driven. Further, the light incident surface 22 ⁇ / b> A of the translucent body 22 is inclined with respect to the incident-side liquid crystal surface S ⁇ b> 1 of the liquid crystal element 21. Accordingly, when not driven, the incident light L1 from the light source 11 enters the translucent body 22 through the light incident surface 22A and then undergoes total reflection on the incident side liquid crystal surface S1 of the liquid crystal element 21.
  • the incident light L1 when the incident light L1 is incident from the light source 11 to the optical element 21 when not driven, the incident light L1 does not pass through the liquid crystal element 21 and is reflected by the incident liquid crystal surface S1, as shown in FIG. 4B. Then, it is emitted from the light exit surface 22B of the translucent body 22 as reflected light L2.
  • FIG. 5A is a diagram schematically showing the alignment state of the liquid crystal molecules MC1 and MC2 at the time of driving, that is, in a state where the driving signal DS1 is supplied to the driving electrode 21D.
  • FIG. 5B is a diagram schematically showing the path of light in the optical element 20 during driving.
  • the rubbing state of the liquid crystal molecules MC1 and MC2 changes according to the applied electric field by applying a voltage to the liquid crystal layer 21A. Specifically, when an electric field in the x-axis direction is generated in the vicinity of the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal layer 21A, the liquid crystal molecules MC1 on the incident liquid crystal surface S1 side are aligned along the x-axis direction.
  • the reflected light L2 is a P-polarized component (first polarized component) of the incident light L1
  • the transmitted light L3 is an S-polarized component (second polarized component).
  • the optical refractive index of the liquid crystal layer 21A with respect to the P-polarized component and the S-polarized component differs from each other depending on the alignment state of the liquid crystal molecules MC1.
  • the light transmitting body 22 has a refractive index larger than that of the liquid crystal layer 21A for the P-polarized component of the incident light L1 when a voltage is applied to the drive electrode 21D.
  • the S-polarized component has a smaller refractive index than the liquid crystal layer 21D.
  • the P-polarized component of the incident light L1 is in the direction of the electric field in the direction orthogonal to the alignment direction (second direction) of the liquid crystal molecules MC1 during driving, that is, in the alignment direction (first direction) of the liquid crystal molecules MC2.
  • the S-polarized component is a polarized component having an electric field direction (polarization direction) in the alignment direction of the liquid crystal molecules MC1 in the incident light L1.
  • the P-polarized component of the incident light L1 causes total reflection on the incident liquid crystal surface S1, while the S-polarized component is transmitted through the incident liquid crystal surface S1.
  • the incident light L1 can be easily separated by designing the optical refractive index of the inner member of the optical element 20, particularly the light transmitting body 22 and the liquid crystal layer 21A and the incident angle of the incident light L1.
  • both the reflected light L2 and the transmitted light L3 are used, most of the incident light L1 is extracted.
  • the light incident surface 22A of the light transmitting body 22 and the light emitting surface 23A of the light transmitting body 23 in parallel with each other, most of the transmitted light L3 can be extracted, and the light extraction efficiency is improved. .
  • FIG. 6A is a schematic perspective view of the optical element 30.
  • FIG. 6B is a diagram schematically illustrating an arrangement configuration of the optical element 30 with respect to the optical element 20.
  • the liquid crystal element 31 of the optical element 30 and the translucent bodies 32 and 33 have the same configuration as the liquid crystal element 21 of the optical element 20 and the translucent bodies 22 and 23.
  • the liquid crystal element 31 has two main surfaces (third and fourth main surfaces) S3 and S4 that face each other.
  • the main surface S3 functions as a surface on which light (incident light L1 and reflected light L2) from the light source 11 and the optical element 20 is incident.
  • the main surface S4 functions as a surface from which light transmitted through the main surface S3 is emitted from the liquid crystal element 31.
  • the main surface S3 is referred to as an incident liquid crystal surface (third liquid crystal surface)
  • the main surface S4 is referred to as an output liquid crystal surface (fourth liquid crystal surface).
  • the liquid crystal element 31 has an incident liquid crystal surface S2 and an outgoing liquid crystal surface S4 opposite to the incident liquid crystal surface S2.
  • the translucent body 32 is formed on the alignment film 31 ⁇ / b> C on the incident liquid crystal surface S ⁇ b> 3 side of the liquid crystal element 31.
  • the translucent body 32 has translucency with respect to the light from the light source 11.
  • the translucent body 32 is a transparent medium made of, for example, a glass material or a resin material.
  • the translucent body 32 has a prismatic shape with a trapezoidal cross section. Further, the translucent body 32 has a side surface corresponding to the lower base of the trapezoid in the rectangular column formed on the incident liquid crystal surface S ⁇ b> 3 of the liquid crystal element 31.
  • the light transmitting body 32 is bonded to the light emitting surface 22B of the light transmitting body 22 in the optical element 20. Accordingly, the reflected light L ⁇ b> 2 from the optical element 20 enters the incident liquid crystal surface S ⁇ b> 3 of the liquid crystal element 31 through the translucent body 32.
  • the translucent body 32 has a light incident surface (second light incident surface) 32A on which the reflected light L2 from the optical element 20 enters.
  • the translucent body 32 has a light emitting surface (second light emitting surface) 32B from which the light reflected by the incident liquid crystal surface S3 is emitted.
  • the translucent body 32 has one of the two side surfaces corresponding to the trapezoidal legs in the prism as the light incident surface 32A and the other as the light emitting surface 32B.
  • the translucent body 33 is formed on the outgoing liquid crystal surface S4 of the liquid crystal element 31.
  • the translucent body 33 is translucent to the light from the light source 11 and the optical element 20.
  • the translucent body 33 is a transparent medium made of, for example, a glass material or a resin material.
  • the translucent body 33 has a prismatic shape with a triangular cross section.
  • the translucent body 32 is formed on the outgoing liquid crystal surface S ⁇ b> 4 of the liquid crystal element 31 with one of the side surfaces corresponding to the side of the maximum length of the triangle in the triangular prism.
  • the translucent body 33 has a light emission surface (second light emission surface) 33A from which light transmitted through the liquid crystal element 31 is emitted.
  • FIG. 7A is a schematic top view of the liquid crystal element 31.
  • FIG. 7A is a diagram schematically showing the incident liquid crystal surface S3 of the liquid crystal element 31.
  • FIG. 7B is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal element 31.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line WW in FIG. The configuration of the liquid crystal element 31 will be described with reference to FIGS.
  • the liquid crystal element 31 includes a liquid crystal layer 31A containing liquid crystal molecules MC and alignment films (third and fourth alignment films) 31B and 31C formed to face each other with the liquid crystal layer 31A interposed therebetween. And a drive electrode (second drive electrode) 31D formed on the alignment film 31B.
  • the incident liquid crystal surface S3 of the liquid crystal element 31 is the surface of the liquid crystal layer 31A on the light transmitting body 32 side
  • the outgoing liquid crystal surface S4 is the surface of the liquid crystal layer 31A on the light transmitting body 33 side.
  • the translucent body 32 is formed on the alignment film 31B on the incident liquid crystal surface S3 side (on the drive electrode 31D in the present embodiment).
  • the translucent body 33 is formed on the alignment film 41C on the outgoing liquid crystal surface S4 side.
  • the liquid crystal layer 31A includes, for example, a rod-like nematic liquid crystal as the liquid crystal molecules MC.
  • the alignment films 31B and 31C are made of, for example, a film-like polyimide subjected to an alignment process.
  • the alignment films 31B and 31C are translucent to the light from the optical element 20.
  • the liquid crystal molecules MC in the liquid crystal layer 31A are rubbed by the alignment films 31B and 31C.
  • the drive electrode 31D has translucency with respect to the light from the light source 11 and the optical element 20.
  • the drive electrode 31D is composed of a pair of striped electrodes (third and fourth electrodes) E3 and E4 extending along the incident direction of light from the optical element 20 on the alignment film 31B.
  • the electrodes E3 and E4 are made of a transparent conductive oxide film such as ITO or IZO.
  • the electrodes E3 and E4 are formed in a comb-teeth shape on the alignment film 31B so that the stripe portions are alternately meshed.
  • the electrode E3 has a stripe portion (comb portion) extending from the light incident surface 32A toward the light emitting surface 32B on the alignment film 31B.
  • the electrode E4 has a stripe portion (comb portion) extending from the light emitting portion 32B toward the light incident portion 32A on the alignment film 31B.
  • the drive circuit 40 applies an AC voltage as the drive signal DS2 between the electrodes E3 and E4.
  • an electric field in a direction orthogonal to the incident direction of the incident light from the optical element 20 is generated in the vicinity of the incident liquid crystal surface S3 of the liquid crystal layer 31A.
  • FIG. 8A schematically shows the alignment state of the liquid crystal molecules MC in the liquid crystal layer 31A and the light path in the optical element 30 when not driven, that is, when the drive signal DS2 is not supplied to the drive electrode 31D.
  • the incident light to the optical element 30 is the reflected light L2 generated by the optical element 20.
  • the liquid crystal molecules MC in the liquid crystal layer 31A are aligned by being rubbed by the alignment films 31B and 31C. Specifically, the liquid crystal molecules MC3 on the incident liquid crystal surface S3 side are rubbed along the incident direction of the reflected light L2 in the in-layer direction of the liquid crystal layer 31A, and the liquid crystal molecules MC4 on the output liquid crystal surface S4 side are orthogonal to this. It is rubbed along the direction.
  • the reflected light L2 from the optical element 20 enters the light transmitting body 32 via the light incident surface 32A and causes total reflection on the incident side liquid crystal surface S3 of the liquid crystal element 31. Therefore, when the reflected light (primary reflected light) L2 is incident on the optical element 31 when not driven, the reflected light L2 does not pass through the liquid crystal element 31 as shown in FIG. 8A, and the incident liquid crystal surface S3. Is reflected from the light exit surface 32B of the translucent body 32 as reflected light (secondary reflected light) L4.
  • FIG. 8B is a diagram schematically showing the alignment state of the liquid crystal molecules MC3 and MC4 and the light path in the optical element 30 during driving, that is, in a state where the driving signal DS2 is supplied to the driving electrode 31D.
  • the rubbing state of the liquid crystal molecules MC3 and MC4 changes according to the applied electric field by applying a voltage to the liquid crystal layer 21A.
  • the liquid crystal molecules MC3 on the incident liquid crystal surface S3 side are aligned along the direction perpendicular to the incident direction of the reflected light L2 in the in-layer direction of the liquid crystal layer 31A.
  • the reflected light L2 from the optical element 20 enters in this state, as shown in FIG. 8B, a part of the reflected light L2 undergoes total reflection on the incident liquid crystal surface S3, and the reflected light L4 is reflected by the transparent body 32. The light exits from the light exit surface 32B.
  • a part of the reflected light L ⁇ b> 2 passes through the incident side liquid crystal surface S ⁇ b> 3, travels through the liquid crystal element 31, and enters the light transmitting body 33.
  • the light transmitted through the liquid crystal element 31 is emitted from the light emitting surface 33B of the light transmitting body 33 as transmitted light L5.
  • the reflected light L4 is a P-polarized component of the reflected light L2
  • the transmitted light L5 is an S-polarized component.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the path of light in the optical elements 20 and 30 of the optical device 12.
  • the incident light L1 from the light source 11 external
  • three output lights can be obtained.
  • transmitted light L3 transmitted through the liquid crystal element 21 of the optical element 20 is incident on the optical element 30 from the optical element 20, and the liquid crystal element Three of the reflected light L 4 reflected by the light 31 and the transmitted light L 5 transmitted through the liquid crystal element 31 are incident on the output device 13. That is, the lights L3 to L5 are output from the output device 13 to the outside.
  • the optical device 12 generates three output lights L3 to L5 from the incident light L1 from the outside.
  • the loss of light in the generation of the output lights L3 to L5 in the apparatus is small, and the drive response is high.
  • the optical elements 20 and 30 generate output light without using a light shielding element.
  • the optical element 20 uses light totally reflected by the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal layer 21A or light transmitted through the liquid crystal layer 21A.
  • the optical element 30 uses light totally reflected by the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal layer 21A or light transmitted through the liquid crystal layer 21A.
  • the output lights L3 to L5 extracted from the optical elements 20 and 30 are light using most of the incident light L1.
  • the only element to be driven is the liquid crystal layer 21A or 31A, and no other driven member is used. Therefore, by configuring the liquid crystal layers 21A and 31A to have high responsiveness, the responsiveness of the entire element or the entire device is improved. Also, there is no need to adjust response delay with other elements.
  • the entire apparatus becomes compact.
  • it is highly stable against the influence of the operating environment such as vibration and temperature.
  • the use of the light source system 10 can constitute, for example, a light projecting member, that is, a lamp.
  • a light projecting member that is, a lamp.
  • light can be projected onto different areas according to the output light, and in some cases, the entire area can be illuminated.
  • the light source system 10 becomes a compact, highly efficient and highly responsive projector.
  • the structure of the optical elements 20 and 30 in a present Example is only an example.
  • the rubbing configuration of the alignment films 21B and 21C, the configuration in the voltage application direction by the drive electrode 21D, and the configuration of the translucent bodies 22 and 23 are not limited thereto. It is also possible to add other elements according to the number of output light systems to be extracted.
  • various other configuration examples will be described as modifications of the present embodiment.
  • FIGS. 10A and 10B are a schematic top view and a cross-sectional view of an optical device 12A according to Modification 1 of Example 1, respectively.
  • the optical device 12A has the same configuration as the optical device 12 except for the configuration of the optical element 20A.
  • the optical device 12A includes an optical element 20A instead of the optical element 20.
  • the optical element 20A has the same configuration as that of the optical element 20 except for the configuration of the liquid crystal element 25.
  • the liquid crystal element 25 has liquid crystal molecules MC, and has a liquid crystal layer 25A having one main surface S11 as an incident liquid crystal surface and a main surface S12 opposite thereto as an outgoing liquid crystal surface.
  • the liquid crystal element 25 includes alignment films 25B and 25C that are formed on the incident liquid crystal surface S11 and the outgoing liquid crystal surface S12 of the liquid crystal layer 25A, respectively, and align the liquid crystal molecules MC in the x-axis direction.
  • the liquid crystal element 25 has a drive electrode 25D formed on the alignment film 25B.
  • the drive electrode 25D is a pair of striped electrodes (first and second electrodes) E11 extending along the x-axis direction, that is, the direction orthogonal to the incident direction of the incident light L1 from the light source 11 on the alignment film 25B. And E21.
  • the optical element 20A has a configuration in which the rubbing direction of the liquid crystal molecules MC by the alignment film 25B is orthogonal to the case of the optical element 20.
  • the optical element 20A has a configuration in which the direction of the electric field generated by the electrodes E11 and E21 is orthogonal to the case of the optical element 20.
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams schematically showing the alignment state of the liquid crystal molecules MC and the path of light in the optical element 20A when the optical element 20A is not driven and when the optical element 20A is driven, respectively.
  • both the liquid crystal molecules MC11 near the incident liquid crystal surface S11 and the liquid crystal molecules MC21 near the output liquid crystal surface S21 are in the x-axis direction, that is, incident light L1 is incident. Oriented along a direction perpendicular to the direction. This is the same state as when the optical element 20 is driven (FIG. 5A, etc.).
  • the optical element 20A when the optical element 20A is not driven, a part of the incident light L1 incident from the light incident surface S11 of the translucent body 22 is totally reflected on the incident liquid crystal surface S11, and the other is transmitted through the liquid crystal element 25. Accordingly, the totally reflected light is emitted from the light emitting surface 22B of the light transmitting body 22 as reflected light L2 (that is, incident on the optical element 30). Further, the light transmitted through the liquid crystal element 25 is emitted from the light exit surface 23A of the translucent body 23 as the transmitted light L3 (that is, output by the output device 13).
  • the alignment film 25B which rubs the liquid crystal molecules MC in a direction orthogonal to the incident direction of the incident light L1, and the liquid crystal molecules MC11 on the incident liquid crystal surface S11 side of the rubbed liquid crystal molecules MC.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the optical element 20B in the optical device 12B according to the second modification of the first embodiment.
  • the optical device 12B includes an optical element 20B instead of the optical element 20 of the optical device 12.
  • the optical element 20 ⁇ / b> B has the same configuration as the optical element 20 except for the configuration of the light transmitting body 27.
  • the optical element 20B has a translucent body 27 formed on the alignment film 21C on the exit liquid crystal surface S2 side.
  • the translucent body 27 has a plurality of light emitting surfaces 27A formed in a step shape. Each of the emission surfaces 27 ⁇ / b> A is formed in parallel to the light incident surface 22 ⁇ / b> A of the light transmitting body 22.
  • the translucent body 27 has a vertical surface 27B perpendicular to the light incident surface 22A between the light emitting surfaces 27A.
  • the translucent body 27 is reduced in size by forming the translucent body 27 stepwise. Further, since the light exit surface 27A is arranged perpendicular to the transmitted light L3 that is the light transmitted through the incident light L1, most of it is extracted to the outside. Further, since the vertical surface 27B provided between the light emitting surfaces 27A is provided in parallel to the transmitted light L3, the light extraction of the transmitted light L3 is not hindered. Therefore, compactness and high light extraction efficiency can be achieved.
  • FIG. 13A is a schematic perspective view of an optical device 12C according to the third modification of the first embodiment.
  • the optical device 12 has the same configuration as the optical device 12 except for the configuration of the optical element 20C.
  • the optical element 20 ⁇ / b> C includes a polarizing beam splitter 29 provided on the light emitting surface 23 ⁇ / b> A of the light transmitting body 23.
  • FIG. 13B is a diagram schematically showing the path of light in the optical device 12C.
  • This modification corresponds to a configuration in which a polarization beam splitter 29 is added to the optical elements 20 and 30.
  • the number of systems of output light output from the optical device 12 can be increased by one, and a total of four systems of light output can be performed.
  • the polarization beam splitter 29 divides the transmitted light L3 transmitted through the liquid crystal element 21 (liquid crystal layer 21A) into two output lights L31 and L32. Therefore, the optical devices 12C can output the output lights L31 and L32 and the output lights L4 and L5. As a result, it is possible to provide a light source system having a high degree of freedom corresponding to light branching to various output destinations.
  • the optical device 12C includes the polarization beam splitter 29 .
  • the member that divides the transmitted light L3 transmitted through the liquid crystal element 21 is not limited to the polarization beam splitter 29.
  • the optical device 12C may include a polarization mirror that reflects a specific polarization component of the transmitted light L3 and transmits another specific polarization component, instead of the polarization beam splitter 29.
  • the optical device 12 includes the optical elements 20 and 30.
  • the optical element 20 includes a liquid crystal element 21 including a liquid crystal layer 21A that includes liquid crystal molecules MC, an incident liquid crystal surface S1 on which incident light L1 from the outside is incident, and an output liquid crystal surface S2 that faces the incident liquid crystal surface S1.
  • the optical element 30 includes a liquid crystal layer 31A that includes liquid crystal molecules MC and includes an incident liquid crystal surface S3 on which incident light (reflected light L2) from the optical element 20 is incident and an output liquid crystal surface S4 that faces the incident liquid crystal surface S3. 31.
  • the light transmitting body 32 of the optical element 30 is bonded to the light emitting surface 22B of the optical element 20.
  • the optical element 20 is formed on the incident liquid crystal surface S1 of the liquid crystal layer 21A, and aligns the liquid crystal molecules MC1 in a first direction (for example, the y-axis direction) in the in-plane direction of the incident liquid crystal surface S1. And an alignment film 21C that is formed on the outgoing liquid crystal surface S2 and aligns the liquid crystal molecules MC2 in a second direction (for example, the x-axis direction) orthogonal to the first direction in the in-plane direction of the outgoing liquid crystal surface S2.
  • the optical element 20 includes a drive electrode 21D that is formed on the alignment film 21B and generates an electric field that aligns the liquid crystal molecules MC in the first direction on the incident liquid crystal surface S1 by applying a voltage. Therefore, it is possible to provide the optical element 20 and the optical device 12 that have high drive response and can perform high-efficiency light extraction.
  • FIG. 14A is a block diagram of the light source system 50 according to the second embodiment.
  • the light source system 50 has the same configuration as the light source system 10 except for the configuration of the optical device 51.
  • the optical device 51 performs optical processing on the incident light L ⁇ b> 1 from the light source 11.
  • FIG. 14B is a schematic perspective view of the optical device 51.
  • the optical device 51 has the same configuration as the optical device 12 except that the optical device 51 includes an optical element 60 instead of the optical element 20.
  • the optical element 60 has the same configuration as the optical element 20 except for the configuration of the liquid crystal element 61.
  • FIG. 15A is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal element 61.
  • the liquid crystal element 61 has a liquid crystal molecule MC5, a liquid crystal layer 61A having an incident liquid crystal surface S5 and an output liquid crystal surface S6, alignment films 61B and 61C formed on the incident liquid crystal surface S5 and the output liquid crystal surface S6, and an alignment.
  • a driving electrode 61D formed on the films 61B and 61C.
  • the alignment films 61B and 61C are configured to rub the liquid crystal molecules MC5 in the liquid crystal layer 61C in a direction perpendicular to the incident direction of light from the light source 11.
  • the drive electrode 61D includes electrodes E12 and E22 formed on the alignment films 61B and 61C, respectively.
  • the electrodes E12 and E22 are translucent to the light from the light source 11. For example, it may be composed of an ITO film or a metal mesh.
  • FIG. 15B is a diagram schematically showing the path of light in the optical element 60.
  • the drive electrodes 61D are formed to face each other so as to sandwich the liquid crystal layer 61A. Therefore, when driving, that is, when a voltage is applied to the drive electrode 61D (between the electrodes E12 and E22), an electric field is generated in the z-axis direction, that is, in the thickness direction of the liquid crystal layer 61C.
  • the liquid crystal molecules MC5 are aligned in the z-axis direction.
  • incident light L1 from the light source 11 when incident light L1 from the light source 11 is incident, reflected light L2 that causes total reflection at the incident liquid crystal surface S5 and transmitted light L3 that is transmitted through the liquid crystal element 61 are generated.
  • the reflected light L2 is an S-polarized component of the incident light L1
  • the transmitted light L3 is a P-polarized component.
  • the alignment state of the liquid crystal molecules MC5 is the same as when the optical element 20 is driven. Therefore, for example, the P-polarized component becomes the reflected light L2, and the S-polarized component becomes the transmitted light L3.
  • both the reflected light L2 and the transmitted light L3 are extracted from the optical element 60, although the relationship between transmission and reflection changes both when driven and when not driven.
  • the optical element 60 is configured, it is possible to provide the optical element 60 and the optical device 51 that have high drive response and can perform high-efficiency light extraction.
  • FIG. 16A is a block diagram of the light source system 70 according to the third embodiment.
  • the light source system 70 has the same configuration as the light source system 10 except for the configuration of the optical device 71.
  • the optical device 71 performs optical processing on the incident light L ⁇ b> 1 from the light source 11.
  • FIG. 16B is a schematic perspective view of the optical device 71.
  • the optical device 71 has the same configuration as that of the optical device 12 except that the optical device 71 includes an optical element 80 instead of the optical element 20.
  • the optical element 80 includes a liquid crystal element 81.
  • FIG. 17A is a schematic perspective view of the optical element 80.
  • FIG. 17B is a schematic cross-sectional view of the optical element 80.
  • the optical element 80 includes a liquid crystal element 81, translucent bodies 82 and 83, and a drive electrode 84.
  • the liquid crystal element 81 has liquid crystal molecules MC6, and has a liquid crystal layer 81A having an incident liquid crystal surface S7 and an output liquid crystal surface S8, and on the incident liquid crystal surface S7 and the output liquid crystal surface S8 across the liquid crystal layer 81A.
  • the alignment films 81B and 81C are formed.
  • the optical element 80 includes a translucent body 82 formed on the alignment film 81B on the incident liquid crystal surface S7 side and a translucent body 83 formed on the alignment film 81C on the output liquid crystal surface S8 side.
  • the translucent bodies 82 and 83 have the same configuration as the translucent bodies 22 and 23, respectively.
  • the translucent member 82 has a light incident surface 82A and a light emitting surface 82B.
  • the translucent body 83 has a light exit surface 83A.
  • the drive electrode 84 includes an electrode 84A formed on the light incident surface 82A of the light transmitting body 82 and a light emitting surface 84B of the light transmitting body 83.
  • the drive circuit 40 applies a drive voltage between the electrodes 84A and 84B.
  • the electrodes 84A and 84B are made of a translucent electrode such as an ITO film or a metal mesh.
  • This embodiment corresponds to the case where the liquid crystal element 81 does not have an electrode and the drive electrode 84 is provided outside the liquid crystal element 81 as an external electrode separated from the liquid crystal element 81.
  • the alignment films 81B and 81C transmit the liquid crystal molecules MC6 in the liquid crystal layer 81A in the x-axis direction, that is, the in-layer direction of the liquid crystal layer 81A.
  • the body 82 is configured to be rubbed in a direction along the light incident surface 82A.
  • FIG. 18A and 18B are diagrams schematically showing the alignment state of the liquid crystal molecules MC6 and the light path in the optical element 80 when the optical element 81 is not driven and when the optical element 81 is driven, respectively.
  • the liquid crystal molecules MC6 are aligned along the x-axis direction, that is, the direction orthogonal to the incident direction of the incident light L1. This is the same state as when the optical element 20 is driven (FIG. 5A, etc.).
  • the optical element 80 when the optical element 80 is not driven, a part of the incident light L1 incident from the light incident surface S7 of the translucent body 82 is totally reflected on the incident liquid crystal surface S7, and the other is transmitted through the liquid crystal element 81. Accordingly, the totally reflected light is emitted from the light emitting surface 82B of the light transmitting body 82 as reflected light L2 (that is, incident on the optical element 30). Further, the light transmitted through the liquid crystal element 81 is emitted from the light exit surface 83A of the translucent body 83 as the transmitted light L3 (that is, output by the output device 13).
  • the electrodes 84A and 84B run along the opposing direction of the light incident surface 82A of the light transmitting body 82 and the light emitting surface 83A of the light transmitting body 83.
  • An electric field is generated.
  • the liquid crystal molecules MC6 have components in the y-axis direction and the z-axis direction, and are aligned in a direction inclined with respect to the incident liquid crystal surface S7.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules MC6 is substantially the same as the incident direction of the incident light L1, for example. In this state, all of the incident light L1 causes total reflection on the incident liquid crystal surface S7 regardless of the polarization component. Therefore, all of the incident light L1 is emitted from the light exit surface 82B of the translucent body 82 as reflected light L2.
  • the drive electrode 84 can be formed of a film-like conductive film or the like. Therefore, for example, the configuration of the drive electrode 84 is simplified compared to the first embodiment. In addition, the electric field applied to the liquid crystal layer 81A is more stable than in the first embodiment.
  • FIG. 19A is a schematic cross-sectional view of an optical element 80A according to a modification of the third embodiment.
  • the optical element 80 ⁇ / b> A has the same configuration as the optical element 80 except for the configuration of the light transmitting body 85 and the drive electrode 86.
  • the optical element 80A includes a translucent body 85 and a drive electrode 86, respectively, instead of the translucent body 83 and the drive electrode 84 of the optical element 80.
  • the translucent body 85 is formed on the alignment film 81C on the exit liquid crystal surface S8 side of the liquid crystal element 81.
  • the light transmitting body 85 has a facing surface 85B that faces the light emitting surface 82B of the light transmitting body 82.
  • the translucent body 85 has the same shape as the translucent body 82.
  • the light transmitting body 85 has a surface parallel to the light emitting surface 82B of the light transmitting body 82 as the facing surface 85B.
  • the drive electrode 86 includes an electrode 86A formed on the light emitting surface 82B of the light transmitting body 82 and an electrode 86B formed on the facing surface 85B of the light transmitting body 85.
  • the drive circuit 40 applies a drive voltage between the electrodes 86A and 86B.
  • the liquid crystal molecules MC7 are in the same alignment state as the liquid crystal molecules MC6.
  • FIG. 19B is a diagram schematically showing the alignment state of the liquid crystal molecules MC7 and the light path in the optical element 80A when the optical element 80A is driven.
  • this modification by applying a voltage to the drive electrode 86, an electric field is generated in a direction substantially perpendicular to the incident light L1. Accordingly, the liquid crystal molecules MC7 are aligned in a direction orthogonal to the incident light L1. In this state, incident light L1 is separated into reflected light L2 and transmitted light L3. In the present modification, both the reflected light L2 and the transmitted light L3 are extracted from the optical element 80A both when driven and when not driven, for example, as with the optical element 60.
  • the drive electrode is formed on the light transmitting body 82, 83 or 85 and the alignment direction of the liquid crystal molecules is adjusted, it has high drive response and can perform light extraction with high efficiency.
  • the optical element 60 and the optical device 51 can be provided.
  • optical device in which the optical element 51 is bonded to the optical element 20 instead of the optical element 30 can be configured.
  • the incident light L1 is easily separated by adjusting the alignment state of the liquid crystal molecules MC by the alignment film and the drive electrode, and the output light of multiple systems with high light utilization efficiency and high response. Can be obtained.

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Abstract

第１及び第２の光学素子を有し、第１の光学素子は、第１の液晶素子と、第１の液晶素子上に形成され、外部からの入射光が入射する光入射面及び第１の液晶素子によって反射された反射光が出射する第１の光出射面を有する第１の透光体と、第１の液晶素子を透過した透過光が出射する第２の光出射面を有する第２の透光体とを有し、第２の光学素子は、第２の液晶素子と、第２の液晶素子上に形成され、かつ第１の光出射面に接合された第３の透光体とを有する。

Description

光学装置
　本発明は、液晶層を含んだ光学素子からなる光学装置に関する。
　従来から、液晶素子を用いた液晶パネルや液晶シャッタ、光路切替装置などの光学装置が一般化されている。例えば、特許文献１には、一対の電極基体間に液晶を挟持した液晶セル、電圧の印加により液晶の配列を制御する配向膜、及び偏光板を有する光学制御装置が開示されている。
特開昭59-7337号公報
　例えば、光学装置は、光源と共に光源システムを構成する。また、液晶を用いた光学装置においては、電圧の供給によって液晶素子中の液晶分子の配向状態を調節する駆動を行い、光源からの入力光に対する液晶素子の光透過条件を調節する。これによって、光学装置から取り出される光の光量を調節し、輝度の調節や光路の切替などの種々の光学処理を行う。
　このような光学装置においては、装置内での光損失が少ないこと、すなわち高効率で光が取り出されることが好ましい。また、光学装置は、高い駆動応答性を有することが好ましい。
　本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高い駆動応答性を有し、高効率な光取り出しを行うことが可能な光学装置を提供することを課題の１つとしている。
　請求項１に記載の発明は、第１及び第２の光学素子を有し、第１の光学素子は、第１の液晶素子と、第１の液晶素子上に形成され、外部からの入射光が入射する光入射面及び第１の液晶素子によって反射された反射光が出射する第１の光出射面を有する第１の透光体と、第１の液晶素子を透過した透過光が出射する第２の光出射面を有する第２の透光体とを有し、第２の光学素子は、第２の液晶素子と、第２の液晶素子上に形成され、かつ第１の光出射面に接合された第３の透光体とを有することを特徴とする。
（ａ）は実施例１に係る光学装置を含む光源システムのブロック図であり、（ｂ）は実施例１に係る光学装置の斜視図である。 実施例１に係る光学装置における光学素子の斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例１に係る光学素子における液晶素子の模式的な上面図及び断面図である。 （ａ）は実施例１に係る光学素子の液晶素子内の液晶分子の配列状態を模式的に示す図であり、（ｂ）は実施例１に係る光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。 （ａ）は実施例１に係る光学素子の液晶素子内の液晶分子の配列状態を模式的に示す図であり、（ｂ）は実施例１に係る光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る光学装置における光学素子の斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例１に係る光学素子における液晶素子の模式的な上面図及び断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る光学素子の液晶素子内の液晶分子の配列状態及び光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。 実施例１に係る光学装置内の光の進路を模式的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１に係る光学素子の模式的な上面図及び断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る光学素子の液晶素子内の液晶分子の配列状態及び光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。 実施例１の変形例２に係る光学素子の模式的な断面図である。 （ａ）は実施例１の変形例３に係る光学装置の斜視図であり、（ｂ）は実施例１の変形例３に係る光学装置内の光の進路を模式的に示す図である。 （ａ）は実施例２に係る光学装置の構成を含む光源システムのブロック図であり、（ｂ）は実施例２に係る光学装置の斜視図である。 （ａ）は実施例２に係る光学素子における液晶素子の模式的な断面図であり、（ｂ）は実施例２に係る光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。 （ａ）は実施例３に係る光学装置の構成を含む光源システムのブロック図であり、（ｂ）は実施例３に係る光学装置の斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例３に係る光学素子における液晶素子の模式的な上面図及び断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例３に係る光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。 （ａ）は実施例３の変形例に係る光学素子における液晶素子の模式的な断面図であり、（ｂ）は実施例３の変形例に係る光学素子内の光の進路を模式的に示す図である。
　以下に本発明の実施例について詳細に説明する。
　図１（ａ）は、実施例１に係る光源システム１０の構成を示すブロック図である。光源システム１０は、光源１１、光源１１からの光を光学的に処理する光学装置１２、光学装置１２によって処理された光を出力する出力装置１３からなる。例えば、光源１１は、発光ダイオードや半導体レーザなどの発光装置を含む。また、例えば、出力装置１３は、光学装置１２からの光を出力先に向けて反射させる反射鏡などを含む。
　図１（ｂ）は、光学装置１２の模式的な斜視図である。光学装置１２は、２つの光学素子（第１及び第２の光学素子）２０及び３０と、光学素子２０及び３０を駆動する駆動回路４０とを含む。
　第１の光学素子２０は、液晶分子を含む層状の液晶素子（第１の液晶素子）２１と、液晶素子２１を挟むように設けられた透光体（第１及び第２の透光体）２２及び２３とを含む。また、光学素子３０は、液晶分子を含む層状の液晶素子（第２の液晶素子）３１と、液晶素子３１を挟むように設けられた透光体（第３及び第４の透光体）３２及び３３とを含む。
　本実施例においては、光学素子２０及び３０は、光学素子２０の透光体２２と光学素子３０の透光体３２とが接合されることによって、互いに光学的に結合されている。なお、駆動回路４０は、液晶素子２１及び３１を駆動する。
　図２は、光学素子２０の模式的な斜視図である。まず、液晶素子２１は、互いに対向する２つの主面（第１及び第２の主面）Ｓ１及びＳ２を有する。本実施例においては、主面Ｓ１は、光源１１からの光が入射する表面として機能する。主面Ｓ２は、主面Ｓ１を透過した光が液晶素子２１から出射する表面として機能する。以下においては、主面Ｓ１を入射液晶面（第１の液晶面）と称し、主面Ｓ２を出射液晶面（第２の液晶面）と称する。換言すれば、液晶素子２１は、入射液晶面Ｓ１及びこれに対向する出射液晶面Ｓ２を有する。
　透光体２２は、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１上に形成されている。透光体２２は、光源１１からの光に対して透光性を有する。透光体２２は、例えばガラス材料又は樹脂材料からなる透明な媒体である。本実施例においては、透光体２２は、断面が台形の角柱形状を有する。また、透光体２２は、当該角柱における台形の下底に対応する側面が液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１上に形成されている。
　また、光源１１からの光は、透光体２２を介して液晶素子２１に入射する。透光体２２は、光源１１からの光が入射する光入射面２２Ａを有する。光入射面２２Ａは、入射液晶面Ｓ１に対して傾斜している。本実施例においては、入射液晶面Ｓ１と光入射面２２Ａとがなす角度は、約７０°である。
　また、本実施例においては、光入射面２２Ａから入射した光の少なくとも一部が液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１によって反射され、透光体２２から出射される。透光体２２は、入射液晶面Ｓ１によって反射された光が出射する光出射面（第１の光出射面）２２Ｂを有する。本実施例においては、透光体２２は、当該角柱における台形の脚に対応する２つの側面の一方が光入射面２２Ａであり、他方が光出射面２２Ｂである。
　また、透光体２３は、液晶素子２１の出射液晶面Ｓ２上に形成されている。透光体２３は、光源１１からの光に対して透光性を有する。透光体２３は、例えばガラス材料又は樹脂材料からなる透明な媒体である。本実施例においては、透光体２３は、断面が三角形の角柱形状を有する。また、透光体２２は、当該三角柱における三角形の最大長さの辺に対応する側面の１つが液晶素子２１の出射液晶面Ｓ１上に形成されている。
　また、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１を透過して出射液晶面Ｓ２から出射された光は、透光体２３を介して出射される。透光体２３は、液晶素子２１を透過した光が出射する光出射面（第２の光出射面）２３Ａを有する。なお、透光体２２の光入射面２２Ａ及び透光体２３の光出射面２３Ａは、互いに平行に配置されている。また、例えば、透光体２２及び２３は、１．７６の光屈折率を有する。
　なお、本実施例においては、液晶素子２１は、全体として平板形状を有し、また矩形の上面形状を有する。また、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１及び出射液晶面Ｓ２は、互いに平行に形成されている。
　以下においては、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１内における透光体２３の光入射面２２Ａに沿った方向をｘ軸方向（液晶素子２１の幅方向）と称する。また、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１内におけるｘ軸方向に垂直な方向、本実施例においては透光体２２の光入射面２２Ａから光出射面２２Ｂに向かう方向をｙ軸方向（液晶素子２１の長さ方向）と称する。また、ｘ軸及びｙ軸方向の両方に直交する方向をｚ軸方向（液晶素子２１の奥行方向又は厚さ方向）と称する。
　なお、本実施例においては、光学素子２１は、光源１１からの光がｙ軸及びｚ軸方向の成分のみで入射されるように構成及び配置されている。すなわち、光学素子２１に入射される光の主成分（主光軸）は、ｘ軸方向の成分を持たず、ｘ軸方向に垂直な方向の成分を有する。
　図３（ａ）は、液晶素子２１の模式的な上面図である。図３（ａ）は、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１を模式的に示す図である。また、図３（ｂ）は、液晶素子２１の模式的な断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図３（ａ）及び（ｂ）を用いて液晶素子２１の構成について説明する。
　液晶素子２１は、液晶分子ＭＣを含む液晶層２１Ａと、液晶層２１Ａを挟んで互いに対向して形成された配向膜（第１及び第２の配向膜）２１Ｂ及び２１Ｃと、配向膜２１Ｂ上に形成された駆動電極（第１の駆動電極）２１Ｄとを含む。
　なお、本実施例においては、液晶素子２１の入射液晶面Ｓ１は、液晶層２１Ａの透光体２２側の表面であり、出射液晶面Ｓ２は液晶層２１Ａの透光体２３側の表面である。また、本実施例においては、透光体２２は入射液晶面Ｓ１側の配向膜２１Ｂ上（本実施例においては駆動電極２１Ｄ上）に形成されている。また、透光体２３は出射液晶面Ｓ２側の配向膜２１Ｃ上に形成されている。
　液晶層２１Ａは、例えば液晶分子ＭＣとして棒状のネマティック液晶を含む。配向膜２１Ｂ及び２１Ｃは、例えば、配向処理が施された膜状のポリイミドからなる。配向膜２１Ｂ及び２１Ｃは、光源１１からの光に対して透光性を有する。液晶層２１Ａ内における液晶分子ＭＣは、配向膜２１Ｂ及び２１Ｃによってラビングされている。例えば、液晶層２１Ａは、非駆動時、すなわち駆動電極２１Ｄによって電界が印加されていない状態では１．５２の光屈折率を有する。
　本実施例においては、液晶分子ＭＣは、非駆動時においては入射液晶面Ｓ１側（配向膜２１Ｂ側）と出射側液晶面Ｓ２側との間で互いに長軸方向（ネマティック液晶の分子長軸方向）が直交するねじれ配向となるようにラビングされている。具体的には、例えば、液晶分子ＭＣは、入射液晶面Ｓ１側ではその長軸方向がｙ軸方向（第１の方向）に沿って配向され、出射液晶面Ｓ２側ではｘ軸方向（第２の方向）に沿って配向されている。
　また、駆動電極２１Ｄは、光源１１からの光に対して透光性を有する。駆動電極２１Ｄは、配向膜２１Ｂ上において、ｙ軸方向すなわち光源１１からの光の入射方向に沿って延びるストライプ状の一対の電極（第１及び第２の電極）Ｅ１及びＥ２からなる。本実施例においては、電極Ｅ１及びＥ２は、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電性酸化膜からなる。
　また、本実施例においては、電極Ｅ１及びＥ２は、配向膜２１Ｂ上において、そのストライプ部が交互に噛み合うように櫛歯状に形成されている。具体的には、電極Ｅ１は、配向膜２１Ｂ上において光入射面２２Ａから光出射面２２Ｂに向かって延びるストライプ部（櫛歯部）を有する。また、電極Ｅ２は、配向膜２１Ｂ上において光出射部２２Ｂから光入射部２２Ａに向かって延びるストライプ部（櫛歯部）を有する。
　本実施例においては、駆動回路４０は、電極Ｅ１及びＥ２間に駆動信号ＤＳ１として交流電圧を印加する。これによって、液晶層２１Ａの入射液晶面Ｓ１の近傍には、ｘ軸方向に沿った電界が生ずる。
　図４（ａ）は、非駆動時、すなわち駆動電極２１Ｄに駆動信号ＤＳ１が供給されていない状態における液晶層２１Ａ内の液晶分子ＭＣの配向状態を模式的に示す図である。また、図４（ｂ）は、非駆動時における光学素子２０内の光の進路を模式的に示す図である。
　非駆動時においては、液晶層２１Ａに電圧が印加されない。従って、図４（ａ）に示すように、液晶層２１Ａ内の液晶分子ＭＣは、配向膜２１Ｂ及び２１Ｃによってラビングされた配向状態となる。具体的には、入射液晶面Ｓ１側の液晶分子ＭＣ１はｙ軸方向（第１の方向）に沿ってラビングされており、出射液晶面Ｓ２側の液晶分子ＭＣ２はｘ軸方向（第２の方向）に沿ってラビングされている。
　また、本実施例においては、透光体２２及び２３は、非駆動時には液晶層２１Ａよりも高い光屈折率を有する。また、透光体２２の光入射面２２Ａは、液晶素子２１の入射側液晶面Ｓ１に対して傾斜している。従って、非駆動時においては、光源１１からの入射光Ｌ１は、光入射面２２Ａを介して透光体２２に入射した後、液晶素子２１の入射側液晶面Ｓ１において全反射を起こす。
　従って、非駆動時の光学素子２１に光源１１から入射光Ｌ１を入射させると、図４（ｂ）に示すように、入射光Ｌ１は液晶素子２１を透過せず、入射液晶面Ｓ１によって反射された後、反射光Ｌ２として透光体２２の光出射面２２Ｂから出射される。
　図５（ａ）は、駆動時、すなわち駆動電極２１Ｄに駆動信号ＤＳ１が供給された状態における液晶分子ＭＣ１及びＭＣ２の配向状態を模式的に示す図である。また、図５（ｂ）は、駆動時における光学素子２０内の光の進路を模式的に示す図である。
　駆動時においては、液晶層２１Ａに電圧が印加されることで、液晶分子ＭＣ１及びＭＣ２は印加された電界に応じてラビング状態が変化する。具体的には、液晶層２１Ａの入射液晶面Ｓ１の近傍においてｘ軸方向の電界が生ずることで、入射液晶面Ｓ１側の液晶分子ＭＣ１がｘ軸方向に沿って配向される。
　この状態で光源１１から入射光Ｌ１が入射されると、図５（ｂ）に示すように、その一部が入射液晶面Ｓ１において全反射を起こし、反射光Ｌ２として透光体２２の光出射面２２Ｂから出射される。一方、入射光Ｌ１の一部は入射側液晶面Ｓ１を透過し、液晶素子２１内を進んで透光体２３に入射する。この液晶素子２１を透過した光は、透過光Ｌ３として透光体２３の光出射面２３Ｂから出射される。
　例えば、本実施例においては、反射光Ｌ２は、入射光Ｌ１のうちのＰ偏光成分（第１の偏光成分）であり、透過光Ｌ３はＳ偏光成分（第２の偏光成分）である。これは、液晶分子ＭＣ１の配向状態によって、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに対する液晶層２１Ａの光屈折率が互いに異なることによる。
　具体的には、本実施例においては、透光体２２は、駆動電極２１Ｄへの電圧の印加時において、入射光Ｌ１のＰ偏光成分に対しては液晶層２１Ａよりも大きな屈折率を有し、Ｓ偏光成分に対しては液晶層２１Ｄよりも小さな屈折率を有する。なお、Ｐ偏光成分は、入射光Ｌ１のうち、駆動時の液晶分子ＭＣ１の配向方向（第２の方向）に直交する方向、すなわち液晶分子ＭＣ２の配向方向（第１の方向）に電界方向（偏光方向）を有する偏光成分である。また、Ｓ偏光成分は、入射光Ｌ１のうち、液晶分子ＭＣ１の配向方向に電界方向（偏光方向）を有する偏光成分である。
　従って、本実施例においては、入射光Ｌ１のＰ偏光成分は入射液晶面Ｓ１において全反射を起こす一方で、Ｓ偏光成分は入射液晶面Ｓ１を透過する。このように光学素子２０の内部部材、特に透光体２２及び液晶層２１Ａの光屈折率及び入射光Ｌ１の入射角度を設計することで、容易に入射光Ｌ１を分離することができる。また、反射光Ｌ２及び透過光Ｌ３の両方を利用するため、入射光Ｌ１のほとんどが取り出される。また、透光体２２の光入射面２２Ａと透光体２３の光出射面２３Ａとを互いに平行に配置することで、透過光Ｌ３の大部分を取り出すことができ、光の取り出し効率が向上する。
　図６（ａ）は、光学素子３０の模式的な斜視図である。図６（ｂ）は、光学素子３０の光学素子２０に対する配置構成を模式的に示す図である。本実施例においては、光学素子３０の液晶素子３１、並びに透光体３２及び３３は、光学素子２０の液晶素子２１、並びに透光体２２及び２３と同様の構成を有する。
　まず、液晶素子３１は、互いに対向する２つの主面（第３及び第４の主面）Ｓ３及びＳ４を有する。本実施例においては、主面Ｓ３は、光源１１及び光学素子２０からの光（入射光Ｌ１及び反射光Ｌ２）が入射する表面として機能する。主面Ｓ４は、主面Ｓ３を透過した光が液晶素子３１から出射する表面として機能する。以下においては、主面Ｓ３を入射液晶面（第３の液晶面）と称し、主面Ｓ４を出射液晶面（第４の液晶面）と称する。換言すれば、液晶素子３１は、入射液晶面Ｓ２及びこれに対向する出射液晶面Ｓ４を有する。
　透光体３２は、液晶素子３１の入射液晶面Ｓ３側の配向膜３１Ｃ上に形成されている。透光体３２は、光源１１からの光に対して透光性を有する。透光体３２は、例えばガラス材料又は樹脂材料からなる透明な媒体である。本実施例においては、透光体３２は、断面が台形の角柱形状を有する。また、透光体３２は、当該角柱における台形の下底に対応する側面が液晶素子３１の入射液晶面Ｓ３上に形成されている。
　また、透光体３２は、図６（ｂ）に示すように、光学素子２０における透光体２２の光出射面２２Ｂに接合されている。従って、光学素子２０からの反射光Ｌ２は透光体３２を介して液晶素子３１の入射液晶面Ｓ３に入射する。透光体３２は、光学素子２０からの反射光Ｌ２が入射する光入射面（第２の光入射面）３２Ａを有する。
　また、光入射面３２Ａから入射した光の少なくとも一部は液晶素子３１の入射液晶面Ｓ３によって反射され、透光体３２から出射される。透光体３２は、入射液晶面Ｓ３によって反射された光が出射する光出射面（第２の光出射面）３２Ｂを有する。本実施例においては、透光体３２は、当該角柱における台形の脚に対応する２つの側面の一方が光入射面３２Ａであり、他方が光出射面３２Ｂである。
　また、透光体３３は、液晶素子３１の出射液晶面Ｓ４上に形成されている。透光体３３は、光源１１及び光学素子２０からの光に対して透光性を有する。透光体３３は、例えばガラス材料又は樹脂材料からなる透明な媒体である。本実施例においては、透光体３３は、断面が三角形の角柱形状を有する。また、透光体３２は、当該三角柱における三角形の最大長さの辺に対応する側面の１つが液晶素子３１の出射液晶面Ｓ４上に形成されている。
　また、液晶素子３１の入射液晶面Ｓ４を透過して出射液晶面Ｓ４から出射された光は、透光体３３を介して出射される。透光体３３は、液晶素子３１を透過した光が出射する光出射面（第２の光出射面）３３Ａを有する。
　図７（ａ）は、液晶素子３１の模式的な上面図である。図７（ａ）は、液晶素子３１の入射液晶面Ｓ３を模式的に示す図である。また、図７（ｂ）は、液晶素子３１の模式的な断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＷ－Ｗ線に沿った断面図である。図７（ａ）及び（ｂ）を用いて液晶素子３１の構成について説明する。
　液晶素子３１は、液晶素子２１と同様に、液晶分子ＭＣを含む液晶層３１Ａと、液晶層３１Ａを挟んで互いに対向して形成された配向膜（第３及び第４の配向膜）３１Ｂ及び３１Ｃと、配向膜３１Ｂ上に形成された駆動電極（第２の駆動電極）３１Ｄとを含む。
　なお、本実施例においては、液晶素子３１の入射液晶面Ｓ３は、液晶層３１Ａの透光体３２側の表面であり、出射液晶面Ｓ４は液晶層３１Ａの透光体３３側の表面である。また、本実施例においては、透光体３２は入射液晶面Ｓ３側の配向膜３１Ｂ上（本実施例においては駆動電極３１Ｄ上）に形成されている。また、透光体３３は出射液晶面Ｓ４側の配向膜４１Ｃ上に形成されている。
　液晶層３１Ａは、例えば液晶分子ＭＣとして棒状のネマティック液晶を含む。配向膜３１Ｂ及び３１Ｃは、例えば、配向処理が施された膜状のポリイミドからなる。配向膜３１Ｂ及び３１Ｃは、光学素子２０からの光に対して透光性を有する。液晶層３１Ａ内における液晶分子ＭＣは、配向膜３１Ｂ及び３１Ｃによってラビングされている。
　また、駆動電極３１Ｄは、光源１１及び光学素子２０からの光に対して透光性を有する。駆動電極３１Ｄは、配向膜３１Ｂ上において、光学素子２０からの光の入射方向に沿って延びるストライプ状の一対の電極（第３及び第４の電極）Ｅ３及びＥ４からなる。本実施例においては、電極Ｅ３及びＥ４は、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電性酸化膜からなる。
　また、本実施例においては、電極Ｅ３及びＥ４は、配向膜３１Ｂ上において、そのストライプ部が交互に噛み合うように櫛歯状に形成されている。具体的には、電極Ｅ３は、配向膜３１Ｂ上において光入射面３２Ａから光出射面３２Ｂに向かって延びるストライプ部（櫛歯部）を有する。また、電極Ｅ４は、配向膜３１Ｂ上において光出射部３２Ｂから光入射部３２Ａに向かって延びるストライプ部（櫛歯部）を有する。
　本実施例においては、駆動回路４０は、電極Ｅ３及びＥ４間に駆動信号ＤＳ２として交流電圧を印加する。これによって、液晶層３１Ａの入射液晶面Ｓ３の近傍には、光学素子２０からの入射光の入射方向に直交する方向の電界が生ずる。
　図８（ａ）は、非駆動時、すなわち駆動電極３１Ｄに駆動信号ＤＳ２が供給されていない状態における液晶層３１Ａ内の液晶分子ＭＣの配向状態及び光学素子３０内の光の進路を模式的に示す図である。本実施例においては、光学素子３０への入射光は、光学素子２０によって生成された反射光Ｌ２である。
　非駆動時においては、液晶層３１Ａに電圧が印加されない。従って、図８（ａ）に示すように、液晶層３１Ａ内の液晶分子ＭＣは、配向膜３１Ｂ及び３１Ｃによってラビングされた配向状態となる。具体的には、入射液晶面Ｓ３側の液晶分子ＭＣ３は液晶層３１Ａの層内方向において反射光Ｌ２の入射方向に沿ってラビングされており、出射液晶面Ｓ４側の液晶分子ＭＣ４はこれに直交する方向に沿ってラビングされている。
　従って、非駆動時においては、光学素子２０からの反射光Ｌ２は、光入射面３２Ａを介して透光体３２に入射し、液晶素子３１の入射側液晶面Ｓ３において全反射を起こす。従って、非駆動時の光学素子３１に反射光（１次反射光）Ｌ２を入射させると、図８（ａ）に示すように、反射光Ｌ２は液晶素子３１を透過せず、入射液晶面Ｓ３によって反射された後、反射光（２次反射光）Ｌ４として透光体３２の光出射面３２Ｂから出射される。
　図８（ｂ）は、駆動時、すなわち駆動電極３１Ｄに駆動信号ＤＳ２が供給された状態における液晶分子ＭＣ３及びＭＣ４の配向状態及び光学素子３０内の光の進路を模式的に示す図である。
　駆動時においては、液晶層２１Ａに電圧が印加されることで、液晶分子ＭＣ３及びＭＣ４は印加された電界に応じてラビング状態が変化する。具体的には、入射液晶面Ｓ３側の液晶分子ＭＣ３は液晶層３１Ａの層内方向において反射光Ｌ２の入射方向に直交する方向に沿って配向される。
　この状態で光学素子２０からの反射光Ｌ２が入射されると、図８（ｂ）に示すように、その一部が入射液晶面Ｓ３において全反射を起こし、反射光Ｌ４として透光体３２の光出射面３２Ｂから出射される。一方、反射光Ｌ２の一部は入射側液晶面Ｓ３を透過し、液晶素子３１内を進んで透光体３３に入射する。この液晶素子３１を透過した光は、透過光Ｌ５として透光体３３の光出射面３３Ｂから出射される。例えば、本実施例においては、反射光Ｌ４は、反射光Ｌ２のうちのＰ偏光成分であり、透過光Ｌ５はＳ偏光成分である。
　図９は、光学装置１２の光学素子２０及び３０内の光の進路を模式的に示す図である。上記した光学素子２０及び３０においては、液晶素子２１及び３１の各々の駆動構成、すなわち液晶素子２１及び３１への電圧の印加状態を制御することで、光源１１（外部）からの入射光Ｌ１を受けて、３つの出力光を得ることができる。具体的には、図９に示すように、本実施例においては、外部出力光として、光学素子２０の液晶素子２１を透過した透過光Ｌ３、光学素子２０から光学素子３０に入射して液晶素子３１によって反射された反射光Ｌ４、及び液晶素子３１を透過した透過光Ｌ５の３つが出力装置１３に入射される。つまり、当該光Ｌ３～Ｌ５は、出力装置１３から外部に出力される。
　このように、光学装置１２は、外部からの入射光Ｌ１から３つの出力光Ｌ３～Ｌ５を生成する。これによって、装置内での出力光Ｌ３～Ｌ５の生成における光の損失が少なく、かつ駆動応答性が高い。
　具体的には、まず、光学素子２０及び３０は、遮光要素を用いることなく出力光の生成を行う。例えば、光学素子２０は、出力光として反射光Ｌ２及び透過光Ｌ３を生成する際に、液晶層２１Ａの入射液晶面Ｓ１で全反射した光又は液晶層２１Ａを透過した光を用いる。この際、例えば偏光板などを用いることなく入射光Ｌ１のほぼ全てを用いるため、高効率で光取り出しを行うことができる。光学素子３０においても同様であり、光学素子２０及び３０から取り出される出力光Ｌ３～Ｌ５は、入射光Ｌ１の大部分を用いた光である。
　次に、駆動される要素は液晶層２１Ａ又は３１Ａのみであり、他の被駆動部材を用いない。従って、高い応答性を有するように液晶層２１Ａ及び３１Ａを構成することで、素子全体又は装置全体としての応答性が向上する。また、他の要素との間で応答遅延の調整などを行う必要が無い。
　また、少ない構成要素で複数系統の光取り出しを実現することが可能であるため、装置全体がコンパクトなものとなる。また、振動や温度などの動作環境の影響に対する安定性が高い。
　なお、光源システム１０の用途は、例えば投光部材、すなわち灯具を構成することができる。例えば出力光に応じて異なる領域に光が投光されるように、また場合によってはその領域全体を照らすことができる。光源システム１０は、コンパクト、高効率かつ高応答性な投光具となる。
　なお、本実施例における光学素子２０及び３０の構成は一例に過ぎない。例えば、配向膜２１Ｂ及び２１Ｃのラビング構成、駆動電極２１Ｄによる電圧印加方向の構成及び透光体２２及び２３の構成はこれに限定されない。また、取り出す出力光の系統数に応じて他の素子を追加することも可能である。以下に、本実施例の変形例として種々の他の構成例について説明する。
　図１０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１に係る光学装置１２Ａの模式的な上面図及び断面図である。光学装置１２Ａは、光学素子２０Ａの構成を除いては光学装置１２と同様の構成を有する。本実施例においては、光学装置１２Ａは、光学素子２０に代えて光学素子２０Ａを有する。
　本変形例においては、光学素子２０Ａは、液晶素子２５の構成を除いては、光学素子２０と同様の構成を有する。液晶素子２５は、液晶分子ＭＣを有し、一方の主面Ｓ１１を入射液晶面とし、これに対向する主面Ｓ１２を出射液晶面とする液晶層２５Ａを有する。また、液晶素子２５は、液晶層２５Ａの入射液晶面Ｓ１１及び出射液晶面Ｓ１２上にそれぞれ形成され、ｘ軸方向に液晶分子ＭＣを配向させる配向膜２５Ｂ及び２５Ｃを有する。
　また、液晶素子２５は、配向膜２５Ｂ上に形成された駆動電極２５Ｄを有する。駆動電極２５Ｄは、配向膜２５Ｂ上において、ｘ軸方向、すなわち光源１１からの入射光Ｌ１の入射方向に直交する方向に沿って延びるストライプ状の一対の電極（第１及び第２の電極）Ｅ１１及びＥ２１からなる。
　光学素子２０Ａは、配向膜２５Ｂによる液晶分子ＭＣのラビング方向が、光学素子２０の場合に対して直交する構成を有する。また、光学素子２０Ａは、電極Ｅ１１及びＥ２１によって生成される電界の方向が光学素子２０の場合に対して直交する構成を有する。
　図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ光学素子２０Ａにおける非駆動時及び駆動時における液晶分子ＭＣの配向状態及び光学素子２０Ａ内の光の進路を模式的に示す図である。図１１（ａ）に示すように、非駆動時においては入射液晶面Ｓ１１の近傍の液晶分子ＭＣ１１及び出射液晶面Ｓ２１の近傍の液晶分子ＭＣ２１の両方が、ｘ軸方向、すなわち入射光Ｌ１の入射方向に直交する方向に沿って配向されてる。これは、光学素子２０における駆動時（図５（ａ）など）と同様の状態である。
　従って、光学素子２０Ａの非駆動時においては、透光体２２の光入射面Ｓ１１から入射した入射光Ｌ１の一部は入射液晶面Ｓ１１において全反射を起こし、その他は液晶素子２５を透過する。従って、全反射した光は反射光Ｌ２として透光体２２の光出射面２２Ｂから出射される（すなわち光学素子３０に入射する）。また、液晶素子２５を透過した光は透過光Ｌ３として透光体２３の光出射面２３Ａから出射される（すなわち出力装置１３によって出力される）。
　一方、図１１（ｂ）に示すように、光学素子２０Ａの駆動時においては、電極Ｅ１１及びＥ２１によって入射液晶面Ｓ１１の近傍にｙ軸方向の電界が生ずる。従って、入射液晶面Ｓ１１の近傍における液晶分子ＭＣ１１は、ｙ軸方向に配向される。この状態は、光学素子２０の非駆動時（図４（ａ）など）と同様の状態となる。従って、入射光Ｌ１の全てが入射液晶面Ｓ１１で全反射を起こし、反射光Ｌ２として透光体２２の光出射面２２Ｂから出射される。
　本変形例のように、入射光Ｌ１の入射方向に直交する方向に液晶分子ＭＣをラビングする配向膜２５Ｂを有し、当該ラビングされた液晶分子ＭＣのうちの入射液晶面Ｓ１１側の液晶分子ＭＣ１１を当該ラビング方向に直交するように電界を印加する駆動電極２５Ｄを有していてもよい。
　図１２は、実施例１の変形例２に係る光学装置１２Ｂにおける光学素子２０Ｂの模式的な断面図である。光学装置１２Ｂは、光学装置１２の光学素子２０に代えて光学素子２０Ｂを有する。光学素子２０Ｂは、透光体２７の構成を除いては、光学素子２０と同様の構成を有する。
　光学素子２０Ｂは、出射液晶面Ｓ２側の配向膜２１Ｃ上に形成された透光体２７を有する。透光体２７は、階段状に形成された複数の光出射面２７Ａを有する。出射面２７Ａの各々は、透光体２２の光入射面２２Ａに対して平行に形成されている。また、透光体２７は、光出射面２７Ａ間において光入射面２２Ａに垂直な垂直面２７Ｂを有する。
　本実施例においては、入射液晶面Ｓ２側の透光体２７において、そのサイズをコンパクト化しつつ透過光Ｌ３の取り出し効率を向上させることができる。具体的には、まず、階段状に透光体２７を形成することで、透光体２７が小型化される。また、光出射面２７Ａは入射光Ｌ１が透過した光である透過光Ｌ３に垂直に配置されているため、その大部分が外部に取り出される。さらに、この光出射面２７Ａ間に設けられた垂直面２７Ｂは透過光Ｌ３に平行に設けられているため、透過光Ｌ３の光取り出しを阻害しない。従って、コンパクト化及び高光取り出し効率化を図ることができる。
　図１３（ａ）は、実施例１の変形例３に係る光学装置１２Ｃの模式的な斜視図である。光学装置１２は、光学素子２０Ｃの構成を除いては、光学装置１２と同様の構成を有する。光学素子２０Ｃは、透光体２３の光出射面２３Ａ上に設けられた偏光ビームスプリッタ２９を有する。
　図１３（ｂ）は、光学装置１２Ｃ内の光の進路を模式的に示す図である。本変形例においては、光学素子２０及び３０に偏光ビームスプリッタ２９が追加された構成に相当する。これによって、光学装置１２から出力される出力光の系統を１つ増加し、合計４系統の光出力を行うことができる。具体的には、偏光ビームスプリッタ２９は、液晶素子２１（液晶層２１Ａ）を透過した透過光Ｌ３を２つの出力光Ｌ３１及びＬ３２に分割する。従って、光学装置１２Ｃからは、出力光Ｌ３１及びＬ３２、並びに出力光Ｌ４及び５の光を出力することができる。これによって、種々の出力先への光分岐に対応した自由度の高い光源システムを提供することができる。
　なお、本変形例においては、光学装置１２Ｃが偏光ビームスプリッタ２９を有する場合について説明した。しかし、液晶素子２１を透過した透過光Ｌ３を分割する部材は偏光ビームスプリッタ２９に限定されない。例えば、光学装置１２Ｃは、偏光ビームスプリッタ２９に代えて、透過光Ｌ３の特定の偏光成分を反射させ、他の特定の偏光成分を透過させる偏光ミラーを有していてもよい。
　このように、本実施例においては、光学装置１２は、光学素子２０及び３０を有する。また、光学素子２０は、液晶分子ＭＣを含み、外部からの入射光Ｌ１が入射する入射液晶面Ｓ１及びこれに対向する出射液晶面Ｓ２を有する液晶層２１Ａを含む液晶素子２１を有する。また、光学素子３０は、液晶分子ＭＣを含み、光学素子２０からの入射光（反射光Ｌ２）が入射する入射液晶面Ｓ３及びこれに対向する出射液晶面Ｓ４を有する液晶層３１Ａを含む液晶素子３１を有する。また、光学素子３０の透光体３２は光学素子２０の光出射面２２Ｂに接合されている。
　また、光学素子２０は、液晶層２１Ａの入射液晶面Ｓ１上に形成され、液晶分子ＭＣ１を入射液晶面Ｓ１の面内方向における第１の方向（例えばｙ軸方向）に配向させる配向膜２１Ｂと、出射液晶面Ｓ２上に形成され、液晶分子ＭＣ２を出射液晶面Ｓ２の面内方向における第１の方向に直交する第２の方向（例えばｘ軸方向）に配向させる配向膜２１Ｃとを有する。また、光学素子２０は、配向膜２１Ｂ上に形成され、電圧の印加によって、入射液晶面Ｓ１上において液晶分子ＭＣを第１の方向に配向させる電界を生じさせる駆動電極２１Ｄを有する。従って、高い駆動応答性を有し、高効率な光取り出しを行うことが可能な光学素子２０及び光学装置１２を提供することができる。
　図１４（ａ）は、実施例２に係る光源システム５０のブロック図である。光源システム５０は、光学装置５１の構成を除いては、光源システム１０と同様の構成を有する。光学装置５１は、光源１１からの入射光Ｌ１に対して光学処理を行う。図１４（ｂ）は、光学装置５１の模式的な斜視図である。光学装置５１は、光学素子２０に代えて光学素子６０を有する点を除いては、光学装置１２と同様の構成を有する。光学素子６０は、液晶素子６１の構成を除いては、光学素子２０と同様の構成を有する。
　図１５（ａ）は、液晶素子６１の模式的な断面図である。液晶素子６１は、液晶分子ＭＣ５を有し、入射液晶面Ｓ５及び出射液晶面Ｓ６を有する液晶層６１Ａと、入射液晶面Ｓ５及び出射液晶面Ｓ６上に形成された配向膜６１Ｂ及び６１Ｃと、配向膜６１Ｂ及び６１Ｃ上に形成された駆動電極６１Ｄとを有する。
　配向膜６１Ｂ及び６１Ｃは、液晶分子ＭＣ５を液晶層６１Ｃ内において光源１１からの光の入射方向に直交する方向にラビングするように構成されている。また、駆動電極６１Ｄは、配向膜６１Ｂ及び６１Ｃ上にそれぞれ形成された電極Ｅ１２及びＥ２２からなる。電極Ｅ１２及びＥ２２は、光源１１からの光に対して透光性を有する。例えばＩＴＯ膜から構成されていてもよいし、金属メッシュから構成されていてもよい。
　図１５（ｂ）は、光学素子６０内の光の進路を模式的に示す図である。本実施例においては、駆動電極６１Ｄが液晶層６１Ａを挟むように互いに対向して形成されている。従って、駆動時、すなわち駆動電極６１Ｄ（電極Ｅ１２及びＥ２２間）に電圧を印加した場合、ｚ軸方向、すなわち液晶層６１Ｃの厚さ方向に電界が生ずる。
　従って、液晶分子ＭＣ５はｚ軸方向に配向される。この場合、光源１１からの入射光Ｌ１が入射されると、入射液晶面Ｓ５で全反射を起こす反射光Ｌ２と、液晶素子６１を透過する透過光Ｌ３とが生成される。例えば、反射光Ｌ２は、入射光Ｌ１のうちのＳ偏光成分であり、透過光Ｌ３はＰ偏光成分である。なお、非駆動時においては、液晶分子ＭＣ５の配向状態は、光学素子２０の駆動時と同様の状態となる。従って、例えばＰ偏光成分は反射光Ｌ２となり、Ｓ偏光成分は透過光Ｌ３となる。
　換言すれば、光学素子６０からは、駆動時及び非駆動時の両方において、透過及び反射の関係は変化するものの、反射光Ｌ２及び透過光Ｌ３の両方が取り出される。このように光学素子６０が構成されていても、高い駆動応答性を有し、高効率な光取り出しを行うことが可能な光学素子６０及び光学装置５１を提供することができる。
　図１６（ａ）は、実施例３に係る光源システム７０のブロック図である。光源システム７０は、光学装置７１の構成を除いては、光源システム１０と同様の構成を有する。光学装置７１は、光源１１からの入射光Ｌ１に対して光学処理を行う。図１６（ｂ）は、光学装置７１の模式的な斜視図である。光学装置７１は、光学素子２０に代えて光学素子８０を有する点を除いては、光学装置１２と同様の構成を有する。光学素子８０は、液晶素子８１を有する。
　図１７（ａ）は、光学素子８０の模式的な斜視図である。図１７（ｂ）は、光学素子８０の模式的な断面図である。光学素子８０は、液晶素子８１、透光体８２及び８３、並びに駆動電極８４を有する。
　本実施例においては、液晶素子８１は、液晶分子ＭＣ６を有し、入射液晶面Ｓ７及び出射液晶面Ｓ８を有する液晶層８１Ａと、液晶層８１Ａを挟んで入射液晶面Ｓ７及び出射液晶面Ｓ８上に形成された配向膜８１Ｂ及び８１Ｃとを有する。また、光学素子８０は、入射液晶面Ｓ７側の配向膜８１Ｂ上に形成された透光体８２と、出射液晶面Ｓ８側の配向膜８１Ｃ上に形成された透光体８３とを有する。
　透光体８２及び８３は、それぞれ透光体２２及び２３と同様の構成を有する。透光体８２は、光入射面８２Ａ及び光出射面８２Ｂを有する。また透光体８３は光出射面８３Ａを有する。本実施例においては、駆動電極８４は、透光体８２の光入射面８２Ａ上に形成された電極８４Ａと、透光体８３の光出射面８４Ｂとからなる。駆動回路４０は、電極８４Ａ及び８４Ｂ間に駆動電圧を印加する。電極８４Ａ及び８４Ｂは、例えばＩＴＯ膜又は金属メッシュなどの透光性電極からなる。
　本実施例は、液晶素子８１が電極を持たず、液晶素子８１の外部に液晶素子８１から離間した外部電極として駆動電極８４が設けられた場合に相当する。なお、図１７（ｂ）に示すように、本実施例においては、配向膜８１Ｂ及び８１Ｃは、液晶層８１Ａ内の液晶分子ＭＣ６を、ｘ軸方向、すなわち液晶層８１Ａの層内方向において透光体８２の光入射面８２Ａに沿った方向にラビングするように構成されている。
　図１８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ光学素子８１における非駆動時及び駆動時における液晶分子ＭＣ６の配向状態及び光学素子８０内の光の進路を模式的に示す図である。図１８（ａ）に示すように、非駆動時においては、液晶分子ＭＣ６は、ｘ軸方向、すなわち入射光Ｌ１の入射方向に直交する方向に沿って配向されてる。これは、光学素子２０における駆動時（図５（ａ）など）と同様の状態である。
　従って、光学素子８０の非駆動時においては、透光体８２の光入射面Ｓ７から入射した入射光Ｌ１の一部は入射液晶面Ｓ７において全反射を起こし、その他は液晶素子８１を透過する。従って、全反射した光は反射光Ｌ２として透光体８２の光出射面８２Ｂから出射される（すなわち光学素子３０に入射する）。また、液晶素子８１を透過した光は透過光Ｌ３として透光体８３の光出射面８３Ａから出射される（すなわち出力装置１３によって出力される）。
　一方、図１８（ｂ）に示すように、光学素子８０の駆動時においては、電極８４Ａ及び８４Ｂによって透光体８２の光入射面８２Ａ及び透光体８３の光出射面８３Ａの対向方向に沿った電界が生ずる。従って、液晶分子ＭＣ６は、ｙ軸方向及びｚ軸方向の成分を有し、入射液晶面Ｓ７に対して傾斜した方向に配向される。この液晶分子ＭＣ６の配向方向は、例えば入射光Ｌ１の入射方向とほぼ同一の方向となる。この状態においては、入射光Ｌ１は偏光成分に関わらず全て入射液晶面Ｓ７において全反射を起こす。従って、入射光Ｌ１の全てが反射光Ｌ２として透光体８２の光出射面８２Ｂから出射される。
　本実施例においては、駆動電極８４を膜状の導電膜などによって形成することができる。従って、例えば実施例１に比べて駆動電極８４の構成が単純化される。また、実施例１などに比べて液晶層８１Ａに印加される電界が安定する。
　図１９（ａ）は、実施例３の変形例に係る光学素子８０Ａの模式的な断面図である。光学素子８０Ａは、透光体８５及び駆動電極８６の構成を除いては、光学素子８０と同様の構成を有する。光学素子８０Ａは、光学素子８０の透光体８３及び駆動電極８４に代えて、それぞれ透光体８５及び駆動電極８６を有する。
　透光体８５は、液晶素子８１の出射液晶面Ｓ８側の配向膜８１Ｃ上に形成されている。また、透光体８５は、透光体８２の光出射面８２Ｂに対向する対向面８５Ｂを有する。具体的には、本実施例においては、透光体８５は、透光体８２と同一形状を有する。そして、透光体８５は、対向面８５Ｂとして、透光体８２の光出射面８２Ｂに平行な表面を有する。
　また、駆動電極８６は、透光体８２の光出射面８２Ｂ上に形成された電極８６Ａと、透光体８５の対向面８５Ｂ上に形成された電極８６Ｂとからなる。駆動回路４０は、電極８６Ａ及び８６Ｂ間に駆動電圧を印加する。なお、非駆動時においては、液晶分子ＭＣ７は液晶分子ＭＣ６と同様の配向状態となっている。
　図１９（ｂ）は、光学素子８０Ａの駆動時における液晶分子ＭＣ７の配向状態及び光学素子８０Ａ内の光の進路を模式的に示す図である。本変形例においては、駆動電極８６に電圧を印加することで、入射光Ｌ１に対してほぼ垂直な方向に電界が生ずる。従って、液晶分子ＭＣ７は、入射光Ｌ１に直交する方向に配向される。この状態においては、入射光Ｌ１は反射光Ｌ２及び透過光Ｌ３に分離される。本変形例においては、光学素子８０Ａからは、例えば光学素子６０と同様に、駆動時及び非駆動時の両方において反射光Ｌ２及び透過光Ｌ３の両方が取り出される。
　このように、透光体８２、８３又は８５上に駆動電極を形成して液晶分子の配向方向を調節した場合でも、高い駆動応答性を有し、高効率な光取り出しを行うことが可能な光学素子６０及び光学装置５１を提供することができる。
　なお、上記した実施例は、互いに組み合わせることができる。例えば、光学素子３０に代えて光学素子５１を光学素子２０に接合した光学装置を構成することができる。
　上記した実施例においては、配向膜及び駆動電極による液晶分子ＭＣの配向状態を調節することで、容易に入射光Ｌ１の分離を行い、高い光利用効率でかつ高い応答性で複数系統の出力光を得ることができる。
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、５１、７１　光学装置
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、３０、６０、８０、８０Ａ　光学素子
２１Ａ、２５Ａ、３１Ａ、６１Ａ、８１Ａ　液晶層
２１Ｂ、２１Ｃ、２５Ｂ、２５Ｃ、３１Ｂ、３１Ｃ、６１Ｂ、６１Ｃ、８１Ｂ、８１Ｃ　配向膜
２１Ｄ、３１Ｄ、２５Ｄ、３１Ｄ、６１Ｄ、８４、８６　駆動電極
２２、２７、２３、３２、３３、８２、８３、透光体
Ｓ１、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７　入射液晶面（第１の液晶面）
Ｓ２、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８　出射液晶面（第２の液晶面）

Claims (6)

  1. 　第１及び第２の光学素子を有し、
    　前記第１の光学素子は、第１の液晶素子と、前記第１の液晶素子上に形成され、外部からの入射光が入射する光入射面及び前記第１の液晶素子によって反射された反射光が出射する第１の光出射面を有する第１の透光体と、前記第１の液晶素子を透過した透過光が出射する第２の光出射面を有する第２の透光体とを有し、
    　前記第２の光学素子は、第２の液晶素子と、前記第２の液晶素子上に形成され、かつ前記第１の光出射面に接合された第３の透光体とを有することを特徴とする光学装置。
  2. 　前記第１の光学素子の前記第１の液晶素子は、
    　液晶分子を含み、互いに対向する第１及び第２の液晶面を有する第１の液晶層と、
    　前記第１の液晶面上に形成され、前記液晶分子を前記第１の液晶面内における第１の方向に配向させる第１の配向膜と、
    　前記第２の液晶面上に形成され、前記液晶分子を前記第２の液晶面内において前記第１の方向に直交する第２の方向に配向させる第２の配向膜と、
    　前記第１の配向膜上に形成され、電圧の印加によって前記液晶分子を前記第２の方向に配向させる電界を生成する第１の駆動電極と、を有し、
    　前記第１及び第２の透光体は、それぞれ前記第１及び第２の液晶面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記第２の光学素子の前記第２の液晶素子は、
    　液晶分子を含み、互いに対向する第３及び第４の液晶面を有する第２の液晶層と、
    　前記第３及び第４の液晶面上にそれぞれ形成された第３及び第４の配向膜と、
    　電圧の印加によって前記液晶分子を前記第３の液晶面の面内方向に配向させる電界を生成する第２の駆動電極と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
  4. 　前記第１の透光体は、前記入射光のうちの前記第１の方向に電界方向を有する第１の偏光成分に対しては前記液晶層よりも大きな屈折率を有し、前記第２の方向に電界方向を有する第２の偏光成分に対しては前記液晶層よりも小さな屈折率を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の光学装置。
  5. 　前記第１の透光体の前記光入射面は前記第１の液晶面に対して傾斜しており、
    　前記第１の透光体の前記光入射面と前記第２の透光体の前記第２の光出射面とは互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の光学装置。
  6. 　前記第２の透光体の前記第２の光出射面上に形成されたビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学装置。
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