WO2022176360A1 - 光学素子および照明装置 - Google Patents

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liquid crystal
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crystal cell
optical element
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多惠 黒川
健夫 小糸
幸次朗 池田
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株式会社ジャパンディスプレイ
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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to an optical element capable of controlling light distribution.
  • An embodiment of the present invention also relates to a lighting device including an optical element capable of controlling light distribution.
  • liquid crystal lenses optical elements that utilize the change in the refractive index of liquid crystals by adjusting the voltage applied to the liquid crystals.
  • development of a lighting device using a light source and a liquid crystal lens is underway (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, or Patent Document 3).
  • the illumination device described in Patent Document 1 or Patent Document 2 uses a liquid crystal lens and is only aimed at condensing light by controlling the light distribution, that is, the light distribution angle.
  • the light distribution pattern is limited to concentric circles.
  • the beam shaping device described in Patent Document 3 requires a liquid crystal having a complicated configuration in order to obtain variations in the light alignment pattern, such as changing the pattern of electrodes applied to the liquid crystal to change the light distribution pattern. A cell was required, and mass productivity was poor.
  • one object of an embodiment of the present invention is to provide an optical element capable of controlling light distribution or light distribution pattern.
  • Another object of one embodiment of the present invention is to provide a lighting device capable of controlling light distribution or a light distribution pattern.
  • An optical element is an optical element comprising two stacked liquid crystal cells, each of the two liquid crystal cells having a first transparent electrode and a second transparent electrode in a first direction. a first substrate on which electrodes are alternately arranged; a second substrate on which third transparent electrodes and fourth transparent electrodes are alternately arranged in a second direction intersecting the first direction; a liquid crystal between the first substrate and the second substrate, the second substrate of one of the two liquid crystal cells and the first substrate of the other of the two liquid crystal cells. is adjacent to
  • a lighting device includes a light source and the optical element.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an optical element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing the arrangement of the first transparent electrode and the second transparent electrode on the first substrate in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing the arrangement of a third transparent electrode and a fourth transparent electrode on a second substrate in an optical element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing alignment of liquid crystals in a liquid crystal layer in an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing alignment of liquid crystals in a liquid crystal layer in an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer when a voltage is applied in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer when a voltage is applied in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer when a voltage is applied in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating control of light distribution by an optical element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating control of light distribution by an optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 4 is a timing chart showing voltages applied to each transparent electrode included in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 7B is a photograph of a light distribution pattern obtained by applying the potential shown in FIG. 7A to each transparent electrode in an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a timing chart showing voltages applied to each transparent electrode included in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 8B is a photograph of a light distribution pattern of light obtained by applying the potential shown in FIG. 8A to each transparent electrode in an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a timing chart showing voltages applied to each transparent electrode included in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 9B is a photograph of a light distribution pattern of light obtained by applying the potential shown in FIG. 9A to each transparent electrode in an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a timing chart showing voltages applied to each transparent electrode included in the optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 4 is a graph showing the front relative luminance with respect to d/p in the liquid crystal cell of the optical element according to one embodiment of the present invention. It is a mimetic diagram showing the composition of the lighting installation concerning one embodiment of the present invention.
  • each structure When a single film is processed to form multiple structures, each structure may have different functions and roles, and each structure may have a different base on which it is formed. However, these multiple structures originate from films formed as the same layer in the same process and have the same material. Therefore, these multiple films are defined as existing in the same layer.
  • FIG. 10 An optical element 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
  • FIG. 1 An optical element 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
  • FIG. 10 An optical element 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
  • FIG. 1 An optical element 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an optical element 10 according to one embodiment of the invention.
  • the optical element 10 includes a first liquid crystal cell 110, a second liquid crystal cell 120, and an optical elastic resin layer .
  • the optical elastic resin layer 130 is provided between the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120 . That is, the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120 are stacked in the z-axis direction with the optical elastic resin layer 130 interposed therebetween.
  • the optical elastic resin layer 130 can adhere and fix the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120 .
  • an adhesive containing an optical elastic resin such as a translucent acrylic resin can be used.
  • FIG. 2A and 2B are schematic cross-sectional views of the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view in the zx plane cut along the A1-A2 line shown in FIG. 1
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view along the B1-B2 line shown in FIG. It is a schematic cross-sectional view in the cut yz-plane.
  • the x-axis direction and the y-axis direction may be described as the first direction and the second direction, respectively.
  • the first liquid crystal cell 110 includes a first substrate 111-1, a second substrate 111-2, a first transparent electrode 112-1, a second transparent electrode 112-2, and a third transparent electrode 112-3. , a fourth transparent electrode 112 - 4 , a liquid crystal layer 113 , a first alignment film 114 - 1 , a second alignment film 114 - 2 and a sealant 115 .
  • the second liquid crystal cell 120 includes a first substrate 121-1, a second substrate 121-2, a first transparent electrode 122-1, a second transparent electrode 122-2, and a third transparent electrode 122-3. , a fourth transparent electrode 122 - 4 , a liquid crystal layer 123 , a first alignment film 124 - 1 , a second alignment film 124 - 2 and a sealant 125 .
  • the optical element 10 has two liquid crystal cells, and the two liquid crystal cells preferably have the same configuration. Therefore, only the configuration of the first liquid crystal cell 110 will be described below, and the description of the configuration of the second liquid crystal cell 120 may be omitted for convenience.
  • a first transparent electrode 112-1 and a second transparent electrode 112-2 are provided on the first substrate 111-1.
  • a first alignment film 114-1 covering the surface of the first transparent electrode 112-1, the second transparent electrode 112-2, and the first substrate 111-1 is also provided.
  • a third transparent electrode 112-3 and a fourth transparent electrode 112-4 are provided on the second substrate 111-2. Also provided are a third transparent electrode 112-3, a fourth transparent electrode 112-4, and a second alignment film 114-2 covering the surface of the second substrate 111-2.
  • the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 are composed of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 on the first substrate 111-1 and the second substrate.
  • a third transparent electrode 112-3 and a fourth transparent electrode 112-4 on 111-2 are arranged to face each other.
  • a sealing material 115 is arranged around each of the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2. That is, the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 are bonded together with the sealing material 115 interposed therebetween.
  • the first substrate 111-1 (more specifically, the first alignment film 114-1), the second substrate 111-2 (more specifically, the second alignment film 114-2), A liquid crystal is sealed in a space surrounded by the sealing material 115 and a liquid crystal layer 113 is formed.
  • each of the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 for example, a transparent rigid substrate such as a glass substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate is used.
  • a flexible substrate having translucency such as a polyimide resin substrate, an acrylic resin substrate, a siloxane resin substrate, or a fluorine resin substrate. can also be adopted.
  • Each of the first transparent electrode 112-1, the second transparent electrode 112-2, the third transparent electrode 112-3, and the fourth transparent electrode 112-4 is for forming an electric field in the liquid crystal layer 113. Acts as an electrode.
  • As each of the first transparent electrode 112-1, the second transparent electrode 112-2, the third transparent electrode 112-3, and the fourth transparent electrode 112-4 for example, indium tin oxide (ITO) Alternatively, a transparent conductive material such as indium-zinc oxide (IZO) is used.
  • the liquid crystal layer 113 can refract transmitted light or change the polarization state of transmitted light according to the alignment state of the liquid crystal molecules.
  • the liquid crystal of the liquid crystal layer 113 for example, nematic liquid crystal can be used.
  • positive liquid crystal is adopted in this embodiment, it is also possible to employ a negative liquid crystal by changing the initial alignment direction of the liquid crystal molecules.
  • the liquid crystal preferably contains a chiral agent that imparts twist to the liquid crystal molecules.
  • Each of the first alignment film 114-1 and the second alignment film 114-2 aligns liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 113 in a predetermined direction.
  • polyimide resin or the like can be used for each of the first alignment film 114-1 and the second alignment film 114-2.
  • each of the first alignment film 114-1 and the second alignment film 114-2 may be imparted with alignment properties by an alignment treatment such as a rubbing method or a photo-alignment method.
  • the rubbing method is a method of rubbing the surface of the alignment film in one direction.
  • the photo-alignment method is a method of irradiating an alignment film with linearly polarized ultraviolet rays.
  • the sealing material 115 adheres and fixes the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2.
  • an epoxy resin adhesive for example, an epoxy resin adhesive, an acrylic resin adhesive, or the like can be used.
  • the adhesive may be of an ultraviolet curable type or a heat curable type.
  • the optical element 10 includes two liquid crystal cells (a first liquid crystal cell 110 and a second liquid crystal cell 120) to control the light distribution of unpolarized light and change the light distribution pattern. can be formed. Therefore, it is not necessary to provide a pair of polarizing plates on the outer surface of each substrate, such as those provided on the front and rear surfaces of a liquid crystal display element.
  • FIG. 3A is a schematic diagram showing the arrangement of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 on the first substrate 111-1 in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention. It is a top view.
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing the arrangement of the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 on the second substrate 111-2 in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention. is a typical plan view. Note that each of FIGS. 3A and 3B shows the arrangement of each transparent electrode viewed from the first liquid crystal layer 115-1 side.
  • each of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 has a first width a1 in the x-axis direction and extends in the y-axis direction.
  • the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 are respectively connected to the first wiring 116-1 and the second wiring 116-2 formed on the first substrate 111-1.
  • the first wiring 116-1 may be formed under the first transparent electrode 112-1 or may be formed over the first transparent electrode 112-1. In this case, the first wiring 116-1 may be made of metal. Also, the first wiring 116-1 may be formed in the same layer as the first transparent electrode 112-1. The same applies to the second wiring 116-2.
  • the first alignment film 114-1 is aligned in the x-axis direction.
  • the long axes of the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 111-1 are oriented along the x-axis direction in the absence of an electric field. That is, the alignment direction (x-axis direction) of the first alignment film 114-1 and the extending direction (y-axis direction) of the first transparent electrode 112-1 or the second transparent electrode 112-2 are orthogonal to each other.
  • the alignment treatment includes alignment treatment by rubbing or photo-alignment.
  • the alignment directions of the first alignment film 114-1 and the second alignment film 114-2 only need to be perpendicular to each other. Alternatively, it may cross the extending direction of the transparent electrode provided with the second alignment film 114-2 at an angle other than a right angle.
  • each of the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 has a second width a2 in the y-axis direction and extends in the x-axis direction.
  • the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 are respectively connected to the third wiring 116-3 and the fourth wiring 116-4 formed on the second substrate 111-2.
  • the third wiring 116-3 and the fourth wiring 116-4 may be formed under the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4. -3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the third wiring 116-3 and the fourth wiring 116-4 may be made of metal.
  • the third wiring 116-3 and the fourth wiring 116-4 may be formed in the same layer as the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the second alignment film 114-2 is aligned in the y-axis direction.
  • the long axes of the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side are oriented along the y-axis direction in the absence of an electric field. That is, the alignment direction (y-axis direction) of the second alignment film 114-2 and the extending direction (x-axis direction) of the third transparent electrode 112-3 or the fourth transparent electrode 112-4 are orthogonal to each other. ing.
  • the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 are said to be formed on the first substrate 111-1 in a comb pattern having a first pitch p1.
  • the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 are formed on the second substrate 111-2 in a comb pattern with a second pitch p2. You can also say.
  • the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, and the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 are connected to the liquid crystal layer 113. facing through.
  • the direction in which the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 extend corresponds to the direction in which the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-3 extend.
  • direction (x-axis direction) corresponds to the direction in which the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-3 extend.
  • the comb-shaped electrode pattern formed on the first substrate 111-1 and the comb-shaped electrode pattern formed on the second substrate are perpendicular to each other in plan view.
  • a fifth wiring 116-5 and a sixth wiring 116-6 are formed on the first substrate 111-1.
  • third wiring 116-3 and fourth wiring 116-4 are provided on first substrate 111-1, respectively. are electrically connected to the fifth wiring 116-5 and the sixth wiring 116-6.
  • the electrical connection between the third wiring 116-3 and the fifth wiring 116-5 and the electrical connection between the fourth wiring 116-4 and the sixth wiring 116-6 are made by, for example, silver paste or Conductive particles (including metal-coated particles) and the like can be used.
  • the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 on the first substrate 111-1, the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112- on the second substrate. 4 intersects, it is possible to control the orientation of the liquid crystal in the liquid crystal layer 113 by controlling the voltage applied to each transparent electrode, as will be described later. This makes it possible to control the orientation or light distribution pattern of the light.
  • a photospacer is formed on the first substrate 111-1 or the second substrate 111-2 to keep the distance therebetween (not shown).
  • Each of the first wiring 116-1, the second wiring 116-2, the third wiring 116-3, the fourth wiring 116-4, the fifth wiring 116-5, and the sixth wiring 116-6 For example, a metal material such as aluminum or molybdenum or a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO) can be used.
  • a metal material such as aluminum or molybdenum or a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO) can be used.
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • Each of first wiring 116-1, second wiring 116-2, fifth wiring 116-5, and sixth wiring 116-6 is provided with a terminal for connection to an external device. may be
  • the first wiring 116-1, the second wiring 116-2, the fifth wiring 116-5 (or the third wiring 116-3), and the sixth wiring 116-6 (or the fourth wiring 116- 4) are electrically isolated from each other. Therefore, in the first liquid crystal cell 110, each of the first transparent electrode 112-1, the second transparent electrode 112-2, the third transparent electrode 112-3, and the fourth transparent electrode 112-4 is different. By applying a voltage, the orientation of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 113 can be controlled.
  • 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 113 in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • 4A and 4B respectively correspond to a portion of the cross-sectional view of the first liquid crystal cell 110 shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 are bonded together with an inter-substrate distance d.
  • the first alignment film 114-1 of the first substrate 111-1 and the second alignment film 114-2 of the second substrate 111-2 are respectively subjected to alignment treatment in the x-axis direction and the y-axis direction. It is done. Therefore, in the liquid crystal layer 113, the long axis of the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side is oriented along the x-axis direction when no voltage is applied to the transparent electrodes (in FIGS. 4A and 4B, for convenience, , the alignment direction of the liquid crystal molecules aligned in the horizontal direction of the paper is indicated by an arrow symbol.).
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side is orthogonal to the extending direction of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side have their long axes oriented along the y-axis direction when no voltage is applied to the transparent electrodes (in FIGS.
  • the orientation direction of the liquid crystal molecules oriented in the direction is indicated by using a symbol with a cross in a circle.). That is, the alignment direction of the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side is orthogonal to the extending direction of the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 are oriented in a state twisted by 90 degrees from the first substrate 111-1 toward the second substrate 111-2 in the z-axis direction. More specifically, in FIG. 4A, the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side have their long axes in the x-axis direction (horizontal direction on the paper surface) along the alignment direction of the first alignment film 114-1. Oriented in the facing direction. In addition, the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side are aligned with the major axis directed in the y-axis direction (the direction normal to the paper surface) along the alignment direction of the second alignment film 114-2. . Further, the liquid crystal molecules between them gradually change the direction of the long axis from the x-axis direction to the y-axis direction from the first substrate 111-1 to the second substrate 111-2.
  • FIG. 5A is a schematic perspective view showing the orientation of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 113 when a voltage is applied in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • 5B and 5C are schematic cross-sectional views showing the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 113 when a voltage is applied in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the first alignment film 114-1 and the second alignment film 114-2 are omitted for convenience.
  • 5B and 5C similarly to FIGS. 4A and 4B, the alignment directions of the first alignment film 114-1 and the second alignment film 114-2 are indicated by arrows or crosses in circles. is shown using the symbol
  • a low potential is applied to the first transparent electrode 112-1 and the third transparent electrode 112-3, and a low potential is applied to the second transparent electrode 112-2 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • a high potential is applied (in FIGS. 5A to 5C, for convenience, the low potential and the high potential are illustrated using “ ⁇ ” and “+” symbols, respectively). That is, potential differences are generated between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 and between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side are oriented according to the electric field (potential distribution) generated between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2.
  • the long axes of the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side are aligned along the direction from the first transparent electrode 112-1 to the second transparent electrode 112-2.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side are aligned along the direction from the third transparent electrode 112-3 to the fourth transparent electrode 112-4.
  • an electric field generated between adjacent transparent electrodes on the same substrate may be referred to as a lateral electric field.
  • liquid crystal molecules on the side of the first substrate 111-1 are aligned in the x-axis direction in the absence of an electric field. 2 is the same as the direction of the transverse electric field between . Therefore, the orientation of the liquid crystal molecules located substantially in the center between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 in plan view is hardly changed even by the lateral electric field. Liquid crystal molecules closer to the first transparent electrode 112-1 or the second transparent electrode 112-2 than the center are aligned with a tilt in the z-axis direction corresponding to the lateral electric field. Therefore, as shown in FIG.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side are all , the electrodes are oriented in arcuate shapes extending from the first transparent electrode 112-1 to the second transparent electrode 112-2 when viewed from the first substrate 111-1 between adjacent transparent electrodes.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side are aligned in the y-axis direction, but the alignment of the liquid crystal molecules is different between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the orientation of the liquid crystal molecules located substantially in the center between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 is hardly changed even by the lateral electric field.
  • Liquid crystal molecules closer to the third transparent electrode 112-3 or the fourth transparent electrode 112-4 than the center are aligned with a tilt in the z-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 5C, due to the influence of the horizontal electric field between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4, the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side are all , the electrodes are oriented in arcuate shapes extending from the third transparent electrode 112-3 to the fourth transparent electrode 112-4 when viewed from the second substrate 111-2 between adjacent transparent electrodes. Therefore, the light incident on the liquid crystal layer 113 is diffused according to the refractive index distribution of the liquid crystal molecules aligned in a convex arc on the first substrate 111-1 side or the second substrate 111-2 side. Become.
  • the first transparent electrode 112-1 of the first substrate 111-1 and the first transparent electrode 112-1 does not affect the alignment of the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side, or is so small that it can be ignored.
  • the lateral electric field between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 on the second substrate 111-2 is applied to the orientation of the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side. have no effect or are so small as to be negligible.
  • the liquid crystal layer 113 (or liquid crystal molecules) on the first substrate 111-1 side means the liquid crystal layer (or liquid crystal molecules) from the surface of the first substrate 111-1 to d/2. ).
  • the liquid crystal layer 113 (or liquid crystal molecules) on the second substrate 111-2 side refers to the liquid crystal layer (or liquid crystal molecules) from the surface of the second substrate 111-2 to d/2.
  • the voltage applied to each of the first transparent electrode 112-1, the second transparent electrode 112-2, the third transparent electrode 112-3, and the fourth transparent electrode is controlled.
  • the refractive index distribution of the liquid crystal layer 113 changes as the orientation of the liquid crystal molecules changes. Therefore, the first liquid crystal cell 110 can diffuse the transmitted light.
  • the optical element 10 utilizes changes in the refractive index distributions of the liquid crystal layer 113 of the first liquid crystal cell 110 and the liquid crystal layer 123 of the second liquid crystal cell 120 to determine the light distribution or light distribution pattern of light transmitted through the optical element 10. can be controlled.
  • FIGS. 6A and 6B are schematic cross-sectional views explaining control of light distribution by the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the optical element 10 shown in FIGS. 6A and 6B corresponds to part of the cross-sectional view of the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120 shown in FIG. 2A.
  • no potential is applied to any of the transparent electrodes.
  • a Low potential is applied to the first transparent electrode 112-1 and the third transparent electrode 112-3 of the first liquid crystal cell 110, and the second transparent electrode 112-2 is applied. and a high potential is applied to the fourth transparent electrode 112-4.
  • a Low potential is applied to the first transparent electrode 122-1 and the third transparent electrode 122-3 of the second liquid crystal cell 120, and the second transparent electrode 122-2 and the fourth transparent electrode 122-3 are applied. 4 is applied with a high potential.
  • the Low potential and the High potential are shown using symbols of "-" and "+”, respectively.
  • the first alignment film 114-1 of the first liquid crystal cell 110 and the first alignment film 124-1 of the second liquid crystal cell 120 are aligned in the x-axis direction. processing is taking place.
  • the second alignment film 114-2 of the first liquid crystal cell 110 and the second alignment film 124-2 of the second liquid crystal cell 120 are aligned in the y-axis direction. Therefore, in the first liquid crystal cell 110, the alignment direction of the first alignment film 114-1 is the x-axis direction, and the alignment direction of the second alignment film 114-2 is the y-axis direction.
  • the alignment direction of the first alignment film 124-1 is the x-axis direction, and the alignment direction of the second alignment film 124-2 is the y-axis direction.
  • the first transparent electrode 112-1 of the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120 of the second liquid crystal cell 120 are arranged in plan view. 1 of the transparent electrodes 122-1 are overlapped so as to substantially match in the extending direction. The same applies to other transparent electrodes.
  • the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120 are the first transparent electrode 112-1 of the first liquid crystal cell 110 and the first transparent electrode 122-1 of the second liquid crystal cell 120. may be arranged so as to be superimposed with a slight deviation in the x-axis direction or the y-axis direction.
  • the first transparent electrode 112-1 of the first liquid crystal cell 110 and the first transparent electrode 122-1 of the second liquid crystal cell 120 are aligned in the extending direction. Some or all are overlapped. Alternatively, if the first transparent electrode 112-1 of the first liquid crystal cell 110 and the first transparent electrode 122-1 of the second liquid crystal cell 120 do not overlap each other and extend in the same direction, good.
  • Light incident on the first substrate 111-1 of the first liquid crystal cell 110 has x-axis polarized light (P-polarized component) and y-axis polarized light (S-polarized component).
  • the polarized light component in the x-axis direction will be referred to as the first polarized light component 310
  • the polarized light component in the y-axis direction will be referred to as the second polarized light component 320
  • these polarized light components The process by which the components are transmitted through the optical element 10 of FIG. 6B will be described.
  • the first polarization component 310 and the second polarization component 320 respectively correspond to the P-polarization component and S-polarization component of the light emitted from the light source (see (1) in FIG. 6B).
  • the P-polarized component is illustrated using an arrow (an arrow indicating the horizontal direction of the paper surface)
  • the S-polarized component is illustrated using a circle with a cross (an arrow indicating the normal direction of the paper surface). is shown using
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the first substrate 111-1 side of the first liquid crystal cell 110 have their long axes oriented along the x-axis direction.
  • the liquid crystal molecules When a horizontal electric field is generated between the electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, the liquid crystal molecules have a refractive index distribution in the x-axis direction.
  • the long axis of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the second substrate 111-2 side of the first liquid crystal cell 110 is aligned along the y-axis direction.
  • the liquid crystal molecules have a refractive index distribution in the y-axis direction.
  • the first polarized light component 310 incident on the optical element 10 enters the first substrate 111-1 and then reaches the second substrate 111-2.
  • the polarization component changes to the S polarization component according to the twist of the liquid crystal alignment (see (2) to (4) in FIG. 6B). More specifically, the first polarization component 310 has a polarization axis in the x-axis direction on the first substrate 111-1 side, but the polarization axis changes in the process of passing through the liquid crystal layer 113 in the thickness direction.
  • the second substrate 111-2 side has a polarization axis in the y-axis direction, and then emitted from the second substrate 111-2 side (see (5) in FIG. 6B ).
  • the alignment state of the liquid crystal molecules changes due to the influence of the horizontal electric field. 5A, and the refractive index distribution changes.
  • the polarization axis of the first polarization component 310 is parallel to the alignment direction of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the first substrate 111-1 side on the first substrate 111-1 side, It diffuses in the x-axis direction according to the change in the refractive index distribution of the liquid crystal molecules. Further, by changing the polarization axis from the x-axis direction to the y-axis direction in the liquid crystal layer 113, the polarization axis of the first polarization component 310 on the second substrate 111-2 side is changed to the second polarization axis. It is parallel to the alignment direction of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the substrate 111-2 side.
  • the first polarized light component 310 diffuses in the y-axis direction according to the change in the refractive index distribution of the liquid crystal molecules.
  • the second polarized component 320 that was the S polarized component before entering the optical element 10 (more specifically, the first liquid crystal cell 110) is transferred to the first substrate 111.
  • its polarization component changes to a P polarization component according to the twist of the liquid crystal orientation (see (2) to (4) in FIG. 6B).
  • the second polarization component 320 has a polarization axis in the y-axis direction on the first substrate 111-1 side, but the polarized light component 320 changes in the process of passing through the liquid crystal layer 113 in the thickness direction.
  • the second substrate 111-2 side has a polarization axis in the x-axis direction, and then emitted from the second substrate 111-2 side (see (5) in FIG. 6B ).
  • the second polarization component 320 is , the polarization axis is orthogonal to the alignment direction of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the side of the first substrate 111-1. do.
  • the second polarization component 320 changes its polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction in the liquid crystal layer 113, so that the second substrate 111-2 side has the polarization axis of the second polarization component 320. Since the alignment direction of the liquid crystal molecules on the substrate 111-2 side is also orthogonal, the light passes through without being diffused without being affected by the refractive index distribution of the liquid crystal molecules.
  • the second polarized component 320 which was the S polarized component before entering the optical element 10, changes its polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction in the process of passing through the first liquid crystal cell 110, and becomes P Although it becomes a polarization component, diffusion like the first polarization component 310 does not occur.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 123 of the second liquid crystal cell 120 also have the same refractive index distribution as the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 of the first liquid crystal cell 110 . Therefore, basically the same phenomenon as in the first liquid crystal cell 110 occurs also in the second liquid crystal cell 120 .
  • the first polarized light component 310 and the second polarized light component 320 are affected by the refractive index distribution of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 because their polarization axes are switched by passing through the first liquid crystal cell 110 .
  • the polarization components are also interchanged. That is, as shown in FIG.
  • the optical element 10 by stacking two liquid crystal cells having the same structure, the polarization direction of the light incident on the optical element 10 is changed twice.
  • the polarization direction after incidence can be kept unchanged (see (1) and (9) in FIG. 6B).
  • the optical element 10 can change the refractive index distribution of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer of the liquid crystal cell to refract the transmitted light.
  • the first liquid crystal cell 110 diffuses the light of the first polarization component 310 (P polarization component) in the x-axis direction, the y-axis direction, or both the x-axis and y-axis directions
  • the liquid crystal cell 120 diffuses the light of the second polarization component 320 (the S polarization component) in the x-axis direction, the y-axis direction, or both the x-axis and y-axis directions. Therefore, the optical element 10 can diffuse unpolarized light without changing the polarization state of the light.
  • FIG. 6B the process of the diffusion and the change of the polarization axis in the process in which the respective polarized light components pass through the optical element 10 has been explained.
  • the optical element 10 in FIG. 6A is in a state where no potential is applied to each transparent electrode (a state in which there is no potential difference between adjacent transparent electrodes), and is different from the optical element in FIG. 6B except that the polarized component is not diffused.
  • the polarization axis of the polarization component is changed.
  • the description of the polarization components passing through the optical elements in FIG. 6A is given the same reference numerals as (1) to (9) in FIG. 6B, and the description thereof is omitted.
  • an optical elastic resin layer 130 is provided between the first liquid crystal cell 110 and the second liquid crystal cell 120, as shown in FIGS. 6A and 6B.
  • the light enters the interface between the second substrate 111-2 of the first liquid crystal cell 110 and the optical elastic resin layer 130 or the interface between the first substrate 121-1 of the second liquid crystal cell 120 and the optical elastic resin layer 130.
  • the refractive index of the optical elastic resin of the optical elastic resin layer 130 is close to the refractive index of the second substrate 111-2 of the first liquid crystal cell 110 and the refractive index of the first substrate 121-1 of the second liquid crystal cell 120. things are preferred.
  • the optical element 10 is arranged at a position close to the light source, and the temperature of the optical element 10 may rise due to the heat from the light source.
  • the thickness of the optical elastic resin layer 130 is the same as that of the first substrate 111-1 in the first liquid crystal cell 110 so that the influence of thermal expansion of the optical elastic resin of the optical elastic resin layer 130 can be mitigated. and the second substrate 111-2 or the substrate-to-substrate distance d between the first substrate 121-1 and the second substrate 121-2 in the second liquid crystal cell 120.
  • the optical element 10 can not only simply diffuse light, but also control the light distribution of light according to the potential applied to each transparent electrode to form a predetermined light distribution pattern. Below, with reference to FIGS. 7A to 10, some light distribution patterns of light controlled using the optical element 10 are illustrated. However, the light distribution pattern of light controlled by the optical element 10 is not limited to these. Table 1 shows the potential signs ( V11 , etc.) shown in FIGS.
  • the potential applied to each transparent electrode is defined as a first potential (variable potential, for example, a low potential of 0 V and a high potential of 30 V), and a second potential having a phase opposite to the first potential.
  • potential fluctuating potential, for example, 0 V for Low potential and 30 V for High potential
  • third potential intermediate potential, for example, 15 V.
  • the third potential is a potential between the Low potential and the High potential, and may be a fixed potential or a variable potential. Note that the voltage values are not limited to 0 V, 15 V, and 30 V described in FIGS. 7A to 10.
  • FIG. 7A is a timing chart showing potentials applied to each transparent electrode included in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a photograph of a light distribution pattern obtained by applying the potential shown in FIG. 7A to each transparent electrode in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • a first potential and a second potential are applied to the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, respectively.
  • a third potential is applied to each of the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the phases of the first potential applied to the first transparent electrode 112-1 and the second potential applied to the second transparent electrode 112-2 are reversed. Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) is generated between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2.
  • a potential difference for example, +30V or -30V
  • the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 on the second substrate 111-2 side are the first electrodes on the first substrate 111-1 side in either state. +15 V or -15 V is generated between the transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, and when viewed in absolute value, one transparent electrode on the first substrate 111-1 side is applied. There is no bias in the potential difference between the electrodes and the other transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side change their alignment state according to the potential difference between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side have no potential difference between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4. Since the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 are sufficiently separated from each other so as not to be affected by the potential on the -1 side, the orientation direction is not changed from the initial orientation direction.
  • the third potential applied to the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 is an intermediate potential between the first potential and the second potential, Even if a low potential and a high potential are alternately applied to the transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, no capacitance is accumulated, and the liquid crystal molecules on the side of the second substrate 111-2 do not accumulate. does not change its orientation.
  • the first potential and the second potential are applied to the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2, respectively.
  • a third potential is applied to each of the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • the phases of the first potential applied to the first transparent electrode 122-1 and the second potential applied to the second transparent electrode 122-2 are reversed. Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) is generated between the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2.
  • a potential difference for example, +30V or -30V
  • the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4 on the second substrate 121-2 side are connected to the first electrode on the first substrate 121-1 side in either state. +15 V or -15 V is generated between the transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2, and when viewed in absolute value, one transparent electrode on the first substrate 121-1 side is applied. There is no bias in the potential difference between the electrodes and the other transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 121-1 side change their alignment state according to the potential difference between the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 121-2 side have no potential difference between the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4. Since the first substrate 121-1 and the second substrate 121-2 are sufficiently separated from each other so as not to be affected by the potential on the -1 side, the orientation direction is not changed from the initial orientation direction.
  • the third potential applied to the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4 is an intermediate potential between the first potential and the second potential, Even if a low potential and a high potential are alternately applied to the transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2, no capacitance is accumulated, and the liquid crystal molecules on the second substrate 121-2 side do not accumulate. does not change its orientation.
  • the potential fluctuations of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 of the first liquid crystal cell 110 respectively It is synchronized with the potential fluctuations of the transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the first substrate 111-1 side of the first liquid crystal cell 110 transmit light polarized in the x-axis direction. can be refracted into Therefore, the first liquid crystal cell 110 can diffuse light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction.
  • liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 123 on the first substrate 121-1 side of the second liquid crystal cell 120 also refract the light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction. Therefore, the second liquid crystal cell 120 also diffuses light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction.
  • each transparent electrode when the potential of each transparent electrode is as shown in FIG. 7A, light is incident on the optical element 10 from the first substrate 111-1 side of the first liquid crystal cell 110 (see FIGS. 6A and 6B). As shown in the figure, it means that light is irradiated from the lower side of the first liquid crystal cell 110 toward the first substrate 111-1.
  • the first polarized light component 310 having the polarization axis in the x-axis direction is diffused in the x-axis direction on the first substrate 111-1 side, while changing the polarization axis in the y-axis direction.
  • the second polarization component 320 with polarization in the y-axis direction changes the polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusion.
  • These polarized light components enter the second liquid crystal cell 120 as they are.
  • the second polarized light component 320 whose polarization axis is changed from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing in the first liquid crystal cell 110 passes through the second liquid crystal cell 120 in the x-axis direction. , and then change the polarization axis in the y-axis direction.
  • the first polarized light component 310 whose polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction while diffusing in the first liquid crystal cell 110 changes its polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing. change.
  • the light incident on the optical element 10 is diffused in the x-axis direction while passing through the first liquid crystal cell 110 or the second liquid crystal cell 120 . Therefore, the light transmitted through the optical element 10 can form a light distribution pattern A that spreads in the x-axis direction, as shown in FIG. 7B.
  • FIG. 8A is a timing chart showing voltages applied to each transparent electrode included in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a photograph of a light distribution pattern obtained by applying the potential shown in FIG. 8A to each transparent electrode in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • a third potential is applied to each of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2.
  • a first potential and a second potential are applied to the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4, respectively.
  • the phases of the first potential applied to the third transparent electrode 112-3 and the second potential applied to the fourth transparent electrode 112-4 are reversed. Therefore, a potential difference (eg, +30V or -30V) is generated between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • a potential difference eg, +30V or -30V
  • first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 on the first substrate 111-1 side are connected to the third transparent electrode 112-2 on the second substrate 111-2 side in either state.
  • +15 V or -15 V is generated between the transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4, and when viewed in absolute value, one transparent electrode on the second substrate 111-2 side is applied. There is no bias in the potential difference between the electrodes and the other transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side change their alignment state according to the potential difference between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side have no potential difference between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2. Since the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 are sufficiently separated from each other so as not to be affected by the potential on the -2 side, the orientation direction is not changed from the initial orientation direction.
  • the third potential applied to the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 is an intermediate potential between the first potential and the second potential, the third potential Even if a low potential and a high potential are alternately applied to the transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4, no capacitance is accumulated and the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 111-1 do not accumulate. does not change its orientation.
  • a third potential is applied to each of the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2.
  • a first potential and a second potential are applied to the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4, respectively.
  • the phases of the first potential applied to the third transparent electrode 122-3 and the second potential applied to the fourth transparent electrode 122-4 are reversed. Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) is generated between the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • a potential difference for example, +30V or -30V
  • first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2 on the first substrate 121-1 side are connected to the third transparent electrode 122-2 on the second substrate 121-2 side in either state.
  • +15 V or -15 V is generated between the transparent electrode 122-3 or between the fourth transparent electrode 122-4, and when viewed in absolute value, one transparent electrode on the second substrate 121-2 side is applied. There is no bias in the potential difference between the electrodes and the other transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 121-2 side change their alignment state according to the potential difference between the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 121-1 side have no potential difference between the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2. Since the first substrate 121-1 and the second substrate 121-2 are sufficiently separated from each other so as not to be affected by the potential on the -2 side, the orientation direction is not changed from the initial orientation direction.
  • the third potential applied to the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2 is an intermediate potential between the first potential and the second potential, the third potential Even if a low potential and a high potential are alternately applied to the transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4, no capacitance is accumulated, and the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 121-1 do not accumulate. does not change its orientation.
  • the potential fluctuations of the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 of the first liquid crystal cell 110 are respectively It is synchronized with the potential fluctuations of the transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the second substrate 111-2 side of the first liquid crystal cell 110 transmit light polarized in the y-axis direction. refract into Therefore, the first liquid crystal cell 110 diffuses light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 123 on the second substrate 121-2 side of the second liquid crystal cell 120 also refract the light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction. Therefore, the second liquid crystal cell 120 also diffuses light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction.
  • the first polarized component 310 polarized in the x-axis direction changes its polarization axis from the x-axis direction to the y-axis direction, while moving in the y-axis direction on the second substrate 111-2 side.
  • the second polarization component 320 with polarization in the y-axis direction changes the polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusion.
  • the second polarized light component 320 whose polarization axis is changed from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing in the first liquid crystal cell 110 changes its polarization axis in the process of passing through the second liquid crystal cell 120. While changing in the y-axis direction, it diffuses in the y-axis direction on the second substrate 121-2 side.
  • the first polarized light component 310 whose polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction while diffusing in the first liquid crystal cell 110 changes its polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing. change.
  • the light incident on the optical element 10 is diffused in the y-axis direction while passing through the first liquid crystal cell 110 or the second liquid crystal cell 120 . Therefore, the light transmitted through the optical element 10 can form a light distribution pattern B that spreads in the y-axis direction, as shown in FIG. 8B.
  • FIG. 9A is a timing chart showing potentials applied to each transparent electrode included in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a photograph of a light distribution pattern obtained by applying the potential shown in FIG. 9A to each transparent electrode in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • a first potential and a second potential are applied to the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, respectively.
  • a third potential is applied to each of the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the phases of the first potential applied to the first transparent electrode 112-1 and the second potential applied to the second transparent electrode 112-2 are reversed. Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) is generated between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2.
  • a potential difference for example, +30V or -30V
  • the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 on the second substrate 111-2 side are the first electrodes on the first substrate 111-1 side in either state. +15 V or -15 V is generated between the transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, and when viewed in absolute value, one transparent electrode on the first substrate 111-1 side is applied. There is no bias in the potential difference between the electrodes and the other transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side change their alignment state according to the potential difference between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side have no potential difference between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4. Since the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 are sufficiently separated from each other so as not to be affected by the potential on the -1 side, the orientation direction is not changed from the initial orientation direction.
  • the third potential applied to the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 is an intermediate potential between the first potential and the second potential, Even if a low potential and a high potential are alternately applied to the transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2, no capacitance is accumulated, and the liquid crystal molecules on the side of the second substrate 111-2 do not accumulate. does not change its orientation.
  • a third potential is applied to each of the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2.
  • a first potential and a second potential are applied to the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4, respectively.
  • the phases of the first potential applied to the third transparent electrode 122-3 and the second potential applied to the fourth transparent electrode 122-4 are reversed. Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) is generated between the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • a potential difference for example, +30V or -30V
  • first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2 on the first substrate 121-1 side are connected to the third transparent electrode 122-2 on the second substrate 121-2 side in either state.
  • +15 V or -15 V is generated between the transparent electrode 122-3 or between the fourth transparent electrode 122-4, and when viewed in absolute value, one transparent electrode on the second substrate 121-2 side is applied. There is no bias in the potential difference between the electrodes and the other transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 121-2 side change their alignment state according to the potential difference between the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 121-1 side have no potential difference between the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2. Since the first substrate 121-1 and the second substrate 121-2 are sufficiently separated from each other so as not to be affected by the potential on the -2 side, the orientation direction is not changed from the initial orientation direction.
  • the third potential applied to the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2 is an intermediate potential between the first potential and the second potential, the third potential Even if a low potential and a high potential are alternately applied to the transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4, no capacitance is accumulated, and the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 121-1 do not accumulate. does not change its orientation.
  • the potential fluctuations of the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 of the first liquid crystal cell 110 are different from those of the third liquid crystal cell 120, respectively. It is synchronized with the potential fluctuations of the transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the first substrate 111-1 side of the first liquid crystal cell 110 transmit light polarized in the x-axis direction. refract into Therefore, the first liquid crystal cell 110 diffuses light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 123 on the second substrate 121-2 side of the second liquid crystal cell 120 refract the light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction. Therefore, the second liquid crystal cell 120 diffuses light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction.
  • the optical element 10 changes the first liquid crystal when light is incident from the first substrate 111-1 side of the first liquid crystal cell 110.
  • the first polarized light component 310 polarized in the x-axis direction is diffused in the x-axis direction on the first substrate 111-1 side, and the polarization axis is shifted from the x-axis direction to the y-axis direction. change.
  • the second polarization component 320 with polarization in the y-axis direction changes the polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusion.
  • the second polarized light component 320 whose polarization axis is changed from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing in the first liquid crystal cell 110 changes its polarization axis in the process of passing through the second liquid crystal cell 120. It diffuses in the y-axis direction on the second substrate 121-2 side while changing from the x-axis direction to the y-axis direction.
  • the first polarized light component 310 whose polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction while diffusing in the first liquid crystal cell 110 changes its polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing. change to In this way, the light incident on the optical element 10 is diffused in the x-axis direction while the first polarization component 310 passes through the first liquid crystal cell 110, and the second polarization component 320 is diffused in the second liquid crystal cell. In the course of passing through 120, it is diffused in the y-axis direction. Therefore, the light transmitted through the optical element 10 can form a cross-shaped light distribution pattern C, as shown in FIG. 9B.
  • a cross-shaped light distribution pattern is formed mainly by diffusing the first polarized light component 310.
  • the second polarized light component 320 can be diffused to form a cross-shaped light distribution pattern.
  • a first potential and a second potential are applied to the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4, respectively.
  • a third potential is applied to each of the one transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2.
  • the first potential and the second potential are applied to the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2, respectively, and the third transparent electrode 122-2 is applied with the first potential and the second potential.
  • a third potential is applied to each of the electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • FIG. 10 is a timing chart showing voltages applied to each transparent electrode included in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • a first potential is applied to each of the first transparent electrode 112-1 and the third transparent electrode 112-3.
  • a second potential is applied to each of the second transparent electrode 112-2 and the fourth transparent electrode 112-4.
  • the phase is reversed with the potential of . Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) are produced. In addition, a potential difference (for example, +30V or -30V) are produced.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 111-1 side change their alignment state according to the potential difference between the first transparent electrode 112-1 and the second transparent electrode 112-2 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side change their alignment state according to the potential difference between the third transparent electrode 112-3 and the fourth transparent electrode 112-4 (FIGS. 5A to 5C, etc.). reference).
  • the first potential applied to the third transparent electrode 112-3 or the fourth transparent electrode 112- 4 has little effect on the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 111-1.
  • the first potential applied to the first transparent electrode 112-1 or the second potential applied to the second transparent electrode 112-2 affects the liquid crystal molecules on the second substrate 111-2 side. The impact is minor.
  • a first potential is applied to each of the first transparent electrode 122-1 and the third transparent electrode 122-3.
  • a second potential is applied to each of the second transparent electrode 122-2 and the fourth transparent electrode 122-4.
  • the phase is reversed with the potential of . Therefore, a potential difference (for example, +30V or -30V) are produced. In addition, a potential difference (for example, +30V or -30V) are produced.
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 121-1 side change their alignment state according to the potential difference between the first transparent electrode 122-1 and the second transparent electrode 122-2 (FIGS. 5A to 5C). etc.).
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 121-2 side change their alignment state according to the potential difference between the third transparent electrode 122-3 and the fourth transparent electrode 122-4 (FIGS. 5A to 5C, etc.). reference). Since the first substrate 121-1 and the second substrate 121-2 are sufficiently separated, the first potential applied to the third transparent electrode 122-3 or the fourth transparent electrode 122- 4 has little effect on the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 121-1. Similarly, the first potential applied to the first transparent electrode 122-1 or the second potential applied to the second transparent electrode 122-2 affects the liquid crystal molecules on the second substrate 121-2 side. The impact is minor.
  • the potential fluctuation of the first transparent electrode 112-1 and the third transparent electrode 112-3 of the first liquid crystal cell 110 and the potential fluctuation of the first transparent electrode 122 of the second liquid crystal cell 120 The potential fluctuations of -1 and the third transparent electrode 122-3 are synchronized with each other.
  • the potential fluctuation of the second transparent electrode 112-2 and the fourth transparent electrode 112-4 of the first liquid crystal cell 110 and the potential fluctuation of the second transparent electrode 122-2 and the fourth transparent electrode 122-2 of the second liquid crystal cell 120 The potential fluctuations of electrode 122-4 are synchronized with each other.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the first substrate 111-1 side of the first liquid crystal cell 110 transmit light polarized in the x-axis direction. refract into Further, the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 113 on the second substrate 111-2 side of the first liquid crystal cell 110 refract light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction. Therefore, the first liquid crystal cell 110 diffuses light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 123 on the first substrate 121-1 side of the second liquid crystal cell 120 refract the light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction.
  • the liquid crystal of the liquid crystal layer 123 on the second substrate 121-2 side of the second liquid crystal cell 120 refracts light polarized in the y-axis direction in the y-axis direction. Therefore, the second liquid crystal cell 120 also diffuses light polarized in the x-axis direction in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the first polarized component 310 polarized in the x-axis direction is diffused in the x-axis direction on the first substrate 111-1 side, while changing the polarization axis from the x-axis direction to the y-axis direction.
  • the first polarized light component 310 whose polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction diffuses in the y-axis direction on the second substrate 111-2 side.
  • the second polarization component 320 with polarization in the y-axis direction changes the polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusion.
  • the second polarized light component 320 that has its polarization axis changed from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing in the first liquid crystal cell 110 passes through the second liquid crystal cell 120 . While diffusing in the x-axis direction on the substrate 121-1 side, the polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction. Also, the second polarized light component 320 whose polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction diffuses in the y-axis direction on the second substrate 121-2 side.
  • the first polarized light component 310 whose polarization axis is changed from the x-axis direction to the y-axis direction while diffusing in the first liquid crystal cell 110 changes its polarization axis from the y-axis direction to the x-axis direction without diffusing. change.
  • the light incident on the optical element 10 is diffused in the x-axis direction and the y-axis direction while the first polarization component 310 passes through the first liquid crystal cell 110, and the second polarization component 320 is diffused in the second direction.
  • the light is diffused in the x-axis direction and the y-axis direction. Therefore, the light transmitted through the optical element 10 can form a light distribution pattern that spreads in a rectangular shape.
  • the light distribution angle which indicates the light distribution
  • the light distribution angle can be controlled by the magnitude of the voltage applied to the transparent electrode. For example, when the voltage applied to the transparent electrode is increased, the light distribution angle increases and a light distribution pattern in which the light is more diffused can be obtained.
  • the light distribution angle can also be controlled by, for example, the inter-substrate distance d or the pitch p.
  • FIG. 11 is a graph showing front relative luminance (relative luminance at 0 degrees) versus d/p in the liquid crystal cell of the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the inter-substrate distance d is the distance between the first substrate 111-1 and the second substrate 111-2 of the first liquid crystal cell 110 (or the second substrate 111-2), as shown in FIGS. distance between the first substrate 121-1 and the second substrate 121-2 of the liquid crystal cell 120).
  • the pitch p is the first pitch p 1 shown in FIG. 3A (or the second pitch p 2 shown in FIG. 3B).
  • the front relative luminance is the light that is incident from the first substrate 111-1 and is emitted from the second substrate 111-2 in the vertical direction (0 degrees) of the second substrate 111-2. is the brightness of the light.
  • the graph shown in FIG. 11 is normalized by setting the brightness of light to 1 when there is no optical element 10 (when there is only a light source). Therefore, the y-axis of the graph shown in FIG. 11 can also be said to be the relative luminance ratio when the luminance without the optical element 10 is set to 1.
  • the front relative luminance decreases as d/p increases, but the rate of decrease in front relative luminance differs greatly between d/p ⁇ 1 and d/p ⁇ 1.
  • the front relative luminance is 0.1 or less, and thereafter the front relative luminance is stable even if d/p is increased. This indicates that the diffusion of light by the liquid crystal cell is sufficient when d/p ⁇ 1. That is, d/p ⁇ 1 provides excellent light diffusion. Therefore, in the optical element 10, the inter-substrate distance d and the pitch p preferably satisfy d/p ⁇ 1, more preferably d/p ⁇ 2.
  • the transparent electrode material has a high refractive index, which may affect the transmittance of the liquid crystal cell. Therefore, it is preferable that the width of the transparent electrode is small. That is, the inter-electrode distance b (the first inter-electrode distance b 1 or the second inter-electrode distance b 2 shown in FIG. 3A or 3B) corresponds to the width a of the transparent electrode (the first inter-electrode distance b 2 shown in FIG. 3A or 3B). It is preferably equal to or less than the width a 1 or the second width a 2 ). For example, if the inter-electrode distance b is expressed in relation to the pitch p, it is preferable to satisfy p/2 ⁇ b.
  • the optical element 10 has two liquid crystal cells, and by controlling the voltage applied to each transparent electrode, the light distribution or light distribution of the light transmitted through the optical element 10 is controlled. Patterns can be easily controlled.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the lighting device 20 according to one embodiment of the present invention.
  • illumination device 20 includes optical element 10 , light source 210 , convex lens 220 and reflector 230 .
  • Convex lens 220 is arranged between optical element 10 and light source 210 .
  • Reflector 230 is arranged to surround the space between light source 210 and convex lens 220 .
  • the light source 210 can emit light.
  • the light source 210 for example, an electric bulb, a fluorescent lamp, a cold cathode tube, a light emitting diode (LED), or a laser diode (LD) can be used.
  • the light sources 210 of the lighting device 20 are LEDs.
  • the illumination device 20 using LEDs with high luminous efficiency as the light source 210 has high luminance and low power consumption.
  • LEDs and LDs include organic light emitting diodes (OLEDs) and organic laser diodes (OLDs), respectively.
  • the convex lens 220 can condense the light emitted from the light source 210 and allow the condensed light to enter the optical element 10 .
  • the reflector 230 can reflect the light emitted from the light source 210 and allow the reflected light to enter the convex lens.
  • the shape of the reflector 230 is, for example, substantially conical, but is not limited to this. Also, the surface of the reflector 230 may be flat or curved.
  • the illumination device 20 may include a control section that controls the voltage applied to the transparent electrodes so that various light orientation patterns can be formed.
  • the illumination device 20 since the illumination device 20 according to the present embodiment includes the optical element 10, the light distribution or light distribution pattern of the light emitted from the illumination device 20 can be easily controlled.

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Abstract

光の配光または配光パターンを制御することができる光学素子を提供する。光学素子は、積層された２つの液晶セル（１２０，１１０）を含む光学素子であって、２つの液晶セルの各々は、第１の方向に第１の透明電極（１１２－１，１２２－１）と第２の透明電極（１１２－２，１２２－２）とが交互に配置された第１の基板（１１１－１，１２１－１）と、第１の方向と交差する第２の方向に第３の透明電極（１１２－３，１２２－３）と第４の透明電極とが交互に配置された第２の基板（１１１－２，１２１－２）と、第１の基板と第２の基板との間の液晶（１１３，１２３）と、を含み、２つの液晶セルの一方の液晶セルの第２の基板（１１１－２）と、２つの液晶セルの他方の液晶セルの第１の基板（１２１－１）とが隣接する。

Description

光学素子および照明装置
　本発明の一実施形態は、配光を制御することができる光学素子に関する。また、本発明の一実施形態は、配光を制御することができる光学素子を含む照明装置に関する。
　従来より、液晶に印加する電圧を調整し、液晶の屈折率が変化することを利用した光学素子、いわゆる液晶レンズが知られている。また、光源および液晶レンズを用いた照明装置の開発が進められている（例えば、特許文献１、特許文献２、または特許文献３参照）。
特開２００５－３１７８７９号公報 特開２０１０－２３０８８７号公報 特開２０１４－１６０２７７号公報
　しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載された照明装置では、液晶レンズを利用し、光の拡がる分布、すなわち光の配光角を制御して集光することを目的としているに過ぎない。換言すれば、特許文献１または特許文献２に記載された照明装置では、光の配光パターンが同心円状に限られていた。また、特許文献３に記載されたビーム成形デバイスは、液晶に印加する電極のパターンを変えて配光パターンを変化させるなど、光の配向パターンのバリエーションを得るためには、複雑な構成を有する液晶セルが必要とされ、量産性に乏しかった。
　本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、光の配光または配光パターンを制御することができる光学素子を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一実施形態は、光の配光または配光パターンを制御することができる照明装置を提供することを目的の一つとする。
　本発明の一実施形態に係る光学素子は、積層された２つの液晶セルを含む光学素子であって、２つの液晶セルの各々は、第１の方向に第１の透明電極と第２の透明電極とが交互に配置された第１の基板と、第１の方向と交差する第２の方向に第３の透明電極と第４の透明電極とが交互に配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間の液晶と、を含み、２つの液晶セルの一方の液晶セルの第２の基板と、２つの液晶セルの他方の液晶セルの第１の基板とが隣接する。
　また、本発明の一実施形態に係る照明装置は、光源と、前記光学素子と、を含む。
本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、第１の基板上の第１の透明電極および第２の透明電極の配置を示す模式的な平面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、第２の基板上の第３の透明電極および第４の透明電極の配置を示す模式的な平面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、液晶層の液晶の配向を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、液晶層の液晶の配向を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、電圧が印加されたときにおける液晶層の液晶分子の配向を示す模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、電圧が印加されたときにおける液晶層の液晶分子の配向を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、電圧が印加されたときにおける液晶層の液晶分子の配向を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子による光の配光の制御を説明する模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子による光の配光の制御を説明する模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子に含まれる各透明電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、各透明電極に図７Ａに示す電位を印加して得られた光の配光パターンの写真である。 本発明の一実施形態に係る光学素子に含まれる各透明電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、各透明電極に図８Ａに示す電位を印加して得られた光の配光パターンの写真である。 本発明の一実施形態に係る光学素子に含まれる各透明電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る光学素子において、各透明電極に図９Ａに示す電位を印加して得られた光の配光パターンの写真である。 本発明の一実施形態に係る光学素子に含まれる各透明電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る光学素子の液晶セルにおいて、ｄ／ｐに対する正面相対輝度を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る照明装置の構成を示す模式図である。
　以下、本発明の各実施形態において、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その技術的思想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、形状等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、図示の形状そのものが本発明の解釈を限定するものではない。また、図面において、明細書中で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、別図であっても同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。
　ある一つの膜を加工して複数の構造体を形成した場合、各々の構造体は異なる機能、役割を有する場合があり、また各々の構造体はそれが形成される下地が異なる場合がある。しかしながらこれら複数の構造体は、同一の工程で同一層として形成された膜に由来するものであり、同一の材料を有する。従って、これら複数の膜は同一層に存在しているものと定義する。
　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」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接して、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。
＜第１実施形態＞
　図１～図１１を参照して、本発明の一実施形態に係る光学素子１０について説明する。
［１．光学素子の構成］
　図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の模式的な斜視図である。図１に示すように、光学素子１０は、第１の液晶セル１１０、第２の液晶セル１２０、および光学弾性樹脂層１３０を含む。光学弾性樹脂層１３０は、第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１２０との間に設けられている。すなわち、第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１２０とは、光学弾性樹脂層１３０を間に挟んでｚ軸方向に積層されている。
　光学弾性樹脂層１３０は、第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１２０とを接着し、固定することができる。光学弾性樹脂層１３０としては、光学弾性樹脂、例えば、透光性を有したアクリル樹脂を含む接着材を用いることができる。
　図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の模式的な断面図である。具体的には、図２Ａは、図１に示すＡ１－Ａ２線に沿って切断されたｚｘ面内の模式的な断面図であり、図２Ｂは、図１に示すＢ１－Ｂ２線に沿って切断されたｙｚ面内の模式的な断面図である。なお、以下では、ｘ軸方向およびｙ軸方向を、それぞれ、第１の方向および第２の方向として記載する場合がある。
　第１の液晶セル１１０は、第１の基板１１１－１、第２の基板１１１－２、第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、第３の透明電極１１２－３、第４の透明電極１１２－４、液晶層１１３、第１の配向膜１１４－１、第２の配向膜１１４－２、およびシール材１１５を含む。第２の液晶セル１２０は、第１の基板１２１－１、第２の基板１２１－２、第１の透明電極１２２－１、第２の透明電極１２２－２、第３の透明電極１２２－３、第４の透明電極１２２－４、液晶層１２３、第１の配向膜１２４－１、第２の配向膜１２４－２、およびシール材１２５を含む。
　光学素子１０は２つの液晶セルを有するが、２つの液晶セルはその構成が同一であることが好ましい。そのため、以下では、第１の液晶セル１１０の構成のみを説明し、便宜上、第２の液晶セル１２０の構成の説明は省略する場合がある。
　第１の基板１１１－１上には、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２が設けられている。また、第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、および第１の基板１１１－１の表面を覆う第１の配向膜１１４－１が設けられている。
　第２の基板１１１－２上には、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４が設けられている。また、第３の透明電極１１２－３、第４の透明電極１１２－４、および第２の基板１１１－２の表面を覆う第２の配向膜１１４－２が設けられている。
　第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とは、第１の基板１１１－１上の第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２と、第２の基板１１１－２上の第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４とが対向するように配置されている。
　また、第１の基板１１１－１および第２の基板１１１－２の各々の周辺部には、シール材１１５が配置されている。すなわち、第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とは、シール材１１５を介して接着されている。また、第１の基板１１１－１（より具体的には、第１の配向膜１１４－１）、第２の基板１１１－２（より具体的には、第２の配向膜１１４－２）、およびシール材１１５で囲まれた空間には、液晶が封入され、液晶層１１３が形成されている。
　第１の基板１１１－１および第２の基板１１１－２の各々として、例えば、ガラス基板、石英基板、またはサファイア基板などの透光性を有する剛性基板が用いられる。また、第１の基板１１１－１および第２の基板１１１－２の各々として、例えば、ポリイミド樹脂基板、アクリル樹脂基板、シロキサン樹脂基板、またはフッ素樹脂基板などの透光性を有する可撓性基板を用いる構成も採用可能である。
　第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、第３の透明電極１１２－３、および第４の透明電極１１２－４の各々は、液晶層１１３に電界を形成するための電極として機能する。第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、第３の透明電極１１２－３、および第４の透明電極１１２－４の各々として、例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）またはインジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料が用いられる。
　液晶層１１３は、液晶分子の配向状態に応じて、透過する光を屈折し、または透過する光の偏光状態を変化させることができる。液晶層１１３の液晶として、例えば、ネマティック液晶などを用いることができる。液晶は、本実施形態においてはポジ型を採用しているが、液晶分子の初期の配向方向などを変更することによりネガ型を採用する構成も可能である。また、液晶には、液晶分子にねじれを付与するカイラル剤が含まれていることが好ましい。
　第１の配向膜１１４－１および第２の配向膜１１４－２の各々は、液晶層１１３内の液晶分子を所定の方向に配列する。第１の配向膜１１４－１および第２の配向膜１１４－２の各々は、例えば、ポリイミド樹脂などを用いることができる。なお、第１の配向膜１１４－１および第２の配向膜１１４－２の各々は、ラビング法または光配向法などの配向処理によって配向特性が付与されてもよい。ラビング法は、配向膜の表面を一方向に擦る方法である。また、光配向法は、配向膜に直線偏光の紫外線を照射する方法である。
　シール材１１５は、第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とを接着し、固定する。シール材１１５として、例えば、エポキシ樹脂接着材またはアクリル樹脂接着材などを用いることができる。接着材は、紫外線硬化型であってもよく、熱硬化型であってもよい。
　詳細は後述するが、光学素子１０は、２つの液晶セル（第１の液晶セル１１０および第２の液晶セル１２０）を含むことにより、無偏光の光の配光を制御し、配光パターンを形成することができる。そのため、各基板の外側表面には、例えば、液晶表示素子の表裏面に設けられるような一対の偏光板を設ける必要はない。
［２．透明電極の配置］
　図３Ａおよび図３Ｂを参照して、第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、第３の透明電極１１２－３、および第４の透明電極１１２－４の各々の配置について詳細に説明する。
　図３Ａは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、第１の基板１１１－１上の第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の配置を示す模式的な平面図である。また、図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、第２の基板１１１－２上の第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の配置を示す模式的な平面図である。なお、図３Ａおよび図３Ｂの各々には、第１の液晶層１１５－１側から眺めた各透明電極の配置が示されている。
　図３Ａに示すように、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の各々は、ｘ軸方向に第１の幅ａ１を有し、ｙ軸方向に延在している。また、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２とは、ｘ軸方向に第１の電極間距離ｂ１を有し、交互に配置されている。すなわち、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２とは、第１のピッチｐ１を有し、ｐ１＝ａ１＋ｂ１を満たす。また、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２は、それぞれ、第１の基板１１１－１上に形成された第１の配線１１６－１および第２の配線１１６－２と電気的に接続されている。第１の配線１１６－１は、第１の透明電極１１２－１の下に形成されていてもよく、第１の透明電極１１２－１の上に形成されていてもよい。この場合、第１の配線１１６－１が金属によって形成されていてもよい。また、第１の配線１１６－１は、第１の透明電極１１２－１と同じ層に形成されていてもよい。第２の配線１１６－２も同様である。
　第１の配向膜１１４－１は、ｘ軸方向に配向処理が行われている。この場合、液晶層１１３を構成する液晶分子のうち、第１の基板１１１－１側の液晶分子の長軸は、無電界状態ではｘ軸方向に沿って配向する。すなわち、第１の配向膜１１４－１の配向方向（ｘ軸方向）と第１の透明電極１１２－１または第２の透明電極１１２－２の延在方向（ｙ軸方向）とは、直交している。なお、配向処理としては、ラビングまたは光配向による配向処理が挙げられる。また、第１の配向膜１１４－１および第２の配向膜１１４－２の配向方向は、互いのなす角が直交していればよく、それぞれの配向方向は、第１の配向膜１１４－１または第２の配向膜１１４－２が設けられる透明電極の延在方向と直角以外の角度で交差していてもよい。
　図３Ｂに示すように、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の各々は、ｙ軸方向に第２の幅ａ２を有し、ｘ軸方向に延在している。また、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４とは、ｙ軸方向に第２の電極間距離ｂ２を有し、交互に配置されている。すなわち、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４とは、第２のピッチｐ２を有し、ｐ２＝ａ２＋ｂ２を満たす。また、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４は、それぞれ、第２の基板１１１－２上に形成された第３の配線１１６－３および第４の配線１１６－４と電気的に接続されている。第３の配線１１６－３および第４の配線１１６－４は、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の下に形成されていてもよく、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の上に形成されていてもよい。この場合、第３の配線１１６－３および第４の配線１１６－４が金属によって形成されていてもよい。また、第３の配線１１６－３および第４の配線１１６－４は、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４と同じ層に形成されていてもよい。
　第２の配向膜１１４－２は、ｙ軸方向に配向処理が行われている。この場合、液晶層１１３を構成する液晶分子のうち、第２の基板１１１－２側の液晶分子の長軸は、無電界状態ではｙ軸方向に沿って配向する。すなわち、第２の配向膜１１４－２の配向方向（ｙ軸方向）と第３の透明電極１１２－３または第４の透明電極１１２－４の延在方向（ｘ軸方向）とは、直交している。
　なお、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２は、第１の基板１１１－１上に、第１のピッチｐ１を有した櫛歯状パターンで形成されているということもできる。同様に、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４は、第２の基板１１１－２上に、第２のピッチｐ２を有した櫛歯状パターンで形成されているということもできる。
　第１の液晶セル１１０において、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２と、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４とは、液晶層１１３を介して対向している。ここで、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の延在する方向（ｙ軸方向）は、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極の延在する方向（ｘ軸方向）と直交している。換言すると、第１の基板１１１－１上に形成される櫛歯状の電極パターンと、第２の基板上に形成される櫛歯状の電極パターンとは、平面視で互いに直交している。また、第１の基板１１１－１には、第５の配線１１６－５および第６の配線１１６－６が形成されている。第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とが貼り合わされると、第３の配線１１６－３および第４の配線１１６－４は、それぞれ、第１の基板１１１－１に設けられる第５の配線１１６－５および第６の配線１１６－６と電気的に接続される。第３の配線１１６－３と第５の配線１１６－５との電気的な接続および第４の配線１１６－４と第６の配線１１６－６との電気的な接続は、例えば、銀ペーストまたは導電粒子（金属を被覆した粒子を含む。）などを用いて行うことができる。
　なお、本実施形態では、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２とが交互に配置された第１の方向と、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４とが交互に配置された第２の方向とは、直交しているが、これらは交差していればよく、交差角度は９０度以外でも構わない。また、第１の基板１１１－１の第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２と、第２の基板の第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４とが交差することで、後述するように、各透明電極に印加する電圧を制御して液晶層１１３の液晶の配向を制御することができる。これにより、光の配向または配光パターンを制御することができる。
　第１の基板１１１－１または第２の基板１１１－２上には、これらの間隔を保持するフォトスペーサが形成されている（図示省略）。
　第１の配線１１６－１、第２の配線１１６－２、第３の配線１１６－３、第４の配線１１６－４、第５の配線１１６－５、および第６の配線１１６－６の各々として、例えば、アルミニウムもしくモリブデンなどの金属材料またはインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）もしくはインジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料を用いることができる。なお、第１の配線１１６－１、第２の配線１１６－２、第５の配線１１６－５、および第６の配線１１６－６の各々には、外部装置と接続するための端子が設けられていてもよい。
　第１の配線１１６－１、第２の配線１１６－２、第５の配線１１６－５（または第３の配線１１６－３）、および第６の配線１１６－６（または第４の配線１１６－４）は、互いに電気的に絶縁されている。したがって、第１の液晶セル１１０では、第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、第３の透明電極１１２－３、および第４の透明電極１１２－４のそれぞれに異なる電圧を印加することで、液晶層１１３の液晶分子の配向を制御することができる。
［３．液晶の配向の制御］
　図４Ａおよび図４Ｂを参照して、液晶層１１３の液晶の配向について詳細に説明する。
　図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、液晶層１１３の液晶分子の配向を示す模式的な断面図である。図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、図２Ａおよび図２Ｂに示す第１の液晶セル１１０の断面図の一部に対応するものである。
　図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とは、基板間距離ｄを有するように貼り合わされている。また、第１の基板１１１－１の第１の配向膜１１４－１および第２の基板１１１－２の第２の配向膜１１４－２は、それぞれ、ｘ軸方向およびｙ軸方向に配向処理が行われている。そのため、液晶層１１３において、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、透明電極に電圧を印加しない状態では、長軸がｘ軸方向に沿って配向する（図４Ａおよび図４Ｂでは、便宜上、紙面左右方向に配向する液晶分子の配向方向を矢印の記号を用いて示す。）。すなわち、第１の基板１１１－１側の液晶分子の配向方向は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２の延在方向に対して直交している。また、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、透明電極に電圧を印加しない状態では、長軸がｙ軸方向に沿って配向する（図４Ａおよび図４Ｂでは、便宜上、紙面法線方向に配向する液晶分子の配向方向を丸印の中にバツを付した記号を用いて示す。）。すなわち、第２の基板１１１－２側の液晶分子の配向方向は、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４の延在方向に対して直交している。したがって、液晶層１１３の液晶分子は、ｚ軸方向において、第１の基板１１１－１から第２の基板１１１－２に向かうにつれて９０度ねじれた状態で配向している。より具体的には、図４Ａにおいては、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、第１の配向膜１１４－１の配向方向に沿ってｘ軸方向（紙面左右方向）に長軸を向けた状態で配向されている。また、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、第２の配向膜１１４－２の配向方向に沿ってｙ軸方向（紙面法線方向）に長軸を向けた状態で配向されている。また、これらの間にある液晶分子は、第１の基板１１１－１から第２の基板１１１－２に向かうにつれて徐々に長軸の向きをｘ軸方向からｙ軸方向に変化させている。
　続いて、図５Ａ～図５Ｃを参照して、電圧が印加されたときにおける液晶層１１３の液晶の配向について詳細に説明する。
　図５Ａは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、電圧が印加されたときにおける液晶層１１３の液晶分子の配向を示す模式的な斜視図である。また、図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、電圧が印加されたときにおける液晶層１１３の液晶分子の配向を示す模式的な断面図である。図５Ａにおいては、便宜上、第１の配向膜１１４－１および第２の配向膜１１４－２が省略されている。また、図５Ｂおよび図５Ｃでは、図４Ａおよび図４Ｂと同様に、第１の配向膜１１４－１および第２の配向膜１１４－２の配向方向を、矢印または丸印の中にバツを付した記号を用いて図示している。
　図５Ａ～図５Ｃにおいては、第１の透明電極１１２－１および第３の透明電極１１２－３にＬｏｗ電位が印加され、第２の透明電極１１２－２および第４の透明電極１１２－４にＨｉｇｈ電位が印加されている（図５Ａ～図５Ｃでは、便宜上、Ｌｏｗ電位およびＨｉｇｈ電位を、それぞれ、「－」および「＋」の記号を用いて図示している。）。すなわち、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間および第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間には、電位差が生じている。この場合、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間に生じる電界（電位分布）にしたがって配向する。すなわち、第１の基板１１１－１側の液晶分子の長軸は、第１の透明電極１１２－１から第２の透明電極１１２－２へ向かう方向に沿って配向する。同様に、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１１２－３から第４の透明電極１１２－４へ向かう方向に沿って配向する。なお、以下では、同一基板上で隣接する透明電極間に生じる電界を横電界と言う場合がある。
　さらに、液晶分子の配向について詳細に説明する。第１の基板１１１－１側の液晶分子は、無電界状態ではｘ軸方向に配向しているが、当該液晶分子の配向は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間の横電界の向きと同じである。そのため、平面視において第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間のほぼ中央に位置する液晶分子は、当該横電界によっても配向がほとんど変化しない。また、中央よりも第１の透明電極１１２－１または第２の透明電極１１２－２に近い液晶分子は、横電界に対応してｚ軸方向に傾き（チルト）を有して配向する。そのため、図５Ｂに示すように、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間の横電界の影響によって、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、全体として、隣接する透明電極間ごとに第１の基板１１１－１からみて第１の透明電極１１２－１から第２の透明電極１１２－２へ向かう凸の円弧状に配向する。同様に、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、ｙ軸方向に配向しているが、当該液晶分子の配向は、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間の横電界の向きと同じである。そのため、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間のほぼ中央に位置する液晶分子は、当該横電界によっても配向がほとんど変化しない。また、中央よりも第３の透明電極１１２－３または第４の透明電極１１２－４に近い液晶分子は、ｚ軸方向に傾き（チルト）を有して配向する。そのため、図５Ｃに示すように、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間の横電界の影響によって、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、全体として、隣接する透明電極間ごとに第２の基板１１１－２からみて第３の透明電極１１２－３から第４の透明電極１１２－４へ向かう凸の円弧状に配向する。したがって、液晶層１１３に入射した光は、第１の基板１１１－１側または第２の基板１１１－２側の凸の円弧状に配向された液晶分子の屈折率分布にしたがって拡散されることになる。
　第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とは、十分に離れた基板間距離ｄを有しているため、第１の基板１１１－１の第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間の横電界は、第２の基板１１１－２側の液晶分子の配向に対して影響を及ぼさない、または、無視できるほどに小さい。同様に、第２の基板１１１－２の第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間の横電界は、第１の基板１１１－１側の液晶分子の配向に対して影響を及ぼさない、または、無視できるほどに小さい。
　なお、本明細書において、第１の基板１１１－１側の液晶層１１３（または、液晶分子）とは、第１の基板１１１－１の表面からｄ／２までの液晶層（または、液晶分子）をいう。同様に、第２の基板１１１－２側の液晶層１１３（または、液晶分子）とは、第２の基板１１１－２の表面からｄ／２までの液晶層（または、液晶分子）をいう。
　第１の液晶セル１１０では、第１の透明電極１１２－１、第２の透明電極１１２－２、第３の透明電極１１２－３、および第４の透明電極のそれぞれに印加される電圧を制御することにより、液晶層１１３の液晶分子の配向を変化させることができる。液晶分子の配向の変化に伴い、液晶層１１３の屈折率分布が変化する。そのため、第１の液晶セル１１０は、透過する光を拡散することができる。光学素子１０は、第１の液晶セル１１０の液晶層１１３および第２の液晶セル１２０の液晶層１２３の屈折率分布の変化を利用し、光学素子１０を透過する光の配光または配光パターンを制御することができる。
［５．光学素子による配光または配向パターンの制御］
　図６Ａおよび図６Ｂを参照して、光学素子１０による光の配光または配光パターンの制御について詳細に説明する。
　図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０による光の配光の制御を説明する模式的な断面図である。図６Ａおよび図６Ｂに示す光学素子１０は、図２Ａに示す第１の液晶セル１１０および第２の液晶セル１２０の断面図の一部に対応するものである。図６Ａに示す光学素子１０では、いずれの透明電極にも電位が印可されていない。また、図６Ｂに示す光学素子１０では、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１および第３の透明電極１１２－３にＬｏｗ電位が印加され、第２の透明電極１１２－２および第４の透明電極１１２－４にＨｉｇｈ電位が印加されている。同様に、第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１および第３の透明電極１２２－３にＬｏｗ電位が印加され、第２の透明電極１２２－２および第４の透明電極１２２－４にＨｉｇｈ電位が印加されている。なお、図６Ｂでは、便宜上、Ｌｏｗ電位およびＨｉｇｈ電位を、それぞれ、「－」および「＋」の記号を用いて図示している。
　図６Ａおよび図６Ｂに示す光学素子１０では、第１の液晶セル１１０の第１の配向膜１１４－１および第２の液晶セル１２０の第１の配向膜１２４－１は、ｘ軸方向に配向処理が行われている。一方、第１の液晶セル１１０の第２の配向膜１１４－２および第２の液晶セル１２０の第２の配向膜１２４－２は、ｙ軸方向に配向処理が行われている。したがって、第１の液晶セル１１０では、第１の配向膜１１４－１の配向方向はｘ軸方向であり、第２の配向膜１１４－２の配向方向はｙ軸方向である。同様に、第２の液晶セル１２０では、第１の配向膜１２４－１の配向方向はｘ軸方向であり、第２の配向膜１２４－２の配向方向はｙ軸方向である。
　第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１２０とが積層した光学素子１０では、平面視において、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１と第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１とが延在方向にわたって略一致するように重畳している。他の透明電極も同様である。但し、第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１２０とは、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１と第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１とが、ｘ軸方向またはｙ軸方向に僅かにずれて重畳するように配置されていてもよい。より具体的には、平面視において、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１と第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１とが、互いに延在方向にわたって一部または全部が重畳している。または、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１と第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１とが互いに重畳せずとも、同じ方向に延在していればよい。
　図６Ａおよび図６Ｂでは、光は、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１に対して垂直な方向から入射し、第２の液晶セル１２０の第２の基板１２１－２から出射する。第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１に入射する光は、ｘ軸方向の偏光（Ｐ偏光成分）と、ｙ軸方向の偏光（Ｓ偏光成分）とを有している。そこで、以下では、便宜上、光源から発せられる光のうち、ｘ軸方向の偏光成分を第１の偏光成分３１０とし、また、ｙ軸方向の偏光成分を第２の偏光成分３２０とし、これらの偏光成分が図６Ｂの光学素子１０を透過する過程を説明する。
　第１の偏光成分３１０および第２の偏光成分３２０は、それぞれ、光源から出射された光のＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対応する（図６Ｂ中の（１）参照）。なお、図６Ａおよび図６Ｂでは、Ｐ偏光成分は矢印（紙面水平方向を示す矢印）を用いて図示され、Ｓ偏光成分は丸印にバツを付した記号（紙面法線方向を示す矢印）を用いて図示されている。
　第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側における液晶層１１３の液晶分子は、長軸がｘ軸方向に沿って配向されているため、図６Ｂに示すように、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間に横電界が発生すると、当該液晶分子はｘ軸方向に屈折率分布を有する。また、第１の液晶セル１１０の第２の基板１１１－２側における液晶層１１３の液晶分子は、長軸がｙ軸方向に沿って配向されているため、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間に横電界が発生すると、当該液晶分子はｙ軸方向に屈折率分布を有する。
　そのため、光学素子１０（より具体的には、第１の液晶セル１１０）に入射する第１の偏光成分３１０は、第１の基板１１１－１に入射した後、第２の基板１１１－２に向かうにつれて、液晶配向のねじれに従ってその偏光成分がＳ偏光成分に変化する（図６Ｂ中の（２）～（４）参照）。より具体的には、第１の偏光成分３１０は、第１の基板１１１－１側ではｘ軸方向に偏光軸を有しているが、液晶層１１３の厚さ方向に通過する過程でその偏光軸を徐々に変化させ、第２の基板１１１－２側ではｙ軸方向に偏光軸を有することとなり、その後、第２の基板１１１－２側から出射される（図６Ｂ中の（５）参照）。ここで、図６Ｂに示すように、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で液晶分子の配向状態が図５Ａのように変化し、屈折率分布が変化する。また、第１の偏光成分３１０は、第１の基板１１１－１側においては、その偏光軸が当該第１の基板１１１－１側における液晶層１１３の液晶分子の配向方向に平行であるため、当該液晶分子の屈折率分布の変化に応じてｘ軸方向に拡散する。また、第１の偏光成分３１０は、液晶層１１３内で偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させることによって、第２の基板１１１－２側においては、その偏光軸が当該第２の基板１１１－２側における液晶層１１３の液晶分子の配向方向に平行となる。ここで、図６Ｂに示すように、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で液晶分子の配向状態が図５Ｂのように変化し、屈折率分布が変化する。このため、第１の偏光成分３１０は、当該液晶分子の屈折率分布の変化に応じてｙ軸方向に拡散する。
　また、図６Ｂに示すように、光学素子１０（より具体的には、第１の液晶セル１１０）に入射する前にＳ偏光成分であった第２の偏光成分３２０は、第１の基板１１１－１に入射した後、第２の基板１１１－２に向かうにつれて、液晶配向のねじれに従ってその偏光成分がＰ偏光成分に変化する（図６Ｂ中の（２）～（４）参照）。より具体的には、第２の偏光成分３２０は、第１の基板１１１－１側ではｙ軸方向に偏光軸を有しているが、液晶層１１３の厚さ方向に通過する過程でその偏光軸を徐々に変化させ、第２の基板１１１－２側ではｘ軸方向に偏光軸を有することとなり、その後、第２の基板１１１－２側から出射される（図６Ｂ中の（５）参照）。ここで、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間に横電界が発生しても、第２の偏光成分３２０は、第１の基板１１１－１側においては、その偏光軸が当該第１の基板１１１－１側における液晶層１１３の液晶分子の配向方向に直交しているため、当該液晶分子の屈折率分布の影響を受けず、そのまま拡散せずに通過する。また、第２の偏光成分３２０は、液晶層１１３内で偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させることによって、第２の基板１１１－２側においては、その偏光軸が当該第２の基板１１１－２側における液晶分子の配向方向とも直交することになるため、当該液晶分子の屈折率分布の影響を受けず、そのまま拡散せずに通過する。
　すなわち、光学素子１０に入射する前にＳ偏光成分であった第２の偏光成分３２０は、第１の液晶セル１１０を通過する過程で偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させてＰ偏光成分となるものの、第１の偏光成分３１０のような拡散は生じない。
　第２の液晶セル１２０の液晶層１２３の液晶分子も、第１の液晶セル１１０の液晶層１１３の液晶分子と同様の屈折率分布を有する。そのため、第２の液晶セル１２０内においても、基本的に、第１の液晶セル１１０内と同様の現象が生じる。一方、第１の偏光成分３１０および第２の偏光成分３２０は、第１の液晶セル１１０を通過することで、その偏光軸が入れ替わるため、液晶層１１３の液晶分子の屈折率分布の影響を受ける偏光成分も入れ替わる。すなわち、図６Ｂに示すように、第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間および第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１１２－４との間に横電界が発生しても、第２の液晶セル１２０を通過する第１の偏光成分３１０はその偏光軸をｙ軸方向から再びｘ軸方向に変化するものの（図６Ｂ中の（６）～（８）参照）、拡散は生じない。一方、第２の液晶セル１２０を通過する第２の偏光成分３２０は、その偏光軸をｘ軸方向から再びｙ軸方向に変化しつつ（図６Ｂ中の（６）～（８）参照）、かつ、液晶層１２３の液晶分子の屈折率分布の影響を受けて拡散する。
　以上からわかるように、光学素子１０では、同一の構造を有する２つの液晶セルを積層させることにより、光学素子１０に入射される光の偏光方向を２度にわたって変化させ、その結果、入射前と入射後での偏光方向を変わらなくすることができる（図６Ｂ中の（１）および（９）参照）。他方、当該光学素子１０は、液晶セルの液晶層の液晶分子が有する屈折率分布を変化させ、透過する光を屈折させることができる。より具体的には、第１の液晶セル１１０が第１の偏光成分３１０（Ｐ偏光成分）の光をｘ軸方向、ｙ軸方向、またはｘ軸とｙ軸の両方向に拡散させ、第２の液晶セル１２０が第２の偏光成分３２０（Ｓ偏光成分）の光をｘ軸方向、ｙ軸方向、またはｘ軸とｙ軸の両方向に拡散させる。したがって、光学素子１０は、無偏光の光に対して、光の偏光状態を変えることなく、光を拡散することができる。
　また、上記では、主として図６Ｂを用いてそれぞれの偏光成分が光学素子１０を通過する過程で拡散および偏光軸を変化させる過程を説明した。図６Ａの光学素子１０は、各透明電極に電位を印可していない状態（隣り合う透明電極間に電位差がない状態）であり、偏光成分を拡散させない点を除いては図６Ｂの光学素子と同じように偏光成分の偏光軸を変化させる。説明の重複を避けるべく、図６Ａの光学素子を通過する偏光成分の説明は図６Ｂの（１）～（９）と同じ符号を付してその説明を省略する。
　なお、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、第１の液晶セル１１０と第２の液晶セル１２０との間には、光学弾性樹脂層１３０が設けられている。光は、第１の液晶セル１１０の第２の基板１１１－２と光学弾性樹脂層１３０との界面または第２の液晶セル１２０の第１の基板１２１－１と光学弾性樹脂層１３０との界面においても屈折され得る。そのため、光学弾性樹脂層１３０の光学弾性樹脂の屈折率は、第１の液晶セル１１０の第２の基板１１１－２および第２の液晶セル１２０の第１の基板１２１－１の屈折率に近いものが好ましい。また、光学素子１０は、光源に近い位置に配置され、光源からの熱によって温度が上昇する場合がある。この場合、光学弾性樹脂層１３０の光学弾性樹脂の熱膨張の影響を緩和することができるように、光学弾性樹脂層１３０の厚さは、第１の液晶セル１１０における第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２との間または第２の液晶セル１２０における第１の基板１２１－１と第２の基板１２１－２との間の基板間距離ｄよりも大きいことが好ましい。
　光学素子１０は、単に光を拡散するだけでなく、各透明電極に印加する電位によって光の配光を制御し、所定の配光パターンを形成することができる。以下では、図７Ａ～図１０を参照して、光学素子１０を用いて制御された光の配光パターンのいくつかを例示する。但し、光学素子１０によって制御される光の配光パターンは、これらに限られるものではない。なお、図７Ａ～図１０に記載された電位の符号（Ｖ１１など）は、表１のとおりである。
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　また、以下では、便宜上、各透明電極に印加する電位を、第１の電位（変動電位、例えば、Ｌｏｗ電位が０ＶおよびＨｉｇｈ電位が３０Ｖ）、第１の電位と位相が反転している第２の電位（変動電位、例えば、Ｌｏｗ電位が０ＶおよびＨｉｇｈ電位が３０Ｖ）、および第３の電位（中間電位、例えば、１５Ｖ）として説明する。第３の電位は、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位との間の電位であり、固定電位であってもよく、変動電位であってもよい。なお、電圧の値は、図７Ａ～図１０に記載された０Ｖ、１５Ｖ、および３０Ｖに限られない。
［例１：ｘ軸方向に拡がる配光パターン］
　図７Ａは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０に含まれる各透明電極に印加する電位を示すタイミングチャートである。また、図７Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、各透明電極に図７Ａに示す電位を印加して得られた光の配光パターンの写真である。
　第１の液晶セル１１０では、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２に、それぞれ、第１の電位および第２の電位が印加される。また、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の各々に第３の電位が印加される。第１の透明電極１１２－１に印加される第１の電位と、第２の透明電極１１２－２に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。これに対し、第２の基板１１１－２側の第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間は、無電位状態となっている。また、第２の基板１１１－２側の第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４は、いずれの状態であっても、第１の基板１１１－１側の第１の透明電極１１２－１との間または第２の透明電極１１２－２との間に＋１５Ｖまたは－１５Ｖが生じており、絶対値で見た場合に、第１の基板１１１－１側の一方の透明電極との間および他方の透明電極との間での電位差に偏りはない。
　これにより、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。一方、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間に電位差が生じておらず、また、第１の基板１１１－１側の電位による影響を受けないほど第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とが十分に離れているため、初期配向方向から配向方向を変化させない。また、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４に印加される第３の電位は第１の電位と第２の電位との間の中間電位であるため、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２とに、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位とが交互に印加されても容量が蓄積されることはなく、第２の基板１１１－２側の液晶分子の配向状態が変化することはない。
　第２の液晶セル１２０では、第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２に、それぞれ、第１の電位および第２の電位が印加される。また、第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４の各々に第３の電位が印加される。第１の透明電極１２２－１に印加される第１の電位と、第２の透明電極１２２－２に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。これに対し、第２の基板１２１－２側の第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間は、無電位状態となっている。また、第２の基板１２１－２側の第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４は、いずれの状態であっても、第１の基板１２１－１側の第１の透明電極１２２－１との間または第２の透明電極１２２－２との間に＋１５Ｖまたは－１５Ｖが生じており、絶対値で見た場合に、第１の基板１２１－１側の一方の透明電極との間および他方の透明電極との間での電位差に偏りはない。
　これにより、第１の基板１２１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。一方、第２の基板１２１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間に電位差が生じておらず、また、第１の基板１２１－１側の電位による影響を受けないほど第１の基板１２１－１と第２の基板１２１－２とが十分に離れているため、初期配向方向から配向方向を変化させない。また、第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４に印加される第３の電位は第１の電位と第２の電位との間の中間電位であるため、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２とに、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位とが交互に印加されても容量が蓄積されることはなく、第２の基板１２１－２側の液晶分子の配向状態が変化することはない。
　また、図７Ａに示すように、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の電位変動は、それぞれ、第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２の電位変動と同期している。
　各透明電極に上述のような電位を印加した場合、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側の液晶層１１３の液晶分子は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に屈折することができる。そのため、第１の液晶セル１１０は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に拡散することができる。
　また、第２の液晶セル１２０の第１の基板１２１－１側の液晶層１２３の液晶分子も、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に屈折させる。そのため、第２の液晶セル１２０も、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に拡散する。
　すなわち、各透明電極の電位が図７Ａに示すものであるとき、光学素子１０は、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側から光が入射される（図６Ａおよび図６Ｂに示すように、第１の液晶セル１１０の下方側から第１の基板１１１－１に向けて光が照射されることを意味する。以下、同様とする。）と、第１の液晶セル１１０を通過する過程において、ｘ軸方向の偏光軸を有する第１の偏光成分３１０は第１の基板１１１－１側でｘ軸方向に拡散しつつ、偏光軸をｙ軸方向に変化させる。他方、ｙ軸方向の偏光を有する第２の偏光成分３２０は、拡散することなく、偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。そして、これらの偏光成分はそのまま第２の液晶セル１２０に入射する。第１の液晶セル１１０内で拡散することなく、ｙ軸方向からｘ軸方向に偏光軸を変化させた第２の偏光成分３２０は、第２の液晶セル１２０を通過する過程において、ｘ軸方向に拡散し、その後、偏光軸をｙ軸方向に変化させる。他方、第１の液晶セル１１０内で拡散しつつ偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させた第１の偏光成分３１０は、拡散することなく偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。これにより、光学素子１０に入射する光は、第１の液晶セル１１０または第２の液晶セル１２０を通過する過程で、ｘ軸方向に拡散することとなる。したがって、光学素子１０を透過した光は、図７Ｂに示すように、ｘ軸方向に拡がる配光パターンＡを形成することができる。
［例２：ｙ軸方向に拡がる配光パターン］
　図８Ａは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０に含まれる各透明電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。また、図８Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、各透明電極に図８Ａに示す電位を印加して得られた光の配光パターンの写真である。
　第１の液晶セル１１０では、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の各々に第３の電位が印加される。また、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４に、それぞれ、第１の電位および第２の電位が印加される。第３の透明電極１１２－３に印加される第１の電位と、第４の透明電極１１２－４に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。これに対し、第１の基板１１１－１側の第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間は、無電位状態となっている。また、第１の基板１１１－１側の第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２は、いずれの状態であっても、第２の基板１１１－２側の第３の透明電極１１２－３との間または第４の透明電極１１２－４との間に＋１５Ｖまたは－１５Ｖが生じており、絶対値で見た場合に、第２の基板１１１－２側の一方の透明電極との間および他方の透明電極との間での電位差に偏りはない。
　これにより、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。一方、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間に電位差が生じておらず、また、第２の基板１１１－２側の電位による影響を受けないほど第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とが十分に離れているため、初期配向方向から配向方向を変化させない。また、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２に印加される第３の電位は第１の電位と第２の電位との間の中間電位であるため、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４とに、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位とが交互に印加されても容量が蓄積されることはなく、第１の基板１１１－１側の液晶分子の配向状態が変化することはない。
　第２の液晶セル１２０では、第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２の各々に第３の電位が印加される。また、第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４に、それぞれ、第１の電位および第２の電位が印加される。第３の透明電極１２２－３に印加される第１の電位と、第４の透明電極１２２－４に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。これに対し、第１の基板１２１－１側の第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間は、無電位状態となっている。また、第１の基板１２１－１側の第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２は、いずれの状態であっても、第２の基板１２１－２側の第３の透明電極１２２－３との間または第４の透明電極１２２－４との間に＋１５Ｖまたは－１５Ｖが生じており、絶対値で見た場合に、第２の基板１２１－２側の一方の透明電極との間および他方の透明電極との間での電位差に偏りはない。
　これにより、第２の基板１２１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。一方、第１の基板１２１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間に電位差が生じておらず、また、第２の基板１２１－２側の電位による影響を受けないほど第１の基板１２１－１と第２の基板１２１－２とが十分に離れているため、初期配向方向から配向方向を変化させない。また、第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２に印加される第３の電位は第１の電位と第２の電位との間の中間電位であるため、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４とに、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位とが交互に印加されても容量が蓄積されることはなく、第１の基板１２１－１側の液晶分子の配向状態が変化することはない。
　また、図８Ｂに示すように、第１の液晶セル１１０の第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の電位変動は、それぞれ、第２の液晶セル１２０の第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４の電位変動と同期している。
　各透明電極に上述のような電位を印加した場合、第１の液晶セル１１０の第２の基板１１１－２側の液晶層１１３の液晶分子は、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に屈折させる。そのため、第１の液晶セル１１０は、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に拡散する。
　また、第２の液晶セル１２０の第２の基板１２１－２側の液晶層１２３の液晶分子も、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に屈折させる。そのため、第２の液晶セル１２０も、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に拡散する。
　すなわち、各透明電極の電位が図８Ａに示すものであるとき、光学素子１０は、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側から光が入射されると、第１の液晶セル１１０を通過する過程において、ｘ軸方向の偏光を有する第１の偏光成分３１０は、偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させつつ、第２の基板１１１－２側でｙ軸方向に拡散する。他方、ｙ軸方向の偏光を有する第２の偏光成分３２０は、拡散することなく、偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。そして、これらの偏光成分はそのまま第２の液晶セル１２０に入射する。第１の液晶セル１１０内で拡散することなく、ｙ軸方向からｘ軸方向に偏光軸を変化させた第２の偏光成分３２０は、第２の液晶セル１２０を通過する過程において、偏光軸をｙ軸方向に変化させつつ、第２の基板１２１－２側でｙ軸方向に拡散する。他方、第１の液晶セル１１０内で拡散しつつ偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させた第１の偏光成分３１０は、拡散することなく偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。これにより、光学素子１０に入射する光は、第１の液晶セル１１０または第２の液晶セル１２０を通過する過程で、ｙ軸方向に拡散することとなる。したがって、光学素子１０を透過した光は、図８Ｂに示すように、ｙ軸方向に拡がる配光パターンＢを形成することができる。
［例３：十字に拡がる配光パターン］
　図９Ａは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０に含まれる各透明電極に印加する電位を示すタイミングチャートである。また、図９Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、各透明電極に図９Ａに示す電位を印加して得られた光の配光パターンの写真である。
　第１の液晶セル１１０では、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２に、それぞれ、第１の電位および第２の電位が印加される。また、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４の各々に第３の電位が印加される。第１の透明電極１１２－１に印加される第１の電位と、第２の透明電極１１２－２に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。これに対し、第２の基板１１１－２側の第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間は、無電位状態となっている。また、第２の基板１１１－２側の第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４は、いずれの状態であっても、第１の基板１１１－１側の第１の透明電極１１２－１との間または第２の透明電極１１２－２との間に＋１５Ｖまたは－１５Ｖが生じており、絶対値で見た場合に、第１の基板１１１－１側の一方の透明電極との間および他方の透明電極との間での電位差に偏りはない。
　これにより、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。一方、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間に電位差が生じておらず、また、第１の基板１１１－１側の電位による影響を受けないほど第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とが十分に離れているため、初期配向方向から配向方向を変化させない。また、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４に印加される第３の電位は第１の電位と第２の電位との間の中間電位であるため、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２とに、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位とが交互に印加されても容量が蓄積されることはなく、第２の基板１１１－２側の液晶分子の配向状態が変化することはない。
　第２の液晶セル１２０では、第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２の各々に第３の電位が印加される。また、第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４に、それぞれ、第１の電位および第２の電位が印加される。第３の透明電極１２２－３に印加される第１の電位と、第４の透明電極１２２－４に印加される第２の電位は、位相が反転している。そのため、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。これに対し、第１の基板１２１－１側の第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間は、無電位状態となっている。また、第１の基板１２１－１側の第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２は、いずれの状態であっても、第２の基板１２１－２側の第３の透明電極１２２－３との間または第４の透明電極１２２－４との間に＋１５Ｖまたは－１５Ｖが生じており、絶対値で見た場合に、第２の基板１２１－２側の一方の透明電極との間および他方の透明電極との間での電位差に偏りはない。
　これにより、第２の基板１２１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。一方、第１の基板１２１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間に電位差が生じておらず、また、第２の基板１２１－２側の電位による影響を受けないほど第１の基板１２１－１と第２の基板１２１－２とが十分に離れているため、初期配向方向から配向方向を変化させない。また、第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２に印加される第３の電位は第１の電位と第２の電位との間の中間電位であるため、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４とに、Ｌｏｗ電位とＨｉｇｈ電位とが交互に印加されても容量が蓄積されることはなく、第１の基板１２１－１側の液晶分子の配向状態が変化することはない。
　また、図９Ａに示すように、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の電位変動は、それぞれ、第２の液晶セル１２０の第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４の電位変動と同期している。
　各透明電極に上述のような電位を印加した場合、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側の液晶層１１３の液晶分子は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に屈折させる。そのため、第１の液晶セル１１０は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に拡散させる。
　また、第２の液晶セル１２０の第２の基板１２１－２側の液晶層１２３の液晶分子は、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に屈折させる。そのため、第２の液晶セル１２０は、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に拡散する。
　すなわち、各透明電極の電位が図９Ａに示すものであるとき、光学素子１０は、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側からに光が入射されると、第１の液晶セル１１０を通過する過程において、ｘ軸方向の偏光を有する第１の偏光成分３１０は第１の基板１１１－１側でｘ軸方向に拡散しつつ、偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させる。他方、ｙ軸方向の偏光を有する第２の偏光成分３２０は、拡散することなく、偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。そして、これらの偏光成分はそのまま第２の液晶セル１２０に入射する。第１の液晶セル１１０内で拡散することなく、ｙ軸方向からｘ軸方向に偏光軸を変化させた第２の偏光成分３２０は、第２の液晶セル１２０を通過する過程において、偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させつつ、第２の基板１２１－２側でｙ軸方向に拡散する。他方、第１の液晶セル１１０内で拡散しつつ偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させた第１の偏光成分３１０は、拡散することなく、偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。このように、光学素子１０に入射する光は、第１の偏光成分３１０が第１の液晶セル１１０を通過する過程でｘ軸方向に拡散され、第２の偏光成分３２０が第２の液晶セル１２０を通過する過程でｙ軸方向に拡散される。したがって、光学素子１０を透過した光は、図９Ｂに示すように、十字に拡がる配光パターンＣを形成することができる。
　なお、上記の通り、図９Ａに示す電位を各透明電極に印可することにより、主として第１の偏光成分３１０を拡散させることで十字状の配光パターンを形成しているが、各透明電極に供給する電位を変えることにより、第２の偏光成分３２０を拡散させて十字状の配光パターンを形成することができる。具体的には、第１の液晶セル１１０では、第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４に、それぞれ、第１の電位および第２の電位を印加し、かつ、第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２の各々に第３の電位を印加する。そして、第２の液晶セル１２０では、第１の透明電極１２２－１および第２の透明電極１２２－２に、それぞれ、第１の電位および第２の電位を印加し、且つ、第３の透明電極１２２－３および第４の透明電極１２２－４の各々に第３の電位を印可する。これにより、主として第２の偏光成分３２０を拡散させることで十字状の配光パターンが形成される。
［例４：矩形に拡がる配光パターン］
　図１０は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０に含まれる各透明電極に印加する電圧を示すタイミングチャートである。
　第１の液晶セル１１０では、第１の透明電極１１２－１および第３の透明電極１１２－３の各々に第１の電位が印加される。また、第２の透明電極１１２－２および第４の透明電極１１２－４の各々に第２の電位が印加される。第１の透明電極１１２－１および第３の透明電極１１２－３に印加される第１の電位と、第２の透明電極１１２－２および第４の透明電極１１２－４に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間および第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。また、第１の透明電極１１２－１と第４の透明電極１１２－４との間および第２の透明電極１１２－２と第３の透明電極１１２－３との間にも、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。
　これにより、第１の基板１１１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１１２－１と第２の透明電極１１２－２との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。また、第２の基板１１１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１１２－３と第４の透明電極１１２－４との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。なお、第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２とは十分に離れているため、第３の透明電極１１２－３に印加される第１の電位または第４の透明電極１１２－４に印加される第２の電位による第１の基板１１１－１側の液晶分子への影響は僅かである。同様に、第１の透明電極１１２－１に印加される第１の電位または第２の透明電極１１２－２に印加される第２の電位による第２の基板１１１－２側の液晶分子への影響は僅かである。
　第２の液晶セル１２０では、第１の透明電極１２２－１および第３の透明電極１２２－３の各々に第１の電位が印加される。また、第２の透明電極１２２－２および第４の透明電極１２２－４の各々に第２の電位が印加される。第１の透明電極１２２－１および第３の透明電極１２２－３に印加される第１の電位と、第２の透明電極１２２－２および第４の透明電極１２２－４に印加される第２の電位とは、位相が反転している。そのため、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間および第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間には、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。また、第１の透明電極１２２－１と第４の透明電極１２２－４との間および第２の透明電極１２２－２と第３の透明電極１２２－３との間にも、電位差（例えば、＋３０Ｖまたは－３０Ｖ）が生じている。
　これにより、第１の基板１２１－１側の液晶分子は、第１の透明電極１２２－１と第２の透明電極１２２－２との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。また、第２の基板１２１－２側の液晶分子は、第３の透明電極１２２－３と第４の透明電極１２２－４との間の電位差に従って配向状態を変化させる（図５Ａ～図５Ｃなど参照）。なお、第１の基板１２１－１と第２の基板１２１－２とは十分に離れているため、第３の透明電極１２２－３に印加される第１の電位または第４の透明電極１２２－４に印加される第２の電位による第１の基板１２１－１側の液晶分子への影響は僅かである。同様に、第１の透明電極１２２－１に印加される第１の電位または第２の透明電極１２２－２に印加される第２の電位による第２の基板１２１－２側の液晶分子への影響は僅かである。
　また、図１０に示すように、第１の液晶セル１１０の第１の透明電極１１２－１および第３の透明電極１１２－３の電位変動ならびに第２の液晶セル１２０の第１の透明電極１２２－１および第３の透明電極１２２－３の電位変動は、互いに同期している。また、第１の液晶セル１１０の第２の透明電極１１２－２および第４の透明電極１１２－４の電位変動ならびに第２の液晶セル１２０の第２の透明電極１２２－２および第４の透明電極１２２－４の電位変動は、互いに同期している。
　各透明電極に上述のような電位を印加した場合、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側の液晶層１１３の液晶分子は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に屈折させる。また、第１の液晶セル１１０の第２の基板１１１－２側の液晶層１１３の液晶分子は、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に屈折させる。そのため、第１の液晶セル１１０は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向およびｙ方向に拡散させる。
　また、第２の液晶セル１２０の第１の基板１２１－１側の液晶層１２３の液晶分子は、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向に屈折させる。また、第２の液晶セル１２０の第２の基板１２１－２側の液晶層１２３の液晶は、ｙ軸方向の偏光を有する光をｙ軸方向に屈折させる。そのため、第２の液晶セル１２０も、ｘ軸方向の偏光を有する光をｘ軸方向およびｙ方向に拡散させる。
　すなわち、各透明電極の電位が図１０に示すものであるとき、光学素子１０は、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１側から光が入射されると、第１の液晶セル１１０を通過する過程において、ｘ軸方向の偏光を有する第１の偏光成分３１０は第１の基板１１１－１側でｘ軸方向に拡散しつつ、偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させる。また、ｘ軸方向からｙ軸方向に偏光軸を変化させた第１の偏光成分３１０は、第２の基板１１１－２側でｙ軸方向に拡散する。他方、ｙ軸方向の偏光を有する第２の偏光成分３２０は、拡散することなく、偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。そして、これらの偏光成分はそのまま第２の液晶セル１２０に入射する。第１の液晶セル１１０内で拡散することなく、ｙ軸方向からｘ軸方向に偏光軸を変化させた第２の偏光成分３２０は、第２の液晶セル１２０を通過する過程において、第１の基板１２１－１側でｘ軸方向に拡散しつつ、偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させる。また、ｘ軸方向からｙ軸方向に偏光軸を変化させた第２の偏光成分３２０は、第２の基板１２１－２側でｙ軸方向に拡散する。他方、第１の液晶セル１１０内で拡散しつつ偏光軸をｘ軸方向からｙ軸方向に変化させた第１の偏光成分３１０は、拡散することなく偏光軸をｙ軸方向からｘ軸方向に変化させる。このように、光学素子１０に入射する光は、第１の偏光成分３１０が第１の液晶セル１１０を通過する過程でｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散され、第２の偏光成分３２０が第２の液晶セル１２０を通過する過程でｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散される。したがって、光学素子１０を透過した光は、矩形に拡がる配光パターンを形成することができる。
　以上、いくつかの配光パターンを例示したが、光の配光の分布を示す配光角は、透明電極に印加する電圧の大きさによって制御することができる。例えば、透明電極に印加する電圧を高くすると、配光角が大きくなり、光がより拡散された配光パターンが得られる。また、配光角は、例えば、基板間距離ｄまたはピッチｐによっても制御することができる。
［４．基板間距離とピッチの相関関係］
　図１１を参照して、基板間距離ｄとピッチｐの相関関係について詳細に説明する。
　図１１は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の液晶セルにおいて、ｄ／ｐに対する正面相対輝度（０度における相対輝度）を示すグラフである。基板間距離ｄは、図４Ａ～図５Ｂに示したように、第１の液晶セル１１０の第１の基板１１１－１と第２の基板１１１－２との間の距離（または、第２の液晶セル１２０の第１の基板１２１－１と第２の基板１２１－２との間の距離）である。また、ピッチｐは、図３Ａに示した第１のピッチｐ１（または、図３Ｂに示した第２のピッチｐ２）である。また、正面相対輝度は、第１の基板１１１－１から入射され、第２の基板１１１－２から出射される光において、第２の基板１１１－２の垂直方向（０度）から出射される光の輝度である。図１１に示すグラフは、光学素子１０がない場合（光源のみの場合）の光の輝度を１として規格化されている。したがって、図１１に示すグラフのｙ軸は、光学素子１０がない場合の輝度を１とした場合の相対輝度比ということもできる。
　なお、図１１に示すグラフのデータを取得した液晶セルは、第１の基板１１１－１上に第１の透明電極１１２－１および第２の透明電極１１２－２が形成されているが、第２の基板１１１－２上に第３の透明電極１１２－３および第４の透明電極１１２－４が形成されていない。また、輝度の測定時には、第１の透明電極１１２－１にＬｏｗ電位（０Ｖ）を印加し、第２の透明電極１１２－２にＨｉｇｈ電位（３０Ｖ）を印加した。
　図１１に示すように、ｄ／ｐが大きくなると正面相対輝度は低下するが、ｄ／ｐ＜１とｄ／ｐ≧１とでは正面相対輝度の低下の割合が大きく異なる。ｄ／ｐ＜１では、正面相対輝度がｄ／ｐ＝１に近づくにつれて大きく低下するものの、正面輝度比は０．２～０．４程度の正面輝度が測定された。これは、液晶セルによる光の拡散に伴う輝度の低下を示しているものの、当該拡散が未だ十分でないことを示している。これに対し、ｄ／ｐ≧１では、正面相対輝度が０．１以下となり、その後、ｄ／ｐを大きくしても正面相対輝度は安定している。これは、ｄ／ｐ≧１では液晶セルによる光の拡散が十分であることを示している。すなわち、ｄ／ｐ≧１では、優れた光拡散が得られる。したがって、光学素子１０においては、基板間距離ｄとピッチｐがｄ／ｐ≧１を満たすことが好ましく、ｄ／ｐ≧２を満たすことがさらに好ましい。
　また、透明電極材料は屈折率が高く、液晶セルの透過率に影響を及ぼす場合がある。そのため、透明電極の幅は小さいことが好ましい。すなわち、電極間距離ｂ（図３Ａまたは図３Ｂに示す第１の電極間距離ｂ１または第２の電極間距離ｂ２）は、透明電極の幅ａ（図３Ａまたは図３Ｂに示す第１の幅ａ１または第２の幅ａ２）以下であることが好ましい。例えば、電極間距離ｂをピッチｐとの関係で表せば、ｐ／２≦ｂを満たすことが好ましい。
　以上説明したように、本実施形態に係る光学素子１０は、２つの液晶セルを有し、各透明電極に印加する電圧を制御することにより、光学素子１０を透過する光の配光または配光パターンを容易に制御することができる。
＜第２実施形態＞
　図１２を参照して、本発明の一実施形態に係る照明装置２０の構成について説明する。
　図１２は、本発明の一実施形態に係る照明装置２０の構成を示す模式図である。図１２に示すように、照明装置２０は、光学素子１０、光源２１０、凸レンズ２２０、および反射器２３０を含む。凸レンズ２２０は、光学素子１０と光源２１０との間に配置されている。また、反射器２３０は、光源２１０と凸レンズ２２０との間の空間を取り囲むように配置されている。
　光源２１０は、光を照射することができる。光源２１０として、例えば、電球、蛍光灯、冷陰極管、発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはレーザダイオード（ＬＤ）などを用いることができる。好ましくは、照明装置２０の光源２１０は、ＬＥＤである。光源２１０として高発光効率であるＬＥＤを用いた照明装置２０は、高輝度および低消費電力となる。なお、ＬＥＤおよびＬＤは、それぞれ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）および有機レーザダイオード（ＯＬＤ）を含む。
　凸レンズ２２０は、光源２１０から照射された光を集光し、集光した光を光学素子１０に入射させることができる。
　反射器２３０は、光源２１０から照射された光を反射し、反射した光を凸レンズに入射させることができる。反射器２３０の形状は、例えば、略円錐形であるが、これに限られない。また、反射器２３０の表面は平面であってもよく、曲面であってもよい。
　さらに、照明装置２０は、透明電極に印加する電圧を制御する制御部を含み、様々な光の配向パターンを形成することができるようにしてもよい。
　以上説明したように、本実施形態に係る照明装置２０は、光学素子１０を含むため、照明装置２０から出射する光の配光または配光パターンを容易に制御することができる。
　本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に相当し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上述の各実施形態に対して、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、または、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。
　また、本実施形態において態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において適宜想到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。
１０：光学素子、　２０：照明装置、　１１０：第１の液晶セル、　１１１－１：第１の基板、　１１１－２：第２の基板、　１１２－１：第１の透明電極、　１１２－２：第２の透明電極、　１１２－３：第３の透明電極、　１１２－４：第４の透明電極、　１１３：液晶層、　１１４－１：第１の配向膜、　１１４－２：第２の配向膜、　１１５：シール材、　１１６－１：第１の配線、　１１６－２：第２の配線、　１１６－３：第３の配線、　１１６－４：第４の配線、　１１６－５：第５の配線、　１１６－６：第６の配線、　１２０：第２の液晶セル、　１２１－１：第１の基板、　１２１－２：第２の基板、　１２２－１：第１の透明電極、　１２２－２：第２の透明電極、　１２２－３：第３の透明電極、　１２２－４：第４の透明電極、　１２３：液晶層、　１２４－１：第１の配向膜、　１２４－２：第２の配向膜、　１２５：シール材、　１３０：光学弾性樹脂層、　２１０：光源、　２２０：凸レンズ、　２３０：反射器、　３１０：第１の偏光成分、　３２０：第２の偏光成分

Claims (15)

  1. 　積層された２つの液晶セルを含む光学素子であって、
    　前記２つの液晶セルの各々は、
    　　第１の方向に第１の透明電極と第２の透明電極とが交互に配置された第１の基板と、
    　　前記第１の方向と交差する第２の方向に第３の透明電極と第４の透明電極とが交互に配置された第２の基板と、
    　　前記第１の基板と前記第２の基板との間の液晶層と、を含み、
    　前記２つの液晶セルの一方の液晶セルの前記第２の基板と、前記２つの液晶セルの他方の液晶セルの前記第１の基板とが隣接する、光学素子。
  2. 　前記第２の方向は、前記第１の方向と直交する、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第１の基板と前記第２の基板との間の基板間距離ｄと、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との第１のピッチｐ１とは、ｄ／ｐ１≧１を満たす、請求項１または請求項２に記載の光学素子。
  4. 　ｄ／ｐ１≧２を満たす、請求項３に記載の光学素子。
  5. 　前記第１のピッチｐ１と、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間の第１の電極間距離ｂ１とは、ｐ１／２≦ｂ１を満たす、請求項３または請求項４に記載の光学素子。
  6. 　前記基板間距離ｄと、前記第３の透明電極と前記第４の透明電極との第２のピッチｐ２は、ｄ／ｐ２≧１を満たす、請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の光学素子。
  7. 　ｄ／ｐ２≧２を満たす、請求項６に記載の光学素子。
  8. 　前記第２のピッチｐ２と、前記第３の透明電極と前記第４の透明電極との間の第２の電極間距離ｂ２とは、ｐ２／２≦ｂ２を満たす、請求項６または請求項７に記載の光学素子。
  9. 　前記一方の液晶セルの前記第２の基板と、前記他方の液晶セルの前記第１の基板とは、光学弾性樹脂層を介して隣接する、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光学素子。
  10. 　前記第１の透明電極、前記第２の透明電極、前記第３の透明電極、および前記第４の透明電極には、それぞれ、異なる電圧を印加される、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光学素子。
  11. 　平面視において、
    　前記一方の液晶セルの前記第１の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第１の透明電極とが延在方向にわたって重畳し、
    　前記一方の液晶セルの前記第２の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第２の透明電極とが延在方向にわたって重畳し、
    　前記一方の液晶セルの前記第３の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第３の透明電極とが延在方向にわたって重畳し、
    　前記一方の液晶セルの前記第４の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第４の透明電極とが延在方向にわたって重畳している、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光学素子。
  12. 　平面視において、
    　前記一方の液晶セルの前記第１の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第１の透明電極とが延在方向にわたって略一致するように重畳し、
    　前記一方の液晶セルの前記第２の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第２の透明電極とが延在方向にわたって略一致するように重畳し、
    　前記一方の液晶セルの前記第３の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第３の透明電極とが延在方向にわたって略一致するように重畳し、
    　前記一方の液晶セルの前記第４の透明電極と前記他方の液晶セルの前記第４の透明電極とが延在方向にわたって略一致するように重畳している、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光学素子。
  13. 　光源と、
    　請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光学素子と、を含む、照明装置。
  14. 　さらに、前記光源と前記光学素子との間に凸レンズを含む、請求項１３に記載の照明装置。
  15. 　さらに、前記光源から照射された光を前記光学素子に入射させるように反射させる反射器を含む、請求項１３または請求項１４に記載の照明装置。
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