WO2023032517A1 - 光学素子の駆動方法 - Google Patents

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WO2023032517A1
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transparent electrode
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signal
optical element
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貴之 今井
幸次朗 池田
健夫 小糸
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株式会社ジャパンディスプレイ
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/07—Polarisation dependent

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to an optical element for controlling the light distribution of light emitted from a light source, and in particular to a method of driving an optical element using liquid crystal.
  • an optical element a so-called liquid crystal lens, which utilizes a change in the refractive index of a liquid crystal by adjusting a voltage applied to the liquid crystal has been known (for example, see Patent Document 1, Patent Document 2, or Patent Document 3).
  • the illumination devices described in Patent Documents 1 and 2 use a liquid crystal lens to circularly distribute light from a light source.
  • the beam shaping device described in Patent Document 3 the shape of the light distribution is changed by changing the pattern of the electrodes applied to the liquid crystal.
  • an optical element using liquid crystal it is also possible to change the shape of the light distribution by changing the magnitude of the amplitude of the potential applied to the liquid crystal.
  • a complicated control circuit including a digital-to-analog conversion circuit (DAC) or an amplifier circuit (AMP) is required, but there is a problem that fine adjustment of light distribution is difficult. there were. Therefore, an optical element that facilitates control of light distribution is desired.
  • DAC digital-to-analog conversion circuit
  • AMP amplifier circuit
  • one object of an embodiment of the present invention is to provide an optical element driving method that facilitates control of light distribution.
  • a method for driving an optical element is a method for driving an optical element including a first liquid crystal cell, wherein the first liquid crystal cell is arranged in a first direction with a first transparent electrode and a a first substrate on which second transparent electrodes are alternately arranged; and a second substrate on which third transparent electrodes and fourth transparent electrodes are alternately arranged in a second direction intersecting the first direction; a first liquid crystal layer between the first substrate and the second substrate; inputting a first signal to the first transparent electrode; inputting a first signal to the second transparent electrode; inputting a second signal having a phase difference of ⁇ from the first signal; inputting a third signal having an arbitrary phase difference ⁇ from the first signal to the third transparent electrode; A fourth signal having a phase difference of ⁇ from the third signal is input to the fourth transparent electrode.
  • 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 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
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating signal lines input to transparent electrodes of an optical element according to an embodiment of the present invention
  • 4 is a timing chart of signals input to transparent electrodes of an optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 4 is a timing chart of signals input to transparent electrodes of an optical element according to one embodiment of the present invention.
  • 4 is a graph showing the transmittance of the first liquid crystal cell of the optical element according to one embodiment of the present invention; 4 is a graph showing the transmittance of the first liquid crystal cell of the optical element according to one embodiment of the present invention; 4 is a graph showing x-coordinates of chromaticity coordinates of light transmitted through the first liquid crystal cell of the optical element according to 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. 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 110-1 and a second liquid crystal cell 110-2.
  • the second liquid crystal cell 110-2 is arranged on the first liquid crystal cell 110-1 via the first optical elastic resin layer 170-1. That is, the optical element 10 has a structure in which a first liquid crystal cell 110-1 and a second liquid crystal cell 110-2 are stacked in the z-axis direction.
  • the first optical elastic resin layer 170-1 adheres and fixes the first liquid crystal cell 110-1 and the second liquid crystal cell 110-2.
  • an adhesive containing translucent acrylic resin, epoxy resin, or the like can be used as the first optical elastic resin layer 170-1.
  • 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 a first direction and a second direction intersecting the first direction, respectively.
  • the first liquid crystal cell 110-1 includes a first substrate 120-1 on which a first transparent electrode 130-1 and a second transparent electrode 130-2 are formed, a third transparent electrode 130-3 and a third transparent electrode 130-3. and a second substrate 120-2 on which four transparent electrodes 130-4 are formed.
  • a first alignment film 140-1 is formed on the first substrate 120-1 to cover the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2.
  • a second alignment film 140-2 is formed on the second substrate 120-2 to cover the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130-4.
  • the first substrate 120-1 and the second substrate 120-2 are composed of the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2 on the first substrate 120-1 and the second substrate.
  • a third transparent electrode 130-3 and a fourth transparent electrode 130-4 on 120-2 are arranged so as to face each other (the same applies hereinafter).
  • a first sealing member 150-1 is formed on the periphery of each of the first substrate 120-1 and the second substrate 120-2. That is, the first substrate 120-1 and the second substrate 120-2 are adhered via the first sealing material 150-1. Also, the first substrate 120-1 (more specifically, the first alignment film 140-1), the second substrate 120-2 (more specifically, the second alignment film 140-2), A liquid crystal is sealed in a space surrounded by the first sealing material 150-1 and a first liquid crystal layer 160-1 is formed.
  • the second liquid crystal cell 110-2 includes a third substrate 120-3 on which a fifth transparent electrode 130-5 and a sixth transparent electrode 130-6 are formed, a seventh transparent electrode 130-7 and a third substrate 130-7. and a fourth substrate 120-4 on which eight transparent electrodes 130-8 are formed.
  • a third alignment film 140-3 is formed on the third substrate 120-3 to cover the fifth transparent electrode 130-5 and the sixth transparent electrode 130-6.
  • a fourth alignment film 140-4 covering the seventh transparent electrode 130-7 and the eighth transparent electrode 130-8 is formed on the fourth substrate 120-4.
  • the third substrate 120-3 and the fourth substrate 120-4 are composed of the fifth transparent electrode 130-5 and the sixth transparent electrode 130-6 on the third substrate 120-3 and the fourth substrate.
  • a seventh transparent electrode 130-7 and an eighth transparent electrode 130-8 on 120-4 are arranged to face each other.
  • a second sealing material 150-2 is formed on the periphery of each of the third substrate 120-3 and the fourth substrate 120-4. That is, the third substrate 120-3 and the fourth substrate 120-4 are adhered via the second sealing material 150-2. Further, a third substrate 120-3 (more specifically, a third alignment film 140-3), a fourth substrate 120-4 (more specifically, a fourth alignment film 140-4), And the space surrounded by the second sealing material 150-2 is filled with liquid crystal to form a second liquid crystal layer 160-2.
  • the first liquid crystal cell 110-1 and the second liquid crystal cell 110-2 have the same basic configuration. Therefore, the arrangement of the transparent electrode 130 of the first liquid crystal cell 110-1 will be explained below, and the explanation of the arrangement of the transparent electrode 130 of the second liquid crystal cell 110-2 will be omitted.
  • the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2 extend in the y-axis direction, and the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130-4 extends in the x-axis direction.
  • the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2 are alternately arranged in a comb shape in the x-axis direction, and the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130 are arranged alternately.
  • -4 are alternately arranged in a comb shape in the second direction.
  • the extending direction (y-axis direction) of the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2 is the same as that of the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130-4. It is orthogonal to the extending direction (x-axis direction), but may intersect with a slight deviation from the orthogonal direction.
  • the first transparent electrode 130-1 of the first liquid crystal cell 110-1 and the fifth transparent electrode 130-5 of the second liquid crystal cell 110-2 extend in the extending direction (y-axis direction). are superimposed so as to substantially match each other.
  • the first liquid crystal cell 110-1 and the second liquid crystal cell 110-2 are arranged so that the first transparent electrode 130-1 and the fifth transparent electrode 130-5 overlap each other with a slight shift.
  • each of the first substrate 120-1 to the fourth substrate 120-4 for example, a transparent rigid substrate such as a glass substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate is used. Further, as each of the first substrate 120-1 to the fourth substrate 120-4, for example, 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 used.
  • Each of the first transparent electrode 130 - 1 to the eighth transparent electrode 130 - 8 functions as an electrode for forming an electric field in the liquid crystal layer 160 .
  • a transparent conductive material such as indium-tin oxide (ITO) or indium-zinc oxide (IZO) is used for each of the first transparent electrode 130-1 to the eighth transparent electrode 130-8.
  • Each of the first liquid crystal layer 160-1 and the second liquid crystal layer 160-2 can refract transmitted light or change the polarization state of transmitted light according to the alignment state of the liquid crystal molecules.
  • Nematic liquid crystal or the like is used as the liquid crystal for each of the first liquid crystal layer 160-1 and the second liquid crystal layer 160-2.
  • the liquid crystal described in this embodiment is of a positive type, it is also possible to apply a negative type by changing the initial alignment direction of the liquid crystal molecules. Further, the liquid crystal preferably contains a chiral agent that imparts twist to the liquid crystal molecules.
  • Each of the first alignment film 140-1 to the fourth alignment film 140-4 aligns liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 160 in a predetermined direction.
  • a polyimide resin or the like is used for each of the first to fourth alignment films 140-1 to 140-4.
  • Each of the first alignment film 140-1 to the fourth alignment film 140-4 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.
  • An adhesive containing epoxy resin or acrylic resin is used as each of the first sealing material 150-1 and the second sealing material 150-2.
  • the adhesive may be of an ultraviolet curing type or a thermosetting type.
  • FIGS. 1 to 2B show the optical element 10 including two liquid crystal cells 110
  • the number of liquid crystal cells 110 in the optical element 10 is not limited to two.
  • the number of liquid crystal cells 110 included in the optical element 10 may be one, or three or more.
  • the optical element 10 can control the unpolarized light distribution. In this case, it is not necessary to provide a pair of polarizing plates such as those provided on the front and rear surfaces of the liquid crystal display element.
  • the first substrate 120-1 of the first liquid crystal cell 110-1 and the fourth substrate 120-4 of the second liquid crystal cell 110-2 It is not necessary to provide a polarizing plate on each surface of the .
  • 3A and 3B are schematic cross-sectional views explaining control of light distribution by the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B show part of the cross-sectional view of the first liquid crystal cell 110-1 and the second liquid crystal cell 110-2 shown in FIG. 2A.
  • 3A shows the optical element 10 with no potential applied to the transparent electrode 130
  • FIG. 3B shows the optical element 10 with a potential applied to the transparent electrode 130.
  • FIG. The control of the potential supply to the transparent electrode 130 (signal input) will be described later.
  • the first alignment film 140-1 is oriented in the x-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 3A, the long axis of the liquid crystal molecules on the first substrate 120-1 side of the first liquid crystal layer 160-1 is oriented along the x-axis direction. That is, the alignment direction of the liquid crystal molecules on the first substrate 120-1 side is orthogonal to the extending direction (y-axis direction) of the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2. there is Also, the second alignment film 140-2 is oriented in the y-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 3A, the long axis of the liquid crystal molecules on the second substrate 120-2 side of the first liquid crystal layer 160-1 is aligned along the y-axis direction.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules on the second substrate 120-2 side is perpendicular to the extending direction (x-axis direction) of the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130-4.
  • the liquid crystal molecules of the first liquid crystal layer 160-1 gradually change the direction of the long axis from the x-axis direction to the y-axis direction from the first substrate 120-1 to the second substrate 120-2. , is oriented with a 90° twist.
  • the liquid crystal molecules of the second liquid crystal layer 160-2 are also the same as the liquid crystal molecules of the first liquid crystal layer 160-1, so the explanation is omitted here.
  • the orientation of the liquid crystal molecules changes as shown in FIG. 3B.
  • a low potential is supplied to the first transparent electrode 130-1, the third transparent electrode 130-3, the fifth transparent electrode 130-5, and the seventh transparent electrode 130-7, and the second transparent electrode 130-7 is supplied with a low potential.
  • the electrode 130-2, the fourth transparent electrode 130-4, the sixth transparent electrode 130-6, and the eighth transparent electrode 130-8 are supplied with a high potential.
  • the low potential and the high potential are illustrated using the symbols "-" and "+", respectively.
  • the electric field which arises between two adjacent transparent electrodes 130 may be called a horizontal electric field.
  • the liquid crystal molecules on the side of the first substrate 120-1 as a whole are It is oriented in a convex arc along the x-axis direction with respect to the first substrate 120-1.
  • the liquid crystal molecules on the side of the second substrate 120-2 as a whole move toward the second substrate. 120-2 along the y-axis direction in a convex arc.
  • Liquid crystal molecules positioned substantially in the center between the first transparent electrode 130-1 and the second transparent electrode 130-2 have almost no orientation change due to any lateral electric field.
  • the light incident on the first liquid crystal layer 160-1 moves in the x-axis direction according to the refractive index distribution of the liquid crystal molecules aligned in a convex circular shape along the x-axis direction on the first substrate 120-1 side.
  • the light is diffused in the y-axis direction according to the refractive index distribution of the liquid crystal molecules aligned in a convex arc along the y-axis direction on the second substrate 120-2 side.
  • the first transparent electrode 130-1 of the first substrate 120-1 and the second transparent electrode 130-2 does not affect the orientation of the liquid crystal molecules on the second substrate 120-2 side, or is so small that it can be ignored.
  • the lateral electric field between the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130-4 on the second substrate 120-2 is applied to the orientation of the liquid crystal molecules on the first substrate 120-1 side. have no effect or are so small as to be negligible.
  • the liquid crystal molecules of the second liquid crystal layer 160-2 when a potential is supplied to the fifth transparent electrode 130-5 to the eighth transparent electrode 130-8 are also the liquid crystal molecules of the first liquid crystal layer 160-1. Since it is the same, the explanation is omitted here.
  • the light emitted from a light source has a polarized component in the x-axis direction (P-polarized component) and a polarized component in the y-axis direction (S-polarized component).
  • P-polarized component a polarized component in the x-axis direction
  • S-polarized component a polarized component in the y-axis direction
  • the light emitted from the light source includes a first polarized light 310 having a P-polarized component and a second polarized light 320 having an S-polarized component.
  • the arrow symbol and the circle symbol with a cross represent the P-polarized component and the S-polarized component, respectively.
  • the first polarized light 310 After being incident on the first substrate 120-1, the first polarized light 310 changes from the P-polarized component to the S-polarized component according to the twist of the orientation of the liquid crystal molecules as it moves toward the second substrate 120-2 (Fig. 3A and (2)-(4) in FIG. 3B). More specifically, the first polarized light 310 has a polarization axis in the x-axis direction on the first substrate 120-1 side, but passes through the thickness direction of the first liquid crystal layer 160-1. The polarization axis is gradually changed in the process, and the second substrate 120-2 side has the polarization axis in the y-axis direction, and then is emitted from the second substrate 120-2 side (FIGS. 3A and 3B). See (5) inside).
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 120-1 side move to the x-axis due to the influence of the horizontal electric field. It is oriented in a convex circular shape along the direction, and the refractive index distribution changes. Therefore, the first polarized light 310 diffuses in the x-axis direction according to the refractive index distribution of the liquid crystal molecules. Further, when a horizontal electric field is generated between the third transparent electrode 130-3 and the fourth transparent electrode 130-4, the liquid crystal molecules on the second substrate 120-2 side move in the y-axis direction due to the influence of the horizontal electric field. , and the refractive index distribution changes. Therefore, the first polarized light 310 diffuses in the y-axis direction according to changes in the refractive index distribution of the liquid crystal molecules.
  • the polarization component of the first polarized light 310 transmitted through the first liquid crystal cell 110-1 changes from the P polarized component to the S polarized component.
  • the first polarized light 310 transmitted through the first liquid crystal cell changes its polarization component from the P-polarized component to the S-polarized component, Diffuse in the y-axis direction.
  • the second polarized light 320 After being incident on the first substrate 120-1, the second polarized light 320 changes from the S-polarized component to the P-polarized component according to the twist of the orientation of the liquid crystal molecules as it moves toward the second substrate 120-2 (Fig. 3A and (2)-(4) in FIG. 3B). More specifically, the second polarized light 320 has a polarization axis in the y-axis direction on the first substrate 120-1 side, but passes through the thickness direction of the first liquid crystal layer 160-1. The polarization axis is gradually changed in the process, and the second substrate 120-2 side has the polarization axis in the x-axis direction, and then is emitted from the second substrate 120-2 side (FIGS. 3A and 3B). See (5) inside).
  • the liquid crystal molecules on the first substrate 120-1 side move to the x-axis due to the influence of the horizontal electric field. It is oriented in a convex circular shape along the direction, and the refractive index distribution changes.
  • the polarization axis of the second polarized light 320 is orthogonal to the alignment of the liquid crystal molecules on the first substrate 120-1 side, it is not affected by the refractive index distribution of the liquid crystal molecules and is not diffused. pass.
  • the liquid crystal molecules on the second substrate 120-2 side move in the y-axis direction due to the influence of the horizontal electric field. , and the refractive index distribution changes.
  • the polarization axis of the second polarized light 320 is orthogonal to the orientation of the liquid crystal molecules on the second substrate 120-2 side, it is not affected by the refractive index distribution of the liquid crystal molecules and is not diffused. pass.
  • the second polarized light 320 transmitted through the first liquid crystal cell 110-1 not only when no lateral electric field is generated (see FIG. 3A) but also when a lateral electric field is generated (see FIG. 3B) changes the polarization component from the S polarization component to the P polarization component, but does not diffuse.
  • the liquid crystal molecules of the second liquid crystal layer 160-2 of the second liquid crystal cell 110-2 also have the same refractive index distribution as the liquid crystal molecules of the first liquid crystal layer 160-1 of the first liquid crystal cell 110-1. .
  • the liquid crystal molecules of the second liquid crystal layer 160-2 The polarization affected by the refractive index profile is reversed. That is, not only when no lateral electric field is generated (see FIG. 3A), but also when a lateral electric field is generated (see FIG.
  • the first polarized light 310 transmitted through the second liquid crystal cell 110-2 changes the polarization component from the S polarization component to the P polarization component, but does not diffuse (see (6) to (8) in FIGS. 3A and 3B).
  • the polarization component of the second polarized light 320 transmitted through the second liquid crystal cell 110-2 only changes from the P polarized component to the S polarized component.
  • the second polarized light 320 transmitted through the second liquid crystal cell 110-2 changes from the P polarized component to the S polarized component, and the x Diffuse in the axial direction and the y-axis direction.
  • the optical element 10 by stacking two liquid crystal cells 110 having the same structure, the polarization component of the light incident on the optical element 10 is changed twice.
  • the polarization components after incidence can be left unchanged (see (1) and (9) in FIGS. 3A and 3B).
  • the optical element 10 can change the refractive index distribution of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 160 of the liquid crystal cell 110 to refract light passing through the liquid crystal cell 110 . .
  • the first liquid crystal cell 110-1 diffuses the light of the first polarized light 310 (P-polarized component) in the x-axis direction, the y-axis direction, or both the x-axis and y-axis directions
  • the second liquid crystal cell 110-2 can diffuse the light of the second polarized light 320 (S-polarized component) in the x-axis direction, the y-axis direction, or both the x-axis and y-axis directions.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a signal line 200 input to the transparent electrode 130 of the optical element 10 according to one embodiment of the invention. Note that FIG. 4 shows only the first transparent electrode 130-1 to the fourth transparent electrode 130-4 of the first liquid crystal cell 110-1. Also, in FIG. 4, the second substrate 120-2 is indicated by a dashed line for convenience of explanation.
  • the first transparent electrode 130-1, the second transparent electrode 130-2, the third transparent electrode 130-3, and the fourth transparent electrode 130-4 are connected to the first signal line 200-1 and the fourth transparent electrode 130-4, respectively.
  • a first signal S1 is input to the first transparent electrode 130-1 via a first signal line 200-1.
  • a second signal S2 is input to the second transparent electrode 130-2 via a second signal line 200-2.
  • a third signal S3 is input to the third transparent electrode 130-3 via a third signal line 200-3.
  • a fourth signal S4 is input to the fourth transparent electrode 130-4 via a fourth signal line 200-4.
  • FIGS. 5 and 6 are timing charts of signals input to the transparent electrode 130 in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the first to fourth signals S1 to S4 shown in FIGS. 5 and 6 are AC rectangular waves in which High potential and Low potential are alternately repeated.
  • the second signal S2 has a phase difference of ⁇ (or ⁇ /2) from the first signal S1.
  • the fourth signal S4 has a phase difference of ⁇ (or ⁇ /2) from the third signal S3.
  • High potential is supplied to the third transparent electrode 130-3
  • Low potential is supplied to the fourth transparent electrode 130-4.
  • the first substrate 120-1 of the first liquid crystal cell 110-1 is The incident light is diffused by the liquid crystal molecules of the first liquid crystal layer 160-1 on the first substrate 120-1 side.
  • the light passing through the first liquid crystal layer 160-1 is transmitted through the second substrate 120-1. It is diffused by the liquid crystal molecules of the first liquid crystal layer 160-1 on the -2 side. Therefore, with the signal input shown in FIG. 5 and the signal input shown in FIG. 6, the light distribution is controlled so that the light passing through the first liquid crystal cell 110-1 is diffused.
  • the signal phase difference between the signal input shown in FIG. 5 and the signal input shown in FIG. 6 is different.
  • the first signal S1 and the third signal S3 (or the second signal S2 and the fourth signal S4) are in phase. That is, no phase difference occurs between the first signal S1 and the third signal S3.
  • ⁇ /2 (or ⁇ ) between the first signal S1 and the third signal S3 (or between the second signal S2 and the fourth signal S4). /4) phase difference occurs.
  • the inventors of the present invention found that changing the phase of the signal input to the transparent electrode 130 of the liquid crystal cell 110 changes the light distribution. Therefore, in the method for driving the optical element 10 according to one embodiment of the present invention, the light distribution can be controlled by changing the phase of the signal input to the transparent electrode 130 of the liquid crystal cell 110 .
  • FIG. 5 The difference in light distribution between the signal input shown in FIG. 5 and the signal input shown in FIG. 6 will be described with reference to FIGS. 7A to 8.
  • FIG. 5 In the signal input shown in FIG. 5, a pair of signals (first signal S1 and second signal S2) input to the transparent electrode 130 on the first substrate 120-1 side and the second substrate 120-1 Since it can be said that there is no phase difference between the pair of signals (the third signal S3 and the fourth signal S4) input to the transparent electrode 130 on the second side, the 5 is assumed to be a signal input with a phase difference of 0.
  • FIG. Further, in the signal input shown in FIG.
  • FIGS. 7A and 7B are graphs showing the transmittance of the first liquid crystal cell 110-1 of the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • the transmittance was measured by inputting a signal with a phase difference of 0 or a signal with a phase difference of ⁇ /2 to the transparent electrode 130 of the first liquid crystal cell 110-1.
  • the width of the transparent electrode 130 of the first liquid crystal cell 110-1 used for measurement was 8 ( ⁇ m), and the distance between two adjacent transparent electrodes 130 was 8 ( ⁇ m).
  • the thickness of the first liquid crystal layer 160-1 was 30 ( ⁇ m).
  • the High potential of the signal was 30V and the Low potential was 0V.
  • the polar angles shown in FIGS. 7A and 7B represent angles from the z-axis direction.
  • FIG. 7A and 7B represent angles from the z-axis direction.
  • FIG. 7A is a graph normalized with a polar angle of 0 degrees for a signal input with a phase difference of 0 as a transmittance of 100%.
  • FIG. 7B is a graph normalized with a polar angle of 0 degrees as a transmittance of 100% for each of a signal input with a phase difference of 0 and a signal input with a phase difference of ⁇ /2.
  • the transmittance near the polar angle of 0 degrees is lower than with a signal input with a phase difference of 0.
  • the transmittance in the range of -30 degrees to -50 degrees is higher with the signal input with the phase difference of ⁇ /2 than with the signal input with the phase difference of 0. That is, when the signal input has a phase difference of ⁇ /2, the scattering characteristic of the first liquid crystal layer 160-1 is enhanced compared to when the signal input has a phase difference of 0, and the light transmitted through the first liquid crystal cell 110-1 is more scattered. is diffused. This can also be understood from FIG. 7B. As shown in FIG.
  • the ratio of the transmittance to a 0 degree polar angle is at least in the range of ⁇ 70 degrees or more and less than 0 degrees, compared to a signal input with a phase difference of 0. is increasing.
  • the light distribution can be controlled by changing the phase of the signal without changing the amplitude of the potential of the signal input to the liquid crystal cell 110. .
  • FIG. 8 is a graph showing the x-coordinate of chromaticity coordinates of light transmitted through the first liquid crystal cell 110-1 of the optical element 10 according to one embodiment of the present invention.
  • White light was used as the light source.
  • the chromaticity coordinates change between a signal input with a phase difference of 0 and a signal input with a phase difference of ⁇ /2. Therefore, in the optical element 10 according to one embodiment of the present invention, the color of light distribution can be changed by changing the phase of the signal input to the liquid crystal cell 110 . For example, in the case of white light, reddish warm or bluish cool light can be emitted from the optical element 10 by changing the phase of the signal.
  • phase difference can be 0 ⁇ as an arbitrary value ⁇ .
  • the optical element 10 according to one embodiment of the present invention particularly when the phase difference satisfies 0 ⁇ , it is possible to control the light distribution differently from the conventional one.
  • the light distribution of the optical element 10 can be coarsely adjusted by the amplitude of the potential to be supplied, and the light distribution can be finely adjusted by the phase difference of the signal.
  • the optical element 10 can control the light distribution by changing the phase difference of the signal. That is, according to the method for driving the optical element 10 according to one embodiment of the present invention, the light distribution is controlled by changing the phase difference of the signal input to the transparent electrode 130 . That is, according to the method for driving the optical element 10 according to one embodiment of the present invention, the light distribution can be easily controlled by adjusting the timing of the signal input to the transparent electrode 130 . Further, the optical element 10 includes one or more liquid crystal cells 110, but at least one of the one or more liquid crystal cells 110 may have light distribution control to change the phase difference. This makes it possible to finely adjust the light distribution.
  • each of the two liquid crystal cells 110 may be driven to have a different phase difference.
  • the first liquid crystal cell 110-1 is driven by a signal having a phase difference ⁇
  • the second liquid crystal cell 110-2 is driven by a signal having a phase difference ⁇ different from the phase difference ⁇ . may be driven by
  • optical element 110 liquid crystal cell 110-1: first liquid crystal cell 110-2: second liquid crystal cell 120-1: first substrate 120-2: second substrate 120- 3: third substrate 120-4: fourth substrate 130: transparent electrode 130-1: first transparent electrode 130-2: second transparent electrode 130-3: third transparent electrode , 130-4: fourth transparent electrode, 130-5: fifth transparent electrode, 130-6: sixth transparent electrode, 130-7: seventh transparent electrode, 130-8: eighth transparent electrode , 140: alignment film, 140-1: first alignment film, 140-2: second alignment film, 140-3: third alignment film, 140-4: fourth alignment film, 150-1: First sealing material 150-2: Second sealing material 160: Liquid crystal layer 160-1: First liquid crystal layer 160-2: Second liquid crystal layer 170-1: First optical elasticity Resin layer 200: signal line 200-1: first signal line 200-2: second signal line 200-3: third signal line 200-4: fourth signal line

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Abstract

光学素子の駆動方法は、第１の液晶セルを含む光学素子の駆動方法であって、第１の液晶セルは、第１の方向において、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の方向において、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基板と、第１の基板と第２の基板との間の第１の液晶層と、を含み、第１の透明電極に、第１の信号を入力し、第２の透明電極に、第１の信号との位相差がπを有する第２の信号を入力し、第３の透明電極に、第１の信号との位相差が任意の値αを有する第３の信号を入力し、第４の透明電極に、第３の信号と位相差がπを有する第４の信号を入力する。

Description

光学素子の駆動方法
　本発明の一実施形態は、光源から出射された光の配光を制御する光学素子、特に、液晶を用いた光学素子の駆動方法に関する。
　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（例えば、特許文献１、特許文献２、または特許文献３参照）。例えば、特許文献１および特許文献２に記載された照明装置は、液晶レンズを利用し、光源からの光を円形状に配光する。また、特許文献３に記載されたビーム成形デバイスでは、液晶に印加する電極のパターンを変えて配光の形状を変化させている。
特開２００５－３１７８７９号公報 特開２０１０－２３０８８７号公報 特開２０１４－１６０２７７号公報
　液晶を用いた光学素子では、液晶に印加する電位の振幅の大きさを変化させて配光の形状を変化させることもできる。しかしながら、電位の振幅の大ききを変えるためには、デジタルアナログ変換回路（ＤＡＣ）または増幅回路（ＡＭＰ）などを含む複雑な制御回路が必要であるが、配光の微調整が難しいという問題があった。そのため、配光の制御が容易な光学素子が望まれている。
　本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、配光の制御が容易な光学素子の駆動方法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の駆動方法は、第１の液晶セルを含む光学素子の駆動方法であって、第１の液晶セルは、第１の方向において、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の方向において、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の基板との間の第１の液晶層と、を含み、第１の透明電極に、第１の信号を入力し、第２の透明電極に、第１の信号との位相差がπを有する第２の信号を入力し、第３の透明電極に、第１の信号との位相差が任意の値αを有する第３の信号を入力し、第４の透明電極に、第３の信号との位相差がπを有する第４の信号を入力する。
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よる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の透明電極に入力される信号線を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子の透明電極に入力される信号の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透明電極に入力される信号の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第１の液晶セルの透過率を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る光学素子の第１の液晶セルの透過率を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る光学素子の第１の液晶セルを透過した光の色度座標のｘ座標を示すグラフである。
　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。
［１．光学素子１０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１１０－１および第２の液晶セル１１０－２を含む。第２の液晶セル１１０－２は、第１の光学弾性樹脂層１７０－１を介して、第１の液晶セル１１０－１上に配置されている。すなわち、光学素子１０は、ｚ軸方向において、第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２が積層された構造を有する。第１の光学弾性樹脂層１７０－１は、第１の液晶セル１１０－１と第２の液晶セル１１０－２とを接着し、固定する。第１の光学弾性樹脂層１７０－１として、透光性を有するアクリル樹脂またはエポキシ樹脂などを含む接着剤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１の方向と交差する第２の方向として記載する場合がある。
　第１の液晶セル１１０－１は、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２が形成された第１の基板１２０－１と、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４が形成された第２の基板１２０－２と、を含む。第１の基板１２０－１上には、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２を覆う第１の配向膜１４０－１が形成されている。また、第２の基板１２０－２上には、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４を覆う第２の配向膜１４０－２が形成されている。第１の基板１２０－１と第２の基板１２０－２とは、第１の基板１２０－１上の第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２と、第２の基板１２０－２上の第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４とが交差上に（以下、同様）対向するように配置されている。また、第１の基板１２０－１および第２の基板１２０－２の各々の周辺部には、第１のシール材１５０－１が形成されている。すなわち、第１の基板１２０－１と第２の基板１２０－２とは、第１のシール材１５０－１を介して接着されている。また、第１の基板１２０－１（より具体的には、第１の配向膜１４０－１）、第２の基板１２０－２（より具体的には、第２の配向膜１４０－２）、および第１のシール材１５０－１で囲まれた空間には液晶が封入され、第１の液晶層１６０－１が形成されている。
　第２の液晶セル１１０－２は、第５の透明電極１３０－５および第６の透明電極１３０－６が形成された第３の基板１２０－３と、第７の透明電極１３０－７および第８の透明電極１３０－８が形成された第４の基板１２０－４と、を含む。第３の基板１２０－３上には、第５の透明電極１３０－５および第６の透明電極１３０－６を覆う第３の配向膜１４０－３が形成されている。また、第４の基板１２０－４上には、第７の透明電極１３０－７および第８の透明電極１３０－８を覆う第４の配向膜１４０－４が形成されている。第３の基板１２０－３と第４の基板１２０－４とは、第３の基板１２０－３上の第５の透明電極１３０－５および第６の透明電極１３０－６と、第４の基板１２０－４上の第７の透明電極１３０－７および第８の透明電極１３０－８とが対向するように配置されている。また、第３の基板１２０－３および第４の基板１２０－４の各々の周辺部には、第２のシール材１５０－２が形成されている。すなわち、第３の基板１２０－３と第４の基板１２０－４とは、第２のシール材１５０－２を介して接着されている。また、第３の基板１２０－３（より具体的には、第３の配向膜１４０－３）、第４の基板１２０－４（より具体的には、第４の配向膜１４０－４）、および第２のシール材１５０－２で囲まれた空間には液晶が封入され、第２の液晶層１６０－２が形成されている。
　第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２は、基本的な構成は同じである。そのため、以下では、第１の液晶セル１１０－１の透明電極１３０の配置について説明し、第２の液晶セル１１０－２の透明電極１３０の配置については説明を省略する。
　第１の液晶セル１１０－１では、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２はｙ軸方向に延在し、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４はｘ軸方向に延在している。また、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２とは、ｘ軸方向において交互に櫛歯状に配置され、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４とは、第２の方向において交互に櫛歯状に配置されている。平面視において、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２の延在方向（ｙ軸方向）は、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４の延在方向（ｘ軸方向）と直交しているが、直交から僅かにずれた状態で交差していてもよい。
　平面視において、第１の液晶セル１１０－１の第１の透明電極１３０－１および第２の液晶セル１１０－２の第５の透明電極１３０－５は、互いに延在方向（ｙ軸方向）が略一致するように重畳している。但し、第１の透明電極１３０－１および第５の透明電極１３０－５が僅かにずれて重畳するように、第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２が配置されていてもよい。
　第１の基板１２０－１～第４の基板１２０－４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１２０－１～第４の基板１２０－４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こともできる。
　第１の透明電極１３０－１～第８の透明電極１３０－８の各々は、液晶層１６０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１３０－１～第８の透明電極１３０－８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。
　第１の液晶層１６０－１および第２の液晶層１６０－２の各々は、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。第１の液晶層１６０－１および第２の液晶層１６０－２の各々の液晶として、ネマティック液晶などが用いられる。本実施形態で説明する液晶はポジ型であるが、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適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１４０－１～第４の配向膜１４０－４の各々は、液晶層１６０内の液晶分子を所定の方向に配列する。第１の配向膜１４０－１～第４の配向膜１４０－４の各々として、ポリイミド樹脂などが用いられる。なお、第１の配向膜１４０－１～第４の配向膜１４０－４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。
　第１のシール材１５０－１および第２のシール材１５０－２の各々として、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂を含む接着材などが用いられる。なお、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。
　図１～図２Ｂでは、２つの液晶セル１１０を含む光学素子１０を示したが、光学素子１０の液晶セル１１０の数は２つに限られない。光学素子１０に含まれる液晶セル１１０の数は、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。但し、光学素子１０は、少なくとも２つの液晶セル１１０を含むことにより、無偏光の配光を制御することができる。この場合、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。具体的には、図１～図２Ｂに示す光学素子１０では、第１の液晶セル１１０－１の第１の基板１２０－１および第２の液晶セル１１０－２の第４の基板１２０－４の各表面には、偏光板を設ける必要はない。
［２．光学素子１０による配光の制御］
　図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０による配光の制御を説明する模式的な断面図である。図３Ａおよび図３Ｂには、図２Ａに示す第１の液晶セル１１０－１および第２の液晶セル１１０－２の断面図の一部が示されている。図３Ａには、透明電極１３０に電位が供給されていない状態の光学素子１０が示され、図３Ｂには、透明電極１３０に電位が供給されている状態の光学素子１０が示されている。なお、透明電極１３０への電位の供給の制御（信号の入力）については、後述する。
　第１の配向膜１４０－１はｘ軸方向に配向処理が行われている。そのため、図３Ａに示すように、第１の液晶層１６０－１の第１の基板１２０－１側の液晶分子は、長軸がｘ軸方向に沿って配向する。すなわち、第１の基板１２０－１側の液晶分子の配向方向は、第１の透明電極１３０－１および第２の透明電極１３０－２の延在方向（ｙ軸方向）に対して直交している。また、第２の配向膜１４０－２はｙ軸方向に配向処理が行われている。そのため、図３Ａに示すように、第１の液晶層１６０－１の第２の基板１２０－２側の液晶分子は、長軸がｙ軸方向に沿って配向する。すなわち、第２の基板１２０－２側の液晶分子の配向方向は、第３の透明電極１３０－３および第４の透明電極１３０－４の延在方向（ｘ軸方向）に対して直交している。したがって、第１の液晶層１６０－１の液晶分子は、第１の基板１２０－１から第２の基板１２０－２に向かうにつれて徐々に長軸の向きをｘ軸方向からｙ軸方向に変化し、９０度ねじれた状態で配向している。
　第２の液晶層１６０－２の液晶分子も、第１の液晶層１６０－１の液晶分子と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　透明電極１３０に電位が供給されると、図３Ｂに示すように、液晶分子の配向が変化する。ここでは、第１の透明電極１３０－１、第３の透明電極１３０－３、第５の透明電極１３０－５、および第７の透明電極１３０－７にＬｏｗ電位が供給され、第２の透明電極１３０－２、第４の透明電極１３０－４、第６の透明電極１３０－６、および第８の透明電極１３０－８にＨｉｇｈ電位が供給されているものとして説明する。なお、図３Ｂ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。なお、以下では、隣接する２つの透明電極１３０間に生じる電界を横電界と言う場合がある。
　図３Ｂに示すように、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間の横電界の影響によって、第１の基板１２０－１側の液晶分子は、全体として、第１の基板１２０－１に対してｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向する。同様に、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間の横電界の影響によって、第２の基板１２０－２側の液晶分子は、全体として、第２の基板１２０－２に対してｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向する。第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間のほぼ中央に位置する液晶分子は、いずれの横電界によっても配向がほとんど変化しない。したがって、第１の液晶層１６０－１に入射した光は、第１の基板１２０－１側のｘ軸方向に沿って凸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ｘ軸方向に拡散され、第２の基板１２０－２側のｙ軸方向に沿って凸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ｙ軸方向に拡散される。
　なお、第１の基板１２０－１と第２の基板１２０－２とは、十分に離れた基板間距離を有しているため、第１の基板１２０－１の第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間の横電界は、第２の基板１２０－２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１２０－２の第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間の横電界は、第１の基板１２０－１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。
　第５の透明電極１３０－５～第８の透明電極１３０－８に電位が供給された場合における第２の液晶層１６０－２の液晶分子も、第１の液晶層１６０－１の液晶分子と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　続いて、光学素子１０を透過する光の配光について説明する。光源から出射された光は、ｘ軸方向の偏光成分（Ｐ偏光成分）およびｙ軸方向の偏光成分（Ｓ偏光成分）を有するが、以下では、便宜上、光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分けて説明する。すなわち、光源から出射された光（図３Ａおよび図３Ｂ中の（１）参照）は、Ｐ偏光成分を有する第１の偏光３１０およびＳ偏光成分を有する第２の偏光３２０を含む。なお、図３Ａおよび図３Ｂ中の矢印の記号および丸印にバツを付した記号は、それぞれ、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を表している。
　第１の偏光３１０は、第１の基板１２０－１に入射した後、第２の基板１２０－２に向かうにつれて、液晶分子の配向のねじれにしたがってＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化する（図３Ａおよび図３Ｂ中の（２）～（４）参照）。より具体的には、第１の偏光３１０は、第１の基板１２０－１側ではｘ軸方向に偏光軸を有しているが、第１の液晶層１６０－１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１２０－２側ではｙ軸方向に偏光軸を有し、その後、第２の基板１２０－２側から出射される（図３Ａおよび図３Ｂ中の（５）参照）。
　ここで、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第１の基板１２０－１側の液晶分子がｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。そのため、第１の偏光３１０は、当該液晶分子の屈折率分布にしたがって、ｘ軸方向に拡散する。また、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第２の基板１２０－２側の液晶分子がｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。そのため、第１の偏光３１０は、当該液晶分子の屈折率分布の変化にしたがって、ｙ軸方向に拡散する。
　したがって、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）、第１の液晶セル１１０－１を透過する第１の偏光３１０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化する。一方、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）、第１の液晶セルを透過する第１の偏光３１０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化するとともに、ｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散する。
　第２の偏光３２０は、第１の基板１２０－１に入射した後、第２の基板１２０－２に向かうにつれて、液晶分子の配向のねじれにしたがってＳ偏光成分からＰ偏光成分に変化する（図３Ａおよび図３Ｂ中の（２）～（４）参照）。より具体的には、第２の偏光３２０は、第１の基板１２０－１側ではｙ軸方向に偏光軸を有しているが、第１の液晶層１６０－１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１２０－２側ではｘ軸方向に偏光軸を有し、その後、第２の基板１２０－２側から出射される（図３Ａおよび図３Ｂ中の（５）参照）。
　ここで、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第１の基板１２０－１側の液晶分子がｘ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。しかしながら、第２の偏光３２０の偏光軸は、第１の基板１２０－１側の液晶分子の配向と直交しているため、当該液晶分子の屈折率分布の影響を受けず、拡散せずにそのまま通過する。また、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間に横電界が発生すると、当該横電界の影響で第２の基板１２０－２側の液晶分子がｙ軸方向に沿って凸円弧状に配向し、屈折率分布が変化する。しかしながら、第２の偏光３２０の偏光軸は、第２の基板１２０－２側の液晶分子の配向と直交しているため、当該液晶分子の屈折率分布の影響を受けず、拡散せずにそのまま通過する。
　したがって、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）だけでなく、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）も、第１の液晶セル１１０－１を透過する第２の偏光３２０は、偏光成分がＳ偏光成分からＰ偏光成分に変化するが、拡散しない。
　第２の液晶セル１１０－２の第２の液晶層１６０－２の液晶分子も、第１の液晶セル１１０－１の第１の液晶層１６０－１の液晶分子と同様の屈折率分布を有する。但し、第１の偏光３１０および第２の偏光３２０は、第１の液晶セル１１０－１を透過することで、偏光軸が変化しているため、第２の液晶層１６０－２の液晶分子の屈折率分布の影響を受ける偏光は逆となる。すなわち、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）だけでなく、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）も、第２の液晶セル１１０－２を透過する第１の偏光３１０は、偏光成分がＳ偏光成分からＰ偏光成分に変化するが、拡散しない（図３Ａおよび図３Ｂ中の（６）～（８）参照）。一方、横電界が発生していない場合（図３Ａ参照）、第２の液晶セル１１０－２を透過する第２の偏光３２０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化するのみであるが、横電界が発生している場合（図３Ｂ参照）、第２の液晶セル１１０－２を透過する第２の偏光３２０は、偏光成分がＰ偏光成分からＳ偏光成分に変化するとともに、ｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散する。
　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１１０を積層させることにより、光学素子１０に入射する光の偏光成分を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成分を変わらなくすることができる（図３Ａおよび図３Ｂ中の（１）および（９）参照）。他方、光学素子１０は、透明電極１３０に電位が供給されると、液晶セル１１０の液晶層１６０の液晶分子が有する屈折率分布を変化させ、液晶セル１１０を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１１０－１が第１の偏光３１０（Ｐ偏光成分）の光をｘ軸方向、ｙ軸方向、またはｘ軸およびｙ軸の両軸方向に拡散させ、第２の液晶セル１１０－２が第２の偏光３２０（Ｓ偏光成分）の光をｘ軸方向、ｙ軸方向、またはｘ軸およびｙ軸の両軸方向に拡散させることができる。
［３．光学素子１０の透明電極１３０への信号の入力］
　図４は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の透明電極１３０に入力される信号線２００を説明する模式図である。なお、図４には、第１の液晶セル１１０－１の第１の透明電極１３０－１～第４の透明電極１３０－４のみが示されている。また、図４では、説明の便宜上、第２の基板１２０－２が破線で示されている。
　第１の透明電極１３０－１、第２の透明電極１３０－２、第３の透明電極１３０－３、および第４の透明電極１３０－４は、それぞれ、第１の信号線２００－１、第２の信号線２００－２、第３の信号線２００－３、および第４の信号線２００－４と電気的に接続されている。第１の透明電極１３０－１には、第１の信号線２００－１を介して、第１の信号Ｓ１が入力される。第２の透明電極１３０－２には、第２の信号線２００－２を介して、第２の信号Ｓ２が入力される。第３の透明電極１３０－３には、第３の信号線２００－３を介して、第３の信号Ｓ３が入力される。第４の透明電極１３０－４には、第４の信号線２００－４を介して、第４の信号Ｓ４が入力される。
　図５および図６は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０において、透明電極１３０に入力される信号のタイミングチャートである。図５および図６の各々に示す第１の信号Ｓ１～第４の信号Ｓ４は、Ｈｉｇｈ電位とＬｏｗ電位とが交互に繰り返される交流矩形波である。
　図５および図６に示す信号入力において、第２の信号Ｓ２は、第１の信号Ｓ１と位相差がπ（またはλ／２）ずれている。また、第４の信号Ｓ４は、第３の信号Ｓ３と位相差がπ（またはλ／２）ずれている。図５に示す信号入力の時刻ｔ１および図６に示す信号入力の時刻ｔ２では、第１の透明電極１３０－１にＨｉｇｈ電位が供給され、第２の透明電極１３０－２にＬｏｗ電位が供給され、第３の透明電極１３０－３にＨｉｇｈ電位が供給され、第４の透明電極１３０－４にＬｏｗ電位が供給される。上述したように、第１の透明電極１３０－１と第２の透明電極１３０－２との間に電位差が生じているため、第１の液晶セル１１０－１の第１の基板１２０－１に入射した光は、第１の基板１２０－１側の第１の液晶層１６０－１の液晶分子によって拡散される。同様に、第３の透明電極１３０－３と第４の透明電極１３０－４との間に電位差が生じているため、第１の液晶層１６０－１を通過する光は、第２の基板１２０－２側の第１の液晶層１６０－１の液晶分子によって拡散される。したがって、図５に示す信号入力および図６に示す信号入力では、第１の液晶セル１１０－１を通過する光が拡散されるように配光が制御される。
　一方、図５に示す信号入力と図６に示す信号入力とでは、信号の位相差が異なる。図５に示す信号入力では、第１の信号Ｓ１および第３の信号Ｓ３（または第２の信号Ｓ２および第４の信号Ｓ４）は、同じ位相である。すなわち、第１の信号Ｓ１と第３の信号Ｓ３との間に、位相差は生じていない。これに対し、図６に示す信号入力では、第１の信号Ｓ１と第３の信号Ｓ３との間（または第２の信号Ｓ２と第４の信号Ｓ４との間）でπ／２（またはλ／４）の位相差が生じている。
　本発明の発明者らは、液晶セル１１０の透明電極１３０に入力される信号の位相を変えると、配光が変化することを見出した。そのため、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の駆動方法では、液晶セル１１０の透明電極１３０に入力される信号の位相を変化させることにより、配光を制御することができる。
　図７Ａ～図８を参照して、図５に示す信号入力および図６に示す信号入力における配光の違いについて説明する。なお、図５に示す信号入力では、第１の基板１２０－１側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２）と第２の基板１２０－２側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第３の信号Ｓ３および第４の信号Ｓ４）との間には位相差が生じていないということができるため、以下では、便宜上、図５に示す信号入力を位相差０の信号入力として説明する。また、図６に示す信号入力では、第１の基板１２０－１側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２）と第２の基板１２０－２側の透明電極１３０に入力される一組の信号（第３の信号Ｓ３および第４の信号Ｓ４）との間にはπ／２の位相差が生じているということができるため、以下では、便宜上、図６に示す信号入力を位相差π／２の信号入力として説明する。
　図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の第１の液晶セル１１０－１の透過率を示すグラフである。透過率は、第１の液晶セル１１０－１の透明電極１３０に、位相差０の信号入力または位相差π／２の信号入力を行い、測定した。ここで、測定に用いた第１の液晶セル１１０－１の透明電極１３０の幅は８（μｍ）であり、隣接する２つの透明電極１３０間の距離は８（μｍ）であった。また、第１の液晶層１６０－１の厚さは３０（μｍ）であった。信号のＨｉｇｈ電位は３０Ｖであり、Ｌｏｗ電位は０Ｖであった。図７Ａおよび図７Ｂに示す極角は、ｚ軸方向からの角度を表す。図７Ａは、位相差０の信号入力の極角０度を透過率１００％として規格化したグラフである。また、図７Ｂは、位相差０の信号入力および位相差π／２の信号入力の各々において、極角０度を透過率１００％として規格化したグラフである。
　図７Ａに示すように、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力よりも極角０度近傍における透過率が低下している。また、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力よりも－３０度から－５０度の範囲における透過率が増加している。すなわち、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力に比べ、第１の液晶層１６０－１による散乱特性が強まり、第１の液晶セル１１０－１を透過した光が、より拡散されている。このことは、図７Ｂからも理解することができる。図７Ｂに示すように、位相差π／２の信号入力では、位相差０の信号入力よりも、少なくとも極角－７０度以上０度よりも小さい範囲において、透過率の極角０度に対する割合が増加している。
　したがって、本発明の一実施形態に係る光学素子１０では、液晶セル１１０に入力する信号の電位の振幅の大きさを変えることなく、信号の位相を変えることによって、配光を制御することができる。
　図８は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の第１の液晶セル１１０－１を透過した光の色度座標のｘ座標を示すグラフである。光源には白色光を用いた。図８に示すように、位相差０の信号入力と位相差π／２の信号入力とでは、色度座標が変化している。そのため、本発明の一実施形態に係る光学素子１０では、液晶セル１１０に入力する信号の位相を変えることによって、配光の色を変化させることもできる。例えば、白色光の場合では、信号の位相を変えることにより、赤みがかった暖色または青みがかった寒色の光を光学素子１０から出射することができる。
　なお、上記では、位相差０の信号入力および位相差π／２の信号入力について説明したが、位相差はこれに限られない。位相差は、任意の値αとして、０≦α≦πとすることができる。本発明の一実施形態に係る光学素子１０では、特に、位相差が０＜α＜πを満たす場合において、従来とは異なる配光の制御が可能である。
　また、光学素子１０の配光の粗調整を供給する電位の振幅の大きさで行い、配光の微調整を信号の位相差で行うこともできる。
　以上、説明したように、光学素子１０では、信号の位相差を変えることによって、配光を制御することができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の駆動方法によれば、透明電極１３０に入力される信号の位相差を変えることによって、配光を制御する。すなわち、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の駆動方法によれば、透明電極１３０に入力する信号のタイミングを調整することにより、容易に配光を制御することができる。また、光学素子１０は、１つまたは複数の液晶セル１１０を含むが、１つまたは複数の液晶セル１１０の少なくとも１つが、位相差を変える配光の制御を有していればよい。これにより、配光の微調整を行うことができる。また、光学素子１０に２つの液晶セル１１０が含まれている場合、２つの液晶セル１１０の各々は、異なる位相差を有するように駆動されてもよい。例えば、第１の液晶セル１１０－１は、位相差αを有する信号が入力されることによって駆動され、第２の液晶セル１１０－２は、位相差αと異なる位相差βを有する信号が入力されることによって駆動されてもよい。
　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、　１１０：液晶セル、　１１０－１：第１の液晶セル、　１１０－２：第２の液晶セル、　１２０－１：第１の基板、　１２０－２：第２の基板、　１２０－３：第３の基板、　１２０－４：第４の基板、　１３０：透明電極、　１３０－１：第１の透明電極、　１３０－２：第２の透明電極、　１３０－３：第３の透明電極、　１３０－４：第４の透明電極、　１３０－５：第５の透明電極、　１３０－６：第６の透明電極、　１３０－７：第７の透明電極、　１３０－８：第８の透明電極、　１４０：配向膜、　１４０－１：第１の配向膜、　１４０－２：第２の配向膜、　１４０－３：第３の配向膜、　１４０－４：第４の配向膜、　１５０－１：第１のシール材、　１５０－２：第２のシール材、　１６０：液晶層、　１６０－１：第１の液晶層、　１６０－２：第２の液晶層、　１７０－１：第１の光学弾性樹脂層、　２００：信号線、　２００－１：第１の信号線、　２００－２：第２の信号線、　２００－３：第３の信号線、　２００－４：第４の信号線

Claims (7)

  1. 　第１の液晶セルを含む光学素子の駆動方法であって、
    　前記第１の液晶セルは、
    　　第１の方向において、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の方向において、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の基板との間の第１の液晶層と、を含み、
    　前記第１の透明電極に、第１の信号を入力し、
    　前記第２の透明電極に、前記第１の信号との位相差がπを有する第２の信号を入力し、
    　前記第３の透明電極に、前記第１の信号との位相差が任意の値αを有する第３の信号を入力し、
    　前記第４の透明電極に、前記第３の信号との位相差がπを有する第４の信号を入力する、光学素子の駆動方法。
  2. 　前記任意の値αは、０＜α＜πを満たす、請求項１に記載の光学素子の駆動方法。
  3. 　前記任意の値αは、π／２である、請求項１に記載の光学素子の駆動方法。
  4. 　前記光学素子は、さらに、前記第１の液晶セルの上の第２の液晶セルを含み、
    　前記第２の液晶セルは、
    　　前記第１の方向において、第５の透明電極と第６の透明電極とが交互に配置された第３の基板と、
    　　前記第２の方向において、第７の透明電極と第８の透明電極とが交互に配置された第４の基板と、
    　　前記第３の基板と前記第４の基板との間の第２の液晶層と、を含み、
    　前記第５の透明電極に、第５の信号を入力し、
    　前記第６の透明電極に、前記第５の信号との位相差がπを有する第６の信号を入力し、
    　前記第７の透明電極に、前記第５の信号との位相差が任意の値βを有する第７の信号を入力し、
    　前記第８の透明電極に、前記第７の信号との位相差がπを有する第８の信号を入力する、請求項１に記載の光学素子の駆動方法。
  5. 　前記任意の値βは、前記任意の値αと同じである、請求項４に記載の光学素子の駆動方法。
  6. 　前記任意の値βは、前記任意の値αと異なる、請求項４に記載の光学素子の駆動方法。
  7. 　前記任意の値βは、０である、請求項４に記載の光学素子の駆動方法。
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