WO2023234109A1 - 光学素子および光学素子を含む照明装置 - Google Patents

光学素子および光学素子を含む照明装置 Download PDF

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WO2023234109A1
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liquid crystal
crystal cell
electrodes
optical element
stretching direction
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PCT/JP2023/019059
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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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Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to an optical element and a lighting device including the optical element.
  • a lighting device that includes a light source and an optical element that can arbitrarily control the area irradiated with light from the light source.
  • Patent Document 1 discloses an optical element having a liquid crystal layer and a pair of comb-shaped electrodes. By creating a potential difference between the pair of comb-shaped electrodes, the orientation of liquid crystal molecules within the liquid crystal layer changes, thereby forming a refractive index distribution within the liquid crystal layer. By appropriately controlling this refractive index distribution, the liquid crystal layer functions as a lens.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide an optical element capable of changing the light distribution state of light incident from a light source, and a lighting device including the optical element.
  • One embodiment of the present invention is an optical element including a first liquid crystal cell, a second liquid crystal cell, a third liquid crystal cell, and a fourth liquid crystal cell arranged in order so as to overlap each other.
  • Each of the first liquid crystal cell, the second liquid crystal cell, the third liquid crystal cell, and the fourth liquid crystal cell has a plurality of first electrodes, a plurality of first electrodes arranged in a stripe shape, and extending in a first stretching direction.
  • the first alignment film and the second alignment film have a plurality of first electrodes and a plurality of In a situation where no voltage is applied to the second electrode, the liquid crystal molecules included in the liquid crystal layer are configured to be aligned in a first alignment direction and a second alignment direction that intersect with each other.
  • the angle between the first orientation direction is within 10°
  • the angle between the second stretching direction and the second orientation direction is within 10°.
  • the first stretching direction of the first liquid crystal cell forms an angle of 0° or more and 10° or less with respect to the first stretching direction of the second liquid crystal cell. It makes an angle of 80° or more and 90° or less with respect to the first stretching direction.
  • One embodiment of the present invention is an optical element including a first liquid crystal cell, a second liquid crystal cell, a third liquid crystal cell, and a fourth liquid crystal cell arranged in order so as to overlap each other.
  • Each of the first liquid crystal cell, the second liquid crystal cell, the third liquid crystal cell, and the fourth liquid crystal cell has a plurality of first electrodes, a plurality of first electrodes arranged in a stripe shape, and extending in a first stretching direction.
  • the first alignment film and the second alignment film have a plurality of first electrodes and a plurality of In a situation where no voltage is applied to the second electrode, the liquid crystal molecules included in the liquid crystal layer are configured to be aligned in a first alignment direction and a second alignment direction that intersect with each other.
  • the angle between the first stretching direction and the first alignment direction is 10°.
  • the angle between the second stretching direction and the second orientation direction is within 10°.
  • the angle between the first stretching direction and the first alignment direction is 80° or more and 90° or less
  • the angle between the second stretching direction and the second alignment direction is The angle is 80° or more and 90° or less.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a lighting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a part of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a portion of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a portion of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a portion of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a portion of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the operation of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the operation of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a part of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic end view illustrating the operation of the optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic end view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • the expression "a certain structure is exposed from another structure” means that a part of a certain structure is not covered by another structure; The portion not covered by the body also includes embodiments covered by another structure. Furthermore, the aspect expressed by this expression includes an aspect in which a certain structure is not in contact with another structure.
  • a lighting device 100 including an optical element 110 which is one embodiment of the present invention, will be described.
  • FIG. 1 shows a schematic exploded perspective view of the lighting device 100.
  • the lighting device 100 basically includes a light source 102 and an optical element 110 that overlaps with the light source 102.
  • the light source 102 is configured to irradiate light onto the optical element 110, and includes one or more light emitting elements (not shown). Examples of the light emitting device include organic or inorganic light emitting devices (LEDs).
  • An organic LED is a light-emitting element in which a luminescent organic compound is sandwiched between a pair of electrodes
  • an inorganic LED is a light-emitting element in which a luminescent organic compound is sandwiched between a pair of electrodes
  • an inorganic LED is a light-emitting element in which a luminescent organic compound is sandwiched between a pair of electrodes.
  • This is a light-emitting element in which an inorganic light-emitting material such as gallium phosphide is sandwiched.
  • the light source 102 is configured so that the optical element 110 is irradiated with collimated light having relatively high directivity.
  • the optical element 110 includes a plurality of liquid crystal cells 120 that overlap the light source 102 and overlap each other. Although there is no restriction on the number of liquid crystal cells 120, it is preferable that two, four, or more liquid crystal cells 120 are included in one optical element 110. Adjacent liquid crystal cells 120 are bonded together using a light-transmitting adhesive layer that is not shown in FIG. Although details will be described later, each liquid crystal cell 120 is composed of a pair of substrates and structures such as electrodes and a liquid crystal layer provided between them, and has a function of diffusing light from the light source 102.
  • the main surface formed by the substrate will be referred to as an xy plane, and the direction perpendicular to the xy plane will be referred to as a z direction.
  • the optical element 110 overlaps the light source 102 in the z-direction, and the plurality of liquid crystal cells 120 also overlap each other in the z-direction.
  • a first liquid crystal cell 120-1, a second liquid crystal cell 120-2, a third liquid crystal cell 120-3, and a fourth liquid crystal cell 120-4 are arranged in this order from the light source 102 side. This will be explained using the example shown below.
  • FIGS. 2A and 2B A schematic top view of the liquid crystal cell 120 viewed from the light source 102 side is shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the counter substrate 124 of the pair of substrates (substrate 122 and counter substrate 124) is omitted.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams of end faces taken along chain lines AA' and BB' in FIGS. 2A and 2B, respectively.
  • each liquid crystal cell 120 includes a plurality of first electrodes 130 provided on a substrate 122, a first alignment film 140 on the plurality of first electrodes 130, and a first alignment film 140 on the plurality of first electrodes 130.
  • a liquid crystal layer 128 on the film 140, a second alignment film 142 on the liquid crystal layer 128, a plurality of second electrodes 132 on the second alignment film 142, and a counter substrate 124 on the plurality of second electrodes 132. include.
  • Substrate and counter substrate The substrate 122 and the counter substrate 124 are bonded to each other via a sealing material 126 provided in a frame shape, and each has a plurality of first electrodes 130 and a plurality of second electrodes 132. It functions as a base material for supporting, and also seals the liquid crystal layer 128. Since the substrate 122 and the counter substrate 124 exhibit an illumination function by transmitting the light from the light source 102, it is preferable that they include a material that exhibits high transmittance to the light from the light emitting element 114. Therefore, it is preferable that the substrate 122 and the counter substrate 124 include glass, quartz, or a polymeric material such as polyimide, polycarbonate, polyester, or acrylic resin.
  • the substrate 122 and the opposing substrate 124 may be configured to have a strength that will not be deformed by external force, or may be configured to be elastically deformed. As shown in FIG. 1, the substrate 122 and the counter substrate 124 are such that a part of the main surface of the substrate 122 is exposed from the counter substrate 124 to the light source 102 side, and a part of the main surface of the counter substrate 124 is exposed from the substrate 122 to the light source 102 side. It may be joined so that it is exposed on the opposite side.
  • the plurality of first electrodes 130 are arranged on the substrate 122 so as to be in contact with the substrate 122 or via an undercoat (not shown).
  • the undercoat can be formed by one or more films containing silicon-containing inorganic compounds such as silicon nitride or silicon oxide.
  • the first electrode 130 is made of a conductive material that exhibits high transmittance to visible light, such as indium-tin oxide (ITO) or indium-zinc oxide (IZO), in order to impart high transparency to the liquid crystal cell 120. It is preferable to form it with a chemical oxide.
  • the first electrode 130 may be formed of a mesh-like metal thin film having a plurality of openings so that the light from the light source 102 can pass therethrough.
  • the plurality of first electrodes 130 extend in the same direction and are arranged in a stripe shape.
  • the length of each first electrode 130 depends on the size of the optical element 110, but is selected from a range of, for example, 5 cm or more and 15 cm or less or 1 cm or more and 10 cm or less. do it.
  • the interval between two adjacent first electrodes 130 may be selected, for example, from the range of 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m.
  • the plurality of second electrodes 132 are also provided on the counter substrate 124 (under the counter substrate 124 in FIGS. 3A and 3B; the same applies hereinafter) directly or via an undercoat.
  • the second electrode 132 is also formed of a conductive oxide that exhibits high transmittance to visible light, such as ITO or IZO, or is formed in the form of a mesh having a plurality of openings. It is preferable to use a thin metal film.
  • the plurality of second electrodes 132 also extend in the same direction and are arranged in stripes.
  • each second electrode 132 length in the extending direction of the second electrode 132 may also be selected from the range of 5 cm to 15 cm, or 1 cm to 10 cm. Further, the interval between two adjacent second electrodes 132 may be selected from the range of, for example, 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m.
  • the plurality of first electrodes 130 and second electrodes 132 are provided so as to intersect with each other.
  • the extending direction of the first electrode 130 and the extending direction of the second electrode 132 may be perpendicular to each other, it is preferable that these directions are not completely perpendicular.
  • the angle between the extending direction of the first electrode 130 and the extending direction of the second electrode 132 may be set in a range of 80° or more and less than 90°.
  • a pulsed AC voltage (AC rectangular wave) is applied to the plurality of first electrodes 130.
  • the AC voltage is applied so that the phases are reversed between two adjacent first electrodes 130.
  • a pulsed alternating current voltage is applied to the plurality of second electrodes 132 so that the phases are reversed between two adjacent second electrodes 132.
  • the first electrode 130 and the second electrode 132 are configured so that the first electrode 130 and the second electrode 132 are driven independently. Therefore, it is possible to apply an alternating voltage only to the first electrode 130 and not to apply a voltage to the second electrode 132, or to supply a constant voltage, and vice versa.
  • every other first electrode 130 selected from the plurality of first electrodes 130 is connected to the first wiring 134-1, and the remaining first electrodes 130 are also connected to the first wiring 134-1. It is connected to a second wiring 134-2 different from the wiring 134-1 (see FIG. 2A).
  • the first wiring 134-1 and the second wiring 134-2 are exposed from the opposing substrate 124 on the substrate 122, respectively, and form terminals 136-1 and 136-2.
  • An AC voltage is applied from an external circuit (not shown) through these terminals 136-1 and 136-2.
  • every other second electrode 132 selected from the plurality of second electrodes 132 is also connected to the third wiring 134-3, and the remaining second electrodes 132 are also connected to the third wiring 134-3.
  • the third wiring 134-3 and the fourth wiring 134-4 are exposed from the substrate 122 on the counter substrate 124 to form terminals 136-3 and 136-4, respectively.
  • An alternating current voltage is applied from an external circuit (not shown) via 4.
  • the liquid crystal layer 128 contains liquid crystal molecules.
  • the structure of liquid crystal molecules is not limited. Therefore, the liquid crystal molecules may be nematic liquid crystals or smectic liquid crystals.
  • As the liquid crystal molecules a positive liquid crystal whose dielectric constant in the long axis direction is larger than the dielectric constant in the direction perpendicular to the long axis is used.
  • the liquid crystal layer 128 is sandwiched between the first alignment film 140 and the second alignment film 142 and sealed in a space formed by the substrate 122, the counter substrate 124, and the sealant 126.
  • the thickness of the liquid crystal layer 128, that is, the distance between the first alignment film 140 and the second alignment film 142 is also arbitrary, but it should be larger than the pitch of the first electrode 130 and the second electrode 132. is preferred.
  • the thickness of the liquid crystal layer 128 is set to be at least 2 times and at most 10 times, at least 2 times and at most 5 times, or at least 2 times and at most 3 times the pitch of the first electrode 130 or the second electrode 132. It is preferable.
  • the specific thickness of the liquid crystal layer 128 may be selected from the range of, for example, 10 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less, or 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • a spacer may be provided within the liquid crystal layer 128 to maintain this thickness throughout each liquid crystal cell 120. Note that if the thickness of the liquid crystal layer 128 described above is adopted in a liquid crystal display device, it will not be possible to obtain the high responsiveness necessary for displaying moving images, and it will be difficult to perform the function as a liquid crystal display device. Become.
  • the first alignment film 140 and the second alignment film 142 contain a polymer such as polyimide or polyester, and sandwich the liquid crystal layer 128 therebetween.
  • the first alignment film 140 is configured to align liquid crystal molecules included in the liquid crystal layer 128 in a certain direction in a situation where no potential difference is generated between adjacent first electrodes 130.
  • the second alignment film 142 is configured to align the liquid crystal molecules included in the liquid crystal layer 128 in a certain direction in a situation where no potential difference is generated between the adjacent second electrodes 132.
  • an alignment direction may be imparted by, for example, rubbing treatment.
  • the alignment direction may be imparted to the first alignment film 140 and the second alignment film 142 by photoalignment.
  • Photoalignment is a rubbing-less alignment process using light, and for example, polarized light in the ultraviolet region is irradiated from a predetermined direction onto an alignment film that has not been subjected to a rubbing process. This causes a photoreaction in the alignment film, introduces anisotropy to the surface of the alignment film, and imparts the ability to control liquid crystal alignment.
  • the first alignment film 140 and the second alignment film 142 are arranged so that their alignment directions are perpendicular to each other or the angle between them is 80° or more and 90° or less. (see white arrows 144, 146 in FIG. 4).
  • the plurality of first electrodes 130 and the first alignment film 140 are arranged in the stretching direction of the plurality of first electrodes 130 and the alignment direction of the first alignment film 140 (white arrows 144 ) may be arranged so that they are parallel to each other, or, as shown in FIG. Good too.
  • the angle between the stretching direction of the plurality of first electrodes 130 and the orientation direction of the first alignment film 140 is greater than 0° and less than 10°, more than 1° and less than 5°, or more than 1°. It may be selected from a range of 3° or less.
  • the direction in which the liquid crystal molecules twist when a transverse electric field is generated can be fixed, thereby improving the responsiveness of the liquid crystal molecules. Moreover, it is possible to prevent disturbances in the refractive index distribution of the liquid crystal layer 128 due to variations in the rotation direction of liquid crystal molecules.
  • the relationship between the plurality of second electrodes 132 and the second alignment film 142 is also similar. That is, the plurality of second electrodes 132 and the second alignment film 142 may be arranged such that the extending direction of the plurality of second electrodes 132 is parallel to the alignment direction of the second alignment film 142. Often, the stretching direction of the plurality of second electrodes 132 is tilted from the orientation direction of the second alignment film 142 by more than 0° and less than 10°, more than 1° and less than 5°, or more than 1° and less than 3°.
  • the inclination between the stretching direction of the plurality of second electrodes 132 and the alignment direction of the second alignment film 142 improves the responsiveness of the liquid crystal molecules and precisely controls the refractive index distribution of the liquid crystal layer 128. can do.
  • the angle formed by the stretching direction of the electrode and the orientation direction of the alignment film covering the electrode is in a relationship of 0° to 10° or less, "the stretching direction of the electrode and the orientation direction of the alignment film are aligned". It can be called.
  • each first electrode 130 refers to the direction from the intersection with the first wiring or the second wiring to the tip of the first electrode 130 when the entire first electrode 130 has a linear shape.
  • the direction is up to.
  • each first electrode 130 can have a bent structure including a plurality of straight portions.
  • the stretching direction of at least one straight portion is tilted from the orientation direction of the first alignment film 140 in a range of greater than 0° and less than 10°, more than 1° and less than 5°, or more than 1° and less than 3°.
  • a plurality of first electrodes 130 are arranged as shown in FIG. The same applies to the second electrode 132.
  • each second electrode 132 can also have a bent structure including a plurality of straight parts, and in this case, the extending direction of at least one straight part is 0.000000000000 from the orientation direction of the second alignment film 142.
  • the plurality of second electrodes 132 are arranged so as to be inclined in a range of greater than 1° and less than 10°, 1° and more than 5°, or 1° and more and 3° or less.
  • each liquid crystal cell 120 in order to more precisely regulate the rotation direction of the liquid crystal molecules, a linear side (side 130a in FIG. 6) inclined from the alignment direction of the first alignment film 140 is provided at the tip.
  • all or at least one first electrode 130 is configured.
  • all or at least one of the first electrodes 130 be configured so that the tip has an acute angle.
  • the extending direction of the second electrode 132 and the alignment direction of the second alignment film 142 may be parallel to each other or may be inclined to each other.
  • the alignment directions of the first alignment film 140 and the second alignment film 142 may be perpendicular to each other, or may be deviated from perpendicular to intersect with each other. Therefore, when referring to one direction in the following explanation, it refers not only to a direction parallel to that direction, but also to a range of greater than 0° and less than or equal to 10°, greater than or equal to 1° and less than or equal to 5°, or greater than or equal to 1° and less than or equal to 3°. Including the direction of inclination.
  • a direction perpendicular to one direction refers not only to a direction perpendicular to that direction, but also to a direction that intersects at an angle of 80° or more and less than 90°, 85° or more and 89° or less, or 87° or more and 89° or less. include.
  • a direction parallel to a direction means not only a direction parallel to that direction, but also a range greater than 0° and less than 10°, more than 1° and less than 5°, or more than 1° and less than 3° from that direction. This includes directions tilted at an angle of .
  • first liquid crystal cells 120-1 to fourth liquid crystal cells 120-4 having the same structure are arranged so as to overlap each other, and adjacent liquid crystal cells 120 They are bonded by an adhesive layer 160 that is transparent to the substrate.
  • the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2 have the same arrangement. Specifically, in both the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, a plurality of first electrodes 130 extend in one direction (here, the y direction), and a plurality of second electrodes 130 extend in one direction (here, the y direction).
  • the electrodes 132 are arranged so as to extend in a direction (here, the x direction) intersecting that direction. Therefore, in each of the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, the alignment directions of the first alignment film 140 and the second alignment film 142 are the y direction and the x direction, respectively.
  • the extending directions of the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132 are orthogonal to each other, and
  • the alignment direction is parallel to the alignment direction of the alignment film 140 and the second alignment film 142.
  • the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4 have the same arrangement, they have a different arrangement from the first liquid crystal cell 120-1 or the second liquid crystal cell 120-2.
  • the plurality of first electrodes 130 extend in the x direction
  • the plurality of second electrodes 132 extend in the y direction. It is arranged so that it stretches. Therefore, in each of the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4, the alignment directions of the first alignment film 140 and the second alignment film 142 are the x direction and the y direction, respectively.
  • the extending directions of the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132 are orthogonal to each other, and the respective first orientations are It is parallel to the alignment direction of the film 140 and the second alignment film 142.
  • the stretching direction of the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 may be completely parallel to the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2, but if these directions are The angle formed may be greater than 0° and less than 10°, more than 1° and less than 5°, or more than 1° and less than 3°.
  • the stretching direction of the second electrode 132 of the first liquid crystal cell 120-1 may be completely parallel to the stretching direction of the second electrode 132 of the second liquid crystal cell 120-2; The angle formed by the angle may be greater than 0° and less than 10°, more than 1° and less than 5°, or more than 1° and less than 3°.
  • the stretching direction of the second electrode 132 of the first liquid crystal cell 120-1 may be completely perpendicular to the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2, but if these directions are The angle formed may be 80° or more and less than 90°, 85° or more and 89° or less, or 87° or more and 89° or less.
  • the stretching direction of the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 may be completely perpendicular to the stretching direction of the second electrode 132 of the second liquid crystal cell 120-2;
  • the angle formed by the angle may be 80° or more and less than 90°, 85° or more and 89° or less, or 87° or more and 89° or less.
  • the extending directions of the first electrode 130 and the second electrode 132 may be shifted from each other within the xy plane. By forming such a shift, interference of light can be suppressed and uneven illuminance can be prevented from occurring. Also between the second liquid crystal cell 120-2 and the third liquid crystal cell 120-3 and between the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4, the first electrode 130 and the A similar relationship may be established for the extending direction of the second electrode 132.
  • Light distribution control by optical element (1) Diffusion of light in each liquid crystal cell
  • the optical element 110 described above diffuses the light emitted from the light source 102 in a certain direction. Therefore, by individually driving a plurality of liquid crystal cells 120, the light from the light source 102 is changed into an arbitrary shape, and as a result, the light distribution of the lighting device 100 is controlled so that the lighting device 100 illuminates the object.
  • the shape of the area to be irradiated (hereinafter referred to as irradiation area) can be arbitrarily controlled.
  • irradiation area the principle of light diffusion in one liquid crystal cell 120 will be explained.
  • FIGS. 8A and 8B are schematic end views showing the state of one liquid crystal cell 120 when not driven.
  • FIG. 8A is a schematic end view viewed from the y direction
  • FIG. 8B is a schematic end view viewed from the x direction.
  • liquid crystal molecules are represented by open ellipses or circles.
  • the case where the liquid crystal cell 120 is not driven is the case where no voltage is applied to the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132, or a case where a constant voltage is applied. In this case, no transverse electric field is generated between the plurality of first electrodes 130 or between the plurality of second electrodes 132.
  • the liquid crystal molecules are aligned according to the alignment directions of the first alignment film 140 and the second alignment film 142. Therefore, near the substrate 122, the liquid crystal molecules are aligned along the alignment direction of the first alignment film 140 (here, the y direction), and as they approach the counter substrate 124, they turn around the z direction as a central axis and are twisted by 90 degrees.
  • One aspect of driving the liquid crystal cell 120 is to adjust the phase between the adjacent first electrodes 130 and the second electrodes 132 with respect to the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132.
  • a pulsed AC voltage is applied so that the voltage is reversed.
  • the frequency of the alternating current voltage is the same.
  • the AC voltage may be selected, for example, from a range of 3V or more and 50V or less, or 3V or more and 30V or less.
  • the extending directions of the first electrode 130 and the second electrode 132 are perpendicular or intersect in the range of 80° or more and less than 90°, 85° or more and 89° or less, or 87° or more and 89° or less, so that the AC voltage is applied.
  • transverse electric fields are generated between the adjacent first electrodes 130 and between the adjacent second electrodes 132, which are perpendicular to each other or intersect with each other in a range of 80° or more and less than 90°.
  • an electric field vertical electric field
  • the thickness of the liquid crystal layer 128 is compared with the distance between the adjacent first electrodes 130 and the second electrode 132. And big. Therefore, since the longitudinal electric field is significantly smaller than the transverse electric field and can be ignored, each liquid crystal molecule is aligned according to the transverse electric field.
  • a component (polarized component) 152 of the light incident on the liquid crystal layer 128 from the opposing substrate 124 of the liquid crystal cell 120 that is parallel to the transverse electric field formed by the second electrode 132 is diffused.
  • Other polarized light components 154 are transmitted.
  • the liquid crystal cell 120 by driving the liquid crystal cell 120 to form an electric field between the adjacent first electrodes 130 and to form an electric field between the adjacent second electrodes 132, the liquid crystal molecules near each substrate are affected by the electric field. It rotates along the orientation (for example, in a direction perpendicular to the orientation direction when not driven).
  • the orientation state achieved when not driven that is, the twisted state in which the orientation of liquid crystal molecules gradually rotates as it moves from the substrate 122 toward the counter substrate 124 when viewed from the z direction, is disrupted, and both Polarized light components 152 and 154 do not undergo optical rotation even if they pass through liquid crystal layer 128. Therefore, the polarized light components 152 and 154 maintain their polarization directions before and after passing through the first liquid crystal cell 120-1, and the refractive index distribution due to the liquid crystal molecules aligned in a direction that matches the direction of each polarized light component is maintained. to be influenced.
  • the polarized light component 152 in the y direction is diffused in the y direction under the influence of the refractive index distribution of liquid crystal molecules on the opposing substrate 124 side, but the polarization axis does not change in the x direction.
  • the polarized light component 154 in the x direction is influenced by the refractive index distribution of the liquid crystal molecules on the substrate 122 side and diffuses in the x direction, but the polarization axis does not change in the y direction.
  • Another aspect of driving the liquid crystal cell 120 is that a pulsed AC voltage is applied to one of the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132, and no voltage is applied to the other. , or a mode in which a constant voltage is applied. Even in this case, the AC voltage is applied so that the phases are reversed between the adjacent first electrodes 130 or between the adjacent second electrodes 132.
  • a pulsed alternating voltage is applied to the plurality of first electrodes 130
  • liquid crystal molecules are aligned in the direction of the transverse electric field on the substrate 122 side, and the liquid crystal molecules are aligned in a convex arc shape between the adjacent first electrodes 130.
  • the liquid crystal molecules assume an upwardly convex alignment along the y direction, which is the direction of the transverse electric field.
  • the twisted state of the liquid crystal molecules when not driven is eliminated, and neither of the polarized light components 152 and 154 rotates even though they pass through the liquid crystal layer 128. Therefore, in this embodiment, only polarized light component 154 can be selectively diffused while maintaining the polarization directions of both polarized light components 152 and 154.
  • one component of the incident light here, the polarized component 152
  • the other polarized component 154 is not diffused. Further, both polarized light components 152 and 154 do not rotate.
  • the liquid crystal cell 120 maintains the polarization direction of both polarization components 152 and 154 by forming a transverse electric field in one of the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132, while maintaining one of the polarization directions of the polarization components 152 and 154. can selectively diffuse polarized light components.
  • the stretching direction of the first electrode 130 and the second electrode 132, the orientation direction of the first alignment film 140 and the second alignment film 142, and the first electrode with respect to the light from the light source 102 entering from the counter substrate 124 side summarizes the effects of whether or not the electrode 130 and the second electrode 132 are driven.
  • Table 1 the arrangement of the liquid crystal cell 120 (i.e., the stretching direction of the first electrode 130 and the second electrode 132, or the orientation direction of the first alignment film 140 and the second alignment film 142) and the By appropriately selecting whether or not to drive the first electrode 130 and the second electrode 132, the two polarized light components can be diffused independently, or the two polarized light components can be optically rotated simultaneously. be.
  • the first liquid crystal cell 120-1 to the fourth liquid crystal cell 120-4 can be driven independently, and each liquid crystal cell 120 can also be driven independently.
  • the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132 can be driven independently. Therefore, in the optical element 110 according to the present embodiment, the plurality of first electrodes 130 and the plurality of second electrodes 132 of the first to fourth liquid crystal cells 120-1 to 120-4 are driven as appropriate. By doing so, the light from the light source 102 can be changed into an arbitrary shape.
  • each liquid crystal cell 120 is driven as shown in Table 2. That is, the first electrode 130 and the second electrode 132 of all the liquid crystal cells 120 are driven.
  • the y-direction polarized component of the incident light is diffused in the y-direction once each by the four liquid crystal cells 120, a total of four times.
  • the polarized light component in the x direction is also diffused in the x direction a total of four times.
  • the incident light that provides a circular irradiation area to light that provides a cross-shaped irradiation area.
  • the spectral state is scattered by that amount, so that coloring of the light can be prevented.
  • the lengths of the cross shape in the x direction and the y direction can be adjusted by appropriately adjusting the alternating current voltage applied to the first electrode 130 and the second electrode 132.
  • the hyphen in Table 2 means that the incident light is transmitted without being diffused or optically rotated unless otherwise specified (the same applies in the following tables).
  • some of the four liquid crystal cells 120 may be driven.
  • the first electrode 130 and the second electrode 132 of the first liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the fourth liquid crystal cell 120-4 are driven.
  • the first electrode 130 and the second electrode 132 of the third liquid crystal cell are not driven.
  • the y-direction polarization component of the incident light is polarized by the first liquid crystal cell 120-1, second liquid crystal cell 120-2, and fourth liquid crystal cell 120-4, respectively.
  • the polarized light component in the x direction of the incident light is diffused in the x direction and polarized in the x direction by the first liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the fourth liquid crystal cell 120-4, respectively.
  • the irradiation area of the light source 102 can be greatly expanded while maintaining its shape. Furthermore, coloring of the light can be prevented by diffusing each polarized light component many times (for example, three or more times).
  • some of the four liquid crystal cells 120 may be driven as shown in Table 4.
  • the second electrodes 132 of the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, and the first electrode 130 of the fourth liquid crystal cell 120-4 are driven.
  • the y-direction polarization component of the incident light is diffused in the y-direction by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2
  • the x-direction polarization component of the incident light is The light is diffused in the y direction by the No. 4 liquid crystal cell 120-4.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed into light that provides a line-shaped irradiation area extending in the y direction.
  • some of the four liquid crystal cells 120 may be driven as shown in Table 5.
  • the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, and the second electrode 132 of the fourth liquid crystal cell 120-4 are driven.
  • the y-direction polarization component of the incident light is rotated by the third liquid crystal cell 120-3 to become an x-polarization component, and is further diffused in the x-direction by the fourth liquid crystal cell 120-4.
  • the x-direction polarized component of the incident light is diffused in the x-direction by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, and is further optically rotated by the third liquid crystal cell 120-3 to y. gives the polarization component of the direction.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed into light that provides a line-shaped irradiation area extending in the x direction.
  • the illumination device 100 it is possible to change the light incident from the light source 102 into light that provides an arbitrary shaped irradiation area using the optical element 110. Furthermore, since each polarized component of the incident light can be diffused many times (for example, three or more times), it is possible to prevent coloring of light whose light distribution has changed, and to reproduce the color of the light from the light source 102. be able to. In this way, the lighting device 100 can achieve sophisticated light distribution control without coloring the light.
  • the first to fourth liquid crystal cells 120-1 to 120-4 included in the optical element 110 have the same structure. Further, in each liquid crystal cell 120, the extending direction of the plurality of first electrodes 130 and the alignment direction of the first alignment film 140 are parallel or form an angle of 0° or more and 10° or less, and the plurality of second electrodes 132 The stretching direction and the orientation direction of the second orientation film 142 are also parallel to each other or form an angle of 0° or more and 10° or less.
  • At least one of the first to fourth liquid crystal cells 120-1 to 120-4 included in the optical element 112 has the same configuration as the liquid crystal cell 120 described in the first embodiment.
  • the others have different structures.
  • a liquid crystal cell having a different structure both polarized light components of the incident light rotate regardless of whether or not the optical element 112 is driven. Therefore, hereinafter, a liquid crystal cell having a different structure will also be referred to as an optically rotating liquid crystal cell.
  • the stretching direction of the plurality of first electrodes 130 and the orientation direction of the first alignment film 140 are perpendicular to each other or at an angle of 80° or more and 90° or less.
  • the extending direction of the plurality of second electrodes 132 and the orientation direction of the second alignment film 142 are also perpendicular to each other or at an angle of 80° or more and 90° or less (see arrows 148 and 150 in FIG. 12).
  • the stretching direction of the first electrode 130 and the stretching direction of the second electrode 132 are perpendicular to each other or form an angle of 80° or more and 90° or less, and the first alignment film
  • the alignment films 140 and the second alignment film 142 are also perpendicular to each other or form an angle of 80° or more and 90° or less.
  • the term “electrode” is used.
  • the stretching direction of the alignment film intersects with the alignment direction of the alignment film.
  • the liquid crystal molecules are aligned according to the alignment directions of the first alignment film 140 and the second alignment film 142, as shown in FIG. 13A, so the alignment direction of the liquid crystal molecules is as follows. Near the substrate 122, the first alignment film 140 is aligned in the x direction (in this case, the If the orientation directions of both orientation films are orthogonal, the orientation will be twisted by 90°). As a result, the light emitted from the light source 102 does not diffuse and only rotates when the liquid crystal cell 120 is not driven, so that the shape of the light emitted from the light source 102 is reflected in the shape of the irradiation area. Furthermore, when the light source 102 emits collimated light with relatively high directivity, a relatively narrow area can be selectively irradiated.
  • the polarized component parallel to the transverse electric field formed by the second electrode 132 is diffused within the liquid crystal layer 128 on the second electrode 132 side. Thereafter, the light rotates in the liquid crystal layer 128 and further diffuses within the liquid crystal layer 128 on the first electrode 130 side. In this manner, in the optically rotating liquid crystal cell 121, optical rotation occurs simultaneously with diffusion during driving. Note that, similarly to the liquid crystal cell 120, by applying an AC voltage to only one of the first electrode 130 and the second electrode 132, it is also possible to selectively diffuse only one polarized light component in one direction. Further, even when an AC voltage is applied to only one of the first electrode 130 and the second electrode 132, the twist of the liquid crystal molecules about the z direction is maintained, so both polarized light components rotate.
  • the stretching direction of the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 is at an angle of 0° or more and 10° or less with respect to the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2.
  • the first liquid crystal cell 120 is arranged so as to form an angle of 80° or more and 90° or less with respect to the extending direction of the first electrode 130 of the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4. -1 to fourth liquid crystal cells 120-4 may be arranged.
  • any one or two of the first liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the fourth liquid crystal cell 120-4 may be used as an optical rotation liquid crystal cell. It is also possible to adopt a configuration in which:
  • the driving method for such optical element 112 may be determined as appropriate, and the light from light source 102 can be changed into various shapes by selecting the driving method.
  • light from the light source 102 is incident on the optical element 112 from the first liquid crystal cell 120-1 side, and the optical element 112 is driven as shown in Table 6. That is, the first electrode 130 and the second electrode 132 of the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, and the second electrode of the third liquid crystal cell 120-3, which is the optical rotation liquid crystal cell 121, drive the electrode 132 of.
  • the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2 without optical rotation, and then functions as the optical rotation liquid crystal cell 121.
  • the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4 rotate the light twice and return it to a polarized light component in the y direction.
  • the polarized light component in the x direction is polarized three times in total by the first liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the third liquid crystal cell 120-3 functioning as the optical rotation liquid crystal cell 121.
  • the light While being diffused, the light is rotated twice by the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4, and returns to a polarized light component in the x direction.
  • the polarized light components in the x and y directions can be diffused multiple times in the x and y directions, respectively, so that the incident light that provides a circular irradiation area can be changed into light that provides a cross-shaped irradiation area. I can do it.
  • each polarized light component is diffused many times (at least three times for the polarized light component in the x direction), coloring of the light can also be effectively suppressed.
  • all four liquid crystal cells 120 may be driven. That is, the first electrode 130 and the second electrode 132 of all the liquid crystal cells 120 including the third liquid crystal cell 120-3 functioning as the optically rotating liquid crystal cell 121 may be driven. Due to such driving, the polarized light component in the y direction of the incident light is not rotated by the first liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the fourth liquid crystal cell 120-4, respectively. The light is diffused in the y direction, the y direction, and the x direction, and is rotated by the third liquid crystal cell 120-3 (ie, the optical rotation liquid crystal cell 121) to become a polarized light component in the x direction.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the first liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the third liquid crystal cell 120-3, and the polarized light component in the 3, and further diffused in the y direction by the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4.
  • the incident light can be diffused in the x and y directions while maintaining a circular irradiation area.
  • each polarized light component is diffused many times (at least three times), coloring of the light can also be effectively suppressed.
  • the optical element 112 may be driven as shown in Table 8. That is, the second electrodes 132 of the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2 are driven, and the first electrodes 132 of the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4 are driven. Electrode 130 may also be driven. In this case, the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction without being rotated by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, and the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the y direction by the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4, and rotated by the third liquid crystal cell 120-3 to form the polarized light component in the y direction.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed into light that provides a line-shaped irradiation area that extends in the y direction.
  • the optical element 112 may be driven as shown in Table 9. That is, the first electrodes 130 of the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2 are driven, and the second electrodes of the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4 are driven. Electrode 132 may also be driven. In this case, the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the x direction without being rotated by the fourth liquid crystal cell 120-4, and the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the x direction by the fourth liquid crystal cell 120-3 (i.e., the optical rotation liquid crystal cell 121). The light rotates and becomes a polarized light component in the x direction.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, and is diffused in the x direction and optically rotated by the third liquid crystal cell 120-3.
  • the light changes into y-component light.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed into light that provides a line-shaped irradiation area that extends in the x direction.
  • at least one polarized light component (the polarized light component in the x direction) is also diffused many times (at least three times), coloring of the light can also be effectively suppressed.
  • the structure of the optical element 112 is not limited to this, and may include a plurality of optically rotating liquid crystal cells 121.
  • the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2 may be optically rotating liquid crystal cells 121.
  • the stretching direction of the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 is at an angle of 0° or more and 10° or less with the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2.
  • the fourth liquid crystal cells 120-1 to 120-4 may be arranged.
  • the method of driving the optical element 112 according to Modification 1 is also arbitrary, it may be driven as shown in Table 10, for example. That is, the second electrode 132 of the first liquid crystal cell 120-1, the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2, and the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4. The first electrode 130 and the second electrode 132 may be driven.
  • the polarized component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction by the first liquid crystal cell 120-1, the third liquid crystal cell 120-3, and the fourth liquid crystal cell 120-4, and then Since the light is rotated twice by the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2, it provides a polarized light component in the y direction that is diffused three times in the y direction.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the second liquid crystal cell 120-2, the third liquid crystal cell 120-3, and the fourth liquid crystal cell 120-4, and Since the light is rotated twice by the liquid crystal cell 1 and the second liquid crystal cell 120-2, it provides a polarized light component in the x direction that is diffused three times in the x direction.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed to light that provides a cross-shaped irradiation area.
  • both polarized light components are diffused many times (at least three times), coloring of the light can also be effectively suppressed.
  • Modification example 2 When using the optical rotation liquid crystal cell 121 as the first liquid crystal cell 120-1 and the second liquid crystal cell 120-2 as in Modification 1, as shown in FIG.
  • the extending direction of the electrode 130 of the third liquid crystal cell 120-3 forms an angle of 0° or more and 10° or less with respect to the extending direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2 and the fourth liquid crystal cell 120-2.
  • the first to fourth liquid crystal cells 120-1 to 120-4 are arranged so as to form an angle of 80° or more and 90° or less with respect to the extending direction of the first electrode 130 of the liquid crystal cell 120-4. It's okay.
  • the method for driving the optical element 112 according to the second modification is also arbitrary, for example, as shown in Table 11, the same driving method as in the first modification may be adopted. That is, the second electrode 132 of the first liquid crystal cell 120-1, the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2, and the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4. The first electrode 130 and the second electrode 132 may be driven. In this case, the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction by the first liquid crystal cell 120-1 to the fourth liquid crystal cell 120-4. Since the light is rotated twice by the liquid crystal cell 120-2, it provides a polarized light component in the y direction that is diffused four times in the y direction.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4, and Since the light is rotated twice by As a result, the incident light that provides a circular irradiation area can be changed to light that provides a cross-shaped irradiation area. Furthermore, since at least one polarized component is diffused many times (at least three times), coloring of the light can also be effectively suppressed.
  • Modification example 3 When two optically rotating liquid crystal cells 121 are used as in Modifications 1 and 2, as shown in FIG. Good too.
  • the stretching direction of the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 is at an angle of 0° or more and 10° or less with respect to the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2.
  • the first liquid crystal is arranged at an angle of 80° or more and 90° or less with respect to the extending direction of the first electrode 130 of the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4.
  • Cells 120-1 to 4th liquid crystal cells 120-4 may be arranged.
  • the optical element 112 may be driven as shown in Table 12, for example. That is, it is not necessary to drive the second electrodes 132 of the first liquid crystal cell 120-1 and the third liquid crystal cell 120-3, but not to drive the other electrodes.
  • the polarized light component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction by the first liquid crystal cell 120-1, and is further rotated four times by the first liquid crystal cell 120-1 to the fourth liquid crystal cell 120-4. Since the light is emitted, a polarized light component in the y direction that is diffused once in the y direction is provided.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the third liquid crystal cell 120-3 and rotated four times by the first liquid crystal cell 120-1 to the fourth liquid crystal cell 120-4. gives the x-direction polarization component that is diffused once.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed to light that provides a cross-shaped irradiation area.
  • Modification example 4 When two optically rotating liquid crystal cells 121 are used as in Modifications 1 to 3, as shown in FIG. Good too.
  • the stretching direction of the first electrode 130 of the first liquid crystal cell 120-1 is 0° or more and 10° with respect to the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2.
  • the first A fourth liquid crystal cell 120-1 to a fourth liquid crystal cell 120-4 may be arranged.
  • the optical element 112 may be driven as shown in Table 13, for example. That is, the first electrode 130 of the third liquid crystal cell 120-3, and the second electrode of the first liquid crystal cell 120-1, the third liquid crystal cell 120-3, and the fourth liquid crystal cell 120-4. 132 and not drive the other electrodes.
  • the y-direction polarized component of the incident light is diffused in the y-direction by the first liquid crystal cell 120-1 and the third liquid crystal cell 120-3, and Since the light is rotated three times by the liquid crystal cell 120-2 and the fourth liquid crystal cell 120-4, it provides a polarized light component in the x direction that is diffused twice in the y direction.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the third liquid crystal cell 120-3 and the fourth liquid crystal cell 120-4, and , and the fourth liquid crystal cell 120-4, the light is rotated three times, giving a polarized light component in the y direction that is diffused twice in the x direction.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed to light that provides a cross-shaped irradiation area.
  • Modification example 5 When using optical rotation liquid crystal cells 121 as the first liquid crystal cell 120-1 and the fourth liquid crystal cell 120-4 as in modification 4, as shown in FIG.
  • the stretching direction of the first electrode 130 is 0° with respect to the stretching direction of the first electrode 130 of the second liquid crystal cell 120-2, the third liquid crystal cell 120-3, and the fourth liquid crystal cell 120-4.
  • the first liquid crystal cell 120-1 to the fourth liquid crystal cell 120-4 may be arranged so as to form an angle of 10° or less.
  • the method for driving the optical element 112 according to Modification 5 is also arbitrary, for example, as shown in Table 14, the same driving method as in Modification 4 may be adopted. That is, the first electrode 130 of the third liquid crystal cell 120-3, and the second electrode of the first liquid crystal cell 120-1, the third liquid crystal cell 120-3, and the fourth liquid crystal cell 120-4. 132 and not drive the other electrodes.
  • the polarized component in the y direction of the incident light is diffused in the y direction by the first liquid crystal cell 120-1, the third liquid crystal cell 120-3, and the fourth liquid crystal cell 120-4, and Since the light is rotated three times by the liquid crystal cell 120-1, the second liquid crystal cell 120-2, and the fourth liquid crystal cell 120-4, it provides a polarized light component in the x direction that is diffused three times in the y direction.
  • the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the third liquid crystal cell 120-3, and the polarized light component in the x direction is diffused in the x direction by the third liquid crystal cell 120-3.
  • the light rotates three times, giving a polarized light component in the y direction that is diffused once in the x direction.
  • the incident light that provides a circular irradiation area can be changed to light that provides a cross-shaped irradiation area.
  • at least one polarized component is diffused many times (at least three times), coloring of the light can also be effectively suppressed.
  • the light from the light source 102 can be changed into light that provides an arbitrary irradiation area. Furthermore, by appropriately selecting the structure and arrangement of the plurality of liquid crystal cells 120 in the optical elements 110 and 112, it is possible to suppress coloring of light whose light distribution has changed. Therefore, the lighting device 100 including the optical elements 110 and 112 according to the embodiment of the present invention can function as a lighting device that can provide various illumination areas.
  • the embodiments described above as embodiments of the present invention can be implemented in appropriate combinations as long as they do not contradict each other.
  • the present invention also applies to display devices in which a person skilled in the art appropriately adds, deletes, or changes the design of components based on the display device of each embodiment, or adds, omit, or changes conditions in a process. As long as it has the gist, it is within the scope of the present invention.

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Abstract

光学素子は、互いに重なるように順に配置された第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルを備える光学素子である。第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルの各々は、ストライプ状に配列され、第１の延伸方向に延伸する複数の第１の電極、複数の第１の電極上の第１の配向膜、第１の配向膜上の液晶層、液晶層上の第２の配向膜、および第２の配向膜上に位置し、ストライプ状に配列され、第２の延伸方向に延伸し、複数の第１の電極と交差する複数の第２の電極を有する。さらなる詳細構造は、明細書において説明される。

Description

光学素子および光学素子を含む照明装置
　本発明の実施形態の一つは、光学素子および光学素子を含む照明装置に関する。例えば、本発明の実施形態の一つは、光源、および光源からの光の照射領域を任意に制御できる光学素子を含む照明装置に関する。
　近年、光源から出射される光を液晶を含む光学素子を用いて制御することにより、光源の照射領域や照射距離を制御できる照明装置が開発されている。例えば特許文献１には、液晶層と一対の櫛型電極を有する光学素子が開示されている。一対の櫛型電極間に電位差を形成することで液晶層内の液晶分子の配向が変化して液晶層内に屈折率分布が形成される。この屈折率分布を適宜制御することで液晶層はレンズとして機能する。
特開２０１４－１６０２７７号公報
　本発明の実施形態の一つは、光源から入射される光の配光状態を変化させることが可能な光学素子、および当該光学素子を含む照明装置を提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、出射光の色付きを可及的に抑制しつつ配光状態を変化させることができる光学素子、および当該光学素子を含む照明装置を提供することを課題の一つとする。
　本発明の実施形態の一つは、互いに重なるように順に配置された第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルを備える光学素子である。第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルの各々は、ストライプ状に配列され、第１の延伸方向に延伸する複数の第１の電極、複数の第１の電極上の第１の配向膜、第１の配向膜上の液晶層、液晶層上の第２の配向膜、および第２の配向膜上に位置し、ストライプ状に配列され、第１の延伸方向に交差する第２の延伸方向に延伸する複数の第２の電極を有する。第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルの各々において、第１の配向膜と第２の配向膜は、複数の第１の電極と複数の第２の電極に電圧が印加されない状況では、液晶層に含まれる液晶分子を互いに交差する第１の配向方向と第２の配向方向にそれぞれ配向するように構成され、第１の延伸方向と第１の配向方向の間の角度は１０°以内であり、第２の延伸方向と第２の配向方向の間の角度は１０°以内である。第１の液晶セルの第１の延伸方向は、第２の液晶セルの第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、第３の液晶セルと第４の液晶セルの第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす。
　本発明の実施形態の一つは、互いに重なるように順に配置された第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルを備える光学素子である。第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルの各々は、ストライプ状に配列され、第１の延伸方向に延伸する複数の第１の電極、複数の第１の電極上の第１の配向膜、第１の配向膜上の液晶層、液晶層上の第２の配向膜、および第２の配向膜上に位置し、ストライプ状に配列され、第１の延伸方向と交差する第２の延伸方向に延伸する複数の第２の電極を有する。第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルの各々において、第１の配向膜と第２の配向膜は、複数の第１の電極と複数の第２の電極に電圧が印加されない状況では、液晶層に含まれる液晶分子を互いに交差する第１の配向方向と第２の配向方向にそれぞれ配向するように構成される。第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルの少なくとも一つの液晶セルにおいて、第１の延伸方向と第１の配向方向の間の角度は１０°以内であり、第２の延伸方向と第２の配向方向の間の角度は１０°以内である。上記少なくとも一つの液晶セル以外の液晶セルにおいて、第１の延伸方向と第１の配向方向の間の角度は８０°以上９０°以下であり、第２の延伸方向と第２の配向方向の間の角度は８０°以上９０°以下である。
本発明の実施形態に係る照明装置の模式的展開斜視図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の一部の模式的斜視図。 本発明の実施形態に係る光学素子の一部の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の一部の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の一部の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の一部の模式的上面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式図。 本発明の実施形態に係る光学素子の一部の模式的斜視図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の動作を説明する模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。 本発明の実施形態に係る光学素子の模式的端面図。
　以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
　図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。同一、あるいは類似する複数の構造を総じて表す際にはこの符号が用いられ、これらを個々に表す際には符号の後にハイフンと自然数が加えられる。
　本明細書および請求項において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りのない限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。
　本明細書および請求項において、「ある構造体が他の構造体から露出する」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない態様を意味し、この他の構造体によって覆われていない部分は、さらに別の構造体によって覆われる態様も含む。また、この表現で表される態様は、ある構造体が他の構造体と接していない態様も含む。
＜第１実施形態＞
　本実施形態では、本発明の実施形態の一つである光学素子１１０を含む照明装置１００について説明する。
１．全体構造
　図１に照明装置１００の模式的展開斜視図を示す。図１に示すように、照明装置１００は、基本的な構成として、光源１０２、および光源１０２と重なる光学素子１１０を備える。光源１０２は光学素子１１０に対して光を照射するように構成され、図示しない一つまたは複数の発光素子を含む。発光素子としては、有機または無機発光素子（ＬＥＤ）が例示される。有機ＬＥＤは、一対の電極間に発光性有機化合物が挟持された発光素子であり、無機ＬＥＤは、一対の電極間にアルミニウムガリウムヒ素、ガリウムヒ素リン、インジウム窒化ガリウム、窒化ガリウム、アルミニウム窒化ガリウム、リン化ガリウムなどの無機発光材料が挟持された発光素子である。光源１０２は、指向性の比較的高いコリメート光が光学素子１１０に照射されるように構成することが好ましい。
　光学素子１１０は、光源１０２と重なり、かつ、互いに重なる複数の液晶セル１２０を含む。複数の液晶セル１２０の数には制約はないが、２枚、４枚またはそれ以上の液晶セル１２０が一つの光学素子１１０に含まれることが好ましい。隣り合う液晶セル１２０は、図１では示されない光透過性の接着層によって貼り合わされる。詳細は後述するが、各液晶セル１２０は一対の基板とその間に設けられる電極や液晶層などの構造体によって構成され、光源１０２からの光を拡散する機能を有する。以下、基板が形成する主面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ方向とする。したがって、光学素子１１０はｚ方向において光源１０２と重なり、複数の液晶セル１２０も互いにｚ方向で重なり合う。以下の説明では、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４がこの順で光源１０２側から配置された態様を用いて説明する。
２．液晶セル
　液晶セル１２０の光源１０２側から見た模式的上面図を図２Ａと図２Ｂに示す。図２Ａでは、一対の基板（基板１２２と対向基板１２４）のうち対向基板１２４が省略されている。図２Ａと図２Ｂの鎖線Ａ－Ａ´、Ｂ－Ｂ´に沿った端面の模式図がそれぞれ図３Ａと図３Ｂである。
　これらの図から理解されるように、各液晶セル１２０は、基板１２２上に設けられる複数の第１の電極１３０、複数の第１の電極１３０上の第１の配向膜１４０、第１の配向膜１４０上の液晶層１２８、液晶層１２８上の第２の配向膜１４２、第２の配向膜１４２上の複数の第２の電極１３２、および複数の第２の電極１３２上の対向基板１２４を含む。
（１）基板と対向基板
　基板１２２と対向基板１２４は、枠状に設けられる封止材１２６を介して互いに接合されており、それぞれ複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２を支持するための基材として機能するとともに、液晶層１２８を封止する。基板１２２と対向基板１２４は、光源１０２からの光を透過して照明機能を発現するため、発光素子１１４からの光に対して高い透過率を示す材料を含むことが好ましい。したがって、例えばガラスや石英、またはポリイミドやポリカルボナート、ポリエステル、アクリル樹脂などの高分子材料を含むように基板１２２と対向基板１２４を構成することが好ましい。基板１２２と対向基板１２４は、外部からの力によって変形しない強度を有するように構成してもよく、あるいは弾性変形するように構成してもよい。図１に示すように、基板１２２と対向基板１２４は、基板１２２の主面の一部が対向基板１２４から光源１０２側に露出し、対向基板１２４の主面の一部が基板１２２から光源１０２に対して反対側に露出するように接合してもよい。
（２）第１の電極と第２の電極
　図３Ａと図３Ｂに示すように、複数の第１の電極１３０は、基板１２２と接するように、あるいは図示しないアンダーコートを介して基板１２２上に設けられる。アンダーコートは、窒化ケイ素や酸化ケイ素などのケイ素含有無機化合物を含む一つまたは複数の膜によって形成することができる。第１の電極１３０は、液晶セル１２０に高い透光性を付与するため、インジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）やインジウム－亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの可視光に対して高い透過率を示す導電性酸化物で形成することが好ましい。あるいは、光源１０２からの光が透過可能なように、複数の開口を有するメッシュ状の金属薄膜で第１の電極１３０を構成してもよい。図２Ａから理解されるように、複数の第１の電極１３０は、互いに同一の方向に延伸するとともに、ストライプ状に配置される。各第１の電極１３０の長さ（第１の電極１３０の延伸方向の長さ）は、光学素子１１０の大きさにも依存するが、例えば５ｃｍ以上１５ｃｍ以下または１ｃｍ以上１０ｃｍ以下の範囲から選択すればよい。隣り合う二つの第１の電極１３０の間隔は、例えば１μｍ以上３０μｍまたは３μｍ以上２０μｍの範囲から選択すればよい。
　同様に、複数の第２の電極１３２も対向基板１２４の上（図３Ａ、図３Ｂでは対向基板１２４の下。以下、同じ。）に直接またはアンダーコートを介して設けられる。液晶セル１２０に高い透光性を付与するため、第２の電極１３２もＩＴＯやＩＺＯなどの可視光に対して高い透過率を示す導電性酸化物で形成する、あるいは複数の開口を有するメッシュ状の金属薄膜で構成することが好ましい。図２Ａから図３Ｂに示すように、複数の第２の電極１３２も互いに同一の方向に延伸するとともに、ストライプ状に配置される。各第２の電極１３２の長さ（第２の電極１３２の延伸方向の長さ）も５ｃｍ以上１５ｃｍ以下または１ｃｍ以上１０ｃｍ以下の範囲から選択すればよい。また、隣り合う二つの第２の電極１３２の間隔も、例えば１μｍ以上３０μｍまたは３μｍ以上２０μｍの範囲から選択すればよい。
　ここで、複数の第１の電極１３０と第２の電極１３２は互いに交差するように設けられる。第１の電極１３０の延伸方向と第２の電極１３２の延伸方向は互いに垂直でもよいが、これらの方向が完全に垂直でないことが好ましい。例えば、第１の電極１３０の延伸方向と第２の電極１３２の延伸方向がなす角度は、８０°以上９０°未満の範囲で設定してもよい。このように、第２の電極１３２の延伸方向と第１の電極１３０の延伸方向を垂直からずらすことで、第１の電極１３０と第２の電極１３２による光の干渉が抑制され、光源１０２からの光に意図しない着色が生じたり斑が発生したりする不具合を防止することができる。
　複数の第１の電極１３０には、パルス状の交流電圧（交流矩形波）が印加される。ただし、隣り合う二つの第１の電極１３０間で位相が逆転するように交流電圧が印加される。同様に、複数の第２の電極１３２にも、隣り合う二つの第２の電極１３２間で位相が逆転するようにパルス状の交流電圧が印加される。また、第１の電極１３０と第２の電極１３２は独立して駆動するよう、第１の電極１３０と第２の電極１３２が構成される。したがって、第１の電極１３０だけに交流電圧を印加し、第２の電極１３２には電圧を印加しない、または一定電圧を供給することも可能であり、その逆も可能である。
　図３Ａに示すように、複数の第１の電極１３０から一つおきに選択される第１の電極１３０は第１の配線１３４－１と接続され、残りの第１の電極１３０も第１の配線１３４－１とは異なる第２の配線１３４－２と接続される（図２Ａ参照。）。第１の配線１３４－１と第２の配線１３４－２は、それぞれ基板１２２上で対向基板１２４から露出し、端子１３６－１、１３６－２を形成する。これらの端子１３６－１、１３６－２を介して図示しない外部回路から交流電圧が印加される。同様に、複数の第２の電極１３２から一つおきに選択される第２の電極１３２も第３の配線１３４－３と接続され、残りの第２の電極１３２も第３の配線１３４－３と異なる第４の配線１３４－４と接続される（図３Ｂ）。第３の配線１３４－３と第４の配線１３４－４は、対向基板１２４上で基板１２２から露出してそれぞれ端子１３６－３、１３６－４を形成し、これらの端子１３６－３、１３６－４を介して図示しない外部回路から交流電圧が印加される。このような構成により、基板１２２側の複数の第１の電極１３０と対向基板１２４側の複数の第２の電極１３２を独立して駆動することができる。さらに、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４もそれぞれ独立して駆動することができる。
（３）液晶層、第１の配向膜、および第２の配向膜
　液晶層１２８には液晶分子が含まれる。液晶分子の構造は限定されない。したがって、液晶分子はネマチック液晶でもよく、あるいはスメクチック液晶でもよい。液晶分子としては、長軸方向の誘電率が長軸に対して垂直な方向の誘電率よりも大きいポジ型液晶が用いられる。液晶層１２８は、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２に挟まれるように、基板１２２、対向基板１２４、および封止材１２６によって形成される空間に封止される。
　液晶層１２８の厚さ、すなわち、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２との間の距離も任意であるが、第１の電極１３０や第２の電極１３２のピッチよりも大きいことが好ましい。例えば、液晶層１２８の厚さは、第１の電極１３０または第２の電極１３２のピッチに対して２倍以上１０倍以下、２倍以上５倍以下、または２倍以上３倍以下に設定することが好ましい。具体的な液晶層１２８の厚さは、例えば１０μｍ以上６０μｍ以下または１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲から選択すればよい。図示しないが、この厚さを各液晶セル１２０の全体に亘って維持するためのスペーサを液晶層１２８内に設けてもよい。なお、上述した液晶層１２８の厚さを液晶表示装置において採用した場合、動画を表示するために必要な高い応答性を得ることができず、液晶表示装置としての機能を発現することが困難となる。
　第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２は、ポリイミドやポリエステルなどの高分子を含み、液晶層１２８を挟持する。第１の配向膜１４０は、隣合う第１の電極１３０間に電位差が生じていない状況において、液晶層１２８に含まれる液晶分子を一定方向に配向するように構成される。同様に、第２の配向膜１４２も、隣合う第２の電極１３２間に電位差が生じていない状況において、液晶層１２８に含まれる液晶分子を一定方向に配向するように構成される。以下、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２が無電界状態で液晶分子を配向させる方向を配向方向と呼ぶ。配向方向は、例えばラビング処理によって付与すればよい。あるいは、光配向によって第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２に配向方向を付与してもよい。光配向は、光を用いたラビングレスの配向処理であり、例えば、紫外領域の偏光を所定方向からラビング処理していない配向膜に照射する。これによって配向膜中で光反応を生じさせ、その配向膜表面に異方性を導入して液晶配向制御能を付与する。
　ここで、図４に示すように、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２は、これらの配向方向が互いに直交する、または、互いになす角度が８０°以上９０°以下となるように構成される（図４における白抜き矢印１４４、１４６参照）。
　一方、複数の第１の電極１３０と第１の配向膜１４０は、図５Ａに示すように、複数の第１の電極１３０の延伸方向と第１の配向膜１４０の配向方向（白抜き矢印１４４参照。）が互いに平行になるように配置してもよく、図５Ｂに示すように、複数の第１の電極１３０の延伸方向が第１の配向膜１４０の配向方向から傾くように配置してもよい。後者の場合には、複数の第１の電極１３０の延伸方向と第１の配向膜１４０の配向方向がなす角度は、０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下の範囲から選択すればよい。複数の第１の電極１３０の延伸方向が第１の配向膜１４０の配向方向から傾くことにより、横電界発生時に液晶分子がツイストする方向を固定することができるので、液晶分子の応答性が向上し、かつ、液晶分子の回転方向のばらつきに起因する液晶層１２８の屈折率分布の乱れを防止することができる。
　図示しないが、複数の第２の電極１３２と第２の配向膜１４２との関係も同様である。すなわち、複数の第２の電極１３２と第２の配向膜１４２は、複数の第２の電極１３２の延伸方向が第２の配向膜１４２の配向方向に対して平行になるように配置してもよく、複数の第２の電極１３２の延伸方向が第２の配向膜１４２の配向方向から０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下の範囲で傾くように配置してもよい。上述したように、複数の第２の電極１３２の延伸方向と第２の配向膜１４２の配向方向間の傾きにより、液晶分子の応答性が向上し、液晶層１２８の屈折率分布を精密に制御することができる。なお、このように、電極の延伸方向と当該電極を覆う配向膜の配向方向のなす角が０°～１０°以下の関係にある時、「電極の延伸方向と配向膜の配向方向が揃う」と称してよい。
　ここで、各第１の電極１３０の延伸方向とは、第１の電極１３０全体が直線形状を有する場合には、第１の配線または第２の配線との交点から第１の電極１３０の先端までの方向である。ただし、図５Ｃに示すように、各第１の電極１３０は、複数の直線部を含む屈曲構造を有することができる。この場合には、少なくとも一つの直線部の延伸方向が第１の配向膜１４０の配向方向から０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下の範囲で傾くように複数の第１の電極１３０を配置する。第２の電極１３２についても同様である。すなわち、各第２の電極１３２の延伸方向とは、第２の電極１３２全体が直線形状を有する場合には、第３の配線または第４の配線との交点から第２の電極１３２の先端までの方向である。図示しないが、各第２の電極１３２も複数の直線部を含む屈曲構造を有することができ、この場合には、少なくとも一つの直線部の延伸方向が第２の配向膜１４２の配向方向から０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下の範囲で傾くように複数の第２の電極１３２を配置する。このように、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２の各々において、第１の配向膜１４０または第２の配向膜１４２の配向方向から傾いた直線部を一つまたは複数形成することで、液晶分子の回転方向を規制し、屈折率分布を精密に制御することが可能となる。
　なお、各液晶セル１２０において、液晶分子の回転方向をさらに精密に規制するために、第１の配向膜１４０の配向方向から傾く直線状の辺（図６における辺１３０ａ）を先端に有するよう、全てまたは少なくとも一つの第１の電極１３０を構成することが好ましい。換言すると、先端が鋭角を有するように全てまたは少なくとも一つの第１の電極１３０を構成することが好ましい。このように各第１の電極１３０を構成することにより、隣り合う第１の電極１３０間に電位差を与えた際、先端部において横電界の方向が第１の配向膜１４０の配向方向に対して垂直になることを避けることができるので、液晶の回転方向を規制することができる。第２の電極１３２についても同様である。
３．光学素子における複数の液晶セルの配置
　本実施形態における第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４の配置について、図７の模式的端面図を用いて説明する。以下の説明では、第１の電極１３０と第２の電極１３２の延伸方向、および第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向を互いに直交するｘ方向とｙ方向を用いて説明するが、上述したように、各液晶セル１２０において、第１の電極１３０の延伸方向と第１の配向膜１４０の配向方向は平行でもよく、互いに傾いてもよい。同様に、各液晶セル１２０において、第２の電極１３２の延伸方向と第２の配向膜１４２の配向方向は平行でもよく、互いに傾いてもよい。さらに、各液晶セル１２０において、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向は直交してもよく、あるいは垂直からずれるように交差してもよい。したがって、以下の説明において一つの方向を指す場合には、当該方向に平行な方向のみならず、０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下の範囲で傾く方向も含む。また、一つの方向に直交する方向とは、当該方向に垂直な方向のみならず、８０°以上９０°未満、８５°以上８９°以下、または８７°以上８９°以下の角度で交差する方向を含む。同様に、一つの方向に平行な方向とは、当該方向に平行な方向のみならず、当該方向から０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下の範囲の角度で傾く方向も含む。
　図７に示すように、光学素子１１０では、構造が同一の第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４が互いに重なるように配置され、隣り合う液晶セル１２０は、可視光を透過する接着層１６０によって接合される。
　第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２は同一の配置をとる。具体的には、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２は、いずれも複数の第１の電極１３０が一方向（ここではｙ方向）に延伸し、複数の第２の電極１３２が当該方向と交差する方向（ここではｘ方向）に延伸するように配置される。したがって、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の各々において、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向は、それぞれｙ方向とｘ方向となる。換言すると、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の各々において、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２の延伸方向は互いに直交し、それぞれ第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向と平行である。
　一方、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４は互いに同一の配置をとるものの、第１の液晶セル１２０－１または第２の液晶セル１２０－２とは異なる配置をとる。具体的には、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４は、いずれも複数の第１の電極１３０がｘ方向に延伸し、複数の第２の電極１３２がｙ方向に延伸するように配置される。したがって、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の各々において、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向は、それぞれｘ方向とｙ方向となる。第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の各々においても、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２の延伸方向は互いに直交し、それぞれ第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向と平行である。
　なお、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向は、第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０の延伸方向と完全に平行でもよいが、これらの方向がなす角度は０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下でもよい。同様に、第１の液晶セル１２０－１の第２の電極１３２の延伸方向は、第２の液晶セル１２０－２の第２の電極１３２の延伸方向と完全に平行でもよいが、これらの方向がなす角度は０°より大きく１０°以下、１°以上５°以下、または１°以上３°以下でもよい。さらに、第１の液晶セル１２０－１の第２の電極１３２の延伸方向は、第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０の延伸方向と完全に垂直でもよいが、これらの方向がなす角度は８０°以上９０°未満、８５°以上８９°以下、または８７°以上８９°以下でもよい。同様に、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向は、第２の液晶セル１２０－２の第２の電極１３２の延伸方向と完全に垂直でもよいが、これらの方向がなす角度は８０°以上９０°未満、８５°以上８９°以下、または８７°以上８９°以下でもよい。したがって、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の間において、第１の電極１３０と第２の電極１３２の延伸方向は、ｘｙ平面内で互いにずれてもよい。このようなずれを形成することで光の干渉が抑制され、照度むらの発生を防止することができる。第２の液晶セル１２０－２と第３の液晶セル１２０－３の間、および第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の間においても、第１の電極１３０と第２の電極１３２の延伸方向について、同様の関係を構築してもよい。
４．光学素子による配光制御
（１）各液晶セルにおける光の拡散
　上述した光学素子１１０は、光源１０２から照射される光を一定方向に拡散する。このため、複数の液晶セル１２０を個別に駆動することで、光源１０２からの光を任意の形状に変化させ、その結果、照明装置１００の配光を制御して照明装置１００が対象物を照射する領域（以下、照射領域）の形状を任意に制御することができる。ここでは、一つの液晶セル１２０における光の拡散の原理について説明する。
ア　非駆動時
　一つの液晶セル１２０の非駆動時の状態を表す模式的端面図を図８Ａと図８Ｂに示す。図８Ａはｙ方向から見た模式的端面図であり、図８Ｂはｘ方向から見た模式的端面図である。以下の図では、液晶分子は白抜きの楕円または円で表されている。
　液晶セル１２０を駆動しない場合とは、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２に電圧を与えない、または、一定の電圧を与える場合である。この場合、複数の第１の電極１３０の間にも複数の第２の電極１３２の間にも横電界は生じない。非駆動時には、電界は存在しないので、液晶分子は第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向に従って配向する。このため、液晶分子は、基板１２２付近では第１の配向膜１４０の配向方向（ここではｙ方向）に沿って配向し、対向基板１２４に近づくにつれてｚ方向を中心軸として旋回し、９０°捻じれる。その結果、光源１０２から出射した光は、一方の基板から他方の基板に向けて液晶層を通過する時に液晶分子の捻じれ状態に沿って偏光成分が回転する（この現象を旋光という）ものの、液晶分子は屈折率分布を生じていないため、拡散などの現象は生じない。これにより、光源１０２から出射した光の形状が照射領域の形状に反映される。また、光源１０２が指向性の比較的高いコリメート光を出射する場合には、比較的狭い領域を選択的に照射することができる。
イ　駆動時
　液晶セル１２０の駆動時の一つの態様は、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２に対し、隣り合う第１の電極１３０間と第２の電極１３２間で位相が反転するようにパルス状の交流電圧が印加される態様である。それぞれの液晶セル１２０内で、交流電圧の周波数は同一である。交流電圧は、例えば３Ｖ以上５０Ｖ以下、または３Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲から選択すればよい。第１の電極１３０と第２の電極１３２の延伸する方向は直交または８０°以上９０°未満、８５°以上８９°以下、または８７°以上８９°以下の範囲で交差するので、交流電圧の印加により、隣り合う第１の電極１３０間および隣り合う第２の電極１３２間に、互いに直交するまたは８０°以上９０°未満の範囲で交差する横電界が発生する。第１の電極１３０と第２の電極１３２間でも電界（縦電界）が発生するが、液晶層１２８の厚さは、隣り合う第１の電極１３０間や第２の電極１３２間の間隔と比較して大きい。このため、縦電界は横電界に対して著しく小さく、無視することができるので、各液晶分子は横電界に従って配向する。
　液晶層１２８内に横電界が発生すると、第１の電極１３０側の液晶分子は、横電界の方向に配向しつつ、隣り合う第１の電極１３０間で上に凸の円弧状に配向する（図９Ａ）。第２の電極１３２側でも同様であり、液晶分子は横電界の方向に配向しつつ、隣り合う第２の電極１３２間で下に凸の円弧状に配向する（図９Ｂ）。このような液晶分子の配向変化によって液晶層１２８内に屈折率分布が生じる。その結果、図１０に示すように、液晶セル１２０の対向基板１２４から液晶層１２８に入射した光のうち第２の電極１３２が形成する横電界に平行な成分（偏光成分）１５２が拡散し、他の偏光成分１５４は透過する。ここで、液晶セル１２０を駆動して隣り合う第１の電極１３０間に電界を形成させ、隣り合う第２の電極１３２間に電界を形成させることで、各基板近傍の液晶分子はそれぞれ電界の向きに沿うように（例えば非駆動時の配向方向に直交する方向に）回転する。その結果、非駆動時において実現されていた配向状態、すなわち、ｚ方向から見た場合に液晶分子の向きが基板１２２から対向基板１２４に向かうにつれて徐々に回転していく捻じれ状態が崩れ、両偏光成分１５２、１５４は、液晶層１２８を通過しても旋光しない。したがって、偏光成分１５２、１５４は、第１の液晶セル１２０－１を通過する前後で偏光方向を維持しつつ、それぞれの偏光成分の向きに一致する方向に配向された液晶分子による屈折率分布の影響を受ける。より具体的には、ｙ方向の偏光成分１５２は対向基板１２４側の液晶分子による屈折率分布の影響を受けてｙ方向に拡散するが、ｘ方向に偏光軸を変化させない。また、ｘ方向の偏光成分１５４は基板１２２側の液晶分子による屈折率分布の影響を受けてｘ方向に拡散するが、ｙ方向に偏光軸を変化させない。
　液晶セル１２０の駆動時の他の態様は、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２の一方に対してパルス状の交流電圧が印加され、他方に対しては電圧を印加しない、または一定電圧を印加する態様である。この場合でも、隣り合う第１の電極１３０の間または隣り合う第２の電極１３２の間で位相が逆転するように交流電圧が印加される。例えば複数の第１の電極１３０に対してパルス状の交流電圧を印加する場合、基板１２２側では液晶分子は横電界の方向に配向しつつ、隣り合う第１の電極１３０間で凸の円弧状に配向し（図１１）、液晶層１２８に屈折率分布が生じる。このため、図１１に示すように、液晶セル１２０の対向基板１２４から液晶層１２８に入射した光は、第２の電極１３２側の液晶層１２８によって拡散されない。しかしながら、第１の電極１３０側の液晶層１２８において形成された屈折率分布により、第１の電極１３０側の横電界の方向に平行な偏光成分１５４が選択的に拡散し、他方の偏光成分１５２は拡散されない。このとき、第２の電極１３２側の液晶層１２８では、非駆動時の配向が維持されて液晶分子はｙ方向に配向する。また、第１の電極１３０側でも、液晶分子は横電界の方向であるｙ方向に沿って上に凸の配向状態をとる。その結果、非駆動時の上記液晶分子の捻じれ状態が解消され、両偏光成分１５２、１５４は、いずれも液晶層１２８を通過しても旋光しない。したがって、この態様では、両偏光成分１５２、１５４の偏光方向を維持しつつ、偏光成分１５４だけを選択的に拡散することができる。
　詳細な説明は割愛するが、複数の第１の電極１３０に電圧を印加せず、または一定電圧を印加すると同時に複数の第２の電極１３２に対してパルス状の交流電圧を印加する場合も同様である。この場合、入射光の一方の成分（ここでは偏光成分１５２）が選択的に第２の電極１３２側の液晶層１２８で拡散され、他の偏光成分１５４は拡散しない。また、両偏光成分１５２、１５４は旋光しない。このように、液晶セル１２０は、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２の一方に横電界を形成することで、両偏光成分１５２、１５４の偏光方向を維持しつつ、一方の偏光成分を選択的に拡散することができる。
　対向基板１２４側から入射する光源１０２からの光に対する第１の電極１３０と第２の電極１３２の延伸方向、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向、および第１の電極１３０と第２の電極１３２の駆動の有無が及ぼす効果を表１にまとめる。表１に示すように、液晶セル１２０の配置（すなわち、第１の電極１３０と第２の電極１３２の延伸方向、または第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向）と第１の電極１３０と第２の電極１３２の駆動の有無を適宜選択することにより、二つの偏光成分をそれぞれ独立して拡散することができ、あるいは、二つの偏光成分を同時に旋光させることも可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（２）光学素子による配光制御
　上述したように、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４は、それぞれ独立して駆動することができ、さらに各液晶セル１２０においても、複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２を独立して駆動することができる。このため、本実施形態に係る光学素子１１０では、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４の複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２を適宜駆動させることで、光源１０２からの光を任意の形状に変化させることができる。
　例えば、図７に示すように、光学素子１１０の第１の液晶セル１２０－１側から光源１０２からの光を照射して第４の液晶セル１２０－４から光を取り出す場合を想定する。このとき、各液晶セル１２０を表２に示すように駆動する。すなわち、全ての液晶セル１２０の第１の電極１３０と第２の電極１３２を駆動させる。この場合、表２に示すように、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、四つの液晶セル１２０によってそれぞれ１回、合計４回ｙ方向に拡散される。同様に、ｘ方向の偏光成分も合計４回ｘ方向に拡散される。したがって、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。また、それぞれの偏光成分を多数回（例えば、少なくとも３回）拡散させることで、分光状態がその分だけ散らされることになるので、光の着色を防止することができる。なお、十字形状のｘ方向とｙ方向の長さは、第１の電極１３０と第２の電極１３２に印加される交流電圧を適宜調整することで調整可能である。なお、表２中のハイフンは、特筆しない限り、入射光が拡散も旋光もせずに透過することを意味する（以下の表において同じ。）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　あるいは、四つの液晶セル１２０のうちの一部を駆動させてもよい。例えば、表３に示すように、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０と第２の電極１３２を駆動させ、第３の液晶セルの第１の電極１３０と第２の電極１３２を駆動させない。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４よってそれぞれｙ方向、ｙ方向、およびｘ方向に拡散し、入射光のうちｘ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４よってそれぞれｘ方向、ｘ方向、およびｙ方向に拡散される。その結果、光源１０２の照射領域の形状を維持したまま照射領域を大きく拡大することができる。また、それぞれの偏光成分を多数回（例えば、３回以上）拡散させることで、光の着色を防止することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　あるいは、四つの液晶セル１２０のうちの一部を表４に示すように駆動してもよい。この例では、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の第２の電極１３２、および第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０を駆動させる。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２、によってｙ方向に拡散し、入射光のうちｘ方向の偏光成分は第４の液晶セル１２０－４によってｙ方向に拡散される。その結果、円形の照射領域を与える入射光をｙ方向に延伸したライン形状の照射領域を与える光に変化させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　あるいは、四つの液晶セル１２０のうちの一部を表５に示すように駆動してもよい。この例では、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０、および第４の液晶セル１２０－４の第２の電極１３２を駆動させる。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第３の液晶セル１２０－３によって旋光してｘ偏光成分となり、さらに第４の液晶セル１２０－４によってｘ方向に拡散する。一方、入射光のうちｘ方向の偏光成分は第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によってｘ方向に拡散され、さらに第３の液晶セル１２０－３によって旋光してｙ方向の偏光成分を与える。その結果、円形の照射領域を与える入射光をｘ方向に延伸したライン形状の照射領域を与える光に変化させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　以上述べたように、本実施形態に係る照明装置１００では、光源１０２から入射する光を光学素子１１０によって任意の形状の照射領域を与える光に変化させることが可能である。また、入射光の各偏光成分を多数回（例えば、３回以上）拡散させることができるので、配光が変化した光の着色を防止することができ、光源１０２からの光の色を再現することができる。このように、照明装置１００では、光の着色を伴わずに高度な配光制御を達成することができる。
＜第２実施形態＞
　本実施形態では、光学素子１１０とは構造が異なる光学素子１１２について説明する。第１実施形態で述べた構成と同様または類似する構成については説明を割愛することがある。
１．光学素子の構造と配光制御
　第１実施形態で述べたように、光学素子１１０に含まれる第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４は互いに同一の構造を備える。また、各液晶セル１２０において、複数の第１の電極１３０の延伸方向と第１の配向膜１４０の配向方向は平行または０°以上１０°以下の角度をなし、複数の第２の電極１３２の延伸方向と第２の配向膜１４２の配向方向も平行または０°以上１０°以下の角度をなす。
　これに対し、光学素子１１２に含まれる第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４のうち少なくとも一つの液晶セルは第１実施形態で述べた液晶セル１２０と同様の構成を備えるものの、他は異なる構造を有する。後述するように、構造が異なる当該液晶セルでは、光学素子１１２を駆動するか否かに関わらず、入射光の両偏光成分はいずれも旋光する。したがって、以下、この構造が異なる液晶セルを旋光液晶セルとも呼ぶ。
　より具体的には、図１２に示すように、旋光液晶セル１２１では、複数の第１の電極１３０の延伸方向と第１の配向膜１４０の配向方向は互いに垂直または８０°以上９０°以下の角度をなし、複数の第２の電極１３２の延伸方向と第２の配向膜１４２の配向方向も互いに垂直または８０°以上９０°以下の角度をなす（図１２における矢印１４８、１５０参照。）。液晶セル１２０と同様、旋光液晶セル１２１では、第１の電極１３０の延伸方向と第２の電極１３２の延伸方向は、互いに垂直または８０°以上９０°以下の角度をなし、第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向膜も、互いに垂直または８０°以上９０°以下の角度をなす。なお、このように、電極の延伸方向と当該電極を覆う配向膜の配向方向のなす角が１０°より大きい、より好ましくはこれらのなす角度が８０°～９０°の関係にある時、「電極の延伸方向と配向膜の配向方向が交差する」と称してよい。
　旋光液晶セル１２１では、非駆動時においては、図１３Ａに示すように、液晶分子は第１の配向膜１４０と第２の配向膜１４２の配向方向に従って配向するので、液晶分子の配向方向は、基板１２２付近では第１の配向膜１４０の配向方向（ここではｘ方向）となり、対向基板１２４に近づくにつれてｚ方向を中心軸として旋回し、これら配向膜間の配向方向の違いの分だけ（例えば両配向膜の配向方向が直交していれば９０°）捻じれる。その結果、光源１０２から出射した光は、液晶セル１２０の非駆動時には拡散せずに旋光するに留まるので、光源１０２から出射した光の形状が照射領域の形状に反映される。また、光源１０２が指向性の比較的高いコリメート光を出射する場合には、比較的狭い領域を選択的に照射することができる。
　一方、例えば複数の第１の電極１３０と複数の第２の電極１３２に交流電圧を印加して旋光液晶セル１２１を駆動すると、液晶セル１２０と同様、第１の電極１３０側と第２の電極１３２側の液晶分子は、横電界の方向に沿って配向しつつ、それぞれ第１の電極１３０間と第２の電極１３２間の上に凸と下に凸の円弧状に配向する（図１３Ｂ）。しかしながら、このとき、液晶分子はｘｙ平面内ではほとんど回転しないので、ｘｙ平面における配向方向は変化しない。このため、液晶分子のｚ方向を中心軸とする捻じれは維持される。したがって、液晶セル１２０の対向基板１２４から液晶層１２８に入射した光のうち第２の電極１３２が形成する横電界に平行な偏光成分が第２の電極１３２側の液晶層１２８内で拡散し、その後、液晶層１２８で旋光し、さらに第１の電極１３０側の液晶層１２８内で拡散する。このように、旋光液晶セル１２１では、駆動時に拡散と同時に旋光が生じる。なお、液晶セル１２０と同様、第１の電極１３０と第２の電極１３２の一方のみに交流電圧を与えることで、一方の偏光成分のみを選択的に一方向に拡散することも可能である。また、第１の電極１３０と第２の電極１３２の一方のみに交流電圧を与える場合でも、液晶分子のｚ方向を中心軸とする捻じれは維持されるので、両偏光成分が旋光する。
　光学素子１１２に含まれる液晶セル１２０の数に制約はなく、例えば図１４に示すように、第３の液晶セル１２０－３が旋光液晶セル１２１であり、他は液晶セル１２０でもよい。この場合、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向は、第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなすように第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４を配置すればよい。なお、第３の液晶セルにとどまらず、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４のいずれか１枚または２枚を旋光液晶セルとする構成も採用可能である。
　このような光学素子１１２の駆動方法も適宜決定すればよく、駆動方法の選択によって光源１０２からの光を様々な形状に変化させることができる。例えば、光学素子１１２に対して光源１０２からの光を第１の液晶セル１２０－１側から入射し、光学素子１１２を表６に示すように駆動させる。すなわち、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０と第２の電極１３２、および旋光液晶セル１２１である第３の液晶セル１２０－３の第２の電極１３２を駆動する。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によって旋光せずにｙ方向に拡散され、その後、旋光液晶セル１２１として機能する第３の液晶セル１２０－３および第４の液晶セル１２０－４によって２回旋光してｙ方向の偏光成分に戻る。一方、ｘ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および旋光液晶セル１２１として機能する第３の液晶セル１２０－３によって合計３回ｘ方向に拡散されるとともに、第３の液晶セル１２０－３および第４の液晶セル１２０－４によって２回旋光してｘ方向の偏光成分に戻る。このように、ｘ方向とｙ方向の偏光成分をそれぞれ複数回ｘ方向とｙ方向に拡散することができるので、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。また、いずれの偏光成分も多数回（ｘ方向の偏光成分は少なくとも３回）拡散されるので、光の着色も効果的に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　あるいは、表７に示すように、四つの液晶セル１２０の全てを駆動してもよい。すなわち、旋光液晶セル１２１として機能する第３の液晶セル１２０－３を含む全ての液晶セル１２０の第１の電極１３０と第２の電極１３２を駆動させてもよい。このような駆動により、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４により、それぞれ旋光せずにｙ方向、ｙ方向、およびｘ方向に拡散するとともに、第３の液晶セル１２０－３（すなわち、旋光液晶セル１２１）によって旋光してｘ方向の偏光成分となる。一方、ｘ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第３の液晶セル１２０－３によってｘ方向に拡散され、第３の液晶セル１２０－３によって旋光し、さらに第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４によってｙ方向に拡散する。その結果、円形の照射領域を維持しつつ、入射光をｘ方向とｙ方向に拡散することができる。また、いずれの偏光成分も多数回（少なくとも３回）拡散されるので、光の着色も効果的に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　あるいは、光学素子１１２を表８に示すように駆動してもよい。すなわち、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の第２の電極１３２を駆動し、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０を駆動してもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によって旋光せずにｙ方向に拡散するとともに、第３の液晶セル１２０－３（すなわち、旋光液晶セル１２１）によって旋光してｘ方向の偏光成分となる。一方、ｘ方向の偏光成分は、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４によってｙ方向に拡散され、第３の液晶セル１２０－３によって旋光してｙ方向の偏光成分に変化する。その結果、円形の照射領域を与える入射光をｙ方向に延伸させたライン形状の照射領域を与える光に変化させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　あるいは、光学素子１１２を表９に示すように駆動してもよい。すなわち、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０を駆動し、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第２の電極１３２を駆動してもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第４の液晶セル１２０－４によって旋光せずにｘ方向に拡散するとともに、第３の液晶セル１２０－３（すなわち、旋光液晶セル１２１）によって旋光してｘ方向の偏光成分となる。一方、ｘ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によってｘ方向に拡散され、第３の液晶セル１２０－３によってｘ方向に拡散するとともに旋光してｙ成分の光に変化する。その結果、円形の照射領域を与える入射光をｘ方向に延伸させたライン形状の照射領域を与える光に変化させることができる。また、少なくとも一方の偏光成分（ｘ方向の偏光成分）も多数回（少なくとも３回）拡散されるので、光の着色も効果的に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
２．変形例１
　上述した光学素子１１２は三つの液晶セル１２０と一つの旋光液晶セル１２１を含むが、光学素子１１２の構造はこれに限られず、複数の旋光液晶セル１２１を含んでもよい。例えば、図１５に示すように、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２が旋光液晶セル１２１であってもよい。この場合には、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向は、第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０の延伸方向と０°以上１０°以下の角度をなし、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなすように、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４を配置すればよい。
　本変形例１に係る光学素子１１２の駆動方法も任意であるが、例えば表１０に示すように駆動してもよい。すなわち、第１の液晶セル１２０－１の第２の電極１３２、第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０、および第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０と第２の電極１３２を駆動してもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４によってｙ方向に拡散し、さらに第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によって２回旋光するので、ｙ方向に３回拡散したｙ方向の偏光成分を与える。一方、ｘ方向の偏光成分は、第２の液晶セル１２０－２、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４によってｘ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によって２回旋光するので、ｘ方向に３回拡散したｘ方向の偏光成分を与える。その結果、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。また、両偏光成分が多数回（少なくとも３回）拡散されるので、光の着色も効果的に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
３．変形例２
　変形例１のように第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２として旋光液晶セル１２１を用いる場合、図１６に示すように、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向が第３の液晶セル１２０－３の第１の電極１３０の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、第２の液晶セル１２０－２と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなすように、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４を配置してもよい。
　本変形例２に係る光学素子１１２の駆動方法も任意であるが、例えば表１１に示すように、変形例１と同様の駆動方法を採用してもよい。すなわち、第１の液晶セル１２０－１の第２の電極１３２、第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０、および第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０と第２の電極１３２を駆動してもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４によってｙ方向に拡散し、さらに第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によって２回旋光するので、ｙ方向に４回拡散したｙ方向の偏光成分を与える。一方、ｘ方向の偏光成分は、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４によってｘ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１と第２の液晶セル１２０－２によって２回旋光するので、ｘ方向に２回拡散したｘ方向の偏光成分を与える。その結果、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。また、少なくとも一方の偏光成分が多数回（少なくとも３回）拡散されるので、光の着色も効果的に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 
４．変形例３
　変形例１や２のように二つの旋光液晶セル１２１を用いる場合、図１７に示すように、第１の液晶セル１２０－１と第３の液晶セル１２０－３として旋光液晶セル１２１を用いてもよい。この場合、例えば、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向が第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなすように、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４を配置してもよい。
　本変形例３に係る光学素子１１２の駆動方法も任意であるが、例えば表１２に示すように光学素子１１２を駆動してもよい。すなわち、第１の液晶セル１２０－１と第３の液晶セル１２０－３の第２の電極１３２を駆動し、他の電極を駆動させなくてもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１によってｙ方向に拡散し、さらに第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４によって４回旋光するので、ｙ方向に１回拡散したｙ方向の偏光成分を与える。一方、ｘ方向の偏光成分は、第３の液晶セル１２０－３によってｘ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４によって４回旋光するので、ｘ方向に１回拡散したｘ方向の偏光成分を与える。その結果、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
５．変形例４
　変形例１から３のように二つの旋光液晶セル１２１を用いる場合、図１８に示すように、第１の液晶セル１２０－１と第４の液晶セル１２０－４として旋光液晶セル１２１を用いてもよい。この場合には、例えば、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向が第２の液晶セル１２０－２の第１の電極１３０の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなすように、第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４を配置してもよい。
　本変形例４に係る光学素子１１２の駆動方法も任意であるが、例えば表１３に示すように光学素子１１２を駆動してもよい。すなわち、第３の液晶セル１２０－３の第１の電極１３０、ならびに第１の液晶セル１２０－１、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４の第２の電極１３２を駆動し、他の電極を駆動させなくてもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１と第３の液晶セル１２０－３によってｙ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４によって３回旋光するので、ｙ方向に２回拡散したｘ方向の偏光成分を与える。一方、ｘ方向の偏光成分は、第３の液晶セル１２０－３と第４の液晶セル１２０－４によってｘ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４によって３回旋光するので、ｘ方向に２回拡散したｙ方向の偏光成分を与える。その結果、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
６．変形例５
　変形例４のように第１の液晶セル１２０－１と第４の液晶セル１２０－４として旋光液晶セル１２１を用いる場合には、図１９に示すように、第１の液晶セル１２０－１の第１の電極１３０の延伸方向が第２の液晶セル１２０－２、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４の第１の電極１３０の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなすように第１の液晶セル１２０－１から第４の液晶セル１２０－４を配置してもよい。
　本変形例５に係る光学素子１１２の駆動方法も任意であるが、例えば表１４に示すように、変形例４と同様の駆動方法を採用してもよい。すなわち、第３の液晶セル１２０－３の第１の電極１３０、ならびに第１の液晶セル１２０－１、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４の第２の電極１３２を駆動し、他の電極を駆動させなくてもよい。この場合、入射光のうちｙ方向の偏光成分は、第１の液晶セル１２０－１、第３の液晶セル１２０－３、および第４の液晶セル１２０－４によってｙ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４によって３回旋光するので、ｙ方向に３回拡散したｘ方向の偏光成分を与える。一方、ｘ方向の偏光成分は、第３の液晶セル１２０－３によってｘ方向に拡散し、第１の液晶セル１２０－１、第２の液晶セル１２０－２、および第４の液晶セル１２０－４によって３回旋光するので、ｘ方向に１回拡散したｙ方向の偏光成分を与える。その結果、円形の照射領域を与える入射光を十字形状の照射領域を与える光に変化させることができる。また、少なくとも一方の偏光成分が多数回（少なくとも３回）拡散されるので、光の着色も効果的に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
　以上述べたように、本発明の実施形態に係る光学素子１１０、１１２を用いることで、光源１０２からの光を任意の照射領域を与える光に変化させることができる。また、光学素子１１０、１１２における複数の液晶セル１２０の構造や配置を適宜選択することで、配光が変化した光への着色を抑制することができる。したがって、本発明の実施形態に係る光学素子１１０、１１２を含む照明装置１００は、様々な照射領域を与えることが可能な照明装置として機能することができる。
　本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態の表示装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
　上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
　１００：照明装置、１０２：光源、１１０：光学素子、１１２：光学素子、１１４：発光素子、１２０：液晶セル、１２０－１：第１の液晶セル、１２０－２：第２の液晶セル、１２０－３：第３の液晶セル、１２０－４：第４の液晶セル、１２１：旋光液晶セル、１２２：基板、１２４：対向基板、１２６：封止材、１２８：液晶層、１３０：第１の電極、１３０ａ：辺、１３２：第２の電極、１３４－１：第１の配線、１３４－２：第２の配線、１３４－３：第３の配線、１３４－４：第４の配線、１３６－１：端子、１３６－２：端子、１３６－３：端子、１３６－４：端子、１４０：第１の配向膜、１４２：第２の配向膜、１４４：矢印、１４６：矢印、１４８：矢印、１５０：矢印、１５２：偏光成分、１５４：偏光成分、１６０：接着層
 

Claims (18)

  1. 　互いに重なるように順に配置された第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルを備え、
    　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの各々は、
    　　ストライプ状に配列され、第１の延伸方向に延伸する複数の第１の電極、
    　　前記複数の第１の電極上の第１の配向膜、
    　　前記第１の配向膜上の液晶層、
    　　前記液晶層上の第２の配向膜、および
    　　前記第２の配向膜上に位置し、ストライプ状に配列され、前記第１の延伸方向に交差する第２の延伸方向に延伸する複数の第２の電極を有し、
    　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの各々において、
    　　前記第１の配向膜と前記第２の配向膜は、前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極に電圧が印加されない状況では、前記液晶層に含まれる液晶分子を互いに交差する第１の配向方向と第２の配向方向にそれぞれ配向するように構成され、
    　　前記第１の延伸方向と前記第１の配向方向の間の角度は１０°以内であり、
    　　前記第２の延伸方向と前記第２の配向方向の間の角度は１０°以内であり、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第２の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす、光学素子。
  2. 　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの各々において、
    　　前記複数の第１の電極は、隣り合う前記第１の電極間で逆位相となるように第１の交流電圧が印加されるように構成され、
    　　前記複数の第２の電極は、隣り合う前記第２の電極間で逆位相となるように第２の交流電圧が印加されるように構成される、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの少なくとも一つにおいて、
    　　前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極の各々は、複数の直線部を有するように屈曲する、請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記複数の第１の電極の各々において、前記複数の直線部の少なくとも一つの延伸方向は、前記第１の配向方向から傾き、
    　前記複数の第２の電極の各々において、前記複数の直線部の少なくとも一つの延伸方向は、前記第２の配向方向から傾く、請求項３に記載の光学素子。
  5. 　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの少なくとも一つにおいて、
    　　前記複数の第１の電極の少なくとも一つの先端は鋭角を有し、
    　　前記複数の第２の電極の少なくとも一つの先端は鋭角を有する、請求項１に記載の光学素子。
  6. 　請求項１に記載の前記光学素子、および
    　前記光学素子の上に位置し、前記第１の液晶セル側に配置された光源を備える照明装置。
  7. 　互いに重なるように順に配置された第１の液晶セル、第２の液晶セル、第３の液晶セル、および第４の液晶セルを備え、
    　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの各々は、
    　　ストライプ状に配列され、第１の延伸方向に延伸する複数の第１の電極、
    　　前記複数の第１の電極上の第１の配向膜、
    　　前記第１の配向膜上の液晶層、
    　　前記液晶層上の第２の配向膜、および
    　　前記第２の配向膜上に位置し、ストライプ状に配列され、前記第１の延伸方向と交差する第２の延伸方向に延伸する複数の第２の電極を有し、
    　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの各々において、
    　　前記第１の配向膜と前記第２の配向膜は、前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極に電圧が印加されない状況では、前記液晶層に含まれる液晶分子を互いに交差する第１の配向方向と第２の配向方向にそれぞれ配向するように構成され、
    　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの少なくとも一つの液晶セルにおいて、
    　　前記第１の延伸方向と前記第１の配向方向の間の角度は１０°以内であり、
    　　前記第２の延伸方向と前記第２の配向方向の間の角度は１０°以内であり、
    　前記少なくとも一つの液晶セル以外の液晶セルにおいて、
    　　前記第１の延伸方向と前記第１の配向方向の間の角度は８０°以上９０°以下であり、
    　　前記第２の延伸方向と前記第２の配向方向の間の角度は８０°以上９０°以下である、光学素子。
  8. 　前記少なくとも一つの液晶セルは前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、および前記第３の液晶セルを含み、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第２の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす、請求項７に記載の光学素子。
  9. 　前記少なくとも一つの液晶セルは前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルを含み、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第２の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす、請求項７に記載の光学素子。
  10. 　前記少なくとも一つの液晶セルは前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルを含み、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第３の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、前記第２の液晶セルと前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす、請求項７に記載の光学素子。
  11. 　前記少なくとも一つの液晶セルは前記第２の液晶セルと前記第４の液晶セルを含み、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第２の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす、請求項７に記載の光学素子。
  12. 　前記少なくとも一つの液晶セルは前記第２の液晶セルと前記第３の液晶セルを含み、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第２の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなし、前記第３の液晶セルと前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して８０°以上９０°以下の角度をなす、請求項７に記載の光学素子。
  13. 　前記少なくとも一つの液晶セルは前記第２の液晶セルと前記第３の液晶セルを含み、
    　前記第１の液晶セルの前記第１の延伸方向は、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの前記第１の延伸方向に対して０°以上１０°以下の角度をなす、請求項７に記載の光学素子。
  14. 　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの各々において、
    　　前記複数の第１の電極は、隣り合う前記第１の電極間で逆位相となるように第１の交流電圧が印加されるように構成され、
    　　前記複数の第２の電極は、隣り合う前記第２の電極間で逆位相となるように第２の交流電圧が印加されるように構成される、請求項７に記載の光学素子。
  15. 　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの少なくとも一つにおいて、
    　　前記複数の第１の電極と前記複数の第２の電極の各々は、複数の直線部を有するように屈曲する、請求項７に記載の光学素子。
  16. 　前記複数の第１の各々において、前記複数の直線部の少なくとも一つの延伸方向は、前記第１の配向方向から傾き、
    　前記複数の第２の各々において、前記複数の直線部の少なくとも一つの延伸方向は、前記第２の配向方向から傾く、請求項１５に記載の光学素子。
  17. 　前記第１の液晶セル、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第４の液晶セルの少なくとも一つにおいて、
    　　前記複数の第１の電極の少なくとも一つは鋭角の先端を有し、
    　　前記複数の第２の電極の少なくとも一つは鋭角の先端を有する、請求項７に記載の光学素子。
  18. 　請求項７に記載の前記光学素子、および
    　前記光学素子の上に位置し、前記第１の液晶セル側に配置された光源を備える照明装置。
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