CN119547008A - 光学元件及包括光学元件的照明装置 - Google Patents

Abstract

提供能够任意地加工从光源入射的光的光学元件、以及包括该光学元件的照明装置。光学元件(120)具备液晶单元(130)、液晶单元上的λ/4膜(150)以及λ/4膜上的反射板(160)。液晶单元包括多个第一电极(136)、第一电极上的第一取向膜(142)、位于第一取向膜上的液晶层(140)、液晶层上的第二取向膜(144)、以及位于第二取向膜上的多个第二电极(138)。多个第一电极在第一延伸方向上延伸，并排列为条纹状。液晶层包括液晶分子。多个第二电极排列为条纹状，在与第一延伸方向以80°以上且90°以下的角度交叉的第二延伸方向上延伸。

Description

光学元件及包括光学元件的照明装置

技术领域

本发明的实施方式之一涉及光学元件及包括光学元件的照明装置。例如，本发明的实施方式之一涉及包括光源及能够任意地控制来自光源的光的照射区域的光学元件的照明装置。

背景技术

通过对向列型液晶等液晶施加电场来控制液晶分子的取向，从而能够使液晶的折射率变化。例如，在专利文献1和2中公开了利用该特性的液晶透镜。在这些液晶透镜中，在一对电极之间配置有液晶，至少一个电极由配置成同心圆状的多个电极构成。通过对施加于一对电极间的交流电压进行控制，能够使透过液晶透镜的光或在液晶透镜上反射的光的照射区域的形状变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62-170933号公报

专利文献2：日本特开2010-230887号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的实施方式之一将提供能够任意地加工从光源入射的光的光学元件、以及包括该光学元件的照明装置作为技术问题之一。或者，本发明的实施方式之一将提供能够不产生照度不均或色度不均地任意地加工来自光源的光的光学元件、以及包括该光学元件的照明装置作为技术问题之一。或者，本发明的实施方式之一将以低成本提供上述光学元件和照明装置作为技术问题之一。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的实施方式之一是具备液晶单元、液晶单元上的λ/4膜、以及λ/4膜上的反射板的光学元件。液晶单元包括多个第一电极、第一电极上的第一取向膜、位于第一取向膜上的液晶层、液晶层上的第二取向膜、以及位于第二取向膜上的多个第二电极。多个第一电极在第一延伸方向上延伸，并排列为条纹状。液晶层包括液晶分子。多个第二电极排列为条纹状，并在与第一延伸方向以80°以上且90°以下的角度交叉的第二延伸方向上延伸。

本发明的实施方式之一是具备第一液晶单元、第一液晶单元上的第二液晶单元、以及第二液晶单元上的反射板的光学元件。第一液晶单元和第二液晶单元各自具备：多个第一电极，排列为条纹状；多个第一电极上的第一取向膜；液晶层，位于第一取向膜上，包括液晶分子；液晶层上的第二取向膜；以及多个第二电极，位于第二取向膜上。在第一液晶单元和第二液晶单元各自中，多个第二电极排列为条纹状，并与多个第一电极以80°以上且90°以下的角度交叉。

本发明的实施方式之一是具备光源的照明装置，该光源构成为经由上述光学元件以及液晶单元或第一液晶单元和第二液晶单元向反射板照射光。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的照明装置的立体示意图。

图2是本发明的实施方式所涉及的照明装置的侧视示意图。

图3是本发明的实施方式所涉及的照明装置的光源的端面示意图。

图4是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的立体示意图。

图5A是本发明的实施方式所涉及的光学元件的端面示意图。

图5B是本发明的实施方式所涉及的光学元件的端面示意图。

图6A是本发明的实施方式所涉及的光学元件的第一电极的俯视示意图。

图6B是本发明的实施方式所涉及的光学元件的第一电极的俯视示意图。

图6C是本发明的实施方式所涉及的光学元件的第一电极的俯视示意图。

图7A是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的端面示意图。

图7B是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的端面示意图。

图8A是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的端面示意图。

图8B是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的端面示意图。

图9是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的示意图。

图10A是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的端面示意图。

图10B是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的端面示意图。

图11是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的示意图。

图12是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的立体示意图。

图13是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的立体示意图。

图14A是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的驱动方法的时序图、以及示出通过该驱动方法得到的照射区域的示意图。

图14B是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的驱动方法的时序图、以及示出通过该驱动方法得到的照射区域的示意图。

图14C是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的驱动方法的时序图、以及示出通过该驱动方法得到的照射区域的示意图。

图15A是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的驱动方法的时序图、以及示出通过该驱动方法得到的照射区域的示意图。

图15B是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的驱动方法的时序图、以及示出通过该驱动方法得到的照射区域的示意图。

图16是本发明的实施方式所涉及的光学元件的端面示意图。

图17是本发明的实施方式所涉及的光学元件的端面示意图。

图18是本发明的实施方式所涉及的光学元件的端面示意图。

图19A是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的立体示意图。

图19B是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的俯视示意图。

图20A是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的立体示意图。

图20B是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的俯视示意图。

图21是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的立体示意图。

图22是本发明的实施方式所涉及的光学元件的一部分的立体示意图。

图23是示出本发明的实施方式所涉及的照明装置的驱动方法的时序图、以及示出通过该驱动方法得到的照射区域的示意图。

图24是本发明的实施方式所涉及的光学元件的端面示意图。

图25是对本发明的实施方式所涉及的光学元件的动作进行说明的立体示意图。

具体实施方式

以下，参照附图等对本发明的各实施方式进行说明。但是，本发明在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，并不限定于以下例示的实施方式的记载内容而说明。

附图有时为了使说明更加明确而与实际的方式相比对各部分的宽度、厚度、形状等进行示意性表示，但仅仅是一例，并不用于限定本发明的说明。在本说明书和各图中，有时对与已出现的图相关的说明具备相同功能的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。将相同或相似的多个结构总括起来表示时使用该符号，将它们单独表示时则在符号后加入连字符和自然数。

在本说明书及权利要求中，在表现在某结构体上配置其他结构体的方式时，仅记载为“上”的情况下，只要没有特别的限定，包括正上以与某结构体接触的方式配置其他结构体的情况、以及在某结构体的上方进一步经由另外的结构体配置其他结构体的情况双方。

在本说明书和权利要求中，“某一结构体从其它结构体露出”这一表达意味着某一结构体的一部分没有被其他结构体覆盖的方式，该未被其他结构体覆盖的部分还包括被另外的结构体覆盖的方式。另外，由该表达表示的方式还包括某结构体不与其他结构体接触的方式。

第一实施方式

在本实施方式中，对包括作为本发明的实施方式之一的光学元件120的照明装置100进行说明。

1.整体构造

图1和图2分别示出照明装置100的立体示意图和侧视示意图。如这些图所示，照明装置100具备光源110和光学元件120作为基本结构，光学元件120除液晶单元130之外，还具备λ/4膜150和反射板160。光学元件120所具有的液晶单元130的总数为1。作为任意的结构，光学元件120也可以具备用于使液晶单元130相对于光源110的角度变化的旋转机构170等。如后所述，将光源110和光学元件120配置为从光源110对光学元件120的液晶单元130照射指向性比较高的光(准直光)，来自光源110的光通过液晶单元130后被反射板160反射，反射光再次通过液晶单元130(参照图2中的虚线箭头)。由此，来自光源110的光被光学元件120扩散并同时反射。

2.光源

在图3中示出光源110的端面示意图。光源110具有主体112，在主体112形成凹部112a。凹部112a是有底孔，在凹部112a上设置有一个或多个发光元件114。凹部112a具备对从发光元件114射出的光赋予指向性而使该光照射到光学元件120的功能。主体112例如可以以包括铝、不锈钢等金属、聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯酸树脂等高分子或玻璃等无机氧化物的方式构成。但是，如图3的虚线箭头所示，为了使来自发光元件114的光在凹部112a内反射聚光，并指向光学元件120，在使用玻璃、高分子等透过可见光的材料或对可见光的反射率小的材料构成主体112的情况下，优选由相对于可见光的反射率高的膜构成凹部112a的表面。作为这样的膜，可例示包括铝、银、金、铬、不锈钢等金属的膜、包括氧化钛、氧化钽等高折射材料的薄膜和包括氧化硅、氟化镁等低折射率材料的薄膜的层叠体等。凹部112a的形状被适当调整，以便从凹部112a内的发光元件114得到指向性高的光。光学元件120被设置为与凹部112a重叠，以照射来自光源110的光(参照图2)，且该光学元件120与光源110—起被收容在未图示的壳体内。

发光元件114是具有通过供给电流而发光的功能的元件，其构造没有限制。作为典型的例子，可举出发光二极管(LED)。发光二极管被构成为具有以一对电极夹持例如氮化镓、含铟的氮化镓等无机发光体的电场发光元件、和保护电解发光元件的保护膜作为基本结构，通过电场发光(Electroluminescence)发出可见光。

发光元件114的发光色也能够任意选择。例如，也可以设置一个或多个向凹部112a提供白色发光的发光元件114。或者也可以在凹部112a设置红色发光的发光元件114、绿色发光的发光元件114、蓝色发光的发光元件114，以从凹部112a得到各种颜色的光的方式构成光源110。

发光元件114的大小没有限制，例如能够使用占有面积为1.0×10⁴μm²以上且1.0×10⁶μm²以下、4.0×10⁴μm²以上且5.0×10⁵μm²以下、或者9.0×10⁴μm²以上且2.5×10⁵μm²以下的发光二极管。作为一个例子，能够将大小为320μm×300μm左右的所谓微型LED用作发光元件114。

3.液晶单元

在图4中示出光学元件120的展开立体示意图，图5A和图5B中分别示出沿图4的点划线A-A’和B-B’的端面的示意图。在图4中，考虑到容易观察，省略了几个结构。从这些图可理解，液晶单元130包括基板132、基板132上的多个第一电极136、多个第一电极136上的第一取向膜142、第一取向膜142上的液晶层140、液晶层140上的第二取向膜144、第二取向膜144上的多个第二电极138以及多个第二电极138上的对置基板134。在以下的说明中，基板132和对置基板134的主面是xy平面，将与该xy平面垂直的方向作为z方向。

(1)基板和对置基板

基板132和对置基板134经由设置为框状的密封件146相互接合。基板132和对置基板134分别作为用于支承多个第一电极136和多个第二电极138的基材而发挥作用，并且密封液晶层140。基板132和对置基板134优选的是包括对来自发光元件114的光显示高透过率的材料，以使来自光源110的光能够透过。因此，优选以包括例如玻璃、石英或聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯、丙烯酸树脂等高分子材料的方式构成基板132和对置基板134。基板132和对置基板134可以被构成为具有不会因来自外部的力而变形的强度，或者也可以被构成为弹性变形。如图2所示，基板132和对置基板134也可以以基板132的主面的一部分从对置基板134露出的方式接合。

(2)第一电极和第二电极

如图4至图5B所示，多个第一电极136与基板132相接，或者经由未图示的底涂层设置在基板132上。底涂层可由包括氮化硅、氧化硅等含硅无机化合物的一个或多个膜形成。为了赋予液晶单元130较高的透光性，优选第一电极136由铟锡氧化物(ITO)、铟铅氧化物(IZO)等对可见光具有较高透过率的导电性氧化物形成。多个第一电极136在xy平面上互相在同一方向上延伸，并且配置为条纹状。各第一电极136的长度(第一电极136的延伸方向的长度)也依赖于光学元件120的大小，例如可以从5cm以上且15cm以下或者1cm以上且10cm以下的范围内选择。相邻的两个第一电极136的间隔例如从1μm以上到30μm或3μm以上到20μm的范围内选择即可。

同样地，多个第二电极138也在对置基板134上(图5A、图5B中为对置基板134下)直接或者经由底涂层设置。为了对液晶单元130赋予高透光性，优选第二电极138也由ITO或IZO等对可见光具有较高透过率的导电性氧化物形成。多个第二电极138也在xy平面上互相在同一方向上延伸，并且配置为条纹状。各第二电极138的长度(第二电极138的延伸方向的长度)也可以从5cm以上且15cm以下或者1cm以上且10cm以下的范围内选择。另外，相邻的两个第二电极138的间隔也例如从1μm以上到30μm或者3μm以上到20μm的范围内选择即可。

在此，多个第一电极136和第二电极138在它们重叠的z方向(即，从液晶单元130的对置基板134侧观察的方向，也称为“在俯视观察时”)设置为相互交叉。第一电极136的延伸方向和第二电极138的延伸方向在z方向上可以互相垂直，但优选这些方向不完全垂直。例如，可以将第一电极136的延伸方向和第二电极138的延伸方向在z方向上所形成的角度设定在80°以上且小于90°的范围内。

如图4所示，从多个第一电极136每隔一个选择的第一电极136与第一布线154-1连接，剩余的第一电极136与从第一布线154-1电独立的其他布线(第二布线)154-2连接。第一布线154-1和第二布线154-2在各自的端部形成端子156，端子156从对置基板134露出。同样地，虽未图示，但从多个第二电极138每隔一个选择的第二电极138也与未图示的布线(第三布线)连接，剩余的第二电极138也与其他的布线(第四布线)连接。第三布线和第四布线也形成未图示的端子。电压通过这些端子从未图示的外部电路供给第一电极136和第二电极138。通过这样的结构，能够独立驱动每隔一个选择的第一电极136、其他第一电极136、每隔一个选择的第二电极138以及其他第二电极138。

多个第一电极136被施加脉冲状的交流电压(交流矩形波)。但是，交流电压以在相邻的两个第一电极136之间相位反转的方式被施加。同样地，对多个第二电极138也以在相邻的两个第二电极138之间相位反转的方式施加脉冲状的交流电压。因此，可以仅向第一电极136施加交流电压，不向第二电极138施加电压或者供给恒定电压，相反亦可。

(3)液晶层、第一取向膜及第二取向膜

液晶层140中包括液晶分子。液晶分子的结构没有限定。在本实施方式中使用了正型的向列型液晶，但也可以采用近晶型液晶、胆甾型液晶、手性近晶型液晶。液晶层140以被第一取向膜142和第二取向膜144夹持的方式被密封在由基板132、对置基板134及密封件146形成的空间中。

液晶层140的厚度、即第一取向膜142和第二取向膜144之间的距离也是任意的，但优选比第一电极136、第二电极138的间距大。例如，液晶层140的厚度优选设定为第一电极136或第二电极138的间距的1.2倍以上且10倍以下、1.5倍以上且5倍以下、或者1.6倍以上且3倍以下。具体的，液晶层140的厚度只要从例如10μm以上且60μm以下或者10μm以上且50μm以下的范围内选择即可。虽未图示，但也可以在液晶层140内设置用于将该厚度维持在整个液晶单元130的间隔物。需要说明的是，将上述的液晶层140的厚度在液晶显示装置中采用的情况下，无法得到显示动态图像所需的高响应性，难以表现作为液晶显示装置的功能。

第一取向膜142和第二取向膜144包括聚酰亚胺、聚酯等高分子，并夹持液晶层140。第一取向膜142构成为：在相邻的第一电极136之间不存在电场(横向电场)的情况(即，未对多个第一电极136施加电压、或者在相邻的第一电极136之间不存在电位差的情况)下，使液晶层140中含有的液晶分子沿一定方向排列。同样地，第二取向膜144也构成为：在多个第二电极138之间不存在横向电场的情况(即，未对多个第二电极138施加电压、或者在相邻的第二电极138之间不存在电位差的情况)下，使液晶层140中含有的液晶分子沿一定方向排列。以下，将第一取向膜142和第二取向膜144在电场不存在的情况下使液晶分子取向的方向称为取向方向。取向方向例如可以通过摩擦处理来赋予。或者，也可以通过光取向来对第一取向膜142和第二取向膜144赋予取向方向。光取向是使用了光的摩擦的取向处理，例如，将紫外区域的偏光从规定方向照射到未进行摩擦处理的取向膜。由此，在取向膜中发生光反应，向该取向膜表面导入各向异性而赋予液晶取向控制功能。

如图5A和图5B所示，液晶单元130构成为：第一取向膜142和第二取向膜144的取向方向在z方向上相互正交、或者在z方向上相互所形成的角度为80°以上且90°以下。另外，如图6A所示，多个第一电极136和第一取向膜142可以以多个第一电极136的延伸方向和第一取向膜142的取向方向(参照白色箭头)在z方向上相互垂直的方式配置，也可以如图6B所示，以多个第一电极136的延伸方向和第一取向膜142的取向方向在z方向上不完全垂直的方式配置。在后者的情况下，多个第一电极136的延伸方向与第一取向膜142的取向方向在z方向上所形成的角度只要从80°以上且小于90°或85°以上且小于90°的范围内选择即可。虽未图示，但多个第二电极138与第二取向膜144的关系也同样。即，多个第二电极138和第二取向膜144可以配置为多个第二电极138的延伸方向相对于第二取向膜144的取向方向在z方向上垂直，也可以配置为多个第二电极138的延伸方向与第二取向膜144的取向方向所形成的角度在z方向上为80°以上且小于90°或者85°以上且小于90°。

在此，各第一电极136的延伸方向指：当第一电极136整体如图6A所示具有直线形状时，从与第一布线154-1或第二布线154-2的交点到第一电极136的前端的方向。但是，如图6C所示，各第一电极136能够具有包括多个直线部的弯曲结构。例如，各第一电极136能够构成为具有夹着一个弯曲点136a的一对的直线部136b。在这种情况下，以至少一个直线部136b的延伸方向与第一取向膜142的取向方向在z方向上所形成的角度为80°以上且90°以下或者85°以上且90°以下的方式配置多个第一电极136。关于第二电极138也是同样。即，各第二电极138的延伸方向，在第二电极138整体具有直线形状的情况下，是从与第三布线或第四布线的交点到第二电极138的前端的方向。各第二电极138也能够具有包括多个直线部的弯曲结构，在该情况下，以至少一个直线部的延伸方向与第二取向膜144的取向方向在z方向上所形成的角度为80°以上且90°以下或者85°以上且90°以下的方式配置多个第二电极138。

4.λ/4膜

λ/4膜150是相位差膜之一，是在入射的光的两个垂直偏光成分间赋予λ/4(π/2)的相位差而出射的膜。λ/4膜150能够由对聚碳酸酯或环烯烃聚合物、对聚甲基丙烯酸酯等可见光透光性高的高分子实施延伸取向处理或者实施取向处理的液晶聚合物等构成。λ/4膜150可以直接设置于对置基板134，也可以经由未图示的粘接层设置于对置基板134上(与液晶层140相反侧)(参照图4至图5B)。

5.反射板

如图4至图5B所示，反射板160被设在λ/4膜150上，并构成为不透过可见光且反射可见光。因此，例如包括银或铝等，在可见光区域的宽波长范围内反射率高的金属，并且形成为不透过可见光的程度的厚度(例如20nm以上或50nm以上)。如图4至图5B所示，也可以通过将上述包括金属的薄膜(箔)或金属板粘接于λ/4膜150而形成反射板160。或者，如图7A所示，也可以将包括玻璃、石英、或聚碳酸酯、聚酯、聚酰亚胺等高分子的支承基板164、和形成于支承基板164上的反射膜162的层叠体作为反射板160粘合于λ/4膜150。或者，如图7B所示，也可以在对置基板134和第二电极138之间配置λ/4膜150和反射板160。

6.其他结构

作为任意的结构，光学元件120也可以具备用于使相对于光源110的液晶单元130的角度变化的旋转机构170(图2)。旋转机构170的结构是任意的，只要能够以与从光源110照射的光的方向(或者凹部112a延伸的方向)垂直的旋转轴为中心旋转光学元件120即可(参照图2的实线的曲线箭头)。并且，旋转机构170也可以构成为能够以与从光源110照射的光的方向平行的旋转轴为中心旋转光学元件120(参照图2的点划线的曲线箭头)。通过设置旋转机构170，能够将来自光源110的光向任意方向射出。

如图4至图5B所示，光学元件120还可以包括防反射膜166，作为抑制来自光源110的光在基板132上反射，并使该光高效地到达反射板160的构成。防反射膜166设置在基板132的底面(对置基板134相反侧的面)。作为防反射膜166，使用公知的防反射膜(AR膜)即可，例如可以使用折射率不同的基膜和防反射膜的层叠体作为防反射膜166。作为一例，可以使用在聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚酯、三乙酰纤维素等纤维素所例示的高分子填充剂上堆积含氟树脂或二氧化硅、二氧化钛的薄膜而成的层叠体作为防反射膜166。通过设置防反射膜166，能够防止在基板132上反射的光到达照射区域，因此能够更精密地控制照射区域的形状、大小。

7.光学元件相对于光源的配置

如后所述，在照明装置100中，来自光源110的光两次通过光学元件120的液晶单元130而扩散，由此，能够将来自光源110的光加工成提供各种形状的照射区域的光。因此，光学元件120配置为液晶单元130与光源110的凹部112a重叠，并且来自光源110的光通过液晶单元130和λ/4膜150后在反射板160反射，反射光再次通过λ/4膜150和液晶单元130(参照图2、图5A及图5B的虚线箭头)。更具体而言，将光源110和光学元件120配置为使光源110的光相对于液晶单元130以15°以上且75°以下的入射角照射。即，以与基板132、对置基板134、反射板160的表面的法线NL平行的方向(参照图5A)和光源110的光行进的方向(或者凹部112a的延伸方向)所形成的角度θ为15°以上且75°以下的方式配置光源110和光学元件120。旋转机构170只要以在该角度内旋转液晶单元130的方式构成即可。

8.光学元件的配光控制

上述光学元件120使从光源110照射的光在一定方向上扩散。因此，通过适当驱动光学元件120，能够将来自光源110的光加工成任意的形状，其结果，能够任意地控制照明装置100照射对象物的区域即照射区域的形状。以下，使用第一电极136和第二电极138分别在x方向和y方向上延伸的方式，对液晶单元130中的光的扩散进行说明。需要说明的是，在以下的说明中，为了促进理解，使用来自光源110的光相对于液晶单元130垂直、即向z方向照射的方式，但希望留意在光以从z方向偏离的方向入射到光学元件120的情况下光也同样地进行动作这一点。

(1)非驱动时

图8A和图8B示出表示液晶单元130非驱动时的状态的端面示意图。图8A和图8B分别是从x方向和y方向观察的端面示意图。在以下的图中，液晶分子以白色的椭圆或圆示意性地表示。

不驱动液晶单元130的情况是指对多个第一电极136和多个第二电极138不提供电压或者提供一定的电压的情况。这种情况下，由于多个第一电极136之间与多个第二电极138之间均不产生横向电场，因此，液晶分子沿着第一取向膜142和第二取向膜144的取向方向取向。液晶分子在基板132附近沿着第一取向膜142的取向方向(在此为，相对于y方向或x方向80°以上且90°以下的角度的方向)取向，并随着接近对置基板134，以z方向为中心轴旋转，扭转90°。

因此，从光源110射出的光，在使液晶单元130向反射板160行进时，不扩散而停留在旋光上。具体而言，如图9所示，在从光源110开始的x方向上具有偏光成分的光(偏光成分x)在通过液晶层140时成为90°旋光而在y方向上具有偏光成分的光(偏光成分y)，同样，垂直于偏光成分x的偏光成分y也产生90°偏光而成为偏光成分x。

然后，光通过λ/4膜150，再在反射板160反射，再次通过λ/4膜150。因此，通过液晶层140旋光而成为偏光成分y的光，由于λ/4膜150而二次相位偏移λ/4，因此成为相位偏移λ/2(即90°)的偏光成分x，再次进入液晶层140而旋光。其结果，最初作为偏光成分x入射到光学元件120的光作为偏光成分y的反射光从光学元件120射出。同样，通过液晶层140旋光而成为偏光成分x的光，通过二次通过λ/4膜150而成为偏光成分y，再次进入液晶层140而旋光。其结果，最初作为偏光成分y入射到光学元件120的光作为偏光成分x的反射光从光学元件120射出。然而，由于在液晶层140中不存在电场，因此不会发生液晶分子的取向变化。因此，液晶层140不产生折射率分布，不产生光的扩散。因此，在液晶单元130的非驱动时，来自光源110的准直光几乎不扩散而从光学元件120射出，因此，能够提供赋予小的照射区域的光。

(2)驱动时

图10A和图10B示出驱动液晶单元130时的端面示意图。图10A和图10B分别对应于图8A和图8B。液晶单元130驱动时的一个方式是对多个第一电极136和多个第二电极138施加脉冲状的交流电压，以使相邻的第一电极136之间和第二电极138之间相位反转。施加于第一电极136和第二电极138的交流电压的频率相同。交流电压例如从3V以上且50V以下、或者3V以上且30V以下的范围内选择即可。由于第一电极136和第二电极138延伸的方向正交或以80°以上且小于90°的角度交叉，因此通过施加交流电压，在相邻的第一电极136之间及相邻的第二电极138之间产生相互正交或以80°以上且小于90°的角度交叉的横向电场(参照图10A和图10B的箭头)。在第一电极136和第二电极138之间也产生电场(纵向电场)，但液晶层140的厚度较相邻的第一电极136之间和第二电极138之间的间隔大。因此，纵向电场相对于横向电场非常小，可以忽略，因此各液晶分子按照横向电场取向。

在液晶层140内产生横向电场时，第一电极136侧的液晶分子一边向横向电场的方向取向，一边在相邻的第一电极136之间以朝上凸的圆弧状取向(图10A)。在第二电极138侧也同样，液晶分子在横向电场的方向上取向，并且在相邻的第二电极138之间以向下凸的圆弧状取向(图10B)。通过这样的液晶分子的取向变化，在液晶层140内产生折射率分布。其结果是，如图11所示，从液晶单元130的基板132入射液晶层140的光中的与第一电极136所形成的横向电场平行的成分即偏光成分y通过在液晶层140的基板132上形成的折射率分布而折射，向y方向扩散。该光在液晶层140内旋光时，成为与第二电极138所形成的横向电场平行的成分即偏光成分x，因此，利用在液晶层140的对置基板134侧形成的折射率分布向x方向扩散。由此，偏光成分y在一次通过液晶层140时在x方向和y方向上扩散。

进一步，该光透过λ/4膜150，在反射板160反射，再次透过λ/4膜150时，成为偏光成分y，再次进入液晶层140。该偏光成分y的偏光方向与由液晶层140的第二电极138形成的液晶分子的取向方向正交或者以80°以上且小于90°的角度交叉，因此几乎不受折射率分布的影响，实质上没有扩散。另外，当该光通过液晶层140变化为偏光成分x时，偏光成分x的偏光方向与在液晶层140的第一电极136侧形成的液晶分子的取向方向正交或者以80°以上且小于90°的角度交叉，因此实质上没有扩散。通过以上的机制，一个偏光成分y成为在x方向和y方向上分别扩散一次的偏光成分y，从光学元件120射出。同样的机制也作用于照射到光学元件120的偏光成分x，其结果，该偏光成分x成为在x方向和y方向上分别扩散一次的偏光成分x，从光学元件120射出。

如上所述，第一电极136和第二电极138能够独立驱动。因此，能够仅在液晶层140的第一电极136或第二电极138侧形成折射率分布，从而也能够适当控制扩散方向、扩散次数。

(3)光的加工

通过利用这种机制，如图12所示，在假设不存在光学元件120时，光源110能够形成与在照射对象上形成的虚拟照射区域172相比大幅扩大的照射区域174。另外，通过适当控制向第一电极136和第二电极138供给的电压，能够任意地控制照射区域。例如如图13所示，通过第一布线154-1和第二布线154-2向多个第一电极136交替地提供电压V₁、V₂，通过第三布线154-3和第四布线154-4向多个第二电极138交替地提供电压V₃、V₄。当使电压V₁、V₂、V₃、V₄为0或固定时，液晶单元130变为非驱动，因此，光与虚拟照射区域172同样地提供比较窄的照射区域174-1(图14A)。与此相对，通过使电压V₁与V₃同步，将电压V₂与V₄设定为与电压V₁或V₃相反的相位，并且使电压V₁、V₂、V₃、V₄相同，从而能够将来自光源110的光加工为提供向x方向和y方向均等地扩散的照射区域174-2的光(图14B)。因此，照射区域174-2虽然与虚拟照射区域172大致是同一形状，但比虚拟照射区域172大。或者，通过使电压V₁与V₃同步，将电压V₂与V₄设定为与电压V₁或V₃相反的相位，并且使电压V₁与V₂小于电压V₃与V₄，能够将来自光源110的光加工为提供与y方向相比向x方向扩散更大的照射区域174-3的光(图14C)。如果虚拟照射区域172为圆形，则照射区域174-3成为椭圆形。或者，通过使电压V₁和V₂反转，使电压V₃和V₄为0或固定，从而能够将来自光源110的光加工为提供向y方向扩散的生长状的照射区域174-4的光(图15A)。相反地，通过使电压V₃和V₄反转，使电压V₁和V₂为0或者固定，能够将来自光源110的光加工为提供向x方向扩散的横长状的照射区域174-5的光(图15B)。

如上所述，在本实施方式所涉及的照明装置100中，通过使用包括单一的液晶单元130的光学元件120，能够将来自光源110的光的两偏光成分逐个扩散，因此能够提供各种形状的照射区域。在现有的照明装置中，如果考虑为了扩散来自光源的光的两偏光成分而需要利用多个液晶单元，则通过实施本施方式不仅能够实现光学元件的小型化，而且能够以低成本提供赋予多变的照射区域的照明装置。

第二实施方式

在本实施方式中，对与第一实施方式中所述的光学元件120构造不同的光学元件122进行说明。对于与第一实施方式所述的结构相同或类似的结构，有时省略说明。

1.结构

光学元件122与光学元件120的不同点之一在于，如图16所示，光学元件122具备相互在z方向上重叠的两个液晶单元(第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2)。换言之，光学元件122所包括的液晶单元130的总数为二。第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2的结构均与光学元件120的液晶单元130的结构相同。通过使用具有相同结构的第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2，能够提高光学元件122的生产率，能够以更低的成本提供光学元件122和包括其的照明装置100。第一液晶单元130-1与第二液晶单元130-2通过透光性的接合层152相互固定。来自光源110的光在按顺序透过第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2之后在反射板160上反射，再次按顺序透过第二液晶单元130-2和第一液晶单元130-1并从光学元件122射出。虽未图示，但光学元件122也可以在第一液晶单元130-1的基板132的底面侧具备防反射膜166。

如后所述，在光学元件122中，第一液晶单元130-1的第一电极136-1的延伸方向可以与第二液晶单元130-2的第一电极136-2的延伸方向平行或形成0°以上且10°以下的角度。因此，第一液晶单元130-1的第二电极138-1的延伸方向也与第二液晶单元130-2的第二电极138-2的延伸方向平行或形成0°以上且10°以下的角度。另外，如图16所示，光学元件122不需要λ/4膜150，可以在对置基板134上直接或经由未图示的接合层设置反射板160。或者，如图17所示，反射板160作为反射层可以设置在第二液晶单元130-2的第二电极138-2与对置基板134-2之间。在这种情况下，在反射板160与第二电极138-2之间设置使反射板160与第二电极138-2相互电绝缘的绝缘层168即可。绝缘层168例如可以使用丙烯酸树脂、环氧树脂等高分子或者含氧化硅、氮化硅等含硅无机化合物的一个或多个膜形成。或者，如图18所示，也可以使用反射板160代替对置基板134-2。在这种情况下，也可以配置将反射板160和第二电极138-2相互电绝缘的绝缘层168。

在图19A和图19B中分别示出从第一液晶单元130-1中选择的一个第一电极136-1和一个第二电极138-1、以及从第二液晶单元130-2中选择的一个第一电极136-2和一个第二电极138-2的配置的立体示意图和俯视示意图。如图19A所示，第一电极136-1与第一电极136-2可以相互平行，并且/或者第二电极138-1与第二电极138-2也可以彼此平行。或者，也可以如图19B所示，第一电极136-1与第一电极136-2延伸的方向在z方向上偏离，同样地，第二电极138-1与第二电极138-2延伸的方向也在z方向上偏离。在采用图19B所示的配置关系的情况下，如果第一电极136-1、第二电极138-1、第一电极136-2以及第二电极138-2以在z方向上重叠的方式在xy平面内虚拟地平行移动，则能够以这些电极的延伸方向在z方向上彼此不同的方式构成第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2。

第一电极136-1、第二电极138-1、第一电极136-2或第二电极138-2具有弯曲结构的情况也是同样的。具体而言，如图20A所示，第一电极136-1与第一电极136-2在z方向上可以完全重叠，并且/或者第二电极138-1与第二电极138-2在z方向上也可以完全重叠。或者，如图20B所示，可以以第一电极136-1的相邻的两个直线部、第二电极138-1的相邻的两个直线部、第一电极136-2的相邻的两个直线部、第二电极138-2的相邻的两个直线部均在不同的方向上延伸的方式构成、配置第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2。在这种情况下，第一电极136-1、第二电极138-1、第一电极136-2以及第二电极138-2的直线部在xy平面上向不同的方向延伸。换言之，在以弯曲点在z方向上重叠的方式虚拟地平行移动了第一电极136-1、第二电极138-1、第一电极136-2以及第二电极138-2的情况下，各自的直线部在xy平面上向不同的方向延伸。

由此，通过在两个液晶单元130之间以第一电极136在z方向上不完全重叠、第二电极138也不完全重叠的方式构成光学元件122，从而抑制起因于这些电极的光的干涉，其结果是，能够防止在从光学元件122出射的光中产生照度不均或色度不均。因此，能够在照射区域如实地再现来自光源110的光的颜色。

2.光学元件的配光控制

通过使用具备两个液晶单元130的光学元件122，能够更有效地使光扩散。例如如图21所示，如果驱动第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2的第一电极136和第二电极138全部，则与第一实施方式同样，在第一液晶单元130-1的液晶层140-1和第二液晶单元130-2的液晶层140-2产生折射率分布。因此，来自光源110的光的一方的偏光成分(在此为偏光成分x)虽然在液晶层140-1不扩散而停留在90°旋光，但在液晶层140-2上旋光90°的同时在x方向和y方向上扩散。该光进一步被反射板160反射后，在液晶层140-2再次旋光90°的同时向x方向和y方向扩散，在液晶层140-1不扩散而旋光90°。其结果，光学元件122使入射的偏光成分x变为在x方向和y方向上分别扩散两次的偏光成分x。来自光源110的光的其他偏光成分(在此为偏光成分y)也同样，成为在x方向和y方向上分别扩散两次的偏光成分y。

由此，由于能够使来自光源110的光在x方向和y方向上多次扩散(例如三次以上的扩散)，因此能够抑制扩散不足所引起的光的着色。另外，能够得到具有圆形、椭圆形、线状等多种形状的照射区域。例如，如图22所示，对第一液晶单元130-1的多个第一电极136-1交替地提供电压V₁、V₂，对第一液晶单元130-1的多个第二电极138-1交替地提供电压V₃、V₄，对第二液晶单元130-2的多个第一电极136-2交替地提供电压V₅、V₆，对第二液晶单元130-2的多个第二电极138-2交替地提供电压V₇、V₈。如图23所示，使电压V₁与V₇同步，将电压V₂与V₈设定为与电压V₁或V₇相反的相位，将电压V₃、V₄、V₅、V₆设定为0或者固定，由此，能够将提供从光源110照射的圆形的照射区域174-1的光加工为提供十字形状的照射区域174-6的光。十字形状的枝的长度能够通过适当变更电压V₁、V₂、V₇、V₈的大小来控制。

3.变形例

本发明的实施方式所涉及的光学元件的结构不限于上述的结构。例如可以如图24所示的本变形例所涉及的光学元件124那样，以第一液晶单元130-1的第一电极136-1的延伸方向与第二液晶单元130-2的第一电极136-2的延伸方向垂直或以80°以上且90°以下的角度交叉的方式配置第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2。在该结构中，第一液晶单元130-1的第二电极138-1的延伸方向也与第二液晶单元130-2的第二电极138-2的延伸方向垂直或以80°以上且90°以下的角度交叉。另外，与光学元件120同样，配置λ/4膜150。虽未图示，但光学元件124也可以在第一液晶单元130-1的基板132的底面侧具备防反射膜166。

如图25所示，在光学元件124中，当第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2的第一电极136和第二电极138均驱动时，从光源110入射的光的偏振成分x停留在通过液晶层140-1和液晶层140-2分别旋光90°。然而，如果该光通过λ/4膜150，在反射板160上反射后再次通过λ/4膜150，则变为偏光成分y。当该偏光成分y再次按顺序透过液晶层140-2、液晶层140-1时，在液晶层140-2和液晶层140-1各自中在x方向和y方向上扩散，提供扩散的偏光成分x。来自光源110的光的偏光成分y也同样，向光学元件122入射时，通过液晶层140-1和液晶层140-2各自在y方向和x方向上扩散，在通过反射板160反射后，利用液晶层140-1和液晶层140-2分别旋光90°而提供偏光成分y。由此，在光学元件124中，各偏光成分被第一液晶单元130-1和第二液晶单元130-2两者扩散。因此，如上所述，通过在两个液晶单元130之间以第一电极136不完全重叠且第二电极138在z方向上也不完全重叠的方式构成光学元件124(参照图19B、图20B)，能够提供有效地抑制了照度不均和色度不均的发生的照明装置。

因此，与光学元件122同样，能够使来自光源110的光在x方向和y方向上进行多重扩散(例如三次以上的扩散)，因此，能够得到具有圆形、椭圆形、线状等多种形状的照射区域，并且能够得到更大的照射区域。另外，也能够抑制扩散不足所引起的光的着色。

如上所述，通过使用本发明的实施方式所涉及的光学元件120、122、124，能够使用比以往少的液晶单元，将来自光源110的光加工为提供任意的照射区域的光。另外，特别是通过使用光学元件122、124，能够使用两个液晶单元130将光多次扩散，因此能够抑制对加工后的光的着色。因此，包括本发明的实施方式所涉及的光学元件120、122或124的照明装置100能够作为能够提供各种照射区域的照明装置发挥作用。

作为本发明的实施方式，上述的各实施方式只要不相互矛盾，就能够适当组合来实施。另外，基于各实施方式的显示装置，本领域技术人员适当进行的构成要素的追加、删除或设计变更，或者工序的追加、省略或条件变更，只要具备本发明的主旨，均包含在本发明的范围内。

无论是与通过上述各实施方式的方式带来的作用效果不同的其他作用效果，还是本说明书的记载明确的，或者本领域技术人员容易预测到的，都能够理解为与本发明相关。

附图标记说明

100：照明装置；110：光源；112：主题；112a：凹部；114：发光元件；120：光学元件；122：光学元件；124：光学元件；130：液晶单元；130-1：第一液晶单元；130-2：第二液晶单元；132：基板；134：对置基板；134-2：对置基板；136：第一电极；136-1：第一电极；136-2：第一电极；136a：弯曲点；136b：直线部；138：第二电极；138-1：第二电极；138-2：第二电极；140：液晶层；140-1：液晶层；140-2：液晶层；142：第一取向膜；144：第二取向膜；146：密封件；150：λ/4膜；152：接合层；154-1：第一布线；154-2：第二布线；154-3：第三布线；154-4：第四布线；156：端子；160：反射板；162：反射膜；164：支承基板；166：防反射膜；168：绝缘层；170：旋转机构；172：虚拟照射区域；174：照射区域；174-1：照射区域；174-2：照射区域；174-3：照射区域；174-4：照射区域；174-5：照射区域；174-6：照射区域。

Claims (10)

1.一种光学元件，具备：

液晶单元；

所述液晶单元上的λ/4膜；以及

所述λ/4膜上的反射板，

所述液晶单元包括：

多个第一电极，在第一延伸方向上延伸，并排列为条纹状；

所述第一电极上的第一取向膜；

液晶层，位于所述第一取向膜上，包括液晶分子；

所述液晶层上的第二取向膜；以及

多个第二电极，位于所述第二取向膜上，并排列为条纹状，所述多个第二电极在与所述第一延伸方向以80°以上且90°以下的角度交叉的第二延伸方向上延伸。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

所述第一取向膜和所述第二取向膜构成为在不存在电场的情况下分别使所述液晶分子在相互交叉的第一取向方向和第二取向方向上取向，

所述第一取向方向与所述第一延伸方向以80°以上且90°以下的角度交叉，

所述第二取向方向与所述第二延伸方向以80°以上且90°以下的角度交叉。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

所述多个第一电极构成为被施加在相邻的所述第一电极之间成为相反相位的第一交流电压，

所述多个第二电极构成为被施加在相邻的所述第二电极之间成为相反相位的第二交流电压。

4.一种照明装置，具备：

权利要求1所述的光学元件；以及

光源，构成为经由所述液晶单元对所述反射板照射光。

5.一种光学元件，具备：

第一液晶单元；

所述第一液晶单元上的第二液晶单元；以及

所述第二液晶单元上的反射板，

所述第一液晶单元和所述第二液晶单元分别具备：

多个第一电极，排列为条纹状；

所述多个第一电极上的第一取向膜；

液晶层，位于所述第一取向膜上，包括液晶分子；

所述液晶层上的第二取向膜；以及

多个第二电极，位于所述第二取向膜上，排列为条纹状，所述多个第二电极与所述多个第一电极以80°以上且90°以下的角度交叉。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

在所述第一液晶单元和所述第二液晶单元各自中，

所述第一取向膜和所述第二取向膜构成为在不存在电场的情况下分别使所述液晶分子在相互以80°以上且90°以下的角度交叉的方向上取向，

在不存在电场的情况下所述第一取向膜使所述液晶分子进行取向的所述方向与所述多个第一电极延伸的方向以80°以上且90°以下的角度交叉，

在不存在电场的情况下所述第二取向膜使所述液晶分子进行取向的所述方向与所述多个第二电极延伸的方向以80°以上且90°以下的角度交叉。

7.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

所述第一液晶单元的所述多个所述第一电极延伸的方向和所述第二液晶单元的所述多个第一电极延伸的方向形成的角度为0°以上且10°以下。

8.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

在所述第二液晶单元和所述反射板之间还具备λ/4膜，

所述第一液晶单元的所述多个所述第一电极延伸的方向和所述第二液晶单元的所述多个第一电极延伸的方向形成的角度为80°以上且90°以下。

9.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

在所述第一液晶单元和所述第二液晶单元各自中，

所述多个第一电极构成为被施加在相邻的所述第一电极之间成为相反相位的第一交流电压，

所述多个第二电极构成为被施加在相邻的所述第二电极之间成为相反相位的第二交流电压。

10.一种照明装置，具备：

权利要求5所述的光学元件；以及

光源，构成为经由所述第一液晶单元和所述第二液晶单元向所述反射板照射光。