(57)【要約】  第１の基板３及び第２の基板４と、これら基板の間に挟持された液晶層２と、第１の基板３の液晶層２に面する側に配置された第１の電極層５、５１と、を有するビーム成形装置１、５０、６０。該ビーム成形装置は、それぞれが該ビーム成形装置を通る光の通過を許容するビーム成形状態間で制御可能であり、更に、第１の電極層５、５１を被覆する絶縁層７と、該絶縁層の上に配置された第２の電極層６、５３とを有する。第２の電極層６、５３は、絶縁層７の一部を露出する導電体パターンを有する。該ビーム成形装置は、第１の電極層５、５１と第２の電極層６、５３との間の電圧Ｖの印加が、該絶縁層の露出された部分に対応する液晶層２の一部に含まれる液晶分子が、該液晶層に垂直な平面内で傾き、局所的な屈折率勾配に帰着し、それにより該ビーム成形装置を通過する光のビーム８の成形を可能とするように構成される
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の基板と、前記基板の間に挟持された液晶層と、前記第１の基板の前記液晶層に面する側に配置された第１の電極層と、を有するビーム成形装置であって、前記ビーム成形装置は、それぞれが前記ビーム成形装置を通る光の通過を許容するビーム成形状態間で制御可能であり、前記ビーム成形装置は更に、前記第１の電極層を被覆する絶縁層と、前記絶縁層の上に配置された第２の電極層とを有し、前記第２の電極層は、前記絶縁層の一部を露出する導電体パターンを有し、前記ビーム成形装置は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電圧の印加が、前記絶縁層の露出された部分に対応する前記液晶層の一部に含まれる液晶分子が、前記液晶層に垂直な平面内で傾き、局所的な屈折率勾配に帰着し、それにより前記ビーム成形装置を通過する光のビームの成形を可能とするように構成された、ビーム成形装置。
【請求項２】
前記第２の電極層に含まれる前記導電体パターンは、複数の相互に離隔された導電体を含む、請求項１に記載のビーム成形装置。
【請求項３】
前記相互に離隔された導電体は、基本的に平行な導電線として備えられる、請求項２に記載のビーム成形装置。
【請求項４】
前記第２の電極層は、第１の主延在方向を持つ基本的に平行な導電線を持つ第１の部分と、前記第１の主延在方向とは異なる第２の主延在方向を持つ基本的に平行な導電線を持つ第２の部分と、を有する、請求項３に記載のビーム成形装置。
【請求項５】
前記液晶層は、電界に晒されない場合にはホメオトロピック配向である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のビーム成形装置。
【請求項６】
前記液晶層は、電界に晒されない場合には前記液晶層に含まれる液晶分子が隣接する導電線に対して垂直となるような平面一軸配列を持つ、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のビーム成形装置。
【請求項７】
前記第１の電極層は、複数の相互に離隔された導電体を含む導電体パターンを有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のビーム成形装置。
【請求項８】
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に備えられた第３の電極層を更に有し、前記第３の電極層は、複数の相互に離隔された導電体を持つ導電体パターンを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のビーム成形装置。
【請求項９】
前記第２の基板は、前記第２の基板の前記液晶層に面する側において、第１及び第２の電極層並びに前記電極層に挟持された絶縁層を備え、前記第２の電極層は、前記第１の電極層よりも前記液晶層に近くに配置される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のビーム成形装置。
【請求項１０】
前記第１の基板に備えられた前記第２の電極層は、複数の相互に離隔され且つ基本的に平行な導電線を有し、前記第２の基板に備えられた前記第２の電極層は、複数の相互に離隔され且つ前記第１の基板に備えられた前記第２の電極層の導電線に基本的に垂直である基本的に水平な導電線を有する、請求項９に記載のビーム成形装置。
【請求項１１】
積層構造で配置された請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の第１及び第２のビーム成形装置を有する、ビーム成形構成。
【請求項１２】
前記第１及び第２のビーム成形装置の各々は、それぞれの第２の電極層において複数の基本的に平行な導電線を有し、前記第１及び第２のビーム成形装置は、前記第１のビーム成形装置の前記基本的に平行な導電線が、前記第２のビーム成形装置の前記基本的に平行な導電線に略垂直となるように、互いに対して配置された、請求項１１に記載のビーム成形構成。
【請求項１３】
前記第１のビーム成形装置と前記第２のビーム成形装置との間に配置され、前記ビーム成形構成を通過する光ビームの偏光状態を偏光するように構成された光学部材を更に有する、請求項１１又は１２に記載のビーム成形構成。
【請求項１４】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のビーム成形装置と、光源であって前記光源により発せられた光ビームが前記ビーム成形装置を通過するように配置された光源と、を有する光出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム成形装置であって、それぞれが該ビーム成形装置を通る光の通過を許容するビーム成形状態間で制御可能なビーム成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源により発せられる光のビームの形状を制御することが可能であることは、汎用的な照明から特殊な照明用途に亘る多くの用途において望ましい。幾つかの例は、ズームと組み合わせたビーム成形を伴うビデオフラッシュ、スポットライト、フラッシュライト、室内照明、ヘッドライト及び室内灯である。
【０００３】
従来、該ビーム成形は、機構的に制御可能なズームレンズ構成のような機構的なビーム成形装置により達成されている。近年は、液晶物質の制御可能な特性を利用した、より小型のビーム成形装置が開発されている。斯かるビーム成形装置の例は欧州特許出願公開EP0578827に開示されており、ここでは液晶の光調整板が、光源から発せられた所望の量の光を散乱させる。光散乱率を制御するために印加される制御電源電圧を変化させることにより、ビーム成形装置を通過する光ビームを連続的に発散させることが可能となり、それにより照明光の明るさを変化させることが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
欧州特許出願公開EP0578827に開示されたビーム成形装置は、比較的小型であり電気的に制御可能なビーム成形を提供するものの、後方散乱による光の損失がある。更に、該装置のランダム的な散乱は、制御されたビーム成形に適したものではない。
【０００５】
先行技術の上述した及びその他の欠点に鑑み、本発明の一般的な目的は、改善されたビーム成形装置、とりわけ該ビーム成形装置を通る光のビームのより効率的な成形が可能なビーム成形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、これらの及びその他の目的は、第１及び第２の基板と、前記基板の間に挟持された液晶層と、前記第１の基板の前記液晶層に面する側に配置された第１の電極層と、を有するビーム成形装置により達成される。前記ビーム成形装置は、それぞれが前記ビーム成形装置を通る光の通過を許容するビーム成形状態間で制御可能である。前記ビーム成形装置は更に、前記第１の電極層を被覆する絶縁層と、前記絶縁層の上に配置された第２の電極層とを有する。前記第２の電極層は、前記絶縁層の一部を露出する導電体パターンを有する。前記ビーム成形装置は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電圧の印加が、前記絶縁層の露出された部分に対応する前記液晶層の一部に含まれる液晶分子が、前記液晶層に垂直な平面内で傾き、局所的な屈折率勾配に帰着し、それにより前記ビーム成形装置を通過する光のビームの成形を可能とするように構成される。
【０００７】
液晶層はいずれの種類の液晶分子を有しても良く、どの相のものでも良い。しかしながら、スメスチック相のような他の液晶相に比べて比較的低い粘度のため、ネマチック相が好ましい。このようにして、より短い切り換え時間が得られる。液晶層は更に、高分子を含む液晶合成物を有しても良い。
【０００８】
基板は、好適には光学的に透明であっても良く、剛性のものでも柔軟なものでも良く、ガラス又は例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のような適切なプラスチック物質でできたものであっても良い。
【０００９】
「光学的に透明な」媒体とは、少なくとも部分的な光（可視スペクトル、赤外光及び紫外光を含む電磁波放射）の透過を許容する媒体として理解されるべきである。
【００１０】
第１及び第２の電極層のそれぞれは、いずれの導電性物質に形成されても良いが、好適には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又はインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）のような光学的に透明な導電性物質に形成される。
【００１１】
不均質光学物質の理論から良く知られているように、屈折率勾配に遭遇した光線は、高い屈折率を持つ領域のほうに曲がる。液晶層においては、屈折率及びそれ故光線の曲がりが、電界の印加により液晶層に含まれる液晶分子を再配向させることにより制御されることができる。本発明は、ビーム成形のための斯かる屈折率勾配により引き起こされる光の曲がりの実装が、後方散乱を実質上除去し、より効率的なビーム成形に帰着するという認識に基づくものである。
【００１２】
本発明者は更に、液晶分子の制御可能な再配向のために非常に好適である電界が、液晶層の一方の側に、絶縁層により分離された２つの電極層を設けることにより形成されることを認識した。絶縁層の一部が露出するように液晶層に最も近い位置に電極層を形成することにより、２つの電極層間の電圧の印加が、絶縁層の露出した部分に対応する部分における液晶層にまで延在するフリンジ電界の形成に帰着する。
【００１３】
該フリンジ電界により、比較的短い横方向距離に亘る液晶分子の漸進的な再配向が達成され、大きな屈折率勾配、及びそれに付随する液晶層の一部を通過する光のビームの曲がりに帰着する。
【００１４】
更に、該再配向は、比較的低い制御電圧を用いて達成されることができる。例えばいわゆる面内切り換えのような他の電極構成に比べると、本発明によるビーム成形装置の電極構成は、電極のパターン形成の間に生じる欠陥（隣接する導電物質間の接続）に対して耐性がある。一方、面内切り換えの場合には、このことは短絡に帰着する。
【００１５】
加えて、第１及び／又は第２の電極層の適切な設計により、ビーム成形における大きな柔軟性の度合いが達成され得る。
【００１６】
絶縁層は更に、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘのような種々の誘電物質の幾つかの層を有しても良い。誘電物質及びそれ故誘電率、並びに誘電物質の厚さを選択することにより、電界構成が特定の用途のために調整されることができる。
【００１７】
望ましい大きな屈折率勾配を達成するため、有利には大きな複屈折率（即ち大きなΔｎ＝ｎｅ−ｎｏ、ここでｎｅは異常光線に対する屈折率であり、ｎｏは常光線に対する屈折率である）を持つ液晶物質が利用される。例えば、Δｎ≧０．２を持つ物質が、有利に利用され得る。更に、光線が屈折率勾配物質を通って比較的長い距離を進み、それ故大きな度合いの曲がりを受けるために、１０μｍ以上の厚さを持つ層のような比較的厚い液晶層が有利に利用され得る。このような大きなΔｎと大きな厚さとの組み合わせが、液晶分子の回転を通した入射偏光の遅延を達成するためにフリンジ電界切り換えを利用する一見類似する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に関して明らかな特徴を呈する。斯かるＬＣＤは、交差偏光器を備える必要があり、更に、ＬＣＤに対して垂直な平面における液晶（ＬＣ）分子の傾きが生じることを許容してはならない。それ故、及び必要とされる短い切り換え時間を達成するため、フリンジ電界切り換え（ＦＦＳ）ＬＣＤにおけるＬＣ層は、非常に薄い（４乃至６μｍ）。更に、ＬＣＤが機能するために必要とされる総遅延は、複屈折（Δｎ）とＬＣ層の厚さとの利用可能な組み合わせを決定する。
【００１８】
第２の電極層は有利にも、複数の相互に離隔された導電体を含む導電体パターンを有しても良い。
【００１９】
相互に離隔された導電体間の空隙において絶縁層が露出され、液晶層の対応する部分においてフリンジ電界が形成され得る。これにより、ビーム成形装置のアクティブなビーム成形領域が増大させられ得る。
【００２０】
更に、第２の電極層の相互に離隔された導電体は、基本的に平行な導電線として備えられても良い。
【００２１】
導電線は、曲線状、直線状、波状等のようないずれの形状を持っても良い。該電極構成により、大きな協働するビーム成形領域が実現され、それにより比較的広いビームのビーム成形が達成される。
【００２２】
前記第２の電極層は有利にも、第１の主延在方向を持つ基本的に平行な導電線を持つ第１の部分と、前記第１の主延在方向とは異なる第２の主延在方向を持つ基本的に平行な導電線を持つ第２の部分と、を有しても良い。これにより、入射光線が導電線の延在方向に対して垂直な平面内で曲がるため、より複雑なビーム成形が達成され得る。更なる異なる延在方向を持つ更なる部分は、種々の特定のビーム成形形状を達成するために利用され得る。
【００２３】
一実施例によれば、液晶層は電界に晒されない場合にはホメオトロピック配向であっても良い。
【００２４】
液晶層がホメオトロピック配向である場合には、液晶分子は液晶層に垂直に整列し、それにより分子端が液晶層を挟む基板に面することとなる。このことはＬＣ分子の望ましくないねじれを防ぎ、光線における全ての光が電界の印加の際に制御されることができる。
【００２５】
代替実施例によれば、液晶（ＬＣ）層に含まれる液晶分子は、分子に作用する電界の不在時に、各ＬＣ分子の長軸が最も近い基板に基本的に平行となるように整列させられる。更に、電極間への電圧の印加時に望ましくないねじれが生じることを防ぐため、ＬＣ分子は、各ＬＣ分子の長軸が第２の電極層における隣接する導電体に略垂直となるように、最も近い基板に平行な平面内で配向されても良い。電界が印加されたときには、ＬＣ分子は傾けられ、分子のねじれは起こらない。この初期配向の状態により、直線偏光させられた光のビームにおける全ての光が、電界の印加の際に制御されることができる。このことは、ねじれが引き起こされた場合には当てはまらない。
【００２６】
この種の平面配列は例えば、いわゆる摩擦手法又は光配向により実現されても良い。複数の領域が種々の電極パターン又は曲線状の電極を持つ場合には、これら領域は典型的には、所望の平面配列をもたらすため製造の間に個々に取り扱われるべきである。
【００２７】
更に、第１の電極層は有利にも、複数の相互に離隔された導電体を含む導電体パターンを有しても良い。
【００２８】
このことは、電気力線の方向、及び従って液晶層内にもたらされる誘電率勾配を制御する際に、更なる自由度を与える。
【００２９】
更に、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に第３の電極層が備えられても良く、前記第３の電極層は、複数の相互に離隔された導電体を持つ導電体パターンを含む。該第３の電極層は、対応する絶縁層によって、第１及び第２の電極層のそれぞれから離隔されるべきである。第３の電極層の追加により、液晶層において達成可能な電界パターンの数が増大させられ、それにより多くのビーム形状が実現されることができる。例えば第２の電極層と第１の電極層と間の代わりに、第２の電極層と第３の電極層との間に電圧を印加することにより、ビーム成形装置のビーム形状特性が変化することとなる。
【００３０】
本発明によるビーム成形装置の更なる実施例によれば、前記第２の基板は、前記第２の基板の前記液晶層に面する側において、第１及び第２の電極層並びに前記電極層に挟持された絶縁層を備えても良く、前記第２の電極層は、前記第１の電極層よりも前記液晶層に近くに配置される。
【００３１】
これにより、更に複雑な電界パターンが実現されることができる。とりわけ、第１の基板側における再配向の第１の平面において再配向するために、及び第２の基板側における再配向の第２の平面において再配向するために、液晶分子が制御されることができる。例えば、第１及び第２の平面は互いに対して垂直であり、それにより入射する非偏光の光の２つの偏光成分が同時に制御されることができる。
【００３２】
このことは、複数の相互に離隔され且つ基本的に平行な導電線を含むような前記第１の基板に備えられた第２の電極層と、複数の相互に離隔され且つ前記第１の基板に備えられた前記第２の電極層の導電線に基本的に垂直である基本的に水平な導電線を含むような前記第２の基板に備えられた第２の電極層とを備えることにより達成され得る。
【００３３】
更に、本発明による第１及び第２のビーム成形装置は有利にも、ビーム成形構成を形成するように積層構造に配置されても良い。構成ビーム成形装置のビーム成形特性は、改善されたビーム成形を提供するために利用され得る。
【００３４】
前記第１及び第２のビーム成形装置の各々は、それぞれの第２の電極層において複数の基本的に平行な導電線を有しても良い。
【００３５】
前記第１及び第２のビーム成形装置は、前記第１のビーム成形装置の前記基本的に平行な導電線が、前記第２のビーム成形装置の前記基本的に平行な導電線に略垂直となるように、互いに対して配置されても良い。
【００３６】
更に、ビーム成形構成は、第１のビーム成形装置と第２のビーム成形装置との間に配置され、且つビーム成形構成を通過する光ビームの偏光状態を変更するように構成された光学部材を有しても良い。
【００３７】
該光学部材は例えば、第１のビーム成形装置の通過の後であり且つ第２のビーム成形装置の通過の前に、光の変更状態を変更する回転子であっても良い。これにより、ＬＣ層が偏光に依存した態様で光ビームに作用するものの、偏光に依存しないビーム成形が達成される。回転子は、いわゆる遅延板又は液晶高分子のような液晶物質の形で備えられても良い。直線偏光の光を９０°回転させるために、いわゆる２分の１波長板又はねじれネマチック構成のＬＣ物質が利用されても良い。
【００３８】
更に、本発明によるビーム成形装置は有利にも、光源により発せられた光ビームが該ビーム成形装置を通過するように構成された、発光ダイオード又は半導体レーザのような光源を更に有する光出力装置に含まれても良い。斯かる光出力装置は有利にも、以上に議論されたビーム成形構成を含んでも良い。
【００３９】
本発明のこれらの及び他の態様は、本発明の現在好適な実施例を示す添付図面を参照しながら、以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１（ａ）】本発明の実施例によるビーム成形装置の例の分解斜視図である。
【図１（ｂ）】電圧が電極間に印加されていない場合の、線Ａ−Ａ'に沿ってとられた図１におけるビーム成形装置の断面図である。
【図１（ｃ）】電圧Ｖが電極間に印加されている場合の、線Ａ−Ａ'に沿ってとられた図１におけるビーム成形装置の断面図である。
【図２】２つのビーム成形装置の間に遅延板が挟持されている第１のビーム成形構成の断面図である。
【図３】積層構造に配置された相補的な電極を持つ２つのビーム成形装置を有する第２のビーム成形構成の斜視図である。
【図４】本発明の実施例によるビーム成形装置の別の例を模式的に示す分解斜視図である。
【図５】本発明の実施例によるビーム成形装置の別の例を模式的に示す分解斜視図である。
【図６】種々の電極構成の例を示す。
【図７（ａ）】本発明の実施例によるビーム成形装置に対して実行された理論的な計算を示す図である。
【図７（ｂ）】本発明の実施例によるビーム成形装置に対して実行された理論的な計算を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の説明において、ホメオトロピック配向の液晶層を持つ（電圧が電極に印加されていない場合にＬＣ層に含まれる液晶（ＬＣ）分子が基板に垂直に配向される）ビーム成形装置を参照しながら本発明が説明される。このことは決して本発明の範囲を限定するものではなく、ＬＣ分子が基板と平行に配向された平面配向のような他のいずれの態様で液晶分子が整列されたビーム成形装置にも本発明は等しく適用可能であることは、留意されるべきである。該配向において、ＬＣ分子は電極に平行に整列されても良いし若しくは垂直に整列されても良く、又はＬＣ分子が第１の基板に隣接する第１の配向と第２の基板に隣接する第１の配向に垂直な第２の配向とを持つ混成配向を持っていても良い。
【００４２】
更に、本発明に直接に関連しない細部により本発明を曖昧にしないため、ＬＣ分子を整列させるための配向層のような当業者に良く知られた更なる層は、添付図面において示されておらず、以下にも詳細には説明されていない。
【００４３】
図面は定縮尺ではない点は、留意されるべきである。しかしながら、適切な大きさを示すために、電極における導電線の幅は、典型的には１μｍから２０μｍの間となり得ると言える。更に、導電線は典型的には１０μｍ乃至１００μｍだけ離隔されており、ＬＣ層の厚さは一般に５μｍと５０μｍとの間、好適には１０μｍと５０μｍとの間である。図１ａ乃至ｃは、本発明の実施例によるビーム成形装置の例を模式的に示す。
【００４４】
図１ａにおいてビーム成形装置１が示され、ビーム成形装置１は、第１の透明基板３と第２の透明基板４との間に挟持されたホメオトロピック配向の液晶（ＬＣ）層２を有する。第１の基板３には、絶縁層７により離隔された第１の透明電極層５と第２の透明電極層６とが備えられる。第２の電極層６は、基本的に平行な導電線を備える。これら電極層５、６に電圧Ｖを印加することにより、ビーム成形装置に入射する平行光ビーム８は、図１ａに模式的に示されるように発散させられる。
【００４５】
図１ｂは、図１ａにおける線Ａ−Ａ'に沿ってとられた断面図であり、電極層５、６間に電圧が印加されない状況を模式的に示す。電圧が印加されていないため、電界が形成されず、従ってＬＣ分子は配向層（図示されていない）により課された配向を持つ。図１ｂに示された場合においては、ＬＣ分子はホメオトロピック配向であり、ここで光の３本の平行な線１１ａ乃至ｃにより表された入射光ビーム８の形状は、ビーム成形装置１の通過により変化させられない。
【００４６】
電極層５、６間に電圧Ｖが印加された状況を模式的に示す図１ｃを参照しながら、図１ａにおけるビーム成形装置により利用されるビーム成形機構が以下により詳細に説明される。
【００４７】
図１ｃに模式的に示されるように、ＬＣ層２に含まれる液晶（ＬＣ）分子１０ａ乃至ｃは、第２の電極層６の導電性１４の上に、及び絶縁層７が露出した電極開口１５の上に生成された電気力線に整列させられる。この再配向により、種々の屈折率を持つＬＣ層２の領域が形成される。図１ｃに示された例示的な場合においては、（局所的に）ビーム成形装置１に垂直な方向でビーム成形装置１に当たる光ビーム８が直面する屈折率は、ＬＣ層２に垂直に配向したＬＣ分子１０ａに起因する常屈折率ｎｏと、ＬＣ層２に平行に配列されたＬＣ分子１０ｃに起因する異常屈折率ｎｅとの間で変化する。ビーム成形装置１の「垂直な」ＬＣ分子１０ａを持つ部分と、「水平な」ＬＣ分子１０ｃを持つ部分との間のビーム成形装置１に当たる光は、中間の屈折率に直面することとなる。
【００４８】
図１ｃにおいて、ＬＣ分子の長軸に垂直な偏光の方向を持つ非偏光の光のうちの直線偏光成分（常光線）を表す３つの光線１２ａ、ｂ、ｃは、屈折率勾配に事実上直面することなくビーム成形装置１を通過する。斯くして、これら光線１２ａ乃至ｃのいずれも、ＬＣ層２を通過する間に著しく方向を変化させられない。
【００４９】
一方、分子の長軸の面内に偏光した光（異常光線）を表すその他の偏光成分、即ち光線１３ａ、ｂ、ｃは、屈折率勾配に直面し、それ故図１ｃに模式的に示されるように屈折させられる。
【００５０】
従って、非偏光の光ビーム７における光の最大で５０％が、図１ａ乃至ｃにおけるビーム成形装置１により制御可能である。
【００５１】
以下、図２乃至４を参照しながら、ビーム成形装置／構成の３つの例が説明される。
【００５２】
ビーム成形構成の第１の例２０は、図２を参照しながら説明され、図２は、光学部材を備えた積層構造で構成された図１ａ乃至ｃと組み合わせて説明される第１のビーム成形装置２１と第２のビーム成形装置２２とを示す断面図であり、ここで該光学部材はこれらビーム成形装置の間に挟持された遅延板２３の形をとる。
【００５３】
ここでもまた、非偏光の光の３つの光線２４ａ乃至ｃが、ビーム成形構成２０を通過させられる。図１ｂに関連して説明されたように、異常光線は第１のビーム成形装置２１により影響を受け、常光線は影響を受けずにビーム成形装置２１を通過する。ここではいわゆる２分の１波長板又はねじれネマチック構成のＬＣ高分子の形で備えられる遅延板２３を常光線が通過すると、偏光方向が９０°回転させられる。
【００５４】
それ故、第２のビーム成形装置２２を入ると、前に影響を受けていない成分２５ａ乃至ｃは、ここでは第２のビーム成形装置２２のＬＣ分子の長軸と同じ平面に偏光され、他の偏光成分２６ａ、ｃが第１のビーム成形装置２１を通過する際に屈折させられたときと同じ態様で屈折させられる。
【００５５】
これにより、図２において模式的に示されるように、ビーム成形構成２０を通過する非偏光の光の全てが、ビーム成形構成２０により制御されることができる。
【００５６】
以上の例においては、正の誘電異方性を持つＬＣ分子の挙動が説明された。しかしながら、負の誘電異方性を持つＬＣ分子を利用することも可能であることは、留意されるべきである。その場合には、光線２４ａ乃至ｃは、上述されたものとは反対の方向に屈折させられることとなる。
【００５７】
ここで説明された例においては、説明を簡単にするために、基板とＬＣ層との間の界面における屈折等は無視されている点は、留意されるべきである。
【００５８】
図３を参照しながら、ビーム成形構成の第２の例３０が以下に説明される。
【００５９】
図３において、第１のビーム成形装置３１及び第２のビーム成形装置３２は、積層構造で示されている。該積層構造の底から上への順に、第１のビーム成形装置３１は第１の基板３３を持ち、該基板上に第１の電極層（図示されていない）、絶縁層（図示されていない）、第２の電極層３５、ＬＣ層３６及び第２の基板３７が備えられる。ここで示される実施例においては、第１のビーム成形装置３１の第２の基板３７は、第２のビーム成形装置３２の第１の基板でもある。明らかであるとおり、該共通基板３８は、代替として２つの別個の基板として備えられても良い。第２のビーム成形装置３２は更に、第１の電極（図示されていない）及び第２の電極４０、これら電極間の絶縁層（図示されていない）、ＬＣ層３８並びに第２の基板３９を備える。
【００６０】
図３に示されるように、ビーム成形構成３０の第２の電極層３５及び４０の各々は、導電線のそれぞれ４２ａ乃至ｂ及び４４ａ乃至ｂの２つのセットを持つ。第１の電極層はパターン成形されていない電極層であっても良いが、代替としてパターン成形された電極層として備えられても良い。
【００６１】
各セット４２ａ乃至ｂ及び４４ａ乃至ｂ内で、導電線は互いに対して基本的に平行であり、２つのセット４２ａ乃至ｂ及び４４ａ乃至ｂは互いに対して約４５°の角度で配置される。
【００６２】
更に、ビーム成形装置３１、３２は、第１のビーム成形装置３１の電極３５が第２のビーム成形装置３２の電極４０に垂直となるように、互いに対して配置される。
【００６３】
該ビーム成形構成３０により、入射平行ビームは、対称的に且つ入射光の両方の偏光成分を利用して成形されることができる。
【００６４】
図４を参照しながら、ビーム成形装置／構成の第３の例５０が説明され、該ビーム成形装置／構成５０は、第１の光学的に透明な基板３と第２の光学的に透明な基板４との間に、積層構造の底から上の順に、第１の電極層５１、絶縁層７、第２の電極層５２、第２の絶縁層８、第３の電極層５３及びＬＣ層２を有する。
【００６５】
図４に示されるように、第１の電極層５１は構造化されていない一方で、第２の電極層５２及び第３の電極層５３のそれぞれは基本的に平行な導電線を含む。第３の電極層５３に含まれる導電線５７は、第２の電極層５３に含まれる導電線５６に垂直である。該構成により、種々の電極層の間に種々の方法で電圧を印加することによって、ビーム形状特性が変化させられることができる。例えば、電気光学素子のビーム形状特性を変化させるため、電極層５１と電極層５３との間の代わりに、電極層５３と電極層５２との間に電圧が印加されることができる。
【００６６】
図５を参照しながら、ビーム成形装置の別の例６０が以下に説明され、ビーム成形装置６０は、第１の基板３と同様に第２の基板４が第１の電極層６１及び第２の電極層６２を備え、これら電極層が絶縁層６３により離隔されている点において、図１ａに示された実施例とは異なる。図５に示されるように、第２の基板４に備えられた第２の電極層６２は、第１の基板３に備えられた第２の電極層６に含まれる導電線６５に対して基本的に垂直な導電線６４を有する。
【００６７】
該構成においては、入射する非偏光の光の両方の偏光成分が、単一のセルにおいて影響を受ける。図５に示されたビーム成形装置の構成については、液晶分子の初期のホメオトロピック配向が好適である。液晶層のどちらかの側における第１の電極層と第２の電極層との間の電圧の印加の際に、第１の偏光成分が第１の基板側における液晶分子により影響を受け、第２の偏光成分（第１の偏光成分に直交する）が第２の基板側における液晶分子により影響を受けるように、液晶分子が傾けられる。
【００６８】
図１ａ、３及び５に示された電極構成に加えて、その他の多くの電極構成が可能であり、個別の用途に依存して有利なものとなり得る。斯かる更なる電極構成の幾つかの例が、図６に模式的に示されている。
【００６９】
図６に示される変形例は単に例を示すものであって、他の多くの変形が当業者には明らかであることは、留意されるべきである。
【００７０】
当業者は、本発明は決して好適な実施例に限定されるものではないことを理解するであろう。例えば、電極間に印加される電界は有利にも、帯電効果を克服するために、１００Ｈｚを超える周波数を持つ交流電圧の印加により得られても良い。また、アクティブマトリクス型のアドレシングと組み合わせたピクセル化されたセルを利用することも可能である。更に、成形されるべき光のビームは、ビーム成形装置に斜めに入射しても良い。
【００７１】
シミュレーション結果
本発明の実施例に基づく液晶ＧＲＩＮ（勾配率）マイクロレンズ系により生成された角度光分布を示す図である図７ａ乃至ｂを参照しながら、実行されたシミュレーションの幾つかの簡単な説明が以下に示される。図の全てにおいて、角度分布を示すために強度は正規化されている。更に、曲線において、僅かにのみ逸れたビームは、より大きく逸れたビームの識別性を改善するために省略されている。
【００７２】
図７ａにおいて、図１に示された電極構造に基づく液晶ＧＲＩＮマイクロレンズ系により生成された角度光分布が示されている。本グラフは、図７ａにおける曲線７１により示された＋／−５Ｖｒｍｓについての、図７ａにおける曲線７２により示された＋／−１０Ｖｒｍｓについての、図７ａにおける曲線７３により示された＋／−１５Ｖｒｍｓについての、及び図７ａにおける曲線７４により示された＋／−２０Ｖｒｍｓについての、該系についての角度光分布を示している。これらのグラフは、均一な角度分布が実現され得ることを示している。＋／−２０Ｖｒｍｓの印加電圧について、角度範囲は２×５０度である。
【００７３】
図７ｂにおいて、第１及び第２の電極層が同じ電極パターンを持ち基本的に平行な導電線を持つ電極構造に基づく、液晶ＧＲＩＮマイクロレンズ系により生成された角度光分布が示されている。
【００７４】
図７ｂにおけるグラフに帰着するシミュレーションにおいて利用されたセルの特性は、以下のとおりである：
電極幅：２μｍ
電極間の間隔：３μｍ
絶縁層の厚さ：４００ｎｍ
【００７５】
本グラフは、図７ｂにおける曲線８１により示された＋／−１０Ｖｒｍｓについての、及び図７ｂにおける曲線８２により示された＋／−２０Ｖｒｍｓについての、該系についての角度光分布を示している。これらのグラフは、均一な角度分布が達成され得ることを示している。＋／−２０Ｖｒｍｓの印加電圧について、角度範囲は２×４０度である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【国際調査報告】
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