(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線が入射する第１の光偏向液晶セルであって、
相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、
前記第１及び第２の透明基板上に形成され、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、
前記第１及び第２の透明基板間に挟まれた第１の液晶層と、
前記第１及び第２の透明基板の一方の前記第１の液晶層側内面上方に、該第１の液晶層と接するようにプリズムが形成された第１のプリズム層と、
前記第１の液晶層と第１のプリズム層との界面の液晶分子の長軸方向を、第１の方向に制御し、アンチパラレル配向処理で形成された第１の配向構造と
を含む第１の光偏向液晶セルと、
前記第１の光偏向液晶セルを透過した光線が入射する第２の光偏向液晶セルであって、
相互に対向する一対の第３及び第４の透明基板と、
前記第３及び第４の透明基板上に形成され、前記第３及び第４の透明基板間に電圧を印加する一対の第３及び第４の透明電極と、
前記第３及び第４の透明基板間に挟まれた第２の液晶層と、
前記第３及び第４の透明基板の一方の前記第２の液晶層側内面上方に、該第２の液晶層と接するようにプリズムが形成された第２のプリズム層と、
前記第２の液晶層と第２のプリズム層との界面の液晶分子の長軸方向を、第２の方向に制御し、アンチパラレル配向処理で形成された第２の配向構造と
を含む第２の光偏向液晶セルと、
前記第１〜第４の透明電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記第１の光偏向液晶セルに光線を入射させる入射光学系と
を有し、
前記第１の光偏向液晶セルを透過した光線のうち、電気ベクトルの振動方向が前記第１の方向と直交する偏光成分が、前記第２の液晶層と第２のプリズム層との界面に到達したとき、該偏光成分の電気ベクトルの振動方向と前記第２の方向とが平行になるように、該第２の方向が選択されている光照射装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のプリズム層は、屈折率が同等な透明材料で構成され、ともに、三角柱状のプリズムがプリズムの長さ方向に直交する方向に並んだ構造を有し、該第１及び第２のプリズム層の三角柱状のプリズムの長さ方向は相互に平行であり、該第１及び第２のプリズム層の三角柱状のプリズムは共通の底角を有し、第１の底角で立ち上がる面同士が平行で、第２の底角で立ち上がる面同士が平行であり、
前記第１及び第２の液晶層は、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率が同等であり、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対する屈折率も同等である液晶材料から構成されている請求項１に記載の光照射装置。
【請求項３】
前記第１の底角が５°〜６０°の範囲の角度であり、前記第２の底角が９０°±５°の範囲の角度である請求項２に記載の光照射装置。
【請求項４】
前記第１のプリズム層の屈折率と、前記第１の液晶層の、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対する屈折率とが同等であり、前記第２のプリズム層の屈折率と、前記第２の液晶層の、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対する屈折率とが同等である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射装置に関し、特に、液晶により光線の進行方向を偏向させる光偏向を行う光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用灯具の一態様である車両用前照灯の光源として、例えばハロゲンランプなどの白熱電球、あるいはメタルハライドランプなどの高圧放電灯が知られている。
【０００３】
近年、車両用前照灯の分野において、上述のような白熱電球や放電灯に替えて、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることが考えられている。ＬＥＤは、小型かつ軽量な光源であり、また、上記の従来の光源に対して高寿命かつ低消費電力であるので、新たな前照灯用光源として期待されている。
【０００４】
ところで、車両用前照灯は、走行用配光とすれ違い用配光との２種類の配光を得ることが要求される。このような配光の切り替え方法には、例えば以下のような方法がある。
【０００５】
第１の切り替え方法は、走行用配光に対応した光源とすれ違い用配光に対応した光源との２種類の光源を用いて、それぞれの配光に応じて光源を切り替えるものである。この方法は白熱電球を用いた前照灯でよく用いられている。
【０００６】
また、第２の切り替え方法は、２種類の配光を切り替えるために可動式の遮光部を用いるものである。この方法は放電灯を用いた前照灯によく用いられている。
【０００７】
しかしながら、これらの配光切り替え方法を用いた場合には、２種類の光源または可動式の遮光部を用意するため、前照灯全体としての構成要素が大きくかつ重量も嵩んでしまう。
【０００８】
ＬＥＤ光源特有の利点を活用するための配光切り替え方法として、液晶光学素子を用いた方法が提案されている。例えば特許文献１は、一対の基板の一方の内面にプリズムを形成した液晶セルを用いて、光偏向を行う技術を開示する。電圧無印加状態と電圧印加状態とを切り替えて、液晶層の屈折率を切り替えることにより、光の進行方向を切り替える。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１４７３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１が開示する技術では、同文献の図１０や、明細書の段落［００５３］、［００１６］等に示されているように、液晶セルに入射する光線の、偏光方向が相互に直交する２つの偏光成分うち、一方の偏光成分しか偏向させることができない。液晶セルに入射する光線の両方の偏光成分を偏向させることができる技術が望まれる。
【００１１】
本発明の一目的は、液晶セルを用いて、入射光線の両方の偏光成分を偏向させることにより、光照射方向を変えることができる光照射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一観点によれば、光線が入射する第１の光偏向液晶セルであって、相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、前記第１及び第２の透明基板上に形成され、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、前記第１及び第２の透明基板間に挟まれた第１の液晶層と、前記第１及び第２の透明基板の一方の前記第１の液晶層側内面上方に、該第１の液晶層と接するようにプリズムが形成された第１のプリズム層と、前記第１の液晶層と第１のプリズム層との界面の液晶分子の長軸方向を、第１の方向に制御し、アンチパラレル配向処理で形成された第１の配向構造とを含む第１の光偏向液晶セルと、前記第１の光偏向液晶セルを透過した光線が入射する第２の光偏向液晶セルであって、相互に対向する一対の第３及び第４の透明基板と、前記第３及び第４の透明基板上に形成され、前記第３及び第４の透明基板間に電圧を印加する一対の第３及び第４の透明電極と、前記第３及び第４の透明基板間に挟まれた第２の液晶層と、前記第３及び第４の透明基板の一方の前記第２の液晶層側内面上方に、該第２の液晶層と接するようにプリズムが形成された第２のプリズム層と、前記第２の液晶層と第２のプリズム層との界面の液晶分子の長軸方向を、第２の方向に制御し、アンチパラレル配向処理で形成された第２の配向構造とを含む第２の光偏向液晶セルと、前記第１〜第４の透明電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記第１の光偏向液晶セルに光線を入射させる入射光学系とを有し、前記第１の光偏向液晶セルを透過した光線のうち、電気ベクトルの振動方向が前記第１の方向と直交する偏光成分が、前記第２の液晶層と第２のプリズム層との界面に到達したとき、該偏光成分の電気ベクトルの振動方向と前記第２の方向とが平行になるように、該第２の方向が選択されている光照射装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
偏光方向が相互に直交する２つの偏光成分を、それぞれ、第１及び第２の光偏向液晶セルで偏向させることができる。第１の光偏向液晶セルで、電気ベクトルの振動方向が第１の方向に平行な偏光成分を偏向させることができ、第１の光偏向液晶セルで偏向されなかった偏光成分を、第２の光偏向液晶セルで偏向させることができる。印加電圧に応じて、偏向方向を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、図１〜図３を参照して、本発明の実施例による第１及び第２の光偏向液晶セルの構成例及び作製方法について説明する。図１は、第１の（または第２の）光偏向液晶セルの概略断面図である。
【００１５】
まず、第１の光偏向液晶セルについて説明する。表面に、透明電極が形成された一対の平板状のガラス基板（透明電極２が形成された下側ガラス基板１、及び、透明電極１２が形成された上側ガラス基板１１）を用意した。
【００１６】
透明電極２、１２は、それぞれ、例えば厚さ１５０ｎｍであり、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる。ガラス基板１、１１の板厚は、それぞれ、例えば０．７ｍｍｔであり、ガラス材質は、例えば無アルカリガラスである。実施例では、透明電極２、１２として、ベタパタンのものを用いたが、必要に応じてパタニングされたものを用いることができる。
【００１７】
片側のガラス基板の透明電極上に（下側ガラス基板１の透明電極２上に）、プリズム層３を形成した。プリズム層３は、平板状のベース層３ｂ上に、頂角４５度、底角が４５度及び９０度の三角柱状のプリズム３ａが、プリズム３ａの長さ方向と直交する方向に並んだ形状を有する。
【００１８】
図２に、プリズム層３の概略斜視図を示す。図３に、光偏向液晶セルの概略平面図を示す。多数の細長いプリズム３ａが、ストライプ状に配置されている。ガラス基板１上のプリズム層３の形成されている領域は、実施例ではカマボコ型であり、その寸法は、例えば、プリズム３ａの並ぶ方向（図３の横方向、カマボコ型の底辺方向）が８０ｍｍであり、プリズム３ａの長さ方向（図３の縦方向、カマボコ型の高さ方向、ただし出っ張りを含まない直線部分の寸法）が５０ｍｍである。
【００１９】
図１に示すように、ベース層３ｂの厚さは、例えば２０μｍ〜４０μｍである。プリズム３ａの高さは、例えば２０μｍであり、プリズム３ａの幅（隣り合うプリズム３ａ間のピッチ）は、例えば２０μｍである。
【００２０】
プリズム層３の作製方法について説明する。下側ガラス基板１の透明電極２上に、所定量の紫外（ＵＶ）硬化性樹脂（例えばロックタイト製３７６Ｌ）を滴下し、その上の所定位置に、プリズム３ａに対応する型が形成された金型を置き、厚手の石英部材などを基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行った。なお、金型にはエア抜き用の微小な溝を形成してもよい。また、真空中で重ね合わせてもよい。
【００２１】
プレス後、１分以上放置した後、下側ガラス基板１の裏側（ＵＶ硬化性樹脂層と反対側）から紫外線を照射し、ＵＶ硬化性樹脂を硬化させた。紫外線の照射量は、例えば５００ｍＪ／ｃｍ２である。紫外線の照射量は、樹脂が硬化するように、適宜設定すればよい。なお、ＩＴＯは紫外線を吸収するため、透明電極の膜厚が変われば必要な紫外線照射量も変わるであろう。
【００２２】
プリズム層３に、ラビング処理を行った。第１の光偏向液晶セルでは、液晶分子の長軸方向が、プリズム３ａの長さ方向と平行に制御されるように、ラビング方向を、プリズム３ａの長さ方向と平行にする。
【００２３】
もう一方のガラス基板の透明電極上に（上側ガラス基板１１の透明電極１２上に）、例えばポリイミドからなる配向膜１３を形成した。実施例では、日産化学製のＳＥ−４１０からなる膜を、フレキソ印刷法で厚さ８０ｎｍ形成して、１８０℃で１．５時間焼成を行った。焼成後、配向膜１３にラビング処理を行った。配向膜１３のラビング方向は、両ガラス基板を重ね合わせてセルを形成したとき、プリズム層３のラビング方向に対してアンチパラレルとなるように定められる。
【００２４】
次に、下側のガラス基板１上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜５ｗｔ％含んだメインシール剤を形成した。形成方法として、例えば、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。プリズム３ａの頂点から配向膜１３までの、液晶層２１の厚さが、例えば５μｍ〜３０μｍとなるように、ギャップコントロール剤が選択される。
【００２５】
メインシール剤中のギャップコントロール剤の径は、例えば４５μｍ〜９０μｍとする。実施例では、積水化学製の径が７５μｍのプラスチックボールを選んだ。このプラスチックボールを、三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に４ｗｔ％添加し、メインシール剤とした。
【００２６】
上側のガラス基板上には、ギャップコントロール剤１４を散布した。上側のガラス基板上のギャップコントロール剤１４の径は、例えば１０μｍ〜５０μｍとする。実施例では、積水化学製の径が１５μｍのプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布した。
【００２７】
次に、両ガラス基板１、１１の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させた。実施例では、１５０℃で３時間の熱処理を行った。
【００２８】
このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層２１を形成した。なお、下側の基板にはプリズム層３が形成されているので、液晶層２１の厚さは位置により変化する。プリズムの谷近傍では、プリズムの山近傍よりも液晶層が厚くなる。なお、液晶の注入方法は真空注入に限らず、例えばＯｎｅ Ｄｒｏｐ Ｆｉｌｌ（ＯＤＦ）法を用いてもよい。
【００２９】
実施例では、液晶として、Δεが正でΔｎ＝０．２９８の大日本インキ化学工業製のものを用いた。電圧無印加状態で、液晶分子の長軸がガラス基板に平行な方向に沿い、電圧印加により、液晶分子の長軸がガラス基板の法線方向（上下基板の対向方向）に立ち上がる。
【００３０】
液晶注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止した。封止後、１２０℃で１時間の熱処理を行い、液晶の配向状態を整えた。このようにして、第１の光偏向液晶セルを作製した。
【００３１】
実施例に用いた液晶は、電気ベクトルの振動方向（光の振動方向）が液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対して、屈折率１．８２３を示し、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対して、屈折率１．５２５を示す。
【００３２】
プリズム層３を構成するＵＶ硬化性樹脂の屈折率は、１．５１であり、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対する液晶の屈折率と同等である。なお、第１の材料の屈折率と第２の材料の屈折率との差が、第１の材料の屈折率または第２の材料の屈折率に対して３％以内（より好ましくは２％以内）であるとき、両材料の屈折率が同等であるとする。
【００３３】
次に、第２の光偏向液晶セルについて説明する。第２の光偏向液晶セルは、ラビング方向以外については第１の光偏向液晶セルと同様な構成のものであり、第１の光偏向液晶セルと同様な工程で作製される。
【００３４】
図２に示すように、第１の光偏向液晶セルのプリズム層３上のラビング方向が、プリズム３ａの長さ方向と平行であったのに対し、第２の光偏向液晶セルのプリズム層３上のラビング方向は、プリズム３ａの並ぶ方向と平行（プリズム３ａの長さ方向と直交）にする。すなわち、第２の光偏向液晶セルでは、液晶分子の長軸方向が、プリズム３ａの並ぶ方向と平行に制御される。
【００３５】
また、上側ガラス基板１１上の配向膜１３のラビング方向は、両ガラス基板を重ね合わせてセルを形成したとき、プリズム層３のラビング方向に対してアンチパラレルとなるように定められる。
【００３６】
このように作製した第１及び第２の光偏向液晶セルを積層し、各液晶セルの電極を、印加電圧を制御する制御装置に接続して、実施例による光偏向装置を作製した。
【００３７】
両液晶セルは、第１の液晶セルのプリズムの長さ方向と、第２のプリズムの長さ方向とが平行になるように、かつ、プリズムの底角４５°で立ち上がる面同士が平行になり、底角９０°で立ち上がる面同士が平行になるように積層した。両液晶セルのプリズム層上のラビング方向が、平面視上直交する。
【００３８】
図４に、実施例の光偏向装置の積層セルの写真を示す。第１の光偏向液晶セルが上側に配置され、第２の光偏向液晶セルが下側に配置されている。各液晶セルで、プリズム層の形成されていない基板（配向膜が形成された基板）が上側に配置され、プリズム層の形成された基板が下側に配置されている。それぞれの液晶セルの透明電極にピン端子をつなげることにより導通を取り、第１の液晶セルと第２の液晶セルに等しい電圧を印加できるようにしてある。
【００３９】
次に、図５及び図６を参照して、実施例の光偏向装置の光偏向特性を測定した実験について説明する。図５は、測定光学系の構成を示す概略図である。光源４１として、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）が配置されている。光源４１から放出された光が、凸レンズ４２に入射する。光源４１は、ほぼ点光源とみなせ、凸レンズ４２の前側焦点位置に配置されている。光源４１から放出され、凸レンズ４２を透過した光が、ほぼ平行光となる。
【００４０】
凸レンズ４２を透過した光が、第１及び第２の光偏向液晶セルを積層した積層セル４３に入射する。積層セル４３を透過した光が、絞り４４を経て、ホトディテクタ４５に入射する。制御装置３１が、積層セル４３への印加電圧を制御して、電圧無印加（印加電圧が０Ｖ）であるオフ状態と、各液晶セルへの印加電圧が例えば２０Ｖであるオン状態とを切り替える。
【００４１】
凸レンズ４２を透過して積層セル４３に入射する光線の進行方向をＺ軸方向とし、積層セル４３の、プリズムの長さ方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸及びＸ軸の双方に直交する方向をＹ軸方向とする座標系を考える。
【００４２】
光源４１、凸レンズ４２、及び積層セル４３は、共通の支持台４６に対して固定されている。支持台４６は、積層セル４３の配置された位置を中心としＸ軸に平行な回転軸４７の周りに回転可能である。
【００４３】
支持台４６の回転角を変化させながら、積層セル４３を透過した光の強度をホトディテクタ４５で測定することにより、積層セル４３から出射した光の強度のＹＺ面内での角度分布を得ることができる。つまり、積層セル４３によりどれだけの光量がどの角度に曲げられたのか測定することができる。
【００４４】
図６を参照して、測定結果について説明する。図６の曲線Ａ１がオン状態の光強度の角度分布であり、曲線Ａ２がオフ状態の光強度の角度分布である。オン状態では、光強度分布が、０°を中心にほぼ正規分布している。すなわち、オン状態では積層セル４３への入射光線がそのまま直進する。
【００４５】
一方、オフ状態では、１８°を中心とする幅の広いピークと、０°を中心とする幅の狭いピークとを持つ光強度分布となっている。オフ状態の０°を中心とするピークは幅が狭いため、積分するとほとんどの光が１８°近傍に集まった光強度分布と言える。
【００４６】
実際にスクリーンなどに投影して観察すると、０°付近の光は非常に弱く、ほとんどの光が１８°を中心とした方向に曲げられていることが確認された。このように、オフ状態では、積層セル４３への入射光線が、ＹＺ面内で偏向される。
【００４７】
次に、図７及び図８を参照して、実施例の光偏向装置の作用について考察する。図７及び図８は、プリズム３ａの長さ方向に平行な視線で見た、積層セルの概略断面図を示す。図７は、印加電圧がオフ状態を示し、図８が、オン状態を示す。なお、ここで、第１の液晶セル１０１及び第２の液晶セル１０２の構成部材について、それぞれ、「−１」及び「−２」を付して区別する。
【００４８】
まず図７を参照して、オフ状態について説明する。第１の液晶セル１０１の上側ガラス基板１１−１に、光線Ｌが垂直入射する。上側ガラス基板１１−１に入射する光線Ｌの進行方向をＺ軸方向とし、プリズム３ａ−１及び３ａ−２の長さ方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸及びＸ軸の双方に直交する方向をＹ軸方向とする座標系を考える。
【００４９】
上側ガラス基板１１−１、透明電極１２−１、及び配向膜１３−１を透過した光線Ｌが、液晶層２１−１に入射する。液晶層２１−１を透過した光線Ｌが、プリズム３ａ−１の、底角４５°で立ち上がる平面３ｃ−１に斜めに（入射角４５°で）入射する。  
【００５０】
オフ状態で、第１の液晶セル１０１の液晶分子Ｍ−１の長軸方向は、プリズム３ａ−１の長さ方向と平行であり、すなわち、Ｘ軸方向を向いている。光線Ｌのうち、Ｘ軸方向に電気ベクトルが振動する偏光成分ＬＸについて、液晶層２１−１の屈折率とプリズム３ａ−１の屈折率とが異なり、Ｙ軸方向に電気ベクトルが振動する偏光成分ＬＹについて、液晶層２１−１の屈折率とプリズム３ａ−１の屈折率とが同等である。
【００５１】
従って、偏光成分ＬＹは、液晶層２１−１とプリズム層３−１との界面３ｃ−１をそのまま直進して通過する。一方、偏光成分ＬＸは、スネルの法則に従って、界面３ｃ−１において、ＹＺ面内で偏向される。
【００５２】
プリズム層３−１を透過した偏光成分ＬＸ及びＬＹが、透明電極２−１及び下側ガラス基板１−１を透過して、第２の液晶セル１０２に入射する。第２の液晶セル１０２の上側ガラス基板１１−２、透明電極１２−２、及び配向膜１３−２を透過した偏光成分ＬＸ及びＬＹが、液晶層２１−２を透過して、プリズム３−２に入射する。オフ状態で、第２の液晶セル１０２の液晶分子Ｍ−２の長軸方向は、プリズム３ａ−２が並ぶ方向と平行であり、すなわち、Ｙ軸方向を向いている。
【００５３】
第１の液晶セル１０１で偏向された偏光成分ＬＸについて、液晶層２１−２の屈折率とプリズム３ａ−２の屈折率とが同等であり、偏光成分ＬＸは、プリズム３ａ−２で偏向されない。偏光成分ＬＸは、第１の液晶セル１０１から出射した方向と平行な方向のまま、第２の液晶セル１０２から出射する。
【００５４】
第１の液晶セル１０２で偏向されなかった偏光成分ＬＹは、プリズム３ａ−２の、底角４５°で立ち上がる平面３ｃ−２に斜めに（入射角４５°で）入射する。偏光成分ＬＹについて、液晶層２１−２の屈折率とプリズム３ａ−２の屈折率とが異なる。従って、偏光成分ＬＹは、液晶層２１−２とプリズム３ａ−２の界面３ｃ−２で、スネルの法則に従い、ＹＺ面内で偏向される。
【００５５】
偏向される偏光成分に対する、液晶層の屈折率及びプリズム層の屈折率が、第１及び第２の液晶セルで等しくなるように、かつ、偏向される偏光成分に対して、液晶層からプリズムへの入射角が、第１及び第２の液晶セルで等しくなるように、両液晶セルが構成されているので、２つの偏光成分が、等しい方向に曲がる。
【００５６】
次に、図８を参照して、オン状態について説明する。オン状態では、充分な大きさの電圧印加により、第１及び第２の液晶セル双方で、液晶分子の長軸方向が、上下基板の法線方向（対向方向）と平行になっている。すなわち、第１の液晶セル１０１の液晶分子Ｍ−１の長軸方向、及び、第２の液晶セル１０２の液晶分子Ｍ−２の長軸方向の双方とも、Ｚ軸方向を向いている。
【００５７】
このため、第１の液晶セル１０１に入射する光線Ｌのうち、Ｘ軸方向に電気ベクトルが振動する偏光成分ＬＸ、及び、Ｙ軸方向に電気ベクトルが振動する偏光成分ＬＹの双方について、液晶層２１−１の屈折率とプリズム３ａ−１の屈折率とが同等である。従って、偏光成分ＬＸ及びＬＹの双方とも、第１の液晶セル１０１をそのまま直進して通過し、第２の液晶セル１０２に入射する。
【００５８】
同様に、第２の液晶セル１０２に入射する偏光成分ＬＸ及びＬＸの双方について、液晶層２１−２の屈折率とプリズム３ａ−２の屈折率とが同等である。従って、偏光成分ＬＸ及びＬＹの双方とも、第２の液晶セル１０２をそのまま直進して通過する。
【００５９】
以上説明したように、オフ状態では、２つの偏光成分が第１及び第２の液晶セルでそれぞれ偏向され、オン状態では、両偏光成分とも偏向されずに直進すると考えられる。なお、以上の説明は、概略的な原理についての考察である。実際の液晶光学素子の挙動はより複雑と考えられるので、上記の理想的な挙動と完全には一致しないであろう。
【００６０】
例えば、オフ状態において、理想的には０°のピークは現れないと考えられるが、測定された偏向特性（図６）では、０°付近にピークが現れる。この理由としては、例えば、プリズム表面のラビング処理による液晶分子の配向制御が完全でなかったのではないかと推察される。しかし、例えばラビング処理方法を最適化することにより、０°付近のピークを低下させることが可能であろう。
【００６１】
次に、図９を参照し、１層の液晶セルにより光偏向を行った比較実験について説明する。液晶セルとして、第１の液晶セル（ラビング方向がプリズムの長さ方向に平行なセル）を用いた。曲線Ａ３がオン状態の光強度の角度分布であり、曲線Ａ４がオフ状態の光強度の角度分布である。
【００６２】
実施例の積層セルと同様に、オン状態では、光強度分布が、０°を中心にほぼ正規分布している。オフ状態では、１８°を中心とするピークが現れるが、０°のピークの積分強度も高い。図７及び図８を参照して考察したように、１層の液晶セルでは、一方の偏光成分しか偏向しない。他方の偏光成分は直進するので、０°近傍と１８°近傍の両方向に同程度の光量が照射されることになる。
【００６３】
以上説明したように、実施例による光偏向装置は、偏光方向が相互に直交する２つの偏光成分の双方を偏向することができる。
【００６４】
なお、上記実施例では、プリズムの長さ方向にラビング処理を行った液晶セルを光源側に配置し、プリズムの並ぶ方向にラビング処理を行った液晶セルを観察者側（ディテクタ側）に配置したが、この配置を逆にしても、２つの偏光成分の偏向は可能である。
【００６５】
また、上記実施例では、２つの液晶セルとも、プリズムの形成されない基板を光源側に配置し、プリズムの形成された基板を観察者側に配置したが、この配置を逆にしても、光偏向を行うことは可能である。このような基板の配置の順序が、２つの液晶セルで揃っていても、異なっていても、２つの偏光成分の偏向は可能である。
【００６６】
なお、上記実施例では、プリズム層と、それに対向する基板上の配向膜との双方にラビングを施して、液晶層とプリズム層との界面における液晶分子の長軸方向を制御する配向構造を形成したが、長軸方向が充分に制御できるのであれば、片側のみのラビングで配向構造を形成してもよい。
【００６７】
さらに、上記実施例では、液晶セルの上下基板のラビング方向を反平行（パラレル配向）としたが、上下基板のラビング方向を相互に交差させた（捩れ配向とした）液晶セルを用いることもできる。
【００６８】
ツイステッドネマチック（ＴＮ）配向とした第３の光偏向液晶セルについて説明する。第３の光偏向液晶セルは、ラビング方向以外については第１の光偏向液晶セルと同様なものであり、第１の光偏向液晶セルと同様な工程で作製される。
【００６９】
第３の光偏向液晶セルのプリズム層上のラビング方向は、第１の光偏向液晶セルと同様に、プリズムの長さ方向と平行にする。一方、プリズム層と対向する基板側のラビング方向は、セルが形成された状態で、液晶分子の長軸がプリズムの並ぶ方向と平行に制御されるように定める。
【００７０】
図１０に、第３の液晶セルを用いた光偏向装置の構成例の概略的な斜視図を示す。第１の液晶セル５１を光源側に配置し、第３の液晶セル５２を観察者側に配置し、各セルでプリズムの形成されない基板を光源側に配置し、プリズムの形成された基板を観察者側に配置する。平面視上、第１の液晶セル５１の上下側のラビング方向と第３の液晶セルのプリズム層側のラビング方向とが平行で、第３の液晶セルのプリズム層対向側のラビング方向が、これらの方向に直交する。
【００７１】
次に、このような光偏向装置での光偏向作用について考察する。第１の液晶セルで偏向されなかった偏光成分５３の、第３の液晶セルの液晶層への入射時の電気ベクトルの振動方向が、第３の液晶セルの、配向膜と液晶層との界面での液晶分子の長軸方向と平行となっている。
【００７２】
偏光成分５３は、第３の液晶セルの液晶層で偏光方向を回され、液晶層とプリズムとの界面に到達したとき、電気ベクトルの振動方向が、液晶分子の長軸方向と平行であり、プリズムの長さ方向と平行になっている。
【００７３】
このように、第１の液晶セルで曲げられなかった偏光成分５３の電気ベクトルの振動方向が、第３の液晶セルにおいて、液晶分子の長軸方向に沿うので、偏光成分５３が曲げられることになる。
【００７４】
図１１は、このような光偏向装置の光偏向特性を示すグラフである。曲線Ａ５がオン状態の光強度の角度分布であり、曲線Ａ６がオフ状態の光強度の角度分布である。
【００７５】
オフ状態で、１２°〜１７°付近に光が曲げられていることがわかる。オフ状態とオン状態の０°近傍の光強度の差が、１層の液晶セルを用いた光偏向装置（図９参照）に比べると明瞭に大きく、両偏光成分が偏向されていることがわかる。
【００７６】
なお、上記実施例では、三角柱状のプリズムを用いた。底角として、９０°及び４５°であるものを用いたが、底角はこれに限らない。基板に対し垂直入射した光線について、垂直に近い底角で立ち上がる面は偏向に寄与せず、基板から適当に緩い角度で立ち上がる面が偏向に寄与する。このような構成により、一方向への偏向が容易になる。三角柱状のプリズム底角として、一方は９０°±５°の範囲とすることが好ましく、他方は５°〜６０°の範囲とすることが好ましい。
【００７７】
上記実施例では、ストライプ状に配置された三角柱状プリズムのピッチを２０μｍとした。プリズムのピッチは１μｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
【００７８】
上記実施例では、各液晶セルが光を一方向に偏向させ、かつ両液晶セルで偏向方向が揃っていたが、偏向の態様はこれに限らない。必要に応じ、各液晶セルが光を多方向に偏向させ、両セルの偏向方向が相互に異なるような光偏向装置を作製することもできる。
【００７９】
例えば、液晶層に接するプリズムの断面形状や、プリズムの平面形状を、必要に応じて様々なものに変えることにより、様々な偏向態様を得ることができる。例えば、断面形状がサインカーブのプリズムを用いることも可能である。また、例えば、平面形状が格子状、同心円状、楕円状、フレネルレンズ状、ドット状等のプリズムを用いることも可能である。また、必要に応じて、第１層目の液晶セルと第２層目の液晶セルとで、プリズム形状を異ならせることもできる。
【００８０】
例えば、上記実施例の第１と第２の液晶セルを、偏向方向が左右反対となるように積層し光偏向装置を作製することができる。この装置では、２つの直線偏向が、左右に振り分けられる。
【００８１】
なお、実施例の光偏向装置は、偏光板を用いる液晶光学素子に比べ、高透過率である。液晶セルを２層積層した積層セルの透過率として、８０％〜９０％が見込まれる（大気の透過率を１００％とした場合）。
【００８２】
なお、上記実施例では、オフ状態とオン状態の２状態を切り替える例を説明したが、中間調電圧を印加することにより、偏向角度を連続的に制御することが可能である。
【００８３】
なお、上記実施例では、Δεが正の液晶を用いたが、Δεが負の液晶を用いた光偏向液晶セルを作製することも可能である。Δεが負の液晶を用いた液晶セルでは、電圧無印加状態で、基板に垂直に液晶分子を配向させる。従って、例えば、オフ状態で入射光線が直進する。電圧印加により基板に平行に液晶分子が倒れ込む。従って、オン状態で入射光線が偏向される。例えば、パラレル配向の２層の液晶セルを用いる場合、液晶分子の倒れ込む方向が、平面視上相互に直交する方向に制御されるように、第１層目と第２層目の液晶セルのラビング方向を定める。なお、垂直配向液晶セルを用いる場合、プリズムの傾斜によっても液晶分子の倒れる方向が制限されるので、それを踏まえてラビングのプレティルト発現方向を定める配慮が必要となろう。
【００８４】
なお、上記実施例では、プリズム材料の屈折率と液晶層の屈折率とが等しい状態と、相互に異なる状態とを切り替えたが、液晶層の屈折率を必ずしもこのように変化させる必要はない。偏向させる偏光成分に関する液晶層の屈折率が、印加電圧変化によって、プリズムの屈折率に対して変化すれば、当該偏光成分の進行方向を変化させることができる。なお、例えばオン状態で、プリズムの屈折率と液晶層の屈折率とが等しいと、光が直進するので、光学装置の設計上扱いやすくなる利点があろう。
【００８５】
実施例の光偏向装置を、光源と組み合わせて、照射方向が可変の光照射装置を作製することができる。このような光照射装置は、例えば車両用の前照灯として利用することができる。
【００８６】
次に、図１２及び図１３を参照して、実施例による自動車用の前照灯について説明する。図１２は、前照灯の構成の一例を示す概略断面図である。高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ６１から放出された光線が、楕円型リフレクタ６２で反射され、楕円型リフレクタ６２の焦点に配置されたシェード６３に集光される。シェード６３を透過した光線が、レンズ６４でほぼ平行光にされて、実施例の積層セル６５に入射する。積層セル６５を透過した光がカバー６６を介して照射される。上述のように、積層セル６５に印加する電圧を変化させることにより、照射方向を変えることができる。
【００８７】
図１３は、前照灯の構成の他の例を示す概略断面図である。ＬＥＤ７１から放出された光線が、リフレクタ７２で反射され、ほぼ平行光にされ、インナーレンズ７３を介して実施例の積層セル７４に入射する。積層セル７４を透過した光がカバー７５を介して照射される。積層セル７４に印加する電圧を変化させることにより、照射方向を変えることができる。
【００８８】
このような前照灯は、例えば、アダプティブフロントライティングシステム（ＡＦＳ）や、オートレベリングに利用可能である。ＡＦＳでは旋回方向に応じて、左右方向に照射方向を変化させ、オートレベリングでは車体の角度に応じて、上下方向に照射方向を変化させる。
【００８９】
例えばＡＦＳの場合、例えばオフ時に左右それぞれに照射方向を曲げるような、２つの光偏向装置を用意し、オン時は両方が正面照射を行うようにしておき、右または左への旋回時に、対応する方向が照らされるよう、一方の装置を駆動させることができる。
【００９０】
また例えば、偏向角度幅が１８°である光偏向装置を用いるとすると、角度幅の中間の値、例えば中央値である９°の偏向角のとき正面照射が行われるようにし、旋回方向に応じて左右に照射方向を振り分けることができる。
【００９１】
実施例の光照射装置は、機械的な作動部なしに、照射方向を変えることができる。なお、実施例の光照射装置は、例えば最大で１８°程度の角度範囲で照射方向を変えられる（図６参照）。自動車用の前照灯で求められている角度制御範囲は、オートレベリングで３°程度、ＡＦＳで１５°程度であるので、角度制御範囲について、実施例の光照射装置は充分な性能を有しているといえる。
【００９２】
なお、光照射装置に用いる光源として、ＨＩＤランプ、ＬＥＤの他に、例えば電界放射（ＦＥ）光源、蛍光灯等が考えられる。点光源を用いると、光を平行化しやすく、積層セルに平行光線束を入射させて、方向の揃った照射光を得やすい。この観点からは、光源にＬＥＤを用いることが好ましい。
【００９３】
実施例の光照射装置は、例えば、自動車用（普通乗用車、軽自動車、トラック、バス等）の灯具（前照灯、補助灯、フォグランプ、コーナリングライト）や、二輪用（オートバイ、自転車等）の灯具（配光制御部）や、一般照明器具（屋内照明、街路灯、懐中電灯）の配光制御部等に応用できる。
【００９４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は、実施例による光偏向液晶セルの概略断面図である。
【図２】図２は、プリズム層３の概略斜視図である。
【図３】図３は、実施例の光偏向液晶セルの概略平面図である。
【図４】図４は、積層セルの写真である。
【図５】図５は、測定光学系の構成を示す概略図である。
【図６】図６は、実施例の光偏向装置のオン状態及びオフ状態の光強度の角度分布を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例の光偏向装置のオフ状態での作用を説明するための概略断面図である。
【図８】図８は、実施例の光偏向装置のオン状態での作用を説明するための概略断面図である。
【図９】図９は、比較例の光偏向装置のオン状態及びオフ状態の光強度の角度分布を示すグラフである。
【図１０】図１０は、他の実施例の光偏向装置の概略斜視図である。
【図１１】図１１は、他の実施例の光偏向装置のオン状態及びオフ状態の光強度の角度分布を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例の前照灯の概略断面図である。
【図１３】図１３は、他の実施例の前照灯の概略断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１、１１  ガラス基板
２、１２  透明電極
３  プリズム層
３ａ  プリズム
３ｂ  ベース層
１３  配向膜
１４  ギャップコントロール剤
２１  液晶層
３１  制御装置
４１  光源
４２  凸レンズ
４３  積層セル
４４  絞り
４５  ホトディテクタ
１０１  第１の光偏向液晶セル
１０２  第２の光偏向液晶セル
６１  ＨＩＤランプ
６２  楕円型リフレクタ
６３  シェード
６４  レンズ
６５  積層セル
６６  カバー
７１  ＬＥＤ
７２  リフレクタ
７３  インナーレンズ
７４  積層セル
７５  カバー
【図１】
0005076194.tif 000002
【図２】
0005076194.tif 000003
【図３】
0005076194.tif 000004
【図５】
0005076194.tif 000005
【図６】
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【図７】
0005076194.tif 000007
【図８】
0005076194.tif 000008
【図９】
0005076194.tif 000009
【図１０】
0005076194.tif 000010
【図１１】
0005076194.tif 000011
【図１２】
0005076194.tif 000012
【図１３】
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【図４】
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