JP2017156632A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】配光状態と透明状態との切り替えを行うことができる光学デバイスを提供する。
【解決手段】光透過性を有する対向配置された第１基板１０及び第２基板１１と、第１基板１０と第２基板１１との間に位置し、屈折率が調整可能な屈折率調整層３０と、第１基板１０の第２基板１１側の主面１０ａ上に、所定間隔空けて配置された第１電極２０及び第２電極２１とを備え、屈折率調整層３０は、第１電極２０及び第２電極２１間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化する第１領域３２と、第１電極２０及び第２電極２１間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化しない第２領域３３とを含み、第１領域３２と第２領域３３との界面形状は、凹凸形状である。
【選択図】図５

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

従来、屋外から入射する太陽光の進行方向を変更して屋内に導入する光学デバイスが提案されている。例えば、特許文献１には、窓に配置することで窓に入射する太陽光の進行方向を変更して屋内の天井などに導くことができる採光シートが開示されている。特許文献１に開示された採光シートは、透明シート材に形成した凹状溝に充填材を充填して反射面を形成し、当該反射面による反射により太陽光の光路を折り曲げて屋内に導入している。

特開２０１２−２５５９５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された採光シートは、入射する太陽光の進行方向を変更して屋内に導入できるものの、入射する太陽光の進行方向を変更させずにそのまま屋内には導入できない。

つまり、特許文献１に記載された採光シートは、進行方向を変化させて光を透過させることができる配光状態と、進行方向を変化させずに光を透過させることができる透明状態との切り替えを行うことができない。

そこで、本発明は、配光状態と透明状態との切り替えを行うことができる光学デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る光学デバイスは、光透過性を有する対向配置された第１基板及び第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に位置し、屈折率が調整可能な屈折率調整層と、前記第１基板の前記第２基板側の主面上に、所定間隔空けて配置された第１電極及び第２電極とを備え、前記屈折率調整層は、前記第１電極及び前記第２電極間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化する第１領域と、前記第１電極及び前記第２電極間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化しない第２領域とを含み、前記第１領域と前記第２領域との界面形状は、凹凸形状である。

本発明に係る光学デバイスによれば、配光状態と透明状態との切り替えを行うことができる。

実施の形態に係る光学デバイスの断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスを建物の窓に適用する例を示す模式図である。 実施の形態に係る光学デバイスの電極の形状及び配置を示す平面図である。 実施の形態に係る光学デバイスが透明状態になっているときの様子を模式的に示す部分拡大断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスが配光状態になっているときの様子を模式的に示す部分拡大断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスが透明状態になっているときの入射光の光路の一例を示す図である。 実施の形態に係る光学デバイスが配光状態になっているときの入射光の光路の一例を示す図である。 実施の形態に係る光学デバイスに印加する電圧（電位）を変化させたときの凹凸形状の変化を示す図である。 変形例１に係る光学デバイスの断面図である。 変形例２に係る光学デバイスの断面図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る光学デバイスについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
［概要］
まず、実施の形態に係る光学デバイス１の概要について説明する。

図１は、本実施の形態に係る光学デバイス１の断面図である。図２は、本実施の形態に係る光学デバイス１を建物９０の窓に適用する例を示す模式図である。

光学デバイス１は、光の配光を制御することができる光配光制御デバイスである。図１に示すように、光学デバイス１は、対向配置された第１基板１０及び第２基板１１と、第１電極２０及び第２電極２１と、屈折率調整層３０とを備える。光学デバイス１は、さらに、第３電極４０と、封止材５０とを備える。

光学デバイス１は、図１に示すように、平板状のデバイスである。なお、各図において、光学デバイス１の厚み方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に直交し、かつ、互いに直交する２つの方向をｘ軸方向及びｙ軸方向とする。なお、本明細書において、「厚み方向」とは、光学デバイス１の厚み方向を意味し、第１基板１０及び第２基板１１の主面に垂直な方向である。

光学デバイス１は、例えば、屋外（室外）と屋内（室内）との間に設置される。本実施の形態では、図１に示すように、光学デバイス１は、第１電極２０及び第２電極２１が配置された第１基板１０が屋外側、第２基板１１が屋内側になるように配置される。

光学デバイス１は、図２に示すように、例えば、建物９０の屋内と屋外とを隔てる壁９１に窓として設けられる。あるいは、光学デバイス１は、壁９１に設置された窓に対面するように配置されてもよい。なお、光学デバイス１は、建物用の窓に限らず、例えば自動車、電車などの車両又は飛行機などの移動体の窓などに利用してもよい。光学デバイス１を車両の窓に用いる場合、屋外とは車外のことであり、屋内とは車内のことである。

以下、光学デバイス１の各構成部材について詳細に説明する。

［第１基板及び第２基板］
第１基板１０及び第２基板１１は、対向配置されている。具体的には、第１基板１０と第２基板１１とは、第１電極２０及び第２電極２１、屈折率調整層３０並びに第３電極４０を間に挟んで支持する。

図１に示すように、第１基板１０は、主面１０ａを有する。主面１０ａには、第１電極２０及び第２電極２１が設けられている。第２基板１１は、主面１１ａを有する。主面１１ａには、第３電極４０が設けられている。第１基板１０と第２基板１１とは、主面１０ａ及び主面１１ａが対面するように配置されている。主面１０ａと主面１１ａとの間を充填するように屈折率調整層３０が設けられている。第１基板１０と第２基板１１とは、各々の端部外周に沿って設けられた封止材５０によって接着されている。

第１基板１０及び第２基板１１は、光透過性を有し、入射した光（可視光）を透過する。本実施の形態では、第１基板１０及び第２基板１１は、透明基板であり、例えばガラス基板又は透明樹脂基板である。ガラス基板の材料としては、ソーダガラス、無アルカリガラス又は高屈折率ガラスなどを用いることができる。樹脂基板の材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル（ＰＭＭＡ）又はエポキシなどを用いることができる。ガラス基板は、光透過率（透明性）が高く、かつ、水分の透過性が低いという利点がある。一方、樹脂基板は、破壊時の飛散が少ないという利点がある。第１基板１０及び第２基板１１は、同じ基板材料で構成されてもよく、異なる基板材料で構成されてもよい。

なお、第１基板１０及び第２基板１１は、リジッド基板に限らず、フレキシブル樹脂基板又はフレキシブルガラス基板などの可撓性を有するフレキシブル基板でもよい。また、第１基板１０及び第２基板１１の平面視形状は、例えば、正方形又は長方形などの矩形状であるが、例えば、円形又は四角形以外の多角形でもよく、任意の形状を利用することができる。

［第１電極及び第２電極］
第１電極２０及び第２電極２１は、電気的に対となっており、屈折率調整層３０に電界を与えることができるように構成されている。第１電極２０及び第２電極２１の一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。具体的には、第１電極２０及び第２電極２１は、屈折率調整層３０に横電界（ｘ軸方向への電界）を与える。

また、本実施の形態では、第１電極２０及び第２電極２１はそれぞれ、第３電極４０との間で、屈折率調整層３０に電界（斜め電界）を与えることができるように構成されている。例えば、第１電極２０及び第３電極４０の一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。第２電極２１及び第３電極４０の一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。

第１電極２０及び第２電極２１は、第１基板１０の主面１０ａ上に、所定間隔空けて配置されている。図３は、本実施の形態に係る光学デバイス１の電極の形状及び配置を示す平面図である。具体的には、図３は、光学デバイス１を第２基板１１側から平面視したときの平面図であり、第２基板１１、屈折率調整層３０及び封止材５０などを透過して示している。図３において、第１電極２０、第２電極２１及び第１基板１０の外形（輪郭）を実線で示し、第３電極４０の外形（輪郭）を破線で示している。

図３に示すように、第１電極２０及び第２電極２１はそれぞれ、櫛形電極であり、各々の櫛歯部分が互いに噛み合うように配置されている。図１に示すように、第１電極２０と第２電極２１との間の間隔ｄ１は、第１基板１０と第２基板１１との間の間隔ｄ２より小さい。本実施の形態では、間隔ｄ１は、第１電極２０の一本の櫛歯部分と、当該櫛歯部分に隣り合う第２電極２１の櫛歯部分との間の距離である。第１電極２０と第２電極２１とは、例えば等間隔で配置されている。

第１電極２０及び第２電極２１は、図３に示すように、櫛歯部分がｙ軸方向に沿って延伸している。本実施の形態では、光学デバイス１を垂直な壁９１に設けられた窓に適用する場合、光学デバイス１は、この延伸方向（ｙ軸方向）が水平方向になるように設置される。

第１電極２０及び第２電極２１は、光透過性を有し、入射した光を透過する。第１電極２０及び第２電極２１は、例えば、透明導電膜を所定形状（具体的には、櫛状）にパターニングすることで形成される。透明導電膜の材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）又はＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明金属酸化物、銀ナノワイヤ若しくは導電性粒子などの導電体を含有する樹脂からなる導電性含有樹脂、又は、銀薄膜などの金属薄膜などを用いることができる。なお、第１電極２０及び第２電極２１は、これらの単層構造でもよく、あるいは、これらの積層構造（例えば透明金属酸化物と金属薄膜との積層構造）でもよい。

［屈折率調整層］
屈折率調整層（屈折率変化層）３０は、可視光領域での屈折率が調整可能となっている。屈折率調整層３０は、電界が与えられることによって屈折率が変化する材料（屈折率可変材料）によって構成されている。本実施の形態において、屈折率調整層３０は、主として、複屈折性を有する電界応答性の媒質を含んでいる。当該媒質は、具体的には、液晶分子３１を含む液晶材料である。つまり、屈折率調整層３０では、屈折率可変材料として液晶材料を用いている。

液晶材料としては、例えば、液晶分子３１が棒状分子からなるネマティック液晶又はコレステリック液晶などを用いることができる。液晶材料は、電界の変化によって液晶分子３１の配向状態が変化して屈折率が変化する。例えば、液晶材料の常光屈折率ｎｏは、１．５であり、異常光屈折率ｎｅは、１．６７である。

本実施の形態では、液晶分子３１は、ポジ型液晶分子である。液晶分子３１は、図１に示すｙ軸方向に配向している。なお、ｙ軸方向は、第１基板１０の主面１０ａに平行で、かつ、第１電極２０と第２電極２１とが並ぶ方向（ｘ軸方向）に直交する方向である。すなわち、液晶分子３１は、櫛形の第１電極２０及び第２電極２１の櫛歯部分が延伸する方向に配向している。

なお、図示しないが、屈折率調整層３０と第１基板１０との間、及び、屈折率調整層３０と第２基板１１との間にはそれぞれ、配向膜が設けられている。これにより、液晶分子３１は、ｙ軸方向に沿って配向させることができる。

屈折率調整層３０は、第１基板１０と第２基板１１との間に位置している。屈折率調整層３０の第１基板１０側には、第１電極２０と第２電極２１とが並んで配置されており、第２基板１１側には第３電極４０が配置されている。このため、第１電極２０、第２電極２１及び第３電極４０の各々に異なる電位を印加した場合に、屈折率調整層３０には、横電界及び斜め電界が印加される。具体的には、第１電極２０と第２電極２１との間には横電界が印加され、第１電極２０と第３電極４０との間、及び、第２電極２１と第３電極４０との間には、斜め電界が印加される。

図４は、本実施の形態に係る光学デバイス１が透明状態になっているときの様子を模式的に示す部分拡大断面図である。具体的には、図４は、屈折率調整層３０には電界が印加されていない場合を示している。

図４に示すように、屈折率調整層３０に電界が印加されていない場合、屈折率調整層３０の屈折率は、層内で略均一である。例えば、電界が印加されていないときの屈折率調整層３０の屈折率は、異常光屈折率ｎｅに等しく、１．６７である。

図５は、本実施の形態に係る光学デバイス１が配光状態になっているときの様子を模式的に示す部分拡大断面図である。具体的には、図５は、屈折率調整層３０に横電界及び斜め電界が印加されている場合を示している。なお、図５において、実線の双方向矢印が横電界及び斜め電界の各々の方向を模式的に示している。

本実施の形態では、屈折率調整層３０は、電界が印加された場合、層内の一部の領域のみの屈折率が変化し、他の領域の屈折率は変化しない。すなわち、屈折率調整層３０は、部分的に屈折率を変化させることができる。

具体的には、屈折率調整層３０に電界が印加された場合、図５に示すように、屈折率調整層３０は、第１領域３２と、第２領域３３とが形成される。第１領域３２は、電界が印加された場合に屈折率が変化する領域である。第２領域３３は、電界が印加された場合に屈折率が変化しない領域である。なお、第１領域３２及び第２領域３３の形状及び大きさは、第１電極２０、第２電極２１及び第３電極４０の各々に印加される電位に応じて変化する。

ここでは、図５に示すように、電源６０によって、第１電極２０に負の電位（例えば、−１０Ｖ）、第２電極２１に正の電位（例えば、＋１０Ｖ）が印加されている。また、第３電極４０は、接地されている（すなわち、電位が０Ｖ）。

第１領域３２では、電界の向きに応じて液晶分子３１の配向状態が変化する。具体的には、液晶分子３１は、長軸方向が電界の向きに沿うように配向される。これにより、図５の破線で示すように、第１領域３２と第２領域３３との界面形状が、凹凸形状になる。具体的には、第１領域３２は、第１電極２０及び第２電極２１の延伸方向（ｙ軸方向）に沿った凸条（畝）の領域になる。第１領域３２の凸条は、ｘ軸方向に沿って周期的に繰り返し設けられる。

第１領域３２の屈折率ｎ１と第２領域３３の屈折率ｎ２とは異なっている。具体的には、第１領域３２の屈折率ｎ１は常光屈折率ｎｏに等しく、例えば１．５であり、第２領域３３の屈折率ｎ２は異常光屈折率ｎｅに等しく、例えば１．６７である。第１領域３２と第２領域３３との屈折率の差は、０．１７である。

［第３電極］
第３電極４０は、第１電極２０及び第２電極２１の各々との間で、屈折率調整層３０に電界を与えることができるように構成されている。具体的には、第３電極４０には、第１電極２０に印加される電位と第２電極２１に印加される電位との間の電位が印加される。第３電極４０に印加される電位に応じて、第１領域３２と第２領域３３との界面形状、すなわち、凹凸形状（図５の破線の形状）を変更することができる。

第３電極４０は、第２基板１１の主面１１ａ上で、かつ、平面視において、第１電極２０と第２電極２１との間に配置されている。図３に示すように、第３電極４０は、櫛形電極である。第３電極４０の櫛歯部分は、第１電極２０の櫛歯部分と第２電極２１の櫛歯部分との間に配置されている。例えば、第３電極４０の櫛歯部分は、第１電極２０の櫛歯部分と第２電極２１の櫛歯部分との中間地点に位置しているが、これに限定されない。第３電極４０は、第１電極２０又は第２電極２１に平面視において重複する位置に配置されていてもよい。

第３電極４０は、光透過性を有し、入射した光を透過する。第３電極４０は、例えば、透明導電膜を所定形状（具体的には、櫛状）にパターニングすることで形成される。第３電極４０は、第１電極２０及び第２電極２１と同じ材料を用いて形成することができる。

［封止材］
封止材５０は、屈折率調整層３０を囲むように第１基板１０と第２基板１１とを接着することで、屈折率調整層３０を封止する。封止材５０は、第１基板１０及び第２基板１１の端部外周に沿って環状に設けられている。

封止材５０としては、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、又は、シリコーン樹脂などの光硬化性又は熱硬化性の接着性樹脂を用いることができる。あるいは、封止材５０としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの酸変性物からなる熱可塑性の接着性樹脂などを用いてもよい。

なお、封止材５０には、第１基板１０と第２基板１１との間の距離ｄ２を確保するための粒状のスペーサを含んでもよい。粒状のスペーサとしては、例えば、ガラスビーズ、樹脂ビーズ、シリカ粒子などを用いることができる。

［光学デバイスの光学作用］
次に、本実施の形態に係る光学デバイス１の光学作用について説明する。

光学デバイス１は、光を透過させることができる。例えば、光学デバイス１は、第１基板１０から入射した光を透過して第２基板１１から出射させることができる。また、光学デバイス１は、第２基板１１から入射した光を透過して第１基板１０から出射させることができる。

なお、本実施の形態に係る光学デバイス１は、一般的な液晶表示デバイスと異なり、偏光板を備えないため、電界を印加した場合と印加しない場合との両方において、入射光を透過させることができる。

本実施の形態に係る光学デバイス１は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、屈折率調整層３０の屈折率を部分的に変化させることで、透明状態（図６Ａ）と配光状態（図６Ｂ）とを作り出すことができる。図６Ａは、本実施の形態に係る光学デバイス１が透明状態になっているときの入射光Ｌの光路の一例を示す図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る光学デバイス１が配光状態になっているときの入射光Ｌの光路の一例を示す図である。ここでは、屋外からの光（例えば、太陽光）が第１基板１０側から光学デバイス１に入射する例を示している。

図６Ａに示すように、光学デバイス１は、第１電極２０及び第２電極２１に電圧が印加されていない場合（電圧無印加の場合）に透明状態になる。このとき、電圧無印加の場合、第１電極２０及び第２電極２１の電位は、第３電極４０と同じである。したがって、第１電極２０及び第２電極２１に電圧が印加されていないときには屈折率調整層３０には電界が与えられないので、屈折率調整層３０における液晶分子３１の配向状態は変化しない。

このため、図６Ａの矢印で示すように、光学デバイス１に入射する入射光Ｌはそのまま直進する。なお、実際には、第１基板１０及び第２基板１１と空気との間の屈折率差によって光は屈折するが、図６Ａには示していない。

このように、光学デバイス１が透明状態（図６Ａ）の場合、光学デバイス１に入射する屋外からの光（外光）は、光学デバイス１をそのまま直進して通過して屋内に導かれる。例えば、光学デバイス１の斜め上方から太陽光が入射する場合（図２参照）、太陽光は、そのままの方向で直進して屋内に進入する。これにより、窓際周辺の床面に太陽光を照射させることができる。

一方、図６Ｂに示すように、光学デバイス１は、第１電極２０及び第２電極２１に電圧が印加された場合（電圧印加の場合）に配光状態になる。つまり、屈折率調整層３０には、第１電極２０と第２電極２１との電位差によって横電界が与えられる。また、第１電極２０と第３電極４０との電位差、及び、第２電極２１及び第３電極４０との電位差によって斜め電界が与えられる。これらの電界によって、屈折率調整層３０の第１領域３２における液晶分子３１の配向状態が変化する。

具体的には、図５及び図６Ｂに示すように、屈折率が変化した第１領域３２と屈折率が変化しない第２領域３３との界面形状が凹凸形状になる。図６Ｂの矢印で示すように、屈折率調整層３０に入射した光は、第１領域３２と第２領域３３との界面で全反射されて、屋内の上方に向けて出射される。これにより、図２に示すように、入射光Ｌは、部屋の奥の天井面９２を照射することができる。

なお、より具体的には、入射光ＬのうちＳ偏光成分のみが屈折又は反射される。つまり、光学デバイス１が配光状態であっても、Ｐ偏光成分は、第１領域３２と第２領域３３との屈折率差に関わらず、そのまま直進する。

以上のように、本実施の形態では、第１電極２０及び第２電極２１間に電圧を印加した場合に、光学デバイス１を配光状態にすることができ、電圧を印加しない場合に、光学デバイス１を透明状態にすることができる。すなわち、光学デバイス１は、配光状態（配光モード）及び透明状態（透明モード）を選択的に実行することができる。

［凹凸の形状の調整］
続いて、配光状態における屈折率調整層３０内の凹凸の形状の調整について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る光学デバイス１に印加する電圧（電位）を変化させたときの凹凸形状の変化を示す図である。

図７の（ａ）は、電源６０が第１電極２０及び第２電極２１間に±ｖ１の交流電圧を印加したときの凹凸形状を破線で示している。図７の（ｂ）は、電源６０が第１電極２０及び第２電極２１間に±ｖ２（ｖ２＞ｖ１）の交流電圧を印加したときの凹凸形状を破線で示している。

図７に示すように、第１電極２０と第２電極２１との間に印加する電圧を変化させることで、第１領域３２の斜面３２ａと厚み方向（ｚ軸方向）との間の角度（傾斜角α）、及び、第１領域３２の斜面３２ｂと厚み方向との角度（傾斜角β）が変化する。具体的には、印加電圧を±ｖ１から±ｖ２に変化させたとき、斜面３２ａの傾斜角αはα１からα２に小さくなる。同様に、斜面３２ｂの傾斜角βはβ１からβ２に小さくなる。すなわち、斜面３２ａ及び３２ｂは、厚み方向により近い斜面となる。これは、第１電極２０と第２電極２１との電界が強くなるためである。

ｘ軸方向の正側を鉛直下方にして光学デバイス１を設置した場合、斜面３２ａが入射光Ｌの反射面になる。屈折率調整層３０に与えられる斜め電界の強度を調整することで、斜面３２ａの傾斜を変更することができる。

なお、本実施の形態では、第３電極４０が接地されており、第１電極２０及び第２電極２１に印加される電位の中間値が第３電極４０には印加されている。このため、斜面３２ａの傾斜角α及び斜面３２ｂの傾斜角βは、略一致している。

これに対し、第３電極４０に印加する電位を、第１電極２０に印加する電位及び第２電極２１に印加する電位のいずれかに近い値にしてもよい。例えば、第３電極４０に印加する電位が第２電極２１に印加する電位に近い値である場合、第２電極２１と第３電極４０との電位差が小さくなるため、第２電極２１と第３電極４０との間に与えられる斜め電界が小さくなる。したがって、斜面３２ｂの傾斜角βは大きくなる。一方で、第１電極２０と第３電極４０との電位差が大きくなるため、第１電極２０と第３電極４０との間に与えられる斜め電界が大きくなる。これにより、斜面３２ａの傾斜角αは小さくなる。

このように、第３電極４０に印加する電位を調整することで、第１領域３２と第２領域３３との界面形状を変更することができ、配光を制御することができる。

［実施例］
ここで、実際に作製した光学デバイス１の実施例について説明する。

まず、屋外側の第１基板１０として透明な樹脂基板を用いて、当該樹脂基板の表面（主面１０ａ）にＩＴＯ膜を膜厚１００ｎｍで形成した。ＩＴＯ膜をエッチングすることで、互いに噛み合った櫛形の第１電極２０及び第２電極２１を同時に形成した。第１電極２０と第２電極２１との間隔ｄ１は、１０μｍとした。

また、屋内側の第２基板１１として透明な樹脂基板を用いて、第１電極２０及び第２電極２１と同様の工程を行うことで、第２基板１１の主面１１ａに第３電極４０を形成した。このとき、第３電極４０は、第１基板１０と第２基板１１とを貼り合わせたときに、第１電極２０と第２電極２１との間に位置するように形成されている。

次に、第１電極２０及び第２電極２１を覆うように、主面１０ａの全面に配向膜を形成した。その後、第１電極２０及び第２電極２１の櫛歯部分の延伸方向（ｙ軸方向）に沿ってラビング処理を行った。同様に、第３電極４０を覆うように、主面１１ａの全面に配向膜を形成した。その後、第３電極４０の櫛歯部分の延伸方向（ｙ軸方向）に沿ってラビング処理を行った。

次に、第１基板１０の主面１０ａの端部の外周に沿って封止材５０として接着性樹脂材料を塗布した後、基板間距離（ｄ２）が２５μｍとなるように、第１基板１０と第２基板１１とを貼り合わせた。このとき、主面１０ａと主面１１ａとが、すなわち、第１電極２０及び第２電極２１と第３電極４０とが互いに対向している。

次に、液晶分子３１としてポジ型液晶分子を含む液晶材料を真空注入法により第１基板１０と第２基板１１との間に注入した。なお、用いた液晶材料は、常光屈折率ｎｏが１．５で、異常光屈折率ｎｅが１．６７の材料である。

注入に用いた注入口を樹脂により封止することで、上記の実施の形態に係る光学デバイス１を作製した。

光学デバイス１は、上述したように、透明状態（透明モード）と配光状態（配光モード）とを有する。透明状態（図６Ａ参照）では、第１電極２０、第２電極２１及び第３電極４０のいずれの間にも電圧が印加されていない状態である。作製した実施例に係る光学デバイス１は、透過率が８０％以上であり、良好な透明性が得られた。

次に、第３電極４０を接地し、第１電極２０と第２電極２１との間に±１０Ｖの交流電圧を印加した。また、光学デバイス１を各電極の延伸方向が水平方向になるように配置し、模擬太陽光として、白色平行光を極角４０°で第１基板１０側から光学デバイス１に照射した。入射光のうちＰ偏光成分は、そのまま直進して光学デバイス１を通過した。Ｓ偏光成分は、仰角２°での配光が観察された。ここで、第１電極２０と第２電極２１との間に印加する電圧を±１５Ｖの交流電圧に変更した。この場合、Ｓ偏光成分は、仰角４°で出射された。このとき、斜面３２ａの傾斜角αは、１５°から１３°に変化した。また、第１領域３２と第２領域３３との界面が明瞭になった。

以上のように、印加電圧を変更することで、Ｓ偏光成分の配光を変更することができることが確認された。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る光学デバイス１は、光透過性を有する対向配置された第１基板１０及び第２基板１１と、第１基板１０と第２基板１１との間に位置し、屈折率が調整可能な屈折率調整層３０と、第１基板１０の第２基板１１側の主面１０ａ上に、所定間隔空けて配置された第１電極２０及び第２電極２１とを備え、屈折率調整層３０は、第１電極２０及び第２電極２１間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化する第１領域３２と、第１電極２０及び第２電極２１間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化しない第２領域３３とを含み、第１領域３２と第２領域３３との界面形状は、凹凸形状である。

これにより、第１電極２０及び第２電極２１間に所定電圧を印加した場合、互いに屈折率が異なる第１領域３２及び第２領域３３が形成される。第１領域３２と第２領域３３との屈折率差によって、第１領域３２と第２領域３３との界面に入射した光を屈折又は反射させることができる。第１領域３２と第２領域３３との界面形状が凹凸形状であるので、光学デバイス１に入射する光を当該凹凸によって所定の方向に配光させることができる。

一方で、第１電極２０及び第２電極２１間に電圧を印加しない場合、屈折率調整層３０には第１領域３２及び第２領域３３が形成されずに、屈折率調整層３０の屈折率は、層内で略均一になる。したがって、第１電極２０及び第２電極２１間への電圧の印加を制御することで、配光状態（配光モード）と透明状態（透明モード）との切り替えを行うことができる。なお、配光状態において、第１電極２０と第２電極２１との間に印加する電圧に応じて、第１領域３２及び第２領域３３の形状及び大きさを変更することができるので、所望の方向に光を進行させることができる。

また、例えば、第１電極２０及び第２電極２１はそれぞれ、櫛形電極であり、各々の櫛歯部分が互いに噛み合うように配置されている。

これにより、第１電極２０の櫛歯部分と第２電極２１の櫛歯部分とが交互に並んで位置しているので、第１電極２０及び第２電極２１間に電圧を印加した場合に、第１領域３２と第２領域３３との界面の凹凸は、周期的に繰り返し形成される。これにより、光学デバイス１の面全体で広く光を配光させることができる。

また、例えば、光学デバイス１は、さらに、第２基板１１の第１基板１０側の主面１１ａ上で、かつ、平面視において第１電極２０と第２電極２１との間に配置された第３電極４０を備える。

これにより、第３電極４０と第１電極２０との間、又は、第３電極４０と第２電極２１との間に斜め電界を印加することができるので、第１領域３２及び第２領域３３の界面形状を調整することができる。したがって、入射光の角度又は望まれる配光特性に応じて、適切な形状の凹凸を精度良く形成することができる。よって、所望の配光特性を得ることができる。

また、例えば、第３電極４０には、第１電極２０に印加する電位と第２電極２１に印加する電位との間の電位が印加される。このとき、例えば、所定間隔は、第１基板１０と第２基板１１との間の間隔より小さい。

これにより、第３電極４０と第１電極２０との間、及び、第３電極４０と第２電極２１との間に斜め電界を印加することができる。したがって、入射光の角度又は望まれる配光特性に応じて、適切な形状の凹凸を形成することができる。よって、所望の配光特性を得ることができる。

例えば、図２に示すように、光学デバイス１に対する太陽光の入射角度は、季節に応じて異なっている。このとき、部屋の奥の天井面９２（光学デバイス１が設置された壁９１から離れた天井面）を一定以上の照度で照らすには、太陽光の変化（太陽の南中高度の変化）に追随して、凹凸形状を変更する必要がある。本実施の形態では、斜め電界の大きさを変更することで斜面３２ａの傾斜角を変更することができるので、例えば、太陽光の入射角に追随させて適切な配光を得ることができる。

また、例えば、屈折率調整層３０は、複屈折性を有する電界応答性の媒質を含んでいる。また、例えば、媒質は、ポジ型液晶分子を含み、ポジ型液晶分子は、第１基板１０の主面１０ａに平行で、かつ、第１電極２０と第２電極２１とが並ぶ方向に直交する方向（ｙ軸方向）に配向している。

これにより、屈折率調整層３０に印加された横電界によって媒質（具体的には、液晶分子３１）の配向状態が変化する。電界強度に応じて液晶分子３１の配向状態の変化を調整することができるので、第１領域３２と第２領域３３との界面形状を所望の形状にすることができる。したがって、所望の方向への配光を実現することができる。

（その他）
以上、本発明に係る光学デバイスについて、上記の実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記の実施の形態では、屈折率調整層３０がポジ型液晶分子を含む液晶材料から形成される例について示したが、ネガ型液晶分子を含む液晶材料から形成されてもよい。

図８は、変形例１に係る光学デバイス１０１の断面図である。本変形例に係る光学デバイス１０１は、実施の形態に係る光学デバイス１と比較して、屈折率調整層３０の代わりに屈折率調整層１３０を備える点が相違する。ここでは、相違点を中心に説明し、実施の形態と同様の構成については、説明を省略又は簡略化する。

屈折率調整層１３０は、液晶分子３１の代わりに液晶分子１３１を含む液晶材料を、複屈折性を有する電界応答性の媒質として含んでいる。本変形例では、液晶分子１３１は、ネガ型液晶分子である。液晶分子１３１は、図８に示すｚ軸方向に配向している。つまり、液晶分子１３１は、第１基板１０の主面１０ａの法線方向（すなわち、光学デバイス１０１の厚み方向）に配向している。

電界が印加された場合の屈折率調整層１３０の動作は、実施の形態と同様である。具体的には、屈折率調整層１３０には、屈折率が変化する第１領域３２と、屈折率が変化しない第２領域３３とが形成される。第１領域３２と第２領域３３との界面形状が凹凸形状になるので、当該凹凸によって入射光を所望の方向に配光することができる。

以上のように、本変形例に係る光学デバイス１０１では、媒質は、ネガ型液晶分子を含み、ネガ型液晶分子は、第１基板１０の主面１０ａの法線方向（ｚ軸方向）に配向している。これにより、透明状態と配光状態との切り替えを行うことができる。

次に、変形例２に係る光学デバイス２０１の構成について、図９を用いて説明する。図９は、本変形例に係る光学デバイス２０１の断面図である。

また、例えば、上記の実施の形態において、光学デバイス１は、第３電極４０を備えなくてもよい。図９は、変形例２に係る光学デバイス２０１の断面図である。本変形例に係る光学デバイス２０１は、実施の形態に係る光学デバイス１と比較して、第３電極４０を備えない点が相違する。

本変形例に係る光学デバイス２０１においても、実施の形態と同様に、第１電極２０及び第２電極２１によって屈折率調整層３０の横電界を印加することができる。したがって、屈折率調整層３０には、屈折率が変化する第１領域３２と、屈折率が変化しない第２領域３３とが形成される。第１領域３２と第２領域３３との界面形状が凹凸形状になるので、当該凹凸によって入射光を所望の方向に配光することができる。また、横電界の大きさを変更することで、凹凸の形状を変更することができるので、入射光を所望の方向に配光することができる。

また、例えば、上記の実施の形態において、屈折率調整層３０における液晶材料として、強誘電性液晶などのメモリ性を有する液晶を用いてもよい。これにより、屈折率調整層３０がメモリ性を有することになるので、屈折率調整層３０に電界が与えられたときの状態が維持される。このため、配向状態と透明状態との切替時にのみ電圧を印加すればよいので、電力効率を向上させることができる。

また、例えば、上記の実施の形態では、第３電極４０の電位が固定（接地されている）である例について示したが、これに限らない。第１電極２０と第３電極４０との間、及び、第２電極２１と第３電極４０との間のそれぞれに、電源が接続されていてもよい。これにより、各電極間に印加される電圧を独立して調整することができるので、凹凸形状をより精度良く調整することができる。

また、例えば、上記の実施の形態では、第１電極２０、第２電極２１及び第３電極４０がそれぞれ、櫛形電極である例について示したが、これに限らない。第１電極２０、第２電極２１及び第３電極４０の各々は、例えば、１本のライン状電極でもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１、１０１、２０１ 光学デバイス
１０ 第１基板
１１ 第２基板
１０ａ、１１ａ 主面
２０ 第１電極
２１ 第２電極
３０、１３０ 屈折率調整層
３１、１３１ 液晶分子
３２ 第１領域
３３ 第２領域
４０ 第３電極

Claims (8)

1. 光透過性を有する対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に位置し、屈折率が調整可能な屈折率調整層と、
   前記第１基板の前記第２基板側の主面上に、所定間隔空けて配置された第１電極及び第２電極とを備え、
   前記屈折率調整層は、
   前記第１電極及び前記第２電極間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化する第１領域と、
   前記第１電極及び前記第２電極間に所定電圧が印加された場合に屈折率が変化しない第２領域とを含み、
   前記第１領域と前記第２領域との界面形状は、凹凸形状である
   光学デバイス。
2. 前記第１電極及び前記第２電極はそれぞれ、櫛形電極であり、各々の櫛歯部分が互いに噛み合うように配置されている
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. さらに、
   前記第２基板の前記第１基板側の主面上で、かつ、平面視において前記第１電極と前記第２電極との間に配置された第３電極を備える
   請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記第３電極には、前記第１電極に印加する電位と前記第２電極に印加する電位との間の電位が印加される
   請求項３に記載の光学デバイス。
5. 前記所定間隔は、前記第１基板と前記第２基板との間の間隔より小さい
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
6. 前記屈折率調整層は、複屈折性を有する電界応答性の媒質を含んでいる
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記媒質は、ポジ型液晶分子を含み、
   前記ポジ型液晶分子は、前記第１基板の前記主面に平行で、かつ、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向に直交する方向に配向している
   請求項６に記載の光学デバイス。
8. 前記媒質は、ネガ型液晶分子を含み、
   前記ネガ型液晶分子は、前記第１基板の前記主面の法線方向に配向している
   請求項６に記載の光学デバイス。

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