JP2017156687A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】透明性を確保しつつ外光を折り曲げるように配光することができ、かつ、室内の照度分布を小さくできる光学デバイスを提供する。【解決手段】第１光学素子１０と第２光学素子２０とが積層された光学デバイス１であって、第１光学素子１０は、透光性を有する第１基板１１と、第１基板１１に対向し、透光性を有する第２基板１２と、第１基板１１と第２基板１２との間に配置され、複屈折材料を含む媒質からなる媒質層１３と、媒質層１３と第２基板１２との間に配置され、第２基板１２の第１基板１１側の第１面に沿って配列された複数の凸部１４ａを有する凹凸層１４とを備え、第２光学素子２０は、第１光学素子１０の第２基板１２側に配置され、複数の凸部１４ａの配列方向に沿って配列された複数の板状構造体２３ａを備え、複数の板状構造体２３ａの各々は、一方の面が光反射面Ｓ１であり、他方の面が光吸収面Ｓ２である。【選択図】図２

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

室外から入射する太陽光等の外光の進行方向を変更して当該外光を室内に導入することができる光学デバイスが提案されている。例えば、この種の光学デバイスとして、特許文献１には、窓に配置することで入射する太陽光の進行方向を変更して室内の天井等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、この反射面による反射により太陽光の光路を折り曲げて太陽光を室内に導入している。

特開２０１２−２５５９５１号公報

特許文献１に開示された採光シートのように凹凸層（凹凸構造）を有する光学デバイスを窓に貼り付けて用いた場合、凹凸層と樹脂層又は空気層との凹凸界面で外光を全反射させることができる。これにより、太陽光等の外光を室内の広い範囲に取り入れることができるので、室内照度を向上させることができる。この結果、室内の照明器具を消灯させたり照明器具の光出力を抑えたりできるので、省電力化を図ることができる。

しかしながら、従来の光学デバイスでは、凹凸層の周辺媒質が空気である場合、Ｓ波（Ｓ偏光）及びＰ波（Ｐ偏光）のいずれについても凹凸層で全反射するため、外光の直進光成分が大幅に低減する。このため、室内の中から外の景色を見ることができるという窓本来の基本機能（以下、透明性と記載する）が失われてしまう。

そこで、凹凸層の周辺媒質として液晶を用いた光学デバイスが検討されている。液晶は、複屈折性（２つの屈折率）を有しているので、Ｓ波については凹凸層と液晶との界面で全反射し、Ｐ波については凹凸層と液晶との界面で全反射することなく直進する。この場合、外の景色からの反射光（景色光）のＰ波は、光学デバイスを透過して室内にいる人の目に入るため、室内の中から外の景色を見ることができる。このため、窓の透明性を確保することができる。

しかしながら、このような光学デバイスを用いて太陽光を室内に入射させると、太陽光のＳ波については凹凸層によって天井面に向けて配光させることができるが、太陽光のＰ波については天井面に向けて配光させることができない。このため、太陽光のＰ波は床面に向かって直進することになる。この結果、窓付近の床面照度が明るくなり、室内の照度分布が悪化するという新たな課題が発生する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、透明性を確保しつつ外光を折り曲げるように配光することができ、かつ、室内の照度分布を小さく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に、本発明に係る光学デバイスの一態様は、第１光学素子と第２光学素子とが積層された光学デバイスであって、前記第１光学素子は、透光性を有する第１基板と、前記第１基板に対向し、透光性を有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置され、複屈折材料を含む媒質からなる媒質層と、前記媒質層と前記第２基板との間に配置され、前記第２基板の前記第１基板側の第１面に沿って配列された複数の凸部を有する凹凸層とを備え、前記第２光学素子は、前記第１光学素子の前記第２基板側に配置され、前記複数の凸部の配列方向に沿って配列された複数の板状構造体を備え、前記複数の板状構造体の各々は、一方の面が光反射面であり、他方の面が光吸収面である。

本発明によれば、透明性を確保しつつ外光を折り曲げるように配光することができ、かつ、室内の照度分布を小さくできる。

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の拡大断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスにおける凹凸層の凸部の構成を模式的に示す斜視図である。 実施の形態に係る光学デバイスの拡大断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスの使用例を示す図である。 実施例の光学デバイスを窓に設置したときの室内の照度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。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、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。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。

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、各図において縮尺等は必ずしも一致しない。各図において、実質的に同一の構成に対し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。

また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表しており、本実施の形態では、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｚ軸に垂直な方向（ＸＹ平面に平行な方向）を水平方向としている。なお、Ｚ軸方向のプラス方向を鉛直下方としている。また、本明細書において、「厚み方向」とは、光学デバイスの厚み方向を意味し、第１基板１１、第２基板１２、第３基板２１又は第４基板２２の主面に垂直な方向のことである。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る光学デバイス１について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、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、図１の破線で囲まれる領域IIにおける同光学デバイス１の拡大断面図である。

図１及び図２に示すように、光学デバイス１は、光を制御するための光制御デバイスであり、第１光学素子１０と第２光学素子２０とを有する。具体的には、光学デバイス１は、光学デバイス１に入射する光の進行方向を変更して（つまり配光して）出射させることができる配光素子である。

光学デバイス１は、第１光学素子と第２光学素子とが積層された構造である。本実施の形態において、第２光学素子２０は、第１光学素子１０の第２基板１２側に配置されている。したがって、第２光学素子２０には、第１光学素子１０から出射する光が入射する。

第１光学素子１０と第２光学素子２０とは、例えば透明樹脂接着剤等の粘着剤又は接着剤によって貼り合わされる。具体的には、第１光学素子１０の第２基板１２と第２光学素子２０の第３基板２１とが接着剤によって貼り合わされる。

第１光学素子１０は、光学デバイス１に入射する光を所定の出射角の光に変換して出射させる機能を有する。本実施の形態において、第１光学素子１０は、出射角が入射角よりも小さくなるように光学デバイス１に入射する光を制御している。第１光学素子１０から出射する光は、第２光学素子２０に入射する。

第１光学素子１０は、第１基板１１と、第２基板１２と、媒質層１３と、凹凸層１４と、第１電極１５と、第２電極１６と、配向膜１７を備える。第１光学素子１０では、第１基板１１と第２基板１２との間に、第１電極１５、配向膜１７、媒質層１３、凹凸層１４及び第２電極１６がこの順で厚み方向に配置されている。また、第１光学素子１０では、例えば、第１基板１１側から入射した光が第２基板１２から出射する。

また、第２光学素子２０は、第１光学素子１０から出射する光の一部を反射させて第２光学素子２０から出射させるとともに、第１光学素子１０から出射する光の他の一部を吸収して第２光学素子２０から出射させない機能（ルーバー機能）を有する。

第２光学素子２０は、第３基板２１と、第４基板２２と、ルーバー層２３とを備える。第２光学素子２０では、例えば、第３基板２１から入射した光が第４基板２２から出射する。

以下、光学デバイス１の各構成部材について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。

［第１基板、第２基板、第３基板、第４基板］
図１及び図２に示すように、第１光学素子１０において、第１基板１１及び第２基板１２は、互いに対向して配置されている。つまり、第２基板１２は、第１基板１１に対向する対向基板であり、第１基板１１に対向する位置に配置される。第１基板１１及び第２基板１２は、第１電極１５、配向膜１７、媒質層１３及び凹凸層１４及び第２電極１６の積層構造を間に配置して、この積層構造を支持するとともにこの積層構造を保護する。第１基板１１と第２基板１２とは、互いの端部外周に接着剤等のシール樹脂を形成することで接着されている。

また、第２光学素子２０において、第３基板２１及び第４基板２２は、互いに対向して配置されている。第３基板２１及び第４基板２２は、ルーバー層２３を間に配置して、ルーバー層２３を支持するとともにルーバー層２３を保護する。

第１基板１１、第２基板１２、第３基板２１及び第４基板２２は、透光性を有する透光性基板であり、例えば透明基板である。第１基板１１、第２基板１２、第３基板２１及び第４基板２２としては、例えばガラス基板又は樹脂基板を用いることができる。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等が挙げられる。樹脂基板の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル（ＰＭＭＡ）又はエポキシ等の樹脂材料が挙げられる。ガラス基板は、光透過率が高く、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１１、第２基板１２、第３基板２１及び第４基板２２は、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよいが、同じ材料で構成されている方がよい。また、第１基板１１、第２基板１２、第３基板２１及び第４基板２２は、リジッド基板に限るものではなく、可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。本実施の形態において、第１基板１１、第２基板１２、第３基板２１及び第４基板２２は、ＰＥＴ樹脂からなる透明樹脂基板である。

なお、第１基板１１、第２基板１２、第３基板２１及び第４基板２２の平面視形状は、例えば、正方形や長方形の矩形状であるが、これに限るものではなく、円形又は四角形以外の多角形であってもよく、任意の形状が採用され得る。

［媒質層］
図１及び図２に示すように、媒質層１３は、第１基板１１と第２基板１２との間に配置されている。本実施の形態において、媒質層１３は、配向膜１７と凹凸層１４との間に配置されている。媒質層１３の第１基板１１側は配向膜１７に接している。また、媒質層１３の第２基板１２側は凹凸層１４に接している。

媒質層１３は、透光性を有しており、入射した光を透過させる。また、媒質層１３は、複屈折材料を含む媒質からなる。したがって、媒質層１３に入射する光は、複屈折材料による光学作用を受けて媒質層１３を透過する。

媒質層１３を構成する複屈折材料は、例えば、複屈折性及び電界応答性を有する液晶分子を含む液晶である。つまり、本実施の形態において、媒質層１３は、液晶からなる液晶層である。このような液晶としては、例えば、液晶分子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等を用いることができる。液晶は、電界の変化に応じて液晶分子の配向状態が変化して屈折率が変化する。これは、液晶が屈折率異方性を有するためである。本実施の形態において、媒質層１３の液晶は、例えば、常光屈折率（ｎｏ）が１．５で、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７である。

また、媒質層１３は、第１電極１５と第２電極１６との間に配置されており、一対の第１電極１５及び第２電極１６に電圧を印加することで媒質層１３に電界を与えることができる。したがって、第１電極１５及び第２電極１６に印加する電圧を制御することによって媒質層１３に与えられる電界を変化させることができる。

媒質層１３は、与えられる電界に応じて屈折率が変化する。つまり、媒質層１３は、電界を調整することで屈折率を調整することができる屈折率調整層として機能する。本実施の形態では媒質層１３が液晶によって構成されているので、媒質層１３は、液晶分子の配向状態が変化することで屈折率が変化する。

なお、第１電極１５及び第２電極１６に印加する電圧の値を調整して媒質層１３に与える電界の強さを変更することで、媒質層１３の屈折率を段階的に変化させることができる。これにより、媒質層１３と凹凸層１４との間の屈折率差を調整できるので、媒質層１３と凹凸層１４との界面での光の屈折角を調整できる。

本実施の形態では、媒質層１３の複屈折材料としてポジ型の液晶を用いているので、図２に示すように、一対の第１電極１５及び第２電極１６に電圧が印加されていない場合（媒質層１３に電界が与えられていない場合）、棒状の液晶分子は、長手方向がＸ軸方向に向くように配向している。

［凹凸層］
図１及び図２に示すように、凹凸層１４は、媒質層１３と第２基板１２との間に配置されている。本実施の形態において、凹凸層１４は、第１基板１１側及び第２基板１２側のうち第２基板１２側に配置されている。具体的に、凹凸層１４は、第２基板１２に形成された第２電極１６の上に形成されている。

凹凸層１４は、第２基板１２の第１基板１１側の面（第１面）に沿って配列された複数の凸部１４ａを有する。凹凸層１４は、各々がマイクロオーダサイズの複数の凸部１４ａによって構成された凹凸構造体である。各凸部１４ａの高さは、例えば５μｍ〜５０μｍであるが、これに限るものではない。

複数の凸部１４ａの各々は、厚み方向に対して所定の傾斜角で傾斜する一対の傾斜面を有する。本実施の形態において、凹凸層１４は第２基板１２側に形成されているので、各凸部１４ａの断面形状は、第２基板１２から第１基板１１に向かう方向に沿って先細りのテーパ形状である。つまり、一対の傾斜面の間隔（凸部１４ａの幅）は、第２基板１２から第１基板１１に向かって漸次小さくなっている。

図３に示すように、複数の凸部１４ａの各々は、ストライプ状に形成されている。図３は、凹凸層１４の凸部１４ａの構成を模式的に示す斜視図である。本実施の形態において、複数の凸部１４ａの各々は同じ形状であり、Ｚ軸方向に沿って等間隔で配列されている。各凸部１４ａは、例えば長尺状の三角柱形状である。具体的には、図４に示すように、複数の凸部１４ａの各々の断面形状は、第２基板１２側の２つの角を底角とする三角形である。つまり、凸部１４ａは、三角形の底辺が第２基板１２側に位置するように配置されている。

一例として、各凸部１４ａは、断面形状（三角形）における高さが５μｍ〜５０μｍで、アスペクト比（高さ／底辺）が１〜５程度である。また、隣り合う２つの凸部１４ａ同士の頂点の間隔（ピッチ）は、例えば５μｍ〜５０μｍである。なお、凸部１４ａの高さやアスペクト比、ピッチは、これらの範囲に限定されるものではない。

また、図４に示すように、各凸部１４ａにおいて、三角形の頂角を第２基板１２の第１基板１１側の面（第１面）の法線で二分したときの鉛直方向上側の一方の角を上角αとし、鉛直方向下側の他方の角を下角βとした場合、上角αは、下角βより小さい（α＜β）。上角α及び下角βの各々は５°以上２５°以下であり、かつ、上角αと下角βとの合計は３０°以下であるとよい。

凹凸層１４（凸部１４ａ）の材料としては、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の光透過性を有する樹脂材料を用いることができる。凹凸層１４は、例えばモールド成形又はナノインプリント等によって形成することができる。一例として、凹凸層１４（凸部１４ａ）は、屈折率が１．５のアクリル樹脂である。

また、凹凸層１４（凸部１４ａ）は、一対の第１電極１５及び第２電極１６によって媒質層１３に電界を与えることができさえすれば、絶縁性の樹脂材料のみによって構成されていてもよいが、導電性を有していてもよい。この場合、凹凸層１４の材料は、導電性高分子又は導電体含有樹脂等である。導電性高分子としては、ＰＥＤＯＴ等が挙げられる。また、導電体含有樹脂としては、銀ナノワイヤ等の導電体とこの導電体を含有するセルロースやアクリル等の樹脂とからなる混合材料（導電体含有樹脂）が挙げられる。銀ナノワイヤと樹脂との混合材料を用いた場合、凹凸層１４の屈折率を樹脂の材料で調整することができる。

なお、凹凸層１４は、第２電極１６と同じ材料を用いて形成してもよい。この場合、凹凸層１４と第２電極１６とは、一体的に形成されて一体化されていてもよいし、別体で形成されていてもよい。

［第１電極、第２電極］
図１及び図２に示すように、第１電極１５及び第２電極１６は、第１基板１１及び第２基板１２の間に設けられている。本実施の形態において、第１電極１５は、第１基板１１の上に形成されており、第２電極１６は、第２基板１２の上に形成されている。また、第１電極１５及び第２電極１６は、媒質層１３及び凹凸層１４を挟むように設けられている。

第１電極１５及び第２電極１６は、電気的に対となっており、媒質層１３に電界を与えることができるように構成されている。なお、第１電極１５及び第２電極１６は、電気的だけではなく配置的にも対になっており、互いに対向するように配置されている。

第１電極１５及び第２電極１６は、光透過性を有し、入射した光を透過する。第１電極１５及び第２電極１６は、例えば透明導電層である。透明導電層の材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等の透明金属酸化物、銀ナノワイヤや導電性粒子等の導電体を含有する樹脂からなる導電体含有樹脂、又は、銀薄膜等の金属薄膜等を用いることができる。なお、第１電極１５及び第２電極１６は、これらの単層構造であってもよし、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）であってもよい。

第１電極１５及び第２電極１６は、外部電源との電気接続が可能となるように構成されているとよい。例えば、外部電源に接続するための電極パッド等が、第１電極１５及び第２電極１６の各々から引き出されて第１基板１１及び第２基板１２に形成されていてもよい。

［配向膜］
図１及び図２に示すように、配向膜１７は、媒質層１３に接するように第１電極１５の表面に形成されている。配向膜１７は、媒質層１３の液晶分子を一定の方向に配向させる。配向膜１７は、無機材料で構成されていてもよいし、ポリイミド等の有機材料で構成されていてもよい。

［ルーバー層］
図１及び図２に示すように、ルーバー層２３は、第３基板２１と第４基板２２との間に配置されている。本実施の形態において、ルーバー層２３は、第３基板２１と第４基板２２とによって挟持されている。

ルーバー層２３は、複数の板状構造体２３ａと、隣り合う板状構造体２３ａの間に設けられた透明層２３ｂとを有する。透明層２３ｂは、第３基板２１と第４基板２２との間における隣り合う２つの板状構造体２３ａの間に充填されている。

複数の板状構造体２３ａは、第１光学素子１０の第２基板１２側に配置されている。また、複数の板状構造体２３ａは、複数の凸部１４ａの配列方向に沿って配列されている。例えば、複数の板状構造体２３ａは、Ｚ軸方向に沿って等間隔で配列されているが、これに限るものではない。

複数の板状構造体２３ａの各々は、一方の面が光反射面Ｓ１であり、他方の面が光吸収面Ｓ２である。図２に示すように、本実施の形態において、複数の板状構造体２３ａの各々は、第１板状部材２３ａ１と、第１板状部材２３ａ１に積層された第２板状部材２３ａ２とを有する。第１板状部材２３ａ１の表面は、板状構造体２３ａの光反射面Ｓ１であり、第２板状部材２３ａ２の表面は、板状構造体２３ａの光吸収面Ｓ２である。つまり、各板状構造体２３ａは、表面が光反射面Ｓ１である第１板状部材２３ａ１と、表面が光吸収面Ｓ２である第２板状部材２３ａ２とによって構成されている。

第１板状部材２３ａ１は、例えばアルミニウム等の金属材料によって構成された金属層であるが、表面が光反射性を有していれば、金属材料以外の材料によって構成されていてもよい。

第２板状部材２３ａ２は、例えばカーボン等の黒色材料からなる光吸収材料によって構成された吸収層であるが、表面が光吸収性を有していれば、黒色材料以外の材料によって構成されていてもよい。

透明層２３ｂは、例えばアクリル樹脂等の透明樹脂材料によって構成された透明樹脂層であるが、透光性を有していれば、透明樹脂材料以外の材料によって構成されていてもよい。

複数の板状構造体２３ａの各々は、第２基板１２の第１基板１１側の面（第１面）とは反対側の面（第２面）に対して傾斜している。また、複数の板状構造体２３ａの各々は、第２基板１２の第１基板１１側の面（第１面）に対しても傾斜している。つまり、各板状構造体２３ａは、第２基板１２の両主面に対して傾斜している。本実施の形態において、複数の板状構造体２３ａの各々は、第２基板１２だけではなく、第１基板１１、第３基板２１及び第４基板２２の各基板の両主面に対しても傾斜している。

具体的には、板状構造体２３ａは、第４基板２２側の端部が第３基板２１側の端部よりも鉛直下方に位置するように傾斜している。

各板状構造体２３ａにおいて、第２基板１２の第１基板１１側の面（第２面）と光反射面Ｓ１とのなす角は、３°以上１５°以下である。つまり、図４に示すように、各板状構造体２３ａにおいて、第３基板２１の第４基板２２側の面と光反射面Ｓ１とのなす角θ（板状構造体２３ａの傾斜角）は、３°以上１５°以下である。

また、図４に示すように、隣り合う２つの板状構造体２３ａの間隔をｄとし、板状構造体２３ａにおける第２基板１２の第１基板１１側の面（第２面）の法線方向の高さ（すなわち、板状構造体２３ａにおける第３基板２１の第４基板２２側の面の法線方向の高さ）をｈとすると、ｈ／ｄは２以下である。なお、ｈ／ｄは、板状構造体２３ａのアスペクト比を表している。

［光学デバイスの光学作用］
次に、実施の形態に係る光学デバイス１の光学作用について、図２を用いて説明する。なお、図２では、第１電極１５及び第２電極１６に電圧を印加していない時の入射光の光路を示している。

図２に示すように、例えば、光学デバイス１では、第１光学素子１０の第１基板１１から光が入射し、第１光学素子１０及び第２光学素子２０を透過して、第２光学素子２０の第４基板２２から外部に出射する。このとき、光学デバイス１に入射した光は、媒質層１３の屈折率に応じて異なる光学作用を受けることになる。

具体的には、第１電極１５及び第２電極１６に電圧が印加されていない場合（電圧無印加の場合）、媒質層１３には電界が与えられないので、媒質層１３における液晶分子の配向状態は変化しない。この場合、本実施の形態では媒質層１３の複屈折材料がポジ型の液晶であるので、液晶分子は凹凸層１４の凹部（溝）に沿って平行に配向する平行配向となるので、媒質層１３と凹凸層１４との間に屈折率差が生じる。一例として、凹凸層１４（凸部１４ａ）の屈折率が１．５であり、媒質層１３（液晶）は異常光屈折率が１．７で、常光屈折率が１．５である。

このとき、電圧無印加の場合に、太陽光等のように入射角３０度以上で光学デバイス１に対して斜め上方から斜め下方に向かって光が入射すると、このうちのＳ波は、異常光屈折率（１．７）を感じるため、媒質層１３と凹凸層１４との間に屈折率差が生じ、媒質層１３と凹凸層１４（凸部１４ａ）との界面で屈折した後、第２光学素子２０のルーバー層２３の板状構造体２３ａの光反射面Ｓ１で反射して光学デバイス１の外部に出射する。つまり、電圧無印加の場合、斜め方向から光学デバイス１に入射する光は、跳ね返る方向に（戻る方向）に進行方向が曲げられて、一定の仰角で光学デバイス１から出射して斜め上方に進行する。つまり、斜め方向から光学デバイス１に入射する光は、光学デバイス１によって配光される。なお、配光制御の観点からは、第２光学素子２０を通過する光は、板状構造体２３ａの光反射面Ｓ１で１回のみ反射して光学デバイス１から出射するとよい。

一方、太陽光等の斜め方向から光学デバイス１に入射する光のＰ波については、常光屈折率（１．５）を感じるため、媒質層１３と凹凸層１４との間に屈折率差がなくなり、媒質層１３と凹凸層１４（凸部１４ａ）との界面では屈折せずに直進する。このため、Ｐ波は、Ｓ波よりも下方向へ深い角度で凹凸層１４内を進行し、第２光学素子２０のルーバー層２３の板状構造体２３ａの光反射面Ｓ１で反射した後、板状構造体２３ａの光吸収面Ｓ２で吸収される。これにより、太陽光等の斜め方向から入射する光のＰ波は、光学デバイス１から出射されない。

なお、図示しないが、光学デバイス１に対して垂直に又は浅い角度で入射する光（例えば景色からの反射光等）についても同様に、Ｓ波は媒質層１３と凹凸層１４との界面で屈折して進行方向が変化するが、Ｐ波は媒質層１３と凹凸層１４との界面では屈折せずに直進する。このため、光学デバイス１に対して垂直に又は浅い角度で入射する光の一部は、ルーバー層２３の透明層２３ｂ（隣り合う２つの板状構造体２３ａの隙間）を透過して光学デバイス１から出射する。

また、第１電極１５及び第２電極１６に電圧が印加されている場合（電圧印加の場合）、媒質層１３には電界が与えられるので、媒質層１３における液晶分子の配向状態が変化する。この場合、本実施の形態では、媒質層１３の複屈折材料がポジ型の液晶であるので、液晶分子は第１基板１１及び第２基板１２に対して垂直に配向する垂直配向となり、Ｓ偏光もＰ偏光も常光屈折率（１．５）を感じるため、媒質層１３と凹凸層１４との間に屈折率差がなくなる。このため、電圧印加状態のときに光学デバイス１に入射する光は、Ｓ波もＰ波も媒質層１３と凹凸層１４（凸部１４ａ）との界面では屈折せずに直進する。

この場合、光学デバイス１に対して斜め上方から斜め下方に向かって入射する光（例えば太陽光等の入射角３０度以上で入射する光）は、Ｓ波もＰ波も、第２光学素子２０のルーバー層２３の板状構造体２３ａの光反射面Ｓ１で反射した後、板状構造体２３ａの光吸収面Ｓ２で吸収されうるが、光学デバイス１に対して浅い入射角で入射する光（例えば景色光）は、Ｓ波もＰ波も直進してルーバー層２３の透明層２３ｂ（隣り合う２つの板状構造体２３ａの隙間）を透過する。したがって、高い透明性が発現する。

このように、光学デバイス１は、媒質層１３と凹凸層１４との屈折率マッチングを電界によって制御することで、光学デバイス１の光学モードを切り替えることができるアクティブ型の光学デバイスである。つまり、第１電極１５及び第２電極１６に印加する電圧を制御することで、光学デバイス１の光学作用を変化させることができる。

なお、本実施の形態では、媒質層１３の複屈折材料をポジ型の液晶としたが、ネガ型の液晶としてもよい。媒質層１３の複屈折材料がネガ型の液晶である場合、電圧無印加時においては、媒質層１３の液晶分子の配向が第１基板１１に対して垂直配向となって媒質層１３と凹凸層１４との屈折率がほぼ一致して高い透明性が発現する。一方、電圧印加時においては、媒質層１３の液晶分子が凹凸層１４の凹部（溝）に沿って水平に配向するため媒質層１３と凹凸層１４との間に屈折率差が生じて入射光を配光する効果が得られる。

［光学デバイスの使用例と作用効果］
次に、実施の形態に係る光学デバイス１の使用例と作用効果について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態に係る光学デバイス１の使用例を示す図であり、図５では、光学デバイス１を窓１１０に設置した場合を示している。

図５に示すように、光学デバイス１は、建物１００の窓１１０に設置することで、配光機能付き窓として実現することができる。光学デバイス１は、例えば、粘着層を介して窓１１０に貼り合わされる。この場合、光学デバイス１は、第１基板１１の主面が鉛直方向（Ｚ軸方向）と平行となるような姿勢（つまり立設する姿勢）で窓１１０に設置される。

また、図５では光学デバイス１の詳細な構造が図示されていないが、光学デバイス１は、第１基板１１が室外側で第４基板２２が室内側となるように配置されている。つまり、図５において、光学デバイス１は、第１基板１１が光入射側で、第４基板２２が光出射側となるように配置されている。

上述のように、光学デバイス１が電圧無印加状態の場合、太陽光等のように斜め上方から斜め下方に向かって光学デバイス１に外光が入射すると、このうちのＳ波は、第２光学素子２０のルーバー層２３の板状構造体２３ａの光反射面Ｓ１で反射するので、光学デバイス１で配光されて天井面に向かって進行する。なお、太陽光のＳ波の全部が天井面に向かって進行するとは限らない。

一方、太陽光等の外光のＰ波は、第２光学素子２０のルーバー層２３の板状構造体２３ａの光吸収面Ｓ２で吸収されるので、光学デバイス１から出射しない。つまり、光学デバイス１に入射する太陽光において、天井への配光に寄与する光はＳ波である。なお、太陽光のＰ波の全部が光学デバイス１から出射しないとは限らず、太陽光のＰ波の一部は、光学デバイス１から出射する場合もある。

このように、光学デバイス１を建物１００の窓１１０に設置した場合、太陽光等の外光を室内の奥側にまで進入させることができる。これにより、太陽光を室内の天井の奥側にまで届かせることができるので、天井面の広い範囲にわたって太陽光を照射させることができる。この結果、室内照度を向上させることができるので、室内の照明器具を消灯させたり照明器具の光出力を抑えたりできるので、省電力化を図ることができる。このとき、太陽高度が３０°〜６０°（高度幅３０°）の範囲の太陽光を室内に取り込むことで、特に省電力化の効果が得られる。しかも、太陽光のＰ波を板状構造体２３ａで吸収することで床面に直進する太陽光を遮光することができることから、室内の窓際にいる人が眩しく感じたり窓際の床面照度が極端に明るくなったりすることも抑制できる。

さらに、本実施の形態における光学デバイス１では、電圧無印加状態の場合、景色からの反射光（景色光）の一部については、上述のように、第２光学素子２０におけるルーバー層２３の透明層２３ｂを透過して光学デバイス１から出射する。

したがって、室内のユーザは透明層２３ｂを介して屋外の景色を見ることができる。つまり、光学デバイス１は透明性を有するので、窓本来の外が見えるという機能を確保することができる。

また、光学デバイス１が電圧印加状態の場合は、Ｓ波もＰ波も媒質層１３と凹凸層１４との界面で屈折せずに直進するので、景色からの反射光については、Ｓ波もＰ波も第２光学素子２０におけるルーバー層２３の透明層２３ｂを透過して光学デバイス１から出射する。

したがって、光学デバイス１が電圧無印加状態の場合よりも、光学デバイス１の透明性を向上させることができる。例えば、室内のユーザは、光学デバイス１を意識することなく、屋外の景色を見ることも可能となる。つまり、ユーザは、通常の窓と同様の透明性を感じることが可能となる。

このように構成される光学デバイス１では、第１光学素子１０から出射する光（つまり、第２光学素子２０に入射する光）が水平面から下方向へ向かって出射するように、第１光学素子１０が設計されている。具体的には、凹凸層１４の構造、凹凸層１４の材料（屈折率）、及び、媒質層１３の複屈折材料（複屈折率）等を適宜選択等することで第１光学素子１０から出射する光を水平面から下方向へ向かって出射させることができる。言い換えると、第１光学素子１０は、第２光学素子２０から出射する光が所定の仰角となるように設計されている。

第２光学素子２０では、第１光学素子１０から出射する光を所定の仰角で出射させるように、ルーバー層２３が設計されている。具体的には、板状構造体２３ａの傾斜角及びアスペクト比等を適宜選択することで第２光学素子２０から出射する光を所定の仰角で出射させることができる。

一例として、第１光学素子１０に入射する光として太陽高度が３０°〜６０°の太陽光を想定する場合、第１光学素子１０から出射する光の出射角が１０°〜２０°となるように設計される。この場合、第２光学素子２０のルーバー層２３を所望に設計することで、第２光学素子２０から出射する光の仰角を４．５°〜５．５°にすることができる。

［光学デバイスの実施例］
以下、実際に作製した実施例に係る光学デバイス１について説明する。

本実施例では、第１基板１１として透明な樹脂基板を用いて、この樹脂基板上に第１電極１５として膜厚が１００ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。第１電極１５が形成された第１基板１１には、アクリル樹脂（屈折率１．５）を用いて、各々の高さが１０μｍで断面三角形状の複数の凸部１４ａを隙間０μｍの等間隔でストライプ状に配置した凹凸層１４をモールド型押しにより形成することで、第１透明基板を作製した。

次に、第２電極１６が形成された第２基板１２を第２透明基板（対向基板）として用いて、第１透明基板と第２透明基板との間にシール樹脂を形成して第１透明基板と第２透明基板とを封止し、この封止した状態で第１透明基板と第２透明基板との間にポジ型の液晶を真空注入法で注入して媒質層１３を形成して第１光学素子１０を作製した。

このとき、液晶は、常光屈折率（ｎｏ）が１．５で、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７であった。また、凹凸層１４の各凸部１４ａにおいて、上角αは１２°で、下角βは１４°であった。

次に、アルミニウム膜／カーボン膜／アクリル樹脂（第１板状部材２３ａ１／第２板状部材２３ａ２／透明層２３ｂ）を、傾斜角を有するように繰り返し積層したブロックを所定の形状にカットすることでルーバー層２３を形成する。そして、第３基板２１及び第４基板２２として透明な樹脂基板を用いて、ルーバー層２３を一対の樹脂基板で挟み込むことで、第２光学素子２０を作製した。

このとき、アルミニウム膜及びカーボン膜からなる板状構造体２３ａの傾斜角は８°であった。また、板状構造体２３ａのアスペクト比は、４．５であった。

次に、第１光学素子１０と第２光学素子２０とを透明樹脂接着剤で貼り合わせることで、光学デバイス１を作製した。本実施例では、このように作製した光学デバイス１を、図５に示すように窓に設置した。

このとき、第１電極１５及び第２電極１６に電圧を印加しない状態（電圧無印加の状態）の場合、光学デバイス１は、入射する外光を折り曲げるように配光することができる。本実施例では、入射角３０°で光学デバイス１の斜め上方から入射した光は、仰角５°で光学デバイス１から出射した。この場合、本実施例では、仰角５°の出射光のみが得られた。つまり、入射光のうち配光に寄与しない偏光成分（Ｐ波）は、ルーバー層２３の第２板状部材２３ａ２（カーボン膜）で吸収されて出射されなかった。

このため、光学デバイス１を設置した窓付近では、床の照度が極端に明るくなることがなく、快適な照度環境を得ることができた。また、ルーバー層２３の透明層２３ｂ（隣り合う２つの板状構造体２３ａの隙間）を通して室内から屋外の景色を視認することができるので、光学デバイス１の透明性も確保することができた。

しかも、光学デバイス１を用いることで、室内の照度分布を小さくすることができた。実際に照度分布を測定したところ、奥行き９ｍ、高さ２ｍの部屋における窓際から４００ｃｍ〜８００ｃｍの範囲内の床の照度分布は、図６に示すように、入射角が３０°の太陽光については±５％であり、入射角が６０°の太陽光については±３％であった。これにより、照度分布が小さく、作業性に優れた光環境を実現することができた。また、入射角が３０°〜６０°の広い範囲で均一な照度分布を実現することができた。なお、図６では、床面から１ｍ上の位置における照度分布を示している。

また、第１電極１５及び第２電極１６に電圧を印加して光学デバイス１に２０Ｖを印加したところ、媒質層１３の液晶分子が第１基板１１及び第２基板１２の主面に対して垂直配向となり、光学デバイス１の配光機能が消滅した。これにより、通常の窓と同様の透明性が得られた。つまり、電圧無印加の場合と比べて、透明性を向上させることができた。

（まとめ）
以上、本実施の形態における光学デバイス１は、第１光学素子１０と第２光学素子２０との積層構造であり、第１光学素子１０は、第１基板１１と第２基板１２との間に配置され、複屈折材料を含む媒質からなる媒質層１３と、媒質層１３と第２基板１２との間に配置され、第２基板１２の第１基板１１側の第１面に沿って配列された複数の凸部１４ａを有する凹凸層１４とを備える。また、第２光学素子２０は、第１光学素子１０の第２基板１２側に配置され、複数の凸部１４ａの配列方向に沿って配列された複数の板状構造体２３ａを備える。そして、複数の板状構造体２３ａの各々は、一方の面が光反射面Ｓ１であり、他方の面が光吸収面Ｓ２である。

これにより、光学デバイス１を窓等に設置した場合に、透明性を確保しつつ太陽光等の外光を折り曲げるように配光することができ、かつ、室内の照度分布を小さくすることができる。

また、本実施の形態において、複数の板状構造体２３ａの各々は、表面が光反射面Ｓ１である第１板状部材２３ａ１と、第１板状部材２３ａ１に積層され、表面が光吸収面Ｓ２である第２板状部材２３ａ２とを有する。

これにより、反射機能と吸収機能とを有する板状構造体２３ａを容易に形成することができる。

また、本実施の形態において、隣り合う板状構造体２３ａの間には、透明層２３ｂが充填されている。

これにより、光学デバイス１の透明性と板状構造体２３ａの保持性とを容易に確保することができる。

また、本実施の形態において、複数の板状構造体２３ａの各々は、第２基板１２の第１基板１１側の面とは反対側の面（第２面）に対して傾斜している。

これにより、第１光学素子１０から第２光学素子２０に入射する光を、複数の板状構造体２３ａによって容易に折れ曲がる方向に進行方向を変えることができる（つまり、配光することができる）。

また、本実施の形態において、板状構造体２３ａの傾斜角は、３°以上１５°以下である。

これにより、第１光学素子１０から第２光学素子２０に入射する光の一部を板状構造体２３ａで配光しつつ、他の一部を板状構造体２３ａ同士の隙間から容易に透過させることができる。つまり、光学デバイス１の透明性を容易に確保することができる。

また、本実施の形態において、板状構造体２３ａのアスペクト比（ｈ／ｄ）は２以下である。

これにより、入射光の配光と透明性の確保と室内の照度分布の均一化との両立を一層容易に図ることができる。

また、本実施の形態において、複数の凸部１４ａの各々の断面形状は、第２基板１２側の２つの角を底角とする三角形であり、複数の凸部１４ａの各々における上角αが下角βよりも小さい。

これにより、太陽光等の斜め方向から入射する光を、下方向へ向けて第１光学素子１０から容易に出射させることができる。したがって、第２光学素子２０での配光と透明性との両立を容易に図ることができるとともに、室内の照度分布の均一化を容易に図ることが可能となる。

さらに、本実施の形態において、上角α及び下角βの各々は５°以上２５°以下であり、かつ、上角αと下角βとの合計は３０°以下である。

これにより、第１光学素子１０に第２光学素子２０を積層した場合に、透明性の確保と室内の照度分布の均一化との両立をさらに容易に図ることができる。

また、本実施の形態において、媒質層１３及び凹凸層１４を挟むように設けられた一対の電極として、透光性を有する第１電極１５及び第２電極１６を備える。

これにより、第１電極１５及び第２電極１６に印加する電圧を制御することで光学作用を変化させることができるアクティブ型の光学デバイスを実現することができる。

（変形例）
以上、本発明に係る光学デバイスについて、実施の形態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、上記実施の形態では、ルーバー層２３における板状構造体２３ａ同士の間には透明層２３ｂを形成したが、透明層２３ｂは形成しなくてもよい。この場合、隣り合う板状構造体２３ａの間は、空気層となる。

また、上記実施の形態において、複数の凸部１４ａの高さは、一定としたが、これに限るものではなく、ランダムであってもよい。複数の凸部１４ａの高さをランダムにすることによって、光学デバイス１から出射する光の色付き（虹色に見えてしまうこと）を抑制できる。

また、上記実施の形態において、第１光学素子１０の第２基板１２と第２光学素子２０の第３基板２１とを兼用する１つの基板を用いてもよい。この場合、第２基板１２と第３基板２１とを兼用する１つの基板は、一方の面に第２電極１６が形成され、他方の面にルーバー層２３が形成される。本変形例では、第２基板１２と第３基板２１とを貼り合わせるための接着剤が不要となる。また、第２基板１２と第３基板２１と１つの基板で兼用することで、光学デバイスを薄くすることができるとともに入射光の制御性を向上させることができる。

また、上記実施の形態において、凹凸層１４における複数の凸部１４ａは、ストライプ状に形成したが、これに限るものではない。例えば、複数の凸部１４ａをマトリクス状等に点在するように配置してもよい。

また、上記実施の形態において、複数の凸部１４ａの各々の断面形状は、略三角形としたが、これに限るものではない。例えば、複数の凸部１４ａの各々の断面形状は、台形であってもよい。

また、上記実施の形態において、媒質層１３は、ポリマー構造等の高分子を含む液晶材料によって構成されていてもよい。ポリマー構造は、例えば、網目状の構造であり、ポリマー構造（網目）の間に液晶分子が配置されることによって屈折率の調整が可能となる。高分子を含む液晶材料としては、例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）又はポリマーネットワーク型液晶（ＰＮＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、媒質層１３の液晶材料としてネマティック液晶を用いたが、この場合、ツイストネマティック液晶（ＴＮ液晶）を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、媒質層１３の液晶材料として、強誘電性液晶等のメモリ性を有する液晶を用いてもよい。これにより媒質層１３がメモリ性を有することになるので、媒質層１３に電界が与えられたときの状態が維持される。

また、上記実施の形態において、光学デバイス１に入射する光として太陽光を例示したが、これに限るものではない。例えば、光学デバイス１に入射する光は、照明装置等の発光装置であってもよい。

また、上記実施の形態において、光学デバイス１は、窓１１０の室内側の面に貼り付けたが、窓１１０の屋外側の面に貼り付けてもよい。ただし、光学素子の劣化を抑制するには、光学デバイス１は、窓１１０の室内側の面に貼り付けた方がよい。また、光学デバイス１を窓に貼り付けたが、光学デバイス１を建物１００の窓そのものとして用いてもよい。また、光学デバイス１は、建物１００の窓１１０に設置する場合に限るものではなく、例えば車の窓等に設置してもよい。

また、上記実施の形態における光学デバイス１は、第１電極１５及び第２電極１６が設けられていたが、第１電極１５及び第２電極１６は設けられていなくてもよい。つまり、本発明は、パッシブ型の光学デバイスとしても実現できる。

その他、上記の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、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記の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 光学デバイス
１０ 第１光学素子
１１ 第１基板
１２ 第２基板
１３ 媒質層
１４ 凹凸層
１４ａ 凸部
１５ 第１電極
１６ 第２電極
２０ 第２光学素子
２３ａ 板状構造体
２３ａ１ 第１板状部材
２３ａ２ 第２板状部材
２３ｂ 透明層
Ｓ１ 光反射面
Ｓ２ 光吸収面

Claims (11)

1. 第１光学素子と第２光学素子とが積層された光学デバイスであって、
   前記第１光学素子は、
   透光性を有する第１基板と、
   前記第１基板に対向し、透光性を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置され、複屈折材料を含む媒質からなる媒質層と、
   前記媒質層と前記第２基板との間に配置され、前記第２基板の前記第１基板側の第１面に沿って配列された複数の凸部を有する凹凸層とを備え、
   前記第２光学素子は、
   前記第１光学素子の前記第２基板側に配置され、前記複数の凸部の配列方向に沿って配列された複数の板状構造体を備え、
   前記複数の板状構造体の各々は、一方の面が光反射面であり、他方の面が光吸収面である
   光学デバイス。
2. 前記複数の板状構造体の各々は、
   表面が前記光反射面である第１板状部材と、
   前記第１板状部材に積層され、表面が前記光吸収面である第２板状部材とを有する
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 隣り合う前記板状構造体の間には、透明層が充填されている
   請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記複数の板状構造体の各々は、前記第２基板の前記第１面とは反対側の第２面に対して傾斜している
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記第２基板の前記第２面と前記光反射面とのなす角は、３°以上１５°以下である
   請求項４に記載の光学デバイス。
6. 隣り合う２つの前記板状構造体の間隔をｄとし、前記板状構造体における前記第２基板の前記第２面の法線方向の高さをｈとすると、ｈ／ｄは２以下である
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記複数の凸部の各々の断面形状は、前記第２基板側の２つの角を底角とする三角形であり、
   前記三角形の頂角を前記第２基板の前記第１面の法線で二分したときの鉛直方向上側の一方の角を上角とし、鉛直方向下側の他方の角を下角とした場合、上角は、下角より小さい
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
8. 前記上角及び前記下角の各々は５°以上２５°以下であり、かつ、前記上角と前記下角との合計は３０°以下である
   請求項７に記載の光学デバイス。
9. さらに、前記媒質層及び前記凹凸層を挟むように設けられた、透光性を有する一対の電極を備える
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学デバイス。
10. 前記媒質層は、前記複屈折材料としてポジ型の液晶を含む
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
11. 前記媒質層は、前記複屈折材料としてネガ型の液晶を含む
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学デバイス。

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