JP2018136432A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ラビング処理された配向膜を備えなくても、ヘイズを軽減することができる光学デバイスを提供する。
【解決手段】光学デバイス１は、透光性を有する第１基材１０と、第１基材１０に対向し、透光性を有する第２基材２０と、第１基材１０及び第２基材２０の間に配置され、入射した光を配光する配光層３０と、配光層３０を間に挟んで互いに対向して配置された第１電極層４０及び第２電極層５０とを備え、配光層３０は、複数の凸部３３を有する凹凸構造層３１と、液晶材料を含有し、複数の凸部３３間である複数の凹部３４を充填するように配置され、第１電極層４０及び第２電極層５０間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する屈折率可変層３２とを含み、複数の凸部３３は、平面視において、ストライプ状に形成され、複数の凹部３４の底面３５は、ストライプの延びる方向に沿って傾斜している。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

従来、屋外から入射する外来光の透過を制御する電子ブラインドなどに利用可能な調光材が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の調光材は、液晶層と、当該液晶層を間に挟んで積層された２つの液晶配向層用フィルムとを備える。２つの液晶配向層用フィルムは、ラビング処理により形成された配向膜を有する。これにより、液晶材料の適切な配向が可能になり、面内で均一な屈折率を実現している。

特開２０１６−１１４８０４号公報

しかしながら、上記従来の調光材では、配向膜のラビング処理が必要になるため、ラビング処理の精度によって液晶材料を適切に配向できなくなる恐れがある。液晶材料の配向が不十分である場合、屈折率が面内で均一にならずに透過光の散乱成分が増加して、ヘイズが大きくなる。

そこで、本発明は、ラビング処理された配向膜を備えなくても、ヘイズを軽減する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、透光性を有する第１基材と、前記第１基材に対向し、透光性を有する第２基材と、前記第１基材及び前記第２基材の間に配置され、入射した光を配光する配光層と、前記配光層を間に挟んで互いに対向して配置された第１電極層及び第２電極層とを備え、前記配光層は、複数の凸部を有する凹凸構造層と、液晶材料を含有し、前記複数の凸部間である複数の凹部を充填するように配置され、前記第１電極層及び前記第２電極層間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する屈折率可変層とを含み、前記複数の凸部は、平面視において、ストライプ状に形成され、前記複数の凹部の底面は、前記ストライプの延びる方向に沿って傾斜している。

本発明に係る光学デバイスによれば、ラビング処理された配向膜を備えなくても、ヘイズを軽減することができる。

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の拡大断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスの凹凸構造層の一部を示す斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における凹部内での液晶分子の配向を示す断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスを窓に設置した場合において、光学デバイスが無印加モードで動作したときの作用（配光状態）を説明するための図である。 実施の形態に係る光学デバイスを窓に設置した場合において、光学デバイスが電圧印加モードで動作したときの作用（透光状態）を説明するための図である。 実施の形態に係る光学デバイスの無印加モード（配光状態）を説明するための拡大断面図である。 実施の形態に係る光学デバイスの電圧印加モード（透光状態）を説明するための拡大断面図である。 比較例に係る凹部内での液晶分子の配向を示す断面図である。 実施の形態の変形例に係る光学デバイスの凹凸構造層の一部を示す斜視図である。 図８のＩＸＡ−ＩＸＡ線における凹部内での液晶分子の配向を示す断面図である。 図８のＩＸＢ−ＩＸＢ線における凹部内での液晶分子の配向を示す断面図である。

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。

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示している。各実施の形態では、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軸の正方向を鉛直上方としている。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基材及び第２基材の主面に垂直な方向のことであり、「平面視」とは、第１基材又は第２基材の主面に対して垂直な方向から見たときのことをいう。

（実施の形態）
［構成］
まず、本実施の形態に係る光学デバイス１の構成について、図１及び図２を用いて説明する。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の拡大断面図であり、図１の一点鎖線で囲まれる領域ＩＩの拡大断面図である。

光学デバイス１は、光学デバイス１に入射する光を制御する光制御デバイスである。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。

図１及び図２に示すように、光学デバイス１は、入射する光を透過するように構成されており、第１基材１０と、第２基材２０と、配光層３０と、第１電極層４０と、第２電極層５０とを備える。

なお、第１電極層４０の配光層３０側の面には、第１電極層４０と配光層３０の凹凸構造層３１とを密着させるための密着層が設けられていてもよい。密着層は、例えば、透光性の接着シート、又は、一般的にプライマーと称される樹脂材料などである。

光学デバイス１は、対をなす第１基材１０及び第２基材２０の間に、第１電極層４０、配光層３０及び第２電極層５０がこの順で厚み方向に沿って配置された構成である。なお、第１基材１０と第２基材２０との間の距離を保つために、粒子状の複数のスペーサが面内に分散されていてもよく、柱状の構造が形成されていてもよい。

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基材及び第２基材］
第１基材１０及び第２基材２０は、透光性を有する透光性基材である。第１基材１０及び第２基材２０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などが挙げられる。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基材１０と第２基材２０とは、同じ材料で構成されていてもよく、あるいは、異なる材料で構成されていてもよい。また、第１基材１０及び第２基材２０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もよい。本実施の形態において、第１基材１０及び第２基材２０は、ＰＥＴ樹脂からなる透明樹脂基板である。

第２基材２０は、第１基材１０に対向する対向基材であり、第１基材１０に対向する位置に配置される。第１基材１０と第２基材２０とは、例えば、１０μｍ〜３０μｍなどの所定距離を空けて略平行に配置されている。第１基材１０と第２基材２０とは、互いの端部外周に額縁状に形成された接着剤などのシール樹脂によって接着されている。

なお、第１基材１０及び第２基材２０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、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。

［配光層］
図１及び図２に示すように、配光層３０は、第１基材１０と第２基材２０との間に配置される。配光層３０は、透光性を有しており、入射した光を透過させる。また、配光層３０は、入射した光を配光する。つまり、配光層３０は、配光層３０を光が通過する際に、その光の進行方向を変更する。

配光層３０は、凹凸構造層３１と、屈折率可変層３２とを有する。配光層３０は、凹凸構造層３１と屈折率可変層３２との屈折率の差によって光を配光することができる。

［凹凸構造層］
図３は、本実施の形態に係る光学デバイス１の凹凸構造層３１の一部を示す斜視図である。

凹凸構造層３１は、屈折率可変層３２の表面（界面）を凹凸にするために設けられた微細形状層である。凹凸構造層３１は、図２及び図３に示すように、複数の凸部３３と、複数の凹部３４とを有する。具体的には、凹凸構造層３１は、マイクロオーダサイズの複数の凸部３３によって構成された凹凸構造体である。複数の凸部３３の間が、複数の凹部３４である。すなわち、隣り合う２つの凸部３３の間が、１つの凹部３４である。

複数の凸部３３は、第１基材１０の主面（第１電極層４０が設けられた面）に平行なｚ軸方向（第１方向）に並んで配置された複数の凸部である。すなわち、本実施の形態では、ｚ軸方向は、複数の凸部３３の並び方向である。

複数の凸部３３の各々は、根元から先端にかけて先細る形状を有する。本実施の形態において、複数の凸部３３の各々の断面形状は、第１基材１０から第２基材２０に向かう方向（厚み方向、ｙ軸正方向）に沿って先細りのテーパ形状である。具体的には、凸部３３の断面形状（ｙｚ断面）は、台形であるが、これに限らない。凸部３３の断面形状は、三角形でもよく、その他の多角形、又は、カーブを含む多角形などでもよい。また、凸部３３の先端が第２電極層５０に接触しているが、凸部３３の先端と第２電極層５０との間には、隙間が設けられていてもよい。この場合、当該隙間は、屈折率可変層３２によって充填されている。

図２に示すように、複数の凸部３３の各々は、凹部３４に面する一対の側面３３ａ及び３３ｂを有する。一対の側面３３ａ及び３３ｂは、ｚ軸方向に交差する面である。一対の側面３３ａ及び３３ｂの各々は、厚み方向（ｙ軸方向）に対して所定の傾斜角で傾斜する傾斜面であり、一対の側面３３ａ及び３３ｂの間隔（凸部３３の幅（ｚ軸方向の長さ））は、第１基材１０から第２基材２０に向かって漸次小さくなっている。

側面３３ａは、例えば、凸部３３を構成する複数の側面のうち、鉛直下方側の側面（下側面）である。側面３３ａは、入射光を屈折させる屈折面である。側面３３ｂは、例えば、凸部３３を構成する複数の側面のうち、鉛直上方側の側面（上側面）である。側面３３ｂは、入射光を反射（全反射）させる反射面（全反射面）である。

本実施の形態において、図３に示すように、複数の凸部３３は、ｘ軸方向に延びたストライプ状に形成されている。つまり、複数の凸部３３の各々は、ｘ軸方向に沿って直線状に延びる長尺状の凸部である。具体的には、複数の凸部３３の各々は、断面形状が台形でｘ軸方向に延在する長尺状の略四角柱形状であり、ｚ軸方向に沿って略等間隔に配列されている。複数の凸部３３の各々は、同じ形状を有するが、互いに異なる形状を有してもよい。

複数の凸部３３の各々の高さ（ｙ軸方向の長さ）は、例えば２μｍ〜１００μｍであるが、これに限らない。複数の凸部３３の幅（ｚ軸方向の長さ）は、例えば、１μｍ〜２０μｍであり、好ましくは１０μｍ以下であるが、これに限らない。また、凹部３４の幅（ｚ軸方向）は、例えば０μｍ〜１００μｍである。つまり、隣り合う２つの凸部３３は、接触することなく所定の間隔をあけて配置されていてもよく、一部が接触して配置されていてもよい。なお、隣り合う凸部３３の間隔は、０μｍ〜１００μｍに限らない。

本実施の形態では、凹部３４の底面３５は、凸部３３（ストライプ）の延びる方向（すなわち、ｘ軸方向）に沿って傾斜している。具体的には、図３に示すように、底面３５は、ｘ軸の正方向に沿ってｙ軸の負側に、すなわち、第１基材１０に近付くように傾斜している。底面３５の傾斜は、例えば、傾斜角θ（図４参照）で一定である。複数の凹部３４の各々の底面３５の傾斜角θは、例えば、０°より大きく、１０°以下である。

なお、傾斜角θは、１０°より大きくてもく、１５°以下でもよい。また、傾斜角θは、一定でなくてもよく、異なっていてもよい。すなわち、底面３５は、湾曲した曲面であってもよい。また、複数の凹部３４の各々の底面３５の傾斜角θは、互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。本実施の形態では、底面３５は、ｚ軸に対しては平行であり、傾斜していない。

図３に示すように、底面３５は、ｘ軸の負方向に進むほど、ｙ軸の正側、すなわち、凸部３３の先端に近付いている。このとき、底面３５の最高地点は、例えば、凸部３３の高さの１／２である。あるいは、底面３５は、凸部３３の先端（最高地点）から根元まで、ｘ軸に沿って傾斜していてもよい。

本実施の形態では、隣り合う凸部３３がそれぞれ先端に近づく程、互いに離れるように形成されているので、底面３５の正面視形状は、例えば、台形になる。また、隣り合う凸部３３の一部が接している場合は、底面３５の正面視形状は、例えば、接している部分を頂点とする三角形になる。

なお、ｘ軸方向に延びる１つの凹部３４において、底面３５は、複数の部分に分割されていてもよい。具体的には、底面３５のｘｙ断面における断面形状は、のこぎり波形状であってもよい。

本実施の形態では、凹部３４の底面３５が傾斜しているため、側面３３ａ及び側面３３ｂの各々の形状は、例えば、三角形又は台形になる。底面３５が傾斜していない場合に比べて、側面３３ａ及び側面３３ｂの面積が小さくなる。したがって、底面３５の最高地点を低くすることで、側面３３ａ及び側面３３ｂの面積を大きくすることができるので、配光量を増やすことができる。

凹凸構造層３１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などの光透過性を有する樹脂材料を用いることができる。凹凸構造層３１は、例えば、紫外線硬化樹脂材料から形成され、モールド成形又はナノインプリントなどによって形成することができる。

凹凸構造層３１は、例えば、屈折率が１．５のアクリル樹脂を用いて断面が台形の凹凸構造を、モールド型押しにより形成することができる。凸部３３の高さは、例えば１０μｍであり、複数の凸部３３は、間隔が２μｍで等間隔にｚ軸方向に並んで配置されている。凸部３３の根元の厚さは、例えば５μｍである。隣り合う凸部３３の根元間の距離は、例えば０μｍ〜５μｍの値をとりうる。

［屈折率可変層］
屈折率可変層３２は、液晶材料を含有し、凹凸構造層３１の複数の凸部３３の間、すなわち、凹部３４を充填するように配置されている。屈折率可変層３２は、第１電極層４０と第２電極層５０との間に形成される隙間を充填するように配置されている。

屈折率可変層３２は、第１電極層４０及び第２電極層５０の間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する。具体的には、屈折率可変層３２は、電界が与えられることによって可視光帯域での屈折率が調整可能な屈折率調整層として機能する。例えば、屈折率可変層３２は、電界応答性を有する液晶分子３６を有する液晶によって構成されているので、配光層３０に電界が与えられることで液晶分子３６の配向状態が変化して屈折率可変層３２の屈折率が変化する。

屈折率可変層３２の複屈折材料は、例えば、複屈折性を有する液晶分子３６を含む液晶である。このような液晶としては、例えば、液晶分子３６が棒状分子からなるネマティック液晶、スメク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。例えば、凸部３３の屈折率が１．５である場合、屈折率可変層３２の材料としては、常光屈折率（ｎｏ）が１．５で、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７のポジ型の液晶を用いることができる。

屈折率可変層３２は、例えば、第１電極層４０及び凹凸構造層３１が形成された第１基材１０と、第２電極層５０が形成された第２基材２０との各々の端部外周をシール樹脂で封止した状態で、液晶材料を真空注入法で注入することで形成される。あるいは、屈折率可変層３２は、第１基材１０の第１電極層４０及び凹凸構造層３１上に液晶材料を滴下した後に第２基材２０を貼り合わせることで形成されてもよい。

なお、図２では、電圧が無印加の状態（後述する図６Ａも同様）を示しており、液晶分子３６は、長軸がｘ軸に略平行になるように配向されている。このとき、図４に示すように、液晶分子３６は、凹部３４の底面３５の傾斜に沿って配向される。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線における凹部３４内での液晶分子３６の配向を示す断面図である。図４に示すように、液晶分子３６は、底面３５の傾斜に沿って、ｘ軸の負側に配向される。

また、第１電極層４０及び第２電極層５０の間に電圧が印加された場合には、液晶分子３６は、長軸がｙ軸に略平行になるように配向される（後述する図６Ｂを参照）。

また、屈折率可変層３２には、交流電力によって電界が与えられてもよく、直流電力によって電界が与えられてもよい。交流電力の場合には、電圧波形は、正弦波でもよく、矩形波でもよい。

［第１電極層及び第２電極層］
図１及び図２に示すように、第１電極層４０及び第２電極層５０は、電気的に対となっており、配光層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電極層４０と第２電極層５０とは、電気的だけではなく配置的にも対になっており、第１基材１０と第２基材２０との間に、互いに対向するように配置されている。具体的には、第１電極層４０及び第２電極層５０は、配光層３０を挟むように配置されている。

第１電極層４０及び第２電極層５０は、透光性を有し、入射した光を透過する。第１電極層４０及び第２電極層５０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）若しくは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体含有樹脂、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電極層４０及び第２電極層５０は、これらの単層構造でよく、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。本実施の形態では、第１電極層４０及び第２電極層５０はそれぞれ、厚さ１００ｎｍのＩＴＯである。

第１電極層４０は、第１基材１０と凹凸構造層３１との間に配置されている。具体的には、第１電極層４０は、第１基材１０の配光層３０側の面に形成されている。

一方、第２電極層５０は、屈折率可変層３２と第２基材２０との間に配置されている。具体的には、第２電極層５０は、第２基材２０の配光層３０側の面に形成されている。

なお、第１電極層４０及び第２電極層５０は、例えば、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。例えば、外部電源に接続するための電極パッドなどが、第１電極層４０及び第２電極層５０の各々から引き出されて第１基材１０及び第２基材２０に形成されていてもよい。

第１電極層４０及び第２電極層５０はそれぞれ、例えば、蒸着、スパッタリングなどにより、ＩＴＯなどの導電膜を成膜することで形成される。

本実施の形態では、第１電極層４０及び第２電極層５０の各々の表面には、ラビング処理が施された配向膜が設けられていない。第２電極層５０は、屈折率可変層３２と直接接触している。あるいは、第２電極層５０の表面には、シリコン酸化膜などの無機材料からなる薄膜が形成されていてもよい。

［光学デバイスの光学状態］
続いて、本実施の形態に係る光学デバイス１の使用例を示しながら、光学デバイス１の光学状態（動作モード）について説明する。具体的には、光学デバイス１を備える光学システムについて、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。

図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る光学デバイス１を備える光学システム６０を建物９０に適用した例を示す図である。具体的には、図５Ａ及び図５Ｂは、光学デバイス１を窓９１に設置した場合において、光学デバイス１が各動作モードで動作したときの作用を説明するための図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、光学システム６０は、光学デバイス１と、制御部６１とを備える。なお、各図において、光学デバイス１から延びるドットの網掛けが付された領域は、光学デバイス１を通過した光（具体的にはＳ偏光成分）が通過する領域を示している。

光学デバイス１は、入射した光を透過させることができる。例えば、光学デバイス１は、建物９０の窓９１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、粘着層を介して既存の窓９１に貼り合わされる。この場合、光学デバイス１は、第１基材１０及び第２基材２０の主面が鉛直方向（ｚ軸方向）に平行になる姿勢で窓９１に設置される。

なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、光学デバイス１の詳細な構造は図示されていないが、光学デバイス１は、第１基材１０が屋外側で第２基材２０が屋内側になり、かつ、凸部３３の側面３３ｂが天井９２側で側面３３ａが床９３側になるように配置されている。

また、制御部６１が床９３上に設置されているが、これは模式的に図示したものであり、制御部６１の設置場所には特に限定されない。例えば、制御部６１は、光学デバイス１と一体に構成され、窓９１の窓枠などに固定されていてもよい。あるいは、制御部６１は、建物９０の天井９２、床９３又は壁などに埋め込まれていてもよい。

制御部６１は、光学デバイス１を駆動する制御部である。具体的には、制御部６１は、第１電極層４０と第２電極層５０との間に所定の電圧を印加することで、配光層３０に電界を与える。

本実施の形態では、制御部６１は、第１電極層４０及び第２電極層５０間への電圧の印加状態に応じた２つの動作モードを有する。具体的には、２つの動作モードは、電圧を印加しない無印加モード（第１動作モード）と、電極層間に略均一に電圧を印加する電圧印加モード（第２動作モード）とである。制御部６１は、ユーザ操作又は予め定められたスケジュール情報などに基づいて、２つの動作モードを切り替えて実行する。

光学デバイス１では、配光層３０に与えられる電界に応じて、屈折率可変層３２に含まれる液晶分子３６の配向が変化する。なお、液晶分子３６は、複屈折性を有する棒状の液晶分子であるので、入射する光の偏光状態に応じて、当該光が受ける屈折率が異なる。ここでは、例えば、入射光に対して、凸部３３の屈折率が１．５であり、液晶分子３６としては、常光屈折率（ｎｏ）が１．５で、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７のポジ型の液晶分子である場合を例に挙げて説明する。

光学デバイス１に入射する太陽光などの光は、Ｐ偏光（Ｐ偏光成分）とＳ偏光（Ｓ偏光成分）とを含んでいる。Ｐ偏光は、無印加モード及び電圧印加モードのいずれのモードにおいても、その振動方向が液晶分子３６の短軸に対して略平行になる。このため、Ｐ偏光についての液晶分子３６の屈折率は、動作モードに依存せず、常光屈折率（ｎｏ）であって、具体的には１．５である。このため、Ｐ偏光についての屈折率は、動作モードに依存せず、配光層３０内で略一定になるので、Ｐ偏光は、配光層３０をそのまま直進する。

一方で、Ｓ偏光についての液晶分子３６の屈折率は、動作モードに応じて変化する。

具体的には、光学デバイス１は、無印加モードで駆動された場合に、入射する光（Ｓ偏光）の進行方向を変更させる配光状態になる。光学デバイス１は、電圧印加モードで駆動された場合に、入射する光（Ｓ偏光）をそのまま（進行方向を変更することなく）通過させる透光（透明）状態になる。

以下では、各動作モードの詳細について、図５Ａ及び図５Ｂを適宜参照しながら、図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る光学デバイス１の各動作モードを説明するための拡大断面図である。

なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、光学デバイス１に入射する光Ｌ（例えば太陽光）の経路を太線の矢印で示している。なお、実際には、光Ｌは、第１基材１０に入射する際、及び、第２基材２０から出射する際に屈折するが、これらの屈折による経路の変化は図示していない。

＜無印加モード（配光状態）＞
図６Ａは、無印加モードで駆動された場合の光学デバイス１の状態と、光学デバイス１を通過する光Ｌの経路とを模式的に示している。

制御部６１は、光学デバイス１を無印加モードで動作させる場合、第１電極層４０と第２電極層５０との間に電圧を印加しない。具体的には、第１電極層４０と第２電極層５０とが略等しい電位（例えば接地電位）になることで、配光層３０には電界が与えられない。このため、屈折率可変層３２の屈折率を面内で略均一にすることができる。

この場合、光Ｌ（Ｓ偏光）が受ける屈折率は、凸部３３が１．５であるのに対して、屈折率可変層３２が１．７になる。このため、図６Ａに示すように、光学デバイス１に対して斜めに入射する光Ｌは、凸部３３の側面３３ａで屈折された後、側面３３ｂで反射（全反射）される。側面３３ｂで反射された光は、斜め上方に向けて出射される。すなわち、光学デバイス１は、斜め下方に入射した光Ｌを、斜め上方に向けて出射する。

したがって、図５Ａに示すように、斜め下方に入射する太陽光などの光Ｌは、光学デバイス１によって進行方向が曲げられて、建物９０の天井９２を照射する。

＜電圧印加モード（透光状態）＞
図６Ｂは、電圧印加モードで駆動された場合の光学デバイス１の状態と、光学デバイス１を通過する光Ｌの経路とを模式的に示している。

制御部６１は、光学デバイス１を電圧印加モードで動作させる場合、第１電極層４０と第２電極層５０との間に所定の電圧を印加する。これにより、配光層３０に与えられる電界が面内で略均一になり、屈折率可変層３２の屈折率を面内で略均一にすることができる。

この場合、光Ｌ（Ｓ偏光）が受ける屈折率は、凸部３３及び屈折率可変層３２ともに１．５となる。このため、図６Ｂに示すように、光学デバイス１に対して斜めに入射する光Ｌは、そのまま光学デバイス１を通過する。つまり、光学デバイス１は、斜め下方に入射した光Ｌを、そのまま斜め下方に出射する。したがって、図５Ｂに示すように、斜め下方に入射する太陽光などの光Ｌは、光学デバイス１をそのまま通過して、建物９０の床９３の窓９１に近い部分を照射する。

以上のように、本実施の形態に係る光学デバイス１によれば、配光層３０に与えられる電界（第１電極層４０及び第２電極層５０の間に印加する電圧）に応じて、光学状態を変化させることができる。ここでは、透光状態と配光状態とを切り替えているが、印加する電圧に応じて、配光状態と透光状態との中間の光学状態を形成することができる。

例えば、電圧印加モードでは、印加する電圧水準を複数設定し、適宜切り替えを行ってもよい。電圧印加モードにおいて、印加する電圧を小さくすることで、中間の光学状態では、配光状態の場合よりも、光学デバイス１による配光の角度が小さくなる。例えば、建物９０の屋内のより奥側にまで光を進行させることができる。

［液晶分子の配向］
上述したように、配光層３０に電界が与えられていない場合、液晶分子３６は、長軸が凹部３４の延びる方向（ｘ軸方向）に沿うように配向される。このとき、第２電極層５０の表面に、ラビング処理が施された配向膜が設けられていれば、凹部３４に設けられる液晶分子３６の配向方向（ｘ軸の正側又は負側）が揃いやすい。

しかしながら、第２電極層５０の表面に、ラビング処理が施された配向膜が設けられていない場合、図７に示すように、全ての液晶分子３６が同一の方向に配向されない。なお、図７は、比較例に係る凹部３４ｘ内での液晶分子３６の配向を示す断面図である。比較例に係る凹部３４ｘでは、図７に示すように、底面３５ｘが傾斜していない点のみが、実施の形態に係る凹部３４とは相違している。

比較例では、ｘ軸の正側に配向される液晶分子３６ｘ、及び、ｘ軸の負側に配向される液晶分子３６ｙが存在する。このため、屈折率可変層３２内で屈折率が均一にならず、散乱光が増加する。

これに対して、本実施の形態では、凹部３４の底面３５に傾斜を設けることで、傾斜の方向に液晶分子３６が配向されることが確認された。具体的には、図４に示すように、液晶分子３６は、底面３５の傾斜に沿って、ｘ軸の負側に配向される。これにより、屈折率可変層３２の屈折率が面内で略均一になり、散乱光を減少させることができる。

［まとめ］
以上のように、本実施の形態に係る光学デバイス１は、透光性を有する第１基材１０と、第１基材１０に対向し、透光性を有する第２基材２０と、第１基材１０及び第２基材２０の間に配置され、入射した光を配光する配光層３０と、配光層３０を間に挟んで互いに対向して配置された第１電極層４０及び第２電極層５０とを備える。配光層３０は、複数の凸部３３を有する凹凸構造層３１と、液晶材料を含有し、複数の凸部３３間である複数の凹部３４を充填するように配置され、第１電極層４０及び第２電極層５０間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する屈折率可変層３２とを含む。複数の凸部３３は、平面視において、ストライプ状に形成され、複数の凹部３４の底面３５は、ストライプの延びる方向（ｘ軸方向）に沿って傾斜している。

これにより、凹部３４内の液晶分子３６の配向方向が揃いやすくなるので、屈折率可変層３２の屈折率が面内で均一になりやすくなる。したがって、散乱光を減らすことができる。このように、本実施の形態に係る光学デバイス１によれば、ラビング処理された配向膜を備えなくても、ヘイズを軽減することができる。

また、例えば、複数の凹部３４の各々の底面３５の傾斜角θは、０°より大きく、１０°以下である。

これにより、底面３５の傾斜角がラビング処理と同等の傾斜になるので、液晶分子３６の配向方向がより揃いやすくなり、屈折率可変層３２の屈折率の面内均一性をより高めることができる。

（変形例）
以下では、変形例に係る光学デバイスについて説明する。以下で示す光学デバイスは、実施の形態に係る光学デバイス１と比較して、凹凸構造層３１の形状が相違している。したがって、以下では、本変形例に係る凹凸構造層について説明し、他の構成の説明を省略する。

図８は、本変形例に係る光学デバイスの凹凸構造層１３１の一部を示す斜視図である。図９Ａ及び図９Ｂはそれぞれ、図８のＩＸＡ−ＩＸＡ線における第１凹部１３４ａ内、及び、ＩＸＢ−ＩＸＢ線における第２凹部１３４ｂ内における液晶分子３６の配向を示す断面図である。

図８に示すように、凹凸構造層１３１は、ストライプ状に形成された複数の凸部３３と、傾斜方向が異なる複数の第１凹部１３４ａ及び複数の第２凹部１３４ｂとを有する。

第１凹部１３４ａは、ｘ軸の正方向に沿ってｙ軸の負側に、すなわち、底面１３５ａが第１基材１０に近づくように傾斜する。具体的には、第１凹部１３４ａは、実施の形態に係る凹部３４と同じである。

第２凹部１３４ｂは、ｘ軸の正方向に沿ってｙ軸の正側に、すなわち、底面１３５ｂが第２基材２０に近づくように傾斜する。具体的には、第２凹部１３４ｂの底面１３５ｂの傾斜は、第１凹部１３４ａの底面１３５ａの傾斜と反対方向に傾斜している。底面１３５ａの傾斜角θ１（図９Ａを参照）と、底面１３５ｂの傾斜角θ２（図９Ｂを参照）とは、例えば同じであり、０°より大きく、１０°以下である。なお、傾斜角θ１と傾斜角θ２とは、互いに異なっていてもよい。また、実施の形態に係る底面３５と同様に、底面１３５ａ及び底面１３５ｂは、湾曲した曲面であってもよい。

図９Ａに示すように、第１凹部１３４ａ内の液晶分子３６は、底面１３５ａの傾斜に沿ってｘ軸の負側に配向される。図９Ｂに示すように、第２凹部１３４ｂ内の液晶分子３６は、底面１３５ｂの傾斜に沿ってｘ軸の正側に配向される。このため、第１凹部１３４ａ内の液晶分子３６の配向方向と、第２凹部１３４ｂ内の液晶分子３６の配向方向とは反対方向になる。

本実施の形態では、凹凸構造層１３１に設けられた複数の凹部に占める複数の第１凹部１３４ａと複数の第２凹部１３４ｂとの各々の割合は、略同じである。具体的には、凹凸構造層３１を平面視した場合に、複数の第１凹部１３４ａが占める面積と、複数の第２凹部１３４ｂが占める面積とが略同じになる。

例えば、図８に示すように、第１凹部１３４ａと第２凹部１３４ｂとは、交互に配置されている。複数の凹部の総数が偶数の場合、第１凹部１３４ａの個数と第２凹部１３４ｂの個数とは同じになる。複数の凹部の総数が奇数の場合、第１凹部１３４ａの個数と第２凹部１３４ｂの個数とは、いずれかが１のみ多くなる。

図９Ａ及び図９Ｂで示すように、本変形例に係る液晶分子３６は、傾斜に沿って配向されているので、長軸がｘ軸方向から僅かにｙ軸方向にずれている。このため、実施の形態のように、光学デバイス１の全面において、底面３５が一方向に傾斜している場合、いずれの場合もヘイズは軽減されているものの、光学デバイス１をｘ軸の負側から見た場合と、正側から見た場合とで見え方が異なる。

そこで、本変形例に係る光学デバイスでは、複数の凹部は、ｘ軸方向に沿って、底面１３５ａが第１基材１０に近付くように傾斜する複数の第１凹部１３４ａと、ｘ軸方向に沿って、底面１３５ｂが第２基材２０に近付くように傾斜する複数の第２凹部１３４ｂとを含んでいる。

これにより、ｘ軸の負側に配向する液晶分子３６と、ｘ軸の正側に配向する液晶分子３６とが含まれるので、ｘ軸の負側から見た場合と正側から見た場合とで、見え方を同じに近づけることができる。

また、例えば、複数の凹部に占める複数の第１凹部１３４ａと複数の第２凹部１３４ｂとの各々の割合は、略同じである。

これにより、ｘ軸の負側に配向する液晶分子３６と、ｘ軸の正側に配向する液晶分子３６とが略均等になるので、ｘ軸の負側から見た場合と正側から見た場合とで、見え方を略同じにすることができる。

また、例えば、第１凹部１３４ａと第２凹部１３４ｂとは、交互に配置されている。

これにより、ｘ軸の負側に配向する液晶分子３６と、ｘ軸の正側に配向する液晶分子３６とが面内に分散されて配置されるので、光学デバイスの面内のいずれの部分も見え方を略同じにすることができる。

なお、本変形例では、凹部毎に底面の傾斜方向を異ならせたが、これに限らない。１つの凹部の延在方向において、凹部の傾斜を異ならせてもよい。例えば、凹部の底面のｘｙ断面における断面形状は、三角波形状に形成されていてもよい。

また、本変形例では、第１凹部１３４ａと第２凹部１３４ｂとを１つずつ交互に配置したが、複数個ずつ交互に配置してもよい。あるいは、第１凹部１３４ａ及び第２凹部１３４ｂは、ランダムに配置されていてもよい。

（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、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、凹部の傾斜角θ、θ１及びθ２は、光学デバイスの面内で異なっていてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、凸部３３の長手方向がｘ軸方向となるように光学デバイスを窓に配置したが、これに限らない。例えば、凸部３３の長手方向がｚ軸方向となるように光学デバイスを窓に配置してもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、複数の凸部３３の各々は、同じ形状としたが、これに限るものではなく、例えば、面内において異なる形状であってもよい。例えば、光学デバイス１におけるｚ軸方向の上半分と下半分とで複数の凸部３３の側面３３ａ又は３３ｂの傾斜角を異ならせてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、複数の凸部３３の高さは、一定としたが、これに限るものではない。例えば、複数の凸部３３の高さは、ランダムに異なっていてもよい。このようにすることで、光学デバイスを透過する光が虹色に見えてしまうことを抑制できる。つまり、複数の凸部３３の高さをランダムに異ならせることで、凹凸界面での微小な回折光や散乱光が波長で平均化されて出射光の色付きが抑制される。

また、上記の実施の形態では、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、これに限らない。例えば、光学デバイス１に入射する光は、照明装置などの発光装置が発する光であってもよい。

また、上記の実施の形態では、光学デバイス１は、窓９１の屋内側の面に貼り付けたが、窓９１の屋外側の面に貼り付けてもよい。屋内側に貼り付けることで、光学素子の劣化を抑制することができる。また、光学デバイス１を窓９１に貼り付けたが、光学デバイスを建物９０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９０の窓９１に設置する場合に限るものではなく、例えば車の窓などに設置してもよい。

なお、これらの変形例は、他の実施の形態及び変形例にも適用できる。

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 光学デバイス
１０ 第１基材
２０ 第２基材
３０ 配光層
３１、１３１ 凹凸構造層
３２ 屈折率可変層
３３ 凸部
３４ 凹部
３５、１３５ａ、１３５ｂ 底面
３６ 液晶分子（液晶材料）
４０ 第１電極層
５０ 第２電極層
１３４ａ 第１凹部
１３４ｂ 第２凹部

Claims (5)

1. 透光性を有する第１基材と、
   前記第１基材に対向し、透光性を有する第２基材と、
   前記第１基材及び前記第２基材の間に配置され、入射した光を配光する配光層と、
   前記配光層を間に挟んで互いに対向して配置された第１電極層及び第２電極層とを備え、
   前記配光層は、
   複数の凸部を有する凹凸構造層と、
   液晶材料を含有し、前記複数の凸部間である複数の凹部を充填するように配置され、前記第１電極層及び前記第２電極層間に印加される電圧に応じて屈折率が変化する屈折率可変層とを含み、
   前記複数の凸部は、平面視において、ストライプ状に形成され、
   前記複数の凹部の底面は、前記ストライプの延びる方向に沿って傾斜している
   光学デバイス。
2. 前記複数の凹部は、
   前記方向に沿って、底面が前記第１基材に近付くように傾斜する複数の第１凹部と、
   前記方向に沿って、底面が前記第２基材に近付くように傾斜する複数の第２凹部とを含んでいる
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記複数の凹部に占める前記複数の第１凹部と前記複数の第２凹部との各々の割合は、略同じである
   請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記第１凹部と前記第２凹部とは、交互に配置されている
   請求項２又は３に記載の光学デバイス。
5. 前記複数の凹部の各々の底面の傾斜角は、０°より大きく、１０°以下である
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。

Images