JP2018205483A - 光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機 - Google Patents

Abstract

【課題】光路の向きを変更した光を選択的に出射可能なシート状の光学デバイスを提供する。
【解決手段】光学デバイスは、第１シートと、第２シートと、を具備する。第１シートは、厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。第２シートは、面内方向に対して傾いた傾斜面が面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。
【選択図】図５

Description

本発明は、光を反射又は透過可能な光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機に関する。

非特許文献１には、ソーラーセイル「ＩＫＡＲＯＳ」について記載されている。ソーラーセイルは、太陽光を受けるセイルを有する宇宙帆船である。つまり、ソーラーセイルは、セイルが太陽光から受ける輻射圧を推進力として宇宙空間を航行することができる。

非特許文献１に記載のソーラーセイルは、セイルが太陽光から受ける輻射圧を利用して姿勢制御を行うこともできる。このセイルには、姿勢制御のための光学デバイスが、受光面の外縁に沿って配列されている。各光学デバイスはそれぞれ、太陽光から受ける輻射圧の大きさを電気的に変化させることができる。

したがって、このソーラーセイルは、特定の光学デバイスのみ、太陽光から受ける輻射圧を大きくすることによって、セイルの受光面に沿った任意の軸を中心として回動することができる。これにより、このソーラーセイルでは、セイルの向きを任意に変更する姿勢制御が可能となる。

森治、川口淳一郎（他１１名）著 「ＩＫＡＲＯＳの開発およびミッション概要」 日本航空宇宙学会誌 第６０巻 第８号 ２８３〜２８９ページ （２０１２年８月）

非特許文献１に記載の光学デバイスが設けられたソーラーセイルでは、太陽光から受ける輻射圧が、セイルの受光面に沿った方向の成分を有さない。したがって、このソーラーセイルは、セイルの受光面に直交する軸を中心とする回転などの、セイルの受光面に沿った方向の圧力が必要な姿勢制御を行うことが困難である。

これに対し、角度を調整可能な反射鏡などの３次元的な構造物を設けることによって、太陽光からセイルの受光面に沿った方向の成分を有する輻射圧を受けることが可能となる。しかしながら、ソーラーセイルでは、このような構造物を設けることにより重量が増大するため、燃料や電力の消費量が多くなる。

上記の事情に鑑み、本発明の目的は、光路の向きを変更した光を選択的に出射可能なシート状の光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光学デバイスは、第１シートと、第２シートと、を具備する。
第１シートは、厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。
第２シートは、面内方向に対して傾いた傾斜面が面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。

この光学デバイスは、厚さ方向に入射する光を反射又は透過可能なように構成される。この光学デバイスに対して厚さ方向に入射した光は、反射又は透過させられる過程において、第２シートに設けられたプリズム面によって光路の向きが変更させられる。このため、この光学デバイスは、面内方向の成分を有する光を出射することができる。

また、この光学デバイスでは、第１シートの厚さ方向の透明性が、第１状態と第２状態とで異なる。このため、この光学デバイスでは、第１シートを第１状態と第２状態とで切り替え、第１シートの厚さ方向の透明性を変化させることにより、出射する光のエネルギの大きさを変更することができる。

第２状態の第１シートは、厚さ方向に入射する光を拡散させてもよい。
第１シートは、高分子分散型液晶で形成された液晶層を有してもよい。
これらの構成の第１シートでは、第２状態において厚さ方向に入射する光を拡散させることにより、出射する光のエネルギの大きさを変更することができる。

第２シートは、第１シート側にプリズム面を有してもよい。
プリズム面は、第１シートを厚さ方向に透過した光を反射させてもよい。
プリズム面は、第１シートを厚さ方向に透過した光を透過させてもよい。

本発明の一形態に係る姿勢制御装置は、第１シートと、第２シートと、を具備する。
第１シートは、厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。
第２シートは、面内方向に対して傾いた傾斜面が面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。

本発明の一形態に係る宇宙機は、受光面と、受光面に設けられた姿勢制御装置と、を具備する。
姿勢制御装置は、第１シートと、第２シートと、を具備する。
第１シートは、受光面に沿って延び、受光面に直交する厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。
第２シートは、受光面に対して傾いた傾斜面が受光面に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。
宇宙機は、傾斜面の向きが相互に異なる複数の姿勢制御装置を具備してもよい。

本発明によれば、光路の向きを変更した光を選択的に出射可能なシート状の光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光学デバイスの斜視図である。 図１の光学デバイスのＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 Ｚ軸方向に電圧が印加された第１状態の液晶層の微細構造を示す部分断面図である。 Ｚ軸方向に電圧が印加されていない第２状態の液晶層の微細構造を示す部分断面図である。 反射型光学デバイスのプリズム面を例示する部分断面図である。 反射型光学デバイス（第１状態）によって反射される光の光路を示す断面図である。 反射型光学デバイス（第２状態）によって拡散される光の光路を示す断面図である。 反射型光学デバイスの第２基材のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面を拡大して示す部分断面図である。 図８のプリズム面を備える反射型光学デバイス（第１状態）における反射される光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスのプリズム面を例示する部分断面図である。 透過型光学デバイス（第１状態）を透過する光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイス（第２状態）によって拡散される光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスの第１基材のＺ軸方向下面に設けられたプリズム面を拡大して示す部分断面図である。 図１３のプリズム面を備える透過型光学デバイス（第１状態）を透過する光の光路を示す断面図である。 熱ナノインプリントによるプリズム面の形成方法を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は熱ナノインプリントによるプリズム面の形成過程を示す部分断面図である。 反射型光学デバイス（第１状態）によって反射される光から受ける輻射圧の向きを示す断面図である。 透過型光学デバイス（第１状態）を透過する光から受ける輻射圧の向きを示す断面図である。 光学デバイスを用いた宇宙機の斜視図である。 光学デバイスを用いた宇宙機の姿勢制御方法を例示する斜視図である。 光学デバイスを用いた宇宙機の姿勢制御方法を例示する斜視図である。 透過型光学デバイスを用いた調光窓を透過する光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスを用いた調光窓によって拡散された光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスを用いた太陽光発電システムの断面図である。 透過型光学デバイスを用いた投射システムの模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明は、下記の実施形態によって限定的に解釈されるものではない。また、各図面には、適宜、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、すべての図面において共通である。

１．光学デバイス１の基本構成
図１は、本発明の一実施形態に係る光学デバイス１の斜視図である。図２は、光学デバイス１の図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。光学デバイス１は、ＸＹ平面に沿って延び、柔軟性を有するシート状である。つまり、光学デバイス１では、厚さ方向がＺ軸方向であり、面内方向がＸＹ平面に沿った方向である。光学デバイス１は薄膜状の光学デバイスであることが好ましい。

光学デバイス１は、反射型又は透過型として構成される。反射型の光学デバイス１は、Ｚ軸方向上側から入射した光を反射し、Ｚ軸方向上方に出射することができる。透過型の光学デバイス１は、Ｚ軸方向上側から入射した光を透過させ、Ｚ軸方向下方に出射することができる。

光学デバイス１は、第１基材１０と、第２基材２０と、第１電極膜３０と、第２電極膜４０と、液晶層５０と、を具備する。第１基材１０及び第２基材２０は、Ｚ軸方向に対向するフィルム部材である。第１電極膜３０は、第１基材１０のＺ軸方向上面に形成されている。第２電極膜４０は、第２基材２０のＺ軸方向下面に形成されている。

本実施形態において、光学デバイス１は、第１シートと第２シートとを有する。光学デバイス１における第１シートは、第１電極膜３０と、第２電極膜４０と、液晶層５０と、を備えている。また、光学デバイス１では、第１基材１０と第２基材２０との少なくとも一方が第２シートである。

反射型及び透過型の光学デバイス１のいずれでも、第２基材２０及び第２電極膜４０が透明である。第２基材２０は、例えば、ポリイミドなどの透明材料によって形成することができる。第２電極膜４０は、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜とすることができる。

反射型の光学デバイス１では、第１電極膜３０が、電極としての機能に加え、光を反射する反射鏡としての機能を有する。このため、第１電極膜３０は、例えば、アルミニウム蒸着膜などの金属膜とすることができる。第１基材１０は、第２基材２０と同様とすることができるが、任意の材料で形成可能である。

透過型の光学デバイス１では、第１基材１０及び第１電極膜３０も、第２基材２０及び第２電極膜４０と同様に透明である。第１基材１０は、第２基材２０と同様の透明材料で形成することができる。また、第１電極膜３０は、第２電極膜４０と同様の透明導電膜とすることができる。

液晶層５０は、Ｚ軸方向に対向する第１電極膜３０及び第２電極膜４０の間に配置されている。第１電極膜３０及び第２電極膜４０には電源ＰＳ及びスイッチＳＷが直列接続されている。スイッチＳＷをオンにすると、電源ＰＳが第１電極膜３０及び第２電極膜４０に接続され、液晶層５０に対してＺ軸方向に電圧が印加される。

つまり、光学デバイス１は、液晶層５０に対してＺ軸方向に電圧が印加された第１状態と、液晶層５０に電圧が印加されていない第２状態と、をスイッチＳＷの操作によって切り替えることができる。液晶層５０は、第１電極膜３０及び第２電極膜４０とともに、第１状態と第２状態とでＺ軸方向の透明性を切替可能に構成された第１シートを構成する。

図３，４は、光学デバイス１における液晶層５０を拡大して示す部分断面図である。図３，４には、液晶層５０の微細構造が模式的に示されている。図３は、Ｚ軸方向に電圧が印加された第１状態の液晶層５０を示している。図４は、Ｚ軸方向に電圧が印加されていない第２状態の液晶層５０を示している。

液晶層５０は、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）で形成されている。つまり、液晶層５０は、高分子材料５１中に液晶のドロップレット５２が分散した構成を有している。ドロップレット５２を構成する液晶分子は異方性を有している。

図３に示すＺ軸方向に電圧が印加された第１状態の液晶層５０では、ドロップレット５２を構成する液晶分子がＺ軸方向に配向している。このとき、液晶層５０は、Ｚ軸方向に入射した光をそのまま透過させる。このため、第１状態の液晶層５０は、Ｚ軸方向に高い透明性を有する。

図４に示すＺ軸方向に電圧が印加されていない第２状態の液晶層５０では、ドロップレット５２を構成する液晶分子がランダムな方向を向いている。このとき、液晶層５０に分散されたドロップレット５２は、Ｚ軸方向に入射した光を拡散させる。このため、第２状態の液晶層５０は、Ｚ軸方向の透明性が第１状態よりも低くなる。

反射型及び透過型の光学デバイス１のいずれにおいても、液晶層５０におけるＺ軸方向の透明性が高い第１状態とＺ軸方向の透明性が低い第２状態とでは、出射する光のエネルギが異なる。つまり、光学デバイス１では、出射する光のエネルギの大きさを電気的に切り替えることができる。

光学デバイス１では、第１基材１０及び第２基材２０の少なくとも一方が、ＸＹ平面に沿って形成されたプリズム面６０を有する第２シートとして構成される。プリズム面６０は、光学デバイス１に対してＺ軸方向に入射する光を反射又は屈折させることにより、第１状態の光学デバイス１から出射する光の光路をＺ軸に対して傾ける。

２．光学デバイス１の詳細構成
２．１ 反射型の光学デバイス１
図５〜７は、反射型の光学デバイス１の一例を示す図である。図５〜７に示す反射型の光学デバイス１では、プリズム面６０が第１基材１０のＺ軸方向上面に設けられている。図５は、第１基材１０のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。

図５に示すように、プリズム面６０には、Ｙ軸方向に沿って延びるプリズム６１がＸ軸方向に沿って配列されている。各プリズム６１には、ＸＹ平面に対してＸ軸方向に一定の角度で傾いた傾斜面６２が設けられている。プリズム６１は、傾斜面６２の面積が大きくなるように非対称に形成され、典型的には直角プリズムである。

各プリズム６１のＸ軸方向の寸法は、例えば、１０〜３０μｍ程度とすることができる。各プリズム６１のＺ軸方向の寸法は、例えば、１〜１０μｍ程度とすることができる。傾斜面６２のＸＹ平面に対する角度は、例えば、１０〜４５°程度とすることができる。プリズム６１は、Ｘ軸方向に、間隔をあけて配置されていても、隙間なく配置されていてもよい。

第１基材１０に設けられたプリズム面６０は、金属膜である第１電極膜３０によって覆われている。このため、プリズム面６０は、Ｚ軸方向に入射する光を反射する反射鏡として機能する。図５に示すように、各プリズム６１の傾斜面６２に反射された光の光路は、Ｘ軸方向に傾けられる。

このため、図６に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、第１電極膜３０で覆われたプリズム面６０によって反射され、光路がＸ軸方向に傾けられて斜めに出射される。したがって、第１状態の光学デバイス１が出射する光は、Ｘ軸方向の成分を有する。

また、液晶層５０のドロップレット５２を構成する液晶が偏光性（複屈折性）を持つため、図６に示すようにプリズム面６０によって反射された光が液晶層５０を斜めに進行すると、液晶が偏光面に対して異方性を示し、偏光面によって散乱が生じる。これにより、光のエネルギ損失が生じやすくなる。このような光のエネルギ損失を抑制するために、例えば、第２基材２０のＺ軸方向上面に１／２波長板を設けることが有効である。

図７に示すように、スイッチＳＷがオフである第２状態では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、液晶層５０によって拡散される。これにより、光学デバイス１では、様々な方向の成分が混合された拡散光が出射される。第２状態で出射される拡散光は、第１状態で出射される斜め方向の光とはエネルギー（または輻射圧）が異なる。

なお、反射型の光学デバイス１のプリズム面６０は、第１基材１０のＺ軸方向上面ではなく、第２基材２０のＺ軸方向上面又は下面に設けられていてもよい。一例として、図８は、第２基材２０のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。このプリズム面６０の構成は、図５に示す構成と同様である。更に、反射型の第１基材１０のＺ軸方向下面にプリズム面６０が設けられていてもよい。この場合には、第１基材１０のＺ軸方向下面に第１電極膜３０が形成され、第１状態においては第１基材１０も通過した光がプリズム面６０に反射される。

この構成の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側からプリズム面６０に入射する光が、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に屈折させられる。また、この光学デバイス１では、プリズム面６０からＺ軸方向上方に出射される光が、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に更に屈折させられる。

つまり、図９に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、平面状の第１電極膜３０で反射される前後に、プリズム面６０において２回にわたって屈折させられる。このため、第１状態の光学デバイス１では、Ｘ軸方向の成分を有する光が出射される。

なお、反射型の光学デバイス１は、複数のプリズム面６０を組み合わせて構成されていてもよい。つまり、光学デバイス１は、第１基材１０のＺ軸方向上面、第２基材２０のＺ軸方向上面、及び第２基材２０のＺ軸方向下面の３つの面のうち複数の面にプリズム面６０が設けられていてもよい。

２．２ 透過型の光学デバイス１
図１０〜１２は、透過型の光学デバイス１の一例を示す図である。図１０〜１２に示す透過型の光学デバイス１では、図５〜７に示す反射型の光学デバイス１と同様のプリズム面６０が設けられている。図１０は、第１基材１０のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。

第１基材１０に設けられたプリズム面６０は、透明導電膜である第１電極膜３０によって覆われている。このため、プリズム面６０は、Ｚ軸方向に入射する光を透過させる。図１０に示すように、プリズム面６０を透過する光は、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に屈折させられる。

このため、図１１に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、プリズム面６０において屈折し、光路がＸ軸方向に傾けられて斜めに出射される。つまり、第１状態の光学デバイス１が出射する光は、Ｘ軸方向の成分を有する。

図１２に示すように、スイッチＳＷがオフである第２状態では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、液晶層５０によって拡散される。これにより、光学デバイス１では、様々な方向の成分が混合された拡散光が出射される。第２状態で出射される拡散光は、第１状態で出射される斜め方向の光とはエネルギー（または輻射圧）が異なる。

なお、透過型の光学デバイス１のプリズム面６０は、第１基材１０のＺ軸方向上面ではなく、第１基材１０のＺ軸方向下面、第２基材２０のＺ軸方向上面、又は第２基材２０のＺ軸方向下面に設けられていてもよい。一例として、図１３は、第１基材１０のＺ軸方向下面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。

この構成の光学デバイス１では、プリズム面６０から出射される光が、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に屈折させられる。このため、図１４に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、プリズム面６０において光路がＸ軸方向に傾けられて斜めに出射される。

なお、透過型の光学デバイス１は、複数のプリズム面６０を組み合わせて構成されていてもよい。つまり、光学デバイス１は、第１基材１０のＺ軸方向上面、第１基材１０のＺ軸方向下面、第２基材２０のＺ軸方向上面、及び第２基材２０のＺ軸方向下面の４つの面のうち複数の面にプリズム面６０が設けられていてもよい。

２．３ 変形例
光学デバイス１における第１状態と第２状態とを電気的に切替可能な第１シートは、上記の液晶層５０に限定されない。つまり、第１シートは、Ｚ軸方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりもＺ軸方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されていればよい。

具体的に、第１シートは、第２状態において光を拡散させる構成でなくてもよい。例えば、第１シートは、第２状態において光を遮断することにより透明性を低下させることが可能な光シャッタであってもよい。光シャッタとしては、例えば、液晶光シャッタや圧電光シャッタなどが挙げられる。

液晶光シャッタは、典型的には、偏光軸が直交する２枚の偏光板の間に液晶層が挟まれた構成を有する。液晶光シャッタの方式としては、例えば、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式を採用可能である。

３．プリズム面６０の形成方法
プリズム面６０は、例えば、型押しによって形成することができる。プリズム面６０を形成可能な型押し技術としては、例えば、熱ナノインプリント、エンボス加工、デボス加工などが挙げられる。以下、熱ナノインプリントによって、第１基材１０のＺ軸方向上面にプリズム面６０を形成する例について説明する。

図１５は、熱ナノインプリントによるプリズム面６０の形成方法を示す図である。熱ナノインプリントでは、第１基材１０を保持する保持板Ｂと、Ｚ軸方向下面にプリズム面６０の転写パターンが形成されたモールドＭと、が用いられる。つまり、モールドＭの転写パターンが、保持板Ｂに保持された第１基材１０のＺ軸方向上面に転写される。

図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、熱ナノインプリントによるプリズム面６０の形成過程を示す部分断面図である。図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、プリズム面６０が形成される第１基材１０のＺ軸方向上面近傍を拡大して示している。まず、図１６（Ａ）に示すように、モールドＭが、第１基材１０に対向して配置される。

次に、保持板Ｂを加熱することによって、第１基材１０をガラス転移温度以上に昇温させることにより充分に軟化させた状態で、図１６（Ｂ）に示すようにモールドＭを第１基材１０に押し付ける。これにより、第１基材１０のＺ軸方向上面がモールドＭの転写パターンに沿って変形する。

そして、保持板Ｂを冷却することによって、第１基材１０をガラス転移温度未満まで降温させた状態で、図１６（Ｃ）に示すようにモールドＭを第１基材１０から引き離す。これにより、第１基材１０のＺ軸方向上面にプリズム面６０が形成される。なお、第２基材２０にも同様にプリズム面６０を形成することができる。

プリズム面６０の形成方法は、型押しに限定されない。例えば、プリズム面６０は、微細切削加工によって形成してもよい。また、プリズム面６０は、各種エッチング技術を用いて形成してもよい。更に、プリズム面６０は、３Ｄプリンタなどを用いて、積層造形法によって形成してもよい。

４．光学デバイス１の応用例
光学デバイス１の応用例について説明する。本項では、光学デバイス１の応用例として、宇宙機１００、調光窓２００、太陽光発電システム３００、及び投射システム４００について説明する。しかし、光学デバイス１は、以下に説明するこれらの応用例に限定されず、様々な用途に利用可能である。

４．１ 宇宙機１００
光学デバイス１は、太陽光から受ける輻射圧を利用した宇宙機１００の姿勢制御装置として用いることができる。まず、図１７，１８を参照して、反射型及び透過型の光学デバイス１が、Ｚ軸方向に入射する光から受ける輻射圧について説明する。図１７は図６に対応し、図１８は図１１に対応している。

図１７には、第１状態の反射型の光学デバイス１が、Ｚ軸方向上側から入射する光から受ける輻射圧の方向がブロック矢印で示されている。この光学デバイス１では、プリズム面６０の作用によって光路がＺ軸方向に対してＸ軸方向（Ｘ軸マイナス方向）に傾いた光が出射されるため、Ｚ軸方向の成分とＸ軸方向の成分とを有する輻射圧が加わる。

図１８には、第１状態の透過型の光学デバイス１が、Ｚ軸方向上側から入射する光から受ける輻射圧の方向がブロック矢印で示されている。この光学デバイス１では、プリズム面６０の作用によって光路がＺ軸方向に対してＸ軸方向（Ｘ軸プラス方向）に傾いた光を出射するため、Ｚ軸方向の成分とＸ軸方向の成分とを有する輻射圧が加わる。

このように、第１状態の光学デバイス１では、反射型及び透過型のいずれであっても、Ｚ軸方向に入射する光から、Ｚ軸方向の成分のみならず、Ｘ軸方向の成分も有する輻射圧を受けられる。また、光学デバイス１では、第１状態と第２状態とで、出射される光のエネルギが異なるため、Ｚ軸方向上側から入射する光から受ける輻射圧も異なる。

図１９は、光学デバイス１を用いた宇宙機１００の斜視図である。宇宙機１００は、機体１１０と、機体１１０の周囲に二次元的に延びる矩形状のセイル１２０と、を有するソーラーセイルである。宇宙機１００では、太陽光を受けるセイル１２０の受光面に、複数の光学デバイス１が貼り付けられている。

より詳細に、セイル１２０の受光面の４つの辺のそれぞれに沿った領域Ｒ１〜Ｒ４に各３枚の光学デバイス１が配列されている。図１９には、各光学デバイス１が受ける輻射圧のＸ軸方向の成分の向きが矢印で示されている。各光学デバイス１における輻射圧のＸ軸方向の成分は、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ごとに異なる方向を向いている。

図２０，２１は、宇宙機１００の姿勢制御方法を例示する図である。図２０，２１に示す宇宙機１００の姿勢制御方法では、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ごとに、光学デバイス１が第１状態又は第２状態とされる。これにより、領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に加わる輻射圧の大きさに差をつけることができる。

図２０に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ３に配置された光学デバイス１が第１状態とされ、領域Ｒ２，Ｒ４に配置された光学デバイス１が第２状態とされている。このため、セイル１２０において、領域Ｒ１，Ｒ３に加わる輻射圧はＸ軸方向の成分を有し、領域Ｒ２，Ｒ４に加わる輻射圧はＸ軸方向の成分を有さない。

領域Ｒ１，Ｒ３に配置された光学デバイス１に加わる輻射圧のＸ軸方向の成分は、セイル１２０の受光面に直交する軸Ｐ１を中心とする図２０に示す方向のモーメントを発生させる。このため、図２０に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ３に加わる輻射圧によって、軸Ｐ１を中心に宇宙機１００を回転させることができる。

これとは反対に、領域Ｒ１，Ｒ３に配置された光学デバイス１を第２状態とし、領域Ｒ２，Ｒ４に配置された光学デバイス１を第１状態とすることにより、領域Ｒ２，Ｒ４に加わる輻射圧が、図２０示す方向とは反対方向のモーメントを発生させる。これにより、宇宙機１００を図２０に示す状態とは反対方向に回転させることができる。

図２１に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ２に配置された光学デバイス１が第１状態とされ、領域Ｒ３，Ｒ４に配置された光学デバイス１が第２状態とされている。このため、セイル１２０において、領域Ｒ１，Ｒ２に加わる輻射圧のＺ軸方向の成分と、領域Ｒ２，Ｒ４に加わる輻射圧のＺ軸方向の成分とが異なる。

したがって、セイル１２０に配置された光学デバイス１に加わる輻射圧のＺ軸方向の成分は、セイル１２０の受光面に沿った軸Ｐ２を中心とする例えば図２１に示す方向のモーメントを発生させる。このため、図２１に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ２に加わる輻射圧によって、軸Ｐ２を中心に宇宙機１００を回転させることができる。

これとは反対に、領域Ｒ１，Ｒ２に配置された光学デバイス１を第２状態とし、領域Ｒ３，Ｒ４に配置された光学デバイス１を第１状態とすることにより、領域Ｒ３，Ｒ４に加わる輻射圧が、図２１に示す方向とは反対方向のモーメントを発生させる。これにより、宇宙機１００を図２１に示す状態とは反対方向に回転させることができる。

このように、宇宙機１００では、セイル１２０に貼り付けられた光学デバイス１を電気的に制御することによって、光学デバイス１が太陽光から受ける輻射圧を利用して、任意の軸を中心とする回転運動を行うことができる。これにより、宇宙機１００では、燃料を用いることなく任意の姿勢をとることができる。

なお、宇宙機１００における光学デバイス１の数や位置は、任意に変更可能である。また、宇宙機１００における光学デバイス１の制御方法も、任意に変更可能である。例えば、宇宙機１００では、各光学デバイス１ごとに第１状態又は第２状態に制御することにより、更に精密な姿勢制御を行うことが可能である。

また、光学デバイス１を用いることによって、ソーラーセイル以外にも、太陽光を受けることが可能な宇宙空間を航行する宇宙機１００における擾乱が実質的に生じない超精密な姿勢制御が可能である。ソーラーセイル以外の宇宙機１００としては、例えば、各種宇宙探査機や各種人工衛星などが挙げられる。

４．２ 調光窓２００
図２２，２３は、透過型の光学デバイス１を用いた調光窓２００の断面図である。調光窓２００は、屋内Ｓ１と屋外Ｓ２とを隔てる建物の壁に取り付けられた窓２１０の外側に透過型の光学デバイス１が貼り付けられて構成されている。調光窓２００には、屋外Ｓ２から太陽光が入射する。

図２２に示す光学デバイス１は第１状態である。このとき、屋外Ｓ２から入射する太陽光は、光学デバイス１によって天井Ｃに向けて屈折させられる。このため、調光窓２００を透過して屋内Ｓ１に進入した太陽光は、天井Ｃに入射し、天井Ｃに照射領域Ｌを形成する。天井Ｃに形成された照射領域Ｌは、屋内Ｓ１において間接照明として機能する。

図２３に示す光学デバイス１は第２状態である。このとき、屋外Ｓ２から入射する太陽光は、光学デバイス１によって拡散される。このため、調光窓２００は、屋内Ｓ１に向けて様々な方向の成分が混合された拡散光を出射する。このため、調光窓２００は、屋内Ｓ１から曇りガラスとして認識される。

光学デバイス１は、任意の窓に貼り付けて調光窓とすることができる。具体的に、光学デバイス１は、上記のような建物の壁に設けられた窓２１０に限らず、例えば、天窓に貼り付けることもできる。また、光学デバイス１は、建物の窓に限らず、自動車や鉄道車両や航空機の窓に貼り付けることもできる。

また、光学デバイス１は、柔軟性を有するため、平面のみならず、曲面にも貼り付けることができる。また、光学デバイス１は、軽量であるため、例えば巻物状にすることによって、容易に持ち運ぶことができる。したがって、光学デバイス１によれば様々な場所において手軽に調光窓を得ることができる。

４．３ 太陽光発電システム３００
図２４は、透過型の光学デバイス１を用いた太陽光発電システム３００の断面図である。太陽光発電システム３００は、太陽電池パネル３１０と、透光部材３２０と、を有する。透過型の光学デバイス１は、第２基材２０の上面に貼り付けられている。太陽電池パネル３１０は、受光面を上方に向けて配置されている。

透光部材３２０は、太陽電池パネル３１０の上方の空間よりも外側に配置されている。このため、太陽電池パネル３１０には太陽光が直接入射する。また、第１状態の光学デバイス１は、太陽光を太陽電池パネル３１０に向けて屈折させる。これにより、透光部材３２０を透過した太陽光が太陽電池パネル３１０に入射する。

このように、太陽光発電システム３００では、光学デバイス１を第１状態とすることによって、太陽電池パネル３１０における受光量が多くなるため、発電量を増大させることができる。また、太陽光発電システム３００では、発電量が充分であるときや夜間などには、光学デバイス１を第２状態とすることができる。

４．４ 投射システム４００
図２５は、透過型の光学デバイス１を用いた投射システム４００の模式図である。投射システム４００は、映像や画像を投射する投射部４１１を備えた投射装置であるプロジェクタ４１０を有する。透過型の光学デバイス１は、投射部４１１における光の出射面に貼り付けられている。

プロジェクタ４１０によって投射する映像や画像を表示するためのスクリーン４２０は、投射部４１１の光軸Ｑに沿った方向からずれた位置に配置されている。これに対し、光学デバイス１は、投射部４１１の光軸Ｑに沿った方向に出射された光を、スクリーン４２０に向けて屈折させる。

このため、投射システム４００では、投射部４１１から投射され、光学デバイス１を透過した映像や画像がスクリーン４２０に表示される。このように、光学デバイス１を用いることによって、プロジェクタ４１０の仰角の変更などによって投射部４１１の光軸Ｑの向きを変更することなく、映像や画像の表示位置を変更することができる。

なお、光学デバイス１を用いて映像や画像の表示位置を変更する投射システム４００は、プロジェクタ４１０を用いた構成に限定されない。光学デバイス１を用いた投射システム４００は、例えば、ヘッドアップディスプレイ、リアプロジェクションテレビ、スライド映写機、オーバーヘッドプロジェクタなどにも応用可能である。

１…光学デバイス
１０…第１基材
２０…第２基材
３０…第１電極膜
４０…第２電極膜
５０…液晶層
５１…高分子材料
５２…ドロップレット
６０…プリズム面
６１…プリズム
６２…傾斜面
１００…宇宙機
２００…調光窓
３００…太陽光発電システム
４００…投射システム
ＰＳ…電源
ＳＷ…スイッチ

Claims (9)

1. 厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、前記厚さ方向に透明性を有する第１状態と、前記第１状態よりも前記厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能である第１シートと、
   前記面内方向に対して傾いた傾斜面が前記面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、前記第１シートに対して前記厚さ方向に対向する第２シートと、
   を具備する光学デバイス。
2. 請求項１に記載の光学デバイスであって、
   前記第２状態の前記第１シートは、前記厚さ方向に入射する光を拡散させる
   光学デバイス。
3. 請求項２に記載の光学デバイスであって、
   前記第１シートは、高分子分散型液晶で形成された液晶層を有する
   光学デバイス。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学デバイスであって、
   前記第２シートは、前記第１シート側に前記プリズム面を有する
   光学デバイス。
5. 請求項４に記載の光学デバイスであって、
   前記プリズム面は、前記第１シートを前記厚さ方向に透過した光を反射させる
   光学デバイス。
6. 請求項４に記載の光学デバイスであって、
   前記プリズム面は、前記第１シートを前記厚さ方向に透過した光を透過させる
   光学デバイス。
7. 厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、前記厚さ方向に透明性を有する第１状態と、前記第１状態よりも前記厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能である第１シートと、
   前記面内方向に対して傾いた傾斜面が前記面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、前記第１シートに対して前記厚さ方向に対向する第２シートと、
   を具備する姿勢制御装置。
8. 受光面と、前記受光面に設けられた姿勢制御装置と、を具備し、
   前記姿勢制御装置は、
   前記受光面に沿って延び、前記受光面に直交する厚さ方向に透明性を有する第１状態と、前記第１状態よりも前記厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能である第１シートと、
   前記受光面に対して傾いた傾斜面が前記受光面に沿って配列されたプリズム面を有し、前記第１シートに対して前記厚さ方向に対向する第２シートと、を有する
   宇宙機。
9. 請求項８に記載の宇宙機であって、
   前記傾斜面の向きが相互に異なる複数の姿勢制御装置を具備する
   宇宙機。

Images