JP2019023706A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】二重像を抑制することができ、視認性の高い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基板１０と、第１基板１０に対向して配置された、透光性を有する第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に互いに対向して配置された、透光性を有する第１電極層４０及び第２電極層５０と、第１電極層４０と第２電極層５０との間に配置され、入射した光を配光する配光層３０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、複数の凸部３３間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の高さの分布は、所定の正規分布の少なくとも一部に従う。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

従来、室内への光の採り入れを制御する採光シートが知られている。例えば、凹凸構造による光の反射を利用した樹脂製のウィンドウフィルムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開第２０１５／０７９８９７号

しかしながら、上記従来のウィンドウフィルムでは、隣り合う凹凸を通過する光が互いに干渉し、回折現象が起きる。回折角は波長依存性を有するので、ウィンドウフィルムには色付いた二重像が現れるため、視認性が悪くなる。

そこで、本発明は、二重像を抑制することができ、視認性の高い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基板と、前記第１基板に対向して配置された、透光性を有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に互いに対向して配置された、透光性を有する第１電極層及び第２電極層と、前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、入射した光を配光する配光層とを備え、前記配光層は、複数の凸部を有する凹凸構造層と、前記複数の凸部間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、前記複数の凸部の高さの分布は、所定の正規分布の少なくとも一部に従う。

本発明によれば、二重像を抑制することができ、視認性の高い光学デバイスを提供することができる。

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（配光状態）で動作したときの作用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、光学デバイスが印加モード（透明状態）で動作したときの作用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印加モード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複数の凸部の高さの分布の一例を示す図である。 実施の形態に係る光学デバイスの複数の凸部の高さの分布の別の一例を示す図である。 実施の形態に係る光学デバイスの効果を説明するための拡大断面図である。 比較例に係る光学デバイスの回折現象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回折現象を説明するための拡大断面図である。

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、本明細書において、平行又は垂直などの要素間の関係性を示す用語、及び、三角形又は台形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

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基板及び第２基板の主面に垂直な方向のことであり、「平面視」とは、第１基板又は第２基板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に入射する光を配光制御する配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。

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基板１０と、第２基板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、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基板１０及び第２基板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を備える。なお、第１基板１０と第２基板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を用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２０は、透光性を有する透光性基材である。第１基板１０及び第２基板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基板１０と第２基板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基板１０及び第２基板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基板１０及び第２基板２０は、ＰＥＴ樹脂からなる透明樹脂基板である。

第２基板２０は、第１基板１０に対向する対向基板であり、第１基板１０に対向する位置に配置される。第１基板１０と第２基板２０とは、例えば、５μｍ〜３０μｍなどの所定距離を空けて平行に配置されている。第１基板１０と第２基板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基板１０及び第２基板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電極層４０と第２電極層５０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。

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基板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。

本実施の形態では、複数の凸部３３は、その並び方向に直交する方向に延在する長尺の凸条である。具体的には、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。複数の凸部３３の各々は、ｘ軸方向に沿って直線状に延びている。例えば、複数の凸部３３の各々は、第１電極層４０に対して横倒しに配置された四角柱である。なお、複数の凸部３３は、ｘ軸方向に沿って蛇行しながら延びていてもよい。例えば、複数の凸部３３は、波線のストライプ状に形成されていてもよい。

複数の凸部３３は、例えばｚ軸方向に沿って等間隔に配置されている。複数の凸部３３の各々の形状及び大きさは、互いに同じであるが、異なっていてもよい。

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。具体的には、複数の凸部３３の各々の断面形状は、第１基板１０から第２基板２０に向かう方向（厚み方向、ｙ軸の正方向）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でもよい。

具体的には、図２に示すように、複数の凸部３３の各々は、側面３３ａ及び側面３３ｂを有する。側面３３ａ及び側面３３ｂは、凸部３３の並び方向（ｚ軸方向）に交差する面である。側面３３ａ及び側面３３ｂはそれぞれ、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る。側面３３ａと側面３３ｂとの間隔は、ｙ軸の正側に向かって漸次小さくなっている。

本実施の形態では、光学デバイス１は、ｚ軸が鉛直方向に平行になるように窓などに設置される。側面３３ａは、例えば側面３３ｂよりも鉛直上側に位置する面である。側面３３ａは、光学デバイス１に入射した入射光を反射（具体的には全反射）させる反射面（全反射面）である。側面３３ｂは、例えば側面３３ａよりも鉛直下側に位置する面である。側面３３ｂは、光学デバイス１に入射した入射光を屈折させる屈折面である。

本実施の形態では、複数の凸部３３の高さは、均一ではなく、ばらつきがある。具体的には、複数の凸部３３の高さの分布は、正規分布の少なくとも一部に従う。凸部３３の詳細については、後で説明する。

なお、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、隣り合う２つの凸部３３の間隔は、例えば０μｍ〜１００μｍであるが、これに限らない。隣り合う２つの凸部３３は、互いに接触していてもよく、所定の間隔を空けて配置されていてもよい。

凸部３３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。凸部３３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。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３２は、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。例えば、図２に示すように、凸部３３と第２電極層５０とが離れているので、屈折率可変層３２は、凸部３３と第２電極層５０との間の隙間を埋めるように配置される。なお、凸部３３と第２電極層５０とは接触していてもよく、この場合、屈折率可変層３２は、凹部３４毎に分離して設けられていてもよい。

屈折率可変層３２は、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。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領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３５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３５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３５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３５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基板１０と、第２電極層５０が形成された第２基板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基板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基板２０を貼り合わせることで形成される。

なお、図２では、電圧が無印加の状態（後述する図４Ａも同様）を示しており、液晶分子３５は、長軸がｘ軸に略平行になるように配向されている。第１電極層４０及び第２電極層５０間に電圧が印加された場合には、液晶分子３５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４Ｂを参照）。

また、屈折率可変層３２には、交流によって電界が与えられる。交流の電圧波形は、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］
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、電気的だけでなく配置的にも対になっており、第１基板１０と第２基板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基板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基板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基板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基板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、外部電源又は駆動回路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、外部電源又は駆動回路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基板１０及び第２基板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形成される。第１電極層４０及び第２電極層５０はそれぞれ、例えばＩＴＯなどの透明導電膜を成膜することで形成される。

［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３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。

図３Ａ及び図３Ｂ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３Ａ及び図３Ｂ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３Ａ及び図３Ｂに示すように、光学システム６０は、光学デバイス１と、駆動回路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基板１０及び第２基板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３Ａ及び図３Ｂ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基板１０が屋外側で第２基板２０が屋内側になり、かつ、凸部３３の側面３３ａが天井９２側で側面３３ｂが床９３側になるように配置されている。

また、駆動回路６１は、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、駆動回路６１の設置場所には特に限定されない。例えば、駆動回路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、駆動回路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。

駆動回路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、駆動回路６１は、光学デバイス１の第１電極層４０及び第２電極層５０間に所定の電圧を印加する。

本実施の形態では、光学デバイス１の動作モードとして、電圧を印加しない無印加モードと、電圧を印加する印加モードとの２つのモードを有する。各動作モードに応じて、配光層３０（具体的には、屈折率可変層３２）に与えられる電界の大きさが変化する。

駆動回路６１は、ユーザ設定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。また、印加モードでは、複数の電圧値から選択された電圧値の電圧を印加してもよく、あるいは、連続的に電圧値を変更してもよい。

光学デバイス１では、配光層３０に印加される電界に応じて、屈折率可変層３２に含まれる液晶分子３５の配向が変化する。なお、液晶分子３５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、凸部３３の屈折率が１．５であり、液晶分子３５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、２つの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３５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３５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３５の屈折率は、動作モードに応じて変化する。以下では、各動作モードの詳細について説明する。

＜無印加モード（配光状態）＞
図４Ａ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。

駆動回路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。つまり、屈折率可変層３２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４Ａ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で反射（全反射）される。側面３３ａ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。なお、光Ｌが凸部３３の側面３３ｂを通過する場合は、側面３３ｂで屈折して進行方向が変化した後、凸部３３の側面３３ａで反射（全反射）される。

したがって、図３Ａ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。

＜印加モード（透明状態）＞
図４Ｂは、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。

駆動回路６１は、光学デバイス１を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。具体的には、駆動回路６１は、第１電極層４０と第２電極層５０との間に、面内で均一な所定の電圧を印加する。これにより、屈折率可変層３２に印加さ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４Ｂ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３Ｂ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。

［高さの分布］
続いて、本実施の形態に係る光学デバイス１の複数の凸部３３の高さの分布について説明する。

図５は、本実施の形態に係る光学デバイス１の複数の凸部３３の高さの分布の一例を示す図である。本実施の形態では、複数の凸部３３の高さの分布は、図５に示す正規分布の一部に従っている。図５では、横軸は凸部３３の高さを示しており、縦軸は度数（具体的には、光学デバイス１が備える凸部３３の高さ毎の個数）を示している。

図５に示す正規分布は、離散型の正規分布である。つまり、複数の凸部３３の高さは、複数の高さの候補値から選択された値である。図５では一例として、Ｈ_１〜Ｈ_ｎで表されるｎ個の高さを示している。なお、ｎは、２以上の自然数である。Ｈ_１は、最大値Ｈｍａｘであり、Ｈ_ｎは、最小値Ｈｍｉｎである。本実施の形態に係る光学デバイス１が備える全ての凸部３３の高さは、Ｈ_１〜Ｈ_ｎのいずれかの値をとる。

図５に示すように、複数の凸部３３の高さの分布は、正規分布の左半分（具体的には、正規分布の平均値より小さい部分）に従っている。複数の凸部３３の高さの最大値Ｈ_１は、正規分布の平均値である。このため、光学デバイス１は、高さが最大値Ｈ_１の凸部３３を最も多く備え、高さが小さくなるにつれて凸部３３の個数は減少し、高さが最小値Ｈ_ｎの凸部３３の個数が最も少ない。

複数の凸部３３の高さの最大値Ｈ_１は、例えば２０μｍ以下である。最小値Ｈ_ｎは、最大値Ｈ_１の４０％以上６０％以下の範囲である。このため、最小値Ｈ_ｎと最大値Ｈ_１との高さの差は、例えば８μｍ以上１２μｍ以下となる。この高さの差は、可視光の波長（例えば、緑色光の５５０ｎｍ）の約１５〜２２倍である。

Ｈ_２〜Ｈ_ｎ−１は、Ｈ_ｎより大きく、かつ、Ｈ_１より小さい値である。なお、Ｈ_２〜Ｈ_ｎ−１は、この順で順に小さくなる。図５に示す例では、Ｈ_１〜Ｈ_ｎは、等間隔に並んでいる。

なお、ここでは、高さの最大値Ｈ_１が正規分布の平均値に一致する例を示したが、これに限らない。図６は、本実施の形態に係る光学デバイス１の複数の凸部３３の高さの分布の別の一例を示す図である。図６では、横軸は凸部３３の高さを示しており、縦軸は度数を示している。

例えば、本実施の形態に係る光学デバイス１の複数の凸部３３の高さの分布は、図６に示す正規分布に従ってもよい。図６に示す例では、複数の凸部３３の高さの平均値が正規分布の平均値に一致している。

また、複数の凸部３３の高さの分布は、正規分布の半分又は全部ではなく、３／４又は１／４などに従っていてもよい。また、複数の凸部３３の高さの値は、等間隔でなくてもよい。

［回折］
続いて、本実施の形態に係る光学デバイス１のように、微細凹凸構造に光が入射したときに発生する回折現象について説明する。

一般的に、回折格子における明線と暗線との条件は以下に示される。

明線の条件：ｄｓｉｎθ＝ｍλ
暗線の条件：ｄｓｉｎθ＝（ｍ＋１／２）λ

ここで、ｄは回折格子の格子周期であり、θは回折角であり、ｍは回折次数（０、±１、±２、・・・）である。

なお、凹凸構造層３１の大きさが波長に比べて十分に大きく、例えば、高さ及び幅が数ｍｍのオーダーであれば、凹凸構造層３１が同一形状で規則的に並んでいたとしても、回折は発生しない。しかしながら、本実施の形態に係る光学デバイス１では、第１電極層４０及び第２電極層５０間に電圧を印加して、液晶分子３５を含む屈折率可変層３２に電界を与える。このため、第１電極層４０及び第２電極層５０間のギャップが数ｍｍになった場合には、ギャップが大き過ぎて数１０００Ｖの高電圧が必要となり、現実的ではなくなる。また、第１電極層４０及び第２電極層５０間に充填する液晶材料の量も多くなり、コスト的にも好ましくない。

そこで、本実施の形態に係る光学デバイス１では、複数の凸部３３の高さにばらつきを与えている。具体的には、複数の凸部３３の高さの分布は、図５などに示す正規分布の少なくとも一部に従っている。

このとき、複数の凸部３３のうち隣り合う２つの凸部３３を通過する光の位相は、互いにπ／４以上７π／４以下の範囲でずれている。具体的には、複数の凸部３３のうち隣り合う２つの凸部３３を通過する光の位相は、互いにπずれている。

図７は、本実施の形態に係る光学デバイス１の効果を説明するための拡大断面図である。図７では、説明を分かりやすくするため、光学デバイス１に対して正面から入射する光Ｌ１及びＬ２について説明するが、図４Ａ及び図４Ｂで示した斜めから入射する光についても同様である。

図７に示すように、光Ｌ１は、高さがＨ_ｎの凸部３３を通過し、光Ｌ２は、高さがＨ_３の凸部３３を通過している。光Ｌ１と光Ｌ２とでは、凸部３３の高さの差による領域（図７で破線で囲んだ部分）において光路長に差が生じる。具体的には、光Ｌ１と光Ｌ２との光路差は、隣り合う２つの凸部３３の高さの差をΔＨとし、凸部３３と屈折率可変層３２との屈折率の差をΔｎとしたとき、ΔＨとΔｎとの積（＝ΔＨ×Δｎ）で表される。

本実施の形態に係る光学デバイス１では、可視光帯域の所定波長をλとしたとき、光路差ΔＨ×Δｎは、λ／２の奇数倍である。

ここで、λは、可視光帯域の波長であり、例えば５５０ｎｍである。Δｎは、電界が与えられていない屈折率可変層３２の屈折率が１．７であり、凸部３３の屈折率が１．５であるので、０．２である。奇数倍の奇数が１である場合、ΔＨは、５５０ｎｍ／２÷０．２＝１３７５ｎｍ（＝約１．４μｍ）となる。

光路差ΔＨ×Δｎが、光の１／２波長の奇数倍である場合、光Ｌ１と光Ｌ２とは、位相がπずれる。このため、光Ｌ１と光Ｌ２とは、一方が回折の暗線の条件を満たすので、回折が抑制される。

図８は、比較例に係る光学デバイス１ｘの回折現象を説明するための拡大断面図である。図９は、本実施の形態に係る光学デバイス１の回折現象を説明するための拡大断面図である。

図８に示すように、比較例に係る光学デバイス１ｘでは、隣り合う２つの凸部３３を通過する光の各々において、光路差が生じない。したがって、暗線の条件が満たされずに回折が起きる。回折の１次光の強度が大きいので、二重像となって現れる。このとき、回折光の波長依存性によって、二重像は色づいて見える。

一方で、図９に示すように、本実施の形態に係る光学デバイス１では、隣り合う２つの凸部３３を通過する光の各々において、図７で示したような光路差が生じる。したがって、暗線の条件が満たされて回折が抑制される。特に、１次光の強度が抑制されるので、二重像が抑制される。

なお、図８及び図９では、矢印の長さで光の強度を表している。図８と図９とを比較して分かるように、光学デバイス１ｘと光学デバイス１とでは、０次光の強度にほとんど変化はない。その一方で、光学デバイス１では、光学デバイス１ｘと比較して１次光の強度が抑制されている。

なお、光Ｌ１と光Ｌ２との位相がπずれている場合に、１次光の強度を抑制することができることを説明したが、光Ｌ１と光Ｌ２との位相のずれは、πに限らず、π／４以上７π／４の範囲でずれていてもよい。

この場合においても、同じ形状及び同じ大きさの凸部３３が規則正しく並んでいる場合に比べて、１次光の強度を抑制し、二重像の発生を抑制することができる。また、１次光の強度は、位相がπずれている場合よりは大きくなるが、２次光などの他の回折光を抑制することができる。

［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、透光性を有する第１基板１０と、第１基板１０に対向して配置された、透光性を有する第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に互いに対向して配置された、透光性を有する第１電極層４０及び第２電極層５０と、第１電極層４０と第２電極層５０との間に配置され、入射した光を配光する配光層３０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、複数の凸部３３間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の高さの分布は、所定の正規分布の少なくとも一部に従う。

これにより、高さの分布が正規分布の少なくとも一部に従うので、回折現象が抑えられる。具体的には、隣り合う２つの凸部３３を通過する光の１次光の位相がずれて抑制されやすくなる。このため、本実施の形態によれば、二重像を抑制することができ、視認性の高い光学デバイス１を提供することができる。

また、単に、高さが高い凸部３３と高さが低い凸部３３とを交互に配置した場合には、モアレが発生する。本実施の形態に係る光学デバイス１によれば、モアレの発生も抑制することができる。

なお、凸部３３の高さの分布が完全にランダムになった場合には、光学デバイス１は散乱状態になって向こう側が見えなくなる。このため、光学デバイス１が透明状態を発揮することが困難になるので、窓としての機能（向こう側が視認可能）を必要とする場合には好ましくない。本実施の形態に係る光学デバイス１によれば、凸部３３の高さは、予め定められた複数の値のいずれかであり、正規分布の一部に従う。このため、光の散乱を抑制することができる。このように、本実施の形態によれば、二重像を抑制し、かつ、光の散乱を抑制することができる。

また、例えば、複数の凸部３３の高さの最大値Ｈ_１は、２０μｍ以下であり、複数の凸部３３の高さの最小値Ｈ_ｎは、最大値Ｈ_１の４０％以上６０％以下の範囲である。

これにより、凸部３３の高さの最小値が最大値の４０％以上であるので、凸部３３が小さくなりすぎず、反射面としての凸部３３の側面３３ａの面積を十分に確保することができる。したがって、配光される光の量を多くすることができる。

また、凸部３３の高さの最大値が２０μｍ以下であるので、光学デバイス１の厚みを薄くすることができるので、光学デバイス１による光の吸収などを抑制することができ、採光効率を高めることができる。

また、例えば、複数の凸部３３の高さの最大値Ｈ_１は、正規分布の平均値である。

これにより、高さが最大値になる凸部３３が最も大きくなるので、反射面としての凸部３３の側面３３ａの面積を十分に確保することができる。したがって、配光される光の量を多くすることができる。

また、例えば、複数の凸部３３のうち隣り合う２つの凸部３３を通過する光の位相は、互いにπ／４以上７π／４以下の範囲でずれている。

これにより、同じ形状及び同じ大きさの凸部３３が規則正しく並んでいる場合に比べて、１次光の強度を抑制し、二重像の発生を抑制することができる。

また、例えば、複数の凸部３３のうち隣り合う２つの凸部３３を通過する光の位相は、互いにπずれている。

これにより、隣り合う２つの凸部３３を通過する光の１次光が打ち消し合うので、二重像を十分に抑制することができる。

また、例えば、複数の凸部３３のうち隣り合う２つの凸部３３の高さの差をΔＨ、凸部３３と屈折率可変層３２との屈折率差をΔｎ、可視光帯域の所定波長をλとしたとき、ΔＨ×Δｎは、λ／２の奇数倍である。

これにより、隣り合う２つの凸部３３を通過する光の１次光の位相をπずらすことができるので、二重像を十分に抑制することができる。

（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、凸部３３の高さの最小値は、最大値の４０％以上６０％以下の範囲でなくてもよい。凸部３３の高さの最小値は、最大値の４０％未満でもよく、６０％より大きくてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、屈折率可変層３２を構成する液晶材料としてポジ型の液晶材料を用いたが、ネガ型の液晶材料を用いてもよい。

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、凹凸構造層３１を構成する複数の凸部３３の各々は、長尺状であったが、これに限らない。例えば、複数の凸部３３は、マトリクス状などに点在するように配置されていてもよい。つまり、複数の凸部３３を、ドット状に点在するように配置してもよい。

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、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。

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基板
２０ 第２基板
３０ 配光層
３１ 凹凸構造層
３２ 屈折率可変層
３３ 凸部
４０ 第１電極層
５０ 第２電極層

Claims (5)

1. 透光性を有する第１基板と、
   前記第１基板に対向して配置された、透光性を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に互いに対向して配置された、透光性を有する第１電極層及び第２電極層と、
   前記第１電極層と前記第２電極層との間に配置され、入射した光を配光する配光層とを備え、
   前記配光層は、
   複数の凸部を有する凹凸構造層と、
   前記複数の凸部間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、
   前記複数の凸部の高さの分布は、所定の正規分布の少なくとも一部に従う
   光学デバイス。
2. 前記複数の凸部の高さの最大値は、２０μｍ以下であり、
   前記複数の凸部の高さの最小値は、前記最大値の４０％以上６０％以下の範囲である
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記複数の凸部の高さの最大値は、前記正規分布の平均値である
   請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記複数の凸部のうち隣り合う２つの凸部を通過する光の位相は、互いにπ／４以上７π／４以下の範囲でずれている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記複数の凸部のうち隣り合う２つの凸部を通過する光の位相は、互いにπずれている
   請求項４に記載の光学デバイス。

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