JP2019184756A

JP2019184756A - 配光制御デバイス

Info

Publication number: JP2019184756A
Application number: JP2018073722A
Authority: JP
Inventors: 有宇和家佐; Yu Wakasa; 伊藤　宜弘; Nobuhiro Ito; 宜弘伊藤; 旬臣芝田; Masaomi Shibata
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-10-24

Abstract

【課題】窓に利用された場合に、屋内に効率良く採光する配光制御デバイスを提供する。【解決手段】配光制御デバイス１は、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、第１基板１０側に設けられた、複数の第１凸部３４を有する第１凹凸構造層３１と、第２基板２０側に設けられた、複数の第２凸部３６を有する第２凹凸構造層３２と、複数の第１凸部３４間及び複数の第２凸部３６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３３とを含み、複数の第１凸部３４の各々が延びる第１方向と、複数の第２凸部３６の各々が延びる第２方向とは、直交しており、複数の第２凸部３６の各々の表面は、第１方向に沿って湾曲する曲面部３６ａを含んでいる。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、配光制御デバイスに関する。

従来、屋外から入射する太陽光などの外光の透過状態を変化させることができる配光制御デバイスが知られている。

例えば、特許文献１には、一対の透明基板と、一対の透明基板の各々に形成された一対の透明電極と、一対の透明電極に挟まれたプリズム層及び液晶層とを有する液晶光学素子が開示されている。当該液晶光学素子は、一対の透明電極に印加される電圧によって液晶層の屈折率を変化させて、プリズムの斜面と液晶層との界面を通過する光の屈折角を変化させる。

特開２０１２−１７３５３４号公報

しかしながら、上記従来の液晶光学素子は、窓に利用された場合に、太陽の日周運動などによる太陽の位置の変化に基づく入射角の変化に対応できず、屋内に効率良く採光することができないという問題がある。

そこで、本発明は、窓に利用された場合に、屋内に効率良く採光することができる配光制御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配光制御デバイスは、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、前記第１基板側に設けられた、複数の第１凸部を有する第１凹凸構造層と、前記第２基板側に設けられた、複数の第２凸部を有する第２凹凸構造層と、前記複数の第１凸部間及び前記複数の第２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、前記複数の第１凸部の各々が延びる第１方向と、前記複数の第２凸部の各々が延びる第２方向とは、直交しており、前記複数の第２凸部の各々の表面は、前記第１方向に沿って湾曲する曲面部を含んでいる。

本発明に係る配光制御デバイスによれば、窓に利用された場合に、屋内に効率良く採光することができる。

図１は、実施の形態１に係る配光制御デバイスの垂直断面図である。図２Ａは、実施の形態１に係る配光制御デバイスの一部を拡大して示す垂直断面図である。図２Ｂは、実施の形態１に係る配光制御デバイスの一部を拡大して示す水平断面図である。図３は、実施の形態１に係る配光制御デバイスが備える２つの凹凸構造層の斜視図である。図４Ａは、実施の形態１に係る配光制御デバイスの無印加モード（透明状態）を説明するための垂直断面図である。図４Ｂは、実施の形態１に係る配光制御デバイスの無印加モード（透明状態）を説明するための水平断面図である。図５Ａは、実施の形態１に係る配光制御デバイスの電圧印加モード（配光状態）を説明するための垂直断面図である。図５Ｂは、実施の形態１に係る配光制御デバイスの電圧印加モード（配光状態）を説明するための水平断面図である。図６は、実施の形態１に係る配光制御デバイスを窓に適用した場合に配光された光の照射領域を示す図である。図７Ａは、実施の形態２に係る配光制御デバイスの電圧印加モード（透明状態）を説明するための垂直断面図である。図７Ｂは、実施の形態２に係る配光制御デバイスの電圧印加モード（透明状態）を説明するための水平断面図である。図８Ａは、実施の形態２に係る配光制御デバイスの無印加モード（配光状態）を説明するための垂直断面図である。図８Ｂは、実施の形態２に係る配光制御デバイスの無印加モード（配光状態）を説明するための水平断面図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る配光制御デバイスについて、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。

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、矩形又は三角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１）
［概要］
まず、実施の形態に係る配光制御デバイスの概要について、図１〜図３を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係る配光制御デバイス１の垂直断面図である。図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る配光制御デバイス１の一部を拡大して示す垂直断面図及び水平断面図である。図３は、本実施の形態に係る配光制御デバイス１が備える２つの凹凸構造層の斜視図である。

なお、垂直断面図は、第１凹凸構造層３１の複数の凸部の並び方向と、配光制御デバイス１の厚み方向とを含む断面（すなわち、垂直断面）を示す図である。具体的には、垂直断面は、ｙｚ平面に平行な断面である。水平断面図は、第２凹凸構造層３２の複数の凸部の並び方向と、配光制御デバイス１の厚み方向とを含む断面（すなわち、水平断面）を示す図である。具体的には、水平断面は、ｘｙ平面に平行な断面である。水平断面と垂直断面とは、互いに直交している。

配光制御デバイス１は、配光制御デバイス１に入射する光を制御する光学デバイスである。具体的には、配光制御デバイス１は、配光制御デバイス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〜図３に示されるように、配光制御デバイス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の第１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。同様に、第２電極層５０の配光層３０側の面には、第２電極層５０と配光層３０の第２凹凸構造層３２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。

配光制御デバイス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である。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。

配光制御デバイス１は、例えば、建物の窓に設置することで、配光機能付き窓として実現することができる。配光制御デバイス１は、例えば、粘着層を介して既存の窓ガラスなどの透明基材に貼り付けられて使用される。あるいは、配光制御デバイス１は、建物の窓そのものとして利用されてもよい。配光制御デバイス１は、例えば、第１基板１０が屋外側で、第２基板２０が屋内側になり、かつ、図２Ａに示される第１凸部３４の第１側面３４ａが下側（床側）に面し、第２側面３４ｂが上側（天井側）に面するように配置されている。

配光制御デバイス１では、第１電極層４０及び第２電極層５０間に印加される電圧によって、配光層３０の屈折率可変層３３の屈折率が変化する。これにより、第１凹凸構造層３１と屈折率可変層３３との界面に屈折率の差が生じ、当該界面による光の屈折及び反射（全反射）を利用して光が配光される。例えば、斜め下方に向けて入射する光の少なくとも一部は、第１凸部３４によって反射されて斜め上方に向けて出射される。

また、第２凹凸構造層３２と屈折率可変層３３との界面にも屈折率の差が生じ、当該界面による光の屈折を利用して光が配光される。例えば、入射する光の少なくとも一部は、第２凸部３６によって左右方向に広げられて出射される。

第１電極層４０及び第２電極層５０間に印加される電圧の大きさに応じて、配光制御デバイス１は、透明状態及び配光状態が切り替わる。また、配光制御デバイス１は、第１電極層４０及び第２電極層５０間に印加される電圧の大きさに応じて、配光状態における光の配光方向（進行方向）が変化する。

以下、配光制御デバイス１の各構成部材について、図１〜図３を参照して詳細に説明する。

［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、１μｍ〜１０００μｍ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、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、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、第１凹凸構造層３１と、第２凹凸構造層３２と、屈折率可変層３３とを有する。本実施の形態では、第１凹凸構造層３１と屈折率可変層３３との界面で光が反射されることにより、配光制御デバイス１を透過する光の、鉛直方向（上下方向）に対する進行方向が曲げられる。また、第２凹凸構造層３２と屈折率可変層３３との界面で光が屈折されることにより、配光制御デバイス１を透過する光の、水平方向（左右方向）に対する進行方向が曲げられる。

［第１凹凸構造層］
第１凹凸構造層３１は、屈折率可変層３３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。第１凹凸構造層３１は、図２Ａに示されるように、複数の第１凸部３４と、複数の第１凹部３５とを有する。

具体的には、第１凹凸構造層３１は、マイクロオーダーサイズの複数の第１凸部３４によって構成された凹凸構造体である。複数の第１凸部３４の間が、複数の第１凹部３５である。すなわち、隣り合う２つの第１凸部３４の間が、１つの第１凹部３５である。図２Ａに示される例では、複数の第１凸部３４が個々に分離された例を示しているが、これに限らない。複数の第１凸部３４は根元（第１電極層４０側）で互いに接続されていてもよい。また、例えば、複数の第１凸部３４と第１電極層４０との間に第１凸部３４の基台となる層（膜）状の基台部が設けられていてもよい。

複数の第１凸部３４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、複数の第１凸部３４の並び方向である。

本実施の形態では、複数の第１凸部３４は、その並び方向に直交する方向に延在する長尺の凸状である。具体的には、図３に示されるように、複数の第１凸部３４は、ｘ軸方向に延びたストライプ状に形成されている。複数の第１凸部３４の各々は、ｘ軸方向に沿って直線状に延びている。例えば、複数の第１凸部３４の各々は、第１電極層４０に対して横倒しに配置された三角柱である。なお、複数の第１凸部３４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、複数の第１凸部３４は、波線のストライプ状に形成されていてもよい。

図２Ａに示されるように、複数の第１凸部３４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、複数の第１凸部３４の各々の断面形状は、第１基板１０から第２基板２０に向かう方向に沿って先細りのテーパ形状である。本実施の形態では、第１凸部３４のｙｚ断面における断面形状は、配光制御デバイス１の厚み方向に沿って先細る三角形であるが、これに限らない。第１凸部３４の断面形状は、台形でもよく、その他の多角形、又は、カーブを含む多角形などでもよい。複数の第１凸部３４の形状は、互いに同じであるが、異なっていてもよい。

なお、台形又は三角形には、頂点が丸みを帯びた台形又は三角形も含まれる。また、台形又は三角形には、各辺が完全に直線ではない場合、例えば、各辺の長さの数％程度の変位で僅かに屈曲している場合、又は、微小な凹凸が含まれる場合も含まれる。

本実施の形態では、図２Ａに示されるように、複数の第１凸部３４の各々は、第１側面３４ａ及び第２側面３４ｂを有する。第１側面３４ａ及び第２側面３４ｂは、ｚ軸方向に交差する面である。第１側面３４ａ及び第２側面３４ｂの各々は、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。第１側面３４ａ及び第２側面３４ｂの間隔、すなわち、第１凸部３４の幅は、第１基板１０から第２基板２０に向かって漸次小さくなっている。

第１側面３４ａは、例えば、ｚ軸が鉛直方向に一致するように配光制御デバイス１を配置した場合に、第１凸部３４を構成する複数の側面のうち、鉛直下方側に面する側面である。第１側面３４ａは、入射光を屈折させる屈折面である。

第２側面３４ｂは、例えば、ｚ軸が鉛直方向に一致するように配光制御デバイス１を配置した場合に、第１凸部３４を構成する複数の側面のうち、鉛直上方側に面する側面である。第２側面３４ｂは、入射光を反射させる反射面である。ここでの反射は、全反射であり、第２側面３４ｂは、全反射面として機能する。

第１側面３４ａの傾斜角及び第２側面３４ｂの傾斜角は、例えば０°以上２５°以下の範囲である。言い換えると、第１凸部３４の断面形状である台形又は三角形の２つの底角はそれぞれ、６５°以上９０°以下である。あるいは、２つの底角の少なくとも一方は、６５°より小さくてもよい。第１側面３４ａの傾斜角と第２側面３４ｂの傾斜角とは、互いに異なっていてもよく、等しくてもよい。

複数の第１凸部３４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つの第１凸部３４の間隔は、例えば、０μｍ〜１００μｍであるが、これに限らない。複数の第１凸部３４の各々の高さは、例えば２μｍ〜１００μｍであるが、これに限らない。複数の第１凸部３４には、高さ及び幅の少なくとも一方が互いに異なる凸部が含まれていてもよい。

第１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。第１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。第１凹凸構造層３１は、例えば、緑色光に対する屈折率が１．５のアクリル樹脂を用いて断面が三角形の凹凸構造を、モールド型押しにより形成することができる。

［第２凹凸構造層］
第２凹凸構造層３２は、屈折率可変層３３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。第２凹凸構造層３２は、図２Ｂに示されるように、複数の第２凸部３６を有する。

具体的には、第２凹凸構造層３２は、マイクロオーダーサイズの複数の第２凸部３６によって構成された凹凸構造体である。図２Ｂに示される例では、複数の第２凸部３６が根元（第２電極層５０）側で互いに接続されている。具体的には、複数の第２凸部３６の根本には、複数の第２凸部３６を支持する層（膜）状の基台部が設けられている。あるいは、複数の第２凸部３６は、個々に分離されていてもよい。

複数の第２凸部３６は、第２基板２０の主面（第２電極層５０が設けられた面）に平行なｘ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、ｘ軸方向は、複数の第２凸部３６の並び方向である。

本実施の形態では、複数の第２凸部３６は、その並び方向に直交する方向に延在する長尺の凸状である。具体的には、図３に示されるように、複数の第２凸部３６は、ｚ軸方向に延びたストライプ状に形成されている。複数の第２凸部３６の各々は、ｚ軸方向に沿って直線状に延びている。なお、複数の第２凸部３６は、ｚ軸方向に沿って蛇行しながら延びていてもよい。例えば、複数の第２凸部３６は、波線のストライプ状に形成されていてもよい。複数の第２凸部３６は、例えばレンチキュラーレンズのように集光機能を有してもよい。

図３に示されるように、第１凹凸構造層３１の第１凸部３４が延びる方向と、第２凹凸構造層３２の第２凸部３６が延びる方向とは、互いに直交している。すなわち、複数の第１凸部３４は、第２凸部３６の延びる方向（ｚ軸方向）に沿って並んでおり、複数の第１凸部３４の各々は、第２凸部３６の並び方向（ｘ軸方向）に延びている。同様に、複数の第２凸部３６は、第１凸部３４の延びる方向（ｘ軸方向）に沿って並んでおり、複数の第２凸部３６の各々は、第１凸部３４の並び方向（ｚ軸方向）に延びている。

図２Ｂに示されるように、第２凸部３６の表面は、ｘ軸方向に沿って湾曲する曲面部３６ａを有する。曲面部３６ａは、第２凸部３６の表面のうち屈折率可変層３３と接触する部分である。つまり、曲面部３６ａは、第２凸部３６と屈折率可変層３３との界面に相当する。

本実施の形態では、曲面部３６ａは、第２基板２０から第１基板１０に向かって凸の湾曲面である。例えば、曲面部３６ａの形状は、第２凸部３６の延びる方向（ｚ軸方向）を軸とする円柱側面又は楕円柱側面の一部である。図２Ｂに示されるように、曲面部３６ａは、ｘｙ断面において、半円弧又は半楕円弧で表される。なお、曲面部３６ａの形状は、これに限らない。曲面部３６ａは、ｘｙ断面において、例えば３分の１の円弧（中心角が１２０°）又は４分の１の円弧（中心角が９０°）などであってもよい。曲面部３６ａは、例えば、ｙ軸を軸として線対称な形状を有する。

また、図２Ｂに示されるように、２つの第２凸部３６間は、第１基板１０から第２基板２０に向かう方向に尖った凹部を形成している。具体的には、隣り合う曲面部３６ａは、端部同士で接続されている。このとき、隣り合う曲面部３６ａが滑らかに連続するように接続されていてもよい。例えば、ｘ軸方向に沿って連続する複数の曲面部３６ａは、滑らかな波線で表されてもよい。波線の形状は、例えば、正弦波でもよく、複数の円弧が滑らかに接続された形状でもよい。このとき、波線の周期及び振幅は、一定値であってもよく、ｘ軸方向に沿ってランダムに変化していてもよい。具体的には、複数の第２凸部３６の各々の高さ及び幅は、互いに等しくしてもよく、異なっていてもよい。

なお、複数の第２凸部３６の表面のうち、屈折率可変層３３と接触する部分の一部は、曲面部３６ａでなくてもよい。つまり、複数の第２凸部３６と屈折率可変層３３との界面は、全てが曲面部３６ａであってもよく、あるいは、平面部（すなわち、ｘｙ断面において直線部）と曲面部とを含んでもよい。

複数の第２凸部３６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つの第２凸部３６の間隔は、例えば、０μｍ〜１００μｍであるが、これに限らない。複数の第２凸部３６の各々の高さは、例えば２μｍ〜１００μｍであるが、これに限らない。複数の第２凸部３６には、高さ及び幅の少なくとも一方が互いに異なる凸部が含まれていてもよい。

第２凹凸構造層３２の材料としては、第１凹凸構造層３１の材料と同じであり、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。なお、第２凹凸構造層３２の材料は、第１凹凸構造層３１の材料と異なっていてもよい。このとき、第１凹凸構造層３１と第２凹凸構造層３２とは、屈折率が同じであってもよく、異なっていてもよい。

第２凹凸構造層３２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。第２凹凸構造層３２は、例えば、緑色光に対する屈折率が１．５のアクリル樹脂を用いて曲面状の凹部を有する凹凸構造を、モールド型押しにより形成することができる。

なお、本実施の形態では、第１凸部３４の先端部と第２凸部３６の先端部とが離間して設けられているが、接触していてもよい。

［屈折率可変層］
屈折率可変層３３は、複数の第１凸部３４の間（すなわち、第１凹部３５）及び複数の第２凸部３６の間を充填するように配置されている。具体的には、屈折率可変層３３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埋めるように配置されている。

屈折率可変層３３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３３は、電極間に電圧が印加さ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、制御装置（図示せず）などによって、第１電極層４０と第２電極層５０との間には直流電圧が印加される。

図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、屈折率可変層３３は、絶縁性液体３７と、絶縁性液体３７に含まれるナノ粒子３８とを有する。屈折率可変層３３は、無数のナノ粒子３８が絶縁性液体３７に分散されたナノ粒子分散層である。

絶縁性液体３７は、絶縁性を有する透明な液体であり、分散質としてナノ粒子３８が分散される分散媒となる溶媒である。絶縁性液体３７としては、例えば、屈折率（溶媒屈折率）が約１．３〜約１．６の材料を用いることができる。本実施の形態では、屈折率が約１．４の絶縁性液体３７を用いている。

なお、絶縁性液体３７の動粘度は、１００ｍｍ^２／ｓ程度であるとよい。また、絶縁性液体３７は、低誘電率（例えば、第１凹凸構造層３１及び第２凹凸構造層３２の誘電率以下）で、非引火性（例えば、引火点が２５０℃以上の高引火点）及び低揮発性を有してもよい。具体的には、絶縁性液体３７は、脂肪族炭化水素、ナフサ、及びその他の石油系溶剤などの炭化水素、低分子量ハロゲン含有ポリマー、又は、これらの混合物などである。一例として、絶縁性液体３７は、フッ化炭化水素などのハロゲン化炭化水素である。なお、絶縁性液体３７としては、シリコーンオイルなどを用いることもできる。

ナノ粒子３８は、絶縁性液体３７に複数分散されている。ナノ粒子３８は、粒径がナノオーダサイズの微粒子である。具体的には、入射光の波長をλとすると、ナノ粒子３８の粒径は、λ／４以下であるとよい。ナノ粒子３８の粒径をλ／４以下にすることで、ナノ粒子３８による光散乱を少なくして、ナノ粒子３８と絶縁性液体３７との平均的な屈折率を得ることができる。ナノ粒子３８の粒径は、小さい程よく、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは、数ｎｍ〜数十ｎｍである。

ナノ粒子３８は、例えば、高屈折率材料によって構成されている。具体的には、ナノ粒子３８の屈折率は、絶縁性液体３７の屈折率よりも高い。本実施の形態において、ナノ粒子３８の屈折率は、第１凹凸構造層３１及び第２凹凸構造層３２の屈折率よりも高い。

ナノ粒子３８としては、例えば、金属酸化物微粒子を用いることができる。また、ナノ粒子３８は、透過率が高い材料で構成されていてもよい。本実施の形態では、ナノ粒子３８として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）によって構成された屈折率が２．１の透明なジルコニア粒子を用いている。なお、ナノ粒子３８は、酸化ジルコニウムに限らず、酸化チタン（ＴｉＯ_２：屈折率２．５）などによって構成されていてもよい。

また、ナノ粒子３８は、帯電している荷電粒子である。例えば、ナノ粒子３８の表面を修飾することで、ナノ粒子３８を正（プラス）又は負（マイナス）に帯電させることができる。本実施の形態において、ナノ粒子３８は、正（プラス）に帯電している。

このように構成された屈折率可変層３３では、帯電したナノ粒子３８が絶縁性液体３７の全体に分散されている。本実施の形態では、一例として、ナノ粒子３８として屈折率が２．１のジルコニア粒子を用いて、溶媒屈折率が約１．４の絶縁性液体３７に分散させたものを屈折率可変層３３としている。

また、屈折率可変層３３の全体の屈折率（平均屈折率）は、ナノ粒子３８が絶縁性液体３７内に均一に分散された状態において、第１凹凸構造層３１及び第２凹凸構造層３２の屈折率に等しくなるように設定されており、本実施の形態では、約１．５である。なお、屈折率可変層３３の全体の屈折率は、絶縁性液体３７に分散するナノ粒子３８の濃度（量）を調整することによって変えることができる。詳細は後述するが、ナノ粒子３８の量は、例えば、第１凹凸構造層３１の第１凹部３５に埋まる程度である。この場合、絶縁性液体３７に対するナノ粒子３８の濃度は、約１０％〜約３０％である。

絶縁性液体３７中に分散するナノ粒子３８は帯電しているので、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、ナノ粒子３８は、ナノ粒子３８が帯びた極性とは異なる極性の電極層に引き寄せられるように絶縁性液体３７中を泳動し、絶縁性液体３７内で偏在する。本実施の形態では、ナノ粒子３８は、プラスに帯電しているので、第１電極層４０及び第２電極層５０のうち負極側の電極層に引き寄せられる。

これにより、屈折率可変層３３内のナノ粒子３８の粒子分布が変化して屈折率可変層３３内にナノ粒子３８の濃度分布を持たせることができるので、屈折率可変層３３内の屈折率分布が変化する。つまり、屈折率可変層３３の屈折率が部分的に変化する。このように、屈折率可変層３３は、主に可視光帯域の光に対する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。

屈折率可変層３３は、例えば、第１電極層４０及び第１凹凸構造層３１が形成された第１基板１０と、第２電極層５０及び第２凹凸構造層３２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、屈折率可変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３３は、第１基板１０の第１電極層４０及び第１凹凸構造層３１上に屈折率可変材料を滴下した後に、第２電極層５０及び第２凹凸構造層３２が形成された第２基板２０を貼り合わせることで形成されてもよい。本実施の形態では、屈折率可変材料は、ナノ粒子３８が分散された絶縁性液体３７である。ナノ粒子３８が分散された絶縁性液体３７が第１基板１０と第２基板２０との間に封止されている。屈折率可変層３３の厚さは、例えば１μｍ〜１０００μｍであるが、これに限らない。

［第１電極層及び第２電極層］
図１、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、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（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）若しくはＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）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と第１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、第２凹凸構造層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、ＩＴＯなどの導電膜を成膜することで形成される。

［配光制御デバイスの動作及び光学状態］
続いて、配光制御デバイス１の動作及び光学状態について説明する。

＜透明状態（無印加モード）＞
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る配光制御デバイス１の無印加モード（透明状態）を説明するための垂直断面図及び水平断面図である。また、図４Ａには、配光制御デバイス１に対して斜め上方から入射する光Ｌの経路を太線の矢印で示している。また、図４Ｂには、配光制御デバイス１に対して、斜め左方向から入射する光Ｌ１と正面から入射する光Ｌ２との各々の経路を太線の矢印で示している。

図４Ａ及び図４Ｂにおいて、第１電極層４０及び第２電極層５０間には電圧が印加されていない。具体的には、第１電極層４０と第２電極層５０とは、互いに等電位となっている。この場合、ナノ粒子３８は、いずれの電極層にも引き寄せられないので、絶縁性液体３７の全体に亘って分散された状態となる。

本実施の形態では、ナノ粒子３８が絶縁性液体３７の全体に分散された状態の屈折率可変層３３の屈折率は、上述したように、約１．５である。また、第１凹凸構造層３１の第１凸部３４の屈折率、及び、第２凹凸構造層３２の第２凸部３６の屈折率は、約１．５である。つまり、複数の第１凸部３４と、複数の第２凸部３６と、屈折率可変層３３とは、屈折率が同等になる。したがって、配光層３０の全体で、屈折率が均一になる。

このため、図４Ａに示されるように、斜め上方から斜め下方に向けて光Ｌが入射した場合、屈折率可変層３３と第１凹凸構造層３１との界面には屈折率差がないので、光が真っ直ぐに進行する。つまり、垂直断面において、光Ｌの入射角と出射角とは、実質的に同じになる。

また、図４Ｂに示されるように、斜め左方向から斜め右方向に向けて光Ｌ１が入射した場合、屈折率可変層３３と第２凹凸構造層３２との界面には屈折率差がないので、光が真っ直ぐに進行する。つまり、水平断面において、光Ｌの入射角と出射角とは、実質的に同じになる。

このように、配光制御デバイス１は、入射した光を実質的に直進させる透明状態、すなわち、そのまま（進行方向を変えることなく）透過させる透明状態になる。

なお、光Ｌ、Ｌ１及びＬ２はそれぞれ、実際には、第１基板１０に入射するとき、第２基板２０から出射するとき、第１基板１０と第１電極層４０との界面を通過するとき、及び、第２電極層５０と第２基板２０との界面を通過するとき、などの通過する媒体が変化するときに屈折するが、図４Ａ及び図４Ｂには図示していない。後述する図５Ａ、図５Ｂ、図７Ａ〜図８Ｂにおいても同様である。

＜配光状態（電圧印加モード）＞
図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る配光制御デバイス１の電圧印加モード（配光状態）を説明するための垂直断面図及び水平断面図である。また、図５Ａには、配光制御デバイス１に対して斜め上方から入射する光Ｌの経路を太線の矢印で示している。また、図５Ｂには、配光制御デバイス１に対して、斜め左方向から入射する光Ｌ１と正面から入射する光Ｌ２との各々の経路を太線の矢印で示している。

図５Ａ及び図５Ｂにおいて、第１電極層４０及び第２電極層５０間に所定の電圧が印加されている。例えば、第１電極層４０と第２電極層５０とには、数十Ｖ程度の電位差の電圧が印加されている。これにより、屈折率可変層３３では、帯電したナノ粒子３８が、ナノ粒子３８が帯びた極性とは異なる極性の電極層に引き寄せられるように絶縁性液体３７内を泳動する。つまり、ナノ粒子３８は、絶縁性液体３７内を電気泳動する。

図５Ａ及び図５Ｂに示す例では、第１電極層４０は、第２電極層５０よりも低電位になっている。このため、プラスに帯電したナノ粒子３８は、第１電極層４０に向かって泳動し、第１凹凸構造層３１の第１凹部３５内に入り込んで集積していく。

このように、ナノ粒子３８が屈折率可変層３３内の第１凹凸構造層３１側に偏在することで、ナノ粒子３８の粒子分布が変化し、屈折率可変層３３内の屈折率分布が一様ではなくなる。具体的には、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、屈折率可変層３３内でナノ粒子３８の濃度分布が形成される。

例えば、第１凹凸構造層３１側の第１領域３３ａでは、ナノ粒子３８の濃度が高くなり、第２凹凸構造層３２側の第２領域３３ｂでは、ナノ粒子３８の濃度が低くなる。したがって、第１領域３３ａと第２領域３３ｂとには、屈折率差が生じる。

本実施の形態では、ナノ粒子３８の屈折率が絶縁性液体３７の屈折率よりも高い。このため、ナノ粒子３８の濃度が高い第１領域３３ａの屈折率は、ナノ粒子３８の濃度が低い、すなわち、絶縁性液体３７の割合が多い第２領域３３ｂの屈折率よりも高くなる。例えば、第１領域３３ａの屈折率は、ナノ粒子３８の濃度に応じて約１．５より大きい値〜約１．８になる。第２領域３３ｂの屈折率は、ナノ粒子３８の濃度に応じて約１．４〜約１．５より小さい値になる。

複数の第１凸部３４の屈折率が約１．５であるので、第１電極層４０と第２電極層５０との間に電圧が印加されている場合、第１凸部３４と第１領域３３ａとの間には、屈折率差が生じる。このため、図５Ａに示すように、斜め方向から光Ｌが入射した場合、入射した光Ｌは、第１凸部３４の第１側面３４ａで屈折した後、第２側面３４ｂで全反射される。

これにより、図５Ａに示されるように、垂直断面において、光Ｌの入射角と出射角とが異なる。例えば、斜め上方から斜め下方に向けて入射した光Ｌは、斜め上方に向けて配光制御デバイス１から出射される。

さらに、複数の第２凸部３６の屈折率が約１．５であるので、第２凸部３６と第２領域３３ｂとの間にも、僅かながら屈折率差が生じる。このときの第２凸部３６と第２領域３３ｂとの間の屈折率差は、第１凸部３４と第１領域３３ａとの間の屈折率差よりも小さい。第１凸部３４の第２側面３４ｂで全反射された光の一部は、図５Ｂに示されるように、第２凸部３６の曲面部３６ａによって屈折される。

これにより、図５Ｂに示されるように、水平断面において、正面から入射する光Ｌ２は、曲面部３６ａで屈折されて、異なる方向に広げられて出射される。同様に、斜め左方向から入射する光Ｌ１は、曲面部３６ａで屈折されて、異なる方向に広げられて出射される。光Ｌ１及び光Ｌ２のいずれも広げられて出射されるので、配光制御デバイス１から出射される光Ｌ１によって照射される範囲と、光Ｌ２によって出射される範囲との重複が大きくなる。このため、配光制御デバイス１に入射する光の入射角が変化した場合であっても、配光制御デバイス１を透過した光によって照射される範囲の変化が小さくなる。

図６は、本実施の形態に係る配光制御デバイス１を窓９１に適用した場合に配光された光の照射領域を示す図である。図６に示す例では、配光制御デバイス１は、建物９０の窓９１の上半分に設けられている。図６は、建物９０の屋内側から窓９１を正面に見た場合を模式的に示しており、天井９２、床９３、左側の壁９４及び右側の壁９５が図示されている。

図６の（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、配光制御デバイス１の光出射側から見たときに太陽Ｓが左側、正面、右側に位置する場合に、屋内において配光制御デバイス１を通過した光Ｌ１〜Ｌ３によって照射される範囲を模式的に示している。

本実施の形態に係る配光制御デバイス１は、配光状態である場合に、左右方向の斜めから入射する光を、左右方向に対して広げて出射する。このため、図６の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、太陽Ｓの位置によらず、屋内の天井９２の広い範囲を光Ｌ１〜Ｌ３が照射していることが分かる。

このように、第１電極層４０と第２電極層５０との間に所定の電位差が生じた場合に、複数の第１凸部３４の各々及び複数の第２凸部３６の各々と屈折率可変層３３との界面に屈折率差が発生し、配光層３０に入射する光の進行方向が曲げられる。つまり、配光制御デバイス１は、入射した光を、その進行方向を曲げて透過させる配光状態になる。

なお、印加する電圧の大きさによってナノ粒子３８の凝集の程度を変化させることができる。ナノ粒子３８の凝集の程度によって屈折率可変層３３の屈折率が変化する。このため、第１凸部３４の第１側面３４ａ及び第２側面３４ｂ（界面）における屈折率の差を変化させることで、配光方向を変化させることも可能である。

以上のように、本実施の形態に係る配光制御デバイス１は、主に、第１凹凸構造層３１の第１凸部３４と屈折率可変層３３との屈折率差によって、入射する光の上下方向（鉛直方向）に対する進行方向を変化させる。また、配光制御デバイス１は、主に、第２凹凸構造層３２の第２凸部３６と屈折率可変層３３との屈折率差によって、入射する光の左右方向（水平方向）に対する進行方向を変化させる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る配光制御デバイス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、第１基板１０側に設けられた、複数の第１凸部３４を有する第１凹凸構造層３１と、第２基板２０側に設けられた、複数の第２凸部３６を有する第２凹凸構造層３２と、複数の第１凸部３４間及び複数の第２凸部３６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３３とを含む。複数の第１凸部３４の各々が延びる第１方向と、複数の第２凸部３６の各々が延びる第２方向とは、直交している。複数の第２凸部３６の各々の表面は、第１方向に沿って湾曲する曲面部３６ａを含んでいる。

これにより、第２凸部３６の表面が曲面部３６ａを含んでいるので、入射する光を曲面部３６ａが湾曲する方向にも広げることができる。例えば、湾曲する方向を水平方向（左右方向）にすることで、光を水平方向に広げることができる。したがって、水平方向における光の入射角が異なる場合であっても、採り入れた光によって照射される範囲を安定させることができる。

このように、配光制御デバイス１は、窓９１に利用された場合に、屋内に効率良く採光することができる。

また、本実施の形態では、第１凹凸構造層３１及び第２凹凸構造層３２が第１基板１０と第２基板２０との間に設けられている。具体的には、第１凹凸構造層３１及び第２凹凸構造層３２が配光制御デバイス１の外面に露出していないので、外部からの衝撃などに強く、耐久性に優れている。

また、例えば、複数の第２凸部３６の各々が延びる第２方向は、直線方向である。

これにより、第２凹凸構造層３２によっては上下方向への光の拡散が行われないので、第１凹凸構造層３１による上下方向への配光機能を効果的に利用することができる。

また、例えば、曲面部３６ａの形状は、第２方向を軸とする円柱側面又は楕円柱側面の一部である。

これにより、左右方向への光の拡散の偏りを抑制することができるので、出射光による照射面の光むらを抑制することができる。

また、例えば、屈折率可変層３３は、絶縁性液体３７と、絶縁性液体３７とは屈折率が異なる、絶縁性液体３７に分散された帯電する複数のナノ粒子３８とを備える。

これにより、ナノ粒子３８の凝集の程度に応じて、配光状態において配光される光の方向が変化する。ナノ粒子３８の凝集の程度は、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容易に変更することができる。したがって、透明状態及び配光状態を容易に変更することができ、かつ、配光状態における光の出射方向を容易に変更することができる。また、配光状態においては、Ｐ偏光及びＳ偏光のいずれの光にも屈折率差の影響を与えることができるので、配光性及び透明性を高めることができる。

（実施の形態２）
続いて、実施の形態２について説明する。

実施の形態２に係る配光制御デバイスは、実施の形態１に係る配光制御デバイス１と比較して、屈折率可変層３３を構成する材料が相違する。以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明し、共通点の説明を適宜省略又は簡略化する。

［構成］
まず、本実施の形態に係る配光制御デバイスの構造について、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、本実施の形態に係る配光制御デバイス１０１の電圧印加モード（透明状態）を説明するための垂直断面図及び水平断面図である。

図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、配光制御デバイス１０１は、実施の形態１に係る配光制御デバイス１と比較して、配光層３０の代わりに配光層１３０を備える点が相違する。配光層１３０は、第１凹凸構造層３１と、第２凹凸構造層３２と、屈折率可変層１３３とを有する。なお、第１凹凸構造層３１及び第２凹凸構造層３２は、実施の形態１と同じである。

屈折率可変層１３３は、第１凹凸構造層３１の複数の第１凸部３４の間（すなわち、第１凹部３５）及び複数の第２凸部３６の間を充填するように配置されている。具体的には、屈折率可変層１３３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１３３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１３３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１３３は、電界応答性を有する液晶分子１３８を有する液晶によって構成されているので、電界が与えられることで液晶分子１３８の配向状態が変化して屈折率可変層１３３の屈折率が変化する。

屈折率可変層１３３の複屈折材料は、例えば、複屈折性を有する液晶分子１３８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１３８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、第１凸部３４の屈折率が１．５である場合、屈折率可変層１３３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。

液晶分子１３８は、屈折率可変層１３３に電界が与えられていない場合に、第１凸部３４の延びる方向（すなわち、ｘ軸方向）に長軸が一致するように配向されている（後述する図８Ａ及び図８Ｂを参照）。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、図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、液晶分子１３８は、配光制御デバイス１０１の厚み方向（すなわち、ｙ軸方向）に長軸が一致するように配向される。

なお、屈折率可変層１３３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。

屈折率可変層１３３は、例えば、第１電極層４０及び第１凹凸構造層３１が形成された第１基板１０と、第２電極層５０及び第２凹凸構造層３２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１３３は、第１基板１０の第１電極層４０及び第１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てもよい。

［配光制御デバイスの動作及び光学状態］
続いて、配光制御デバイス１０１の動作及び光学状態について説明する。

配光制御デバイス１０１では、配光層１３０に与えられる電界に応じて、屈折率可変層１３３に含まれる液晶分子１３８の配向が変化する。なお、液晶分子１３８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、第１凸部３４及び第２凸部３６の各々の屈折率が１．５であり、液晶分子１３８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。

配光制御デバイス１０１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、電圧を印加した場合と印加しない場合とのいずれにおいても、その振動方向が液晶分子１３８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１３８の屈折率は、電圧の印加状態に依存せず、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１３０内で略一定になるので、Ｐ偏光は、配光層１３０をそのまま直進する。

一方で、Ｓ偏光についての液晶分子１３８の屈折率は、電圧の印加状態（すなわち、動作モード）に応じて変化する。以下では、図７Ａ〜図８Ｂを用いて、入射光に含まれるＳ偏光が受ける光学作用について説明する。

＜透明状態（電圧印加モード）＞
図７Ａ及び図７Ｂにおいて、第１電極層４０及び第２電極層５０間には所定の電圧が印加されている。例えば、第１電極層４０及び第２電極層５０間において面内で均一な電圧を印加することで、配光層１３０には均一な電界が与えられる。これにより、液晶分子１３８の長軸がｙ軸方向に沿って配向される。この場合、光Ｌ（Ｓ偏光）が受ける屈折率は、第１凸部３４、第２凸部３６及び屈折率可変層１３３のいずれも１．５となる。

このため、図７Ａに示されるように、斜め上方から斜め下方に向けて光Ｌが入射した場合、屈折率可変層１３３と第１凹凸構造層３１との界面には屈折率差がないので、光が真っ直ぐに進行する。つまり、垂直断面において、光Ｌの入射角と出射角とは、実質的に同じになる。

また、図７Ｂに示されるように、斜め左方向から斜め右方向に向けて光Ｌ１が入射した場合、屈折率可変層１３３と第２凹凸構造層３２との界面には屈折率差がないので、光が真っ直ぐに進行する。つまり、水平断面において、光Ｌ１の入射角と出射角とは、実質的に同じになる。

このように、配光制御デバイス１０１は、入射した光を実質的に直進させる透明状態、すなわち、そのまま（進行方向を変えることなく）透過させる透明状態になる。

＜配光状態（無印加モード）＞
図８Ａ及び図８Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る配光制御デバイス１０１の無印加モード（配光状態）を説明するための垂直断面図及び水平断面図である。

図８Ａ及び図８Ｂにおいて、第１電極層４０及び第２電極層５０間には電圧が印加されていない。具体的には、第１電極層４０と第２電極層５０とは、互いに等電位となっている。このため、配光層１３０には電界が与えられない。この場合、光Ｌ（Ｓ偏光）が受ける屈折率は、第１凸部３４及び第２凸部３６の各々が１．５であるのに対して、屈折率可変層１３３が１．７になる。

これにより、図８Ａに示されるように、垂直断面において、光Ｌの入射角と出射角とが異なる。例えば、斜め上方から斜め下方に向けて入射した光Ｌは、斜め上方に向けて配光制御デバイス１０１から出射される。

さらに、複数の第２凸部３６の屈折率が約１．５であるので、第２凸部３６と屈折率可変層１３３との間にも屈折率差が生じる。第１凸部３４の第２側面３４ｂで全反射された光の一部は、図８Ｂに示されるように、第２凸部３６の曲面部３６ａによって屈折又は反射される。本実施の形態では、屈折率可変層１３３の屈折率が第２凸部３６の屈折率より大きいので、入射光の角度によっては、一部の光が全反射される。

これにより、図８Ｂに示されるように、水平断面において、正面から入射する光Ｌ２は、曲面部３６ａで屈折されて、異なる方向に広げられて出射される。同様に、斜め左方向から入射する光Ｌ１は、曲面部３６ａで屈折されて、異なる方向に広げられて出射される。光Ｌ１及び光Ｌ２のいずれも広げられて出射されるので、配光制御デバイス１０１から出射される光Ｌ１によって照射される範囲と、光Ｌ２によって出射される範囲との重複が大きくなる。このため、配光制御デバイス１０１に入射する光の入射角が変化した場合であっても、配光制御デバイス１０１を透過した光によって照射される範囲の変化が小さくなる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る配光制御デバイス１０１では、屈折率可変層１３３は、複屈折性を有する複数の液晶分子１３８を含む液晶層である。

これにより、実施の形態１と同様に、窓９１に利用された場合に、屋内に効率良く採光することができる。

（その他）
以上、本発明に係る配光制御デバイスについて、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、上記の実施の形態１において、ナノ粒子３８の屈折率が絶縁性液体３７の屈折率より低くてもよい。ナノ粒子３８の屈折率などに応じて印加する電圧を適宜調整することで、透明状態及び配光状態を実現することができる。例えば、第１電極層４０及び第２電極層５０間に電圧が印加されていない場合に配光状態が実現され、電圧が印加された場合に透明状態が実現されてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態１において、ナノ粒子３８はプラスに帯電させたが、これに限らない。つまり、ナノ粒子３８をマイナスに帯電させてもよい。この場合、第１電極層４０にはプラス電位を印加し、第２電極層５０にはマイナス電位を印加することで、第１電極層４０と第２電極層５０との間に直流電圧を印加するとよい。

また、複数のナノ粒子３８には、光学特性の異なる複数種類のナノ粒子が含まれてもよい。例えば、プラスに帯電させた透明の第１ナノ粒子と、マイナスに帯電させた不透明（黒色など）の第２ナノ粒子とを含んでもよい。例えば、第２ナノ粒子を凝集させて偏在させることで、光学デバイスに遮光機能を持たせてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態２では、屈折率可変層１３３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、配光制御デバイス１又は１０１は、第１基板１０が屋内側で、第２基板２０が屋外側になるように配置されてもよい。つまり、上下方向への配光用の第１凹凸構造層３１が屋内側で、左右方向への配光用の第２凹凸構造層３２が屋外側に設けられていてもよい。

また、上記の実施の形態では、配光制御デバイス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、配光制御デバイスに入射する光は、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、例えば、配光制御デバイスは、建物の窓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。また、配光制御デバイスは、例えば、照明器具の透光カバーなどの配光制御部材などに利用することもできる。あるいは、配光制御デバイスは、凹凸構造の界面での光の散乱を利用した目隠し部材としても利用することができる。

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、１０１配光制御デバイス
１０第１基板
２０第２基板
３０、１３０配光層
３１第１凹凸構造層
３２第２凹凸構造層
３３、１３３屈折率可変層
３４第１凸部
３６第２凸部
３６ａ曲面部
３７絶縁性液体
３８ナノ粒子
４０第１電極層
５０第２電極層
１３８液晶分子

Claims

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、
前記第１基板側に設けられた、複数の第１凸部を有する第１凹凸構造層と、
前記第２基板側に設けられた、複数の第２凸部を有する第２凹凸構造層と、
前記複数の第１凸部間及び前記複数の第２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、
前記複数の第１凸部の各々が延びる第１方向と、前記複数の第２凸部の各々が延びる第２方向とは、直交しており、
前記複数の第２凸部の各々の表面は、前記第１方向に沿って湾曲する曲面部を含んでいる
配光制御デバイス。
前記第２方向は、直線方向である
請求項１に記載の配光制御デバイス。
前記曲面部の形状は、前記第２方向を軸とする円柱側面又は楕円柱側面の一部である
請求項２に記載の配光制御デバイス。
前記屈折率可変層は、
絶縁性液体と、
前記絶縁性液体とは屈折率が異なる、前記絶縁性液体に分散された帯電する複数のナノ粒子とを備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の配光制御デバイス。
前記屈折率可変層は、複屈折性を有する複数の液晶分子を含む液晶層である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の配光制御デバイス。