JP2020064083A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光学状態を切り替えることができ、かつ、強度が高められた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、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、凹凸構造層３１は、複数の凸部３３間を補強する補強層３５を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

従来、屋外から入射する太陽光などの外光を屋内に採り入れる採光フィルムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の採光フィルムは、支持層に積層された採光層を備える。採光層は、複数の透明部と、隣り合う透明部の間に１つずつ配置される複数の空隙部とを備え、透明部と空隙部との界面で光を反射させている。

国際公開第２０１６／０８８４４５号

しかしながら、上記従来の採光フィルムでは、配光層の内部に空隙部が設けられているので、強度が低い。また、採光フィルムの光学状態が、入射される光が反射される状態で固定されているため、入射する光の散乱が増加し、透明度が低くなる。

そこで、本発明は、光学状態を切り替えることができ、かつ、強度が高められた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、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、前記凹凸構造層は、前記複数の凸部間を補強する補強層を含む。

本発明によれば、光学状態を切り替えることができ、かつ、強度が高められた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。 実施の形態に係る光学デバイスの補強層の厚み比率とヘイズとの関係を示す図である。

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］
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、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Ｈ（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Ｗ（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Ｐ（ｚ軸方向）は、例えば０〜１００μｍ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、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、０〜１００μｍに限らない。

本実施の形態では、凸部３３のアスペクト比は、２以上である。凸部３３のアスペクト比は、凸部３３の根元における幅Ｗに対する凸部３３の高さＨである。図２に示すように、凸部３３の断面形状は、厚み方向に長尺である。

本実施の形態では、図２に示すように、凹凸構造層３１は、複数の凸部３３間を補強する補強層３５を含んでいる。補強層３５は、複数の凸部３３間を接続している。すなわち、補強層３５は、隣り合う凸部３３の根元同士を繋ぎ、凹部３４の底を埋めるように設けられている。具体的には、補強層３５は、凸部３３と同様に、ｘ軸方向に延びたストライプ状に形成されている。

本実施の形態では、補強層３５が凹部３４の底に設けられているので、屈折率可変層３２は、第１電極層４０又は第１基材１０とは接触していない。なお、補強層３５は、ドット状など離散的に設けられていてもよく、この場合、補強層３５間の隙間には、屈折率可変層３２を構成する液晶材料などが充填されていてもよい。

補強層３５の厚みをＴとし、凸部３３の高さをＨとした場合、補強層３５の厚み比率は、Ｔ／（Ｔ＋Ｈ）で表される。本実施の形態では、厚み比率Ｔ／（Ｔ＋Ｈ）は、０．５以下となる。つまり、補強層３５の厚さＴは、凸部３３の高さＨの半分以下である。例えば、補強層３５の厚さＴは、２μｍであるが、これに限らない。

本実施の形態では、補強層３５と複数の凸部３３とは、同じ材料を用いて形成されている。すなわち、補強層３５と複数の凸部３３とは一体に形成されている。

凸部３３及び補強層３５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及び補強層３５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、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４Ａ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。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４Ｂ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。

［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、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３Ａ及び図３Ｂを適宜参照しながら、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂ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４Ａ及び図４Ｂ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。

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。

＜電圧印加モード（透光状態）＞
図４Ｂ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。

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。

［補強層の厚みとヘイズとの関係］
上述したように、本実施の形態に係る光学デバイス１では、配光状態と透光（透明）状態とを切り替えることができる。このため、透明状態においては、光学デバイス１の透明度が十分に高いことが要求される。一方で、凸部３３の強度が弱く、凸部３３の形状が崩れた場合には、配光効率が低下する。そこで、透明状態における光学デバイス１の透明度を高めつつ、凸部３３の強度を保つことが求められる。

本実施の形態では、凹凸構造層３１の凸部３３の強度を高めるために、補強層３５が設けられている。補強層３５の厚さＴを大きくする程、凸部３３の強度を高めることができる。

一方で、補強層３５の厚さＴが大きくなる程、第１電極層４０及び第２電極層５０の間に印加した電圧の補強層３５への分圧が大きくなる。このため、屈折率可変層３２に与えられる電界が小さくなって、液晶分子３６が適切に配向されにくくなる。液晶分子３６の配向が不十分になれば、配光層３０内での屈折率が均一にならずに光の散乱が発生する。このため、光学デバイス１の透明度が低下する。

図５は、本実施の形態に係る光学デバイス１の補強層３５の厚み比率とヘイズとの関係を示す図である。図５において、横軸は補強層３５の厚み比率Ｔ／（Ｔ＋Ｈ）を示し、縦軸は光学デバイス１の透光（透明）状態におけるヘイズ［％］を示している。

ヘイズは、光学デバイス１の透明性を示すパラメータである。ヘイズが小さい程、光学デバイス１が透明であり、ヘイズが大きい程、光学デバイス１が濁って見える。

図５に示すように、補強層３５の厚み比率が小さい程、ヘイズが小さくなり、光学デバイス１が透明に近くなる。例えば、厚み比率が０．５の場合に、ヘイズが約１１％となる。ヘイズが約１１％より大きくなると、光学デバイス１を透明状態にしたときの濁りが目立ちやすくなる。このため、本実施の形態に係る光学デバイス１では、厚み比率を０．５以下にすることで、ヘイズを小さくし、光学デバイス１の透明状態における透明度を高めることができる。

また、厚み比率が０．１５である場合と、０．２５である場合とでは、ヘイズは約６〜７％で略同じになっている。厚み比率が小さすぎると、凸部３３の強度が弱くなる。このため、厚み比率は、例えば、０．１５以上、又は、０．２５以上であってもよい。

［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、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。凹凸構造層３１は、複数の凸部３３間を補強する補強層３５を含む。

これにより、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屈折率可変層３２の屈折率が変化するので、光学デバイス１の光学状態を変化させることができる。例えば、屈折率可変層３２の屈折率を凹凸構造層３１の屈折率に略等しくすることで、光学デバイス１を透光（透明）状態にすることができる。また、屈折率可変層３２の屈折率を凹凸構造層３１の屈折率と異ならせることで、光を側面３３ｂで反射させて所定の方向に出射させる配光状態にすることができる。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、光学状態を変化させることができる。

さらに、光学デバイス１は、図３Ａ及び図３Ｂなどで示したように、例えば、窓９１などに貼り付けて使用される。このとき、光学デバイス１と窓９１との間に隙間（気泡）が形成されるのを防ぐために、治具などを利用して光学デバイス１を強く窓９１に押し当てて気泡を外へ逃がすことが行われる。本実施の形態に係る光学デバイス１では、複数の凸部３３間を補強する補強層３５が設けられているので、外部から強い力が加えられた場合であっても、複数の凸部３３の形状が崩れるの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、光学状態を切り替えることができ、かつ、強度が高められた光学デバイス１を実現することができる。

また、例えば、補強層３５の厚みをＴとし、凸部３３の高さをＨとした場合に、補強層３５の厚み比率であるＴ／（Ｔ＋Ｈ）は、０．５以下である。

これにより、厚み比率が０．５以下であるので、光学デバイス１が透明状態である場合のヘイズを約１１％より小さくすることができる。このため、光学デバイス１の透明度を高めることができる。

また、例えば、凸部３３の根元における幅Ｗに対する高さＨを示すアスペクト比は、２以上である。

これにより、凸部３３のアスペクト比が２以上であるので、光の反射面として機能する側面３３ｂを大きくすることができ、配光量を増やすことができる。一方で、凸部３３のアスペクト比が大きくなることで、外部からの力に弱くなる。このため、補強層３５による補強効果がより有効に発揮される。

また、例えば、補強層３５と複数の凸部３３とは、同じ材料を用いて形成されている。

これにより、例えば、ナノインプリント又はモールド成形などにより一体に形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。また、凸部３３と補強層３５とが一体に形成されることにより、凸部３３にかかる応力を効率良く補強層３５に逃がすことができるので、補強効果をより高めることができる。

また、例えば、補強層３５は、複数の凸部３３間を接続している。

これにより、隣り合う凸部３３間を補強層３５が接続することで、凸部３３にかかる応力を効率良く補強層３５に逃がすことができる。また、補強層３５と第１電極層４０との接着面積も大きくなるので、凹凸構造層３１と第１電極層４０との接着強度も高めることができる。したがって、補強効果をより高めることができる。

（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、補強層３５は、隣り合う２つの凸部３３同士を接続していなくてもよい。つまり、補強層３５は、凸部３３毎に設けられ、根元から側方（ｚ軸方向）に張り出した鍔状に形成されていてもよい。例えば、隣り合う２つの凸部３３の一方の側面３３ａ側に設けられた補強層３５と、隣り合う２つの凸部３３の他方の側面３３ｂ側に設けられた補強層３５との間には、隙間が設けられていてもよい。当該隙間には、屈折率可変層３２を構成する液晶材料が充填されていてもよい。

また、例えば、補強層３５は、凸部３３と別体で形成されていてもよい。具体的には、補強層３５は、凸部３３とは異なる材料を用いて形成されていてもよい。

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、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。この場合、補強層３５も凸部３３毎にドット状に設けられていてもよい。

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 凹凸構造層
３２ 屈折率可変層
３３ 凸部
３５ 補強層
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、
   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、
   前記凹凸構造層は、前記複数の凸部間を補強する補強層を含む
   光学デバイス。
2. 前記補強層の厚みをＴとし、前記凸部の高さをＨとした場合に、前記補強層の厚み比率であるＴ／（Ｔ＋Ｈ）は、０．５以下である
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記凸部の根元における幅に対する高さを示すアスペクト比は、２以上である
   請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記補強層と前記複数の凸部とは、同じ材料を用いて形成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記補強層は、前記複数の凸部間を接続している
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。

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