JP2020064087A - Optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学デバイスに関する。 The present invention relates to optical devices.
従来、光の透過状態を変化させることができる光学デバイスが知られている。例えば、特許文献1には、プリズム層のような凹凸を有する下地の上方に形成される液晶層を有する液晶光学素子が開示されている。特許文献1には、この液晶光学素子において、液晶分子の配向方向が揃っていることにより、例えば、一定方向の入射偏光に対する偏向動作を効率的に行うことができる旨が記載されている。
Conventionally, an optical device capable of changing a light transmission state is known. For example,
しかしながら、上記従来の液晶光学素子のような光学デバイスでは、凹凸層の凸部頂点及び凹部で光の散乱が発生する。例えば、従来の光学デバイスを建築物の窓に利用した場合に、太陽光が光学デバイスに入射したとき、縦(垂直)方向に沿って光の筋が発生する。このため、屋内に居る人にとって、窓を見た場合に局所的に眩しく感じられ、窓の外側を見にくくなり、窓としての機能が損なわれる。 However, in an optical device such as the above-mentioned conventional liquid crystal optical element, light scattering occurs at the apex and the apex of the uneven layer. For example, when a conventional optical device is used for a window of a building, when sunlight is incident on the optical device, light streaks are generated along the vertical (vertical) direction. For this reason, the person who is indoors feels locally dazzling when looking at the window, making it difficult to see the outside of the window and impairing the function as the window.
本発明は、上記従来の課題を考慮し、局所的な眩しさを軽減することができ、かつ、光を適切に透過させ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。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide an optical device capable of reducing local glare and appropriately transmitting light.
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、透光性を有する第2基板と、前記第1基板及び前記第2基板の間に配置され、入射した光を配光する配光層と、前記配光層を挟むように配置された第1電極及び第2電極とを備え、前記配光層は、前記第1基板の主面に平行な第1方向に沿って繰り返す複数の凸部を有する凹凸構造部と、前記複数の凸部の間である複数の凹部に配置された、液晶分子を含有する光媒体部であって、前記第1電極及び前記第2電極の間に電圧が印加されることで屈折率が変化する光媒体部とを有し、前記複数の凹部における、前記光媒体部の前記第1基板側には、入射した光の少なくとも一部を遮光し、かつ、前記光媒体部と接触する面である接触面の表面粗さが可視光波長以下である遮光部が配置されている。 To achieve the above object, an optical device according to an aspect of the present invention includes a first substrate having a light-transmitting property, a second substrate facing the first substrate and having a light-transmitting property, and the first substrate. And a light distribution layer that is arranged between the second substrate and distributes incident light, and a first electrode and a second electrode that are arranged so as to sandwich the light distribution layer. A liquid crystal molecule, the concave-convex structure portion having a plurality of convex portions repeating along a first direction parallel to the main surface of the first substrate, and the liquid crystal molecules arranged in a plurality of concave portions between the convex portions. An optical medium part that changes its refractive index when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode. On the side of the first substrate, which shields at least a part of the incident light and is in contact with the optical medium portion. Surface roughness of the contact surface light-shielding portion is disposed is below the visible light wavelength that.
本発明に係る光学デバイスによれば、局所的な眩しさを軽減することができ、かつ、光を適切に透過させることができる。 According to the optical device of the present invention, local glare can be reduced and light can be appropriately transmitted.
以下、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、組み立て順序などは、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。 Hereinafter, optical devices according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. Therefore, the numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement and connection form of constituent elements, assembly order, and the like shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present invention. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, the constituent elements which are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as arbitrary constituent elements.
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。 In addition, each drawing is a schematic view, and is not necessarily strictly illustrated. Therefore, for example, the scales and the like in the drawings do not necessarily match. In addition, in each of the drawings, substantially the same configurations are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted or simplified.
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。 Further, in this specification and the drawings, the x-axis, the y-axis, and the z-axis represent the three axes of the three-dimensional orthogonal coordinate system. In each of the embodiments, the z-axis direction is the vertical direction, and the direction perpendicular to the z-axis (the direction parallel to the xy plane) is the horizontal direction. The positive direction of the z-axis is vertically upward. In addition, in the present specification, the “thickness direction” means the thickness direction of the optical device, is a direction perpendicular to the main surfaces of the first substrate and the second substrate, and the “plan view” is the It refers to when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the first substrate or the second substrate.
(実施の形態1)
[構成]
まず、実施の形態1に係る光学デバイス1の構成について、図1〜図3を用いて説明する。図1は、実施の形態1に係る光学デバイス1の断面図である。図2は、実施の形態1に係る光学デバイス1の部分断面図である。図3は、実施の形態1に係る光学デバイス1の拡大断面図である。具体的には、図2は、図1の一点鎖線で囲まれる領域IIの拡大断面図であり、図3は、図2の円形の破線で囲まれる領域IIIの拡大断面図である。
(Embodiment 1)
[Constitution]
First, the configuration of the
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。
The
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40と、第2電極50と、遮光部60とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
なお、第1電極40の配光層30側の面には、第1電極40と配光層30の凹凸構造部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等である。
In addition, an adhesion layer may be provided on the surface of the
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40、配光層30及び第2電極50がこの順で厚み方向に沿って配置された構成である。遮光部60は、配光層30の凹凸構造部31の凹部33に設けられている。
The
以下、光学デバイス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。
Hereinafter, each component of the
[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板である。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。
[First Substrate and Second Substrate]
The
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。 Examples of the material for the glass substrate include soda glass, alkali-free glass, and high-refractive index glass. Examples of the material of the resin substrate include resin materials such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic (PMMA) or epoxy. The glass substrate has the advantages of high light transmittance and low moisture permeability. On the other hand, the resin substrate has an advantage that scattering at the time of breakage is small.
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、リジッド基板には限定されず、例えば、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。
The
第2基板20は、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、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。
The
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い。つまり、第1基板10及び第2基板20の平面視形状としては、各種の形状が採用され得る。
The planar shape of the
[配光層]
図1及び図2に示すように、配光層30は、第1基板10と第2基板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ことができる。
[Light distribution layer]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
配光層30は、凹凸構造部31(凹凸層)と、液晶分子35を含有する光媒体部34(光媒体層)とを有する。
The
凹凸構造部31は、複数の凸部32と、複数の凹部33とを有する。具体的には、凹凸構造部31は、マイクロオーダサイズ又はナノオーダサイズの複数の凸部32によって構成された凹凸構造体である。複数の凸部32の間が、複数の凹部33である。すなわち、隣り合う2つの凸部32の間が、1つの凹部33である。
The concavo-
複数の凸部32は、第1基板10の主面(第1電極40が設けられた面)に平行なz軸方向(第1方向)に沿って繰り返して配置されている。複数の凸部32の各々は、x軸方向(第2方向)に延びる長尺状の凸部である。すなわち、本実施の形態において、複数の凸部32は、平面視において、ストライプ状に形成されている。
The plurality of
具体的には、複数の凸部32の各々は、断面形状が台形で、かつ、x軸方向に延在している。つまり、複数の凸部32の各々は、長尺状の略四角柱形状であり、z軸方向に沿って等間隔に配列されている。なお、本実施の形態では、複数の凸部32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。
Specifically, each of the plurality of
複数の凸部32の各々は、一対の側面32a及び32bを有する。図2に示すように、一対の側面32a及び32bは、z軸方向に交差する面である。本実施の形態において、複数の凸部32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)に沿って先細りのテーパ形状である。一対の側面32a及び32bの各々は、厚み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32a及び32bの間隔(凸部32の幅(z軸方向の長さ))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。
Each of the plurality of
側面32aは、例えば、一対の側面32a及び32bのうち、鉛直上方側の側面(上側面)である。側面32bは、例えば、一対の側面32a及び32bのうち、鉛直下方側の側面(下側面)である。
The
凸部32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32は、例えば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。
As a material of the
本実施の形態において、凹凸構造部31は、例えば、屈折率が1.5のアクリル樹脂を用いて形成されている。凸部32の高さは、例えば5μmであり、複数の凸部32は、間隔が1μmで等間隔にz軸方向に並んで配置されている。凸部32の根元部の厚さ(台形の下底)は、例えば5μmである。なお、凸部32の断面形状は、台形に限らず、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。
In the present embodiment, the concavo-
また、上記の凸部32の高さ等の値は例示であり、凸部32の高さ(y軸方向の長さ)は、例えば100nm〜100μmの範囲から適宜決定されてもよい。また、隣り合う凸部32の間隔、すなわち、凹部33の幅(z軸方向)は、例えば0〜100μmの範囲から適宜決定されてもよい。つまり、隣り合う2つの凸部32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。
Further, the values of the height and the like of the
光媒体部34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。また、液晶分子35を含む液晶は、例えば、常光屈折率(no)が1.5であり、異常光屈折率(ne)が1.7であるポジ型液晶である。つまり、本実施の形態において、光媒体部34は、液晶分子35を含む液晶によって構成された液晶層である。
The optical
光媒体部34は、凹凸構造部31の複数の凹部33に配置されている。具体的には、光媒体部34は、第1電極40と第2電極50との間であって、かつ、隣り合う2つの凸部32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。
The
本実施の形態において、光媒体部34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。具体的には、光媒体部34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ため、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、これにより光媒体部34の屈折率が変化する。
In the present embodiment, the optical
配光層30には、第1電極40及び第2電極50間に電圧が印加されることによって電界が与えられる。したがって、第1電極40及び第2電極50に印加する電圧を制御することによって配光層30に与えられる電界が変化し、これにより、液晶分子35の配向状態が変化し、その結果、光媒体部34の屈折率が変化する。つまり、光媒体部34は、第1電極40及び第2電極50に電圧が印加されることで屈折率が変化する。
An electric field is applied to the
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軸に平行になるように配向されている。第1電極40及び第2電極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軸に平行になるように配向される(後述する図4Bを参照)。
Note that FIG. 2 shows a state in which no voltage is applied (the same applies to FIG. 4A described later), and the
なお、光媒体部34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。
The optical
光媒体部34は、例えば、第1電極40及び凹凸構造部31が形成された第1基板10と、第2電極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、液晶分子35を含むポジ型液晶を真空注入法で注入することで形成される。あるいは、光媒体部34は、第1基板10の第1電極40及び凹凸構造部31上に、液晶分子35を含むポジ型液晶を滴下した後に、第2基板20を貼り合わせることで形成される。
The optical
[第1電極及び第2電極]
本実施の形態において、第1電極40及び第2電極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。なお、第1電極40と第2電極50とは、電気的だけではなく配置的にも対になっており、対向するように配置されている。具体的には、第1電極40及び第2電極50は、配光層30を挟むように配置されている。
[First electrode and second electrode]
In the present embodiment, the
第1電極40及び第2電極50は、光透過性を有し、入射した光を透過する。第1電極40及び第2電極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40及び第2電極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40及び第2電極50はそれぞれ、例えば厚さ100nmのITOである。
The
第1電極40は、第1基板10と配光層30との間に配置されている。具体的には、第1電極40は、第1基板10の配光層30側の面に形成されている。
The
一方、第2電極50は、配光層30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50は、第2基板20の配光層30側の面に形成されている。
On the other hand, the
なお、第1電極40及び第2電極50は、例えば、外部電源との電気接続が可能な構成を有している。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40及び第2電極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。
The
[遮光部]
遮光部60は、入射した光の少なくとも一部を遮光する。なお、本明細書において、「遮光」とは、入射した光を完全に遮断することだけでなく、一部のみを遮断し、残りを透過させることも意味する。例えば、「遮光」は、光の透過よりも遮断が支配的な状態を言う。具体的には、遮光部60の可視光に対する透過率は、50%より低く、好ましくは、20%以下、又は、10%以下でもよい。
[Shading part]
The
本実施の形態では、遮光部60は、凹部33の底に設けられている。具体的には、遮光部60は、凹凸構造部31と同様に、x軸方向に延びるストライプ状に形成されている。本実施の形態では、全ての凹部33に遮光部60が設けられているが、これに限らない。例えば、z軸方向に沿って複数の凹部33のn個おき(nは1以上の自然数)に遮光部60が設けられていてもよい。
In the present embodiment, the
本実施の形態では、遮光部60は、略均一な膜厚で形成されている。遮光部60の膜厚(y軸方向)は、例えば200nm〜2μmである。遮光部60の膜厚は、例えば、この範囲の中から、遮光部60の光吸収性または凸部32の高さを考慮して適宜決定することができる。
In the present embodiment, the
本実施の形態に係る遮光部60は、図3に示すように、複数の遮光粒子61と、複数の遮光粒子61を固着するバインダー62とによって形成されている。遮光粒子61としては、例えば、カーボンブラックなどの炭素系黒色顔料、又は、酸化物系黒色顔料などが採用される。また、バインダー62としては、例えば、アクリル樹脂が採用される。
As shown in FIG. 3, the
具体的には、カーボンブラック等である複数の遮光粒子61を含有する樹脂材料を複数の凹部33内に塗布し、加熱(乾燥)工程を経ることで、複数の凹部33のそれぞれに遮光部60が配置される。このように、複数の凹部33のそれぞれに遮光部60が配置された後に、上述の、液晶分子35を含有する光媒体部34が、遮光部60上に配置される。なお、遮光部60は、黒色でなくてもよい。例えば、遮光部60は、有色顔料を含む溶剤インクを乾燥させたものでもよい。乾燥は、自然乾燥でもよい。
Specifically, a resin material containing a plurality of light-shielding
本実施の形態に係る光学デバイス1では、遮光部60を有することで、従来の光学デバイスで発生していた光の筋の発生を抑制することができる。このことについては、図4A、図4B及び図5を用いて後述する。
In the
また、上記効果を奏する遮光部60は、光媒体部34と接触して配置されるため、遮光部60は、光媒体部34と接触する面である接触面60a(図3参照)を有している。さらに、この接触面60aは、何ら工夫がなされない場合、遮光部60に含有される複数の遮光粒子61の影響によって、表面粗さが大きくなる。
Further, since the light-shielding
本願発明者らは、接触面60aの表面粗さが大きい場合、外観上、遮光部60の近傍にヘイズ(Haze)が目立つこと、及び、接触面60aの表面粗さが小さい場合、ヘイズが抑制されることを確認した。
When the surface roughness of the
具体的には、本実施の形態では、接触面60aの表面粗さ(例えば、算術平均粗さ(Ra))は、可視光波長以下である。より詳細には、接触面60aの表面粗さは、750nm以下である。これにより、光学デバイス1におけるヘイズが抑制される。なお、接触面60aの表面粗さは、350nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることがさらに好ましい。
Specifically, in the present embodiment, the surface roughness (for example, arithmetic mean roughness (Ra)) of
なお、接触面60aの表面粗さが大きい場合に、ヘイズが増加する原因としては、例えば、接触面60aの表面粗さが大きい場合、接触面60aの凹凸形状に起因して、接触面60aの近傍領域において液晶分子35の配向不良が発生しやすいためと考えられる。そこで、本願発明者らは、接触面60aの表面粗さを可視光波長以下とすることで、接触面60aの近傍において液晶分子35の配向不良の発生が抑制され、その結果、外観上、問題となるほどのヘイズは生じないことを見出した。また、本願発明者らは、原則として、接触面60aの表面粗さが小さいほど、ヘイズが小さくなることを確認している。
When the surface roughness of the
また、表面粗さが比較的に小さい接触面60aを形成するために、本実施の形態では、遮光部60におけるバインダー62の体積割合を30%とする構成が採用されている。具体的には、凹部33内に配置される、例えば厚みが1μm程度の遮光部60において、仮に、複数の遮光粒子61を最密配置(球充填)した場合に、遮光部60の体積における複数の遮光粒子61が占める体積割合は約70%である。そこで、本実施の形態では、遮光部60におけるバインダー62の体積割合を30%以上とした。これにより、仮に、遮光部60の遮光度を高めるために、遮光部60として許容される容積内に複数の遮光粒子61を敷き詰めた場合であっても、接触面60aの表面粗さは可視光波長以下となる。
Further, in order to form the
ここで、例えば、遮光部60の厚みを所定の値(例えば1μm)のまま維持し、かつ、バインダー62の体積割合を大きくした場合、遮光部60が含有する遮光粒子61の数が減少することで、遮光部60の遮光度は低下する(遮光部60の光透過率は増加する)。その結果、上記の光の筋の抑制効果は低下する可能性がある。しかしその一方で、遮光部60の接触面60aの表面粗さは小さくなるため、バインダー62の体積割合の増加は、液晶分子35の配向不良の抑制(ヘイズの抑制)の観点からは有利である。そこで、光の筋の抑制効果と、ヘイズの抑制とのバランスを考慮すると、遮光部60におけるバインダー62の体積割合は、例えば、30%以上であって、50%以下であることが好ましい。
Here, for example, when the thickness of the
また、遮光部60が含有する遮光粒子61の数を維持したまま、遮光部60の体積を増加させることで、遮光部60におけるバインダー62の体積割合を増加させることは可能である。この場合、遮光部60の接触面60aの表面粗さは小さくなり、液晶分子35の配向不良の抑制(ヘイズの抑制)の観点からは有利である。
Further, it is possible to increase the volume ratio of the
しかし、凹部33の形状及びサイズが一定であるため、遮光部60の体積を増加させるためには、遮光部60の厚みを増加させる必要があり、その結果、遮光粒子61の密度が低下することで、遮光部60の遮光度は低下する(遮光部60の光透過率は増加する)。これは、光の筋の抑制効果の低下につながる。また、遮光部60の厚みを増加させると、凹部33における光媒体部34の厚みが減少するため、光学デバイス1の本来の目的である、配光機能が低下する可能性がある。これらの事情を考慮すると、遮光部60の厚みは、例えば、凹部33の深さ(凸部32の高さ)の50%以下であることが好ましい。
However, since the shape and size of the
なお、複数の凹部33の各々に遮光部60を配置した後であって、光媒体部34を配置する前に、遮光部60の表面に、スパッタ法等の手法により酸化膜が形成されてもよい。
Note that an oxide film may be formed on the surface of the light-shielding
酸化膜(図示せず)は、遮光部60が光媒体部34(液晶)と混ざるのを抑制する機能を有する。酸化膜は、例えば、シリコン酸化膜(SiO2)である。なお、酸化膜等の層が、遮光部60の表面に形成された場合、当該層の光媒体部34側の面が、遮光部60の光媒体部34に接している面(接触面)と解釈することもできる。この場合、当該層の光媒体部34側の面における表面粗さが可視光波長以下であればよい。
The oxide film (not shown) has a function of preventing the
[光学デバイスの光学状態]
続いて、実施の形態1に係る光学デバイス1の光学状態について図4A及び図4Bを用いて説明する。光学デバイス1は、配光層30への電界の印加状態に応じた2つの光学状態(動作モード)を有する。具体的には、光学デバイス1は、入射する光の進行方向を変更させる配光モードと、入射する光をそのまま(進行方向を変更することなく)通過させる透光モードとを有する。
[Optical state of optical device]
Next, the optical state of the
図4Aは、実施の形態1に係る光学デバイス1の配光モードを説明するための拡大断面図である。図4Bは、実施の形態1に係る光学デバイス1の透光モードを説明するための拡大断面図である。
FIG. 4A is an enlarged cross-sectional view for explaining the light distribution mode of the
光学デバイス1では、配光層30に印加される電界、具体的には、第1電極40と第2電極50との間に印加される電圧に応じて、光媒体部34に含まれる液晶分子35の配向が変化する。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屈折率が異なる。
In the
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、図4A及び図4B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、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、配光層30内で略一定となるので、P偏光は、配光層30内をそのまま直進する。
Light such as sunlight that enters the
S偏光についての液晶分子35の屈折率は、図4A及び図4Bのモードに応じて変化する。以下では、各々のモードの詳細について説明する。なお、本明細書では、以下では、特に言及しない場合、光学デバイス1に入射する光のうち、S偏光を中心に説明する。
The refractive index of the
図4Aに示すように、光学デバイス1が配光モードである場合、凸部32と光媒体部34(凹部33)との間で屈折率差が生じる。本実施の形態では、凸部32の屈折率が1.5であり、光媒体部34の屈折率は、1.7になる。
As shown in FIG. 4A, when the
[光学デバイスに斜めに入射する光]
光学デバイス1に対して斜めから入射する太陽光などの光のうち、遮光部60に入射しない光L1は、図4Aに示すように、凸部32から光媒体部34に入射するときに側面32bで屈折された後、光媒体部34から凸部32に入射するときに側面32aで反射されて、斜め上方に向けて進行する。なお、P偏光は、側面32bで屈折されることなく、かつ、側面32aで反射されることなく、そのまま光学デバイス1を通過して斜め下方に進行する。
[Light incident on the optical device at an angle]
Of the light such as sunlight that obliquely enters the
一方で、図4Bに示すように、光学デバイス1が透光モードである場合、配光層30内で屈折率の差が生じないので、光L1(P偏光及びS偏光のいずれも)は、そのまま光学デバイス1を通過して斜め下方に進行する。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the
[光学デバイスに略垂直に入射する光]
光学デバイス1に略垂直に入射する光のうち、遮光部60に入射しない光L2は、図4A及び図4Bに示すように、凸部32内をそのまま通過する。光L2は、配光モード及び透光モードのいずれの場合も光学デバイス1を真っ直ぐ通過する。
[Light incident on the optical device substantially vertically]
Of the light that enters the
なお、配光モードの場合、遮光部60に入射しない光L2のうち、側面32a又は32bを通過する光(S偏光、図示せず)は、側面32a又は32bによって屈折する。このとき、側面32a又は32bに対して浅く入射する(入射角が大きい)ので、これらの光は、側面32a又は32bで屈折した後、そのまま(他の側面で反射されることなく)第2基板20から出射される。なお、P偏光については、光学デバイス1をそのまま通過する。
In the light distribution mode, of the light L2 that does not enter the
[遮光部の機能]
続いて、光学デバイス1の遮光部60の機能について、図4A及び図4Bに加え、図5を参照しながら説明する。図5は、比較例に係る光学デバイス1xで発生する光の筋の一要因を説明するための拡大断面図である。図5に示す光学デバイス1xは、実施の形態1に係る光学デバイス1(例えば図2参照)と比較して、遮光部60が設けられていない点が相違する。なお、図5では、光学デバイス1xが配光モードである場合を示している。具体的には、配光層30の光媒体部34の屈折率が、凸部32の屈折率より大きくなっている。
[Function of light-shielding part]
Next, the function of the
このとき、第1電極40から光媒体部34(凹部33)に入射する光L1は、第1電極40と光媒体部34との屈折率の差によって、光が部分的に散乱する(図5に示す散乱光Lx)。散乱光の多くは、yz平面内において進行する光であるため、z軸方向に沿った光の筋となって現れる。これにより、光学デバイス1を正面から見る人にとっては、ライン状の局所的な眩しさが感じられる。
At this time, the light L1 entering the optical medium portion 34 (recess 33) from the
これに対して、本実施の形態に係る光学デバイス1では、図1〜図4Bに示すように、凹凸構造部31の凹部33に遮光部60が設けられている。
On the other hand, in the
図4A及び図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のうち、遮光部60に入射する光L3は、遮光部60によって遮光される。これにより、図5で示したような散乱光Lxの発生が抑制される。散乱光Lxの各々の強度は、光L1の主成分に比べて弱いので、遮光部60によって十分に減衰される。光学デバイス1に対して略垂直に入射する光のうち、遮光部60に入射する光L4も同様に、遮光部60によって遮光される。配光モード及び透光モードのいずれの場合も、光L3及びL4は、遮光部60によって遮光される。
As shown in FIGS. 4A and 4B, of the light obliquely incident on the
本実施の形態では、遮光部60の幅(z軸方向)は、凸部32の根元部の幅(z軸方向)よりも小さいので、遮光部60によって遮光される光L3及びL4の光量は、凸部32を通過する光L1及びL2の光量よりも少ない。したがって、光学デバイス1は、光学デバイス1に入射する光の大部分(例えば、80%)以上を透過させることができる。
In the present embodiment, since the width of the light shielding portion 60 (z-axis direction) is smaller than the width of the root portion of the convex portion 32 (z-axis direction), the light amounts of the light L3 and L4 shielded by the
なお、上述したように、遮光部60は、光L3及びL4の一部を透過してもよい。この場合、光L3の透過光は、光L1と同様に、凸部32の側面32aによって反射されて、斜め上方に向けて第2基板20から出射される。また、光L4の透過光は、光L2と同様に、そのまま真っ直ぐ光学デバイス1を透過する。
Note that, as described above, the
また、遮光部60の接触面60a(図3参照)の近傍には、例えば、光媒体部34内で反射を繰り返した光、及び、第1基板10から入射して遮光部60を透過した光が到達し、その光は、接触面60aの近傍の、液晶分子35による屈折の影響を受ける。この点に関し、本実施の形態では、上述のように、接触面60aの表面粗さが小さい(可視光波長以下である)ことで、液晶分子35の配向不良が生じ難い。そのため、液晶分子35の配向不良に起因するヘイズが抑制される。
In the vicinity of the
[使用例]
ここで、本実施の形態に係る光学デバイス1の使用例について、図6を用いて説明する。図6は、本実施の形態に係る光学デバイス1(配光モード)を窓に設置した場合の使用例を示す図である。
[Example of use]
Here, a usage example of the
図6に示すように、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)と平行になる姿勢で窓91に設置される。
As shown in FIG. 6, the
なお、図6では、光学デバイス1の詳細な構造が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32の側面32aが天井側で側面32bが床側になるように配置されている。つまり、光学デバイス1は、第1基板10が光入射側で、第2基板20が光出射側になるように配置されている。
Although the detailed structure of the
光学デバイス1が配光モードである場合、凸部32と光媒体部34との間で屈折率差が生じるため、図4Aで示したように、光L1(S偏光)は、側面32aによって反射されて斜め上方に向けて進行する。このため、図6に示すように、側面32aによって反射された光によって、屋内の天井が照射される。このように、太陽光を採り込んで天井面を照射することで、屋内を明るくすることができる。これにより、例えば、屋内の照明器具を消灯し、又は、光出力を抑えることができるので、省電力化を図ることができる。
When the
このとき、景色からの反射光(光学デバイス1に略垂直に入射する光)のうち、側面32a又は32bを通過しない光は、その進行方向が変化しないため、当該光によって景色を見ることができる。また、側面32a又は32bを通過する光は、S偏光の進行方向が変化するものの、P偏光の進行方向は変化しない。
At this time, of the reflected light from the scenery (light incident on the
このため、配光モードにおいても、景色からの反射光の透過率を50%以上にすることができる。したがって、窓本来の透明性による開放感を維持しつつ、屋内を明るくすることができる。 Therefore, even in the light distribution mode, the transmittance of reflected light from the scenery can be set to 50% or more. Therefore, it is possible to lighten the interior while maintaining the open feeling due to the original transparency of the window.
また、光学デバイス1では、遮光部60によって散乱光を抑制することができる。これにより、光の筋となって現れる局所的な眩しさを抑制することができる。
Further, in the
さらに、光学デバイス1では、複数の遮光粒子61を含む遮光部60における接触面60a(図3参照)の表面粗さが小さい(可視光波長以下である)ことで、ヘイズも抑制されている。
Further, in the
また、光学デバイス1では、側面32aで反射した光L1の進行方向を光媒体部34の屈折率で制御することができる。つまり、光学デバイス1からの出射光の仰角を調整することができる。具体的には、光媒体部34の屈折率を調整することで、出射光の仰角を調整することができる。光媒体部34の屈折率は、第1電極40及び第2電極50の間に印加する電圧を制御することで段階的に調整することができる。
Further, in the
例えば、太陽高度は、季節又は時間によって変化するため、光学デバイス1に対して入射する太陽光の入射角が季節又は時間によって変化する。これに対し、光学デバイス1は、光媒体部34の屈折率を調整することで、光学デバイス1から出射される光の出射角(仰角)を、例えば略一定にすることができる。これにより、季節又は時間によって太陽高度が異なる場合でも、常に天井面の一定の領域を照射することができる。したがって、季節又は時間によらず、採光効率を高めることができ、省電力化を図ることができる。
For example, since the sun altitude changes depending on the season or time, the incident angle of sunlight incident on the
[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、透光性を有する第2基板20と、第1基板10及び第2基板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を挟むように配置された第1電極40及び第2電極50とを備える。配光層30は、第1基板10の主面に平行な第1方向(z軸方向)に沿って繰り返す複数の凸部32を有する凹凸構造部31と、複数の凸部32の間である複数の凹部33に配置された、液晶分子35を含有する光媒体部34であって、第1電極40及び第2電極50の間に電圧が印加されることで屈折率が変化する光媒体部34とを有する。複数の凹部33における、光媒体部34の第1基板10側には、入射した光の少なくとも一部を遮光し、かつ、光媒体部34と接触する面である接触面60aの表面粗さが可視光波長以下である遮光部60が配置されている。
[Effect]
As described above, the
この構成によれば、凹部33に遮光部60が設けられているので、凹部33で発生する散乱光を遮光部60が遮断することができる。したがって、図5で説明したような光の筋が発生するのを抑制することができ、これにより、局所的な眩しさを軽減することができる。また、第1電極40及び第2電極50間に電圧を印加した場合に、光媒体部34の屈折率を変化させることができるので、光学デバイス1は、印加電圧に応じて、複数の光学状態を実現することができる。例えば、光学デバイス1は、入射する太陽光などを屋内の天井面に向けて進行させる配光モードと、入射する太陽光などをそのまま進行させる透光モードとを実現することができる。
According to this configuration, since the
ここで、遮光部60は、例えば複数の遮光粒子61を含んでいるが、光媒体部34(液晶)と接触する接触面60aの粗さは、可視光波長以下である。これにより、接触面60aの近傍における液晶分子35の配向不良は抑制され、その結果、ヘイズも抑制される。
Here, the
以上のように、本実施の形態によれば、局所的な眩しさを軽減することができ、かつ、光を適切に透過させることができる光学デバイス1を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide the
また、本実施の形態において、遮光部60は、複数の遮光粒子61と、複数の遮光粒子61を固着するバインダー62とによって形成されており、バインダー62の遮光部60における体積割合は30%以上である。
In addition, in the present embodiment, the
この構成によれば、例えば、バインダー62の遮光部60における体積割合の調整、という簡易な手法で、遮光部60において、可視光波長以下である表面粗さを有する接触面60aを形成することができる。
According to this configuration, for example, the
また、本実施の形態では、具体的には、遮光部60の接触面60aの表面粗さは750nm以下である。なお、接触面60aの表面粗さは、350nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることがさらに好ましい。
Further, in the present embodiment, specifically, the surface roughness of the
このように、例えば可視光波長の上限である750nmを基準として、この基準以下の表面粗さを有する接触面60aを形成することで、ヘイズの抑制についての実効性を持たせることができる。
Thus, by forming the
(実施の形態2)
続いて、実施の形態2について、上記実施の形態1との差分を中心に説明する。つまり、以下の説明において、実施の形態1との共通点については説明を省略又は簡略化する場合がある。
(Embodiment 2)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment. That is, in the following description, the common points with the first embodiment may be omitted or simplified.
図7は、実施の形態2に係る光学デバイス1aの部分断面図である。図8は、実施の形態2に係る光学デバイス1aの拡大断面図である。具体的には、図8は、図7の楕円形の破線で囲まれる領域VIIIの拡大断面図である。
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the
図7に示すように、本実施の形態に係る光学デバイス1aは、図2に示す実施の形態1に係る光学デバイス1と比較して、遮光部65の構成が、実施の形態1に係る遮光部60と異なる。
As shown in FIG. 7, in the
具体的には、本実施の形態に係る遮光部65は、入射した光の少なくとも一部を遮光する遮光層66と、遮光層66及び光媒体部34の間に配置され、光媒体部34と接触する接触面65aを形成する平坦化層67とを含む。
Specifically, the
本実施の形態において、遮光層66は、実施の形態1に係る遮光部60と同じく、複数の遮光粒子61と、複数の遮光粒子61を固着するバインダー62とによって形成されている。従って、遮光層66が凹部33に存在することによる、局所的な眩しさの軽減効果は奏される。
In the present embodiment, the light-
ここで、本実施の形態では、遮光層66と、平坦化層67との境界は、遮光層66が含有する複数の遮光粒子61の影響を受けて、y軸方向に比較的に大きな凹凸が形成されている。しかし、遮光層66と光媒体部34との間には、遮光層66の凹凸を吸収する平坦化層67が配置されており、接触面65aの表面粗さは、上記実施の形態1に係る接触面60aと同じく、可視光波長以下である。そのため、接触面65aの近傍における液晶分子35の配向不良は抑制され、その結果、ヘイズも抑制される。
Here, in the present embodiment, the boundary between the light-
また、本実施の形態では、遮光層66の表面(平坦化層67との接触面)の表面粗さを小さくする必要がないため、例えば、バインダー62の量を、複数の遮光粒子61の固着に必要最小限の量に抑制することができる。また、接触面65aを形成する平坦化層67は、表面を粗くする要因の一つである遮光粒子61等の個体を含有する必要がないため、接触面65aの表面粗さを、例えば、750nm以下とすることが容易である。
Further, in the present embodiment, since it is not necessary to reduce the surface roughness of the surface of the light shielding layer 66 (contact surface with the flattening layer 67), for example, the amount of the
このように、本実施の形態によれば、局所的な眩しさを軽減することができ、かつ、光を適切に透過させることができる光学デバイス1aを提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide the
なお、平坦化層67の材料としては、例えば、水で希釈した樹脂材料が採用される。この場合、例えば、凹凸構造部31を形成する、撥水性を有する樹脂(アクリル樹脂等)に付着し難い。そのため、凹部33に収容された遮光層66の上から樹脂材料を塗布した場合に、遮光層66の上にのみ、平坦化層67を形成することができる。このような樹脂材料としては、アクリル樹脂が例示される。
As the material of the
また、例えば、遮光層66に含まれるカーボンブラック等の遮光粒子61と親和性の高い樹脂材料を任意に選択して、平坦化層67の材料として採用することもできる。これにより、例えば、遮光層66上における平坦化層67の形成が容易化される。
Further, for example, a resin material having a high affinity with the
(その他)
以上、本発明に係る光学デバイスについて、実施の形態1及び2に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態1及び2に限定されるものではない。
(Other)
Although the optical device according to the present invention has been described above based on the first and second embodiments, the present invention is not limited to the above first and second embodiments.
例えば、上記の実施の形態1では、遮光部60が光を部分的に透過してもよい例について示したが、遮光部60は、完全に光を遮断してもよい。また、このとき、遮光部60は、光を吸収してもよく、反射してもよい。
For example, in the above-described first embodiment, an example in which the
また、例えば、上記の実施の形態1では、凸部32の長手方向がx軸方向となるように光学デバイス1を窓に配置したが、これに限らない。例えば、凸部32の長手方向がz軸方向となるように光学デバイス1を窓に配置してもよい。
Further, for example, in the above-described first embodiment, the
また、例えば、上記の実施の形態1では、凹凸構造部31を構成する複数の凸部32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32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32を、ドット状に点在するように配置してもよい。
Further, for example, in the above-described first embodiment, each of the plurality of
また、例えば、上記の実施の形態1では、複数の凸部32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32の側面32aの傾斜角を異ならせてもよい。
Further, for example, in the first embodiment described above, each of the plurality of
また、例えば、上記の実施の形態1では、複数の凸部32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32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1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32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。
Further, for example, in the above-described first embodiment, the height of the plurality of
また、上記の実施の形態1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。
Further, in the above-described first embodiment, sunlight is illustrated as the light incident on the
また、上記の実施の形態1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。
Further, although the
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。 It should be noted that these modified examples can also be applied to other embodiments and modified examples. In addition, it is realized by making various modifications to those skilled in the art by those skilled in the art, and by arbitrarily combining the components and functions of each embodiment without departing from the spirit of the present invention. The form is also included in the present invention.
1、1a 光学デバイス
10 第1基板
20 第2基板
30 配光層
31 凹凸構造部
32 凸部
33 凹部
34 光媒体部
35 液晶分子
40 第1電極
50 第2電極
60、65 遮光部
60a、65a 接触面
61 遮光粒子
62 バインダー
66 遮光層
67 平坦化層
1,
Claims (4)
前記第1基板に対向し、透光性を有する第2基板と、
前記第1基板及び前記第2基板の間に配置され、入射した光を配光する配光層と、
前記配光層を挟むように配置された第1電極及び第2電極とを備え、
前記配光層は、
前記第1基板の主面に平行な第1方向に沿って繰り返す複数の凸部を有する凹凸構造部と、
前記複数の凸部の間である複数の凹部に配置された、液晶分子を含有する光媒体部であって、前記第1電極及び前記第2電極の間に電圧が印加されることで屈折率が変化する光媒体部とを有し、
前記複数の凹部における、前記光媒体部の前記第1基板側には、入射した光の少なくとも一部を遮光し、かつ、前記光媒体部と接触する面である接触面の表面粗さが可視光波長以下である遮光部が配置されている
光学デバイス。 A first substrate having translucency,
A second substrate facing the first substrate and having a light-transmitting property;
A light distribution layer that is arranged between the first substrate and the second substrate and distributes incident light;
A first electrode and a second electrode arranged so as to sandwich the light distribution layer,
The light distribution layer is
A concavo-convex structure part having a plurality of convex parts that repeat along a first direction parallel to the main surface of the first substrate;
An optical medium portion containing liquid crystal molecules, which is disposed in a plurality of concave portions between the plurality of convex portions, and has a refractive index when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode. Has an optical medium portion that changes,
On the first substrate side of the optical medium portion in the plurality of concave portions, at least a part of incident light is shielded, and the surface roughness of a contact surface which is a surface in contact with the optical medium portion is visible. An optical device in which a light-shielding part having a light wavelength or less is arranged.
前記バインダーの前記遮光部における体積割合は30%以上である
請求項1記載の光学デバイス。 The light-shielding portion is formed of a plurality of light-shielding particles and a binder that fixes the plurality of light-shielding particles,
The optical device according to claim 1, wherein a volume ratio of the binder in the light shielding portion is 30% or more.
前記遮光層及び前記光媒体部の間に配置され、前記接触面を形成する平坦化層とを含む
請求項1記載の光学デバイス。 The light blocking portion is a light blocking layer that blocks at least a part of incident light,
The optical device according to claim 1, further comprising: a flattening layer that is disposed between the light shielding layer and the optical medium portion and that forms the contact surface.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学デバイス。 The surface roughness of the said contact surface of the said light shielding part is 750 nm or less, The optical device of any one of Claims 1-3.
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2017
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