JP6402959B2 - 光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

室外から入射する太陽光の進行方向を変更して室内に導入する光制御デバイスが提案されている。例えば、特許文献１には、窓に配置することで入射する太陽光の進行方向を変更して室内の天井等に導くことができる採光シートが開示されている。特許文献１に開示された採光シートは、透明シート材に形成した凹状溝に充填材を充填して反射面を形成し、この反射面による反射により太陽光の光路を折り曲げて太陽光を室内に導入している。

特開２０１２−２５５９５１号公報

特許文献１に記載された採光シートのように凹凸層（凹凸構造）を有する光学デバイスでは、凹凸層と樹脂層又は空気層との凹凸界面で光を全反射（以下同じ）させることで太陽光等の外光を室内の広い範囲に取り入れることができるので、室内照度を向上させることができる。これにより、室内の照明器具を消灯させたり照明器具の光出力を抑えたりできるので、省電力化を図ることができる。

しかしながら、凹凸層における凹凸界面での全反射を用いて光を曲げる方法では、季節や時間帯によって太陽高度が異なるために、光が天井方向に曲がらない季節や時間帯が存在する。特に、光学デバイスがパッシブ型である場合には凹凸層による光学作用が変化しないので、季節や時間帯による太陽高度の変化に応じて光の出射角を変更することができない。

このため、季節や時間帯によって、室内の奥にまで太陽光を導くことができないので、室内の広い範囲に太陽光を取り入れることができない場合があったり、天井に照射される光の照度にムラが生じるために天井で反射して床面に照射される光の照度にムラが生じる場合があったりする。この場合、照明器具の十分な省電力化を図ることが難しい。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、季節や時間によって太陽高度が異なる場合でも室内の広い範囲にムラなく外光を取り入れ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。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学デバイスの一態様は、第１光学素子と第２光学素子とを有する光学デバイスであって、前記第１光学素子及び前記第２光学素子の各々は、透光性を有する一対の基材と、前記一対の基材の間に設けられた透光性を有する一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられた屈折率調整層と、前記一対の電極の一方の上に形成された、複数の凸部を有する凹凸層とを備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、互いの前記凹凸層の前記凸部の底面が向かい合うように積層されている。

本発明によれば、季節や時間によって太陽高度が異なる場合でも室内の広い範囲にムラなく外光を取り入れることができる。

図１は、実施の形態に係る光学デバイスの断面図である。 図２Ａは、実施の形態に係る光学デバイス（電圧無印加時）の拡大断面図である。 図２Ｂは、実施の形態に係る光学デバイス（電圧印加時）の拡大断面図である。 図３は、実施の形態に係る光学デバイスの使用例を示す図である。 図４は、比較例の光学デバイスの断面図である。 図５は、変形例１に係る光学デバイスの拡大断面図である。 図６は、変形例２に係る光学デバイスの凹凸層の構成を示す断面図である。 図７は、変形例２に係る光学デバイスの凹凸層の他の構成を示す断面図である。 図８は、変形例３に係る光学デバイスの拡大断面図である。 図９Ａは、実施の形態に係る光学デバイスにおける凹凸層の凸部の模式図である。 図９Ｂは、変形例４に係る光学デバイスにおける凹凸層の凸部の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい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、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。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、各図において縮尺等は必ずしも一致しない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対し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。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る光学デバイス１について、図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１は、実施の形態に係る光学デバイス１の断面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａの破線で囲まれる領域Ｘにおける同光学デバイス１の拡大断面図である。なお、図２Ａは、電圧無印加時の入射光の光路を示しており、図２Ｂは、電圧印加時の入射光の光路を示している。

図１、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、光学デバイス１は、光を制御する光制御デバイスであり、第１光学素子１０と第２光学素子２０とを有する。

第１光学素子１０は、入射する光を透過するように構成されており、透光性を有する一対の基材１１ａ及び１１ｂと、透光性を有する一対の電極１２ａ及び１２ｂと、透光性を有する屈折率調整層１３と、透光性を有する凹凸層１４とを備える。第１光学素子１０は、さらに、透光性を有する配向膜１５を備える。なお、本実施の形態では、基材１１ａから光が入射し、入射した光は基材１１ｂから出射する。

第２光学素子２０は、第１光学素子１０と同様に、入射する光を透過するように構成されており、透光性を有する一対の基材２１ａ及び２１ｂと、透光性を有する一対の電極２２ａ及び２２ｂと、透光性を有する屈折率調整層２３と、透光性を有する凹凸層２４とを備える。第２光学素子２０は、さらに、透光性を有する配向膜２５を備える。なお、本実施の形態では、基材２１ｂから光が入射し、入射した光は基材２１ａから出射する。

第１光学素子１０では、基材１１ａと基材１１ｂとの間に、電極１２ａ、配向膜１５、屈折率調整層１３、電極１２ｂがこの順で厚み方向に配置されている。第２光学素子２０では、基材２１ｂと基材２１ａとの間に、電極２２ｂ、屈折率調整層２３、配向膜２５、電極２２ａがこの順で厚み方向に配置されている。なお、本明細書において、「厚み方向」とは、光学デバイス１の厚み方向を意味し、基材１１ａ（基材１１ｂ）及び基材２１ａ（基材２１ｂ）の主面に垂直な方向である。

第１光学素子１０において、一対の基材１１ａ及び１１ｂは、互いに対向して配置されており、電極１２ａ、配向膜１５、屈折率調整層１３及び凹凸層１４、電極１２ｂの積層構造を間に配置して、この積層構造を支持するとともにこの積層構造を保護する。基材１１ａと基材１１ｂとは、互いの端部外周に接着剤等のシール樹脂を形成することで接着されている。

第２光学素子２０においても同様に、一対の基材２１ａ及び２１ｂは、互いに対向して配置されており、電極２２ａ、配向膜２５、屈折率調整層２３及び凹凸層２４、電極２２ｂの積層構造を間に配置して、この積層構造を支持するとともにこの積層構造を保護する。基材２１ａと基材２１ｂとは、互いの端部外周に接着剤等のシール樹脂を形成することで接着されている。

また、第１光学素子１０において、一対の電極１２ａ及び１２ｂは、一対の基材１１ａ及び１１ｂの間に設けられている。つまり、一対の電極１２ａ及び１２ｂは、基材１１ａと基材１１ｂとの間に位置している。本実施の形態において、電極１２ａは、基材１１ａに形成されており、電極１２ｂは、基材１１ｂに形成されている。一対の電極１２ａ及び１２ｂは、屈折率調整層１３に電界を与えることができるように構成されている。

第２光学素子２０においても同様に、一対の電極２２ａ及び２２ｂは、一対の基材２１ａ及び２１ｂの間に設けられている。具体的には、電極２２ａは、基材２１ａに形成されており、電極２２ｂは、基材２１ｂに形成されている。一対の電極２２ａ及び２２ｂは、屈折率調整層２３に電界を与えることができるように構成されている。

また、第１光学素子１０において、屈折率調整層１３は、一対の電極１２ａ及び１２ｂの間に設けられている。つまり、屈折率調整層１３は、電極１２ａと電極１２ｂとの間に位置している。具体的には、屈折率調整層１３は、凹凸層１４に接するように設けられている。

第２光学素子２０においても同様に、屈折率調整層２３は、一対の電極２２ａ及び２２ｂの間に設けられている。つまり、屈折率調整層２３は、電極２２ａと電極２２ｂとの間に位置している。具体的には、屈折率調整層２３は、凹凸層２４に接するように設けられている。

屈折率調整層１３及び２３は、可視光領域での屈折率が調整可能となっている。本実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３は、電界が与えられることによって光線方向の屈折率が変化する材料によって構成されている。

また、第１光学素子１０において、凹凸層１４は、複数の凸部１４ａを有する。凹凸層１４は、電極１２ｂの上に形成されている。なお、凹凸層１４は、電極１２ａの上に形成されていてもよい。つまり、凹凸層１４は、一対の電極１２ａ及び１２ｂの一方の上に形成されていればよい。

第２光学素子２０においても同様に、凹凸層２４は、複数の凸部２４ａを有する。凹凸層２４は、電極２２ｂの上に形成されている。なお、凹凸層２４は、電極２２ａの上に形成されていてもよい。つまり、凹凸層２４は、一対の電極２２ａ及び２２ｂの一方の上に形成されていればよい。

また、第１光学素子１０において、配向膜１５は、屈折率調整層１３に接するように電極１２ａの表面に形成されている。第２光学素子２０においても同様に、配向膜２５は、屈折率調整層２３に接するように電極２２ａの表面に形成されている。

このように構成される光学デバイス１は、第１光学素子１０と第２光学素子２０との２層構造となっており、第１光学素子１０と第２光学素子２０とは、互いの凹凸層１４及び２４の凸部１４ａ及び２４ａの底面が向かい合うように積層されている。つまり、第１光学素子１０と第２光学素子２０とは、凹凸層１４と凹凸層２４とが背合わせで配置される。具体的には、凹凸層１４の凸部１４ａの底面と凹凸層２４の凸部２４ａの底面とが背向するように第１光学素子１０と第２光学素子２０とが積層されている。

本実施の形態において、第１光学素子１０と第２光学素子２０とは、接着層３０によって貼り合わされている。具体的には、第１光学素子１０の基材１１ｂと第２光学素子２０の基材２１ｂとが接着層３０によって貼り合わされている。接着層３０は、例えば透明樹脂接着剤である。

また、一例として、光学デバイス１では、第１光学素子１０が光入射側に位置し、第２光学素子２０が光出射側に位置している。この場合、第１光学素子１０の基材１１ａから光が入射して、入射した光は、光学デバイス１の内部を通って第２光学素子２０の基材２１ａから出射する。

以下、第１光学素子１０と第２光学素子２０の各構成部材について、さらに詳細に説明する。

［基材］
基材１１ａ、１１ｂ、２１ａ及び２１ｂは、透光性を有する基板であり、例えば透明基板である。基材１１ａ、１１ｂ、２１ａ及び２１ｂ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等が挙げられる。樹脂基板の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリカーボネート、アクリル又はエポキシ等が挙げられる。ガラス基板は、光透過率（透明性）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。基材１１ａ、１１ｂ、２１ａ及び２１ｂは、は、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよいが、同じ材料で構成されている方がよい。

なお、基材１１ａ、１１ｂ、２１ａ及び２１ｂ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あってもよい。また、基材１１ａ、１１ｂ、２１ａ及び２１ｂの平面視形状は、例えば、正方形や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く、任意の形状が採用され得る。

［電極］
電極１２ａ、１２ｂ、２２ａ及び２２ｂ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）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等の透明金属酸化物、銀ナノワイヤや導電性粒子等の導電体を含有する樹脂からなる導電体含有樹脂、又は、銀薄膜等の金属薄膜等を用いることができる。

電極１２ａ、１２ｂ、２２ａ及び２２ｂは、これらの単層構造であってもよし、これらの積層構造（例えば透明金属酸化物層と金属薄膜との積層構造）であってもよい。

電極１２ａ、１２ｂ、２２ａ及び２２ｂは、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とよい。例えば、外部電源に接続するための電極パッド等が、電極１２ａ及び１２ｂ（２２ａ及び２２ｂ）の各々から引き出されて基材１１ａ及び１１ｂ（２１ａ及び２１ｂ）に形成されていてもよい。

［屈折率調整層］
屈折率調整層１３及び２３は、屈折率変化層であり、上述のとおり、電界が与えられることによって屈折率が変化する材料によって構成されている。屈折率調整層１３は、一対の電極１２ａ及び１２ｂに電圧が印加されることによって電界が与えられる。これにより、液晶分子の配向状態が変化して屈折率調整層１３の光線方向の屈折率が変化する。同様に、屈折率調整層２３は、一対の電極２２ａ及び２２ｂに電圧が印加されることによって電界が与えられる。これにより、液晶分子の配向状態が変化して屈折率調整層２３の屈折率が変化する。なお、屈折率調整層１３と屈折率調整層２３とは独立して屈折率が調整可能となっている。

屈折率調整層１３の屈折率は、凹凸層１４の屈折率に近い値の屈折率と、凹凸層１４の屈折率との屈折率差が大きい屈折率（例えば電極１２ａ又は配向膜１５の屈折率）との間で変化する。同様に、屈折率調整層２３の屈折率は、凹凸層２４の屈折率に近い値の屈折率と、凹凸層２４の屈折率との屈折率差が大きい屈折率（例えば電極２２ａ又は配向膜２５の屈折率）との間で変化する。

一例として、凹凸層１４及び２４の屈折率が１．５である場合、電界が与えられていないとき（電極１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂに電圧が印加されていない場合）の屈折率調整層１３及び２３の屈折率は１．５であり、最大の電界が与えられているときの屈折率調整層１３及び２３の屈折率は１．７である。なお、一対の電極１２ａ及び１２ｂと一対の電極２２ａ及び２２ｂとの印加する電圧の値を調整して電界の強さを変更することで、屈折率調整層１３及び２３の屈折率は、電界の強さ（電圧の値）に応じて、１．５と１．７との間で変化させることができる。

本実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３は、複屈折性及び電界応答性を有する媒質を含む。このような媒質として、例えば、液晶分子を有する液晶材料を用いることができる。液晶材料としては、例えば、液晶分子が棒状分子からなるネマティック液晶又はコレステリック液晶等が挙げられる。液晶材料は、電界の変化に応じて液晶分子の配向状態が変化して屈折率が変化する。これは、液晶が屈折率異方性を有するためである。本実施の形態では、棒状の液晶分子として、誘電率が長軸方向には小さくて長軸に垂直な方向には大きいネガ型のネマティック液晶を用いている。

本実施の形態ではネガ型の液晶を用いているので、図２Ａに示すように、一対の電極１２ａ及び１２ｂ（又は一対の電極２２ａ及び２２ｂ）に電圧が印加されておらず屈折率調整層１３（又は２３）に電界が与えられていない場合、棒状の液晶分子は、光学デバイス１の厚み方向と平行な方向に配向している。つまり、電圧無印加時において、液晶分子は、基材１１ａ及び１１ｂの主面に対して垂直配向となっている。なお、液晶分子は、凹凸層１４（又は２４）の凹凸構造の形状に沿って配向することが知られているが、本実施の形態では、後述するように、凹凸層１４の凸部１４ａ（又は凹凸層２４の凸部２４ａ）のアスペクト比が１〜５程度と大きいため、液晶分子は、凹凸層１４側（又は凹凸層２４側）においては基材１１ａ側（又は基材２１ａ側）と同様に垂直配向となる。

また、図２Ｂに示すように、一対の電極１２ａ及び１２ｂ（又は一対の電極２２ａ及び２２ｂ）に電圧が印加されて屈折率調整層１３（又は２３）に電界が与えられている場合には、棒状の液晶分子は、複数の凸部１４ａ（又は２４ａ）の並び方向、すなわち、光学デバイス１の厚み方向と直交する方向と平行な方向に配向している。つまり、電圧印加時において、液晶分子は、基材１１ａ及び１１ｂの主面に対して平行配向となっている。

なお、屈折率調整層１３及び２３の材料としてポジ型の液晶を用いた場合、棒状の液晶分子は、屈折率調整層１３（又は２３）に電界が与えられていない場合には厚み方向と直交する方向と平行な方向に配向され、屈折率調整層１３（又は２３）に電界が与えられている場合には光学デバイス１の厚み方向と平行な方向に配向される。

［凹凸層］
第１光学素子１０における凹凸層１４は、凹凸面を有する凹凸構造を有する層であり、屈折率調整層１３側に突出する複数の凸部１４ａが配列された構成となっている。なお、凹凸層１４の電極１２ｂ側の面は平坦な面となっている。

同様に、第２光学素子２０における凹凸層２４は、凹凸面を有する層であり、屈折率調整層２３側に突出する複数の凸部２４ａが配列された構成となっている。なお、凹凸層２４の電極２２ｂ側の面は平坦な面となっている。

凹凸層１４及び２４における複数の凸部１４ａ及び２４ａの各々は、ストライプ状に形成されている。本実施の形態において、複数の凸部１４ａ及び２４ａの各々は同じ形状であり、等間隔に配列されている。各凸部１４ａ及び２４ａは、例えば長尺状の略三角柱形状である。つまり、各凸部１４ａ及び２４ａの断面形状は、略三角形である。

このように構成される各凸部１４ａ及び２４ａの断面形状は、先細りのテーパ形状である。したがって、各凸部１４ａ及び２４ｂの一対の側面（表面）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、一対の側面の間隔は、各凸部１４ａ及び２４ａの底部（底辺）から頂部に向かって漸次小さくなっている。なお、各凸部１４ａ及び２４ａの頂部は、配向膜１５及び２５に接していないが、配向膜１５及び２５に接していてもよい。

一例として、各凸部１４ａ及び２４ａは、断面形状（三角形）における高さが１００ｎｍ〜１００μｍで、アスペクト比（高さ／底辺）が１〜５程度である。また、隣り合う凸部１４ａ（２４ａ）同士の頂点の間隔（ピッチ）は、例えば１００ｎｍ〜１００μｍである。なお、凸部１４ａ及び２４ａの高さやアスペクト比、ピッチは、これらの範囲に限定されるものではない。

本実施の形態において、第２光学素子２０の凹凸層２４における凸部２４ａのアスペクト比は、第１光学素子１０の凹凸層１４における凸部１４ａのアスペクト比よりも大きくなっている。また、凸部２４ａの高さは、凸部１４ａの高さよりも高くなっている。なお、複数の凸部１４ａの高さは一定である。同様に、複数の凸部２４ａの高さも一定である。

また、第２光学素子２０の凹凸層２４における複数の凸部２４ａの各々の２つの底角の角度を一の方向（本実施の形態では、厚み方向に直交する方向）からα、βとし、第１光学素子１０における複数の凸部１４ａの各々の２つの底角の角度を上記一の方向（本実施の形態では、厚み方向に直交する方向）からγ、ηとすると、α＞β＞γ＞ηの関係を満たしている。

第１光学素子１０と第２光学素子２０とは、凸部１４ａの角度γの底角と凸部２４ａの角度ηの底角とが凸部１４ａ及び凸部２４ａの各頂点に対して同じ方向となるように、かつ、凸部１４ａの角度ηの底角と凸部２４ａの角度βの底角とが凸部１４ａ及び凸部２４ａの各頂点に対して同じ方向となるように、配置されている。

具体的には、第１光学素子１０における凹凸層１４の各凸部１４ａは、角度ηの底角が鉛直方向の上方側に位置し、角度γの底角が鉛直方向の下方側に位置するように構成され、かつ、γ＞ηとなっている。同様に、第２光学素子２０における凹凸層２４の各凸部２４ａは、角度βの底角が鉛直方向の上方側に位置し、角度αの底角が鉛直方向の下方側に位置するように構成され、α＞βとなっている。これにより、凸部１４ａ及び２４ａは、いずれも頂点が鉛直下方に偏った形状となっている。

角度α、β、γ、ηの範囲は、一例として、８５°≦α≦９０°、７０°≦β≦８０°、６０°≦γ≦７０°、５０°≦η≦６０°であるが、これに限るものではない。

凹凸層１４及び２４の材料としては、凹凸を形成しやすい材料を用いるとよく、例えばアクリル等の樹脂材料を用いることができる。凹凸層１４及び２４の凹凸は、例えば、インプリント法によって形成することができる。凹凸層１４及び２４の屈折率は、例えば１．５である。

また、凹凸層１４（又は２４）は、一対の電極１２ａ及び１２ｂ（又は一対の電極２２ａ及び２２ｂ）によって屈折率調整層１３（又は２３）に電界を与えることができさえすれば、絶縁性の樹脂材料のみによって構成されていてもよいが、導電性を有していてもよい。この場合、凹凸層１４及び２４の材料は、導電性高分子又は導電体含有樹脂等である。導電性高分子としては、ＰＥＤＯＴ等が挙げられる。導電体含有樹脂としては、銀ナノワイヤ等の導電体とこの導電体を含有するセルロースやアクリル等の樹脂とからなる混合材料（導電体含有樹脂）が挙げられる。銀ナノワイヤと樹脂との混合材料を用いた場合、凹凸層１４及び２４の屈折率を樹脂の材料で調整することができる。

なお、凹凸層１４（又は２４）は、電極１２ｂ（又は２２ｂ）と同じ材料を用いて形成してもよい。この場合、凹凸層１４（又は２４）と電極１２ｂ（２２ｂ）とは、一体的に形成されて一体化されていてもよいし、別体で形成されていてもよい。

［配向膜］
配向膜１５は、屈折率調整層１３の液晶分子を一定の方向に配向させる。同様に、配向膜２５は、屈折率調整層２３の液晶分子を一定の方向に配向させる。配向膜１５及び２５は、無機材料で構成されていてもよいし、ポリイミド等の有機材料で構成されていてもよい。

［光学デバイスの光学作用］
次に、実施の形態に係る光学デバイス１の光学作用について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、光学デバイス１では、例えば、第１光学素子１０の基材１１ａから入射した光を透過して、入射した光を第２光学素子２０の基材２１ａから出射させることができる。この場合、屈折率調整層１３及び２３の屈折率を変化させることによって光学デバイス１から出射する光の出射角を制御することができる。

具体的には、図２Ａに示すように、一対の電極１２ａ及び１２ｂと一対の電極２２ａ及び２２ｂとに電圧が印加されていない場合（電圧無印加の場合）は、屈折率調整層１３及び２３には電界が与えられないので、屈折率調整層１３及び２３における液晶分子の配向状態は変化しない。

この場合、屈折率調整層１３と凹凸層１４との屈折率差及び屈折率調整層２３と凹凸層２４との屈折率差は、いずれもゼロであるか、あっても小さいので、光学デバイス１に入射した光は曲げられることなくそのまま直進する。つまり、光学デバイス１に入射した光は、進行方向が変化することなく光学デバイス１を透過する。したがって、光学デバイス１は透明状態となる。

一方、図２Ｂに示すように、一対の電極１２ａ及び１２ｂと一対の電極２２ａ及び２２ｂとに電圧が印加されている場合（電圧印加の場合）は、屈折率調整層１３及び２３には電界が与えられるので、屈折率調整層１３及び２３における液晶分子の配向状態が変化する。具体的には、液晶分子は並び方を変えることになる。

この場合、屈折率調整層１３と凹凸層１４との屈折率差及び屈折率調整層２３と凹凸層２４との屈折率差が大きくなるので、図２Ｂの矢印で示されるように、光学デバイス１に入射した光は曲げられる。具体的には、光学デバイス１に入射した光は、屈折率差が生じている部分で進行方向が変化して光学デバイス１を透過する。

このとき、光の進行方向の変化は、例えば、屈折率調整層１３と凹凸層１４との凹凸界面、及び、屈折率調整層２３と凹凸層２４との凹凸界面で生じる。具体的には、屈折率調整層１３から凹凸層１４に入射する光は、屈折率調整層１３と凹凸層１４との凹凸界面で屈折する。また、屈折率調整層２３から凹凸層２４の凸部２４ａに入射する光は、凸部２４ａの下側の表面で全反射する。

これにより、斜め下方に向かって光学デバイス１に入射する太陽光等の外光は、一定の仰角で光学デバイス１から出射して斜め上方に進行する。

［光学デバイスの使用例］
次に、実施の形態に係る光学デバイス１の使用例について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態に係る光学デバイス１の使用例を示す図であり、図３では、光学デバイス１を建物の窓として用いた場合を示している。なお、詳細は図示されていないが、図３において、光学デバイス１は、例えば第１光学素子１０が室外側で第２光学素子２０が室内側となるように配置されている。

図３に示すように、光学デバイス１を建物１００の外壁１１０に取り付けた場合、太陽光等の外光を室内の奥側にまで進入させることができる。例えば、光学デバイス１に対して斜め上方から斜め下方に向かって太陽光が入射する場合、太陽光は、光学デバイス１の凹凸面で全反射して跳ね返る方向に（戻る方向）に曲げられる。これにより、室内に取り込んで太陽光を室内の天井の奥側にまで届かせることができるので、天井面の広い範囲にわたって太陽光を照射させることができる。

なお、光学デバイス１は、建物１００の外壁１１０以外に取り付けられてもよく、例えば、建物１００の内壁やパーティションに取り付けられてもよい。また、光学デバイス１の用途は、建物用の窓に限るものではなく、例えば車載用の窓等として用いてもよい。

［効果等］
次に、実施の形態に係る光学デバイス１の効果等について、比較例の光学デバイス１００と対比して説明する。図４は、比較例の光学デバイス１００の断面図である。

図４に示すように、比較例の光学デバイス１００は、図１に示す光学デバイス１の第１光学素子１０のみによって構成されており、一対の電極１２ａ及び１２ｂと、屈折率調整層１３と、凹凸層１４とを備えている。ただし、比較例の光学デバイス１００では、基材１１ｂが光入射側に位置し、基材１１ａが光出射側に位置している。

比較例の光学デバイス１００では、一対の電極１２ａ及び１２ｂに電圧を印加して屈折率調整層１３の屈折率を変化させることで、光学デバイス１００に入射する光を凹凸層１４の凹凸面で全反射させて進行方向を変えることができる。

このとき、比較例の光学デバイス１００において、屈折率調整層１３の材料として液晶を用いた場合、液晶の複屈折率の大きさは、一般に０．２、最大でも０．３程度であるため、凹凸層１４と屈折率調整層１３との屈折率差は０．２〜０．３程度となる。

ここで、太陽の南中高度は、東京の場合、冬至で３０°、春分、秋分で５５°、夏至で８０°程度であり、太陽高度の範囲（高度幅）は５０°である。南中高度が高くなると、そもそも窓の鉛直面に入射する太陽光の光量が減るので、太陽光を室内に取り込むことによる照明器具の省電力化の効果は小さい。一方、太陽高度が３０°〜６０°のときの太陽光を室内に効果的に取り込むことができれば、照明器具の省電力化の効果は大きい。つまり、少なくとも３０°の高度幅で太陽光を室内に取り込むことができれば、照明器具の十分な省電力化を図ることができる。

一般的なオフィスでは、窓際からの奥行き長さが約１０ｍである。このとき、部屋の奥の天井にまで外光を届かせるには、窓に差し込む太陽光を仰角２°〜１０°で天井方向へ配光させる必要がある。

しかしながら、図３に示す光学デバイス１００を窓として用いても、太陽光が凹凸層１４の凹凸面で全反射できる太陽高度の範囲（高度幅）は１０°〜１５°程度であるので、太陽光を凹凸層１４の凹凸面で全反射させるのに本来必要な３０°という高度幅を実現することができない。

そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、凹凸層を有する２つの光学素子を積層することで、太陽光を凹凸層の凹凸面で全反射させることができる太陽高度の範囲（高度幅）を３０°に拡大できることを見出した。

具体的には、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、凹凸層１４と凹凸層２４とが背合わせとなるように第１光学素子１０と第２光学素子２０とを積層した光学デバイス１を窓として用いることで、光学デバイス１に差し込む太陽光を光学デバイス２の出射時点で仰角２°〜１０°とし、天井方向へ配光させることが可能となる。

この場合、太陽側に配置された第１光学素子１０によって、太陽高度が３０°〜６０°のときに入射する太陽光を、０°〜１０°程度の出射角で出射させればよい。具体的には、太陽高度が３０°〜６０°のときに入射する太陽光を屈折率調整層１３と凹凸層１４との界面で屈折させて、光学デバイス１の出射時点で出射角が３０°〜４０°程度（基材から空気への出射角に相当）の光にまず変換させておけばよい。これにより、第２光学素子２０に入射する光の入射角を３０°〜４０°程度（空気から基材への入射角に相当）にすることができる。そして、３０°〜４０°程度の入射角で第２光学素子２０に入射する光を凹凸層２４で全反射させることで、２°〜１０°の仰角で天井方向へ向けて出射させることができる。したがって、太陽高度が３０°〜６０°のときの太陽光を、オフィス等の室内の奥まで配光することができる。

このように、本実施の形態における光学デバイス１によれば、太陽高度が３０°〜６０°のときに光学デバイス１に入射する太陽光を、第１光学素子１０では入射角よりも出射角が小さくなるように屈折させて進行させて第２光学素子２０に入射させている。そして、第２光学素子２０では入射した光を凹凸層２４で全反射させている。これにより、所定の仰角で天井方向に向かって進行させることができる。

なお、屈折率調整層１３及び２３に印加する電圧を調整して屈折率調整層１３及び２３の屈折率を適宜制御することによって、第２光学素子２０から出射する光の仰角を容易に２°〜１０°にすることができる。

例えば、屈折率調整層１３及び２３の材料として液晶を用いた場合、屈折率調整層１３及び２３に電圧を印加すると液晶の屈折率が変化する。このため、屈折率調整層１３及び２３に印加する電圧を調整することによって、屈折率調整層１３と凹凸層１４との界面における屈折角、及び、屈折率調整層２３と凹凸層２４との界面における全反射角を変化させることができる。これにより、屈折率調整層１３及び２３に電圧を印加することで、２°〜１０°の仰角となるように屈折率調整層１３及び２３（液晶）の屈折率を適宜調整することができる。なお、第１光学素子１０と第２光学素子とを独立して駆動して屈折率調整層１３及び２３への電圧印加を個別に行ってもよい。これにより、光学デバイス１から出射する光の仰角をより細かく調整することが可能となる。

以上のとおり、本実施の形態に係る光学デバイス１は、屈折率調整層１３及び２３を有するアクティブ型の光学デバイスであって、第１光学素子１０と第２光学素子とが互いの凹凸層１４及び２４の凸部１４ａ及び２４ａの底面が向かい合うように積層された構成となっている。

これにより、季節や時間によって太陽高度が異なる場合でも室内の広い範囲にムラなく外光を取り入れることができる。

また、本実施の形態において、複数の凸部１４ａ及び２４ａの各々の断面形状は、略三角形である。

これにより、複数の凸部１４ａ及び２４の各々において光を容易に曲げることができる。例えば、複数の凸部１４ａ及び２４の各々の界面において光を屈折させたり全反射させたりすることができる。

また、本実施の形態において、第１光学素子１０における複数の凸部１４ａの各々の２つの底角の角度を一の方向からα、βとし、第２光学素子２０における複数の凸部２４ａの各々の２つの底角の角度を上記一の方向からγ、ηとすると、α＞β＞γ＞ηの関係を満たしている。この場合、６０°≦α≦７０°、５０°≦β≦６０°、８５°≦γ≦９０°、７０°≦η≦８０°であるとよい。

これにより、３０°〜６０°の入射角で入射した光を２°〜１０°の仰角で容易に出射させることができる。

また、本実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３は、複屈折性を有する電界応答性の媒質を含んでいる。

具体的には、凹凸層１４及び２４に接するように、屈折率調整層１３及び２３として電界応答性を有する複屈折材料を設けている。これにより、凹凸層１４と屈折率調整層１３との屈折率マッチング及び凹凸層２４と屈折率調整層２３との屈折率マッチングを電界で制御することによって、入射する光を曲げることなく透過させたり、入射する光を曲げて透過させたりできるアクティブ型の光学デバイスを容易に実現することができる。

例えば、凹凸層１４及び２４の屈折率が１．５で、屈折率調整層（液晶）１３及び２３が１．５と１．７の複屈折率を有する場合、凹凸層１４と屈折率調整層１３との凹凸界面及び凹凸層２４と屈折率調整層２３の凹凸界面で光の方向を曲げるには、屈折率が１．５の凹凸層１４及び２４に対して、電界制御によって屈折率調整層１３及び２３の屈折率を１．７とすればよい。この場合、凹凸層１４（又は２４）と屈折率調整層１３（又は２３）との屈折率差（０．２）によって入射光を凹凸界面で全反射させて天井方向へ出射させることができる。

なお、パッシブ型の光学デバイスを用いて凹凸層の凹凸界面で光を曲げると、凹凸界面で光の散乱が発生するために透明性を確保することが難しくなる。つまり、パッシブ型の光学デバイスを窓として用いた場合、光学デバイスに入射する光を曲げて室内の天井に導かせることはできるものの、光学デバイスが透明状態にならないので、窓本来の透明性を確保することができない。これに対して、本実施の形態のようにアクティブ型の光学デバイスにすることで、電圧無印加時に透明状態にすることができるので窓本来の透明性を確保することもできる。

また、本実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３の媒質は、液晶材料を含んでおり、液晶材料に含まれる液晶分子は、光学デバイス１の厚み方向と平行な方向に配向していてもよい。つまり、屈折率調整層１３及び２３の媒質としては、ネガ型の液晶材料を用いている。

これにより、ネガ型の液晶材料を用いた屈折率調整層１３及び２３を有するアクティブ型の光学デバイスを実現できる。

あるいは、屈折率調整層１３及び２３の媒質としてポジ型の液晶材料を用いてもよい。つまり、屈折率調整層１３及び２３の媒質は、液晶材料を含んでいて、液晶材料に含まれる液晶分子が、複数の凸部１４ａ及び２４ａの並び方向と平行な方向に配向していてもよい。

これにより、ポジ型の液晶材料を用いた屈折率調整層１３及び２３を有するアクティブ型の光学デバイスを実現できる。

また、本実施の形態において、複数の凸部１４ａ及び２４ａは、ストライプ形状である。

これにより、モールド成形又はナノプリント等によって複数の凸部１４ａ及び２４ａを容易に形成することができる。

なお、ストライプ形状の配列（ピッチ）や高さをランダムにすれば、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出射光の色付きが抑制される効果がある。ランダム化の手法としては、例えば誤差分布や指数分布を用いることができる。

（実施例）
以下、実際に作製した実施例に係る光学デバイス１について説明する。

本実施例では、基材１１ａとして透明な樹脂基板を用いて、この樹脂基板上に電極１２ａとして膜厚が１００ｎｍを形成した。同様に、基材１１ｂとして透明な樹脂基板を用いて、この樹脂基板上に電極１２ｂとして膜厚を１００ｎｍで形成した。

電極１２ａが形成された基材１１ａには、アクリル樹脂（屈折率１．５）を用いて、各々が高さ１０μｍの断面三角形状の複数の凸部１４ａが隙間０μｍの等間隔で配置された凹凸層１４をモールド型押しにより形成することで、第１透明基板を作製した。

次に、電極１２ｂが形成された基材１１ｂを第２透明基板（対向基板）として用いて、第１透明基板と第２透明基板との間にシール樹脂を形成して第１透明基板と第２透明基板とを封止し、この封止した状態で第１透明基板と第２透明基板との間にネガ型の液晶を真空注入法で注入して屈折率調整層１３を形成して第１光学素子１０を作製した。

また、第１光学素子１０と同様の方法で第２光学素子２０を作製した。そして、第１光学素子１０と第２光学素子２０とを透明樹脂接着剤で貼り合わせることで、光学デバイス１を作製した。このとき、第１光学素子１０と第２光学素子２０のストライプ状の凸部が互いに略平行状態となるようにした。なお、本実施例において、屈折率調整層１３及び２３の液晶は共に、常光屈折率（ｎｏ）が１．５であり、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７であった。また、凹凸層１４及び２４の配置は共にストライプ状とした。

このように作製された光学デバイス１では、第１光学素子１０及び第２光学素子２０が共に電圧無印加である場合、入射角３０°で光学デバイス１に入射した光は、第１光学素子１０及び第２光学素子２０で曲げられることなくそのまま直進する。つまり、配光効果は得られなかった。

次に、第１光学素子１０が電圧無印加であり、かつ、第２光学素子２０に２０Ｖの電圧を印加した場合、入射角３０°で光学デバイス１に入射した光は、そのうちの４０％程度が第２光学素子２０で全反射して曲げられて仰角７°で天井方向へ向けて出射した。つまり、配光効果が得られた。一方、入射角３０°で光学デバイス１に入射した光のうちの残りの４０％程度の光は、曲げられることなくそのまま直進する直進光となった。

このように、本実施例では、光を曲げて配光しつつ入射した光の一部を直進透過させることで、光学デバイス１を窓として用いた場合に、太陽光を室内の天井の奥側にまで届かせることができるだけではなく、光学デバイス１を介して室内から室外を視認することができる効果も得られた。

次に、光学デバイス１に入射させる光の入射角を６０°とした。このとき、第１光学素子１０及び第２光学素子２０に共に２０Ｖの電圧を印加したところ、入射角６０°で光学デバイス１に入射した光は、そのうちの３５％程度が第２光学素子２０で全反射して曲げられて仰角７°で天井方向へ向けて出射した。つまり、配光効果が得られた。一方、射角６０°で光学デバイス１に入射した光のうちの残りの４０％程度の光は、曲げられることなくそのまま直進する直進光となった。

入射角が３０°の場合も６０°の場合も直進光が必ず得られるのは、液晶は複屈折を有するからである。つまり、液晶に対して光を曲げること（配光）に寄与するのは太陽光の主にＳ波であって太陽光のＰ波は大部分が配光されずに直進光となるからである。

（変形例）
以上、本発明に係る光学デバイスについて、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、上記実施の形態において、複数の凸部１４ａ及び２４ａの高さは、一定としたが、これに限るものではなく、図５に示すように、ランダムであってもよい。複数の凸部１４ａ及び２４ａの高さをランダムにすることによって、上述のように、光学デバイス１から出射する光の色付き（色がずれて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１４ａ及び２４ａ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。なお、複数の凸部１４ａ及び２４ａの高さをランダムにする場合であっても、α＞β＞γ＞ηの関係を満たしている。

また、複数の凸部１４ａ及び２４ａの高さを一定とした場合であっても、図６に示すように、凹凸層２４の各凸部２４ａについて、一方の側面（傾斜面）が平面で、他方の側面（斜辺）が外方に凸状をなす湾曲面を有するように構成することで、光学デバイスを透過する光の色がずれて虹色に見えてしまうことを抑制できる。つまり、凸部２４ａの他方の側面を外側に向けて凸面をなすように膨らむように形成することで、色ずれを抑制することができる。

また、本変形例では、図６に示すように、各凸部２４ａの上側の側面を平面とし、下側の側面を湾曲面とし、さらに、凸部２４ａの湾曲面が、当該凸部２４ａの底部から頂部にかけて曲率が増加する形状となっている。この構成により、光学デバイス１に入射して下方向（床方向）へ向かう光は、曲率が大きい凸部２４ａの頂部（先端）付近において様々な方向へと進行することになる。この結果、光の波長分散が平均化されるので、上記の色ずれを効果的に低減できる。

なお、本願発明者らの実験によれば、凸部２４ａの一方の面を平面としつつ、他方の側面を凸面ではなく内側に向けて凹ませた凹面にすると、色ずれが低減するどころか、色ずれが悪化することが分かった。このため、凸部２４ａの他方の側面は、外側に向けて凸面をなすように形成するとよい。

また、図７に示すように、図６における凸部２４ａの湾曲面を有する他方の側面（下側の側面）の根元部分を基板垂直方向に切断して切り落として凹部２４ｂを形成して、当該凸部２４ａの他方の側面が根元部分に平面（平坦）を有するように構成してもよい。この場合、隣り合う２つの凸部２４ａは、根元部分では所定の間隔をあけて形成される。したがって、凹部２４ｂには、屈折率調整層２３の媒質（液晶材料）が存在する。つまり、隣り合う２つの凸部２４ａの底付近にまで屈折率調整層２３の媒質（液晶材料）を存在させることができる。

なお、図６及び図７では、各凸部２４ａの上側の側面を平面とし、下側の側面を湾曲面としているが、上側の側面を湾曲面とし、下側の側面を平面にしてもよい。また、図６及び図７では、第２光学素子２０の凹凸層２４の凸部２４ａのみを図示しているが、第１光学素子１０の凹凸層１４の凸部１４ａについても同様の構成としてもよい。つまり、凸部２４ａ及び１４ａの少なくとも一方について、一方の側面が平面で、他方の側面が湾曲面を有するように構成されていればよい。また、図６及び図７では、凸部２４ａの頂部が平坦になっているが、図２Ａに示すように、凸部２４ａの頂部は鋭角であってもよい。

また、上記実施の形態において、第１光学素子１０の一対の基材の一方と第２光学素子２０の一対の基材の一方とを兼用する１つの基材を用いてもよい。具体的には、図１における光学デバイス１において第１光学素子１０の基材１１ｂと第２光学素子２０の基材２１ｂをと共通化して、図８に示すように、１つの基材３１として構成してもよい。この場合、基材３１の一方の面に電極１２ｂが形成され、基材３１の他方の面に電極２２ｂが形成される。また、接着層３０は不要となる。このように、対面する２つの基材１１ｂと基材２１ｂとを１つの基材３１で兼用することで、光学デバイス１を薄くすることができるとともに入射する光を容易に制御することができる。

また、上記実施の形態において、凹凸層１４及び２４における複数の凸部１４ａ及び２４ａは、図９Ａに示すように、いずれもストライプ状に形成したが、これに限るものではない。例えば、図９Ｂに示すように、複数の凸部１４ａ及び２４ａをいずれもマトリクス状等に点在するように配置してもよい。また、複数の凸部１４ａ及び複数の凸部２４ａの一方をストライプ状（図９Ａ）に形成し、複数の凸部１４ａ及び複数の凸部２４ａの他方を点状に形成してもよい。

また、上記実施の形態において、複数の凸部１４ａ及び２４ａの各々の断面形状は、略三角形としたが、これに限るものではない。例えば、複数の凸部１４ａ及び２４ａの各々の断面形状は、台形であってもよい。この場合も、第２光学素子２０における複数の凸部２４ａの各々の２つの底角の角度α、βと、第１光学素子１０における複数の凸部１４ａの各々の２つの底角の角度γ、ηとは、α＞β＞γ＞ηの関係を満たすとよい。

また、上記実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３は、ポリマー構造等の高分子を含む液晶材料によって構成されていてもよい。ポリマー構造は、例えば、網目状の構造であり、ポリマー構造（網目）の間に液晶分子が配置されることによって屈折率の調整が可能となる。高分子を含む液晶材料としては、例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）又はポリマーネットワーク型液晶（ＰＮＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３の液晶材料としてネマティック液晶を用いたが、この場合、ツイストネマティック液晶（ＴＮ液晶）を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、屈折率調整層１３及び２３の液晶材料として、強誘電性液晶等のメモリ性を有する液晶を用いてもよい。これにより、屈折率調整層１３及び２３がメモリ性を有することになるので、屈折率調整層１３及び２３に電界が与えられたときの状態が維持される。

また、上記実施の形態において、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、これに限るものではない。例えば、光学デバイス１に入射する光は、照明装置等の発光装置であってもよい。

また、上記実施の形態では、屈折率調整層を有する２つの光学デバイスを用いて太陽光の方位を変えたが、これに限るものでは無い。屈折率調整層を有しないパッシブ型の光学デバイスにおいて、複数の光学デバイスが積層された場合でも、太陽光側の光学デバイスにおいて主に屈折の効果により太陽光の方位を床方向への浅い角度に変えて出射し、室内側の光学デバイスにおいて主に全反射の効果で天井方向へ配光すれば、床面への直射光を減らし、天井面を明るくする一定の効果が得られる。

なお、その他、上記の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、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記の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光学素子
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ 基材
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ 電極
１３、２３ 屈折率調整層
１４、２４ 凹凸層
１４ａ、２４ａ 凸部
２０ 第２光学素子
２４ｂ 凹部

Claims (11)

1. 第１光学素子と第２光学素子とを有する光学デバイスであって、
   前記第１光学素子及び前記第２光学素子の各々は、
   透光性を有する一対の基材と、
   前記一対の基材の間に設けられた透光性を有する一対の電極と、
   前記一対の電極の間に設けられた屈折率調整層と、
   前記一対の電極の一方の上に形成された、複数の凸部を有する凹凸層とを備え、
   前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、互いの前記凹凸層の前記凸部の底面が向かい合うように積層されている、
   光学デバイス。
2. 前記複数の凸部の各々の断面形状は、略三角形又は台形である、
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記第２光学素子における前記複数の凸部の各々の２つの底角の角度を一の方向からα、βとすると、
   前記第１光学素子における前記複数の凸部の各々の２つの底角の角度を前記一の方向からγ、ηとし、
   α＞β＞γ＞ηの関係を満たす、
   請求項２に記載の光学デバイス。
4. ８５°≦α≦９０°、７０°≦β≦８０°、６０°≦γ≦７０°、５０°≦η≦６０°、である、
   請求項３に記載の光学デバイス。
5. 前記複数の凸部の各々は、一方の側面が平面であり、他方の側面が外方に凸状をなす湾曲面を有する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
6. 前記湾曲面は、前記凸部の底部から頂部にかけて曲率が増加する形状である、
   請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記他方の側面は、前記凸部の根元部分に平面を有し、
   隣り合う２つの前記凸部は、所定の間隔をあけて形成されている、
   請求項５又は６に記載の光学デバイス。
8. 前記屈折率調整層は、複屈折性及び電界応答性を有する媒質を含む、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
9. 前記媒質は、液晶材料を含み、
   前記液晶材料に含まれる液晶分子は、前記複数の凸部の並び方向と平行な方向に配向している、
   請求項８に記載の光学デバイス。
10. 前記媒質は、液晶材料を含み、
    前記液晶材料に含まれる液晶分子は、前記光学デバイスの厚み方向と平行な方向に配向している、
    請求項８に記載の光学デバイス。
11. 前記複数の凸部は、ストライプ形状である、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学デバイス。

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