JP6671057B2 - 光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学デバイスに関し、たとえば、電気により光学的な状態が変化可能な光学デバイスに関する。

電気を供給することにより、光学的な状態を変化させる光学デバイスが提案されている。たとえば、特許文献１には、一対の透明電極の間に、銀を含有するエレクトロクロミック材料を含む電解質層を挟持し、透明電極の一方にナノオーダーの凹凸を設けた調光素子が開示されている。特許文献１の調光素子は、電圧の印加により鏡面状態を形成することができる。

国際公開第２０１２／１１８１８８号

上記特許文献１の調光素子は、鏡面状態を形成することが可能ではあるものの、所望の方向に光の進行方向を変化させるものではない。

本開示の目的は、配光を行うことが可能な光学デバイスを提供することである。

光学デバイスが開示される。光学デバイスは、第１電極と、第１電極と電気的に対となる第２電極と、電界により屈折率が変化し、透明状態と入射光を配光する状態とが変化可能な屈折率調整層と、前記第２電極に向かって突出する複数の凸部を有する凹凸層とを備える。前記第１電極は、光透過性を有する。前記第２電極は、光透過性を有する。前記屈折率調整層は、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される。前記凹凸層は、前記第１電極と前記屈折率調整層との間に配置される。前記複数の凸部は、ストライプ状である。前記凸部は、断面が略台形形状である。前記凸部の台形の下底の両端にある底角が７５度以上８５度以下である。

本開示によれば、配光を行うことが可能な光学デバイスを提供することができる。

図１は、実施の形態に係る光学デバイスの一例を示す模式的な断面図である。 図２は、実施の形態に係る凹凸層の一例を示す模式的な断面図である。 図３は、実施の形態に係る凹凸層の一例を示す模式的な斜視図である。 図４は、実施の形態に係る凸部の間隔の分布の一例を示すグラフである。 図５Ａは、実施の形態に係る光学デバイスの一例を説明する模式的な平面図である。 図５Ｂは、実施の形態に係る光学デバイスの一例を説明する模式的な断面図である。 図６は、実施の形態に係る光学デバイスの一例を説明する模式的な断面図である。 図７Ａは、実施の形態に係る光学デバイスの配光状態を示す説明図である。 図７Ｂは、実施の形態に係る光学デバイスの非配光状態を示す説明図である。

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、たとえば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。

図１は、光学デバイスの一例（光学デバイス１）を示している。図１は、光学デバイス１の層構造を模式的に示しており、実際の光学デバイス１の各部の寸法等は、これに限定されない。光学デバイス１は、パネル状に形成され得る。

図２及び図３は、光学デバイス１に組み込まれる凹凸層１６の一例を示している。図２では、凹凸層１６の拡大断面図が示されている。図３では、凹凸層１６を抜き出して、斜め上方から見た図を示している。

光学デバイス１は、第１電極１３と、第２電極１４と、電界により屈折率が変化し、透明状態と入射光を配光する状態とが変化可能な屈折率調整層１５と、第２電極に向かって突出する複数の凸部２０を有する凹凸層１６とを備える。第１電極１３及び第２電極１４は、光透過性を有する。第２電極１４は、第１電極１３と電気的に対となる。屈折率調整層１５は、第１電極１３と第２電極１４との間に配置される。凹凸層１６は、第１電極１３と屈折率調整層１５との間に配置される。複数の凸部２０は、ストライプ状である。凸部２０は、断面が略台形形状、又は略三角形状である。凸部２０の断面形状である台形、又は三角形の下底の両端にある底角θは、７０度以上８５度以下である。

光学デバイス１は、屈折率調整層１５の屈折率の変化により、透明状態と配光状態とを作り出すことができる。特に、凹凸層１６の複数の凸部２０が、上記の台形形状を備えることによって、外部からの光の進行方向を効果的に変えることができる。そして、光の進行方向が変わることによって、透明状態と配光状態との光の変化が大きくなる。その結果、光学デバイス１は、透明状態と配光状態とを大きく変化させることができるため、光学特性に優れる。

光学デバイス１は、第１基板１１と第２基板１２とをさらに備えている。第１基板１１と第２基板１２とは、第１電極１３、凹凸層１６、屈折率調整層１５及び第２電極１４の積層構造を間に配置してこの積層構造を支持する。また、第１基板１１と第２基板１２とは、この積層構造を保護する。また、第１基板１１と第２基板１２とは、一方が積層構造を形成するための形成基板として機能し、他方が積層構造を被覆するための被覆基板として機能し得る。

図１の光学デバイス１では、一対の基板（第１基板１１及び第２基板１２）の間に、第１電極１３、凹凸層１６、屈折率調整層１５及び第２電極１４がこの順で配置されている。これらの層は、厚み方向に並んでいる。

ここで、「厚み方向」とは、特に断りのない限り、光学デバイス１の厚みの方向を意味する。図１では、厚み方向がＤ１で示されている。厚み方向とは、第１基板１１の表面に垂直な方向であってよい。厚み方向には積層を行う方向が含まれる。厚み方向には、第１電極１３から第２電極１４に向かう方向と、第２電極１４から第１電極１３に向かう方向とが含まれる。図１において、光学デバイス１の各層は、横方向及び紙面に垂直な方向に広がっていると考えることができる。また、「平面視」とは、基板の表面に垂直な方向（厚み方向Ｄ１）に沿って見た場合のことを意味する。

光学デバイス１は、光を透過させることができる。光学デバイス１は、窓となり得る。光学デバイス１は、建物の外壁に取り付けた場合には、外光を屋内に通過させることが可能である。第１基板１１は、屋外側に配置され得る。第２基板１２は、屋内側に配置され得る。もちろん、第２基板１２が屋外側に配置され、第１基板１１が屋内側に配置されてもよい。また、光学デバイス１は、外壁以外に取り付けられてもよい。たとえば、光学デバイス１は、内壁、パーティションに取り付けられ得る。光学デバイス１は、車載用窓として用いられてもよい。第１基板１１は、光が入り込む側の基板と定義される。

一対の電極（第１電極１３及び第２電極１４）は、屈折率調整層１５に電界を与えることができるように構成されている。一対の電極のうちの一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。屈折率調整層１５は、一対の電極によって電圧が印加されることにより、屈折率が変化する。一対の電極は、光学デバイス１を駆動させるための電極として機能する。各電極は、層となっている。

第１電極１３及び第２電極１４は、透明な導電層によって構成され得る。透明導電層の材料としては、透明金属酸化物、導電性粒子含有樹脂、金属薄膜などを用いることができる。光透過性を有する電極の材料の一例として、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明金属酸化物が例示される。透明金属酸化物によって構成される電極は、光学デバイス１の電極に用いることが好適である。

第１電極１３及び第２電極１４の少なくとも一方は、金属を含んでいてもよい。金属は、電極を低抵抗化させることができる。金属によって、電流が光学デバイス１の面内に均一に流れやすくなり、光学特性の面内分布が向上し得る。ただし、金属の多量の含有は電極の光透過性の低下を招き得るため、電極の光透過性を阻害しない態様で、金属は含有される。たとえば、金属は、金属ナノワイヤ、金属製の補助配線、金属薄膜として、電極に含まれ得る。金属ナノワイヤ（たとえば銀ナノワイヤ）は、透明導電層中に分散され得る。金属製の補助配線は、透明導電層に接触させて、透明導電層上に設けられ得る。金属薄膜は、透明導電層の表面に設けられ得る。

第１電極１３及び第２電極１４は、電源との電気接続が可能なように構成されていてよい。光学デバイス１は、電源に接続するために、電極パッド、及び、電極パッドを電気的に集約した電気接続部などを有し得る。電気接続部はプラグなどにより構成され得る。これらの電極は、配線を介して電源に接続され得る。電源は、外部電源であってもよいし、内部電源であってもよい。

第１基板１１は、第１電極１３の外側に配置されている。第２基板１２は、第２電極１４の外側に配置されている。図１の例では、第１基板１１は、第１電極１３と接触している。第２基板１２は、第２電極１４と接触している。第１基板１１及び第２基板１２は、光透過性を有する。

第１基板１１と第２基板１２とは、端部において接着されていてもよい。接着は、接着剤によって行われ得る。接着剤は、固化してもよい。接着剤は、壁部を形成し得る。壁部は、第１基板１１と第２基板１２との間の隙間の厚みを規定し得る。壁部は、屈折率調整層１５の端部を保護し得る。

第１基板１１及び第２基板１２は、同じ基板材料で構成されてもよいし、異なる基板材料で構成されてもよいが、同じ基板材料で構成されてもよい。基板材料としては、ガラス基板、樹脂基板が例示される。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、高屈折率ガラスが例示される。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）が例示される。ガラス基板は、透明性が高いという利点がある。ガラス基板は、防湿性が高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。フレキシブル性を有する基板を使用してもよい。フレキシブル性を有する基板は、曲げることが可能である。フレキシブル性を有すると、取り扱い性が高まる。フレキシブル基板は、樹脂基板又は薄膜ガラスにより容易に形成され得る。第１基板１１及び第２基板１２は、同じ厚みであってもよいし、異なる厚みであってもよい。材料点数の削減の点からは、これらは、同じ厚みであることが好ましい。

第１基板１１と第１電極１３とは、可視光領域において屈折率の差が所定の値より小さい。これにより、これらの界面において光を有効に透過させることができる。たとえば、第１基板１１と第１電極１３との屈折率差は、０．２以下であることが好ましく、０．１以下であることがより好ましい。

第２基板１２と第２電極１４とは、可視光領域において屈折率の差が所定の値より小さい。これにより、これらの界面において光を有効に透過させることができる。たとえば、第２基板１２と第２電極１４との屈折率差は、０．２以下であることが好ましく、０．１以下であることがより好ましい。

第１基板１１と第２基板１２とは、屈折率は同程度であってよく、たとえば、第１基板１１と第２基板１２との屈折率差は、０．１以下であってよい。第１電極１３と第２電極１４とは、屈折率が同程度であり得る。たとえば、第１電極１３と第２電極１４との屈折率差は、０．１以下であってよい。第１基板１１及び第２基板１２の屈折率は、たとえば、１．３〜２．０の範囲内であってよいが、これに限定されるものではない。第１電極１３及び第２電極１４の屈折率は、たとえば、１．３〜２．０の範囲内であってよいが、これに限定されるものではない。

第１基板１１及び第２基板１２の厚みは、特に限定されるものではないが、たとえば、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であってよい。第１電極１３及び第２電極１４の厚みは、特に限定されるものではないが、たとえば、１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であってよい。

凹凸層１６は、第１電極１３と屈折率調整層１５との間に配置されている。凹凸層１６は、第１電極１３に接する。凹凸層１６は、屈折率調整層１５に接する。凹凸層１６は、凹凸面を有する層である。凹凸層１６は、凸部２０と凹部２１とを有する。凹凸層１６は、膜となっている。膜とは、本開示では、一体的になって面状に広がったものを指す。ただし、膜は適宜の箇所で分断されていてもよい。また、凹凸層１６は、膜でなくてもよい。たとえば、凹凸層１６は、凹部２１の位置で複数の凸部２０が分離されていてもよい。図１では、凹凸層１６は、面状に連続している。凹凸層１６は、膜と呼べる少なくとも所定の領域（たとえば１ｃｍ×１ｃｍの範囲）で分断がない。凹凸層１６は、厚み方向において隣り合う層を分離するように形成されていてよい。凹凸層１６は、隣接する層（第１電極１３及び／又は屈折率調整層１５）を被覆していてよい。凹凸層１６は、第１電極１３側の面が平坦な面となっており、屈折率調整層１５側の面が凹凸面となっている。凹凸層１６は、複数の凸部２０の配置により凹凸面が形成されている。

図２及び図３に示すように、凹凸層１６は、断面が略台形形状の凸部２０を複数有している。複数の凸部２０は、第１基板１１の表面に平行なある方向Ｄ２に、間隔をあけて並んで配置されている。方向Ｄ１と方向Ｄ２とは、垂直な関係にある。図３に示すように、凸部２０は、方向Ｄ１及び方向Ｄ２の両方に垂直な方向Ｄ３に、台形の断面形状を維持しながら伸びている。凸部２０は、長尺な形状を有する。複数の凸部２０は、上記のような配置になることで、平面視したときに、ストライプ状の模様を形成する。

複数の凸部２０の隣り合う凸部２０の間には、凹部２１が設けられる。凹部２１は、溝状である。凹部２１も、方向Ｄ３に伸び、長尺な形状を有する。複数の凹部２１も、ストライプ状の模様を形成している。

凸部２０の方向Ｄ３の長さＴは、特に限定されるものではない。凹凸層１６の方向Ｄ３の長さ全体にわたって凸部２０が伸びる場合は、凹凸層１６の方向Ｄ３での長さがそのまま凸部２０の長さとなる。長尺に伸びる凸部２０は、方向Ｄ３において分断されていてもよい。凸部２０の長さＴは、たとえば、１０ｃｍ〜１０００ｃｍの範囲内であってよい。

図２に示すように、凸部２０の断面形状である台形は、上底、下底、脚、高さＨ、底角θを備えている。上底の長さはＵの記号で表され、下底の長さはＬの記号で表される。脚は、上底及び下底以外の一組の対辺である。底角θは、凸部２０の台形の下底の両端にある。底角θは、第１の底角θ１と、第２の底角θ２とを含む。第１の底角θ１と、第２の底角θ２とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１の底角θ１と第２の底角θ２とが同じである場合、凸部２０の断面は等脚台形形状となる。なお、凸部２０の断面は、概念的に台形に入る範囲であればよく、台形（四角形）の辺が丸みをおびたり、台形（四角形）の角が丸みをおびたりしていてもよい。

本実施の形態の光学デバイス１では、底角θは、７０度以上８５度以下である。すなわち、第１の底角θ１及び第２の底角θ２の両方が、７０度以上８５度以下の範囲内に入る。この場合、凸部２０の側面（斜面）、すなわち台形の脚で構成される面は、第１基板１１の表面とのなす角度が大きい急斜面になる。このように、凸部２０の台形の斜面が急斜面になると、光の進行方向を効率よく変化させることができ、配光性が向上する。その理由は、斜め方向から入る光が凸部２０の斜面で全反射する角度で当たりやすいからと考えられる。

凸部２０の断面形状である台形の高さＨは、５μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。高さＨがこの範囲になることで、配光性がさらに向上する。その理由は、凸部２０の斜面に当たる光の量が好適になるからと考えられる。一の凸部２０が他の凸部２０に影を作ることが抑制されると推測される。

凸部２０の断面形状である台形の下底の長さＬは、たとえば、３μｍ以上２０μｍ以下であってよい。下底の長さが、上記の範囲になることで、光の進行方向を効率よく変化させることができる。凸部２０の台形の上底の長さＵは、下底の長さＬと、底角θが決まれば、三角関数によって求まる。凸部２０の台形の下底の長さＬは、たとえば、１μｍ以上１０μｍ以下であってよい。

凸部２０の断面形状である台形は、尖った形状になり得る。下底の長さＬは、上底の長さＵの２倍以上であってもよい。台形の高さＨは、上底の長さＵよりも長くてもよい。台形の高さＨは、下底の長さＬよりも長くてもよい。

複数の凸部２０は、間隔Ｓをあけて配置されている。間隔Ｓは、隣り合う凸部２０の間の距離である。凸部２０の間隔Ｓは、１μｍ以上４μｍ以下であってもよい。間隔Ｓがこの範囲になることで、配光性がさらに向上する。間隔Ｓは、隣り合う２つの凸部２０間で略一定である。つまり、隣り合う２つの凸部２０は、互いに略平行に形成されている。

間隔Ｓは、不均一で、山型分布を有してもよい。山型分布としては、特に山型のピークを対称軸にして両側に間隔Ｓが指数分布であってもよい。指数分布であれば、間隔Ｓはランダムな配置となる。間隔Ｓは、隣り合う凸部２０と凸部２０との間の距離であるが、凹凸層１６全体では、複数存在している。それら複数の間隔Ｓを考慮したときに、複数の間隔Ｓは面内で不均一であり、揃っていなくてもよい。すなわち、１μｍ〜４μｍの範囲内で、間隔Ｓが変動してもよい。たとえば、ある所での間隔Ｓは３μｍであり、他の所での間隔Ｓは２．８μｍであり、さらに他の所での間隔Ｓは３．２μｍである。大きさの異なる間隔Ｓは、ランダムに配置されてもよい。そして、複数の間隔Ｓにおいては、全ての間隔Ｓから統計学的に存在確率を解析したときに、山型分布を有してもよい。山型分布は、山を１つ有する分布である。山の頂点はピークとなる。ピークの位置は、山の中央であってもよいし、中央からずれていてもよい。山の形は、左右対称であってもよい。山型分布の特別な例は、正規分布である。間隔Ｓは、正規分布を有していてもよい。また、隣り合う凹凸構造の高さが不均一で山型分布を有してもよい。

図４は、凸部２０の間隔Ｓの分布の一例を示すグラフである。図４では、間隔Ｓが正規分布を有する場合のグラフが示されている。横軸は、凸部２０の間隔Ｓを表し、縦軸は、確率密度を表す。このグラフでは、間隔Ｓは平均値３μｍを中心として２μｍ〜４μｍの範囲内にあり、グラフの形状は左右対称になっている。間隔Ｓの平均値は、２μｍ〜３．５μｍの範囲内であってよい。

上記のように、間隔Ｓが不均一になることで、特定の光のみが進行方向が変化することが抑制され、可視光領域の全体にわたって光の進行の変化が起こりやすくなる。特定の光のみが進行方向が変化すると、プリズムのように光のスペクトルが分散されるなどして、光に色が発生するおそれがある。さらに、間隔Ｓが山型分布を有することで、光の進行方向の変化が偏りにくくなり、光学デバイス１の全体の配光性が向上する。

凹凸層１６の凹凸は、たとえば、インプリント法によって形成され得る。たとえば、樹脂層を形成した後、凹凸モールドを樹脂層に押し付けることで、凹凸の転写により、凹凸層１６の凹凸が形成される。図２では、高さＨが間隔Ｓよりも大きく、このような凹凸では、フォトリソグラフィー等の他の凹凸作製工程では作製が容易でない。一方、インプリント法で凹凸を作製する場合には、図２のような台形の高さＨが高い凹凸を容易に作製することが可能である。

凹凸層１６は、光透過性を有する。凹凸層１６と第１電極１３とは、屈折率の差が所定の値より小さい。これにより、これらの界面において光を有効に透過させることができる。たとえば、凹凸層１６と第１電極１３との屈折率差は０．２以下であることが好ましく、０．１以下であることがより好ましい。凹凸層１６の屈折率は、たとえば、１．３〜２．０の範囲内であってよいが、これに限定されるものではない。凹凸層１６の屈折率は、１．４５〜１．５５の範囲内となることが特に好ましい。

凹凸層１６は、導電性を有してもよい。これにより、第１電極１３と第２電極１４との間の電気の流れを良好にすることができる。凹凸層１６は、第１電極１３に用いられる材料によって形成されてもよい。第１電極１３と凹凸層１６とは、材料が同じで一体化していてもよい。ただし、第１電極１３と凹凸層１６とは別体となった方が、凹凸面の形成が容易である。凹凸層１６は、凹凸を形成しやすい材料で形成されてもよい。凹凸層１６は、たとえば、樹脂を含む材料で形成され得る。凹凸層１６の樹脂材料として、導電性高分子、導電体含有樹脂が例示される。導電性高分子としては、ＰＥＤＯＴが例示される。導電体としては、Ａｇナノワイヤなどの金属ナノワイヤが例示される。金属ナノワイヤは、セルロース、アクリルなどの樹脂と混合されていてもよい。金属ナノワイヤと樹脂の混合材料を使用した場合には、凹凸層１６の屈折率を樹脂により調整可能なため、第１基板１１及び第２基板１２並びに屈折率調整層１５と屈折率を近づけることが容易となる。なお、電圧の印加が可能であれば、凹凸層１６は、絶縁材料で形成されていてもよい。その場合、凹凸層１６は、樹脂や無機層で形成され得る。凹凸層１６が絶縁層であっても、第１電極１３と第２電極１４との間の電圧差を大きくすることで、第１電極１３と第２電極１４との間に電圧を印加することは可能である。

屈折率調整層１５は、凹凸層１６に接している。屈折率調整層１５は、凹凸層１６に向かう表面が凹凸である。屈折率調整層１５の凹凸面は、凹凸層１６の凹凸が型となって形成され得る。屈折率調整層１５の凸部は、凹凸層１６の凹部２１に対応する。屈折率調整層１５の凹部は、凹凸層１６の凸部２０に対応する。屈折率調整層１５と凹凸層１６との界面は、凹凸界面となっている。

屈折率調整層１５は、可視光領域での屈折率が、凹凸層１６の屈折率に近い屈折率と、凹凸層１６の屈折率との屈折率差が大きい屈折率とに調整可能であることが好ましい。それにより、配光状態と透明状態との差を大きくすることができる。屈折率調整層１５は、凹凸層１６に屈折率が近い状態と、凹凸層１６との屈折率差が大きい状態との２つの状態の変化が可能である。屈折率調整層１５の屈折率が凹凸層１６に近い状態では、屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率差は、たとえば０．２以下であり、０．１以下であることが好ましい。屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率差が大きい状態では、屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率差は、たとえば０．１を超え、０．２以上であることが好ましい。なお、本開示では、特に断りのない限り、屈折率は厚み方向Ｄ１での屈折率を意味する。

屈折率調整層１５は、電圧が印加されることにより、屈折率が凹凸層１６に近づき、電圧が印加されないと、凹凸層１６との屈折率差が大きくなってもよい。屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率差が小さいと非配光状態（透明状態）となり、屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率差が大きいと配光状態となり得る。

屈折率調整層１５は、複屈折性を有する電界応答性の媒質を含んでもよい。媒質が複屈折性を有することにより、屈折率の変化が効率よく行われる。媒質が電界応答性を有することにより、電圧の印加により容易に屈折率が変化する。複屈折性とは、方向によって屈折率が異なることを意味する。たとえば、厚み方向Ｄ１と方向Ｄ２とで、屈折率が異なる場合、複屈折性が与えられる。

屈折率調整層１５の媒質は、液晶を含んでもよい。液晶は、複屈折性が容易に得られ、電界に応答する性質を有し得る。液晶は、電力により屈折率が変化する材料となり得る。そのため、屈折率調整層１５の屈折率の変化が容易に行われる。液晶は、配向していることが好ましい。液晶の配向により、光の進行方向を効果的に制御することが可能になる。

液晶は、配向性を有し得る。液晶では、分子の配向が揃うと、光が特定の方向に通りやすくなる。そのため、液晶分子の配向が揃うと光学的な特性が向上する。液晶の配向は、電圧を印加した状態のときだけでなく、電圧を印加しない状態でなされるものであってよい。

図５Ａ及び図５Ｂは、液晶の配向の好ましい態様の一例を説明する図である。図５Ａでは、凹凸層１６と、液晶分子を意味する楕円体３０とを抜き出して描画している。液晶は、一の態様では、複数の凸部２０が延伸する方向と平行に配向している。図５Ａ及び図５Ｂでは、このような態様が模式的に示されている。この場合、凹凸層１６と屈折率調整層１５の界面で光は進行方向が変化するため、配光性が向上する凸部の屈折率と光の進行方向の液晶の屈折率が略一致せず、スネルの法則に従い光が屈折するためである。この態様は、液晶の誘電率異方性が正のときに特に好ましい。このとき、液晶に電界を印加すると液晶は基板の法線方向に配向する。凸部の屈折率と液晶の屈折率が略一致することで光は界面で屈折せず、したがって配光性は得られない。このように電界のＯＮとＯＦＦで配光性を制御することが可能となる。

図５Ａ及び図５Ｂでは、液晶分子は、模式的に楕円体３０で描画されている。図５Ａ及び図５Ｂで示すように、楕円体３０は、その軸が、凸部２０及び凹部２１が伸びる方向、すなわち、凹部２１で構成される溝が走る方向に沿って配置されている。楕円体３０の長手方向は、凸部２０の長手方向に合っている。液晶の配向は、方向Ｄ３と平行になっていてよい。このような液晶分子の配向となることで、配光性が効率よく向上する。なお、図５Ａ及び図５Ｂは、液晶の配向を説明するための模式的な図であり、実際の液晶分子は、凸部２０のサイズにくらべてかなり小さいものであってよい。

図６は、液晶の配向の態様の他の一例を説明する図である。液晶は、他の態様では、光学デバイス１の厚み方向Ｄ１に沿って配向している。この場合、電界を印加しないＯＦＦの状態で、凸部と液晶との屈折率は略一致しており配光性は発現しない。一方、電界を印加すると（ＯＮの状態）、液晶が溝方向に配向するため、凸部と液晶との間に屈折率段差が発生し配光性が発現する。この態様は、液晶の誘電率異方性が負のときに特に好ましい。

図６でも、液晶分子は、模式的に楕円体３０で描画されている。図６で示すように、楕円体３０は、その軸が、光学デバイス１の厚み方向Ｄ１、すなわち、凸部２０が突出する方向に沿って配置されている。楕円体３０の長手方向は、第１基板１１の表面と垂直な方向に合っている。液晶の配向は、厚み方向Ｄ１と平行になっていてもよい。

屈折率調整層１５に含まれる液晶としては、たとえば、ネマチック液晶、コレステリック液晶、強誘電性液晶が挙げられる。

屈折率調整層１５は、高分子を含んでもよい。屈折率調整層１５が高分子を含むことにより、もし光学デバイス１が壊れることがあっても、屈折率調整層１５の材料や、基板の材料が飛散することが抑制される。そのため、安全性が高まる。高分子は、屈折率調整層１５の屈折率変化を安定化させる。そのため、配光性が安定化する。

屈折率調整層１５は、高分子により形成されたポリマー構造を有していてもよい。ポリマー構造は、高分子鎖の架橋構造で形成されてもよい。ポリマー構造は、高分子の絡み合いで形成されてもよい。ポリマー構造は、網目状の構造を有し得る。ポリマー構造の間に液晶が配置されることで、屈折率の調整が可能になる。高分子は、屈折率調整層１５に光散乱性を付与し得る。

高分子を含む屈折率調整層１５の材料としては、高分子分散型液晶を用いることが好ましい。高分子分散型液晶では、液晶が高分子によって保持されているため、安定な屈折率調整層１５を形成することができる。高分子分散型液晶は、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。また、高分子を含む屈折率調整層１５の材料として、ポリマーネットワーク型液晶を用いてもよい。ポリマーネットワーク型液晶は、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。

高分子分散型液晶及びポリマーネットワーク型液晶は、樹脂部と液晶部とから構成されるものであってよい。樹脂部は、高分子により形成される。樹脂部は、光透過性を有してもよい。それにより、屈折率調整層１５の屈折率を変化するように形成することができる。樹脂部は、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などにより形成され得る。液晶部は、電界によって液晶構造が変化する部分である。液晶部は、ネマチック液晶などが用いられる。高分子分散型液晶及びポリマーネットワーク型液晶は、樹脂部の中に液晶部が点状に存在する構造であってもよい。高分子分散型液晶及びポリマーネットワーク型液晶においては、樹脂部が海、液晶部が島を構成する海島構造となっていてよい。高分子分散型液晶及びポリマーネットワーク型液晶は、樹脂部の中において液晶部が網目状に不規則につながる形状であってもよい。もちろん、高分子分散型液晶及びポリマーネットワーク型液晶は、液晶部の中に樹脂部が点状に存在したり、液晶部の中で樹脂部が網目状に不規則につながったりした構造であってもよい。

屈折率調整層１５が高分子を含む場合、屈折率調整層１５の保持性が高まる。屈折率調整層１５は、内部で材料が流動しにくくなる。屈折率調整層１５は、屈折率が調整された状態が高く維持され得る。

屈折率調整層１５は、凹凸層１６との屈折率差が大きくなる状態では、凹凸層１６よりも屈折率が小さくてもよい。それにより、光の進行方向を変化させやすくすることができる。屈折率調整層１５は、凹凸層１６との屈折率差が大きくなる状態では、凹凸層１６よりも屈折率が大きくなってもよい。それにより、光の進行方向を変化させやすくすることができる。屈折率調整層１５の屈折率の変化の態様は、目的とする配光に合わせて設定され得る。

屈折率調整層１５は、交流電源により電力が供給されてもよいし、直流電源により電力が供給されてもよい。屈折率調整層１５は、交流電源により電力が供給されてもよい。直流電源の場合、液晶に含まれる可動性イオンが一方の層界面（配光膜）上に集まるため、液晶層（屈折率調整層１５）に印加される実質的な電界強度が低下する課題が発生するからである。交流の波形は矩形波であってもよい。液晶の配向が正負で影響を受けにくいためである。屈折率が変化した状態を安定化させることがより可能になる。交流はパルスであってよい。屈折率調整層１５は、電圧を印加したときの状態が維持されてもよい。それにより、必要なときに電力を与えればよいので、電力効率が高まる。屈折率の維持される時間は、長いほどよいが、たとえば、１時間以上が好ましく、１２時間以上がより好ましい。

光学デバイス１の製造方法について説明する。光学デバイス１は、たとえば、第１電極１３及び凹凸層１６が設けられた第１基板１１と、第２電極１４が設けられた第２基板１２とを対向配置し、これらの間に、流動性を有する屈折率調整層１５の材料の注入することで形成され得る。凹凸層１６の表面の凹凸は、基板の対向配置の前に、たとえばインプリントによって形成される。凹凸の形成にナノインプリントが用いられてもよい。第１基板１１と第２基板１２とは、接着剤によって端部が接着されてよい。

図７Ａ及び図７Ｂにより、光学デバイス１の作用について説明する。図７Ａは、光学デバイス１の配光状態を示し、図７Ｂは、光学デバイス１の非配光状態（透明状態）を示している。図７Ａ及び図７Ｂでは、光学デバイス１は、窓のように鉛直に配置されている。光学デバイス１では、少なくとも図７Ａに示される配光状態と、図７Ｂに示される非配光状態とが切り替わる。

図７Ａ及び図７Ｂでは、光学デバイス１が簡略化されて描画されている。光学デバイス１は、凹凸界面１０を備えている。凹凸界面１０は、屈折率調整層１５と凹凸層１６との間の界面である。

図７Ｂは、光学デバイス１が透明状態となったときの光の進行を示している。光は矢印で示されている。光は、光学デバイス１の表面に垂直な方向（厚み方向と同じ方向）から傾斜した方向で進行し得る。特に、光学デバイス１が窓である場合、斜めから光が当たる可能性が高い。透明状態の光学デバイス１を通過する光は、そのまま直進する。たとえば、光学デバイス１に屋外からの光（外光）が当たる場合、外光は屋内にそのままの方向で侵入する。

光学デバイス１の透明状態は、屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率のマッチングによって発生する。凹凸層１６と屈折率調整層１５との屈折率差が小さくなると、屈折率差による光の進行方向の変化が小さくなっていく。これらの層の屈折率差がなくなるか、無視できる程度になると、屈折率差による光の進行の変化はほとんど起こらなくなり、また、凹凸界面１０での光の進行方向の変化もほとんど起こらなくなる。このため、光は進行方向を維持して凹凸界面１０を通過する。

光学デバイス１は、電圧のＯＮ／ＯＦＦの変換により、たとえば、配光状態と透明状態とを切り変えることができる。電圧の印加により、屈折率調整層１５内の物質の配向が整えられて、凹凸層１６と屈折率調整層１５との屈折率差が少なくなることで、透明性が発揮され得る。また、電圧を変化させたときの光学的状態が維持されてもよい。

図７Ａは、光学デバイス１が配光状態となったときの光の進行を示している。光は矢印で示されている。配光状態では、光学デバイス１に入った光は、光学デバイス１内において進行方向が変化する。光の進行方向の変化は、凹凸界面１０で生じ得る。光学デバイス１により、光の進行方向は変化されて目的とする方向になり得る。そのため、光学デバイス１での配光が可能となる。図７Ａでは、光学デバイス１に向かって進む光は、戻る方向（跳ね返る方向）に進行方向が変更されている。図７Ａにおいては、上から下に進んでいた光が、光学デバイス１を通過して、下から上になっている。戻る方向に光が折れ曲がると、光学特性がさらに優れた光学デバイス１を得ることができる。

光学デバイス１の配光状態は、屈折率調整層１５と凹凸層１６との屈折率のミスマッチングによって発生する。凹凸層１６と屈折率調整層１５との屈折率差が大きくなると、屈折率差により光の進行方向の変化が生じやすくなり、さらに凹凸界面１０での光の進行方向の変化も追加されて、光が曲げられる方向に進行方向が変化し得る。そして、これらの層の屈折率差が制御されることで、目的とする方向に光を進行させることができる。図７Ａでは、光の進行方向は、一方向に曲げられる様子が模式的に描画されているが、光は、分散して進行してもよい。配光は、光の成分のうち、目的とする方向への光量が増加するものであってよい。特定の方向への光量が増加すると、光学特性が向上する。

ところで、光学デバイス１では、屈折率調整層１５において光が散乱されてもよい。このときの散乱性は、配光性を維持しながら光が散乱され得る。散乱性が付与されると、光の眩しさを低減することができる。

光学デバイス１は、建物の壁などに取り付けることができる。建物の外部は屋外であり、建物の内部は屋内である。光学デバイス１は窓として機能することができる。

図７Ｂに示すように、光学デバイス１が透明性を有する状態では、外光が光学デバイス１を通して屋内に入射する。外光は、通常、太陽の光である。光学デバイス１は、いわばガラス窓と同じような光学的状態である。このとき、屋内は、光が入ることにより明るくなるが、屋内の奥行が広い場合などには、屋内全体が明るくはなりにくい。そのため、ガラス窓を有する建物では、昼においても、照明器具が点灯されて、屋内が明るくされることがよく行われている。

図７Ａでは、光学デバイス１は配光性を有する状態となっている。この場合、光学デバイス１が光の進行方向を変化させ、配光することにより、屋内の奥に届きやすい方向の光を発生あるいは増加させることができる。図７Ａでは、光は天井に向かう方向に変化されている。斜め下方に進む光が、光学デバイス１を通過して、斜め上方に進む光になっている。ただし、光の配光は完全ではなく部分的に生じ得るものなので、天井に向かう方向に曲げられた光と、直進する光とが存在してよい。このとき、光の主成分は配光されて曲げられた光であることが好ましい。そして、図７Ａのように光が配光されると、屋内の内部の方に光が届くため、屋内が奥（光学デバイス１から遠い所）まで明るくなる。そのため、照明器具をオフにしたり、照明器具での電気量を低下させたりすることができ、省エネルギー化を図ることができる。

（実施例）
光学デバイスを作製し、上記で説明した凸部の台形形状により配光性が高まることを確認した。光学デバイスは、表１に示す凸部の台形形状の凹凸層を有するものとした。

まず、光学デバイスに電圧を印加したところ、光学デバイスは透明状態を発現した。

次に、光学デバイスに電圧を印加しないで、光の配光性を調べた。光学デバイスの評価にあたっては、光学デバイスに対して入射角４５度で光（入射光）を入射し、光の入射方向の延長線上の光（直進的な光）の強度と、光学デバイスの法線方向から１０度の方向（出射角１０度）の光（配光された光）の強度とを測定した。配光された光と直接的な光とを比較し、配光された光の強さについて、きわめて強い（＋＋＋＋）、かなり強い（＋＋＋）、強い（＋＋）、やや強い（＋）として、判定した。なお、配光された光が直接的な光と同じ場合（０）、及び配光された光が直接的な光よりも弱い場合（−）、の例は、なかった。

表１に結果を示す。表１から、上記の台形形状の凸部は、配光性を向上させることがわかる。

（その他）
以上、本発明に係る光学デバイスについて、上記実施の形態及びその変形例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。

たとえば、上記の実施の形態では、隣り合う凸部２０の間隔Ｓが凹凸層１６内で不均一である例について示したが、間隔Ｓは、均一であってもよい。すなわち、複数の凸部２０は、一定の間隔Ｓで方向Ｄ２に並んでいてもよい。

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
１１ 第１基板
１２ 第２基板
１３ 第１電極
１４ 第２電極
１５ 屈折率調整層
１６ 凹凸層
２０ 凸部

Claims (7)

1. 光透過性を有する第１電極と、
   前記第１電極と電気的に対となり、光透過性を有する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、電界により屈折率が変化し、透明状態と入射光が特定の方向に曲がる状態とが変化可能な屈折率調整層と、
   前記第１電極と前記屈折率調整層との間において、光が入り込む側である前記第１電極側に配置され、前記第２電極に向かって突出する複数の凸部を有する凹凸層と、
   を備え、
   前記入射光が前記特定の方向に曲がる状態は、前記第１電極の斜め方向から入射した前記入射光が、前記凸部と前記屈折率調整層との界面で全反射されて前記特定の方向に曲がる状態であり、
   前記複数の凸部は、ストライプ状であり、
   前記複数の凸部の各々は、断面が略台形形状、又は略三角形状であり、
   前記複数の凸部の各々の断面形状である台形、又は三角の下底の両端にある底角は、７０度以上８５度以下であり、
   前記複数の凸部は、隣り合う２つの凸部の底間の距離である間隔が略一定であり、かつ、前記凹凸層の面内において複数の前記間隔が不均一になるように配置されており、
   前記複数の凸部の前記間隔は、全ての前記間隔から統計学的に存在確率を解析したときに、山型分布を有する、
   光学デバイス。
2. 前記複数の凸部の各々の断面形状である台形の高さは、５μｍ以上２５μｍ以下である、
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 光透過性を有する第１電極と、
   前記第１電極と電気的に対となり、光透過性を有する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、電界により屈折率が変化し、透明状態と入射光が特定の方向に曲がる状態とが変化可能な屈折率調整層と、
   前記第１電極と前記屈折率調整層との間において、光が入り込む側である前記第１電極側に配置され、前記第２電極に向かって突出する複数の凸部を有する凹凸層と、
   を備え、
   前記入射光が前記特定の方向に曲がる状態は、前記第１電極の斜め方向から入射した前記入射光が、前記凸部と前記屈折率調整層との界面で全反射されて前記特定の方向に曲がる状態であり、
   前記複数の凸部は、ストライプ状であり、
   前記複数の凸部の各々は、断面が略台形形状、又は略三角形状であり、
   前記複数の凸部の各々の断面形状である台形、又は三角の下底の両端にある底角は、７０度以上８５度以下であり、
   前記複数の凸部は、隣り合う２つの凸部の底間の距離である間隔が略一定であり、かつ、前記凹凸層の面内において複数の前記間隔が不均一になるように配置されており、
   複数の前記間隔の各々は、１μｍ以上４μｍ以下の範囲内である、
   光学デバイス。
4. 前記間隔は、山型分布を有する、
   請求項３に記載の光学デバイス。
5. 前記屈折率調整層は、複屈折性を有する電界応答性の媒質を含む、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
6. 前記媒質は、液晶を含み、
   前記液晶は、前記複数の凸部が延伸する方向と平行に配向している、
   請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記媒質は、液晶を含み、
   前記液晶は、前記光学デバイスの厚み方向と平行に配向している、
   請求項５に記載の光学デバイス。

Images