JP7426714B2 - 光学デバイス、及びこれを用いた宇宙機 - Google Patents

Description

本発明は、光学デバイス、及びこれを用いた宇宙機に関する。

非特許文献１には、宇宙空間を航行可能な宇宙機であるソーラーセイル「ＩＫＡＲＯＳ」について記載されている。ソーラーセイルは、太陽光を受けるセイルを有する宇宙帆船である。つまり、ソーラーセイルは、セイルが太陽光から受ける輻射圧を推進力として宇宙空間を航行することができる。

また、非特許文献１に記載のソーラーセイルは、セイルが太陽光から受ける輻射圧を利用して姿勢制御を行うことができる。このセイルには、姿勢制御のための複数の光学デバイスが、受光面の外縁に沿って配列されている。各光学デバイスではそれぞれ、太陽光から加わる輻射圧の大きさを電気的に変化させることができる。

したがって、非特許文献１に記載のソーラーセイルでは、各光学デバイスごとに太陽光から受ける輻射圧の大きさを異ならせることによって、セイルの受光面に沿った任意の軸を中心として回動させることができる。これにより、このソーラーセイルでは、セイルの受光面の向きを任意に変更することができる。

しかしながら、非特許文献１に記載のソーラーセイルでは、光学デバイスに入射する太陽光の輻射圧がセイルの受光面と直交する向きのみに作用するため、受光面に平行な向きの力を受けることが困難である。したがって、この光学デバイスでは、受光面に平行な向きの力を利用した姿勢制御や位置制御が困難である。

これに対し、特許文献１には、太陽光の輻射圧を受光面に平行な向きに作用させることが可能な光学デバイスが開示されている。この光学デバイスでは、受光面に対して傾いたプリズム面に太陽光を入射させることで、太陽光の輻射圧の作用によって加わる力に受光面と平行な成分を持たせることができる。

特開２０１８－２０５４８３号公報

森治、川口淳一郎（他１１名）著 「ＩＫＡＲＯＳの開発およびミッション概要」 日本航空宇宙学会誌 第６０巻 第８号 ２８３～２８９ページ （２０１２年８月）

特許文献１に記載の技術では、１つの光学デバイスによって太陽光の輻射圧を作用させることができる受光面に平行な成分は１つの向きに限られる。したがって、この技術において受光面に平行な様々な向きの力を利用した効率的な姿勢制御や位置制御を可能とするためには、複数の光学デバイスを組み合わせた構成とする必要がある。

上記の事情に鑑み、本発明の目的は、光の輻射圧が作用する向きを様々に変更可能な光学デバイス、及びこれを用いた宇宙機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光学デバイスは、基準面に沿って延び、複数の傾斜面と、光制御部と、を具備する。
上記複数の傾斜面は、上記基準面に対して相互に異なる向きに傾いている。
上記光制御部は、上記光学デバイスに入射する光によって上記複数の傾斜面に加わる作用の大きさを個別に電気的に切替可能に構成されている。

この光学デバイスでは、複数の傾斜面ごとに、入射する光の輻射圧が作用する向きが異なる。このため、この光学デバイスでは、各傾斜面に加わる作用の大きさを光制御部によって個別に制御することで、複数の傾斜面に作用する光の輻射圧の合計として加わる駆動力の向きを様々に変更可能である。

上記光学デバイスは、少なくとも３つの傾斜面を有していてもよい。
この構成では、光の輻射圧が作用する向きを制御しやすくなる。

上記複数の傾斜面は、光反射性を有してもよい。
前記複数の傾斜面は、光屈折性を有してもよい。
前記複数の傾斜面は、光反射性を有する傾斜面と、光屈折性を有する傾斜面と、を含んでもよい。

上記光制御部は、上記複数の傾斜面にそれぞれ設けられ、高分子分散型液晶で形成された複数の液晶層を有してもよい。
上記光制御部は、光反射性を個別に電気的に切替可能な表面を有する複数のクロミックデバイスを有し、前記複数のクロミックデバイスの前記表面が前記複数の傾斜面として構成されてもよい。
この構成によって、光制御部の機能を実現可能である。

本発明の一形態に係る宇宙機は、受光面と、上記受光面に沿って延びる上記光学デバイスと、を具備する。
上記光学デバイスを宇宙機に用いることで、宇宙機における効率的な姿勢制御及び位置制御が可能となる。

本発明の目的は、光の輻射圧が作用する向きを様々に変更可能な光学デバイス、及びこれを用いた宇宙機を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る光学デバイスの斜視図である。 上記光学デバイスの図１の領域Ｒを拡大して示す部分平面図である。 上記光学デバイスの図２のＡ－Ａ'線に沿った部分断面図である。 上記光学デバイスの図２のＢ－Ｂ'線に沿った部分断面図である。 上記光学デバイスのＯＦＦ状態における液晶層の微細構造を示す部分断面図である。 上記光学デバイスのＯＮ状態における液晶層の微細構造を示す部分断面図である。 上記光学デバイスの動作の一例を示す部分断面図である。 上記光学デバイスの動作の一例を示す部分断面図である。 上記光学デバイスの動作の一例を示す部分断面図である。 上記光学デバイスの動作の一例を示す部分断面図である。 上記光学デバイスの他の構成例を示す部分平面図である。 上記光学デバイスの変形例を示す部分平面図である。 上記光学デバイスの変形例の動作の一例を示す図１２のＣ－Ｃ'線に沿った部分断面図である。 上記光学デバイスの変形例の動作の一例を示部分断面図である。 上記光学デバイスの変形例の他の構成例を示す部分平面図である。 上記光学デバイスが設けられた宇宙機の斜視図である。 上記光学デバイスを用いた宇宙機の制御の一例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた宇宙機の制御の一例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた宇宙機の制御の一例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた宇宙機の制御の一例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた宇宙機の制御の一例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた人工衛星の構成例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いたソーラーセイルの構成例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた望遠鏡システムの構成例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた干渉計システムの構成例を示す斜視図である。 上記光学デバイスを用いた干渉計システムの構成例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。しかし、本発明は、下記の実施形態によって限定的に解釈されるものではない。なお、以下の説明における上下左右などといった方向を示す表現は、特に断りのない限りにおいて、図面の紙面に沿った方向を示すものとする。

［光学デバイス１］
図１～１１を参照し、本発明の一実施形態に係る光学デバイス１について説明する。なお、各図面には、適宜、相互に直交する座標軸であるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、光学デバイス１に対して固定された固定座標系を規定し、すべての図面について共通である。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学デバイス１の斜視図である。光学デバイス１は、基準面であるＸＹ平面に沿って延びるシート状の概形を有する。本実施形態に係る光学デバイス１は、Ｚ軸方向の上側から下側に向けて入射する光の輻射圧が作用する向きを様々に変更可能なように構成されている。

図２は、光学デバイス１の上面における図１の領域Ｒを拡大して示す部分平面図である。光学デバイス１は、高密度のドットパターンで示された複数の第１光学エレメントＥｐと、低密度のドットパターンで示された複数の第２光学エレメントＥｑと、無地で示された複数の第３光学エレメントＥｒと、を有する。

光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒは、ＸＹ平面に沿ってピクセル状に配列されている。各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒは、いずれも平板状に形成され、ＸＹ平面に対して相互に異なる向きに傾いている。各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒは、上側から入射する光をそれぞれ独立して反射可能な反射素子として構成される。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒは、輻射圧の作用が最も強力な可視及び赤外領域の光の作用を有効に受けるために、赤外領域の波長の数倍程度の大きさを有していれば充分である。したがって、光学デバイス１では、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒを小型の構成とすることで、Ｚ軸方向に薄くて軽量なフィルム状とすることができる。

図３，４は光学デバイス１のＺ軸に平行な面に沿った部分断面図であり、図３は図２のＡ－Ａ'線に沿った断面を示し、図４は図２のＢ－Ｂ'線に沿った断面を示している。つまり、図３は第１及び第２光学エレメントＥｐ，Ｅｑの縦断面を示し、図４は第１及び第３光学エレメントＥｐ，Ｅｒの縦断面を示している。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒはそれぞれ、内側電極層１０と、外側電極層２０と、液晶層３０と、を含む共通の層状構造を有する。各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、内側電極層１０が下側に位置し、外側電極層２０が上側に位置し、液晶層３０が内側電極層１０と外側電極層２０との間に位置する。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの内側電極層１０は、液晶層３０に隣接する傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒを有する。各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒは、ＸＹ平面に対して相互に異なる向きに傾き、図２に示すＺ軸に対して相互に異なる向きに傾いた単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒを有する。

傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒの単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒはそれぞれ、ＸＹ平面に平行な成分を有する。具体的に、単位法線ベクトルｐはＸ軸方向マイナス及びＹ軸方向マイナスの成分を有し、単位法線ベクトルｑはＸ軸方向プラス及びＹ軸方向マイナスの成分を有し、単位法線ベクトルｒはＹ軸方向プラスの成分を有する。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの内側電極層１０の各傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒはいずれも、光反射性を有し、入射する光を鏡面反射する。これにより、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒはそれぞれ、内側電極層１０の傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒに入射する光を単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒの向きに応じた方向に反射する反射鏡として機能する。

光学デバイス１では、各傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒおいて光を反射する各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの内側電極層１０が協働して、光の輻射圧の作用を受ける作用部として構成される。各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒに反射される光の輻射圧が、単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒの逆ベクトルの向きに作用する。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、外側電極層２０が光透過性を有し、上側から入射する光が外側電極層２０を透過して液晶層３０に入射する。光学デバイス１は、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒごとに、液晶層３０を透過して内側電極層１０の傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒにに加わる作用の大きさを制御可能な光制御部を有する。

より詳細に、光学デバイス１の光制御部は、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒにおける液晶層３０の光透過性を、機械的な動作を伴わずに電気的に個別に切替可能に構成される。各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、内側電極層１０及び外側電極層２０が、光制御部の一対の電極を構成し、液晶層３０に電圧を印加可能なように構成される。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの内側電極層１０は、傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒにおける光反射性と、液晶層３０に対する電気的接続を得るための導電性と、が良好に得られる構成であればよい。一例として、内側電極層１０は、例えば、金属光沢及び高い導電性を有するアルミニウムなどの金属材料によって形成することができる。

また、内側電極層１０は、例えば樹脂フィルムなどの絶縁性のフィルム部材を用いた構成とすることもできる。この場合、フィルム部材における傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒを含む領域に蒸着法などによって金属膜を形成することで、金属膜を形成した領域に光反射性及び導電性を持たせることができる。

各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの外側電極層２０は、例えば、ポリイミドフィルムなどの透明なフィルム部材を用いた構成とすることができる。この場合、フィルム部材に、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜を形成することで、液晶層３０に対する電気的接続を得ることができる。

光学デバイス１は、複数の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒがそれぞれ並列接続された共通の電源ＰＳと、複数の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒについてそれぞれ設けられた複数のスイッチＳＷと、を有する。電源ＰＳは、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの内側電極層１０及び外側電極層２０にスイッチＳＷを介して接続されている。

光学デバイス１では、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒごとに、スイッチＳＷによって電源ＰＳによる通電状態を変更することができる。したがって、光学デバイス１では、内側電極層１０と外側電極層２０とに挟まれた液晶層３０へ電圧の印加の有無を、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒごとに電気的に切り替えることができる。

つまり、光学デバイス１では、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒごとに、液晶層３０に電圧が印加されていないＯＦＦ状態と、液晶層３０に電圧が印加されたＯＮ状態と、を個別に切替可能である。図５，６は液晶層３０を模式的に示す部分断面図であり、図５はＯＦＦ状態を示し、図６はＯＮ状態を示している。

液晶層３０は、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）で形成されている。つまり、液晶層３０は、高分子材料３１中に液晶のドロップレット３２が分散した構成を有している。ドロップレット３２を構成する液晶分子は異方性を有している。

図５に示すＯＦＦ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの液晶層３０では、ドロップレット３２中の液晶分子がランダムな方向を向いているため、ドロップレット３２に入射する光が液晶分子によって乱反射させられる。したがって、ＯＦＦ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、液晶層３０の光透過性が低くなる。

このため、ＯＦＦ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、光が液晶層３０による拡散反射によって遮断されることで、内側電極層１０の傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒに入射する光の量が少なくなる。したがって、ＯＦＦ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、内側電極層１０の傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒに光の輻射圧の作用が有効に加わらない。

これに対し、図６に示すＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの液晶層３０では、ドロップレット３２中の液晶分子が電圧の印加方向に沿って配向することで、液晶分子の配向方向に沿ってドロップレット３２を光が透過しやすくなる。したがって、ＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、液晶層３０の光透過性が高くなる。

このため、ＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、液晶層３０を透過し、内側電極層１０の傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒに入射する光の量が多くなる。したがって、ＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、内側電極層１０の傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒに光の輻射圧の作用が有効に加わる。

図７～１０を参照し、光学デバイス１の基本動作について説明する。なお、以下の説明では、各図面に示す光学エレメントＥｐ，ＥｑのＸＺ平面に沿った部分断面のみについて着目する。しかし、光学デバイス１では、光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，ＥｒのＺ軸に平行な他の任意の部分断面についても以下と同様に理解することができる。

図７に示す状態では、光学エレメントＥｐがＯＮ状態で、光学エレメントＥｑがＯＦＦ状態である。したがって、ＯＮ状態の光学エレメントＥｐでは、液晶層３０を透過した光が内側電極層１０の傾斜面Ｄｐに入射する。この一方で、ＯＦＦ状態の光学エレメントＥｑでは、液晶層３０によって光が遮断される。

したがって、図７に示す光学デバイス１の部分では、光の輻射圧が光学エレメントＥｐに対して有効に作用する。このため、この光学デバイス１では、当該部分において、単位法線ベクトルｐがＸ軸方向マイナスの成分を持つ傾斜面Ｄｐで反射される光の輻射圧の作用によって、Ｘ軸方向プラスの成分を有する駆動力Ｆが加わる。

図８に示す状態では、光学エレメントＥｐがＯＦＦ状態で、光学エレメントＥｑがＯＮ状態である。したがって、ＯＦＦ状態の光学エレメントＥｐでは、液晶層３０によって光が遮断される。この一方で、ＯＮ状態の光学エレメントＥｑでは、液晶層３０を透過した光が内側電極層１０の傾斜面Ｄｑに入射する。

したがって、図８に示す光学デバイス１の部分では、光の輻射圧が光学エレメントＥｑに対して有効に作用する。このため、この光学デバイス１では、当該部分において、単位法線ベクトルｑがＸ軸方向プラスの成分を持つ傾斜面Ｄｑで反射される光の輻射圧の作用によって、Ｘ軸方向マイナスの成分を有する駆動力Ｆが加わる。

以上のとおり、光学デバイス１では、光学エレメントＥｐ，ＥｑにおけるＯＮ状態とＯＦＦ状態との切り替えによって、光の輻射圧を有効に作用させる光学エレメントＥｐ，Ｅｑを変更することができる。これにより、光学デバイス１では、駆動力ＦにＸ軸方向プラス及びマイナスのいずれの成分も持たせることができる。

光学デバイス１における任意の部分に加わる駆動力Ｆの向きは、当該部分にあるＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒの逆ベクトルの総和によって決まる。このため、光学デバイス１は、任意の部分において、ＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの組み合わせに応じた駆動力Ｆを受けることができる。

上記のとおり、光学デバイス１では、単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒが、Ｘ軸方向プラス及びマイナス、並びにＹ軸方向プラス及びマイナスの４成分をいずれも含んでいる。これにより、光学デバイス１は、任意の部分において、ＸＹ平面に平行な任意の成分を有する駆動力Ｆを受けることが可能となる。

次に、図９，１０に示す状態では、Ｘ軸方向に２分割された左側の領域と右側の領域とで、光学エレメントＥｐ，ＥｑのＯＮ状態とＯＦＦ状態とが切り替えられている。図９，１０に示す光学デバイス１の部分では、左側及び右側の各領域において光学エレメントＥｐ，Ｅｑがいずれも共通の通電状態とされている。

具体的に、図９に示す状態では、左側の光学エレメントＥｐ，ＥｑがいずれもＯＮ状態であり、右側の光学エレメントＥｐ，ＥｑがいずれもＯＦＦ状態である。したがって、図９に示す光学デバイス１の部分では、光の輻射圧が左側の光学エレメントＥｐ，Ｅｑの傾斜面Ｄｐ，Ｄｑに対して有効に作用する。

図９に示す光学デバイス１の部分の左側の光学エレメントＥｐ，Ｅｑでは、傾斜面Ｄｐ，Ｄｑに作用する光の輻射圧が、Ｘ軸方向に相互に打ち消し合い、Ｚ軸方向下向きに作用する。したがって、当該部分では、左側の領域のみに下向きの駆動力Ｆが加わることで、Ｙ軸を中心とする反時計回りのモーメントが発生する。

図１０に示す状態では、左側の光学エレメントＥｐ，ＥｑがいずれもＯＦＦ状態であり、右側の光学エレメントＥｐ，ＥｑがいずれもＯＮ状態である。したがって、図１０に示す光学デバイス１の部分では、光の輻射圧が右側の光学エレメントＥｐ，Ｅｑの傾斜面Ｄｐ，Ｄｑに対して有効に作用する。

図１０に示す光学デバイス１の部分の右側の光学エレメントＥｐ，Ｅｑでは、傾斜面Ｄｐ，Ｄｑに作用する光の輻射圧が、Ｘ軸方向に相互に打ち消し合い、Ｚ軸方向下向きに作用する。したがって、当該部分では、右側の領域のみに下向きの駆動力Ｆが加わることで、Ｙ軸を中心とする時計回りのモーメントが発生する。

以上のとおり、光学デバイス１では、光学エレメントＥｐ，Ｅｑの通電状態の切り替えによって、光の輻射圧を有効に作用させる領域をＸ軸方向に沿って偏らせることができる。これにより、光学デバイス１では、Ｙ軸を中心とする両方向のモーメントを発生させることができる。

同様に、光学デバイス１では、光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの通電状態の切り替えによって、光の輻射圧を有効に作用させる領域をＸＹ平面に沿ったいずれの方向にも偏らせることができる。これにより、光学デバイス１では、ＸＹ平面に平行な任意の軸を中心とするモーメントを発生させることができる。

なお、光学デバイス１では、光の輻射圧の作用の合計として加わる駆動力Ｆの向きが変化しないようにＯＮ状態の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの数を増減させることで、駆動力Ｆの大きさのみを変更することができる。これにより、光学デバイス１は、任意の部分において、様々な大きさの駆動力Ｆを様々な向きに受けることが可能となる。

また、光学デバイス１では、光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの配列を様々に変更可能であり、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒを不規則な配置とすることも可能である。更に、光学デバイス１では、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒについて、例えば、単位法線ベクトルｐ，ｑ，ｒ、形状、大きさなどの構成を様々に変更可能である。

加えて、光学デバイス１における単位法線ベクトルの向きが相互に異なる光学エレメントの数は、２つ以上であればよく、用途などに応じて適宜決定可能である。例えば、光学デバイス１では、図１１に示すように、４つの光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒ，Ｅｓが配列された構成であってもよい。

しかし、光学デバイス１では、ＸＹ平面に平行な任意の成分を有する駆動力Ｆを得るために、単位法線ベクトルの向きが相互に異なる光学エレメントが３つ以上あることが好ましく、更に、単位法線ベクトルがＸ軸方向プラス及びマイナス、並びにＹ軸方向プラス及びマイナスの４成分のすべてを含むことがより好ましい。

また、光学デバイス１の傾斜面は、光の輻射圧の作用を有効に受けられる構成であれば反射面でなくてもよい。つまり、光学デバイス１の傾斜面は、光屈折性を有する屈折面や、光吸収性を有する吸収面であってもよい。一例として、傾斜面が屈折面である変形例に係る光学デバイス１Ａについて説明する。

図１２は、光学デバイス１Ａの部分平面図である。図１３，１４は、光学デバイス１Ａの図１２のＣ－Ｃ'線に沿った部分断面図である。光学デバイス１Ａの各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒでは、内側電極層１０と外側電極層２０と液晶層３０との積層体がＸＹ平面に沿って配置されている。内側電極層１０は、外側電極層２０と同様に光透過性を有する。

つまり、光学デバイス１Ａでは、光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒに設けられた複数の液晶層３０がＸＹ平面に平行な同一平面上に並んでいる。このため、光学デバイス１Ａでは、光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒにおいて複数の液晶層３０を含む一連の液晶パネルを用いることで、製造コストを低減することができる。

また、各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒは、外側電極層２０にＺ軸方向に隣接して設けられた透過部材４０を更に有する。透過部材４０は、光透過性を有し、Ｚ軸方向下側を向いた傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒを含む。光学デバイス１Ａでは、複数の透過部材４０が傾斜面Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒにおいて光の輻射圧の作用を受ける作用部として構成される。

光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒに設けられた複数の透過部材４０は、例えば、多面加工を施した一連の多面化透過フィルムとして構成することができる。複数の透過部材４０を構成する多面化透過フィルムは、例えば、プレス加工、エッチング加工などの技法を用いて製造することができる。

図１３に示す状態では、光学エレメントＥｐがＯＮ状態で、光学エレメントＥｑがＯＦＦ状態である。したがって、ＯＮ状態の光学エレメントＥｐにおいて、液晶層３０を透過し、更に透過部材４０を投下した光が、傾斜面Ｄｐで屈折させられる。これにより、傾斜面Ｄｐに加わる光の輻射圧の作用によって、光学エレメントＥｐに駆動力Ｆが加わる。

図１４に示す状態では、光学エレメントＥｐがＯＦＦ状態で、光学エレメントＥｑがＯＮ状態である。したがって、ＯＮ状態の光学エレメントＥｑにおいて、液晶層３０を透過し、更に透過部材４０を投下した光が、傾斜面Ｄｑで屈折させられる。これにより、傾斜面Ｄｑに加わる光の輻射圧の作用によって、光学エレメントＥｑに駆動力Ｆが加わる。

光学デバイス１Ａには、光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの間に、光を遮断する遮光部Ｂを有することが好ましい。これにより、隣接する光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒに入射する光の侵入を防止することができる。例えば、図１３に示す状態では、光学エレメントＥｐに入射する光の光学エレメントＥｑへの侵入を防止することができる。

なお、光学デバイス１Ａでも、光学エレメントの数を適宜決定可能であり、例えば、図１５に示すように４つの光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒ，Ｅｓが配列された構成であってもよい。図１５に示す構成では、従来の液晶パネルの製造技術をそのまま利用できるため、光学デバイス１Ａ製造コストを低減することができる。

［光学デバイス１を用いた宇宙機１００の制御］
図１６～２１を参照し、本実施形態に係る光学デバイス１を用いた宇宙機１００の制御について説明する。図１６は、本実施形態に係る光学デバイス１が設けられた宇宙機１００の斜視図である。宇宙機１００は、宇宙空間における太陽光が入射する領域で動作可能な任意の機器を想定した立方体のモデルである。

光学デバイス１は、太陽光の輻射圧を利用することで、推進薬などの消費資源を一切消費せずに宇宙機１００を半永久的に制御可能である。また、太陽光の輻射圧によって生成される推力は数ナノニュートンと極微小であるため、光学デバイス１では従来不可能なレベルの超高精度での宇宙機１００の制御が可能となる。

光学デバイス１は、特に、宇宙空間における太陽光の輻射圧による外乱が支配的な領域における宇宙機１００の制御に特に有利である。一例として、光学デバイス１は、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５などのラグランジュ点軌道や、静止軌道、長楕円軌道、惑星間飛行軌道といった太陽光の輻射圧による軌道外乱が支配的な軌道に乗る宇宙機１００の制御に非常に有用である。

宇宙機１００では、ＸＹ平面に沿って延びる外面が、太陽光の入射を受ける受光面１１０として構成される。光学デバイス１は、宇宙機１００の受光面１１０に沿って設けられている。光学デバイス１は、図１６に示すように、Ｘ軸及びＹ軸に沿って、複数の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒを含む１６個のセグメントＳに分割されている。

光学デバイス１では、各セグメントＳごとに、太陽光の輻射圧を作用させる向きが設定され、設定された向きに太陽光の輻射圧が作用するように各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒの通電状態が制御される。これにより、光学デバイス１では、すべてのセグメントＳに加わる太陽光の輻射圧の合計として様々な向きの駆動力Ｆが得られる。

なお、光学デバイス１では、分割するセグメントＳの数は、１６個に限定されず、任意に決定可能である。また、光学デバイス１では、複数の光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒを含むセグメントＳに分割することは必須ではなく、例えば、太陽光の輻射圧を作用させる向きを各光学エレメントＥｐ，Ｅｑ，Ｅｒごとに細かく設定してもよい。

図１７に示す光学デバイス１では、すべてのセグメントＳが、光の輻射圧がＸ軸に沿った右向きに作用するように設定されている。したがって、この状態の光学デバイス１では、太陽光の輻射圧の作用によって宇宙機１００に対して右向きに駆動力Ｆが加わるため、宇宙機１００を右向きに移動させることができる。

同様に、光学デバイス１では、すべてのセグメントＳを太陽光の輻射圧がＸ軸に沿った左向きに作用するように設定することで、太陽光の輻射圧の作用で加わる駆動力Ｆによって、宇宙機１００を左向きに移動させることができる。このように、光学デバイス１によって、宇宙機１００をＸ軸に沿った両方向に移動させることができる。

また、図１８に示す光学デバイス１では、すべてのセグメントＳが、太陽光の輻射圧がＹ軸に沿った上向きに作用するように設定されている。したがって、この状態の光学デバイス１では、太陽光の輻射圧の作用によって宇宙機１００に対して上向きに駆動力Ｆが加わるため、宇宙機１００を上向きに移動させることができる。

同様に、光学デバイス１では、すべてのセグメントＳを太陽光の輻射圧がＹ軸に沿った下向きに作用するように設定することで、太陽光の輻射圧の作用で加わる駆動力Ｆによって、宇宙機１００を下向きに移動させることができる。このように、光学デバイス１によって、宇宙機１００をＹ軸に沿った両方向に移動させることができる。

更に、光学デバイス１では、すべてのセグメントＳを太陽光の輻射圧がＺ軸に沿った奥向きに作用するように設定することができる。これにより、光学デバイス１では、太陽光の輻射圧の作用によって宇宙機１００に対して奥向きに駆動力Ｆが加わるため、宇宙機１００を奥向きに移動させることができる。

ここで、複数の宇宙機１００を想定すると、一部の宇宙機１００のみに対してＺ軸に沿った奥向きの駆動力Ｆを加えることで、当該一部の宇宙機１００と他の宇宙機１００とをＺ軸に沿って相対移動させることができる。つまり、光学デバイス１によって、複数の宇宙機１００をＺ軸に沿った両方向に相対移動させることができる。

以上のとおり、光学デバイス１は、宇宙機１００に対してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿ったいずれの方向にも駆動力Ｆを加えることができる。これにより、光学デバイス１では、宇宙機１００をＸＹＺ空間中の任意の方向に移動させることができ、つまり宇宙機１００に対する並進３自由度での効率的な位置制御が可能となる。

次に、図１９に示す光学デバイス１では、各セグメントＳが、太陽光の輻射圧が時計回りに周回する向きに作用するように設定されている。したがって、この状態の光学デバイス１では、太陽光の輻射圧の作用による駆動力Ｆで発生するＺ軸に平行な軸を中心とするモーメントによって宇宙機１００を時計回りに回動させることができる。

同様に、光学デバイス１では、各セグメントＳを太陽光の輻射圧が半時計回りに周回する向き作用するように設定することで、宇宙機１００を半時計回りに回動させることができる。このように、光学デバイス１によって、宇宙機１００をＺ軸に平行な軸を中心とする両方向に回動させることができる。

また、図２０に示す光学デバイス１では、太陽光の輻射圧が左半分の領域にあるセグメントＳに対して奥向きに作用するように設定されている。したがって、この状態の光学デバイス１では、太陽光の輻射圧の作用による駆動力Ｆで発生するＹ軸に平行な軸を中心とするモーメントによって宇宙機１００を図２０に示す向きに回動させることができる。

同様に、光学デバイス１では、太陽光の輻射圧が右半分の領域あるセグメントＳに対して奥向きに作用するように設定することで、宇宙機１００を上記とは反対向きに回動させることができる。このように、光学デバイス１によって、宇宙機１００をＹ軸に平行な軸を中心とする両方向に回動させることができる。

更に、図２１に示す光学デバイス１では、太陽光の輻射圧が上半分の領域にあるセグメントＳに対して奥向きに作用するように設定されている。したがって、この状態の光学デバイス１では、太陽光の輻射圧の作用による駆動力Ｆで発生するＸ軸に平行な軸を中心とするモーメントによって宇宙機１００を図２１に示す向きに回動させることができる。

同様に、光学デバイス１では、太陽光の輻射圧が下半分の領域にあるセグメントＳに対して奥向きに作用するように設定することで、宇宙機１００を上記とは反対向きに回動させることができる。このように、光学デバイス１によって、宇宙機１００をＸ軸に平行な軸を中心とする両方向に回動させることができる。

以上のとおり、光学デバイス１は、宇宙機１００に対してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸を中心とするいずれの方向にもモーメントを発生させることができる。これにより、光学デバイス１では、宇宙機１００を任意の軸に沿って回動させることができ、つまり宇宙機１００に対する回転３自由度での効率的な姿勢制御が可能となる。

したがって、本実施形態に係る光学デバイス１を用いることにより、並進３自由度と回転３自由度とを組み合わせた６自由度での宇宙機１００の制御が可能となる。これにより、本実施形態に係る光学デバイス１が設けられた宇宙機１００では、精密な位置制御及び姿勢制御を効率的に行うことが可能となる。

［光学デバイス１の応用例］
図２２～２６を参照し、本実施形態に係る光学デバイス１の応用例について説明する。なお、本実施形態に係る光学デバイス１は、以下の応用例に限定されず、上記の機能を有効に利用可能な任意の用途に利用可能である。また、本実施形態に係る光学デバイス１を設ける位置や数量などは適宜変更可能である。

図２２は、光学デバイス１が設けられた人工衛星２００の斜視図である。人工衛星２００は、本体部２１０と、太陽光パネル２２０と、を有する。太陽光パネル２２０は、本体部２１０の外側に延び、太陽光の入射を受けることで電気エネルギを生成する。光学デバイス１は、本体部２１０の外面に沿って設けられている。

光学デバイス１は、人工衛星２００に対し、所定の軌道上に維持するための位置制御や、太陽光パネル２２０を太陽の方向に向ける姿勢制御などを行うことができる。なお、光学デバイス１は、太陽光パネル２２０に設けられていてもよく、本体部２１０及び太陽光パネル２２０の両方に設けられていてもよい。

図２３は、光学デバイス１が設けられたソーラーセイル３００の斜視図である。ソーラーセイル３００は、本体部３１０と、セイル３２０と、を有する。セイル３２０は、本体部３１０の周囲に二次元的に延び、太陽光の入射を受けることで推進力を得る。光学デバイス１は、セイル３２０の表面に設けられている。

光学デバイス１は、ソーラーセイル３００に対し、軌道修正のための位置制御や、進行方向に応じてセイル３２０の向きを変える姿勢制御などを行うことができる。なお、光学デバイス１は、本体部３１０に設けられていてもよく、本体部３１０及びセイル３２０の両方に設けられていてもよい。

図２４は、光学デバイス１を用いた望遠鏡システム４００を示す斜視図である。望遠鏡システム４００は、検出器４１１を備えた検出器衛星４１０と、光学系４２１を備えた光学系衛星４２０と、を有する。光学デバイス１は、検出器衛星４１０及び光学系衛星４２０の外面にそれぞれ設けられている。

望遠鏡システム４００では、フォーメーションフライトする検出器衛星４１０及び光学系衛星４２０が協働して１つの望遠鏡として機能する。フォーメーションフライトでは、各衛星間の距離が充分に近く、典型的には数ｋｍの場合に、太陽光の輻射圧による外乱が支配的になるため、光学デバイス１による制御が特に有効となる。

光学デバイス１は、観測したい方向の光が光学系４２１に入射するように光学系衛星４２０の位置制御及び姿勢制御を行い、光学系４２１に入射する光が正確に検出器４１１に集光されるように検出器衛星４１０の位置制御及び姿勢制御を行う。これにより、望遠鏡システム４００では、任意の方向の観測画像を生成可能となる。

このように、光学デバイス１を用いることで、２機の衛星間の相対位置を精密制御することができる。このため、光学デバイスを、望遠鏡システム４００以外にも、例えば、コロナグラフィーや系外惑星観測などに応用することで、推進薬などの消費資源を一切消費しない運用が可能になる。

図２５は、光学デバイス１を用いた干渉計システム５００の斜視図である。干渉計システム５００は、アンテナ５１１を備えた複数の受信衛星５１０を有する。アンテナ５１１は、マイクロ波やミリ波などの電波を受信可能に構成されている。光学デバイス１は、各受信衛星５１０の外面にそれぞれ設けられている。

干渉計システム５００では、フォーメーションフライトする複数の受信衛星５１０が協働して１つの干渉計として機能する。光学デバイス１は、各受信衛星５１０がアンテナ５１１によって受信する電波によって目的とする情報が得られるように、各受信衛星５１０の位置制御及び姿勢制御を行う。

図２６は、光学デバイス１を用いた干渉計システム６００の斜視図である。干渉計システム６００は、検出器衛星６１０と、光学系６２１を備えた複数の光学系衛星６２０と、を有する。光学デバイス１は、検出器衛星６１０及び複数の光学系衛星６２０の外面にそれぞれ設けられている。

干渉計システム６００では、フォーメーションフライトする検出器衛星６１０及び複数の光学系衛星６２０が協働して１つの干渉計として機能する。光学デバイス１は、各光学系６２１に入射する光が検出器６１１に集光されるように検出器衛星６１０及び各光学系衛星６２０の位置制御及び姿勢制御を行う。

このように、光学デバイス１を用いることで、複数基の衛星間の相対位置を精密制御して、複数基の衛星・パーツを連結しなくともあたかも１つの構造として成立させることができる。このため、光学デバイスを、例えば、バーチャルストラクチャや重力波干渉計などに応用することで、推進薬などの消費資源を一切消費しない運用が可能になる。

また、光学デバイス１を用いることで、少量の電力での駆動が可能となるため、推進薬などの消費資源や発電量が限られる超小型衛星の姿勢制御及び位置制御が実現可能となる。また、光学デバイス１を量産可能な液晶などを用いて製造することで、低コストで、超小型衛星のフォーメーションフライトを実現可能である。

以上のとおり、本実施形態に係る光学デバイス１は、各種宇宙機の制御に特に好適に利用可能であるが、これ以外の用途にも利用可能である。例えば、本実施形態に係る光学デバイス１における光学エレメントの通電状態によって傾斜面による反射光の光路を変化させることが可能な機能は、様々な機器に応用可能である。

例えば、光学デバイス１を用いたプロジェクタでは、映像を投射する向きを一瞬にして大きく変化させることが可能である。また、光学デバイス１を用いた標識では、視覚情報を提示する向きを迅速に切り替えることができる。更に、光学デバイス１を用いた照明器具では、光を照射する向きを容易かつ迅速に変更することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

一例として、本発明の光学デバイスの光制御部は、液晶層を用いた構成に限定されない。例えば、光制御部は、光を遮断することが可能な光シャッタを用いた構成であってもよい。光シャッタとしては、例えば、液晶光シャッタや圧電光シャッタなどが挙げられる。液晶光シャッタは、典型的には、偏光軸が直交する２枚の偏光板の間に液晶層が挟まれた構成を有する。液晶光シャッタの方式としては、例えば、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式を採用可能である。

また、光制御部は、複数の傾斜面に対する光透過性を変更可能な構成に限定されない。例えば、光制御部は、エレクトロクロミズムやサーモクロミズムなどを応用し、光反射性を個別に電気的に切替可能な表面を有するクロミックデバイスを用いた構成であってもよい。このような光制御部では、複数のクロミックデバイスの表面をそれぞれ傾斜面として構成することで、各傾斜面の光反射性を個別に電気的に切替可能である。

更に、本発明の光学デバイスでは、各光学エレメントの作用部に設ける複数の傾斜面の種類が相互に異なっていてもよい。例えば、光学デバイスは、光反射性を有する傾斜面と、光屈折性を有する傾斜面と、を組み合わせて構成することもできる。これにより、光学デバイスでは、更に高い精度での姿勢制御及び位置制御が可能となる。

加えて、光学デバイス１では、傾斜面において光の輻射圧の作用を受ける作用部が、各光学エレメントごとに分割された複数の内側電極層１０で構成されていなくてもよい。例えば、光学デバイス１の作用部は、各光学エレメントごとに傾斜面が設けられた一体の部材として構成されていてもよい。

１…光学デバイス
１０…内側電極層
２０…外側電極層
３０…液晶層
３１…高分子材料
３２…ドロップレット
Ｅｐ，Ｅｑ，Ｅｒ…光学エレメント
Ｄｐ，Ｄｑ，Ｄｒ…傾斜面
ｐ，ｑ，ｒ…単位法線ベクトル
ＰＳ…電源
ＳＷ…スイッチ

Claims (8)

1. 基準面に沿って延びる光学デバイスであって、
   前記基準面に対して相互に異なる向きに傾いた複数の傾斜面と、
   前記光学デバイスに入射する光によって前記複数の傾斜面に加わる作用の大きさを個別に電気的に切替可能に構成された光制御部と、
   を具備する光学デバイス。
2. 請求項１に記載の光学デバイスであって、
   前記光学デバイスは、少なくとも３つの傾斜面を有する
   光学デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の光学デバイスであって、
   前記複数の傾斜面は、光反射性を有する
   光学デバイス。
4. 請求項１又は２に記載の光学デバイスであって、
   前記複数の傾斜面は、光屈折性を有する
   光学デバイス。
5. 請求項１又は２に記載の光学デバイスであって、
   前記複数の傾斜面は、光反射性を有する傾斜面と、光屈折性を有する傾斜面と、を含む
   光学デバイス。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光学デバイスであって、
   前記光制御部は、前記複数の傾斜面にそれぞれ設けられ、高分子分散型液晶で形成された複数の液晶層を有する
   光学デバイス。
7. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学デバイスであって、
   前記光制御部は、光反射性を個別に電気的に切替可能な表面を有する複数のクロミックデバイスを有し、
   前記複数のクロミックデバイスの前記表面が前記複数の傾斜面として構成される
   光学デバイス。
8. 受光面と、前記受光面に沿って延びる光学デバイスと、を具備し、
   前記光学デバイスは、
   前記受光面に対して相互に異なる向きに傾いた複数の傾斜面と、
   前記光学デバイスに入射する光によって前記複数の傾斜面に加わる作用の大きさを個別に電気的に切替可能に構成された光制御部と、
   を有する
   宇宙機。

Images