WO2018037676A1 - 光学デバイス - Google Patents

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WO2018037676A1
WO2018037676A1 PCT/JP2017/021718 JP2017021718W WO2018037676A1 WO 2018037676 A1 WO2018037676 A1 WO 2018037676A1 JP 2017021718 W JP2017021718 W JP 2017021718W WO 2018037676 A1 WO2018037676 A1 WO 2018037676A1
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WO
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liquid crystal
substrate
alignment film
light
electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/021718
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伊藤　宜弘
佳周 長田
浩章 飯島
一樹 北村
浩史 久保田
太田　益幸
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority to JP2018535476A priority Critical patent/JP6628167B2/ja
Publication of WO2018037676A1 publication Critical patent/WO2018037676A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells

Definitions

  • the present invention relates to optical devices.
  • optical device capable of changing the transmission state of external light such as sunlight incident from the outside.
  • Patent Document 1 discloses a liquid crystal optical element having a pair of transparent substrates, a pair of transparent electrodes formed on each of the pair of transparent substrates, and a prism layer and a liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent electrodes. It is disclosed.
  • the liquid crystal optical element changes the refractive index of the liquid crystal layer by a voltage applied to the pair of transparent electrodes, and changes the refraction angle of light passing through the interface between the slope of the prism and the liquid crystal layer.
  • the above-mentioned conventional liquid crystal optical element has a problem that the light distribution efficiency is low.
  • an alignment film made of polyimide or the like for aligning the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer is formed on the surface of the prism layer.
  • the surface of the prism layer has irregularities, the rubbing process of the alignment film can not be performed. For this reason, since the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer are not properly aligned, it is difficult to set the refractive index of the liquid crystal layer to a desired value.
  • the prism layer when the prism layer is formed using a resin material, the prism layer does not have solvent resistance. Therefore, when an organic material such as polyimide is applied as an alignment film, the asperity shape of the prism layer may be deformed. Furthermore, there is also a possibility that water contained in the organic material may deteriorate the liquid crystal layer. As a result of these, the light distribution efficiency of the liquid crystal optical element is reduced.
  • an object of the present invention is to provide an optical device having high light distribution efficiency.
  • an optical device includes a light-transmitting first substrate, a light-transmitting second substrate facing the first substrate, and the first substrate. And a light distribution layer disposed between the second substrate and the light distribution layer for distributing incident light, and the light distribution layer is provided between a concavo-convex structure portion having a plurality of convex portions, and the plurality of convex portions A liquid crystal portion containing a plurality of liquid crystal molecules, and an inorganic alignment film and an organic alignment film which are arranged to sandwich the liquid crystal portion and align the plurality of liquid crystal molecules.
  • the inorganic alignment film is provided on the surface of the uneven structure portion.
  • an optical device having high light distribution efficiency can be realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the optical device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view for explaining a light distribution mode of the optical device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view for explaining a light transmission mode of the optical device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a figure which shows the usage example at the time of installing the optical device (light distribution mode) which concerns on embodiment in a window.
  • each drawing is a schematic view, and is not necessarily illustrated exactly. Therefore, for example, the scale and the like do not necessarily match in each figure. Further, in each of the drawings, substantially the same configuration is given the same reference numeral, and overlapping description will be omitted or simplified.
  • the x-axis, the y-axis and the z-axis indicate three axes of the three-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the z-axis direction is the vertical direction
  • the direction perpendicular to the z-axis is the horizontal direction.
  • the positive direction of the z axis is vertically upward.
  • the “thickness direction” means the thickness direction of the optical device, and is a direction perpendicular to the main surfaces of the first substrate and the second substrate
  • the “plan view” means It refers to when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the first substrate or the second substrate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the optical device 1 according to the present embodiment, and is an enlarged cross-sectional view of a region II surrounded by an alternate long and short dash line in FIG.
  • the optical device 1 is a light control device that controls light incident on the optical device 1.
  • the optical device 1 is a light distribution element capable of changing the traveling direction of light incident on the optical device 1 (that is, distributing light) and causing the light to be emitted.
  • the optical device 1 is configured to transmit incident light, and includes a first substrate 10, a second substrate 20, a light distribution layer 30, and a first electrode 40. , A second electrode 50, and a spacer 60.
  • An adhesion layer may be provided on the surface of the first electrode 40 on the light distribution layer 30 side for bringing the first electrode 40 into close contact with the concavo-convex structure portion 31 of the light distribution layer 30.
  • the adhesion layer is, for example, a translucent adhesive sheet.
  • the optical device 1 has a configuration in which the first electrode 40, the light distribution layer 30, and the second electrode 50 are disposed in this order along the thickness direction between the first substrate 10 and the second substrate 20 forming a pair. .
  • the spacers 60 are dispersed in the plane in order to maintain the distance between the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the first substrate 10 and the second substrate 20 are translucent substrates having translucency.
  • a glass substrate or a resin substrate can be used as the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the material of the glass substrate examples include soda glass, alkali-free glass and high refractive index glass.
  • the material of the resin substrate examples include resin materials such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic (PMMA) or epoxy.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PC polycarbonate
  • PMMA acrylic
  • 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.
  • the first substrate 10 and the second substrate 20 may be made of the same material, or may be made of different materials. Further, the first substrate 10 and the second substrate 20 are not limited to rigid substrates, and may be flexible substrates having flexibility. In the present embodiment, the first substrate 10 and the second substrate 20 are transparent resin substrates made of PET resin.
  • the second substrate 20 is an opposing substrate that faces the first substrate 10, and is disposed at a position that faces the first substrate 10.
  • the first substrate 10 and the second substrate 20 are disposed at a predetermined distance such as 10 ⁇ m to 30 ⁇ m, for example.
  • the first substrate 10 and the second substrate 20 are bonded by a sealing resin such as an adhesive formed in the shape of a frame on the outer periphery of each end.
  • substrate 20 is a square shape or a rectangular shape, for example, it does not restrict to this, A circle other than polygon may be sufficient, Arbitrary The shape of can be adopted.
  • the light distribution layer 30 is disposed between the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the light distribution layer 30 has translucency, and transmits incident light.
  • the light distribution layer 30 distributes the incident light. That is, when light passes through the light distribution layer 30, the light distribution layer 30 changes the traveling direction of the light.
  • the light distribution layer 30 has a concavo-convex structure part 31 (concave and convex layer), a liquid crystal part 32 (liquid crystal layer) containing a liquid crystal material, an inorganic alignment film 33, and an organic alignment film 34.
  • the concavo-convex structure portion 31 has a plurality of convex portions 35 and a plurality of concave portions 36 as shown in FIG. Specifically, the concavo-convex structure portion 31 is a concavo-convex structure body configured by a plurality of convex portions 35 of micro order size. A plurality of concave portions 36 are between the plurality of convex portions 35. That is, the space between two adjacent convex portions 35 is one concave portion 36.
  • the plurality of projections 35 are a plurality of projections repeated along the z-axis direction parallel to the main surface (the surface on which the first electrode 40 is provided) of the first substrate 10. That is, in the present embodiment, the z-axis direction is the direction in which the plurality of convex portions 35 are arranged.
  • the plurality of convex portions 35 are formed in a stripe shape.
  • Each of the plurality of protrusions 35 is a long protrusion extending in the x-axis direction.
  • each of the plurality of convex portions 35 is a long, substantially triangular prism shape having a triangular sectional shape and extending in the x-axis direction, and is arranged at equal intervals along the z-axis direction.
  • the sectional shape of the convex portion 35 is not limited to a triangle, and may be a trapezoid.
  • Each of the plurality of protrusions 35 has the same shape, but may have different shapes.
  • each of the plurality of protrusions 35 is, for example, 2 ⁇ m to 100 ⁇ m, but is not limited thereto. Further, the distance between the adjacent protrusions 35, that is, the width (z-axis direction) of the recesses 36 is, for example, 0 to 100 ⁇ m. That is, the two adjacent convex portions 35 may be disposed at a predetermined interval without contacting with each other, or may be disposed in contact with each other. The distance between adjacent convex portions 35 is not limited to 0 to 100 ⁇ m.
  • Each of the plurality of projections 35 has a pair of side surfaces 35a and 35b. As shown in FIG. 2, the pair of side surfaces 35 a and 35 b are surfaces intersecting in the z-axis direction.
  • the cross-sectional shape of each of the plurality of projections 35 is a tapered shape that tapers along the direction (thickness direction) from the first substrate 10 toward the second substrate 20.
  • Each of the pair of side surfaces 35a and 35b is an inclined surface which is inclined at a predetermined inclination angle with respect to the thickness direction, and the distance between the pair of side surfaces 35a and 35b Is gradually reduced from the first substrate 10 toward the second substrate 20.
  • the side surface 35a is, for example, a side surface (upper side surface) on the vertically upper side of the pair of side surfaces 35a and 35b.
  • the side surface 35 b is, for example, a side surface (lower side surface) on the vertically lower side of the pair of side surfaces 35 a and 35 b.
  • the resin material which has light transmittances such as an acrylic resin, an epoxy resin, or a silicone resin
  • the convex portion 35 is formed of, for example, an ultraviolet curable resin material, and can be formed by molding or nanoimprinting.
  • the concavo-convex structure part 31 can form the concavo-convex structure whose cross section is a triangle by mold-pressing, for example using the acrylic resin whose refractive index is 1.5.
  • the height of the protrusions 35 is, for example, 10 ⁇ m, and the plurality of protrusions 35 are arranged at equal intervals of 2 ⁇ m in the z-axis direction at equal intervals.
  • the thickness of the root portion of the convex portion 35 is, for example, 10 ⁇ m.
  • the spacing can take values from 0 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the birefringent material of the liquid crystal portion 32 is, for example, a liquid crystal including liquid crystal molecules 37 having birefringence.
  • liquid crystal for example, nematic liquid crystal or cholesteric liquid crystal in which liquid crystal molecules 37 are rod-like molecules can be used.
  • the liquid crystal molecules 37 having birefringence have, for example, an ordinary light refractive index (no) of 1.5 and an extraordinary light refractive index (ne) of 1.7.
  • the liquid crystal portion 32 is disposed so as to fill the plurality of concave portions 36 of the uneven structure portion 31.
  • the liquid crystal portion 32 is arranged to fill a gap formed between the first electrode 40 and the second electrode 50. For example, as shown in FIG. 2, since the protrusion 35 and the second electrode 50 are separated, the liquid crystal portion 32 is disposed so as to fill the gap between the protrusion 35 and the second electrode 50.
  • the liquid crystal portion 32 functions as a refractive index adjustment layer whose refractive index in the visible light region can be adjusted by application of an electric field. Specifically, since the liquid crystal portion 32 is formed of liquid crystal having liquid crystal molecules 37 having electric field responsiveness, application of an electric field to the light distribution layer 30 changes the alignment state of the liquid crystal molecules 37 to change the liquid crystal. The refractive index of the portion 32 changes.
  • An electric field is applied to the light distribution layer 30 by applying a voltage between the first electrode 40 and the second electrode 50. Therefore, the electric field applied to the light distribution layer 30 is changed by controlling the voltage applied to the first electrode 40 and the second electrode 50, whereby the alignment state of the liquid crystal molecules 37 is changed, and the refraction of the liquid crystal portion 32 is caused.
  • the rate changes. That is, in the liquid crystal unit 32, the refractive index is changed by applying a voltage to the first electrode 40 and the second electrode 50.
  • FIG. 2 shows a state in which no voltage is applied (the same applies to FIG. 3 described later), and the liquid crystal molecules 37 are aligned such that the major axis is parallel to the x-axis.
  • the liquid crystal molecules 37 are aligned such that the major axis is parallel to the y axis (see FIG. 4 described later).
  • the liquid crystal portion 32 may be given an electric field by AC power, or may be given an electric field by DC power.
  • the voltage waveform may be a sine wave or a square wave.
  • the liquid crystal portion 32 seals the outer peripheries of the first substrate 10 on which the first electrode 40 and the concavo-convex structure portion 31 are formed, and the second substrate 20 on which the second electrode 50 is formed, with a sealing resin. It is formed by injecting positive type liquid crystal by vacuum injection method in the state of stopping.
  • the inorganic alignment film 33 is an alignment film for aligning a plurality of liquid crystal molecules 37 contained in the liquid crystal portion 32.
  • the inorganic alignment film 33 is disposed between the organic alignment film 34 and the liquid crystal portion 32.
  • the inorganic alignment film 33 is in contact with the liquid crystal portion 32 and aligns a plurality of liquid crystal molecules 37 included in the contacting portion (surface layer on the first substrate 10 side of the liquid crystal portion 32) in a predetermined direction.
  • the inorganic alignment film 33 is provided on the surface of the uneven structure portion 31. That is, the inorganic alignment film 33 is formed along the unevenness of the uneven structure portion 31. Specifically, the inorganic alignment film 33 is a thin film formed along the surface of the convex portion 35, that is, the surface of the concave portion 36 with a substantially uniform film thickness. The inorganic alignment film 33 covers the side surface 35 a and the side surface 35 b. The film thickness of the inorganic alignment film 33 is, for example, 10 nm to 200 nm, but is not limited to this.
  • the inorganic alignment film 33 contains an inorganic material as a main component. Specifically, the inorganic alignment film 33 is formed using an insulating and translucent inorganic material. The inorganic alignment film 33 contains, for example, a transparent metal oxide such as silicon oxide (SiO 2 ) as a main component. The inorganic alignment film 33 is formed in a thin film along the unevenness of the surface of the uneven structure portion 31 by, for example, sputtering or vapor deposition.
  • the refractive index of the inorganic alignment film 33 is substantially equal to the refractive index of the concavo-convex structure portion 31, and is, for example, 1.5. Thereby, refraction and reflection of light at the interface between the concavo-convex structure portion 31 and the inorganic alignment film 33 (specifically, the side surfaces 35a and 35b) can be suppressed.
  • the organic alignment film 34 is an alignment film for aligning a plurality of liquid crystal molecules 37 contained in the liquid crystal portion 32.
  • the organic alignment film 34 is in contact with the liquid crystal portion 32 and aligns a plurality of liquid crystal molecules 37 included in the contacting portion (surface layer on the second substrate 20 side of the liquid crystal portion 32) in a predetermined direction.
  • the anchoring strength of the organic alignment film 34 is larger than the anchoring strength of the inorganic alignment film 33.
  • the anchoring strength corresponds to a force (orienting force) for orienting the liquid crystal molecules 37.
  • the anchoring strength of the organic alignment film 34 is 10 times to 100 times the anchoring strength of the inorganic alignment film 33.
  • the anchoring strength of the organic alignment film 34 is 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 J / m 2 to 8 ⁇ 10 ⁇ 4 J / m 2 .
  • the anchoring strength of the inorganic alignment film 33 is 2 ⁇ 10 ⁇ 6 J / m 2 to 4 ⁇ 10 ⁇ 5 J / m 2 .
  • the anchoring strength of the organic alignment film 34 is larger than the anchoring strength of the inorganic alignment film 33, the plurality of liquid crystal molecules 37 can be aligned based on the organic alignment film 34.
  • the alignment direction of the plurality of liquid crystal molecules 37 is determined by the organic alignment film 34, and the inorganic alignment film 33 assists the alignment of the liquid crystal molecules 37 in the determined alignment direction. That is, since strong anchoring strength is not required for the inorganic alignment film 33, rubbing processing may not be performed.
  • a plurality of liquid crystal molecules 37 included in the liquid crystal portion 32 can be aligned.
  • the organic alignment film 34 is provided on the surface of the second electrode 50.
  • the organic alignment film 34 is a thin film formed to have a substantially uniform film thickness so as to cover the surface of the second electrode 50.
  • the film thickness of the organic alignment film 34 is, for example, 10 nm to 300 nm, but is not limited thereto.
  • the organic alignment film 34 contains an organic material as a main component. Specifically, the organic alignment film 34 is formed using an insulating and translucent organic material. The organic alignment film 34 contains, for example, a transparent resin material such as polyimide as a main component. The organic alignment film 34 is formed in a thin film along the surface of the second electrode 50, for example, by coating. The organic alignment film 34 is formed by performing a rubbing process after the transparent resin material is applied.
  • first electrode 40 and the second electrode 50 are electrically paired and configured to be able to apply an electric field to the light distribution layer 30.
  • the first electrode 40 and the second electrode 50 are paired not only electrically but also in arrangement, and are arranged to face each other. Specifically, the first electrode 40 and the second electrode 50 are disposed so as to sandwich the light distribution layer 30.
  • the first electrode 40 and the second electrode 50 have optical transparency and transmit incident light.
  • the first electrode 40 and the second electrode 50 are, for example, transparent conductive layers.
  • the material of the transparent conductive layer is a transparent metal oxide such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide), a conductor containing resin made of a resin containing a conductor such as silver nanowire or conductive particles, or And metal thin films such as silver thin films can be used.
  • the first electrode 40 and the second electrode 50 may have a single-layer structure of these, or a laminated structure of these (for example, a laminated structure of a transparent metal oxide and a metal thin film).
  • each of the first electrode 40 and the second electrode 50 is ITO having a thickness of 100 nm.
  • the first electrode 40 is disposed between the first substrate 10 and the uneven structure portion 31. Specifically, the first electrode 40 is formed on the surface of the first substrate 10 on the light distribution layer 30 side.
  • the second electrode 50 is disposed between the liquid crystal unit 32 and the second substrate 20. Specifically, the second electrode 50 is formed on the surface of the second substrate 20 on the light distribution layer 30 side.
  • the first electrode 40 and the second electrode 50 are configured to be able to electrically connect to an external power supply, for example.
  • an electrode pad or the like for connection to an external power supply may be drawn out from each of the first electrode 40 and the second electrode 50 and formed on the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the first electrode 40 and the second electrode 50 are each formed, for example, by vapor deposition, sputtering or the like.
  • the spacer 60 is provided to maintain the distance between the first substrate 10 and the second substrate 20.
  • the spacer 60 is a light transmitting sphere (particle) having a predetermined diameter.
  • the spacer 60 is a particle made of glass or resin, and its diameter is, for example, 5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • a plurality of spacers 60 are randomly dispersed in liquid crystal unit 32.
  • the distance between the first substrate 10 and the second substrate 20 can be maintained by dispersing the plurality of spacers 60 in the plane.
  • the inorganic alignment film 33 on the resin asperities, when the beads are dispersed and the opposing substrate is bonded, the pressure applied to the asperity shape is reduced by the beads, and the effect that the asperity shape is not broken is obtained. Be Therefore, the light distribution performance is improved without disturbing the alignment of the liquid crystal.
  • the plurality of spacers 60 are, for example, mixed in advance with the liquid crystal material constituting the liquid crystal portion 32.
  • the plurality of spacers 60 are dispersed in the plane.
  • the refractive index of the plurality of spacers 60 is, for example, equal to the refractive index of the liquid crystal unit 32. Specifically, the refractive index of the plurality of spacers 60 is 1.5 to 1.7.
  • the optical device 1 has two optical states (operation modes) according to the application state of the electric field to the light distribution layer 30. Specifically, the optical device 1 has a light distribution mode in which the traveling direction of incident light is changed, and a light transmission mode in which the incident light is passed as it is (without changing the traveling direction).
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view for explaining the light distribution mode of the optical device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view for explaining the light transmission mode of the optical device 1 according to the present embodiment.
  • liquid crystal molecules 37 included in the liquid crystal portion 32 according to an electric field applied to the light distribution layer 30, specifically, a voltage applied between the first electrode 40 and the second electrode 50. Orientation changes. Since the liquid crystal molecules 37 are rod-like liquid crystal molecules having birefringence, the refractive index differs depending on the polarization state of incident light.
  • Light such as sunlight incident on the optical device 1 includes P-polarization (P-polarization component) and S-polarization (S-polarization component).
  • the vibration direction of the p-polarized light is substantially parallel to the short axis of the liquid crystal molecules 37 in any of the modes shown in FIGS.
  • the refractive index of the liquid crystal molecules 37 for P polarization does not depend on the mode, and is the ordinary refractive index (no), specifically 1.5.
  • the refractive index for P-polarized light is substantially constant in the light distribution layer 30, so the P-polarized light travels straight in the light distribution layer 30 as it is.
  • the refractive index of the liquid crystal molecules 37 for S-polarization varies according to the mode of FIGS. 3 and 4. The details of each mode will be described below.
  • the refractive index of the convex portion 35 is 1.5, and the refractive index of the liquid crystal portion 32 is 1.7.
  • S-polarization of light L1 such as sunlight incident obliquely to the optical device 1 is, when it enters the liquid crystal portion 32 from the convex portion 35 (inorganic alignment film 33), the inorganic alignment film 33
  • the light is refracted by the surface 33b, and when it enters the convex portion 35 (inorganic alignment film 33) from the liquid crystal portion 32, the light is reflected by the surface 33a of the inorganic alignment film 33 and travels obliquely upward.
  • the surfaces 33 a and 33 b of the inorganic alignment film 33 are substantially parallel to the side surfaces 35 a and 35 b of the convex portion 35, respectively.
  • the light L2 (S-polarized light) incident substantially perpendicularly to the optical device 1 is refracted by the surface 33a or 33b when passing through the surface 33a or 33b, as shown in FIG. At this time, since the light is incident shallowly on the surface 33a or 33b (the incident angle is large), these lights are refracted on the surface 33a or 33b and then as they are (without being reflected on the other side surface) It is emitted from 20.
  • the P-polarized light of the light L1 travels obliquely downward through the optical device 1 without being refracted by the surface 33b and without being reflected by the surface 33a.
  • the P-polarization of the light L2 similarly passes through the optical device 1 as it is.
  • both P polarization and S polarization of the light L1 are directly optical It passes through the device 1 and travels obliquely downward. Further, both of the P-polarized light and the S-polarized light of the light L2 pass straight through the optical device 1 as they are.
  • FIG. 5 is a view showing an example of use when the optical device 1 (light distribution mode) according to the present embodiment is installed in a window.
  • the optical device 1 can be realized as a window with a light distribution function by being installed in the window 91 of a building 90.
  • the optical device 1 is bonded, for example, to the existing window 91 via the adhesive layer.
  • the optical device 1 is installed in the window 91 such that the main surfaces of the first substrate 10 and the second substrate 20 are parallel to the vertical direction (z-axis direction).
  • the first substrate 10 is the outdoor side
  • the second substrate 20 is the indoor side
  • the optical device 1 When the optical device 1 is in the light distribution mode, a difference in refractive index occurs between the convex portion 35 and the liquid crystal portion 32. Therefore, as shown in FIG. 3, the light L1 (S polarized light) is totally reflected by the surface 33a. It travels diagonally upward. For this reason, as shown in FIG. 5, the indoor ceiling is illuminated by the light totally reflected by the surface 33a (total reflection surface). Thus, indoors can be brightened by introducing sunlight and irradiating the ceiling surface. As a result, for example, the indoor lighting fixture can be turned off or the light output can be suppressed, so power saving can be achieved.
  • S polarized light S polarized light
  • the light not passing through the surface 33a or 33b does not change its traveling direction, so the scene can be viewed by the light .
  • the traveling direction of the S polarized light changes, the traveling direction of the P polarized light does not change.
  • the transmittance of reflected light from the scene can be 50% or more. Therefore, it is possible to brighten the room while maintaining an open feeling by the transparency inherent to the window.
  • the traveling direction of the light L 1 reflected by the surface 33 a can be controlled by the refractive index of the liquid crystal portion 32. That is, the elevation angle of the light emitted from the optical device 1 can be adjusted. Specifically, by adjusting the refractive index of the liquid crystal portion 32, the elevation angle of the emitted light can be adjusted.
  • the refractive index of the liquid crystal portion 32 can be adjusted stepwise by controlling the voltage applied between the first electrode 40 and the second electrode 50.
  • the optical device 1 can make the emission angle (elevation angle) of the light emitted from the optical device 1 substantially constant, for example, by adjusting the refractive index of the liquid crystal unit 32.
  • the emission angle elevation angle
  • the optical device 1 can make the emission angle (elevation angle) of the light emitted from the optical device 1 substantially constant, for example, by adjusting the refractive index of the liquid crystal unit 32.
  • the optical device 1 includes the light transmitting first substrate 10, the second substrate 20 facing the first substrate 10, and the light transmitting property, and the first substrate 10 And the second substrate 20, and the light distribution layer 30 includes a concavo-convex structure portion 31 having a plurality of convex portions 35, and a plurality of convex portions.
  • Inorganic alignment which is disposed so as to sandwich the liquid crystal portion 32 and the liquid crystal portion 32 including the plurality of liquid crystal molecules 37 disposed so as to fill the space 35 (concave portion 36), and aligns the plurality of liquid crystal molecules 37
  • a film 33 and an organic alignment film 34 are provided, and the inorganic alignment film 33 is provided on the surface of the uneven structure portion 31.
  • the inorganic alignment film 33 formed on the surface of the uneven structure portion 31 contains an inorganic material as a main component and does not substantially contain an organic material. For this reason, it can suppress that the shape of the uneven structure part 31 changes with organic materials. Therefore, it is possible to suppress deformation of the concavo-convex shape of the concavo-convex structure portion 31, and to suppress deformation of the shapes of the refractive surface (surface 33b) and the reflective surface (surface 33a). Thereby, incident light can be advanced in a desired direction, and light distribution efficiency can be enhanced.
  • the inorganic alignment film 33 can suppress the leakage of the component into the liquid crystal portion 32. Therefore, the deterioration of the liquid crystal portion 32 can be suppressed.
  • the inorganic alignment film 33 reduces the pressing force from the spacer 60, and the convex portion of the concavo-convex structure portion 31. It can suppress that 35 is deformed. Thereby, incident light can be advanced in a desired direction, and light distribution efficiency can be enhanced.
  • the optical device 1 having high light distribution efficiency.
  • the optical device 1 further includes a first electrode 40 and a second electrode 50 disposed so as to sandwich the light distribution layer 30, and the liquid crystal unit 32 is disposed between the first electrode 40 and the second electrode 50.
  • the refractive index changes.
  • the optical device 1 when a voltage is applied between the first electrode 40 and the second electrode 50, the refractive index of the liquid crystal portion 32 can be changed, so that the optical device 1 has a plurality of optical states according to the applied voltage. Can be realized.
  • the optical device 1 can realize a light distribution mode in which incident sunlight or the like travels toward the indoor ceiling surface, and a light transmission mode in which incident sunlight or the like travels as it is.
  • the first electrode 40 is disposed between the first substrate 10 and the concavo-convex structure portion 31
  • the second electrode 50 is disposed between the liquid crystal portion 32 and the second substrate 20, and the organic alignment film 34 is provided on the surface of the second electrode 50.
  • the anchoring strength of the organic alignment film 34 is larger than the anchoring strength of the inorganic alignment film 33.
  • the anchoring strength of the organic alignment film 34 is larger than the anchoring strength of the inorganic alignment film 33, so that the plurality of liquid crystal molecules 37 can be aligned based on the organic alignment film 34.
  • the alignment direction of the plurality of liquid crystal molecules 37 is determined by the organic alignment film 34, and the inorganic alignment film 33 assists the alignment of the liquid crystal molecules 37 in the determined alignment direction. That is, since strong anchoring strength is not required for the inorganic alignment film 33, rubbing processing may not be performed.
  • the inorganic alignment film 33 contains a transparent metal oxide as a main component.
  • the inorganic alignment film 33 sufficiently transmits light, the light transmittance of the optical device 1 can be increased, and the light distribution efficiency can be improved.
  • optical device concerning the present invention was explained based on the above-mentioned embodiment, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
  • the optical device is disposed in the window such that the longitudinal direction of the convex portion 35 is the x-axis direction, but the present invention is not limited to this.
  • the optical device may be disposed in the window such that the longitudinal direction of the projection 35 is the z-axis direction.
  • each of the plurality of convex portions 35 constituting the concavo-convex structure portion 31 is long, but the present invention is not limited to this.
  • the plurality of convex portions 35 may be arranged to be scattered in a matrix or the like. That is, the plurality of convex portions 35 may be arranged in a dotted manner.
  • each of the plurality of convex portions 35 has the same shape.
  • the shapes may be different in the plane.
  • the inclination angles of the side surfaces 35 a of the plurality of protrusions 35 may be made different between the upper half and the lower half in the z-axis direction in the optical device 1.
  • the heights of the plurality of convex portions 35 are fixed, but the present invention is not limited to this.
  • the heights of the plurality of projections 35 may be randomly different. By doing this, it is possible to suppress that the light transmitted through the optical device appears iridescent. That is, by making the heights of the plurality of convex portions 35 different at random, minute diffracted light and scattered light at the concavo-convex interface are averaged by the wavelength, and coloring of the emitted light is suppressed.
  • a material containing a polymer such as a polymer structure may be used besides the liquid crystal material.
  • the polymer structure is, for example, a network-like structure, and the arrangement of liquid crystal molecules between the polymer structures (network) enables adjustment of the refractive index.
  • a liquid crystal material containing a polymer for example, a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) or a polymer network liquid crystal (PNLC) can be used.
  • sunlight was illustrated as light which injects into the optical device 1 in said embodiment, it does not restrict to this.
  • the light incident on the optical device 1 may be light emitted by a light emitting device such as a lighting device.
  • the optical device 1 is attached to the indoor surface of the window 91.
  • the optical device 1 may be attached to the outdoor surface of the window 91. By sticking on the indoor side, deterioration of the optical element can be suppressed.
  • the optical device 1 is attached to the window, the optical device may be used as the window of the building 90 itself. Further, the optical device 1 is not limited to being installed in the window 91 of the building 90, and may be installed in, for example, a window of a car.
  • the present invention can be realized by arbitrarily combining components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention or embodiments obtained by applying various modifications that those skilled in the art may think to each embodiment.
  • the form is also included in the present invention.

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Abstract

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）と第２基板（２０）との間に配置され、入射した光を配光する配光層（３０）とを備え、配光層（３０）は、複数の凸部（３５）を有する凹凸構造部（３１）と、複数の凸部（３５）の間を充填するように配置された、複数の液晶分子（３７）を含む液晶部（３２）と、液晶部（３２）を間に挟むように配置され、複数の液晶分子（３７）を配向させる無機配向膜（３３）及び有機配向膜（３４）とを有し、無機配向膜（３３）は、凹凸構造部（３１）の表面に設けられている。

Description

光学デバイス
　本発明は、光学デバイスに関する。
　屋外から入射する太陽光などの外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、一対の透明基板と、一対の透明基板の各々に形成された一対の透明電極と、一対の透明電極に挟まれたプリズム層及び液晶層とを有する液晶光学素子が開示されている。当該液晶光学素子は、一対の透明電極に印加される電圧によって液晶層の屈折率を変化させて、プリズムの斜面と液晶層との界面を通過する光の屈折角を変化させる。
特開２０１２－１７３５３４号公報
　しかしながら、上記従来の液晶光学素子では、配光効率が低いという問題がある。
　具体的には、上記従来の液晶光学素子では、液晶層の液晶分子を配向させるための、ポリイミドなどからなる配向膜がプリズム層の表面に形成されている。しかしながら、プリズム層の表面は凹凸を有するので、配向膜のラビング処理ができない。このため、液晶層の液晶分子が適切に配向されなくなるので、液晶層の屈折率を所望の値にすることが難しくなる。
　また、プリズム層が樹脂材料を用いて形成されている場合、プリズム層は溶剤耐性を有しない。このため、配向膜としてポリイミドなどの有機材料を塗布した場合、プリズム層の凹凸形状が変形する恐れがある。さらに、有機材料に含まれる水分などが液晶層を劣化させる恐れもある。これらの結果、液晶光学素子の配光効率が低下する。
　そこで、本発明は、高い配光効率を有す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、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基板と前記第２基板との間に配置され、入射した光を配光する配光層とを備え、前記配光層は、複数の凸部を有する凹凸構造部と、前記複数の凸部の間を充填するように配置された、複数の液晶分子を含む液晶部と、前記液晶部を間に挟むように配置され、前記複数の液晶分子を配向させる無機配向膜及び有機配向膜とを有し、前記無機配向膜は、前記凹凸構造部の表面に設けられている。
　本発明によれば、高い配光効率を有する光学デバイスを実現することができる。
図１は、実施の形態に係る光学デバイスの断面図である。 図２は、実施の形態に係る光学デバイス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配光モードを説明するための拡大断面図である。 図４は、実施の形態に係る光学デバイスの透光モードを説明するための拡大断面図である。 図５は、実施の形態に係る光学デバイス（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。
　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。
　（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、スペーサ６０とを備える。
　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である。
　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。スペーサ６０は、第１基板１０及び第２基板２０間の距離を保つために、面内に分散されている。
　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。
　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。
　第２基板２０は、第１基板１０に対向する対向基板であり、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、例えば、１０μｍ～３０μｍなどの所定距離空けて配置されている。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。
　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。
　配光層３０は、凹凸構造部３１（凹凸層）と、液晶材料を含む液晶部３２（液晶層）と、無機配向膜３３と、有機配向膜３４とを有する。
　凹凸構造部３１は、図２に示すように、複数の凸部３５と、複数の凹部３６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の複数の凸部３５によって構成された凹凸構造体である。複数の凸部３５の間が、複数の凹部３６である。すなわち、隣り合う２つの凸部３５の間が、１つの凹部３６である。
　複数の凸部３５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軸方向に沿って繰り返す複数の凸部である。すなわち、本実施の形態では、ｚ軸方向は、複数の凸部３５の並び方向である。
　本実施の形態において、複数の凸部３５は、ストライプ状に形成されている。複数の凸部３５の各々は、ｘ軸方向に延びる長尺状の凸部である。具体的には、複数の凸部３５の各々は、断面形状が三角形でｘ軸方向に延在する長尺状の略三角柱形状であり、ｚ軸方向に沿って等間隔に配列されている。凸部３５の断面形状は、三角形に限らず、台形でもよい。複数の凸部３５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３５の各々の高さ（ｙ軸方向の長さ）は、例えば２μｍ～１００μｍであるが、これに限らない。また、隣り合う凸部３５の間隔、すなわち、凹部３６の幅（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３５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３５の間隔は、０～１００μｍに限らない。
　複数の凸部３５の各々は、一対の側面３５ａ及び３５ｂを有する。図２に示すように、一対の側面３５ａ及び３５ｂ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３５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３５ａ及び３５ｂ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３５ａ及び３５ｂの間隔（凸部３５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。
　側面３５ａは、例えば、一対の側面３５ａ及び３５ｂのうち、鉛直上方側の側面（上側面）である。側面３５ｂは、例えば、一対の側面３５ａ及び３５ｂのうち、鉛直下方側の側面（下側面）である。
　凸部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。
　凹凸構造部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三角形の凹凸構造を、モールド型押しにより形成することができる。凸部３５の高さは、例えば１０μｍであり、複数の凸部３５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３５の根元部の厚さは、例えば１０μｍである。間隔は０μｍ～５μｍの値をとりうる。液晶部３２の複屈折材料は、例えば、複屈折性を有する液晶分子３７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３７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などを用いることができる。また、複屈折性を有する液晶分子３７は、例えば、常光屈折率（ｎｏ）が１．５で、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７である。
　液晶部３２は、凹凸構造部３１の複数の凹部３６を充填するように配置されている。液晶部３２は、第１電極４０と第２電極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。例えば、図２に示すように、凸部３５と第２電極５０とが離れているので、液晶部３２は、凸部３５と第２電極５０との間の隙間を埋めるように配置される。
　本実施の形態において、液晶部３２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、液晶部３２は、電界応答性を有する液晶分子３７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３７の配向状態が変化して液晶部３２の屈折率が変化する。
　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３７の配向状態が変化して液晶部３２の屈折率が変化する。つまり、液晶部３２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。
　このとき、凸部３５の屈折率が１．５である場合、液晶部３２の材料としては、常光屈折率が１．５で、異常光屈折率が１．７のポジ型の液晶を用いることができる。
　なお、図２では、電圧が無印加の状態（後述する図３も同様）を示しており、液晶分子３７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３７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４を参照）。
　なお、液晶部３２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。
　液晶部３２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、ポジ型液晶を真空注入法で注入することで形成される。
　無機配向膜３３は、液晶部３２に含まれる複数の液晶分子３７を配向させる配向膜である。無機配向膜３３は、有機配向膜３４との間に、液晶部３２を挟むように配置されている。無機配向膜３３は、液晶部３２と接触しており、接触している部分（液晶部３２の第１基板１０側の表面層）に含まれる複数の液晶分子３７を所定の方向に配向させる。
　本実施の形態では、無機配向膜３３は、凹凸構造部３１の表面に設けられている。すなわち、無機配向膜３３は、凹凸構造部３１の凹凸に沿って形成されている。具体的には、無機配向膜３３は、凸部３５の表面、すなわち、凹部３６の表面に沿って略均一な膜厚で形成された薄膜である。無機配向膜３３は、側面３５ａ及び側面３５ｂを覆っている。無機配向膜３３の膜厚は、例えば、１０ｎｍ～２００ｎｍであるが、これに限らない。
　無機配向膜３３は、無機材料を主成分として含有する。具体的には、無機配向膜３３は、絶縁性で、かつ、透光性の無機材料を用いて形成されている。無機配向膜３３は、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）などの透明金属酸化物を主成分として含んでいる。無機配向膜３３は、例えば、スパッタリング又は蒸着によって、凹凸構造部３１の表面の凹凸に沿って薄膜状に形成される。
　無機配向膜３３の屈折率は、凹凸構造部３１の屈折率と略等しく、例えば、１．５である。これにより、凹凸構造部３１と無機配向膜３３との間の界面（具体的には、側面３５ａ及び３５ｂ）での光の屈折及び反射を抑制することができる。
　有機配向膜３４は、液晶部３２に含まれる複数の液晶分子３７を配向させる配向膜である。有機配向膜３４は、液晶部３２と接触しており、接触している部分（液晶部３２の第２基板２０側の表面層）に含まれる複数の液晶分子３７を所定の方向に配向させる。
　有機配向膜３４のアンカリング強度は、無機配向膜３３のアンカリング強度より大きい。アンカリング強度とは、液晶分子３７を配向させる力（配向力）に相当する。具体的には、有機配向膜３４のアンカリング強度は、無機配向膜３３のアンカリング強度の１０倍～１００倍である。例えば、有機配向膜３４のアンカリング強度は、１．０×１０－４Ｊ／ｍ２～８×１０－４Ｊ／ｍ２である。例えば、無機配向膜３３のアンカリング強度は、２×１０－６Ｊ／ｍ２～４×１０－５Ｊ／ｍ２である。
　本実施の形態では、有機配向膜３４のアンカリング強度が無機配向膜３３のアンカリング強度より大きいので、有機配向膜３４を基準に複数の液晶分子３７を配向させることができる。具体的には、有機配向膜３４によって複数の液晶分子３７の配向方向を定め、無機配向膜３３は、定められた配向方向に液晶分子３７が配向されるのを補助する。つまり、無機配向膜３３には、強いアンカリング強度が要求されないので、ラビング処理などを行わなくてもよい。有機配向膜３４と無機配向膜３３とで液晶部３２を挟むことで、液晶部３２に含まれる複数の液晶分子３７を配向させることができる。
　有機配向膜３４は、第２電極５０の表面に設けられている。有機配向膜３４は、第２電極５０の表面を覆うように、略均一な膜厚で形成された薄膜である。有機配向膜３４の膜厚は、例えば、１０ｎｍ～３００ｎｍであるが、これに限らない。
　有機配向膜３４は、有機材料を主成分として含有する。具体的には、有機配向膜３４は、絶縁性で、かつ、透光性の有機材料を用いて形成されている。有機配向膜３４は、例えば、ポリイミドなどの透明樹脂材料を主成分として含んでいる。有機配向膜３４は、例えば、塗布によって、第２電極５０の表面に沿って薄膜状に形成される。有機配向膜３４は、透明樹脂材料が塗布された後、ラビング処理が行われることで形成される。
　［第１電極及び第２電極］
　図１及び図２に示すように、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。
　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、厚さ１００ｎｍのＩＴＯである。
　第１電極４０は、第１基板１０と凹凸構造部３１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。
　一方、第２電極５０は、液晶部３２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。
　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。
　第１電極４０及び第２電極５０はそれぞれ、例えば、蒸着、スパッタリングなどにより形成される。
　［スペーサ］
　スペーサ６０は、第１基板１０と第２基板２０との間の距離を保つために設けられている。具体的には、スペーサ６０は、透光性を有する所定の径の球体（粒子）である。例えば、スペーサ６０は、ガラス又は樹脂製の粒子であり、その径は、例えば、５μｍ～１０μｍである。
　本実施の形態では、複数のスペーサ６０が液晶部３２内でランダムに分散されて配置されている。光学デバイス１の正面視において、複数のスペーサ６０が面内に分散されていることで、第１基板１０と第２基板２０との距離を保つことができる。また、樹脂凹凸上に無機配向膜３３が形成されることにより、ビーズを分散して対向基板を貼り合わせたときに、ビーズにより凹凸形状にかかる押圧が低減し、凹凸形状が崩れない効果が得られる。このため、液晶の配向が乱れず配光性能が向上する。
　複数のスペーサ６０は、例えば、液晶部３２を構成する液晶材料に予め混入されている。第１基板１０と第２基板２０との間に液晶材料を注入した際に、複数のスペーサ６０は、面内に分散して配置される。
　複数のスペーサ６０の屈折率は、例えば、液晶部３２の屈折率と同等である。具体的には、複数のスペーサ６０の屈折率は、１．５～１．７である。
　［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の光学状態について用いて説明する。
　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。
　図３は、本実施の形態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４は、本実施の形態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。
　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、液晶部３２に含まれる液晶分子３７の配向が変化する。液晶分子３７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。
　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３及び図４のいずれのモードにおいても、その振動方向が液晶分子３７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３７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。
　Ｓ偏光についての液晶分子３７の屈折率は、図３及び図４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。
　図３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３５と液晶部３２（凹部３６）との間で屈折率差が生じる。本実施の形態では、凸部３５の屈折率が１．５であり、液晶部３２の屈折率は、１．７になる。
　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Ｌ１のＳ偏光は、図３に示すように、凸部３５（無機配向膜３３）から液晶部３２に入射するときに無機配向膜３３の表面３３ｂで屈折された後、液晶部３２から凸部３５（無機配向膜３３）に入射するときに無機配向膜３３の表面３３ａで反射されて、斜め上方に向けて進行する。なお、無機配向膜３３の表面３３ａ及び３３ｂはそれぞれ、凸部３５の側面３５ａ及び３５ｂと略平行である。
　光学デバイス１に略垂直に入射する光Ｌ２（Ｓ偏光）は、図３に示すように、表面３３ａ又は３３ｂを通過する際に、表面３３ａ又は３３ｂによって屈折する。このとき、表面３３ａ又は３３ｂ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、表面３３ａ又は３３ｂ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、光Ｌ１のＰ偏光は、表面３３ｂで屈折されることなく、表面３３ａ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。なお、光Ｌ２のＰ偏光についても同様に、光学デバイス１をそのまま通過する。
　一方で、図４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のＰ偏光及びＳ偏光のいずれも、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。また、光Ｌ２のＰ偏光及びＳ偏光のいずれも、そのまま光学デバイス１を通過して真っ直ぐ進行する。
　［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５を用いて説明する。図５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。
　図５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。
　なお、図５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３５の側面３５ａが天井側で側面３５ｂ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。
　光学デバイス１が配光モードである場合、凸部３５と液晶部３２との間で屈折率差が生じるため、図３で示したように、光Ｌ１（Ｓ偏光）は、表面３３ａによって全反射されて斜め上方に向けて進行する。このため、図５に示すように、表面３３ａ（全反射面）によって全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。
　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、表面３３ａ又は３３ｂ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、表面３３ａ又は３３ｂ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。
　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。
　また、光学デバイス１では、表面３３ａで反射した光Ｌ１の進行方向を液晶部３２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、液晶部３２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。液晶部３２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。
　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、液晶部３２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。
　［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と第２基板２０との間に配置され、入射した光を配光する配光層３０とを備え、配光層３０は、複数の凸部３５を有する凹凸構造部３１と、複数の凸部３５の間（凹部３６）を充填するように配置された、複数の液晶分子３７を含む液晶部３２と、液晶部３２を間に挟むように配置され、複数の液晶分子３７を配向させる無機配向膜３３及び有機配向膜３４とを有し、無機配向膜３３は、凹凸構造部３１の表面に設けられている。
　これにより、凹凸構造部３１の表面に形成される無機配向膜３３は、無機材料を主成分として含み、有機材料を実質的に含んでいない。このため、有機材料によって凹凸構造部３１の形状が変化するのを抑制することができる。したがって、凹凸構造部３１の凹凸形状が変形するのを抑制し、屈折面（表面３３ｂ）及び反射面（表面３３ａ）の形状が変形するのを抑制することができる。これにより、入射光を所望の方向に進行させることができ、配光効率を高めることができる。
　また、無機配向膜３３は、凹凸構造部３１を構成する樹脂材料が紫外線硬化成分を含む場合であっても、当該成分が液晶部３２に漏れ出るのを抑えることができる。したがって、液晶部３２の劣化を抑制することができる。
　また、本実施の形態のようにスペーサ６０が液晶部３２内に含まれている場合であっても、無機配向膜３３は、スペーサ６０からの押圧力を緩和し、凹凸構造部３１の凸部３５が変形するのを抑制することができる。これにより、入射光を所望の方向に進行させることができ、配光効率を高めることができる。
　このように、本実施の形態によれば、高い配光効率を有する光学デバイス１を提供することができる。
　また、例えば、光学デバイス１は、さらに、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を備え、液晶部３２は、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、屈折率が変化する。
　これにより、第１電極４０及び第２電極５０間に電圧を印加した場合に、液晶部３２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。
　また、例えば、第１電極４０は、第１基板１０と凹凸構造部３１との間に配置され、第２電極５０は、液晶部３２と第２基板２０との間に配置され、有機配向膜３４は、第２電極５０の表面に設けられている。
　これにより、液晶部３２に面内で均一な電界を印加することができるので、液晶部３２の屈折率の変化を面内で均一にすることができる。
　また、例えば、有機配向膜３４のアンカリング強度は、無機配向膜３３のアンカリング強度より大きい。
　これにより、有機配向膜３４のアンカリング強度が無機配向膜３３のアンカリング強度より大きいので、有機配向膜３４を基準に複数の液晶分子３７を配向させることができる。具体的には、有機配向膜３４によって複数の液晶分子３７の配向方向を定め、無機配向膜３３は、定められた配向方向に液晶分子３７が配向されるのを補助する。つまり、無機配向膜３３には、強いアンカリング強度が要求されないので、ラビング処理などを行わなくてもよい。有機配向膜３４と無機配向膜３３とで液晶部３２を挟むことで、液晶部３２に含まれる複数の液晶分子３７を配向させることができる。
　また、例えば、無機配向膜３３は、透明金属酸化物を主成分として含む。
　これにより、無機配向膜３３が光を十分に透過させるので、光学デバイス１の透光率を高めることができ、配光効率を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、上記の実施の形態では、凸部３５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３５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、凹凸構造部３１を構成する複数の凸部３５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３５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３５を、ドット状に点在するように配置してもよい。
　また、例えば、上記の実施の形態では、複数の凸部３５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３５の側面３５ａ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３５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３５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３５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、例えば、上記の実施の形態では、配光層３０の液晶部３２の材料として、液晶材料以外にポリマー構造などの高分子を含むものを用いてもよい。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）などを用いることができる。
　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。
　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基板
２０　第２基板
３０　配光層
３１　凹凸構造部
３２　液晶部
３３　無機配向膜
３４　有機配向膜
３５　凸部
３７　液晶分子
４０　第１電極
５０　第２電極

Claims (5)

  1. 　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基板と前記第２基板との間に配置され、入射した光を配光する配光層とを備え、
    　前記配光層は、
    　複数の凸部を有する凹凸構造部と、
    　前記複数の凸部の間を充填するように配置された、複数の液晶分子を含む液晶部と、
    　前記液晶部を間に挟むように配置され、前記複数の液晶分子を配向させる無機配向膜及び有機配向膜とを有し、
    　前記無機配向膜は、前記凹凸構造部の表面に設けられている
    　光学デバイス。
  2. 　さらに、
    　前記配光層を挟むように配置された第１電極及び第２電極を備え、
    　前記液晶部は、前記第１電極及び前記第２電極間に電圧が印加された場合に、屈折率が変化する
    　請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 　前記第１電極は、前記第１基板と前記凹凸構造部との間に配置され、
    　前記第２電極は、前記液晶部と前記第２基板との間に配置され、
    　前記有機配向膜は、前記第２電極の表面に設けられている
    　請求項２に記載の光学デバイス。
  4. 　前記有機配向膜のアンカリング強度は、前記無機配向膜のアンカリング強度より大きい
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  5. 　前記無機配向膜は、透明金属酸化物を主成分として含む
    　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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