WO2018220990A1 - 光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機 - Google Patents

光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機 Download PDF

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optical device
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sheet
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thickness direction
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川口　淳一郎
治 森
俊大 中条
寛和 石田
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国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device that can reflect or transmit light, an attitude control device, and a spacecraft.
  • Non-Patent Document 1 describes solar sail “IKAROS”.
  • a solar sail is a spacecraft with a sail that receives sunlight. That is, the solar sail can navigate the outer space using the radiation pressure that the sail receives from sunlight as a driving force.
  • the solar sail described in Non-Patent Document 1 can also perform posture control using the radiation pressure that the sail receives from sunlight.
  • optical devices for posture control are arranged along the outer edge of the light receiving surface. Each optical device can electrically change the magnitude of radiation pressure received from sunlight.
  • this solar sail can be rotated about an arbitrary axis along the light receiving surface of the sail by increasing the radiation pressure received from sunlight only for a specific optical device. Thereby, in this solar sail, the attitude
  • the radiation pressure received from sunlight does not have a component in the direction along the light receiving surface of the sail. Therefore, it is difficult for the solar sail to perform posture control that requires pressure in a direction along the sail light-receiving surface, such as rotation about an axis orthogonal to the sail light-receiving surface.
  • an object of the present invention is to provide a sheet-like optical device, an attitude control device, and a spacecraft that can selectively emit light whose direction of the optical path has been changed.
  • an optical device includes a first sheet and a second sheet.
  • the first sheet extends along an in-plane direction orthogonal to the thickness direction, and has a first state having transparency in the thickness direction, and a second state having lower transparency in the thickness direction than the first state, Are configured to be electrically switchable.
  • the second sheet has a prism surface in which inclined surfaces inclined with respect to the in-plane direction are arranged along the in-plane direction, and opposes the first sheet in the thickness direction.
  • This optical device is configured to reflect or transmit light incident in the thickness direction. In the process in which the light incident on the optical device in the thickness direction is reflected or transmitted, the direction of the optical path is changed by the prism surface provided on the second sheet. For this reason, this optical device can emit light having a component in the in-plane direction.
  • the transparency in the thickness direction of the first sheet is different between the first state and the second state.
  • size of the energy of the emitted light is changed by switching the 1st sheet with a 1st state and a 2nd state, and changing the transparency of the thickness direction of a 1st sheet
  • the first sheet in the second state may diffuse light incident in the thickness direction.
  • the first sheet may have a liquid crystal layer formed of a polymer dispersed liquid crystal.
  • the size of the energy of the emitted light can be changed by diffusing the light incident in the thickness direction in the second state.
  • the second sheet may have a prism surface on the first sheet side.
  • the prism surface may reflect light transmitted through the first sheet in the thickness direction.
  • the prism surface may transmit light transmitted through the first sheet in the thickness direction.
  • An attitude control device includes a first sheet and a second sheet.
  • the first sheet extends along an in-plane direction orthogonal to the thickness direction, and has a first state having transparency in the thickness direction, and a second state having lower transparency in the thickness direction than the first state, Are configured to be electrically switchable.
  • the second sheet has a prism surface in which inclined surfaces inclined with respect to the in-plane direction are arranged along the in-plane direction, and opposes the first sheet in the thickness direction.
  • a spacecraft includes a light receiving surface and an attitude control device provided on the light receiving surface.
  • the attitude control device includes a first sheet and a second sheet.
  • the first sheet extends along the light receiving surface and electrically connects a first state having transparency in a thickness direction orthogonal to the light receiving surface and a second state having lower transparency in the thickness direction than the first state. It can be switched automatically.
  • the second sheet has a prism surface in which inclined surfaces inclined with respect to the light receiving surface are arranged along the light receiving surface, and opposes the first sheet in the thickness direction.
  • the spacecraft may include a plurality of attitude control devices in which the directions of the inclined surfaces are different from each other.
  • the present invention it is possible to provide a sheet-like optical device, an attitude control device, and a spacecraft that can selectively emit light whose direction of the optical path has been changed.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the optical device of FIG. It is a fragmentary sectional view which shows the fine structure of the liquid crystal layer of the 1st state to which the voltage was applied to the Z-axis direction. It is a fragmentary sectional view which shows the fine structure of the liquid crystal layer of the 2nd state in which the voltage is not applied to the Z-axis direction. It is a fragmentary sectional view which illustrates the prism surface of a reflection type optical device. It is sectional drawing which shows the optical path of the light reflected by a reflection type optical device (1st state).
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view of the optical device 1 taken along line AA ′ of FIG.
  • the optical device 1 extends along the XY plane and has a flexible sheet shape. That is, in the optical device 1, the thickness direction is the Z-axis direction, and the in-plane direction is the direction along the XY plane.
  • the optical device 1 is preferably a thin film optical device.
  • the optical device 1 is configured as a reflection type or a transmission type.
  • the reflective optical device 1 can reflect light incident from the upper side in the Z-axis direction and emit the light upward in the Z-axis direction.
  • the transmissive optical device 1 can transmit light incident from the upper side in the Z-axis direction and emit the light downward in the Z-axis direction.
  • the optical device 1 includes a first substrate 10, a second substrate 20, a first electrode film 30, a second electrode film 40, and a liquid crystal layer 50.
  • the first base material 10 and the second base material 20 are film members facing each other in the Z-axis direction.
  • the first electrode film 30 is formed on the upper surface of the first base material 10 in the Z-axis direction.
  • the second electrode film 40 is formed on the lower surface in the Z-axis direction of the second base material 20.
  • the optical device 1 has a first sheet and a second sheet.
  • the first sheet in the optical device 1 includes a first electrode film 30, a second electrode film 40, and a liquid crystal layer 50.
  • at least one of the first base material 10 and the second base material 20 is a second sheet.
  • the second substrate 20 and the second electrode film 40 are transparent.
  • the second substrate 20 can be formed of a transparent material such as polyimide, for example.
  • the second electrode film 40 may be a transparent conductive film such as ITO (Indium Tin Oxide), for example.
  • the first electrode film 30 has a function as a reflecting mirror that reflects light in addition to the function as an electrode. For this reason, the 1st electrode film 30 can be used as metal films, such as an aluminum vapor deposition film, for example.
  • the first substrate 10 can be the same as the second substrate 20, but can be formed of any material.
  • the first base material 10 and the first electrode film 30 are also transparent like the second base material 20 and the second electrode film 40.
  • the first base material 10 can be formed of the same transparent material as the second base material 20.
  • the first electrode film 30 can be a transparent conductive film similar to the second electrode film 40.
  • the liquid crystal layer 50 is disposed between the first electrode film 30 and the second electrode film 40 facing each other in the Z-axis direction.
  • a power source PS and a switch SW are connected in series to the first electrode film 30 and the second electrode film 40. When the switch SW is turned on, the power source PS is connected to the first electrode film 30 and the second electrode film 40, and a voltage is applied to the liquid crystal layer 50 in the Z-axis direction.
  • the optical device 1 switches between a first state in which a voltage is applied to the liquid crystal layer 50 in the Z-axis direction and a second state in which no voltage is applied to the liquid crystal layer 50 by operating the switch SW. Can do.
  • the liquid crystal layer 50 together with the first electrode film 30 and the second electrode film 40, constitutes a first sheet configured such that the transparency in the Z-axis direction can be switched between the first state and the second state.
  • FIG. 3 and 4 are partial sectional views showing the liquid crystal layer 50 in the optical device 1 in an enlarged manner. 3 and 4 schematically show the fine structure of the liquid crystal layer 50.
  • FIG. 3 shows the liquid crystal layer 50 in the first state to which a voltage is applied in the Z-axis direction.
  • FIG. 4 shows the liquid crystal layer 50 in the second state in which no voltage is applied in the Z-axis direction.
  • the liquid crystal layer 50 is formed of a polymer dispersed liquid crystal (PDLC: Polymer Dispersed Liquid Crystal). That is, the liquid crystal layer 50 has a configuration in which liquid crystal droplets 52 are dispersed in a polymer material 51. The liquid crystal molecules constituting the droplet 52 have anisotropy.
  • PDLC Polymer Dispersed Liquid Crystal
  • the liquid crystal molecules constituting the droplets 52 are aligned in the Z-axis direction. At this time, the liquid crystal layer 50 transmits the light incident in the Z-axis direction as it is. For this reason, the liquid crystal layer 50 in the first state has high transparency in the Z-axis direction.
  • the liquid crystal molecules constituting the droplets 52 are oriented in a random direction. At this time, the droplets 52 dispersed in the liquid crystal layer 50 diffuse light incident in the Z-axis direction. For this reason, the liquid crystal layer 50 in the second state has lower transparency in the Z-axis direction than in the first state.
  • the energy of the emitted light is low in the first state in the liquid crystal layer 50 where the transparency in the Z-axis direction is high and in the second state where the transparency in the Z-axis direction is low.
  • the magnitude of the energy of the emitted light can be electrically switched.
  • At least one of the first substrate 10 and the second substrate 20 is configured as a second sheet having a prism surface 60 formed along the XY plane.
  • the prism surface 60 tilts the optical path of the light emitted from the optical device 1 in the first state with respect to the Z axis by reflecting or refracting the light incident on the optical device 1 in the Z-axis direction.
  • FIGS. 5 to 7 are diagrams showing an example of the reflective optical device 1.
  • the prism surface 60 is provided on the upper surface of the first base material 10 in the Z-axis direction.
  • FIG. 5 is an enlarged partial sectional view showing the vicinity of the prism surface 60 provided on the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10.
  • prisms 61 extending along the Y-axis direction are arranged along the X-axis direction.
  • Each prism 61 is provided with an inclined surface 62 inclined at a certain angle in the X-axis direction with respect to the XY plane.
  • the prism 61 is formed asymmetrically so as to increase the area of the inclined surface 62, and is typically a right-angle prism.
  • each prism 61 in the X-axis direction can be, for example, about 10 to 30 ⁇ m.
  • the dimension of each prism 61 in the Z-axis direction can be, for example, about 1 to 10 ⁇ m.
  • the angle of the inclined surface 62 with respect to the XY plane can be about 10 to 45 °, for example.
  • the prisms 61 may be arranged at intervals in the X-axis direction or may be arranged without a gap.
  • the prism surface 60 provided on the first base material 10 is covered with a first electrode film 30 that is a metal film. For this reason, the prism surface 60 functions as a reflecting mirror that reflects light incident in the Z-axis direction. As shown in FIG. 5, the optical path of the light reflected by the inclined surface 62 of each prism 61 is inclined in the X-axis direction.
  • the light incident from the upper side in the Z-axis direction is reflected by the prism surface 60 covered with the first electrode film 30.
  • the optical path is inclined in the X-axis direction and emitted obliquely. Therefore, the light emitted from the optical device 1 in the first state has a component in the X-axis direction.
  • the liquid crystal constituting the droplet 52 of the liquid crystal layer 50 has polarization (birefringence)
  • polarization birefringence
  • the light reflected by the prism surface 60 travels obliquely through the liquid crystal layer 50 as shown in FIG. Exhibits anisotropy with respect to the plane of polarization, and scattering is caused by the plane of polarization. Thereby, energy loss of light tends to occur.
  • it is effective to provide a half-wave plate on the upper surface of the second base material 20 in the Z-axis direction.
  • the optical device 1 emits diffused light in which components in various directions are mixed.
  • the diffused light emitted in the second state is different in energy (or radiation pressure) from the oblique light emitted in the first state.
  • the prism surface 60 of the reflective optical device 1 may be provided not on the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10 but on the upper surface or the lower surface of the second base material 20 in the Z-axis direction.
  • FIG. 8 is an enlarged partial sectional view showing the vicinity of the prism surface 60 provided on the upper surface of the second base material 20 in the Z-axis direction.
  • the configuration of the prism surface 60 is the same as the configuration shown in FIG.
  • the prism surface 60 may be provided on the lower surface in the Z-axis direction of the reflective first base material 10.
  • the first electrode film 30 is formed on the lower surface in the Z-axis direction of the first base material 10, and light that has also passed through the first base material 10 is reflected on the prism surface 60 in the first state.
  • the optical device 1 having this configuration, light incident on the prism surface 60 from the upper side in the Z-axis direction is refracted in the X-axis direction on the inclined surface 62 of each prism 61.
  • the light emitted upward from the prism surface 60 in the Z-axis direction is further refracted in the X-axis direction on the inclined surface 62 of each prism 61.
  • the optical device 1 in the first state where the switch SW is on the light incident from the upper side in the Z-axis direction is reflected before and after being reflected by the planar first electrode film 30.
  • the surface 60 is refracted twice. For this reason, in the optical device 1 in the first state, light having a component in the X-axis direction is emitted.
  • the reflective optical device 1 may be configured by combining a plurality of prism surfaces 60. That is, the optical device 1 is provided on a plurality of surfaces among the three surfaces of the upper surface of the first base material 10 in the Z-axis direction, the upper surface of the second base material 20 in the Z-axis direction, and the lower surface of the second base material 20 in the Z-axis direction.
  • a prism surface 60 may be provided.
  • Transmission type optical device 1 10 to 12 are diagrams illustrating an example of the transmission optical device 1.
  • FIG. The transmissive optical device 1 shown in FIGS. 10 to 12 is provided with a prism surface 60 similar to that of the reflective optical device 1 shown in FIGS.
  • FIG. 10 is an enlarged partial sectional view showing the vicinity of the prism surface 60 provided on the upper surface of the first base material 10 in the Z-axis direction.
  • the prism surface 60 provided on the first base material 10 is covered with the first electrode film 30 which is a transparent conductive film. For this reason, the prism surface 60 transmits light incident in the Z-axis direction. As shown in FIG. 10, the light transmitted through the prism surface 60 is refracted in the X-axis direction on the inclined surface 62 of each prism 61.
  • the optical device 1 emits diffused light in which components in various directions are mixed.
  • the diffused light emitted in the second state is different in energy (or radiation pressure) from the oblique light emitted in the first state.
  • the prism surface 60 of the transmissive optical device 1 is not the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10, but the lower surface in the Z-axis direction of the first base material 10, the upper surface in the Z-axis direction of the second base material 20, or
  • the second substrate 20 may be provided on the lower surface in the Z-axis direction.
  • FIG. 13 is an enlarged partial sectional view showing the vicinity of the prism surface 60 provided on the lower surface in the Z-axis direction of the first base material 10.
  • the light emitted from the prism surface 60 is refracted in the X-axis direction on the inclined surface 62 of each prism 61. For this reason, as shown in FIG. 14, in the optical device 1 in the first state in which the switch SW is on, the light incident from the upper side in the Z-axis direction is inclined with the optical path tilted in the X-axis direction on the prism surface 60 Emitted.
  • the transmissive optical device 1 may be configured by combining a plurality of prism surfaces 60. That is, the optical device 1 includes the first base material 10 in the Z-axis direction upper surface, the first base material 10 in the Z-axis direction lower surface, the second base material 20 in the Z-axis direction upper surface, and the second base material 20 in the Z-axis direction.
  • the prism surface 60 may be provided on a plurality of surfaces among the four surfaces of the lower surface.
  • the first sheet that can be electrically switched between the first state and the second state in the optical device 1 is not limited to the liquid crystal layer 50 described above. That is, if the first sheet is configured to be electrically switchable between a first state having transparency in the Z-axis direction and a second state having lower transparency in the Z-axis direction than the first state. Good.
  • the first sheet may not be configured to diffuse light in the second state.
  • the first sheet may be an optical shutter capable of reducing transparency by blocking light in the second state.
  • the optical shutter include a liquid crystal optical shutter and a piezoelectric optical shutter.
  • the liquid crystal optical shutter typically has a configuration in which a liquid crystal layer is sandwiched between two polarizing plates whose polarization axes are orthogonal to each other.
  • a liquid crystal optical shutter system for example, a TN (Twisted Nematic) system, a VA (Vertical Alignment) system, and an IPS (In-Plane-Switching) system can be adopted.
  • the prism surface 60 can be formed by, for example, embossing.
  • embossing technique capable of forming the prism surface 60 include thermal nanoimprint, embossing, and debossing.
  • thermal nanoimprint an example in which the prism surface 60 is formed on the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10 by thermal nanoimprinting will be described.
  • FIG. 15 is a diagram showing a method of forming the prism surface 60 by thermal nanoimprinting.
  • a holding plate B that holds the first base material 10 and a mold M in which a transfer pattern of the prism surface 60 is formed on the lower surface in the Z-axis direction are used. That is, the transfer pattern of the mold M is transferred to the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10 held on the holding plate B.
  • FIGS. 16A to 16C are partial cross-sectional views showing the formation process of the prism surface 60 by thermal nanoimprinting.
  • 16A to 16C show an enlarged view of the vicinity of the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10 on which the prism surface 60 is formed.
  • the mold M is disposed to face the first base material 10.
  • the mold M is pulled away from the first substrate 10 as shown in FIG. 16C in a state where the temperature of the first substrate 10 is lowered to below the glass transition temperature.
  • the prism surface 60 is formed on the upper surface in the Z-axis direction of the first base material 10.
  • the prism surface 60 can be similarly formed on the second base material 20.
  • the formation method of the prism surface 60 is not limited to embossing.
  • the prism surface 60 may be formed by fine cutting.
  • the prism surface 60 may be formed using various etching techniques.
  • the prism surface 60 may be formed by a layered manufacturing method using a 3D printer or the like.
  • optical device 1 An application example of the optical device 1 will be described. In this section, a space machine 100, a dimming window 200, a solar power generation system 300, and a projection system 400 will be described as application examples of the optical device 1. However, the optical device 1 is not limited to these application examples described below, and can be used for various purposes.
  • the optical device 1 can be used as an attitude control device for the spacecraft 100 that uses radiation pressure received from sunlight.
  • FIGS. 17 and 18 the radiation pressure received from light incident in the Z-axis direction on the reflective and transmissive optical devices 1 will be described. 17 corresponds to FIG. 6, and FIG. 18 corresponds to FIG.
  • the direction of the radiation pressure received from the light incident from the upper side in the Z-axis direction by the reflective optical device 1 in the first state is indicated by a block arrow.
  • this optical device 1 light having an optical path inclined in the X-axis direction (X-axis minus direction) with respect to the Z-axis direction is emitted by the action of the prism surface 60, and therefore, the Z-axis direction component and the X-axis direction component A radiation pressure having
  • the direction of the radiation pressure received from the light incident from the upper side in the Z-axis direction by the transmission optical device 1 in the first state is indicated by a block arrow.
  • this optical device 1 since the optical path emits light whose optical path is inclined in the X-axis direction (X-axis plus direction) with respect to the Z-axis direction by the action of the prism surface 60, the Z-axis direction component and the X-axis direction component A radiation pressure having is applied.
  • the optical device 1 in the first state has not only a component in the Z axis direction but also a component in the X axis direction from light incident in the Z axis direction, regardless of whether the optical device 1 is a reflection type or a transmission type. Can receive radiation pressure. In the optical device 1, since the energy of the emitted light is different between the first state and the second state, the radiation pressure received from the light incident from the upper side in the Z-axis direction is also different.
  • FIG. 19 is a perspective view of the spacecraft 100 using the optical device 1.
  • the spacecraft 100 is a solar sail having a body 110 and a rectangular sail 120 extending two-dimensionally around the body 110.
  • a plurality of optical devices 1 are attached to the light receiving surface of a sail 120 that receives sunlight.
  • three optical devices 1 are arranged in regions R1 to R4 along each of the four sides of the light receiving surface of the sail 120.
  • the direction of the component in the X-axis direction of the radiation pressure received by each optical device 1 is indicated by an arrow.
  • the component in the X-axis direction of the radiation pressure in each optical device 1 is in a different direction for each region R1, R2, R3, R4.
  • FIGS. 20 and 21 are diagrams illustrating the attitude control method of the spacecraft 100.
  • the optical device 1 is set to the first state or the second state for each of the regions R1, R2, R3, and R4. Thereby, the magnitude
  • the optical device 1 arranged in the regions R1, R3 is in the first state, and the optical device 1 arranged in the regions R2, R4 is in the second state.
  • the radiation pressure applied to the regions R1 and R3 has a component in the X-axis direction, and the radiation pressure applied to the regions R2 and R4 does not have a component in the X-axis direction.
  • the component in the X-axis direction of the radiation pressure applied to the optical device 1 arranged in the regions R1 and R3 generates a moment in the direction shown in FIG. 20 about the axis P1 orthogonal to the light receiving surface of the sail 120. For this reason, in the state shown in FIG. 20, the spacecraft 100 can be rotated around the axis P1 by the radiation pressure applied to the regions R1 and R3.
  • the optical device 1 arranged in the regions R1 and R3 is set to the second state, and the optical device 1 arranged in the regions R2 and R4 is set to the first state, so that the radiation applied to the regions R2 and R4.
  • the pressure generates a moment in the direction opposite to the direction shown in FIG.
  • the spacecraft 100 can be rotated in the opposite direction to the state shown in FIG.
  • the optical device 1 arranged in the regions R1, R2 is in the first state, and the optical device 1 arranged in the regions R3, R4 is in the second state.
  • the component in the Z-axis direction of the radiation pressure applied to the regions R1 and R2 is different from the component in the Z-axis direction of the radiation pressure applied to the regions R2 and R4.
  • the component in the Z-axis direction of the radiation pressure applied to the optical device 1 disposed on the sail 120 generates a moment in the direction shown in FIG. 21 about the axis P2 along the light receiving surface of the sail 120, for example.
  • the spacecraft 100 can be rotated around the axis P2 by the radiation pressure applied to the regions R1 and R2.
  • the optical device 1 disposed in the regions R1 and R2 is set to the second state
  • the optical device 1 disposed in the regions R3 and R4 is set to the first state, whereby radiation applied to the regions R3 and R4.
  • the pressure generates a moment in the direction opposite to that shown in FIG. Thereby, the spacecraft 100 can be rotated in the opposite direction to the state shown in FIG.
  • the optical device 1 attached to the sail 120 is electrically controlled, so that the optical device 1 uses the radiation pressure received from sunlight to center on an arbitrary axis. Rotating motion can be performed. Thereby, the spacecraft 100 can take an arbitrary posture without using fuel.
  • the number and position of the optical devices 1 in the spacecraft 100 can be arbitrarily changed.
  • the control method of the optical device 1 in the spacecraft 100 can be arbitrarily changed.
  • the spacecraft 100 can perform more precise attitude control by controlling each optical device 1 to the first state or the second state.
  • the optical device 1 in addition to the solar sail, it is possible to perform ultra-precise attitude control that does not substantially cause disturbance in the spacecraft 100 that navigates the outer space where sunlight can be received.
  • Examples of the spacecraft 100 other than the solar sail include various space probes and various artificial satellites.
  • Light control window 200 22 and 23 are cross-sectional views of a light control window 200 using the transmissive optical device 1.
  • the light control window 200 is configured by attaching the transmissive optical device 1 to the outside of a window 210 attached to the wall of a building that separates the indoor S1 and the outdoor S2. Sunlight enters the dimming window 200 from the outdoors S2.
  • the optical device 1 shown in FIG. 22 is in the first state. At this time, sunlight incident from the outdoors S2 is refracted toward the ceiling C by the optical device 1. For this reason, the sunlight which permeate
  • FIG. The irradiation area L formed on the ceiling C functions as indirect illumination in the indoor S1.
  • the optical device 1 shown in FIG. 23 is in the second state. At this time, sunlight incident from the outdoor S ⁇ b> 2 is diffused by the optical device 1. Therefore, the light control window 200 emits diffused light in which components in various directions are mixed toward the indoor S1. For this reason, the light control window 200 is recognized as frosted glass from indoor S1.
  • the optical device 1 can be attached to an arbitrary window as a dimming window.
  • the optical device 1 is not limited to the window 210 provided on the wall of the building as described above, and can be attached to, for example, a skylight.
  • the optical device 1 can also be affixed not only to the window of a building but the window of a motor vehicle, a rail vehicle, or an aircraft.
  • the optical device 1 since the optical device 1 has flexibility, it can be attached not only to a flat surface but also to a curved surface. Moreover, since the optical device 1 is lightweight, it can be easily carried, for example by making it a scroll shape. Therefore, according to the optical device 1, the light control window can be easily obtained in various places.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of a photovoltaic power generation system 300 using the transmissive optical device 1.
  • the solar power generation system 300 includes a solar cell panel 310 and a translucent member 320.
  • the transmissive optical device 1 is attached to the upper surface of the second substrate 20.
  • the solar cell panel 310 is disposed with the light receiving surface facing upward.
  • the translucent member 320 is disposed outside the space above the solar cell panel 310. For this reason, sunlight directly enters the solar cell panel 310.
  • the optical device 1 in the first state refracts sunlight toward the solar cell panel 310. Thereby, the sunlight that has passed through the translucent member 320 enters the solar cell panel 310.
  • the optical device 1 by setting the optical device 1 to the first state, the amount of light received by the solar cell panel 310 is increased, so that the amount of power generation can be increased.
  • the optical device 1 can be set to the second state when the amount of power generation is sufficient or at night.
  • FIG. 25 is a schematic diagram of a projection system 400 using the transmissive optical device 1.
  • the projection system 400 includes a projector 410 that is a projection device including a projection unit 411 that projects video and images.
  • the transmissive optical device 1 is attached to the light exit surface of the projection unit 411.
  • the screen 420 for displaying video and images projected by the projector 410 is arranged at a position shifted from the direction along the optical axis Q of the projection unit 411.
  • the optical device 1 refracts the light emitted in the direction along the optical axis Q of the projection unit 411 toward the screen 420.
  • an image or an image projected from the projection unit 411 and transmitted through the optical device 1 is displayed on the screen 420.
  • the optical device 1 it is possible to change the display position of an image or an image without changing the direction of the optical axis Q of the projection unit 411 by changing the elevation angle of the projector 410.
  • the projection system 400 that changes the display position of video and images using the optical device 1 is not limited to the configuration using the projector 410.
  • the projection system 400 using the optical device 1 can be applied to, for example, a head-up display, a rear projection television, a slide projector, an overhead projector, and the like.

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Abstract

【課題】光路の向きを変更した光を選択的に出射可能なシート状の光学デバイスを提供する。 【解決手段】光学デバイス（１）は、第１シート（５０）と、第２シート（１０）と、を具備する。第１シート（５０）は、厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。第２シート（１０）は、面内方向に対して傾いた傾斜面が面内方向に沿って配列されたプリズム面（６０）を有し、第１シート（５０）に対して厚さ方向に対向する。

Description

光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機
　本発明は、光を反射又は透過可能な光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機に関する。
　非特許文献１には、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。
　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もできる。このセイルには、姿勢制御のための光学デバイスが、受光面の外縁に沿って配列されている。各光学デバイスはそれぞれ、太陽光から受け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、このソーラーセイルは、特定の光学デバイスのみ、太陽光から受ける輻射圧を大きくすることによって、セイルの受光面に沿った任意の軸を中心として回動することができる。これにより、このソーラーセイルでは、セイルの向きを任意に変更する姿勢制御が可能となる。
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）
　非特許文献１に記載の光学デバイスが設けられたソーラーセイルでは、太陽光から受ける輻射圧が、セイルの受光面に沿った方向の成分を有さない。したがって、このソーラーセイルは、セイルの受光面に直交する軸を中心とする回転などの、セイルの受光面に沿った方向の圧力が必要な姿勢制御を行うことが困難である。
　これに対し、角度を調整可能な反射鏡などの３次元的な構造物を設けることによって、太陽光からセイルの受光面に沿った方向の成分を有する輻射圧を受けることが可能となる。しかしながら、ソーラーセイルでは、このような構造物を設けることにより重量が増大するため、燃料や電力の消費量が多くなる。
　上記の事情に鑑み、本発明の目的は、光路の向きを変更した光を選択的に出射可能なシート状の光学デバイス、姿勢制御装置、及び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、第１シートと、第２シートと、を具備する。
　第１シートは、厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。
　第２シートは、面内方向に対して傾いた傾斜面が面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。
　この光学デバイスは、厚さ方向に入射する光を反射又は透過可能なように構成される。この光学デバイスに対して厚さ方向に入射した光は、反射又は透過させられる過程において、第２シートに設けられたプリズム面によって光路の向きが変更させられる。このため、この光学デバイスは、面内方向の成分を有する光を出射することができる。
　また、この光学デバイスでは、第１シートの厚さ方向の透明性が、第１状態と第２状態とで異なる。このため、この光学デバイスでは、第１シートを第１状態と第２状態とで切り替え、第１シートの厚さ方向の透明性を変化させることにより、出射する光のエネルギの大きさを変更することができる。
　第２状態の第１シートは、厚さ方向に入射する光を拡散させてもよい。
　第１シートは、高分子分散型液晶で形成された液晶層を有してもよい。
　これらの構成の第１シートでは、第２状態において厚さ方向に入射する光を拡散させることにより、出射する光のエネルギの大きさを変更することができる。
　第２シートは、第１シート側にプリズム面を有してもよい。
　プリズム面は、第１シートを厚さ方向に透過した光を反射させてもよい。
　プリズム面は、第１シートを厚さ方向に透過した光を透過させてもよい。
　本発明の一形態に係る姿勢制御装置は、第１シートと、第２シートと、を具備する。
　第１シートは、厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。
　第２シートは、面内方向に対して傾いた傾斜面が面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。
　本発明の一形態に係る宇宙機は、受光面と、受光面に設けられた姿勢制御装置と、を具備する。
　姿勢制御装置は、第１シートと、第２シートと、を具備する。
　第１シートは、受光面に沿って延び、受光面に直交する厚さ方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりも厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されている。
　第２シートは、受光面に対して傾いた傾斜面が受光面に沿って配列されたプリズム面を有し、第１シートに対して厚さ方向に対向する。
　宇宙機は、傾斜面の向きが相互に異なる複数の姿勢制御装置を具備してもよい。
　本発明によれば、光路の向きを変更した光を選択的に出射可能なシート状の光学デバイス、姿勢制御装置、及び宇宙機を提供することができる。
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。 図１の光学デバイスのＡ－Ａ'線に沿った断面図である。 Ｚ軸方向に電圧が印加された第１状態の液晶層の微細構造を示す部分断面図である。 Ｚ軸方向に電圧が印加されていない第２状態の液晶層の微細構造を示す部分断面図である。 反射型光学デバイスのプリズム面を例示する部分断面図である。 反射型光学デバイス（第１状態）によって反射される光の光路を示す断面図である。 反射型光学デバイス（第２状態）によって拡散される光の光路を示す断面図である。 反射型光学デバイスの第２基材のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面を拡大して示す部分断面図である。 図８のプリズム面を備える反射型光学デバイス（第１状態）における反射される光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスのプリズム面を例示する部分断面図である。 透過型光学デバイス（第１状態）を透過する光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイス（第２状態）によって拡散される光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスの第１基材のＺ軸方向下面に設けられたプリズム面を拡大して示す部分断面図である。 図１３のプリズム面を備える透過型光学デバイス（第１状態）を透過する光の光路を示す断面図である。 熱ナノインプリントによるプリズム面の形成方法を示す斜視図である。 （Ａ）～（Ｃ）は熱ナノインプリントによるプリズム面の形成過程を示す部分断面図である。 反射型光学デバイス（第１状態）によって反射される光から受ける輻射圧の向きを示す断面図である。 透過型光学デバイス（第１状態）を透過する光から受ける輻射圧の向きを示す断面図である。 光学デバイスを用いた宇宙機の斜視図である。 光学デバイスを用いた宇宙機の姿勢制御方法を例示する斜視図である。 光学デバイスを用いた宇宙機の姿勢制御方法を例示する斜視図である。 透過型光学デバイスを用いた調光窓を透過する光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスを用いた調光窓によって拡散された光の光路を示す断面図である。 透過型光学デバイスを用いた太陽光発電システムの断面図である。 透過型光学デバイスを用いた投射システムの模式図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。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。また、各図面には、適宜、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、すべての図面において共通である。
１．光学デバイス１の基本構成
　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。図２は、光学デバイス１の図１のＡ－Ａ'線に沿った断面図である。光学デバイス１は、ＸＹ平面に沿って延び、柔軟性を有するシート状である。つまり、光学デバイス１では、厚さ方向がＺ軸方向であり、面内方向がＸＹ平面に沿った方向である。光学デバイス１は薄膜状の光学デバイスであることが好ましい。
　光学デバイス１は、反射型又は透過型として構成される。反射型の光学デバイス１は、Ｚ軸方向上側から入射した光を反射し、Ｚ軸方向上方に出射することができる。透過型の光学デバイス１は、Ｚ軸方向上側から入射した光を透過させ、Ｚ軸方向下方に出射することができる。
　光学デバイス１は、第１基材１０と、第２基材２０と、第１電極膜３０と、第２電極膜４０と、液晶層５０と、を具備する。第１基材１０及び第２基材２０は、Ｚ軸方向に対向するフィルム部材である。第１電極膜３０は、第１基材１０のＺ軸方向上面に形成されている。第２電極膜４０は、第２基材２０のＺ軸方向下面に形成されている。
　本実施形態において、光学デバイス１は、第１シートと第２シートとを有する。光学デバイス１における第１シートは、第１電極膜３０と、第２電極膜４０と、液晶層５０と、を備えている。また、光学デバイス１では、第１基材１０と第２基材２０との少なくとも一方が第２シートである。
　反射型及び透過型の光学デバイス１のいずれでも、第２基材２０及び第２電極膜４０が透明である。第２基材２０は、例えば、ポリイミドなどの透明材料によって形成することができる。第２電極膜４０は、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜とすることができる。
　反射型の光学デバイス１では、第１電極膜３０が、電極としての機能に加え、光を反射する反射鏡としての機能を有する。このため、第１電極膜３０は、例えば、アルミニウム蒸着膜などの金属膜とすることができる。第１基材１０は、第２基材２０と同様とすることができるが、任意の材料で形成可能である。
　透過型の光学デバイス１では、第１基材１０及び第１電極膜３０も、第２基材２０及び第２電極膜４０と同様に透明である。第１基材１０は、第２基材２０と同様の透明材料で形成することができる。また、第１電極膜３０は、第２電極膜４０と同様の透明導電膜とすることができる。
　液晶層５０は、Ｚ軸方向に対向する第１電極膜３０及び第２電極膜４０の間に配置されている。第１電極膜３０及び第２電極膜４０には電源ＰＳ及びスイッチＳＷが直列接続されている。スイッチＳＷをオンにすると、電源ＰＳが第１電極膜３０及び第２電極膜４０に接続され、液晶層５０に対してＺ軸方向に電圧が印加される。
　つまり、光学デバイス１は、液晶層５０に対してＺ軸方向に電圧が印加された第１状態と、液晶層５０に電圧が印加されていない第２状態と、をスイッチＳＷの操作によって切り替えることができる。液晶層５０は、第１電極膜３０及び第２電極膜４０とともに、第１状態と第２状態とでＺ軸方向の透明性を切替可能に構成された第１シートを構成する。
　図３，４は、光学デバイス１における液晶層５０を拡大して示す部分断面図である。図３，４には、液晶層５０の微細構造が模式的に示されている。図３は、Ｚ軸方向に電圧が印加された第１状態の液晶層５０を示している。図４は、Ｚ軸方向に電圧が印加されていない第２状態の液晶層５０を示している。
　液晶層５０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５０は、高分子材料５１中に液晶のドロップレット５２が分散した構成を有している。ドロップレット５２を構成する液晶分子は異方性を有している。
　図３に示すＺ軸方向に電圧が印加された第１状態の液晶層５０では、ドロップレット５２を構成する液晶分子がＺ軸方向に配向している。このとき、液晶層５０は、Ｚ軸方向に入射した光をそのまま透過させる。このため、第１状態の液晶層５０は、Ｚ軸方向に高い透明性を有する。
　図４に示すＺ軸方向に電圧が印加されていない第２状態の液晶層５０では、ドロップレット５２を構成する液晶分子がランダムな方向を向いている。このとき、液晶層５０に分散されたドロップレット５２は、Ｚ軸方向に入射した光を拡散させる。このため、第２状態の液晶層５０は、Ｚ軸方向の透明性が第１状態よりも低くなる。
　反射型及び透過型の光学デバイス１のいずれにおいても、液晶層５０におけるＺ軸方向の透明性が高い第１状態とＺ軸方向の透明性が低い第２状態とでは、出射する光のエネルギが異なる。つまり、光学デバイス１では、出射する光のエネルギの大きさを電気的に切り替えることができる。
　光学デバイス１では、第１基材１０及び第２基材２０の少なくとも一方が、ＸＹ平面に沿って形成されたプリズム面６０を有する第２シートとして構成される。プリズム面６０は、光学デバイス１に対してＺ軸方向に入射する光を反射又は屈折させることにより、第１状態の光学デバイス１から出射する光の光路をＺ軸に対して傾ける。
２．光学デバイス１の詳細構成
　２．１　反射型の光学デバイス１
　図５～７は、反射型の光学デバイス１の一例を示す図である。図５～７に示す反射型の光学デバイス１では、プリズム面６０が第１基材１０のＺ軸方向上面に設けられている。図５は、第１基材１０のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。
　図５に示すように、プリズム面６０には、Ｙ軸方向に沿って延びるプリズム６１がＸ軸方向に沿って配列されている。各プリズム６１には、ＸＹ平面に対してＸ軸方向に一定の角度で傾いた傾斜面６２が設けられている。プリズム６１は、傾斜面６２の面積が大きくなるように非対称に形成され、典型的には直角プリズムである。
　各プリズム６１のＸ軸方向の寸法は、例えば、１０～３０μｍ程度とすることができる。各プリズム６１のＺ軸方向の寸法は、例えば、１～１０μｍ程度とすることができる。傾斜面６２のＸＹ平面に対する角度は、例えば、１０～４５°程度とすることができる。プリズム６１は、Ｘ軸方向に、間隔をあけて配置されていても、隙間なく配置されていてもよい。
　第１基材１０に設けられたプリズム面６０は、金属膜である第１電極膜３０によって覆われている。このため、プリズム面６０は、Ｚ軸方向に入射する光を反射する反射鏡として機能する。図５に示すように、各プリズム６１の傾斜面６２に反射された光の光路は、Ｘ軸方向に傾けられる。
　このため、図６に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、第１電極膜３０で覆われたプリズム面６０によって反射され、光路がＸ軸方向に傾けられて斜めに出射される。したがって、第１状態の光学デバイス１が出射する光は、Ｘ軸方向の成分を有する。
　また、液晶層５０のドロップレット５２を構成する液晶が偏光性（複屈折性）を持つため、図６に示すようにプリズム面６０によって反射された光が液晶層５０を斜めに進行すると、液晶が偏光面に対して異方性を示し、偏光面によって散乱が生じる。これにより、光のエネルギ損失が生じやすくなる。このような光のエネルギ損失を抑制するために、例えば、第２基材２０のＺ軸方向上面に１／２波長板を設けることが有効である。
　図７に示すように、スイッチＳＷがオフである第２状態では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、液晶層５０によって拡散される。これにより、光学デバイス１では、様々な方向の成分が混合された拡散光が出射される。第２状態で出射される拡散光は、第１状態で出射される斜め方向の光とはエネルギー（または輻射圧）が異なる。
　なお、反射型の光学デバイス１のプリズム面６０は、第１基材１０のＺ軸方向上面ではなく、第２基材２０のＺ軸方向上面又は下面に設けられていてもよい。一例として、図８は、第２基材２０のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。このプリズム面６０の構成は、図５に示す構成と同様である。更に、反射型の第１基材１０のＺ軸方向下面にプリズム面６０が設けられていてもよい。この場合には、第１基材１０のＺ軸方向下面に第１電極膜３０が形成され、第１状態においては第１基材１０も通過した光がプリズム面６０に反射される。
　この構成の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側からプリズム面６０に入射する光が、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に屈折させられる。また、この光学デバイス１では、プリズム面６０からＺ軸方向上方に出射される光が、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に更に屈折させられる。
　つまり、図９に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、平面状の第１電極膜３０で反射される前後に、プリズム面６０において２回にわたって屈折させられる。このため、第１状態の光学デバイス１では、Ｘ軸方向の成分を有する光が出射される。
　なお、反射型の光学デバイス１は、複数のプリズム面６０を組み合わせて構成されていてもよい。つまり、光学デバイス１は、第１基材１０のＺ軸方向上面、第２基材２０のＺ軸方向上面、及び第２基材２０のＺ軸方向下面の３つの面のうち複数の面にプリズム面６０が設けられていてもよい。
　２．２　透過型の光学デバイス１
　図１０～１２は、透過型の光学デバイス１の一例を示す図である。図１０～１２に示す透過型の光学デバイス１では、図５～７に示す反射型の光学デバイス１と同様のプリズム面６０が設けられている。図１０は、第１基材１０のＺ軸方向上面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。
　第１基材１０に設けられたプリズム面６０は、透明導電膜である第１電極膜３０によって覆われている。このため、プリズム面６０は、Ｚ軸方向に入射する光を透過させる。図１０に示すように、プリズム面６０を透過する光は、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に屈折させられる。
　このため、図１１に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、プリズム面６０において屈折し、光路がＸ軸方向に傾けられて斜めに出射される。つまり、第１状態の光学デバイス１が出射する光は、Ｘ軸方向の成分を有する。
　図１２に示すように、スイッチＳＷがオフである第２状態では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、液晶層５０によって拡散される。これにより、光学デバイス１では、様々な方向の成分が混合された拡散光が出射される。第２状態で出射される拡散光は、第１状態で出射される斜め方向の光とはエネルギー（または輻射圧）が異なる。
　なお、透過型の光学デバイス１のプリズム面６０は、第１基材１０のＺ軸方向上面ではなく、第１基材１０のＺ軸方向下面、第２基材２０のＺ軸方向上面、又は第２基材２０のＺ軸方向下面に設けられていてもよい。一例として、図１３は、第１基材１０のＺ軸方向下面に設けられたプリズム面６０の近傍を拡大して示す部分断面図である。
　この構成の光学デバイス１では、プリズム面６０から出射される光が、各プリズム６１の傾斜面６２においてＸ軸方向に屈折させられる。このため、図１４に示すように、スイッチＳＷがオンである第１状態の光学デバイス１では、Ｚ軸方向上側から入射する光が、プリズム面６０において光路がＸ軸方向に傾けられて斜めに出射される。
　なお、透過型の光学デバイス１は、複数のプリズム面６０を組み合わせて構成されていてもよい。つまり、光学デバイス１は、第１基材１０のＺ軸方向上面、第１基材１０のＺ軸方向下面、第２基材２０のＺ軸方向上面、及び第２基材２０のＺ軸方向下面の４つの面のうち複数の面にプリズム面６０が設けられていてもよい。
　２．３　変形例
　光学デバイス１における第１状態と第２状態とを電気的に切替可能な第１シートは、上記の液晶層５０に限定されない。つまり、第１シートは、Ｚ軸方向に透明性を有する第１状態と、第１状態よりもＺ軸方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能に構成されていればよい。
　具体的に、第１シートは、第２状態において光を拡散させる構成でなくてもよい。例えば、第１シートは、第２状態において光を遮断することにより透明性を低下させることが可能な光シャッタであってもよい。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。
３．プリズム面６０の形成方法
　プリズム面６０は、例えば、型押しによって形成することができる。プリズム面６０を形成可能な型押し技術としては、例えば、熱ナノインプリント、エンボス加工、デボス加工などが挙げられる。以下、熱ナノインプリントによって、第１基材１０のＺ軸方向上面にプリズム面６０を形成する例について説明する。
　図１５は、熱ナノインプリントによるプリズム面６０の形成方法を示す図である。熱ナノインプリントでは、第１基材１０を保持する保持板Ｂと、Ｚ軸方向下面にプリズム面６０の転写パターンが形成されたモールドＭと、が用いられる。つまり、モールドＭの転写パターンが、保持板Ｂに保持された第１基材１０のＺ軸方向上面に転写される。
　図１６（Ａ）～（Ｃ）は、熱ナノインプリントによるプリズム面６０の形成過程を示す部分断面図である。図１６（Ａ）～（Ｃ）は、プリズム面６０が形成される第１基材１０のＺ軸方向上面近傍を拡大して示している。まず、図１６（Ａ）に示すように、モールドＭが、第１基材１０に対向して配置される。
　次に、保持板Ｂを加熱することによって、第１基材１０をガラス転移温度以上に昇温させることにより充分に軟化させた状態で、図１６（Ｂ）に示すようにモールドＭを第１基材１０に押し付ける。これにより、第１基材１０のＺ軸方向上面がモールドＭの転写パターンに沿って変形する。
　そして、保持板Ｂを冷却することによって、第１基材１０をガラス転移温度未満まで降温させた状態で、図１６（Ｃ）に示すようにモールドＭを第１基材１０から引き離す。これにより、第１基材１０のＺ軸方向上面にプリズム面６０が形成される。なお、第２基材２０にも同様にプリズム面６０を形成することができる。
　プリズム面６０の形成方法は、型押しに限定されない。例えば、プリズム面６０は、微細切削加工によって形成してもよい。また、プリズム面６０は、各種エッチング技術を用いて形成してもよい。更に、プリズム面６０は、３Ｄプリンタなどを用いて、積層造形法によって形成してもよい。
４．光学デバイス１の応用例
　光学デバイス１の応用例について説明する。本項では、光学デバイス１の応用例として、宇宙機１００、調光窓２００、太陽光発電システム３００、及び投射システム４００について説明する。しかし、光学デバイス１は、以下に説明するこれらの応用例に限定されず、様々な用途に利用可能である。
　４．１　宇宙機１００
　光学デバイス１は、太陽光から受ける輻射圧を利用した宇宙機１００の姿勢制御装置として用いることができる。まず、図１７，１８を参照して、反射型及び透過型の光学デバイス１が、Ｚ軸方向に入射する光から受ける輻射圧について説明する。図１７は図６に対応し、図１８は図１１に対応している。
　図１７には、第１状態の反射型の光学デバイス１が、Ｚ軸方向上側から入射する光から受ける輻射圧の方向がブロック矢印で示されている。この光学デバイス１では、プリズム面６０の作用によって光路がＺ軸方向に対してＸ軸方向（Ｘ軸マイナス方向）に傾いた光が出射されるため、Ｚ軸方向の成分とＸ軸方向の成分とを有する輻射圧が加わる。
　図１８には、第１状態の透過型の光学デバイス１が、Ｚ軸方向上側から入射する光から受ける輻射圧の方向がブロック矢印で示されている。この光学デバイス１では、プリズム面６０の作用によって光路がＺ軸方向に対してＸ軸方向（Ｘ軸プラス方向）に傾いた光を出射するため、Ｚ軸方向の成分とＸ軸方向の成分とを有する輻射圧が加わる。
　このように、第１状態の光学デバイス１では、反射型及び透過型のいずれであっても、Ｚ軸方向に入射する光から、Ｚ軸方向の成分のみならず、Ｘ軸方向の成分も有する輻射圧を受けられる。また、光学デバイス１では、第１状態と第２状態とで、出射される光のエネルギが異なるため、Ｚ軸方向上側から入射する光から受ける輻射圧も異なる。
　図１９は、光学デバイス１を用いた宇宙機１００の斜視図である。宇宙機１００は、機体１１０と、機体１１０の周囲に二次元的に延びる矩形状のセイル１２０と、を有するソーラーセイルである。宇宙機１００では、太陽光を受けるセイル１２０の受光面に、複数の光学デバイス１が貼り付けられている。
　より詳細に、セイル１２０の受光面の４つの辺のそれぞれに沿った領域Ｒ１～Ｒ４に各３枚の光学デバイス１が配列されている。図１９には、各光学デバイス１が受ける輻射圧のＸ軸方向の成分の向きが矢印で示されている。各光学デバイス１における輻射圧のＸ軸方向の成分は、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ごとに異なる方向を向いている。
　図２０，２１は、宇宙機１００の姿勢制御方法を例示する図である。図２０，２１に示す宇宙機１００の姿勢制御方法では、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ごとに、光学デバイス１が第１状態又は第２状態とされる。これにより、領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に加わる輻射圧の大きさに差をつけることができる。
　図２０に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ３に配置された光学デバイス１が第１状態とされ、領域Ｒ２，Ｒ４に配置された光学デバイス１が第２状態とされている。このため、セイル１２０において、領域Ｒ１，Ｒ３に加わる輻射圧はＸ軸方向の成分を有し、領域Ｒ２，Ｒ４に加わる輻射圧はＸ軸方向の成分を有さない。
　領域Ｒ１，Ｒ３に配置された光学デバイス１に加わる輻射圧のＸ軸方向の成分は、セイル１２０の受光面に直交する軸Ｐ１を中心とする図２０に示す方向のモーメントを発生させる。このため、図２０に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ３に加わる輻射圧によって、軸Ｐ１を中心に宇宙機１００を回転させることができる。
　これとは反対に、領域Ｒ１，Ｒ３に配置された光学デバイス１を第２状態とし、領域Ｒ２，Ｒ４に配置された光学デバイス１を第１状態とすることにより、領域Ｒ２，Ｒ４に加わる輻射圧が、図２０示す方向とは反対方向のモーメントを発生させる。これにより、宇宙機１００を図２０に示す状態とは反対方向に回転させることができる。
　図２１に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ２に配置された光学デバイス１が第１状態とされ、領域Ｒ３，Ｒ４に配置された光学デバイス１が第２状態とされている。このため、セイル１２０において、領域Ｒ１，Ｒ２に加わる輻射圧のＺ軸方向の成分と、領域Ｒ２，Ｒ４に加わる輻射圧のＺ軸方向の成分とが異なる。
　したがって、セイル１２０に配置された光学デバイス１に加わる輻射圧のＺ軸方向の成分は、セイル１２０の受光面に沿った軸Ｐ２を中心とする例えば図２１に示す方向のモーメントを発生させる。このため、図２１に示す状態では、領域Ｒ１，Ｒ２に加わる輻射圧によって、軸Ｐ２を中心に宇宙機１００を回転させることができる。
　これとは反対に、領域Ｒ１，Ｒ２に配置された光学デバイス１を第２状態とし、領域Ｒ３，Ｒ４に配置された光学デバイス１を第１状態とすることにより、領域Ｒ３，Ｒ４に加わる輻射圧が、図２１に示す方向とは反対方向のモーメントを発生させる。これにより、宇宙機１００を図２１に示す状態とは反対方向に回転させることができる。
　このように、宇宙機１００では、セイル１２０に貼り付けられた光学デバイス１を電気的に制御することによって、光学デバイス１が太陽光から受ける輻射圧を利用して、任意の軸を中心とする回転運動を行うことができる。これにより、宇宙機１００では、燃料を用いることなく任意の姿勢をとることができる。
　なお、宇宙機１００における光学デバイス１の数や位置は、任意に変更可能である。また、宇宙機１００における光学デバイス１の制御方法も、任意に変更可能である。例えば、宇宙機１００では、各光学デバイス１ごとに第１状態又は第２状態に制御することにより、更に精密な姿勢制御を行うことが可能である。
　また、光学デバイス１を用いることによって、ソーラーセイル以外にも、太陽光を受けることが可能な宇宙空間を航行する宇宙機１００における擾乱が実質的に生じない超精密な姿勢制御が可能である。ソーラーセイル以外の宇宙機１００としては、例えば、各種宇宙探査機や各種人工衛星などが挙げられる。
　４．２　調光窓２００
　図２２，２３は、透過型の光学デバイス１を用いた調光窓２００の断面図である。調光窓２００は、屋内Ｓ１と屋外Ｓ２とを隔てる建物の壁に取り付けられた窓２１０の外側に透過型の光学デバイス１が貼り付けられて構成されている。調光窓２００には、屋外Ｓ２から太陽光が入射する。
　図２２に示す光学デバイス１は第１状態である。このとき、屋外Ｓ２から入射する太陽光は、光学デバイス１によって天井Ｃに向けて屈折させられる。このため、調光窓２００を透過して屋内Ｓ１に進入した太陽光は、天井Ｃに入射し、天井Ｃに照射領域Ｌを形成する。天井Ｃに形成された照射領域Ｌは、屋内Ｓ１において間接照明として機能する。
　図２３に示す光学デバイス１は第２状態である。このとき、屋外Ｓ２から入射する太陽光は、光学デバイス１によって拡散される。このため、調光窓２００は、屋内Ｓ１に向けて様々な方向の成分が混合された拡散光を出射する。このため、調光窓２００は、屋内Ｓ１から曇りガラスとして認識される。
　光学デバイス１は、任意の窓に貼り付けて調光窓とすることができる。具体的に、光学デバイス１は、上記のような建物の壁に設けられた窓２１０に限らず、例えば、天窓に貼り付けることもできる。また、光学デバイス１は、建物の窓に限らず、自動車や鉄道車両や航空機の窓に貼り付けることもできる。
　また、光学デバイス１は、柔軟性を有するため、平面のみならず、曲面にも貼り付けることができる。また、光学デバイス１は、軽量であるため、例えば巻物状にすることによって、容易に持ち運ぶことができる。したがって、光学デバイス１によれば様々な場所において手軽に調光窓を得ることができる。
　４．３　太陽光発電システム３００
　図２４は、透過型の光学デバイス１を用いた太陽光発電システム３００の断面図である。太陽光発電システム３００は、太陽電池パネル３１０と、透光部材３２０と、を有する。透過型の光学デバイス１は、第２基材２０の上面に貼り付けられている。太陽電池パネル３１０は、受光面を上方に向けて配置されている。
　透光部材３２０は、太陽電池パネル３１０の上方の空間よりも外側に配置されている。このため、太陽電池パネル３１０には太陽光が直接入射する。また、第１状態の光学デバイス１は、太陽光を太陽電池パネル３１０に向けて屈折させる。これにより、透光部材３２０を透過した太陽光が太陽電池パネル３１０に入射する。
　このように、太陽光発電システム３００では、光学デバイス１を第１状態とすることによって、太陽電池パネル３１０における受光量が多くなるため、発電量を増大させることができる。また、太陽光発電システム３００では、発電量が充分であるときや夜間などには、光学デバイス１を第２状態とすることができる。
　４．４　投射システム４００
　図２５は、透過型の光学デバイス１を用いた投射システム４００の模式図である。投射システム４００は、映像や画像を投射する投射部４１１を備えた投射装置であるプロジェクタ４１０を有する。透過型の光学デバイス１は、投射部４１１における光の出射面に貼り付けられている。
　プロジェクタ４１０によって投射する映像や画像を表示するためのスクリーン４２０は、投射部４１１の光軸Ｑに沿った方向からずれた位置に配置されている。これに対し、光学デバイス１は、投射部４１１の光軸Ｑに沿った方向に出射された光を、スクリーン４２０に向けて屈折させる。
　このため、投射システム４００では、投射部４１１から投射され、光学デバイス１を透過した映像や画像がスクリーン４２０に表示される。このように、光学デバイス１を用いることによって、プロジェクタ４１０の仰角の変更などによって投射部４１１の光軸Ｑの向きを変更することなく、映像や画像の表示位置を変更することができる。
　なお、光学デバイス１を用いて映像や画像の表示位置を変更する投射システム４００は、プロジェクタ４１０を用いた構成に限定されない。光学デバイス１を用いた投射システム４００は、例えば、ヘッドアップディスプレイ、リアプロジェクションテレビ、スライド映写機、オーバーヘッドプロジェクタなどにも応用可能である。
１…光学デバイス
１０…第１基材
２０…第２基材
３０…第１電極膜
４０…第２電極膜
５０…液晶層
５１…高分子材料
５２…ドロップレット
６０…プリズム面
６１…プリズム
６２…傾斜面
１００…宇宙機
２００…調光窓
３００…太陽光発電システム
４００…投射システム
ＰＳ…電源
ＳＷ…スイッチ

Claims (9)

  1. 　厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、前記厚さ方向に透明性を有する第１状態と、前記第１状態よりも前記厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能である第１シートと、
    　前記面内方向に対して傾いた傾斜面が前記面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、前記第１シートに対して前記厚さ方向に対向する第２シートと、
    　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、
    　前記第２状態の前記第１シートは、前記厚さ方向に入射する光を拡散させる
    　光学デバイス。
  3. 　請求項２に記載の光学デバイスであって、
    　前記第１シートは、高分子分散型液晶で形成された液晶層を有する
    　光学デバイス。
  4. 　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、
    　前記第２シートは、前記第１シート側に前記プリズム面を有する
    　光学デバイス。
  5. 　請求項４に記載の光学デバイスであって、
    　前記プリズム面は、前記第１シートを前記厚さ方向に透過した光を反射させる
    　光学デバイス。
  6. 　請求項４に記載の光学デバイスであって、
    　前記プリズム面は、前記第１シートを前記厚さ方向に透過した光を透過させる
    　光学デバイス。
  7. 　厚さ方向に直交する面内方向に沿って延び、前記厚さ方向に透明性を有する第１状態と、前記第１状態よりも前記厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能である第１シートと、
    　前記面内方向に対して傾いた傾斜面が前記面内方向に沿って配列されたプリズム面を有し、前記第１シートに対して前記厚さ方向に対向する第２シートと、
    　を具備する姿勢制御装置。
  8. 　受光面と、前記受光面に設けられた姿勢制御装置と、を具備し、
    　前記姿勢制御装置は、
    　前記受光面に沿って延び、前記受光面に直交する厚さ方向に透明性を有する第１状態と、前記第１状態よりも前記厚さ方向の透明性が低い第２状態と、を電気的に切替可能である第１シートと、
    　前記受光面に対して傾いた傾斜面が前記受光面に沿って配列されたプリズム面を有し、前記第１シートに対して前記厚さ方向に対向する第２シートと、を有する
    　宇宙機。
  9. 　請求項８に記載の宇宙機であって、
    　前記傾斜面の向きが相互に異なる複数の姿勢制御装置を具備する
    　宇宙機。
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