JP2017161735A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】室内から室外の景色を見ることを可能としつつ、偏光方向が異なる複数の偏光のいずれについても配光することができる光学デバイスを提供する。
【解決手段】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、複屈折材料を含む光媒体部３１と、複数の凸部３２ａによって構成された凹凸構造部３２とを有し、複数の凸部３２ａの各々の一方の側面３２ａ１には、入射した光を反射する反射層３３が形成されている。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、光学デバイスに関する。

室外から入射する太陽光等の外光の進行方向を変更して当該外光を室内に導入することができる光学デバイスが提案されている。

例えば、特許文献１には、窓に貼り付けることによって入射する太陽光の進行方向を変更して室内に導くことができる採光フィルムが開示されている。特許文献１に開示された採光フィルムは、第１基材と、複数の採光部と、空隙部と、第１接着層と、第２基材と、第２接着層と、光散乱層とを備えており、採光部に入射した光を採光部の下側面で全反射させて斜め上方に進行させたり光散乱層で散乱させたりすることでグレアを抑制した光を室内の天井面等に照射させている。

国際公開第２０１５／０５６７３６号

従来の光学デバイスでは、太陽光等の外光を曲げて室内の天井面に照射させることができるので室内照度を向上させることができる。これにより、室内の照明器具を消灯させたり照明器具の光出力を抑えたりできるので、省電力化を図ることができる。

しかしながら、従来の光学デバイスでは、外光を天井面に照射させている場合、つまり、外光を曲げるように配光制御している場合には、室内から室外の景色が見ることができないという課題がある。特に、特許文献１に記載された光学デバイスでは、空気層である空隙部と樹脂からなる複数の採光部との凹凸界面での全反射を利用しているので、光散乱層によって常に光の散乱が発生して白濁している。このため、室内を明るくすることができるものの、室内の中から外の景色を見ることができないので、窓本来の外が見えるという機能を失わせてしまう。さらに、外の景色を見ることができないと、室内にいる人は閉塞感を感じてしまう。

そこで、空気層の代わりに複屈折材料である液晶が充填された層とこれに接する凹凸層とを備える光学デバイスが検討されている。複屈折材料は、複屈折性（２つの屈折率）を有しているので、一方の屈折率を凹凸層の屈折率と一致させておくことでＰ偏光は透過し、もう一方の屈折率が凹凸層の屈折率と異なるためにＳ偏光は凹凸層によって天井面に向けて配光される。

この場合、外の景色からの反射光（景色光）のうちのＰ偏光は光学デバイスを透過して室内にいる人の目に入るため、光学デバイスを介して室内の中から外の景色を見ることができる。このため、窓本来の外が見えるという機能が失われない。

しかしながら、このような光学デバイスを用いて入射角が大きい太陽光を配光させて室内に入射させると、太陽光のＳ偏光は天井面に向けて配光させることができるが、太陽光のＰ偏光については天井面に向けて配光させることができない。このため、太陽光のＰ偏光は床面に向かって直進透過することになる。この結果、室内の窓際にいる人に眩しさを感じさせてしまったり、天井面に配光する光の光量を十分確保できなかったりする。

このように、これまでの光学デバイスでは、室内から室外の景色を見ることを可能にすることができるが、外光には偏光方向が異なる複数の偏光が含まれているので、複数の偏光のいずれかを適切に配光することができないという課題がある。特に、太陽光等の入射角が比較的に大きい外光については、折り曲げるように配光することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、室内から室外の景色を見ることを可能としつつ、偏光方向が異なる複数の偏光のいずれについても配光することができる光学デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学デバイスの一態様は、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、複屈折材料を含む光媒体部と、複数の凸部によって構成された凹凸構造部とを有し、前記複数の凸部の各々の一方の側面には、入射した光を反射する反射層が形成されている。

本発明によれば、室内から室外の景色を見ることを可能としつつ、偏光方向が異なる複数の偏光のいずれについても配光することができる。

実施の形態１に係る光学デバイスの断面図である。 実施の形態１に係る光学デバイスの拡大断面図である。 実施の形態１に係る光学デバイスの第１光学作用を説明するための図である。 実施の形態１に係る光学デバイスの第２光学作用を説明するための図である。 実施の形態１に係る光学デバイス（第１光学モード）を窓に設置した場合の使用例を示す図である。 実施の形態１に係る光学デバイス（第２光学モード）を窓に設置した場合の使用例を示す図である。 実施の形態１の変形例１に係る光学デバイスの拡大断面図である。 実施の形態１の変形例２に係る光学デバイスの拡大断面図である。 実施の形態１の変形例３に係る光学デバイスの拡大断面図である。 実施の形態２に係る光学デバイスの拡大断面図である。 実施の形態３に係る光学デバイスの拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

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、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

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表しており、本実施の形態では、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。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸に直交する軸である。なお、Ｚ軸方向のプラス方向を鉛直下方としている。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１０又は第２基板２０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１）
まず、実施の形態１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、実施の形態１に係る光学デバイス１の断面図である。図２は、同光学デバイス１の拡大断面図であり、図１の破線で囲まれる領域IIの拡大断面図を示している。

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３２とを密着させるための密着層６０が設けられているが、密着層６０は設けなくてもよい。

光学デバイス１は、一対の第１基板１０及び第２基板２０の間に、第１電極４０、密着層６０、配光層３０、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。

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、第２基板］
図１及び図２に示される第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等が挙げられる。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）又はエポキシ等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いし、異なる材料で構成されていてもよいが、同じ材料で構成されている方がよい。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あってもよい。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、互いの端部外周に額縁状に形成された接着剤等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、正方形や長方形の矩形状であるが、これに限るものではなく、円形又は四角形以外の多角形であってもよく、任意の形状が採用され得る。

［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を通過する際の光の進行方向を変更する。

配光層３０は、複屈折材料を含む光媒体部３１（光媒体層）と、凹凸構造部３２（凹凸層）とを有する。光媒体部３１の複屈折材料は、例えば、複屈折性を有する液晶分子３１ａ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３１ａが棒状分子からなるネマティック液晶又はコレステリック液晶等を用いることができる。また、複屈折性を有する液晶分子３１ａ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。本実施の形態において、光媒体部３１は、液晶分子３１ａを含む液晶によって構成された液晶層である。

凹凸構造部３２は、マイクロオーダサイズ又はナノオーダサイズの複数の凸部３２ａによって構成された凹凸構造体である。各凸部３２ａの高さは、例えば１００ｎｍ〜１００μｍであるが、これに限るものではない。また、隣り合う凸部３２ａの間隔は、例えば０〜１００μｍである。つまり、隣り合う２つの凸部３２ａ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いし、接触して配置されていてもよい。なお、隣り合う凸部３２ａの間隔は、０〜１００μｍに限定されるものではない。

複数の凸部３２ａの各々は、一対の側面３２ａ１を有する。本実施の形態において、各凸部３２ａ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。したがって、一対の側面３２ａ１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３２ａ１の間隔（凸部３２ａの幅）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。

複数の凸部３２ａの各々の一方の側面３２ａ１には、入射した光を反射する反射層３３が形成されている。本実施の形態において、各凸部３２ａにおける一方の側面３２ａ１は、一対の側面３２ａ１のうちの鉛直上方側の側面３２ａ１（上側面）であり、各凸部３２ａにおいて、反射層３３は、鉛直上方側の側面３２ａ１に接するように形成されている。反射層３３は、例えばアルミニウム等の金属材料によって構成された金属反射膜である。反射層３３は、例えば表面が鏡面である金属めっき膜であり、例えば無電解めっき法によって形成することができる。なお、反射層３３の形成方法は、無電解めっき法に限るものではない。

一方、複数の凸部３２ａの各々の他方の側面３２ａ１は、各凸部３２ａの一対の側面３２ａ１のうちの鉛直下方側の側面３２ａ１（下側面）である。鉛直下方側の側面３２ａ１には反射層３３は形成されておらず、鉛直下方側の側面３２ａ１（傾斜面）は、凸部３２ａと光媒体部３１との界面となっている。第１基板１０側から凸部３２ａに入射した光は、凸部３２ａの鉛直下方側の側面３２ａ１において、凸部３２ａと光媒体部３１との屈折率差に応じて屈折したり屈折せずにそのまま透過したりする。

本実施の形態において、複数の凸部３２ａは、ストライプ状に形成されている。具体的には、複数の凸部３２ａの各々は、断面形状が台形でＸ軸方向に延在する長尺状の略四角柱形状であり、Ｚ軸方向に沿って等間隔に配列されている。各凸部３２ａは、同じ形状であるが、これに限るものではない。

凸部３２ａ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等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３２ａは、例えばモールド成形又はナノインプリント等によって形成することができる。一例として、凸部３２ａは、屈折率が１．５のアクリル樹脂である。

本実施の形態において、光媒体部３１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、光媒体部３１は、電界応答性を有する液晶分子３１ａ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３１ａの配向状態が変化して光媒体部３１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３１ａの配向状態が変化して光媒体部３１の屈折率が変化する。つまり、光媒体部３１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３２ａの屈折率が１．５である場合、光媒体部３１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、光媒体部３１は、交流電力によって電界が与えられてもよいし、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、正弦波でもよいし矩形波でもよい。

［第１電極、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）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等の透明金属酸化物、銀ナノワイヤや導電性粒子等の導電体を含有する樹脂からなる導電体含有樹脂、又は、銀薄膜等の金属薄膜等を用いることができる。なお、第１電極４０及び第２電極５０は、これらの単層構造であってもよし、これらの積層構造（例えば透明金属酸化物と金属薄膜との積層構造）であってもよい。

第１電極４０は、第１基板１０と配光層３０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、配光層３０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、外部電源との電気接続が可能となるように構成されているとよい。例えば、外部電源に接続するための電極パッド等が、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。

［光学デバイスの光学作用］
次に、実施の形態１に係る光学デバイス１の光学作用について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、実施の形態１に係る光学デバイス１の第１光学作用を説明するための図であり、図３Ｂは、同光学デバイス１の第２光学作用を説明するための図である。

光学デバイス１は、光を透過させることができる。本実施の形態では、第１基板１０を光入射側の基板としているので、光学デバイス１は、第１基板１０から入射した光を透過して第２基板２０から出射させることができる。

光学デバイス１に入射した光は、配光層３０を透過する際に光学デバイス１から光学作用を受ける。光学デバイス１は、光媒体部３１の屈折率の変化によって光学作用が変化する。このため、光学デバイス１に入射した光は、配光層３０の光媒体部３１の屈折率に応じて異なる光学作用を受けることになる。

具体的には、図３Ａに示すように、光学デバイス１は、配光層３０における凸部３２ａと光媒体部３１との屈折率差が大きい場合には第１光学モードとなり、入射した光に対して第１光学作用を与える。本実施の形態における光学デバイス１は、第１電極４０及び第２電極５０に電圧が印加されていない状態（電圧無印加状態）の場合に第１光学モードとなる。本実施の形態において、凸部３２ａの屈折率が１．５であり、光媒体部３１（液晶）は異常光屈折率が１．７で、常光屈折率が１．５である。

この場合、図３Ａに示すように、第１光学モードでは、光学デバイス１に対して斜め方向から入射する光Ｌ１（例えば太陽光等の入射角３０度以上で入射する光）のうちＳ偏光については、異常光屈折率（１．７）を感じるため、凸部３２ａと光媒質部３１との間に屈折率差が生じ、凸部３２ａの鉛直下方側の側面３２ａ１と光媒体部３１との界面で屈折して進行方向が変化する。この屈折したＳ偏光は、１つ下隣りの凸部３２ａの鉛直上方側の側面３２ａ１に形成された反射層３３で反射し、跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１から外部に出射する。

一方、光Ｌ１のＰ偏光については、常光屈折率（１．５）を感じるため、凸部３２ａと光媒体部３１との間に屈折率差がなくなり、凸部３２ａの鉛直下方側の側面３２ａ１と光媒体部３１との界面では屈折しない。このため、第１光学モードにおいて、光Ｌ１のＰ偏光は、凸部３２ａから光媒体部３１を直進して反射層３３で反射し、跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１から外部に出射する。

このように、光学デバイス１が第１光学モードの場合、光学デバイス１に対して斜め方向から入射する光Ｌ１については、Ｓ偏光だけではなく、凸部３２ａと光媒体部３１との屈折率差では制御できないＰ偏光についても反射層３３で反射させて、跳ね返る方向に進行方向を曲げることができる。つまり、Ｓ偏光もＰ偏光も跳ね返る方向に配光することができる。

この場合、光Ｌ１については、Ｓ偏光は屈折されるが、Ｐ偏光は屈折されないので、同一の光路で光学デバイス１に入射した光については、Ｓ偏光とＰ偏光とが異なる方向に配光されることになる。

また、図３Ａに示すように、光学デバイス１に対して垂直に又は浅い角度で入射する光Ｌ２（例えば景色からの反射光等）についても同様に、光学デバイス１が第１光学モードの場合、凸部３２ａに入射した光Ｌ２のＳ偏光の一部は凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折して進行方向が変化するが、凸部３２ａに入射した光Ｌ２のＰ偏光の一部は凸部３２ａと光媒体部３１との界面では屈折されないので進行方向が変わらない。

ただし、光Ｌ２は入射角が浅いので、凸部３２ａに入射した光Ｌ２のＳ偏光については、屈折しても反射層３３で反射されることなく光学デバイス１から外部に出射する。また、凸部３２ａに入射した光Ｌ２のＰ偏光についても、反射層３３で反射されることなく光学デバイス１から外部に出射する。具体的には、光Ｌ２のＳ偏光は、光学デバイス１から浅い角度で出射して斜め下方に向かって進行し、光Ｌ２のＰ偏光は、光学デバイス１を直進透過する。

なお、光媒体部３１には複屈折性を有する材料が用いられているため、第１光学モードにおいて、光学デバイス１に入射する光の光透過率は、約５０％になる。

また、隣り合う２つの凸部３２ａの間に入射する光については、光Ｌ１のＳ偏光及びＰ偏光は、光媒体部３１を通って反射層３３で反射して光学デバイス１から出射し、光Ｌ２のＳ偏光及びＰ偏光は、光媒体部３１を通って光学デバイス１から出射する。

次に、光学デバイス１が第２光学モードである場合について説明する。図３Ｂに示すように、光学デバイス１は、第１電極４０及び第２電極５０に電圧が印加されている状態（電圧印加状態）の場合に第２光学モードとなり、入射した光に対して第２光学作用を与える。

この場合、図３Ｂに示すように、光学デバイス１に対して斜め方向から入射する光Ｌ１（例えば太陽光等の入射角３０度以上で入射する光）については、Ｓ偏光もＰ偏光も常光光屈折率（１．５）を感じるため、凸部３２ａと光媒体部３１との間に屈折率差がなくなり、凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折されずに進行方向が変わらない。したがって、第２光学モードにおいて、凸部３２ａに入射した光Ｌ１のＳ偏光及びＰ偏光は、同じ光路を通って凸部３２ａから光媒体部３１を直進して反射層３３で反射し、跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１から外部に出射する。

また、光学デバイス１に対して垂直に又は浅い角度で入射する光Ｌ２についても同様に、Ｓ偏光及びＰ偏光の両方とも、凸部３２ａと光媒体部３１との界面では屈折されずに進行方向が変わらない。この場合、光Ｌ２は入射角が浅いので、凸部３２ａに入射した光Ｌ２のＳ偏光及びＰ偏光の一部は、いずれも反射層３３で反射されることなく光学デバイス１から外部に出射する。つまり、凸部３２ａに入射した光Ｌ２のＳ偏光及びＰ偏光は、いずれも光学デバイス１を直進透過する。

なお、第２光学モードにおいて、光学デバイス１に入射する光の光透過率は、約５０％には落ち込まずに、高い透過率を確保できる。

また、隣り合う２つの凸部３２ａの間に入射する光については、第２光学モードにおいても、光Ｌ１のＳ偏光及びＰ偏光は、光媒体部３１を通って反射層３３で反射して光学デバイス１から出射し、光Ｌ２のＳ偏光及びＰ偏光は、光媒体部３１を通って光学デバイス１から出射する。

このように、光学デバイス１は、凸部３２ａ（凹凸構造部３２）と光媒体部３１との屈折率マッチングを電界によって制御することで光学作用を変化させることができるアクティブ型の光学制御デバイスである。つまり、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、光学デバイス１を第１光学モード（図３Ａ）と第２光学モード（図３Ｂ）とに切り替えることができる。

［光学デバイスの使用例と作用効果］
次に、実施の形態１に係る光学デバイス１の使用例と作用効果について、図３Ａ及び図３Ｂを参照しながら、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、実施の形態１に係る光学デバイス１を窓に設置した場合の使用例を示す図である。図４Ａは、同光学デバイス１が第１光学モードである場合を示しており、図４Ｂは、同光学デバイス１が第２光学モードである場合を示している。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光学デバイス１は、建物１００の窓１１０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、粘着層を介して窓１１０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）と平行となるような姿勢（つまり立設する姿勢）で窓１１０に設置される。

また、図４Ａ及び図４Ｂ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が室外側で第２基板２０が室内側となるように配置されている。つまり、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、光学デバイス１は、第１基板１０が光入射側で、第２基板２０が光出射側となるように配置されている。

図４Ａに示すように、光学デバイス１が第１光学モードの場合、凸部３２ａと光媒体部３１との間に屈折率差が生じる。

したがって、光学デバイス１に対して斜め方向から入射する太陽光のＳ偏光（Ｓ偏光成分）については、図３Ａに示すように、凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折してから反射層３３で反射し、跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１から外部に出射する。これにより、図４Ａに示すように、太陽光のＳ偏光は、室内の天井に照射される。

一方、太陽光のＰ偏光（Ｐ偏光成分）については、図３Ａに示すように、凸部３２ａと光媒体部３１との界面では屈折されずに進行方向が変わることなく反射層３３で反射し、Ｓ偏光と同様に跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１から外部に出射する。これにより、図４Ａに示すように、太陽光のＰ偏光も、室内の天井に照射される。

このように、光学デバイス１が第１光学モードの場合、太陽光のＳ偏光もＰ偏光も反射層３３で反射して室内の天井に照射させることができる。これにより、天井面に配光する光の光量を十分確保できるので、室内照度を向上させることができる。したがって、室内の照明器具を消灯させたり照明器具の光出力を抑えたりできるので、省電力化を図ることができる。

さらに、光学デバイス１では、凸部３２ａと光媒体部３１との屈折率差では制御できない太陽光のＰ偏光についても反射層３３で反射させて天井面に向けて配光させることができる。これにより、太陽光のＰ偏光が床面に向かって直進透過することを抑制できるので、室内の窓際にいる人が眩しく感じることを抑制することができる。

しかも、光学デバイス１では、反射層３３で反射した太陽光のＳ偏光の進行方向を光媒体部３１（液晶）の屈折率で制御することができるので、太陽光のＳ偏光については光学デバイス１から出射する際の仰角を調整することができる。これにより、季節や時間によって太陽高度が異なる場合でも太陽高度に応じて出射光の仰角を調整することで、室内の広い範囲にムラなく太陽光を室内に取り入れることができる。なお、光媒体部３１（液晶）の屈折率は、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で段階的に調整することができる。つまり、出射光の仰角は、電圧によって調整することができる。

さらに、光学デバイス１が第１光学モードの場合、Ｓ偏光もＰ偏光も反射層３３によって配光されるが、Ｓ偏光は屈折され、Ｐ偏光は屈折されない。このため、図３Ａに示すように、同一の光路で光学デバイス１に入射した光については、Ｓ偏光とＰ偏光とが異なる方向に配光されることになる。したがって、天井面の広い範囲を照らすことができる。これにより、机上の照度分布を均一化することもできる。

また、図４Ａに示すように、光学デバイス１に対して垂直に又は浅い角度で入射する景色からの反射光（景色光）のＳ偏光については、図３Ａに示すように、凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折するが、反射層３３で反射されることなく光学デバイス１から外部に出射する。

一方、景色からの反射光のＰ偏光についても、反射層３３で反射されることなく光学デバイス１から外部に出射するが、Ｓ偏光と異なり、凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折しないので、光学デバイス１を直進透過する。

第１光学モードでは、光学デバイス１に入射する光の光透過率は約５０％になるものの、室内のユーザはＰ偏光成分を介して室外の景色を見ることができる。つまり、光学デバイス１は透明性を有するので、窓本来の外が見えるという機能を確保することができる。また、外の景色を見ることができるので、室内にいる人が閉塞感を感じることを抑制できる。

また、本実施の形態における光学デバイス１は、図４Ｂに示されるように、第２光学モードを有する。

光学デバイス１が第２光学モードの場合、凸部３２ａと光媒体部３１との間には屈折率差が生じない。このため、太陽光のＳ偏光及びＰ偏光はいずれも、図３Ｂに示すように、凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折されずに反射層３３で反射し、跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１から外部に出射する。これにより、図４Ｂに示すように、太陽光のＳ偏光及びＰ偏光は、室内の天井に照射される。

このように、光学デバイス１が第２光学モードの場合も、太陽光のＳ偏光及びＰ偏光を反射層３３で反射して室内の天井に照射させることができる。これにより、天井面に配光する光の光量を十分確保できるので、室内照度を向上させることができる。したがって、室内の照明器具を消灯させたり照明器具の光出力を抑えたりできるので、省電力化を図ることができる。

さらに、光学デバイス１が第１光学モードの場合と同様に、太陽光のＳ偏光だけではなく、凸部３２ａと光媒体部３１との屈折率差では制御できない太陽光のＰ偏光についても、反射層３３で反射させて天井面に向けて配光させることができる。これにより、太陽光のＰ偏光が床面に向かって直進透過しないので、室内の窓際にいる人が眩しく感じることを抑制できる。

ただし、光学デバイス１が第２光学モードの場合は、同一の光路で光学デバイス１に入射した光については、Ｓ偏光もＰ偏光も同じ光路で同一方向に進行することになる。したがって、光学デバイス１が第２光学モードの場合（図４Ｂ）は、光学デバイス１が第１光学モードの場合（図４Ａ）よりも、天井面の照射範囲は小さくなる。言い換えると、光学デバイス１は、第１光学モードのときの方が第２光学モードのときよりも、天井面の広い領域を照射することができる。

また、図４Ｂに示すように、景色からの反射光については、図３Ｂに示すように、Ｓ偏光及びＰ偏光の両方が、凸部３２ａと光媒体部３１との界面では屈折されずに進行方向が変わらずに光学デバイス１から外部に出射する。このため、第１光学モードでの光透過率は約５０％であったが、第２光学モードでは、それ以上の高い光透過率を確保できる。これにより、第２光学モードの場合は第１光学モードと比べて光学デバイス１の透明性を高くすることができるので、窓本来の外が見えるという機能を向上させることができる。

［光学デバイスの実施例］
ここで、実施例として本実施の形態における光学デバイス１を実際に作製したので、これについて説明する。

本実施例では、第１基板１０としてＰＥＴからなる透明な樹脂基板を用いて、この樹脂基板上に第１電極４０として膜厚が１００ｎｍを形成した。この第１電極４０が形成された樹脂基板上に、アクリル樹脂（屈折率１．５）によって各々の高さが１０μｍの断面台形状の複数の凸部３２ａを隙間２μｍで等間隔に形成された凹凸構造部３２をモールド型押しにより形成することで第１透明基板を作製した。なお、凸部３２ａはストライプ状とした。その後、斜方蒸着によって複数の凸部３２ａの一方の側面３２ａ１のみに反射層３３を形成した。なお、メッキ又は蒸着により凹凸構造部３２の表面全面に反射膜を形成した後、各凸部３２ａ他方の側面３２ａ１をドライエッチングすることで、各凸部３２ａの一方の側面３２ａ１のみに反射層３３を形成してもよい。

次に、第２電極５０が形成された第２基板２０を第２透明基板（対向基板）として用いて、第１透明基板と第２透明基板との間にシール樹脂を形成して第１透明基板と第２透明基板とを封止し、この封止した状態で第１透明基板と第２透明基板との間に光媒体部３１として、誘電率が長軸方向には大きく長軸に垂直な方向には小さい棒状の液晶分子３１ａを有するポジ型の液晶を真空注入法で注入した。液晶としては、常光屈折率（ｎｏ）が１．５で、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７のものを用いた。

なお、液晶分子３１ａは、凹凸構造部３２の形状に沿って配向することが知られている。このため、第２電極５０の表面に配向膜を形成してラビング処理を行うとよい。これにより、第２基板２０の全領域において、液晶分子３１ａを第２基板２０の主面に対して水平配向にすることができる。

このように構成された光学デバイス１を窓に設置した場合、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、３０°〜６０°の太陽高度で光学デバイス１に入射する光は、配光層３０で配光されて室内の天井面に照射される。このとき、例えば３０°の入射角で光学デバイス１に入射した光は、仰角１５°〜３０°で天井面に向かって配光される。

［まとめ］
以上、本実施の形態における光学デバイス１によれば、第１基板１０と第２基板２０との間には、複屈折材料を含む光媒体部３１と凹凸構造部３２とを有する配光層３０が配置されており、凹凸構造部３２を構成する複数の凸部３２ａの各々の一方の側面に３２ａ１は、入射した光を反射する反射層３３が形成されている。

これにより、室内から室外の景色を見ることを可能としつつ、偏光方向が異なる複数の偏光のいずれについても配光することができる。したがって、窓本来の外が見えるという機能（透明性）を失わせることなく室内を明るくすることができつつ、窓際にいる人が眩しく感じることを抑制できる。また、複数の偏光のいずれについても配光することで、天井面に配光する光の光量を十分確保でき、室内照度を向上させることができる。

しかも、同一の光路で光学デバイス１に入射した光のＳ偏光とＰ偏光とを異なる方向に配光させることができる。これにより、天井面の広い範囲を照らすことができるので机上の照度分布を均一化することができる。また、季節や時間によって太陽高度が異なる場合でも室内の広い範囲にムラなく太陽光を室内に取り入れることもできる。

さらに、本実施の形態では、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を備えており、配光層３０の光媒体部３１が、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。

これにより、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光媒体部３１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を第１光学モード（図３Ａ）と第２光学モード（図３Ｂ）とに切り替えることができる。つまり、第１光学モードだけではなく、透明性のより高い第２光学モードに切り替えることができるので、より窓本来の機能を確保して室内から室外の景色をより一層クリアに見ることを可能としつつ、室内の明るさの確保と窓際にいる人の眩しさ抑制とを実現することができる。

（実施の形態１の変形例１）
次に、実施の形態１の変形例１に係る光学デバイス１Ａについて、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態１の変形例１に係る光学デバイス１Ａの拡大断面図である。

上記実施の形態１における光学デバイス１では、第１電極４０及び第２電極５０が設けられていたが、本変形例では、図５に示すように、第１電極４０及び第２電極５０が設けられていない。

つまり、上記実施の形態１における光学デバイス１は、第１電極４０及び第２電極５０による電圧制御によって光学作用を変化させるアクティブ型の光学制御デバイスであったが。本変形例における光学デバイス１Ａは、光学作用が変化しないパッシブ型の光学制御デバイスである。

したがって、本変形例では、配光層３０には電界が与えられないので、光媒体部３１（液晶）の液晶分子３１ａの配向状態が変化しない。つまり、光媒体部３１の屈折率が変化しない。

このため、本変形例では、Ｓ偏光に対する凹凸構造部３２（凸部３２ａ）の屈折率と光媒体部３１（液晶）の屈折率との屈折率差が常に存在するように、凹凸構造部３２（凸部３２ａ）と光媒体部３１（液晶）の材料が選択されている。これにより、本変形例における光学デバイス１Ａは、常に、図３Ａに示される第１光学モードとなる。

したがって、本変形例では、図３Ａに示すように、太陽光等の光学デバイス１に対して斜め方向から入射する光Ｌ１については、Ｓ偏光だけではなくＰ偏光も反射層３３で反射して室内の天井に照射させることができる。また、景色光等の光学デバイス１に対して垂直に入射する光Ｌ２については、Ｓ偏光は屈折するがＰ偏光は屈折されずに直進透過する。

以上、本変形例における光学デバイス１Ａにおいても、配光層３０の光媒体部３１は、複屈折材料を含んでいる。具体的には、光媒体部３１は、複屈折材料として液晶を含んでいる。

したがって、本変形例における光学デバイス１Ａにおいても、室内から室外の景色を見ることを可能としつつ、Ｓ偏光及びＰ偏光のいずれについても配光することができる。

なお、本変形例は、後述する実施の形態２、３にも適用することができる。

（実施の形態１の変形例２）
次に、実施の形態１の変形例２に係る光学デバイス１Ｂについて、図６を用いて説明する。図６は、実施の形態１の変形例２に係る光学デバイス１Ｂの拡大断面図である。

上記実施の形態１における光学デバイス１では、配光層３０の凹凸構造部３２を構成する複数の凸部３２ａは、互いに分離して形成されていたが、本変形例における光学デバイス１Ｂでは、図６に示すように、配光層３０Ｂの凹凸構造部３２Ｂを構成する複数の凸部３２ａは、互いに連結されていてもよい。

具体的には、凹凸構造部３２Ｂは、第１基板１０側（密着層６０側）に形成された薄膜層３２ｂと当該薄膜層３２ｂから突出する複数の凸部３２ａとによって構成されている。なお、薄膜層３２ｂは、意図的に形成してもよいし、複数の凸部３２ａを形成する際の残渣膜として形成されていてもよい。この場合、薄膜層３２ｂ（残渣膜）の厚さとしては、例えば１μｍ以下である。

以上、本変形例における光学デバイス１Ｂでも、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様の効果を奏する。

なお、本変形例は、後述する実施の形態２、３にも適用することができる。

（実施の形態１の変形例３）
次に、実施の形態１の変形例３に係る光学デバイス１Ｃについて、図７を用いて説明する。図７は、実施の形態１の変形例３に係る光学デバイス１Ｃの拡大断面図である。

上記実施の形態１における光学デバイス１では、配光層３０の凹凸構造部３２を構成する複数の凸部３２ａの各々は、断面形状が略台形の長尺状の略四角柱形状であったが、本変形例における光学デバイス１Ｃでは、図７に示すように、配光層３０Ｃの凹凸構造部３２Ｃを構成する複数の凸部３２ａの各々は、断面形状が略三角形の長尺状の略三角柱形状である。

この場合、各凸部３２ａは、断面形状（三角形）における高さが１００ｎｍ〜１００μｍで、アスペクト比（高さ／底辺）が１〜５程度である。また、隣り合う凸部３２ａ同士の頂点の間隔（ピッチ）は、例えば１００ｎｍ〜１００μｍである。

なお、凸部３２ａの高さやアスペクト比、ピッチは、これらの範囲に限定されるものではない。また、本変形例において、隣り合う２つの凸部３２ａは、根元で接触するように構成されているが、上記実施の形態１と同様に、隣り合う２つの凸部３２ａは、接触することなく所定の間隔をあけて形成されていてもよい。さらに、凸部３２ａの断面形状は、三角形及び台形に限るものではない。

以上、本変形例における光学デバイス１Ｃでも、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様の効果を奏する。

なお、本変形例は、後述する実施の形態２、３にも適用することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る光学デバイス２について、図８を用いて説明する。図８は、実施の形態２に係る光学デバイス２の拡大断面図である。

図８に示すように、本実施の形態における光学デバイス２は、実施の形態１における光学デバイス１に対して、さらに、光吸収層３４を有する。光吸収層３４は、配光層３０の凹凸構造部３２を構成する複数の凸部３２ａの各々の側面３２ａ１と反射層３３との間に形成されている。具体的には、光吸収層３４は、各凸部３２ａの鉛直上方側の側面３２ａ１の表面に形成されている。

光吸収層３４は、可視光を吸収できる材料によって構成されており、例えば黒色材料を用いて形成することができる。光吸収層３４の材料は、樹脂材料又は金属材料である。本実施の形態において、光吸収層３４は、黒色めっき膜であり、例えば無電解めっき法によるって形成することができる。なお、光吸収層３４の形成方法は、無電解めっき法に限るものではなく、塗布等であってもよい。

以上、本実施の形態における光学デバイス２によれば、実施の形態１における光学デバイス１と同様に、凸部３２ａの一方の側面３２ａ１に反射層３３が形成されている。

これにより、実施の形態１と同様に、窓本来の外が見えるという機能（透明性）を失わせることなく室内を明るくすることができつつ、窓際にいる人が眩しく感じることを抑制できる。また、実施の形態１と同様に、Ｓ偏光及びＰ偏光のいずれについても配光できるので、天井面に配光する光の光量を十分確保でき、室内照度を向上させることができる。しかも、この場合、同一の光路で光学デバイス１に入射した光のＳ偏光とＰ偏光とを異なる方向に配光できるので、天井面の広い範囲を照らすことができる。

さらに、本実施の形態における光学デバイス２では、凸部３２ａの側面３２ａ１と反射層３３との間に光吸収層３４が形成されている。

これにより、実施の形態１における光学デバイス１と比べて、床面に向かって直進透過する光をさらに少なくできる。つまり、上記の実施の形態１では、凸部３２ａに形成された反射層３３で反射した光のうち上隣りの凸部３２ａに入射する光は、上隣りの凸部３２ａの反射層３３の凸部３２ａ側の面で反射して下方に向かうことなる。これに対して、本実施の形態では、図８に示すように、凸部３２ａに形成された反射層３３で反射した光のうち上隣りの凸部３２ａに入射する光は、上隣りの凸部３２ａに形成された光吸収層３４で吸収されるので、下側（床側）に向かう光を少なくすることができる。したがって、室内の窓際にいる人が眩しく感じることを一層抑制できる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る光学デバイス３について、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態３に係る光学デバイス３の拡大断面図である。

図９に示すように、本実施の形態における光学デバイス３は、実施の形態１における光学デバイス１において、凹凸構造部３２を構成する複数の凸部３２ａの側面３２ａ１が複数の斜面を有する。

具体的には、各凸部３２ａにおいて、反射層３３が形成された一方の側面３２ａ１（鉛直上方側の側面）とは反対側の他方の側面３２ａ１（鉛直下方側の側面）が、少なくとも２以上の異なる角度の斜面により形成されている。本実施の形態では、図９に示すように、凸部３２ａの鉛直下方側の側面３２ａ１は、異なる傾斜角の２つの傾斜面によって構成されている。各傾斜面は、凸部３２ａと光媒体部３１との界面で屈折した光が反射層３３にできるだけ多く入射するような形状及び組み合わせ等によって形成されているとよい。

以上、本実施の形態における光学デバイス３によれば、実施の形態１における光学デバイス１と同様に、凸部３２ａの一方の側面３２ａ１に反射層３３が形成されている。

これにより、実施の形態１と同様に、窓本来の外が見えるという機能（透明性）を失わせることなく室内を明るくすることができつつ、窓際にいる人が眩しく感じることを抑制できる。また、実施の形態１と同様に、Ｓ偏光及びＰ偏光のいずれについても配光できるので、天井面に配光する光の光量を十分確保でき、室内照度を向上させることができる。しかも、この場合、同一の光路で光学デバイス１に入射した光のＳ偏光とＰ偏光とを異なる方向に配光できるので、天井面の広い範囲を照らすことができる。

さらに、本実施の形態における光学デバイス３では、複数の凸部３２ａの各々の他方の側面３２ａ１は、少なくとも２以上の異なる角度の斜面により形成されている。

これにより、反射層３３に入射させる光の量を多くすることができるので、太陽高度が高い場合でも低い場合でも、光学デバイス３に入射した光を天井面に向けて一定の方向で配光することが可能となる。

（その他変形例等）
以上、本発明に係る光学デバイスについて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記の各実施の形態及び各変形例において、凸部３２ａ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３２ａ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、上記の各実施の形態及び各変形例において、凹凸構造部３２、３２Ｂ及び３２Ｃを構成する複数の凸部３２ａの各々は、長尺状であったが、これに限るものではない。例えば、各凸部３２ａは、マトリクス状等に点在するように配置されていてもよい。つまり、各凸部３２ａを、ドット状に点在するように配置してもよい。

また、上記の各実施の形態及び各変形例において、複数の凸部３２ａ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３２ａの側面３２ａ１の傾斜角を異ならせてもよい。

また、上記の各実施の形態及び各変形例において、複数の凸部３２ａ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３２ａ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３２ａ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、上記の各実施の形態及び各変形例において、配光層３０、３０Ｂ及び３０Ｃの光媒体部３１の材料として、液晶材料以外にポリマー構造等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）を用いることができる。

また、上記の各実施の形態及び各変形例において、光学デバイスに入射する光として太陽光を例示したが、これに限るものではない。例えば、光学デバイスに入射する光は、照明装置等の発光装置が発する光であってもよい。

また、上記の各実施の形態及び各変形例において、光学デバイスは、窓１１０の室内側の面に貼り付けたが、窓１１０の屋外側の面に貼り付けてもよい。ただし、光学素子の劣化を抑制するには、光学デバイスは、窓１１０の室内側の面に貼り付けた方がよい。また、光学デバイスを窓に貼り付けたが、光学デバイスを建物１００の窓そのものとして用いてもよい。また、光学デバイスは、建物の窓に設置する場合に限るものではなく、例えば車の窓等に設置してもよい。

なお、その他、上記実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記の各実施の形態及び変形例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、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、２、３ 光学デバイス
１０ 第１基板
２０ 第２基板
３０、３０Ｂ、３０Ｃ 配光層
３１ 光媒体部
３１ａ 液晶分子
３２、３２Ｂ、３２Ｃ 凹凸構造部
３２ａ 凸部
３２ａ１ 側面
３３ 反射層
３４ 光吸収層
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、複屈折材料を含む光媒体部と、複数の凸部によって構成された凹凸構造部とを有し、
   前記複数の凸部の各々の一方の側面には、入射した光を反射する反射層が形成されている、
   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、
   前記光媒体部は、前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されることで屈折率が変化する、
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記複数の凸部の各々の側面と前記反射層との間には、光を吸収する光吸収層が形成されている、
   請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記複数の凸部の各々の他方の側面は、少なくとも２以上の異なる角度の斜面により形成されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
5. 前記複屈折材料は、液晶である、
   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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