JP6217702B2 - 光学素子およびその製造方法ならびに照明装置、窓材および建具 - Google Patents
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Description
第1の面に対向する第2の面と、
第1の面および第2の面で規定される第1の領域の内部に配列される複数の反射面と
を備え、
複数の反射面が、第1の面に垂直な第1の方向に第1の長さを有し、第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
第1の面または第2の面のうち、一方の面に入射した光が、複数の反射面により他方の面に向けて反射され、
下記の(1)式および(9)式を満たす光学素子である。
(ただし、d:第1の長さ、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチ、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合、np:第1の面および第2の面で規定される領域の内部の屈折率、nair:空気の屈折率、α:光学素子に入射する光の入射角、ψ:第1および第2の方向を含む面において、反射面の任意の点における接線と第1の方向とのなす角。)
第1の面に対向する第2の面と、
第1の面および第2の面で規定される第1の領域の内部に配列される複数の反射面と
を備え、
複数の反射面が、少なくとも一部に曲率を有するとともに、第1の面に垂直な第1の方向に第1の長さを有し、第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
第1の面または第2の面のうち、一方の面に入射した光が、複数の反射面により他方の面に向けて反射され、
下記の(1)式および(16)式を満たす光学素子である。
(ただし、d:第1の長さ、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチ、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合、np:第1の面および第2の面で規定される領域の内部の屈折率、nair:空気の屈折率、ξ:反射面のうち曲率を有する部分をレンズとみなしたときに、反射面に入射した光が、集光後拡散された際の光の広がりの角度。)
第1の面に対向する第2の面と、
第1の面および第2の面で規定される第1の領域の内部に配列される複数の反射面と
を備え、
複数の反射面が、微細な凹凸を有するとともに、第1の面に垂直な第1の方向に第1の長さを有し、第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
第1の面または第2の面のうち、一方の面に入射した光が、複数の反射面により他方の面に向けて反射され、
反射面で反射された光のエネルギ分布が正反射方向を中心とするガウス分布を有し、該ガウス分布の標準偏差が、5°以下とされ、かつ下記の(1)式を満たす光学素子である。
(ただし、d:第1の長さ、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチ、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合。)
第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程と
を備え、
複数の反射面が、転写面の凹凸形状の深さ方向に第1の長さを有し、深さ方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
第1の光透過層または第2の光透過層のうち、一方の一主面に入射した光が、複数の反射面により他方の一主面に向けて反射され、
下記の(1)式および(9)式を満たす光学素子の製造方法である。
(ただし、d:第1の長さ、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチ、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合、np:第1の光透過性部材の屈折率、nair:空気の屈折率、α:光学素子に入射する光の入射角、ψ:第1および第2の方向を含む面において、反射面の任意の点における接線と第1の方向とのなす角。)
第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程と
を備え、
複数の反射面が、少なくとも一部に曲率を有するとともに、転写面の凹凸形状の深さ方向に第1の長さを有し、深さ方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
第1の光透過層または第2の光透過層のうち、一方の一主面に入射した光が、複数の反射面により他方の一主面に向けて反射され、
下記の(1)式および(16)式を満たす光学素子の製造方法である。
(ただし、d:第1の長さ、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチ、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合、np:第1の光透過性部材の屈折率、nair:空気の屈折率、ξ:反射面のうち曲率を有する部分をレンズとみなしたときに、反射面に入射した光が、集光後拡散された際の光の広がりの角度。)
第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程と
を備え、
複数の反射面が、微細な凹凸を有するとともに、転写面の凹凸形状の深さ方向に第1の長さを有し、深さ方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
第1の光透過層または第2の光透過層のうち、一方の一主面に入射した光が、複数の反射面により他方の一主面に向けて反射され、
反射面で反射された光のエネルギ分布が正反射方向を中心とするガウス分布を有し、該ガウス分布の標準偏差が、5°以下とされ、かつ下記の(1)式を満たす光学素子の製造方法である。
(ただし、d:第1の長さ、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチ、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合。)
1.第1の実施形態(構造層形状に倒れや曲がりが存在する例)
2.第2の実施形態(構造層を形成する構造単位の先端形状に丸みが存在する例)
3.第3の実施形態(構造層形状の表面に微細な凹凸が存在する例)
4.変形例
図1は、本発明の一実施形態に係る光学素子を窓に用いた例を示す室内の概略斜視図である。光学素子1は、屋外から照射される太陽Dからの入射光L1を室内Rへ取り込む太陽光採光器として構成され、例えば、建屋の窓材に使用される。光学素子1は、上空から照射される入射光L1を室内Rの天井Cに向けて指向的に出射する機能を有する。天井Cに向けて取り込まれた太陽光は、天井Cにおいて拡散反射されて室内Rを照射する。このように太陽光が室内の照明に用いられることで、日中における照明器具ILの使用電力の削減が図られることになる。
図2は、光学素子1の構成を示す概略断面図である。光学素子1は、第1の光透過層3、第2の光透過層5および基材11の積層構造を有する。図2において、X軸方向は光学素子1の厚み方向であり、光入射面S1と垂直の方向である。Y軸方向は光学素子1の表面における水平方向、そしてZ軸方向は上記表面における上下方向を意味する。
次に、構造層15の詳細について説明する。
を有する。空隙151は、X軸方向(第1の方向)に深さd(第1の長さ)、Z軸方向(
第2の方向)に幅w(第2の長さ)を有し、Z軸方向に配列ピッチpで形成されている。
また、空隙151は、Y軸方向に直線的に形成されている。
次に、以上のように構成される光学素子1の製造方法について説明する。図7A〜図7Cは、本発明の一実施形態に係る光学素子1の製造方法を説明する主要工程の概略斜視図である。
・構造層形状の倒れ・曲がり
・構造層を形成する構造単位の先端形状
・構造層形状の表面の粗度
図8に示すように、反射面151rが、出射側に向かい上向きに傾斜している場合、反射面151rで反射されたのち光出射面S2に入射する光の光出射面S2に対する入射角が、設計値からずれてしまう。そのため、光出射面S2において意図しない全反射が起こり、上方透過率が低下してしまう。
図9に示すように、反射面151rが、出射側に向かい下向きに傾斜している場合、反射に寄与する面積の減少と同様の影響が生じる。例えば、X軸に対してごく浅い角度をなす方向からの入射光は、反射面151rでの反射が起こらない。そのため、反射面151rにおける反射光が減少し、その減少分が光学素子1の下方へ向けて出射されてしまう。
第2の実施形態に係る光学素子は、構造層を形成する構造単位の先端形状に丸みが存在した場合であっても、光学素子に対して上方へ出射される光量の減少が抑えられた光学素子に関する。ここで、形状先端とは、光が入射してくる側に突出した構造の頂部をいう。
図7を参照して説明したように、第2の実施形態に係る光学素子は、原盤の凹凸形状が転写された光透過層と他の光透過層とを接着することにより形成することができる。すなわち、構造層を形成する構造単位の形状先端側には、接着層が配置される。したがって、原盤の凹凸形状が転写された光透過層の形状先端と他の光透過層との接着工程を工夫することにより、先端形状の丸みに起因する上方透過率に対する影響を緩和することができる。
第3の実施形態に係る光学素子は、構造層形状の表面に微細な凹凸が存在する場合であっても、光学素子に対して上方へ出射される光量の減少が抑えられた光学素子に関する。
以下に説明する試験例1では、構造層を形成する構造単位の先端形状の丸みが透過率に与える影響をシミュレーションにより求めた。シミュレーションは、ORA社のLight Toolsを用い、下記の試験例1−1〜試験例1−7に示す光学素子に対して行った。また、丸み部分は円弧であるとし、円弧の曲率を変化させた場合の透過率T[%]を求めた。
まず、図14に示すものと同様の構造層を形成する構造単位を想定した。曲率として0.01、照射角度として0°を想定した。
曲率を0.02とする以外は試験例1−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
曲率を0.03とする以外は試験例1−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
構造単位の先端形状に丸みがない(曲率がない)とし、照射角度を60°とする以外は試験例1−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
曲率を0.01、照射角度を60°とする以外は試験例1−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
曲率を0.02、照射角度を60°とする以外は試験例1−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
曲率を0.03、照射角度を60°とする以外は試験例1−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
以下に説明する試験例2では、構造層形状の表面の微細な凹凸が透過率に与える影響をシミュレーションにより求めた。シミュレーションは、ORA社のLight Toolsを用い、下記の試験例2−1〜試験例2−6に示す光学素子に対して行い、反射面が散乱特性を有する場合と有しない場合(σ=0°)について、照射角度を変化させた場合の透過率T[%]を求めた。
まず、図18に示すものと同様の構造層を形成する構造単位を想定した。反射面151rが散乱特性を有するものとし、すなわち、反射光のエネルギ分布がガウス分布に従うものとし、照射角度として10°を想定した。
照射角度を30°とする以外は試験例2−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
照射角度を30°とする以外は試験例2−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
反射面151rが散乱特性を有しないものとし、照射角度を10°とする以外は試験例2−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
反射面151rが散乱特性を有しないものとし、照射角度を30°とする以外は試験例2−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
反射面151rが散乱特性を有しないものとし、照射角度を60°とする以外は試験例2−1と同様にして、構造層を形成する構造単位を想定した。
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
図25Aおよび図25Bは、本発明の第1の変形例に係る光学素子を示している。
図26は、第2の変形例に係る光学素子301の斜視図である。第2の変形例に係る光学素子301は、空隙351が一方の表面に形成された光透過層305と、プリズム311Pが配列された構造面を有するプリズムシート311(第2の基体)との積層構造を有する。空隙351は、光透過層305の光入射側の面に形成され、プリズム311Pは光出射面の側に形成されている。プリズム311Pは、Z軸方向に稜線方向を有し、Y軸方向に配列されている。
図27は、第3の変形例を示している。第3の変形例に係る照明装置400は、発光体40と、広告媒体48と、これら発光体40と広告媒体48との間に配置された光透過フィルム405とを有する。
照明器具のほか、採光部を備える建具(内装部材または外装部材)に対して光学素子を適用してもよい。図28Aは、採光部に光学素子を備える建具の一構成例を示す斜視図である。図28Aに示すように、建具501は、その採光部504に採光部材502を備える構成を有している。具体的には、建具501は、採光部材502と、採光部材502の周縁部に設けられる枠材503とを備える。採光部材502は枠材503により固定され、必要に応じて枠材503を分解して採光部材502を取り外すことが可能である。建具501としては、例えば障子を挙げることができるが、この例に限定されるものではなく、採光部を有する種々の建具に適用可能である。
上述した実施形態では、反射面151rが素子の厚み方向(X軸方向)に延在するように配置した例を説明したが、空隙部の上下面に形成される一対の反射面は、相互に平行である場合に限られず、相互に非平行であってもよい。
3…第1の光透過層
5…第2の光透過層
7…接着層
11…基材
15…構造層
105…原盤
115…凹凸形状
151…空隙
151r…反射面
21…透明層
37…貼合層
39…セパレータ
L1…入射光
L2…出射光
S1…光入射面
S2…光出射面
F…窓材
d…空隙の深さ(第1の長さ)
w…空隙の幅(第2の長さ)
p…反射面の配列ピッチ
Claims (14)
- 第1の面と、
前記第1の面に対向する第2の面と、
前記第1の面および前記第2の面で規定される第1の領域の内部に配列される複数の反射面と
を備え、
前記第1の領域が、紫外線硬化性樹脂の硬化フィルムから構成されており、
前記複数の反射面が、少なくとも一部に曲率を有するとともに、前記第1の面に垂直な第1の方向に第1の長さを有し、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って配列され、且つ前記第1の領域と、前記第2の方向に第2の長さを有し、前記第1の領域の内部の屈折率とは異なる屈折率を有する第2の領域との界面から形成されており、
前記第2の領域が空隙であり、
前記第1の面または前記第2の面のうち、一方の面に入射した光が、前記複数の反射面により他方の面に向けて反射され、
下記の(1)式および(16)式を満たす光学素子であって、
前記第1の長さがxだけ増加したとき、前記反射面で反射され前記第2の面から出射される光量の、前記第1の長さの増加前に対する光量の比をTとしたとき、下記の(4)式を満たす光学素子。
(ただし、d:第1の長さであって、10〜1000μmの範囲、:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチであって、100〜800μmの範囲、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合、np:第1の面および第2の面で規定される領域の内部の屈折率、nair:空気の屈折率、ξ:反射面のうち曲率を有する部分をレンズとみなしたときに、反射面に入射した光が、集光後拡散された際の光の広がりの角度。)
- 前記第2の長さをwとしたときに、(p−w)/p≧0.2の関係を満たす請求項1または2記載の光学素子。
- 前記第2の領域が、空気層である
請求項1記載の光学素子。 - 前記第1の領域の外側に、周期的または非周期的に形成された光拡散性の凹凸形状を有する構造層をさらに備える
請求項1〜4のいずれかに記載の光学素子。 - 前記凹凸形状が、前記第2の方向が稜線方向とされ、前記第1の方向および前記第2の方向と直交する方向に配列されたプリズムである
請求項5記載の光学素子。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の光学素子を備える照明装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の光学素子を備える窓材。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の光学素子を採光部に備える建具。
- 原盤に形成された凹凸形状を転写材料に転写することにより、転写面に複数の反射面を有する第1の光透過層を形成する工程と、
前記第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程と
を備え、
前記複数の反射面が、少なくとも一部に曲率を有するとともに、前記転写面の凹凸形状の深さ方向に第1の長さを有し、前記深さ方向と直交する第2の方向に沿って配列され、
前記第1の光透過層が、紫外線硬化性樹脂の硬化フィルムから構成されており、
前記複数の反射面が、前記第1の光透過層と、前記第2の方向に第2の長さを有し、前記第1の光透過層の内部の屈折率とは異なる屈折率を有する空隙との界面から形成されており、
前記第1の光透過層または前記第2の光透過層のうち、一方の一主面に入射した光が、前記複数の反射面により他方の一主面に向けて反射され、
下記の(1)式および(16)式を満たす光学素子の製造方法であって、
前記第1の長さがxだけ増加したとき、前記反射面で反射され前記第2の面から出射される光量の、前記第1の長さの増加前に対する光量の比をTとしたとき、下記の(4)式を満たす光学素子の製造方法。
(ただし、d:第1の長さであって、10〜1000μmの範囲、n:同一の反射面において入射光が全反射する回数、p:反射面の配列ピッチであって、100〜800μmの範囲、β:反射面に入射する光の第1および第2の方向を含む面への射影と、反射面の任意の点における接線とのなす角(6.5°≦β≦87.5°)、N:自然数の集合、np:第1の光透過層の屈折率、nair:空気の屈折率、ξ:反射面のうち曲率を有する部分をレンズとみなしたときに、反射面に入射した光が、集光後拡散された際の光の広がりの角度。)
- 前記第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程が、前記転写面の凸部の先端の少なくとも一部を粘着剤に埋没させて接合する工程である
請求項10または11記載の光学素子の製造方法。 - 前記第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程が、前記転写面の凸部の先端を膨潤させて前記第2の光透過層に圧着する工程である
請求項10または11記載の光学素子の製造方法。 - 前記第1の光透過層と第2の光透過層とを接合する工程が、前記転写面の凸部の先端に熱を加えながら、前記転写面の凸部を前記第2の光透過層に圧着する工程である
請求項10または11記載の光学素子の製造方法。
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