特許 6385959 集光光学素子、及びこれを備えた集光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6385959

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】集光光学素子、及びこれを備えた集光装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/00 20060101AFI20180827BHJP

   G02B 5/04 20060101ALI20180827BHJP

   G02B 5/02 20060101ALI20180827BHJP

   F21S 11/00 20060101ALI20180827BHJP

   F21V 8/00 20060101ALI20180827BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/00 Z

   G02B5/04 A

   G02B5/02 C

   F21S11/00 110

   F21V8/00 221

【請求項の数】12

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-554605(P2015-554605)

(86)(22)【出願日】2014年9月19日

(86)【国際出願番号】JP2014074828

(87)【国際公開番号】WO2015098209

(87)【国際公開日】20150702

【審査請求日】2016年7月1日

(31)【優先権主張番号】特願2013-267053(P2013-267053)

(32)【優先日】2013年12月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100124431

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 順也

(74)【代理人】

【識別番号】100156845

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 威一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100124039

【弁理士】

【氏名又は名称】立花 顕治

(74)【代理人】

【識別番号】100112896

【弁理士】

【氏名又は名称】松井 宏記

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 賢司

(72)【発明者】

【氏名】三原 敏行

(72)【発明者】

【氏名】金高 健二

【審査官】 藤岡 善行

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２４００３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１１−５０３９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５６４４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／０２

Ｆ２１Ｓ １１／００

Ｆ２１Ｖ ５／０２

Ｇ０２Ｂ ５／００

Ｇ０２Ｂ ５／０４

Ｇ０２Ｂ ６／００

Ｆ２４Ｊ ２／０６

Ｈ０２Ｓ ４０／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の導光体が主面側において積層された積層体を備える集光光学素子であって、
前記導光体は、前記主面の少なくとも一方に連続する複数のプリズム構造を有し、
前記連続する複数のプリズム構造は、光を屈折または反射させるプリズム構造が、幅方向に伸びる平坦面を介することなく、隣接して少なくとも２つ以上形成されている構造であり、
前記集光光学素子において外部光が入射する最表面側に位置する導光体が、前記最表面側の主面に前記プリズム構造を有し、
他の導光体は、前記最表面側の主面とは反対側の主面に前記プリズム構造を有し、
前記導光体は、外部光が入射する主面が平行かつ平坦面である透明基材の少なくとも一方の主面に、前記複数のプリズム構造が形成されたものであり、
前記導光体の主面側から入射された外部光が、前記プリズム構造により屈折または反射し、前記複数の導光体内を伝播して、前記導光体の少なくとも一方の端面から出射される、集光光学素子。

【請求項2】

前記プリズム構造の積層方向における断面形状が三角形状であり、
前記プリズム構造の断面形状において、前記導光体から突出している頂角が、４５°〜１２０°の範囲にある、請求項１に記載の集光光学素子。

【請求項3】

前記プリズム構造の積層方向における断面形状が三角形状であり、
前記プリズム構造の断面形状が、積層方向に対して線対称である、請求項１または２に記載の集光光学素子。

【請求項4】

前記プリズム構造の積層方向における断面形状が三角形状であり、
前記プリズム構造の断面形状が、積層方向に対して非線対称である、請求項１または２に記載の集光光学素子。

【請求項5】

前記プリズム構造が、前記導光体の主面に形成された連続する複数のＶ字状の溝により形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項6】

前記複数のプリズム構造のピッチが、０．０１〜１ｍｍの範囲にある、請求項１〜５のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項7】

前記各導光体の厚みが、それぞれ、０．１〜１０ｍｍの範囲にある、請求項１〜６のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項8】

前記導光体の積層数が２〜６の範囲にある、請求項１〜７のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項9】

前記複数の導光体の屈折率が、実質的に同一である、請求項１〜８のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項10】

前記プリズム構造が、前記導光体の少なくとも一方側の主面の略全面に形成されている、請求項１〜９のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項11】

前記導光体は、積層方向からみた場合の形状が、矩形状または扇形である、請求項１〜１０のいずれかに記載の集光光学素子。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子を備える、集光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、集光光学素子、及びこれを備えた集光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、太陽光のエネルギーを有効利用した、太陽電池、太陽熱温水器、太陽光照明などが知られている。例えば、太陽光照明では、太陽光を集光する複数のレンズと、当該レンズで集光した太陽光を導く光ファイバと、太陽の位置を検出する光センサーと、当該光センサーの検出結果に基づき上記レンズを動かして太陽光の動きを追尾する太陽追尾機構とを備えたものが利用されている。このような太陽光照明においては、レンズで集光された光が光ファイバなどを通じて室内に導かれるため、太陽光が届きにくい屋内の照明として利用されている（例えば、非特許文献１を参照）。

【0003】

しかしながら、例えば非特許文献１に開示されたような太陽光照明においては、太陽光の入射角による依存性が高いため、光の入射面を太陽の方向に向けて太陽の動きを追尾する太陽追尾機構が必要である。太陽追尾機構を備えた太陽光集光装置は、大型になるという問題がある。よって、このような太陽光集光装置は、建物の屋根や屋上に設置することはできるが、例えば建物の壁面などに設置することは非常に困難であり、設置場所に大きな制約があるという問題がある。

【0004】

そこで、太陽追尾機構を用いずに太陽光の集光効率を高める技術が種々検討されている。このような技術としては、例えば、日周運動する太陽からさまざまな入射角で入射する光を集光光学素子の内部で反射させ、光を所望の位置に導く方法が知られている。

【0005】

例えば、特許文献１には、天空に向けて設置される透過型の太陽光拡散板と、この太陽光拡散板の下面に設置され、前記太陽光拡散板を透過した太陽光を、受光面と反対側の面に形成された複数の傾斜光学面で全反射して所望の方向に導くマルチ全反射面型集光プリズムと、このマルチ全反射面型集光プリズムを出射した太陽光を集光する結合用集光レンズと、この結合用集光レンズによって集光された太陽光を導く光ファイバとを備えることを特徴とする太陽光集光装置が開示されている。

【0006】

また、例えば、特許文献２には、一方の上面が平面であり、底面に間欠的に形成されたプリズム形状部を有する導光体を２枚配置し、当該導光体の上面及び底面の平坦面で光を全反射させることにより、光を端面側に導くデバイスが開示されている。

【0007】

また、例えば、特許文献３には、導光体と、当該導光体の一方側の面側に設けられた第１の層と、他方側の面側に設けられた第２の層とを備え、第１の層及び第２の層を導光体よりも光の屈折率が小さな材質で形成し、さらに第２の層の導光体側の面とは反対側の面に凹凸構造を形成した集光構造体が開示されている。特許文献３の集光構造体では、導光体内の平面部分の全反射によって光を端面側に導くことができるとされている。

【0008】

さらに、例えば、特許文献４には、外部からの光を集光する導光体ユニットと、当該導光体ユニットから出射された光を受光する太陽電池素子とを備える太陽電池モジュールにおいて、当該導光体ユニットが、光を導く方向側の端面に近づくにつれて徐々に厚くなっている第１の導光体と、第１の導光体よりも屈折率が低く、第１の導光体を透過した光を反射させる反射面を有する第２の導光体とを備えたものが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】「太陽光採光システムひまわり」，ラフォーレエンジニアリング株式会社，＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｉｍａｗａｒｉ−ｎｅｔ．ｃｏ．ｊｐ／＞

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１２−２２５６１１号公報

【特許文献2】特開２０１３−６１１４９号公報

【特許文献3】特開２０１２−９９６８１号公報

【特許文献4】特開２０１２−１５６４４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

例えば特許文献１〜４のように、集光光学素子の上から入射した光を集光光学素子内で反射させて、光を所望の位置に導くことにより、太陽追尾機構を用いずに、刻々と移動する太陽からの光の集光効率を高めることが考えられる。しかしながら、例えば特許文献１〜３においては、端面における集光効率（以下、「端面集光率」と表記する）について検討されておらず、特許文献４においても、１つの入射角（３５°）における光の端面到達率がシミュレーションにより検討されているに過ぎない。このように、現状においては、種々の入射角で入射する光を効率よく端面側に集光する方法についての検討は不十分な状況にある。また、導光体に加えて、プリズム構造を有する他の部材を設ける場合には、集光光学素子が大きくなるため、建物の壁面などに設置することが困難になる場合がある。このような状況下、種々の入射角で入射する光に対する高い端面集光効率と小型化とを両立できる新規な集光光学素子が求められている。
本発明は、高い端面集光効率と小型化とを両立できる新規な集光光学素子、及びこれを用いた太陽追尾機構が不要な集光装置を提供することを主な目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者は、上記のような課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、複数の導光体が主面側において積層された積層体を備える集光光学素子であって、当該導光体は、主面の少なくとも一方に連続する複数のプリズム構造を有し、導光体の主面側から入射された外部光が、プリズム構造により屈折または反射し、複数の導光体内を伝播して、前記導光体の少なくとも一方の端面から出射される集光光学素子は、種々の入射角で入射する光に対する高い端面集光効率と小型化とを両立できることを見出した。本発明は、このような知見に基づいて、さらに検討を重ねることにより完成された発明である。

【0013】

すなわち、本発明は、下記に掲げる態様の発明を提供する。
項１． 複数の導光体が主面側において積層された積層体を備える集光光学素子であって、
前記導光体は、前記主面の少なくとも一方に連続する複数のプリズム構造を有し、
前記導光体の主面側から入射された外部光が、前記プリズム構造により屈折または反射し、前記複数の導光体内を伝播して、前記導光体の少なくとも一方の端面から出射される、集光光学素子。
項２． 前記プリズム構造の積層方向における断面形状が三角形状であり、
前記プリズム構造の断面形状において、前記導光体から突出している頂角が、４５°〜１２０°の範囲にある、項１に記載の集光光学素子。
項３． 前記プリズム構造の積層方向における断面形状が三角形状であり、
前記プリズム構造の断面形状が、積層方向に対して線対称である、項１または２に記載の集光光学素子。
項４． 前記プリズム構造の積層方向における断面形状が三角形状であり、
前記プリズム構造の断面形状が、積層方向に対して非線対称である、項１または２に記載の集光光学素子。
項５． 前記プリズム構造が、前記導光体の主面に形成された連続する複数のＶ字状の溝により形成されている、項１〜４のいずれかに記載の集光光学素子。
項６． 前記複数のプリズム構造のピッチが、０．０１〜１ｍｍの範囲にある、項１〜５のいずれかに記載の集光光学素子。
項７． 前記各導光体の厚みが、それぞれ、０．１〜１０ｍｍの範囲にある、項１〜６のいずれかに記載の集光光学素子。
項８． 前記導光体の積層数が２〜６の範囲にある、項１〜７のいずれかに記載の集光光学素子。
項９． 前記複数の導光体の屈折率が、実質的に同一である、項１〜８のいずれかに記載の集光光学素子。
項１０． 前記プリズム構造が、前記導光体の少なくとも一方側の主面の略全面に形成されている、項１〜９のいずれかに記載の集光光学素子。
項１１． 前記集光光学素子において外部光が入射する最表面側に位置する導光体が、前記最表面側の主面に前記プリズム構造を有し、
他の導光体は、前記最表面側の主面とは反対側の主面に前記プリズム構造を有する、項１〜１０のいずれかに記載の集光光学素子。
項１２． 前記導光体は、積層方向からみた場合の形状が、矩形状または扇形である、項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子。
項１３． 項１〜１２のいずれかに記載の集光光学素子を備える、集光装置。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、種々の入射角で入射する光に対する高い端面集光効率と小型化とを両立することのできる集光光学素子を提供することができる。当該集光光学素子は、さまざまな入射角で入射する光を集光光学素子の内部で反射させて外部光を所望の位置に効率よく導くことができる。このため、当該集光光学素子を備えた集光装置は、太陽追尾機構を用いる必要が無く、例えば建物の壁面などへ設置して用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の集光光学素子の一例の略図的断面図である。

【図2】本発明の集光光学素子の一例の略図的分解図である。

【図3】本発明における導光体のプリズム構造の一例を拡大した略図的断面図である。

【図4】本発明における導光体のプリズム構造の一例を拡大した略図的断面図である。

【図5】本発明における導光体のプリズム構造の一例を拡大した略図的断面図である。

【図6】本発明における集光装置の模式図である。

【図7】本発明におけるシミュレーション１の集光光学素子における端面集光効率と入射角との関係を示すグラフである。

【図8】本発明におけるシミュレーション２の集光光学素子における端面集光効率と入射角との関係を示すグラフである。

【図9】本発明におけるシミュレーション３の集光光学素子における端面集光効率と入射角との関係を示すグラフである。

【図10】本発明におけるシミュレーション４の集光光学素子における端面集光効率と入射角との関係を示すグラフである。

【図11】実施例１の集光光学素子における光の入射角と端面集光効率との関係を示すグラフである。

【図12】実施例２の集光光学素子における光の入射角と端面集光効率との関係を示すグラフである。

【図13】実施例３の集光光学素子における光の入射角と端面集光効率との関係を示すグラフである。

【図14】実施例４の集光光学素子における光の入射角と端面集光効率との関係を示すグラフである。

【図15】比較例１の集光光学素子における光の入射角と端面集光効率との関係を示すグラフである。

【図16】実施例５の集光光学素子における光の入射角と端面集光効率との関係を示すグラフである。

【図17】本発明におけるシミュレーション５の集光光学素子における端面集光効率と入射角との関係を示すグラフである。

【図18】本発明におけるシミュレーション６の集光光学素子における端面集光効率と入射角との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の集光光学素子は、複数の導光体が主面側において積層された積層体を備える集光光学素子であって、導光体は、前記主面の少なくとも一方に連続する複数のプリズム構造を有し、導光体の主面側から入射された外部光が、プリズム構造により屈折または反射し、複数の導光体内を伝播して、導光体の少なくとも一方の端面から出射されることを特徴とする。以下、本発明の集光光学素子及びこれを備えた集光装置について詳述する。

【0017】

例えば図１及び図２に示されるように、本発明の集光光学素子１は、複数の導光体２が主面２ａ，２ｂ側において積層された積層体を備えている。各導光体２は、上記の主面２ａ、２ｂと、光が出射される少なくとも一方の端面２ｃ，２ｄと、幅方向ｘ（後述する複数のプリズム構造２ｇが連続して形成されている方向であり、光が出射される端面方向）に伸びる側面２ｅ，２ｆとを有する透明基材である。図１及び図２において、各導光体２は、積層方向ｙから見た際の形状が矩形状であるが、本発明においては、例えば扇形などであってもよい。各導光体２の形状が扇形である場合、面積の小さい方の端面に光を集中させることができ、小さな端面から強い光を出射させることができる。

【0018】

各導光体の厚み（積層方向ｙにおける長さ）としては、特に制限されないが、集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは０．１〜１０ｍｍ程度、より好ましくは０．２〜３ｍｍ程度の範囲が挙げられる。

【0019】

各導光体の幅方向ｘの長さとしては、特に制限されないが、集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは５０〜５００ｍｍ程度、より好ましくは５０〜１５０ｍｍ程度の範囲が挙げられる。当該幅方向ｘにおける導光体の長さが長くなるほど、例えば図１に示す主面２ａから入射された外部光が端面２ｃ，２ｄに至るまでの距離が長くなるため、集光効率が低下しやすくなる。なお、本発明において、集光効率とは、端面集光効率（ＥＣＥ）をいい、端面出射光パワー÷入射光パワー×１００で算出される値（％）をいう。ここで光パワーとは、入射面または出射面の全域にわたって光強度（光パワー密度）を積分した値に相当する。

【0020】

各導光体の奥行方向ｚの長さとしては、特に制限されない。ただし、奥行方向の長さが長くなると、光が出射される端面の面積が大きくなるため、図６に示すような端面からの出射光を導くための光ファイバ５などの本数が増え、集光光学素子が大きくなるという問題がある。例えば、光ファイバの本数としては、通常、１０〜２００本程度とすることが想定されるため、各導光体の奥行方向ｚの長さとしては、好ましくは１０〜２００ｍｍ程度の範囲が挙げられる。

【0021】

例えば幅方向１００ｍｍ、奥行方向１００ｍｍの集光光学素子を８０枚組み合わせると、その受光面積は０．８ｍ²となる。この受光面積において、晴天正午の屋外光の平均的な照度９８０００ルクスを受光すると、集光光学素子への全入射光束は照度×受光面積で計算されるので、７８４００ルーメンとなる。例えば端面集光効率が５％の集光光学素子では、全入射光束の５％が端面からの出射光束となるため、端面から出射される光の照度は３９２０ルーメンとなる。この出射光束で１０ｍ²の室内（６畳程度）を照明すると、照度は光束÷照射面積と計算されるので３９２ルクスとなり、一般的な室内の照度３００ルクスと同程度の照明が可能になる。

【0022】

例えば図３に示されるように、各導光体２は、それぞれ、主面２ａ，２ｂの少なくとも一方に、連続する複数のプリズム構造２ｇを有している。本発明において、連続する複数のプリズム構造２ｇとは、光を屈折または反射させるプリズム構造が、幅方向ｘに伸びる平坦面を介することなく、隣接して少なくとも２つ以上、好ましくは３つ以上、より好ましくは４つ以上形成されている構造をいう。

【0023】

連続する複数のプリズム構造は、各導光体の一方側の主面にのみ形成されていてもよいし、両主面に形成されていてもよい。連続する複数のプリズム構造が導光体の一方側の主面にのみ形成されている場合、他方側の主面は、平坦面（鏡面）であることが好ましい。また、本発明の集光光学素子の積層構造としては、（１）一方側の主面にのみにプリズム構造が形成された導光体のみが積層された積層構造、（２）両主面にプリズム構造が形成された導光体のみが積層された積層構造、または（３）一方側の主面のみにプリズム構造が形成された導光体と両主面にプリズム構造が形成された導光体の両方が積層された積層構造が挙げられる。これらの積層構造の中でも、上記（１）または（３）の積層構造が好ましく、使用部材の単純化及び低コスト化の観点からは、上記（１）の積層構造がより好ましい。

【0024】

さらに、本発明の集光光学素子において、上記（１）の積層構造の中でも、外部光の入射面側の主面にプリズム構造が形成されており、裏面側の主面が平坦面である導光体を「Ｆ」と表記し、外部光の入射面側の主面が平坦面であり、裏面側の主面にプリズム構造が形成されている導光体を「Ｂ」と表記すると、集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点から特に好ましい積層構造は、以下の通りである。

【0025】

本発明の集光光学素子が２層の導光体を有する場合、集光光学素子の裏面側から順に、ＢＦの積層構造、ＦＢの積層構造が好ましい。また、３層の導光体を有する場合、集光光学素子の裏面側から順に、ＢＢＦの積層構造、ＦＦＢの積層構造が好ましい。４層の導光体を有する場合、集光光学素子の裏面側から順に、ＢＢＢＦの積層構造、ＦＦＦＢの積層構造が好ましい。５層の導光体を有する場合、集光光学素子の裏面側から順に、ＢＢＢＢＦの積層構造、ＦＦＦＦＢの積層構造が好ましい。６層の導光体を有する場合、集光光学素子の裏面側から順に、ＢＢＢＢＢＦの積層構造、ＦＦＦＦＦＢの積層構造が好ましい。

【0026】

例えば上記「ＢＢＢＦ」の積層構造とは、図２に示されるように、複数の導光体２のうち外部光が入射する最表面側に位置する導光体２１の入射光側の主面２ａにプリズム構造２ｇが形成されており（Ｆ）、他の導光体２２〜２４の裏面側の主面２ｂにプリズム構造２ｇが形成されている（ＢＢＢ）積層構造である。すなわち、集光光学素子において外部光が入射する最表面側に位置する導光体が最表面側の主面に前記プリズム構造を有し、他の導光体が最表面側の主面とは反対側（裏面側）の主面にプリズム構造を有することにより、後述の通り、垂直方向付近（積層方向ｙ、入射角０°）から入射する外部光がプリズム構造のコーナーキューブにより反射されやすくなる。このため、集光光学素子に垂直入射した光が端面に導かれずに裏面側から抜けていくことを抑制することができ、より高い端面集光効率と小型化とを発揮することができる。

【0027】

導光体に形成された１つのプリズム構造は、導光体２に入射した光が屈折または反射される形状であれば、特に制限されないが、集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、三角プリズム構造であることが好ましい。すなわち、例えば図３に示されるように、導光体２の積層方向ｙ及び幅方向ｘ（ｘｙ平面）におけるプリズム構造２ｇの断面形状が三角形状であることが好ましい。このようなプリズム構造は、例えば図２に示されるように、導光体２の主面２ａ又は２ｂに、連続する複数のＶ字状の溝を形成することにより設けることができる。なお、連続する複数のＶ字状の溝は、平坦面を有する導光体の透明基材を切削加工する方法、対応する形状を有する金型に樹脂を流し込んで成形する方法などにより形成することができる。図２において、Ｖ字状の溝は、奥行方向ｚに伸びるようにして、端面２ｃ，２ｄと略平行（平行）に形成されている。なお、導光体を積層方向ｙから見たときの形状が扇形である場合には、プリズム構造を形成するＶ字状の溝は、面積の小さい方の端面側を中心とした同心円状に形成されていることが好ましい。

【0028】

プリズム構造２ｇの積層方向ｙ及び幅方向ｘ（ｘｙ平面）における断面形状が三角形状である場合、プリズム構造２ｇの断面形状は、例えば図４に示されるように積層方向ｙに対して線対称であってもよいし、例えば図５に示されるように非線対称であってもよい。また、プリズム構造２ｇの断面形状が図４に示すように線対称である場合、プリズム構造２ｇの断面形状において、導光体２から突出している頂角ａの角度としては、特に限定されないが、高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは４５°〜１２０°程度、より好ましくは８５°〜９５°程度の範囲にあることが好ましい。プリズム構造２ｇの断面形状が図５に示されるように非線対称である場合、導光体２から突出している頂角と積層方向ｙの直線とで形成される角ｂ，ｃのうち、小さい方の角ｂの角度としては、特に限定されないが、高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは０°〜角ｃの１／２°程度、より好ましくは０°〜２°程度の範囲が挙げられる。また、大きい方の角ｃの角度としては、特に限定されないが、高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは５０°〜６５°程度、より好ましくは５８°〜６２°程度の範囲が挙げられる。

【0029】

集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、導光体２の主面の少なくとも一方におけるプリズム構造は、少なくとも一方の主面の略全面（全面）に設けられていることが好ましい。複数のプリズム構造は、それぞれ同一の形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。また、プリズム構造の大きさも、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

【0030】

複数のプリズム構造のピッチｐ（間隔）としては、特に制限されないが、高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは０．０１〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．０５〜０．１５ｍｍ程度の範囲が挙げられる。

【0031】

導光体を構成する材料としては、透明性の高いものであれば特に制限されず、好ましくはアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などの透明な有機材料、またはガラスなどの透明な無機材料が挙げられる。本発明の集光光学素子においては、同一の材料により構成された導光体のみを用いてもよいし、異なる材料により構成された導光体を組み合わせて用いてもよい。なお、本発明において、透明とは、少なくとも可視光を透過することを意味する。導光体としては、例えば、３６０ｎｍ〜８００ｎｍ程度の波長の光を９０％以上の透過率を有するものが好ましい。

【0032】

導光体の屈折率としては、特に制限されないが、好ましくは１．３〜１．６程度、より好ましくは１．４〜１．５程度が挙げられる。本発明の集光光学素子においては、実質的に同一の屈折率を有する導光体を用いてもよいし、異なる屈折率を有する導光体を組み合わせて用いてもよい。

【0033】

本発明の集光光学素子においては、導光体同士が互いに接触するようにして積層されていてもよいし、少なくとも一部の導光体同士が離間するように積層されていてもよい。各導光体の間には、空気が存在していてもよい。なお、導光体同士が互いに光学的に接続されていてもよいが、その場合、光学的に接続された導光体が併せて１つの導光体を構成する。

【0034】

本発明の集光光学素子においては、一方側の端面から光を出射させてもよいし、両側の端面から光を出射させてもよい。一方側の端面から光を出射させる場合、出射光が出射される端面とは反対側の端面に光反射板を配置し、当該反対側の端面に到達した光を出射側の端面に反射させることが好ましい。また、一方側の端面から光を出射させる場合において、図５のように、プリズム構造２ｇの断面形状が積層方向ｙに対して非線対称である場合、集光光学素子１の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、上記小さい方の角ｂ側の端面から光を出射させることが好ましい。

【0035】

集光光学素子に入射される外部光としては、特に制限されず、集光させる光に応じて適宜選択すればよいが、好ましくは太陽光が挙げられる。

【0036】

例えば、周囲よりも屈折率が高く、外部光が入射する主面が平行かつ平坦面である透明基材の内部において、臨界角以上で伝搬する光は、全反射により効率良く端面に導光される。しかしながら、透明基材の外部から入射する光は、当該透明基材の内部においては常に臨界角以下となるため、透明基材の内部において全反射を繰り返して光を端面まで導くことはできない。そこで、透明基材の主面から入射した光を透明基材の内部を伝播させて効率よく端面に導くためには、外部光の透明基材への入射時または入射後に光線の向きを変える必要がある。光線の向きを変える簡単なアプローチとしては、何らかの光散乱体を透明基材表面または内部に配置する方法が挙げられる。光散乱体を設けることにより、入射光の一部は透明基材内で臨界角以下となり端面に導光されやすくなる。しかしながら、光散乱体自体が全反射の妨げとなり、また透明基材内を端面に導光する際の損失となるため、光散乱体を用いて高い端面集光効率を有する集光光学素子とすることは困難である。

【0037】

これに対して、本発明の集光光学素子１においは、例えば図１及び図３に示されるように、集光光学素子１の最表面側に位置する導光体２の入射光側の主面２ａから、外部光が種々の入射角で入射して様々な光路Ａで進行する。入射した光は、導光体２に形成されたプリズム構造２ｇや、当該プリズム構造２ｇが形成された主面とは反対側の主面の平坦面による反射及び屈折を繰り返して、端面２ｃ，２ｄ方向へ導かれ、当該端面２ｃ，２ｄから光が出射される。本発明においては、導光体に形成された連続するプリズム構造により入射光の一部は屈折し、臨界角以上で導光体の平坦面に到達した光は、全反射により１００％の効率で反射される。その後、光は再びプリズム構造を持つ表面へと到達し、透過または反射を生じるが、一定割合の光は再び平坦面に対して臨界角以上の角度で平坦面に向かって進む。導光体内においてこのような屈折、反射、透過を繰り返すことにより、光は導光体の端面に到達する。臨界角未満の角度となった光も、全反射に比べて反射率は落ちるものの、反射され、再びプリズム構造によって進行方向を様々に変えられ、その一部は反射や全反射を繰り返して、端面に到達する。本発明の集光光学素子においては、このような特定構造の導光体が複数積層されているため、外部光が導光体内で反射、屈折、透過を繰り返して、集光効率よく端面から出射されるものと考えられる。

【0038】

また、一般には透明基板に入射した入射光の多くは全ての導光体を透過して、集光光学素子の裏面側から外部に出ていくため、集光ロスに繋がる。このような集光ロスを抑制し、集光効率をより向上させる観点からは、本発明の集光光学素子においては、導光体の裏面側にプリズム構造が形成されたものとすることがより好ましい。その場合、外部からの光の入射が垂直入射（積層方向、入射角０°）またはそれに近い場合などは、入射光の一部は図３の左端に示される光路Ａのようにコーナーキューブとして知られる反射構造と同様に入射側に戻る。残りの光は図３の中央の光路Ａのように次の導光体に入射するか、図３の右端の光路Ａのように導光体内を進んでいく。次の導光体に入射した光は同じ作用を繰り返す。この様に端面へと進んでいく光の量は導光体の積層数を増やすと最初は増加するが、さらに導光体の積層数を増加することによって、集光光学素子の裏面から外部に出ていく光量は減少するため、導光体の積層数の増加に伴う集光効率の向上効果は次第に限定的となる。全ての導光体を裏面側がプリズム構造となるように配置した場合には、外部からの光の入射が垂直入射（積層方向、入射角０°）またはそれに近い場合などは、入射側への戻り光が増加し、その入射角での端面集光効率が低下する。

【0039】

このような場合の端面集光効率の低下を抑制するためには、最表面側に位置する導光体のプリズム構造が形成されている主面の向きと、他の導光体のプリズム構造が形成されている主面の向きとを、逆向きにすることが好ましく、入射光側にプリズム構造が形成された導光体を最表面側に積層し、その他の導光体は裏面側にプリズム構造が形成されたものとすることがより好ましい。例えば、図２に示されるように、最表面側に位置する導光体２１（１層目の導光体２１）の入射光側の主面２ａにプリズム構造が形成されており裏面側の主面２ｂが平坦面であり、その直下に位置する導光体２２（２層目の導光体２２）の入射光側の主面が平坦面であり裏面側の主面にプリズム構造が形成されている集光光学素子１においては、１層目の導光体２１に垂直入射して透過した光は、１層目の導光体２１のプリズム構造２ｇによって進行方向を曲げられ、２層目の導光体２２に入射する際には垂直入射ではなくなる。このことにより２層目の導光体２２入射した光は、導光体２２の端面に導光される。さらに、３層目、４層目の導光体２３，２４を２層目の導光体２２と同様に配置することにより、３層目、４層目の導光体２３，２４についても２層目の導光体２２と同様の効果を発揮し、また、最裏面により近い側の導光体から戻ってきた光の一定量も端面へと導かれることになり、結果として端面に導光される光束の総量は増加し、再表面からの入射光方向への戻り光を抑えることができる。

【0040】

本発明の光学素子においては、導光体２の積層数が多くなるほど、集光効率が高められるが、例えば積層数が６を超えても、集光効率の向上効果は小さくなる一方、厚みが大きくなるというデメリットが大きくなる。導光体の積層数は、２以上であれば特に制限されないが、集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、好ましくは２〜６、より好ましくは２〜５、さらに好ましくは３〜５、特に好ましくは４〜５が挙げられる。

【0041】

なお、本発明の集光光学素子は、上記のプリズム構造が形成された導光体に加えて、プリズム構造が形成されていない導光体が積層されていてもよいが、集光光学素子の高い端面集光効率と小型化とを両立する観点からは、導光体としてはプリズム構造が形成されたもののみが積層されていることが好ましい。

【0042】

なお、集光光学素子の一方側の端面から光を出射させたい場合には、他方側の端面に光反射板を設ければよい。さらに、集光光学素子の集光効率をより高めるためには、裏面側と、側面側にも光反射板を設けることが好ましい。

【0043】

本発明の集光装置は、上記の集光光学素子を備えることを特徴とする。具体的には、例えば図６に示されるように、集光装置１０は、集光光学素子１と、集光光学素子１の端面から出射された光を集光するレンズまたはこれと同等の機能を備えた集光構造４と、当該レンズ等を透過した光を導く光ファイバ５とを備えている。集光光学素子１には、外部光が入射する側の主面と、光が出射する端面以外の面には、光反射板３が配置されている。

【0044】

本発明の集光装置を例えば太陽光照明などに用いる場合には、光ファイバ５によって、室内などに太陽光を導くことができる。また、本発明の集光装置を例えば太陽電池などに用いる場合には、光ファイバ５の代わりに光電変換素子を配置することができる。また、本発明の集光装置を例えば太陽熱温水器などに用いる場合には、光ファイバ５によって、太陽光を貯水槽に導き、貯水槽内の水を加熱することができる。

【0045】

本発明の集光装置によれば、高い端面集光効率と小型化とを両立した上記の集光光学素子を備えているため、さまざまな入射角で入射する光を集光光学素子の内部で反射させて光を所望の位置に効率よく導くことができる。このため、当太陽追尾機構を用いる必要が無く、設置場所の制限が小さくなり、例えば建物の壁面などへ設置するパネル型の集光装置として、太陽光エネルギーを有効利用できる。

【実施例】

【0046】

以下に、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、実施例に限定されない。

【0047】

［シミュレーション１］
まず、上記のようにして複数の導光体を積層した集光光学素子について、様々な入射角で主面側から入射する光を端面に導く場合の集光効率をシミュレーションした。シミュレーションは、光線追跡法によるコンピュータ−シミュレーションとした（使用ソフト：米国Synopsys社製LightTool）。シミュレーションの条件は、次の通りである。導光体としては、図４に示されるように、一方側の主面の全面において、プリズム構造の断面形状が積層方向に対して線対称となるようにＶ字状の溝が設けられた透明基材とした。集光光学素子は、図２に示されるように、光の入射方向から順に、１層目の導光体は、入射面に対してプリズム構造を向けた配置（Ｆと表記）とし、２〜５層目の導光体は同じプリズム構造を入射面とは反対側（裏面側）に向けた配置（Ｂと表記）し、最裏面には光反射板を備えた５層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＢＦの積層構造）とした。このような集光光学素子に対して、入射角を変化させて外部光を入射させた場合について、積層体の一方側の端面から出射される光の効率（端面集光効率）をシミュレーションした。なお、積層体の積層方向が入射角０°である。各層のプリズム構造体は、頂角ａ＝９０°、ピッチｐ＝０．１ｍｍとし、各導光体の厚みＬ＝２．０ｍｍ、導光体の屈折率１．４９（アクリル樹脂）、入射光の波長λ＝６３２ｎｍ、入射光の発散角１°とした（図７〜１２において、「Ａｉｍ１°」と表記する）。また、外部光の光線が端面から、それぞれ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍの位置に入射する場合について、シミュレーションを行った。結果を図７のグラフに示す。図７に示されるグラフから明らかなように、入射角−４０°〜＋４０°に亘って、低い角度依存性で数％を越える高い端面集光効率が得られる結果となった。

【0048】

［シミュレーション２］
最裏面側の導光体を１層取り除き、４層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＦの積層構造、屈折率１．５２（ＢＫ７））としたこと以外は、シミュレーション１と同様にしてシミュレーションした。結果を図８のグラフに示す。図８に示されるグラフから明らかなように、４層構造とした場合にも、入射角−４０°〜＋４０°に亘って、低い角度依存性で数％を越える高い端面集光効率が得られ、入射角依存性は、５層構造とほとんど変わらなかった。

【0049】

［シミュレーション３］
１層目の導光体と２層目の導光体の向かい合う平面を光学的に接触させたことと導光体の屈折率を１．４９（アクリル樹脂）としたこと以外は、シミュレーション２と同様にしてシミュレーションした。結果を図９のグラフに示す。シミュレーション３では、１層目と２層目を合わせて、両主面にプリズム構造を形成した２倍の厚みの導光体を１層用いた場合に相当する。シミュレーション３では、入射角−４５°付近の端面集光効率が改善した。他の入射角における端面集光効率は、シミュレーション１，２と大きくは変わらなかった。

【0050】

［シミュレーション４］
導光体として、図５に示されるように、プリズム構造の断面形状が積層方向に対して非線対称となるようにＶ字状の溝が設けられた透明基材としたこと以外は、シミュレーション１と同様にシミュレーションした。図５の頂角において、ｂ＝０°、ｃ＝６０°とし、ピッチｐ＝０．３ｍｍとした。また、光が出射される端面は、図５の頂角のｂ側として計算した。結果を図１０のグラフに示す。シミュレーション４では、入射角−４０°〜＋４０°の広い範囲において、高い端面集光効率が得られる結果となった。

【0051】

［実施例１］
幅１ｃｍ、頂角９０°のＶ字状の溝（プリズム構造）が一方側の主面の全面に設けられた板状のアクリル樹脂（屈折率１．４９、寸法は幅４ｃｍ×奥行１ｃｍ×厚み２ｍｍ）を導光体とし、当該導光体を入射光側にプリズム構造を向けた配置（Ｆと表記）で５段重ねにした積層体（裏面側からＦＦＦＦＦの積層構造）を作製し、集光光学素子とした。なお、集光光学素子において、積層体の裏面（入射側とは反対側の面）には、光拡散反射版を設けた。次に、６３２ｎｍのリボン状（幅１ｍｍ、高さ１ｃｍ、高さは積層体の奥行方向に平行）の光ビームを入射した。光ビームの入射位置は、それぞれ、出射する端面からの距離ｄ’＝５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍとした。それぞれの場合について、端面からの出射光パワーを端面に配置した検出器で測定して、端面集光効率を算出した。ただし、ｄ’＝５ｍｍの＋２０°を超える角度では、検出器自体が入射光を遮るため、測定を除外した。結果を図１１のグラフに示す。図１１のグラフに示される通り、ｄ’＝５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍのいずれの場合においても、入射角−４０°〜＋４０°の広い範囲において、高い端面集光効率が得られた。なお、光の入射角は、集光光学素子の入射面と入射光とのなす角が９０°未満となる側をマイナスに取り、垂直入射を０°とした。

【0052】

［実施例２］
図２に示されるように、光の入射方向から順に、１層目の導光体は入射面に対してプリズム構造を向けた配置（Ｆ）とし、２〜５層目の導光体は同じプリズム構造を入射面と反対側に向けた配置（Ｂ）し、最裏面には光反射板を備えた５層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＢＦの積層構造）を集光光学素子としたこと以外は、実施例１と同様にして、端面からの出射光パワーを端面に配置した検出器で測定し、端面集光効率を算出した。結果を図１２のグラフに示す。図１２のグラフに示される通り、ｄ’＝５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍのいずれの場合においても、入射角−４０°〜＋４０°の広い範囲において、高い端面集光効率が得られた。

【0053】

［実施例３］
導光体を入射光側とは反対側にプリズム構造を向けた配置（Ｂ）とし、最裏面には光反射板を備えた５層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＢＢの積層構造）を集光光学素子としたこと以外は、実施例１と同様にして、端面からの出射光パワーを端面に配置した検出器で測定し、端面集光効率を算出した。結果を図１２のグラフに示す。図１３のグラフに示される通り、ｄ’＝５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍのいずれの場合においても、入射角−４０°〜＋４０°の広い範囲において、高い端面集光効率が得られた。但し、全てがＢの積層構造であるため、入射角０°付近の端面集光効率は低下した。

【0054】

［実施例４］
実施例２の集光光学素子において、導光体の寸法を幅９．８ｃｍ×奥行９．５ｃｍ×厚み８ｍｍとし、裏面に位置する導光体を１つ取り除き、４層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＦの積層構造）を集光光学素子とし、この集光光学素子のＦ側の表面に擬似太陽光（ＡＭ１．５）を図６に示されるようなｘｙ平面内で−６０〜＋６０°の範囲において入射角度を変化させて入射させたこと以外は、実施例１と同様にして、端面からの出射光パワーを端面に配置した検出器で測定し、端面集光効率を算出した。その結果、図１４に示されるように、入射角−４０〜＋２０°の範囲で端面集光効率が平均４．４％であり、入射角−１０°において最大５．３％という高い端面集光効率を示した。

【0055】

［比較例１］
プリズム構造が形成されていない板状のアクリル樹脂（屈折率１．４９、寸法は幅９．５ｃｍ×奥行９．５ｃｍ×厚み２ｍｍ）を導光体として用いたこと以外は、実施例４と同様にして、端面からの出射光パワーを端面に配置した検出器で測定し、端面集光効率を算出した。その結果、図１５に示されるように、入射角−４０〜＋２０°の範囲で端面集光効率が平均０．９％であった。

【0056】

［実施例５］
図５に示されるように、プリズム構造の断面形状が積層方向に対して非線対称となるようにＶ字状の溝が設けられ、図５の頂角において、ｂ＝０°、ｃ＝６０°かつピッチｐ＝０．３ｍｍである５層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＢＢの積層構造）を集光光学素子とし、その積層体の寸法を幅９．４ｃｍ×奥行９．４ｃｍ×厚み１０ｍｍとし、また、光が出射される端面は、図５の頂角のｂ側としたこと以外は、実施例４と同様にして、端面からの出射光パワーを端面に配置した検出器で測定し、端面集光効率を算出した。その結果、図１６に示されるように入射角−４０〜＋２０°の範囲で端面集光効率が平均１１．６％であり、入射角−１１°において最大１３．８％という高い端面集光効率を示した。

【0057】

［シミュレーション５］
１層目の導光体と２層目の導光体の向かい合う平面間に空気層を導入し光学的に分離させたこと、及び導光体の寸法を幅１０ｃｍ×奥行１０ｃｍ、積層体の厚みを８ｍｍとし（各層２ｍｍ厚）、その全面に色温度５７７０Ｋの白色光を光入射させたこと以外は、シミュレーション３と同様にしてシミュレーションした。結果を図１７のグラフに示す。これは実施例４に対応した条件のシミュレーションとなり、入射角−４０〜＋２０°の範囲において端面集光効率が平均７．５％と高い効率を示した。

【0058】

［シミュレーション６］
図５に示されるように、プリズム構造の断面形状が積層方向に対して非線対称となるようにＶ字状の溝が設けられ、図５の頂角において、ｂ＝０°、ｃ＝６０°かつピッチｐ＝０．３ｍｍである５層構造の積層体（裏面側からＢＢＢＢＢの積層構造）を集光光学素子とし、その積層体の厚みを１０ｍｍとし（各層２ｍｍ厚）、また、光が出射される端面は、図５の頂角のｂ側としたこと以外は、シミュレーション５と同様にしてシミュレーションした。結果を図１８のグラフに示す。これは実施例５に対応した条件のシミュレーションとなり、入射角−４０〜＋２０°の範囲において端面集光効率が平均で１１．１％という、実施例５に近い結果を得た。

【0059】

１ 集光光学素子
２ 導光体
２ａ，２ｂ 主面
２ｃ，２ｄ 端面
２ｅ，２ｆ 側面
２ｇ プリズム構造
２１ １層目の導光体
２２ ２層目の導光体
２３ ３層目の導光体
２４ ４層目の導光体
３ 光反射板
４ 集光構造
５ 光ファイバ
Ａ 光路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】