JP2001510902A - 光放射集束デバイス - Google Patents

光放射集束デバイス

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テラサン エルエルシー
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Abstract

(57)【要約】 光放射（１６、１６’、１６”）を集光しこれを集束するホログラム平板形コンセントレータ（ＨＰＣ）（１０）を提供する。本ホログラム平板形コンセントレータ（１０）は、平板形透明度の高いプレート（１２）と、その面（１２ａ）上に被着された少なくとも１つの多重化ホログラム光学フィルム（１４）とを特徴とする。多重化ホログラム光学フィルム（１４）には、角度多重化及びスペクトル多重化された１つ以上の領域を有する複数の回折構造体（１４、１１４、２１４）が記録済みである。領域（１４、１１４、２１４）の２つ以上は、空間的に多重化が可能なように構成することができる。ＨＰＣ（１０）は、（ａ）角度多重化、スペクトル多重化、更に選択的に、空間的多重化技術を使用して、多重化ホログラム光学フィルム（１４）に複数の回折構造体を記録し、（ｂ）多重化ホログラム光学フィルム（１４）を透明度の高いプレート（１２）の一面（１２ａ）に被着する各工程により製造される。複数の回折構造体の記録は、太陽エネルギー（１６、１６’、１６”）に対するホログラム平板形コンセントレータ（１０）の目的とする方位に合わせて調整される。ＨＰＣ（１０）を目的とする方位に配置して太陽エネルギー（１６、１６’、１６”）を収集し、少なくとも１台の太陽エネルギー収集デバイス（３０、３２、１３２）が、ホログラム平板形コンセントレータ（１０）の少なくとも１つの端部（１２’、１１２’、２１２’）に沿って配置される。好適な太陽エネルギー収集デバイス（３０、３２、１３２）の例としては、光電池（３０）、及び照明のため収集した光を建造物内部へ伝送したり、加熱を行うため収集した太陽放射（１６、１６’、１６”）を温水タンク（３６）へ伝送する光ファイバの光ガイド（３２、１３２）などがある。本ＨＰＣ（１０）により、費用を要することなく太陽エネルギー（１６、１６’、１６”）を効率的に収集することが可能になると共に、エネルギー損失が最小になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は、光学系に関し、より詳細には、光放射を集める光コンセントレータ
の分野に関する。本発明の主体を用いて製作された光コンセントレータは、集束
された光放射が利用されるあらゆる技術領域で使用することができる。この光コ
ンセントレータは、紫外線から赤外線までのスペクトルに亘る光放射に対し使用
することができる。
【０００２】 背景技術 発光型ソーラー・コンセントレータは、当該技術において周知であり、平板形
シートで散乱された発光中心からの光を閉込めて集光するように機能する。発光
型コンセントレータでは、導波管内での内部全反射を利用して発光中心から放射
された光の一部を閉じ込める。発光中心は、３６０度の立体角で更に長波長の光
を再放射するため、プレートの一端部又はこの端部の僅かな領域に光を差し向け
るには役に立たない。
【０００３】 当該技術において周知であるソーラー・コンセントレータの一例では、ホログ
ラム、及びプリズム又はプレートを利用しており、例えば、アフィアン（Ａｆｉ
ａｎ）等に発行された米国特許第４，８６３，２２４号を参照されたい。しかし
、このソーラー・コンセントレータでは、太陽に対して位置合せを行う必要があ
り、受動太陽追跡機能に対する対応がなされていない。
【０００４】 また、当該技術において周知であるものに、単一入射角で単色光を集光するホ
ログラムと全反射面とを特徴とする集光デバイスもあり、例えば、安藤等に発行
された米国特許第５，２６８，９８５号を参照されたい。しかし、安藤等は単一
入射角及び単一波長を使用しているため、追跡機構が必要であり、太陽スペクト
ルを完全に利用することはできない。
【０００５】 更に当該技術で周知である別のコンセントレータには、電磁波コンセントレー
タがあり、例えばトランブレー（Ｔｒｅｍｂｌａｙ）に発行された米国特許第４
，５０５，２６４号を参照されたい。電磁波コンセントレータでは、多誘電体ガ
イド板を利用して電磁エネルギーを集束している。この発明では、比較的費用効
果がある実施態様の幾つかに、ガイド板の多重反射損失及び高吸収損失の不都合
がある。またこの発明には困難な光学上の製造問題があるため、製造するには費
用負担が大きい。
【０００６】 太陽放射を集束させる際のエネルギー損失を低減し、且つ太陽スペクトルのか
なりの部分を利用する一方、太陽追跡の必要条件を軽減するか又はこれを不要に
するソーラー・コンセントレータに対する要望が依然として存在している。
【０００７】 発明の開示 従って、本発明の目的は、スペクトル選択性式ソーラー・コンセントレータを
提供することであり、このソーラー・コンセントレータでは、電気、光、及び熱
のような様々な形態のエネルギーとして使用するために、様々なスペクトル成分
の太陽光を集束することができる。
【０００８】 更に本発明の目的は、ソーラー・コンセントレータに対する太陽追跡の必要条
件を軽減又はこれを不要にすることである。
【０００９】 また本発明の別の目的は、ソーラー・コンセントレータの設計及び製造を単純
化することである。
【００１０】 更にまた本発明の目的は、所望の用途向けに設計されたスペクトル選択性を有
する光コンセントレータを提供することである。本明細書にて開示される各用途
には、効果的に機能するための固有のスペクトル必要条件がある。
【００１１】 また更に本発明の目的は、集光照明システムにおいてＵＶ及びＩＲに対する受
動フィルタリング・デバイスの機能を果たすソーラー・コンセントレータを提供
することである。
【００１２】 更に本発明の目的及び利点は、図面の検討、及び後述の説明から明らかになる
であろう。
【００１３】 本発明によれば、光放射を集光して集束するホログラム平板形コンセントレー
タが提供される。ホログラム平板形コンセントレータは、平板形透明度の高いプ
レートと光ガイド構造体を形成するためその上に取り付けられた少なくとも１層
の多重化ホログラム光学フィルムとを特徴とする。多重化ホログラム光学フィル
ムは、その中に複数の回折構造体を記録しており、これらの回折構造体は、角度
及びスペクトルの多重化された２つ以上の領域を有するものである。多重化され
たホログラムは、光放射が損失を受けずに平板形透明度の高いプレートと多重化
ホログラム・フィルムとの両方を透過するように、平板形透明度の高いプレート
中に光放射を結合するように造られる。ホログラムの多重化は、ホログラム平板
形コンセントレータ中での再結合損失を軽減するのに役立つ。
【００１４】 透明度の高いプレートは多機能であり、次のように機能する。第一に、この透
明プレートは、ホログラム物質に対する構造上の支持材の機能を果たす。第二に
、この透明プレートは、ホログラム物質を環境から保護する。第三に、この透明
プレートによって、波長範囲３５０乃至１４００ナノメートルにおける高い光透
過率を実現することができ、これは、ホログラム平板形コンセントレータ全体の
効率にとって重要なことである。第四に、ガラスの屈折率がそれを囲む空気より
も大きいことは、一日の太陽の角度変化について、入射角受光角度を、最大角１
６０度から約８０度まで圧縮するのに役立っており、これによって、ホログラム
構造体に関わる性能必要条件が軽減される。第五に、この透明プレートは、本ホ
ログラム平板形コンセントレータ・デバイスに対する内部全反射（ＴＩＲ）２次
コンセントレータの機能を果たしている。
【００１５】 透明度の高いプレートの屈折率が空気よりも大きいことによって、この透明度
の高いプレート中へのＴＩＲ閉込めを実現することができ、その結果、集光され
た光のプレート厚さへの発散を抑制し、更に集束の強化を引き起こしている。ま
た、透明度の高いプレートの厚さは調整することも可能であり、閉込められた光
がＴＩＲによって透明度の高いプレートを伝搬する時に生じるはね返り回数を減
らすことができる。これは重要な特徴であり、その理由は、透明度の高いプレー
ト中を光が伝搬することができる距離の一次制限因子が、再結合、すなわち同じ
ホログラム構造体による光の再生であるからである。透明度の高いプレートの端
部へ向かって光が進行するにつれて、光学系の相反する機能（ｒｅｖｅｒｓａｂ
ｉｌｉｔｙ）の影響が出始めるので、ＨＰＣを構成するホログラム光学素子は、
スペクトル性能及び角度性能が表面全体に亘って異なるものでなければならない
。
【００１６】 加えて、空間的に多重化されたホログラム光学素子の他に、ＨＰＣでの再結合
損失は、フィルムから透明度の高いプレート中へ、約５度未満の小閉込め角で、
光放射を放出することによって軽減することができる。ここで使用されているよ
うに、小閉込め角はホログラム・フィルム面から測定されたものであり、５度未
満であると考えられる。小閉込め角と透明度の高いプレートの厚さを組み合わせ
ることによって、更に再結合損失を軽減し、ＨＰＣをエネルギー収集用の実用サ
イズにすることが可能になる。
【００１７】 再結合を防止するこれらの特徴無くして、ＨＰＣを効果的に機能するように製
作することはできない。
【００１８】 本発明のホログラム平板形コンセントレータは、以下により製造される。
【００１９】 （ａ）透明度の高いプレートの一面上に多重化ホログラム光学フィルムをマウ
ントすること。
【００２０】 （ｂ）角度及びスペクトルの多重化法を使用してして多重化されるホログラム
光学フィルムに複数の回折構造体を記録すること。
【００２１】 本発明のホログラム平板形コンセントレータでは、複数の回折構造体の記録は
、ホログラム平板形コンセントレータの所期の太陽方位に対して行われる。ホロ
グラム平板形コンセントレータは、太陽エネルギーを収集するため所期の方位に
設置され、少なくとも１つの太陽エネルギー収集デバイスは、ホログラム平板形
コンセントレータの少なくとも一端部に沿って取り付けられる。好適な太陽エネ
ルギー収集デバイスの例には、光電池、及び照明目的で集光された光を建造物内
部に伝えたり、集光された太陽放射を暖房用温水タンクへ伝える光ファイバの光
ガイドがある。
【００２２】 ホログラム平板形コンセントレータにより、費用のかかる太陽追跡必要条件無
しで、太陽エネルギーの効率的収集が可能になり、それと共にエネルギー損失を
最小にすることができる。ホログラム平板形コンセントレータの設計及び製造は
単純であり、得られたコンセントレータを使用して、前述のように、ＵＶ及びＩ
Ｒ放射をフィルタ除去すると共に、太陽エネルギーを種々の太陽エネルギー収集
デバイスへ分散することができる。
【００２３】 光通信産業では、ホログラムの光結合は、光エネルギーを導波路へ移すために
使用される。しかし、ＨＰＣでは、適切に機能させる場合、これを遙かに超える
ことを、そのホログラム構造体を用いて行う必要がある。すなわち、装置を動作
させるために、ホログラム構造体を空間的に多重化して再結合を防止することが
不可欠である。これは、導波路カプラが導波の用途で動作する方法と全く異なっ
ている。通信産業で使用されるホログラム導波路カプラでは、一旦光が導波路中
へ回折されると、ホログラム構造体を透過するその後の進路を指定する必要はな
い。ＨＰＣ中での再結合損失を克服することは、空間的に多重化を実現するため
に角度多重化及びスペクトル多重化の両方を取り入れる空間的多重化の複雑性が
主な動機になっている。
【００２４】 本発明を実施する最良の態様 本発明のホログラム平板形コンセントレータ（ＨＰＣ）では、多重ホログラム
構造体を利用して、無機ガラスや有機重合体などの平板形透明度の高いプレート
中へ光を回折させており、このプレートでは光が内部全反射（ＴＩＲ）によって
閉込められる。尚「透明度の高い」との言葉を用いることで、太陽スペクトルの
範囲３５０乃至１４００ｎｍにおいて、厚さ２５ｍｍにつき少なくとも９０％の
内部透過率を有する材料を意味するものとする。この多重化ホログラム・フィル
ムに、光学的に透明度の高いプレート内にＴＩＲ光を集光してそれを導光するよ
うに設計された角度多重化及びスペクトル多重化構造体を組み合わせたものを記
憶させる。平板形透明度の高いプレートによる再結合損失は、空間多重化された
２つ以上の領域をホログラム・フィルム中に形成するか、若しくは小さな閉込め
角度（約５度未満）で透明度の高いプレート中へ光を放出するか、又はこれらの
２通りの方法を組み合わせて使用することによって軽減される。３次元反射型ホ
ログラムは、透明度の高いプレートの入射光から離れている反対側の表面に配置
される。
【００２５】 独特のホログラムの干渉縞構造体は、単一フィルム中に多数の干渉縞パターン
を作ることによって形成される。これは角度多重化と呼ばれており、多数の記録
光線対が干渉してホログラム構造体を作る技術であり、このホログラム構造体は
、一定範囲の入力角度からの光を受け入れて、フィルムとほぼ同じ屈折率の透明
度の高いプレート内の異なる角度範囲に光を出力する。
【００２６】 角度多重化の他に、複数波長を使用してのスペクトル多重化が使用される。ス
ペクトル多重化は、ＨＰＣのスペクトル・バンド幅を広げるのに役立つ。
【００２７】 空間的多重化は、多重ホログラム光学構造体（ＭＨＯＳ）による後続の反射か
ら生じる再結合損失を防止するために使用することができる。これは、異なる格
子ベクトルを有するＭＨＯＳの複数の個別領域を形作ることによって実現できる
。ＭＨＯＳの各領域には、複数の格子及び一定範囲の格子ベクトルができ、進行
光の前方にある領域は、その光が最初に発した領域とは異なる回折特性を有する
。これらの様々な領域には実質的に異なる格子ベクトル範囲があるため、透明度
の高いプレート端部に至る途中に光がＭＨＯＳの異なる領域に衝突しても、透明
度の高いプレートに閉じ込められた光がＨＰＣのために再結合することはない。
【００２８】 またこの代わりに、約５度未満で前に画定済みの小閉込め角度で、透明度の高
いプレートの中へ光放射を放出するようにホログラムを作ることによって再結合
損失を防止してもよい。こうすることによって、ホログラム・フィルムとのその
後の相互作用の回数が減少して、光学的損失が減少する。
【００２９】 Ａ．ホログラム媒体 ホログラム媒体は、３次元位相ホログラムを形成することができる種類のあら
ゆる周知の材料のものであって差支えない。幾つかの既存のフィルム物質の種類
には、デュポン（ｄｕＰｏｎｔ）社のフォトポリマー・フィルムＯｍｎｉｄｅｘ
、ポラロイド（Ｐｏｌａｒｏｉｄ）社のフォトポリマー材料Ｍｉｒａｇｅ、重ク
ロム酸化物ゼラチン、ポリビニルカルボゾールを基剤としたフォトポリマー・フ
ィルム、ハロゲン化銀乳濁液、及びその他のホログラム物質がある。
【００３０】 加えて、これらのフィルムは、層状に積み重ねることができ、この際各層を異
なる角度、スペクトル、及び空間的多重化特性を有するものにすることができる
。これは、透明度の高いプレートに２層以上のホログラム・フィルムを付着させ
た形態にすることができる。透明度の高いプレートより吸収が大きいフィルム層
中の閉込め光によって生じる界面反射を維持するために、追加した各層について
は、屈折率整合を行わなければならない。
【００３１】 デュポン及びポラロイドから入手可能な市販のホログラム材料には、不均一干
渉縞構造体の形成を可能にする既存の化学的性質及びプロセスがあり、重クロム
酸化物ゼラチン・フィルムにもまた不均一干渉縞構造体を形成する既存の化学的
性質がある。（不均一干渉縞構造体は、フィルムの表から裏まで縞の間隔が変化
している構造体である。）これらの技術に加え、ホログラム構造体は、光学接着
剤を利用して、縮小させたり又は膨張させたりすることができる。光学接着剤は
、ホログラム・フィルムの多層スタックを作り出す時に利用することができ、ホ
ログラム・フィルムを透明度の高いプレートに接合したり、又はホログラム・フ
ィルムに保護膜層を設けることができる。
【００３２】 本発明のＨＰＣでは、光を集束する機能を得るために、角度、空間、及びスペ
クトル多重化を組み合わせた方法を利用する。これらの技術を組み合わせること
によって独特のＭＨＯＳ製造物が得られる。
【００３３】 １．光学的損失 本発明のＨＰＣでは、デバイスを機能させるために、ホログラム構造体を空間
的に多重化して再結合を防止しなければならない。これは、導波路カプラが導波
の用途で動作する方法と全く異なっている。通信産業で使用されるホログラム導
波路カプラでは、一旦光が導波路中へ回折されると、ホログラム構造体を透過す
るその後の進路を指定する必要はない。ＨＰＣ中での再結合損失を克服すること
は、空間的に多重化を実現するために角度多重化及びスペクトル多重化の両方を
取り入れる空間的多重化の複雑性が主な動機になっている。
【００３４】 この構造体における光損失を軽減するため、新規の技術を使用して、光学エネ
ルギーの損失を防止する。透明度の高いプレートは、実用目的でなければ、如何
なる厚さにも選択することができるが、通常は、１乃至１５ｍｍ範囲の厚さにす
る。透明度の高いプレートの厚さをこれより厚くすると、至極割高になり、本明
細書にて開示される用途に対し実際的ではなくなる。プレート厚さに対するこれ
らの制約と、可能な限りはね返りを起こさずに光にＨＰＣ構造体の中を進行させ
る目的とを前提にすると、より一層直線的に光がＨＰＣ構造体へ回折されるよう
に、内部回折波ベクトル角を十分に小さくする必要がある。２５乃至２００の経
路長対厚さの比（ＰＴＲ）を有するＨＰＣ構造体が好適である。尚、経路長とは
、ＨＰＣにより集光された光が、受光装置の位置に達するためにＨＰＣ構造体中
を伝搬しなければならない最長距離のことである。
【００３５】 本発明のＨＰＣを、前述の経路長対厚さの比で動作させるには、数多くの要素
を考慮に入れる必要がある。光学的損失を軽減するためにＨＰＣで使用される技
術を以下に列挙する。
【００３６】 １．ＨＰＣ構造体における光エネルギーの吸収源は３つある。第一は透明度の高
いプレートにおける吸収である。透明度の高いプレートが製作される材料は、ス
ペクトル領域３５０乃至１４００ｎｍでの低吸収になるように選択される。尚「
低吸収」とは、１０％未満の吸収（前に定義済みの透明度の高いの逆）を意味す
る。第２吸収源は、フィルム層によるものであり、そのため、フィルム層を可能
な限り薄くかつ透明に維持することが重要である。本明細書にて使用される、フ
ィルム層に関わる「薄い」という言葉では、３０μｍ未満の厚さを意味しており
、一方、フィルム層に関わる「透明」という言葉では、少なくとも９０％の内部
透過率を意味する。ここで検討しているあらゆるフィルムは、十分に低吸収であ
るものとする。第３吸収源は、光学接着剤が使用されている場合はこの光学接着
剤である。光学接着剤は低吸収のものが市販されており、このような低吸収光学
接着剤は、本発明の実施に好適である。
【００３７】 ２．上記ＰＴＲを有するＨＰＣで光エネルギーを収集するためには、内部回折波
ベクトルを１乃至４０度の範囲にする必要がある。単一格子によりバンド幅の広
い光が回折されるが、このスペクトル・バンド幅の各波長は、異なる波動ベクト
ル角で回折される。このことは、単一格子に対する色の角度広がりが所望の場合
よりも大きくなることがある、ということを意味する。単一格子に対するスペク
トル・バンド幅が広いということは、集光された光に色の角度広がりがあること
を意味する。この一例は、１００ｎｍのバンド幅を有する単一格子が、３０度の
角度を通して集光された光の角度ファンアウト（ｆａｎｏｕｔ）に対応すること
である。デバイスのバンド幅が広がるにつれて、単一の格子構造体はそれ自体の
限界に達し、この時そのスペクトル・バンド幅からの光が消失し始めるが、これ
は内部回折波ベクトルが透明度の高いプレートのＴＩＲ閉じ込めより大きくなる
ためであると考えられる。このことは、ＨＰＣデバイスでバンド幅が拡大するこ
とによって、ＨＰＣのＴＩＲ閉込め範囲内に角度成分を維持しながらスペクトル
成分を多重化しなければならない、ということを意味している。更にこれは、多
重化記録の際に格子角度を一定に維持して、格子間隔を変化させることによって
行うことができる。以上は、バンド幅を拡大して、ＨＰＣのＴＩＲ閉込め範囲内
に必要な内部回折波ベクトルを維持する技術の１つである。この角度広がりは、
単一フィルムのスペクトル多重化により減少させることが可能であり、その結果
、各多重化記録ごとに一定の干渉縞角度を維持することができる。屈折率の調節
は照射光線間で共通して行われるため、収集エネルギーの量は殆ど同じになり、
最終的には、集光することができる波長が増加し、且つこれらの波長を回折する
角度範囲を狭くすることができる結果となる。これは、受光装置へ集束されるエ
ネルギーが増大することを意味する。
【００３８】 ３．本発明のＨＰＣデバイスでは、透明度の高いプレートと、この透明度の高い
プレートに屈折率が良く整合するホログラム・フィルムとを組み合わせることを
必要とする。透明度の高いプレート／フィルム界面で大きなフレネル反射を生じ
ることなく、透明度の高いプレート中へ効率よく回折を行うために、透明度の高
いプレートとフィルム間で屈折率を厳密に整合させる必要がある。屈折率の整合
がとられていない場合、界面において大量のエネルギー反射を引き起こし、透明
度の高いプレートよりも大幅に吸収係数が大きいフィルム内にエネルギーが閉じ
込められることになる。フィルムから透明度の高いプレート中へ効率よく光エネ
ルギーを移すためには、フィルムと透明度の高いプレートの屈折率をかなり接近
させて互いに３％以内にする必要がある。これによって、フィルム中で比較的長
い距離を伝搬する光は最小になる。フィルムの吸収は通常、透明度の高いプレー
トの吸収よりも大きく、そのため、本デバイスの好適な実施形態では、屈折率の
密接な整合（ｃｌｏｓｅ ｍａｔｃｈ）を使用して、回折された光が透過しなけ
ればならないフィルムの厚さを最小にしている。
【００３９】 ４．光がＨＰＣ構造体内ではね返りを起こす際の後続のホログラム・フィルムと
の相互作用による内部屈折光の再結合は、光学的損失が大きく無くすことができ
ない。しかしこの再結合は、ＨＰＣ構造体のホログラム・フィルム部分を空間的
に多重化することによって軽減したり、又は完全に回避することができる。空間
的多重化は、ホログラム光学素子（ＨＯＥ）のパターンを配列することによって
行われるが、個々のホログラム光学素子のスペクトル及び／又は角度性能は、僅
かに異なるものとする。空間的に多重化された各領域の回折光は、内部回折波ベ
クトル角が異なっており、且つこれらの角度に対するスペクトル・バンド幅も異
なっている。ＨＯＥでは、角度と波長とが直接関連しているため、事実、これら
２つの組合せによって、空間的に多重化された領域が性能面で全て独立したもの
になるか否かが決まる。この独立した性質は、一領域から到来した光がその後の
領域においてＨＯＥにより回折されないことを意味する。多重化された領域のサ
イズは、経路長対厚さの比の関数であり、これは、光のはね返りの回数によって
、空間的に多重化された必要な独立領域の数が決定されるからである。また、は
ね返りの回数は、経路長対厚さの比と内部回折波ベクトルとによって決定される
。
【００４０】 Ｂ．透明度の高いプレート ＨＰＣの透明度の高いプレートは、光学的に透明なガラス又は重合体から製作
することができる。「透明度の高い」という言葉は前に定義済みであり、光学的
に透明ということによって、本明細書で定義したように、ガラス・プレート又は
重合体プレートが、少なくとも約３６０乃至１４００ｎｍの波長範囲において透
明であることを意味する。透明度の高いプレートは、如何なる厚さ又はサイズで
もよい。透明度の高いプレートに好適な材料は、化学的に機能強化して太陽光透
過率を増大させた鉄含有量の低いフロートガラスである。好適なガラスの種類に
は、ソーラフィア（Ｓｏｌａｒｐｈｉｒｅ）ガラス及びスターファイア（Ｓｔａ
ｒｆｉｒｅ）ガラスがあり、共にピー・ピー・ジー・インダストリーズ・インク
（ＰＰＧ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．）から市販されている。これらの
ガラスは、内部透過率が約９８％である。
【００４１】 透明度の高いプレートは、平坦又は湾曲した表面を有するものでもよい。好適
な大きさは、用途やサイズによって決まる。好適な一実施態様では、厚さ６ｍｍ
の鉄含有量の低いフロートガラスを利用する。加えて、ホログラム・フィルムと
透明度の高いプレートの屈折率は厳密に整合させることが重要であり、好適には
屈折率の差は大きくても約３％、より好適にはこの値未満とする。この密接な整
合によって、透明度の高いプレート内部で急峻な結合角が得られる。
【００４２】 場合によっては、フィルムの屈折率が、透明度の高いプレートの屈折率よりも
僅かに大きい場合が好適なことがあり、これは、屈折率の整合がとられていない
場合に、フィルムの屈折率をガラスの屈折率よりも僅かに大きくすることに多少
の利点があるためである。この利点は、界面におけるフレネル反射損失の減少と
して現れ、従って、透明度の高いプレートの屈折率がフィルムよりも大きい場合
に比べて結合効率が改善される。しかし、この事実は、本出願書類に明記した特
許請求の範囲に対する制限因子として解釈すべきではなく、その理由は、何れの
モードで実施した場合でも本デバイスが動作するからである。
【００４３】 透明度の高いプレートとフィルムの屈折率を選択する際、ＨＰＣデバイスを有
効に動作させるために必要な重要なパラメータが数多くある。ＨＰＣデバイスの
性質は、数多くの用途、従って本デバイスの実施態様における数多くの変更にも
適用できるものである。本願の意図及び範囲は、本願にて開示されるホログラム
構造体のあらゆる変更を包含することである。
【００４４】 図１は、本発明の基本的実施態様の一例を図示しており、この図には、透明度
の高いプレート１２とホログラム・フィルム１４とを特徴とするホログラム平板
形コンセントレータ１０が示されている。ホログラム・フィルム１４は、透明度
の高いプレート１２の片側１２ａに取り付けられており、その反対側１２ｂには
、太陽エネルギーが照射される。
【００４５】 透明度の高いプレート及びホログラム・フィルムの屈折率を慎重に選択するこ
とによって、図１に示されるような極めて急峻な角度での透明度の高いプレート
への光の結合を可能にしている。光線１６、１６’、１６”で表された光は角度
θｉｎで入射し、光線１８、１８’、１８”としてそれぞれ、透明度の高いプレ
ート１２の中へ角度θｏｕｔで結合されることが分かる。後で詳述するが、ホロ
グラム・フィルム１４に記録された特殊な回折格子によって角度θｏｕｔは制御
する。以下で示すように、広い受光角度θｉｎは、これよりも狭い角度θｏｕｔ で透明度の高いプレート１２中へ結合される。
【００４６】 前述の一実施例は図２に示されており、この実施例ではホログラム・フィルム
１４の屈折率は、透明度の高いプレート１２の屈折率よりも０．００１大きくな
るように選択される。このことは、６ｍｍ厚（ｔ）の透明度の高いプレート１２
及び２度の閉込め角度を使用すると、結合された光１８が２回目にホログラム・
フィルム１４に衝突する前の光の経路長（ｌ）が３４３ｍｍとなり、この組合せ
によってＰＴＲ５７．２が得られることを意味する。また、これにより、ＨＰＣ
デバイス１０における再結合損失を回避する技術が示される。ガラスの厚さと閉
込め角度とは、デバイスの有効サイズに影響することが分かる。尚ここで論じて
いる光の経路長は、ＨＰＣ技術の数多くの実際の応用例について考慮したもので
ある。
【００４７】 本発明の他の実施態様では、閉込め角度を小さな角度に限定するものではない
が、図３で示すように、角度の組合せを空間的多重化方法で使用する。尚前述し
たように、「小閉込め角度」なる言葉は、約５度未満の角度のこと指す。
【００４８】 ホログラム・フィルムは、１４、１１４、２１４で示される複数の領域を特徴
としており、これらの各領域への入射は、前述のように光線１６、１６’、１６
”である。各領域１４，１１４、２１４は、異なる回折格子を有しており、その
結果、透明度の高いプレート１２中へ結合される一組の光の角度θｏｕｔを生じ
、この角度は互いに同じ角度であるか、或いは異なる角度であるかの何れかであ
るが、この一組の中央光線１８’、１１８’、２１８’がホログラム・フィルム
１４によって画定された面に対してなす角度は各々の場合によって異なる。
【００４９】 この空間的多重化技術では、ホログラム構造体からの多重反射に対する対処が
為されており、そのため、大きい閉込め角度でも使用することができる。この方
法では、透明度の高いプレートとホログラム・フィルムとの間で屈折率を厳密に
整合させる必要が低減されている。一例として、極めて急峻な閉込め角度を使用
する場合、屈折率が極めて良く整合されていれば、僅かに０．０１％の差である
が、空間的に多重化された場合では、整合が最も悪い場合でも屈折率は３．０％
までしか変化しない。
【００５０】 多重化ホログラム光学構造体（ＭＨＯＳ）を空間的に多重化することにより、
機能上、光の経路長が比較的長いＨＰＣデバイスを作製することが可能であり、
そのため、ＨＰＣパネルの機能サイズが大きくなり、且つＨＰＣを使用できる用
途の数が増加する。また、ＨＰＣホログラム構造体を空間的に多重化すると、角
度多重化を行って、集められた光を集束する時のビーム縮退の制限因子の発生が
回避される。また、ビーム縮退は、ポイントフォーカシング・モードの代わりに
ラインフォーカシング・モードでＨＰＣデバイスを利用することによっても回避
することができる。
【００５１】 ホログラム・フィルムと透明度の高いプレートの屈折率不整合による材料分散
効果は、ガラスの屈折率がホログラム・フィルムと整合する波長で動作するよう
にＨＰＣデバイスを設計することによって最小にすることができる。通常材料で
分散が異なると、設計波長と異なる別の波長で、ガラス及びフィルムの屈折率の
発散が起こる。フィルム及びガラスの屈折率の全体的整合に対する分散の影響は
、屈折率整合が、実際には、選択されたスペクトル範囲に亘る平均の整合になる
ことである。
【００５２】 Ｃ．ホログラム記録プロセス 本発明のＨＰＣは、光学的に透明度の高いプレートの一側面に、一層又は複数
層のホログラム・フィルムを付着することによって形作られる。ホログラム・フ
ィルムは、入射光の反対側に付着される。マスタＭＨＯＳの記録は、屈折率が整
合された環境で行われ、これらの方法は当業者に周知のものである。尚「屈折率
が整合された環境」とは、記録用レーザ波長で極めて透明であり、且つフィルム
に対し屈折率が整合された適切な材料が、レーザ光線が極めて急峻な角度でフィ
ルムの中へ伝搬できるような幾何学的形状で使用されることを意味するものとす
る。レーザ光線を急峻な角度で物資へ入射する数多くの方法があるが、これらの
方法の全てで屈折率の整合が必要である。異なる方法でもガラス・ブロック、プ
リズム、及びタンク中の流体を利用する。この方法は、マスタ・ホログラムを製
作するために必要であるが、マスタ・ホログラムを一旦製作すれば、マスタ・プ
レートへ複写されるフィルムの屈折率の整合を行う必要があるだけである。また
複製には、マスタとコピーとの間で屈折率が整合された環境で記録が行われるこ
とも必要であるが、これは大量生産では簡単なプロセスである。
【００５３】 一実施態様では、図４で示すように、屈折率が整合する流体を充填した液体ゲ
ート又はタンクを使用することが可能であり、この中には、ホログラムとそれを
付着される透明度の高いプレートとが暴露目的で置かれる。タンク中の屈折率が
整合する流体は、ホログラム・フィルムと透明度の高いプレートとの屈折率が約
１２％以内になるものにすべきである。好適には、フィルム及び透明度の高いプ
レートよりも屈折率が僅かに大きい液体を使用する。液体と透明度の高いプレー
ト／フィルム間での整合性が良くなるほど、雑音の少ない格子が形成される。
【００５４】 図４では、透明度の高いプレート１２と実質的に同じ屈折率を有する流体２２
を充填したタンク２０の中に浸漬された透明度の高いプレート１２とホログラム
・フィルム１４とを特徴とするＨＰＣ１０を示す。物体光線２２ａ乃至２２ｅは
、透明度の高いプレート１２の最上面１２ｂを照射し、一方参照光線２４ａ乃至
２４ｅは、ホログラム・フィルム１４の照射面１４ａを照射する。尚この文字は
、記録対を指定するものである。尚、物体光線２２ａ乃至２２ｅ及び参照光線２
４ａ乃至２４ｅは、ホログラム記録の当業界において周知の技術によって生成さ
れるものであり、本発明の部分を構成するものではない。
【００５５】 屈折率整合タンクにより、界面や他の面で散乱された迷光の量を軽減する環境
が提供される。このため、記録プロセスにおける光学雑音を最小にすることでＭ
ＨＯＳの品質が向上する。
【００５６】 多重レーザ光線が、特有のホログラム構造体を記録するために使用されるが、
このホログラム構造体は、一定の入力角度からの光を受けて、この光を光学的に
透明度の高いプレートへ差し向ける。光は、光学的に透明度の高いプレート内に
一旦閉じ込められるが、これは、その光が、その後同じホログラム構造体と相互
作用を起こさない場合に限ってのことである。記録プロセスは、角度、スペクト
ル、及び空間的多重化の組合せであり、当業者が様々な方法で実施し得るもので
ある。
【００５７】 図５に示すように、ＨＰＣを製造する時、複数対のレーザ光線が角度や波長を
変えて使用され、これらの光線の波面は平行化されたり、又は発散若しくは集束
したり、或いはこれらを組み合わせたものとなる。各対の記録波面は、狭い範囲
の日中の太陽の角度を模倣する物体光線と、所望の再生（集束された）波面を模
倣する参照光線とを有する。尚、所望の再生箇所が所定の用途又は位置によって
変わるため、幾何学的記録形状に好適な実施態様はない。ＨＰＣを設置する方位
及び地球上での据付け位置は変化するものであるため、ＨＰＣには、種々の入力
角度範囲及び種々のスペクトルでの集光要求に対する記録が行えることの利点が
ある。例を挙げると、ＨＰＣは、所望の緯度での配置に対し垂直でも傾斜させて
も設置することができる。加えて、入力角度の範囲は、極端に狭く選択したり、
或いは極端に広く選択したりすることが可能であり、これは入手可能な照明の種
類及び所望の出力スペクトルによって決まる。
【００５８】 ビームの記録形状は格子の設計で変わる。６７６ｎｍ及び５１４ｎｍのレーザ
波長で記録された多重化フィルムの入力角度範囲は、媒体の法線から±３５度、
及び媒体の法線から１００乃至１４０度になる。ビーム対はこの角度範囲で選択
され、所定の位置及び設置する方位について、所望の太陽エネルギーを捕捉して
集束する所望のホログラム構造体が得られる。好適な一実施態様では、２種類の
記録対を使用しており、１対が３０度及び１００度の角度で、もう１対が−３０
度及び１３０度の角度のものである。
【００５９】 ＨＰＣは受動追跡モード又は能動追跡モードのいずれかで使用するが、角度多
重化を使用することによって受動追跡を使用することが可能となり、これによっ
て全体構造が単純になり、コストが低減する。受動追跡の好適な実施形態の例で
ある、ＨＰＣ光起電性パネルは、据付緯度に対して傾斜して設置され、かつＨＰ
Ｃ前面に対し垂直な受光中心角度を有する。角度記録では、一日の太陽角度の変
化約１６０度、及び季節の太陽角度の変化４５度と同じ変化を模倣する。これは
、多数の記録対を意味しており、各記録対は約１０度の間隔で物体光線を放出す
る。
【００６０】 前に示したように、ホログラムの記録には、角度及びスペクトル多重化が含ま
れる。空間的多重化は、更に以下に詳述するように、ホログラム・フィルム中に
様々な領域を画成し、図５に示したプロセスを使用して各領域に角度及びスペク
トル多重化を記録することによって実現される。一空間領域で透明度の高いプレ
ート１２の中へ結合された光は、別のスペクトル領域でホログラム・フィルム１
４と相互作用することはない。領域の組合せを使用することによって、基本的に
は、透明度の高いプレートに閉じ込められた光によるホログラム・フィルムでの
度重なる相互作用の結果である再結合損失が回避される。この空間的多重化によ
る方法の結果、高効率が得られ、更に大型のＨＰＣデバイスを作ることが可能に
なる。
【００６１】 ＭＨＯＳは、ガウスビーム・プロファイル又は非ガウスビーム・プロファイル
を用いて記録することができる。異なるビーム・プロファイルを使用することで
、ホログラム・フィルム全体に亘る露光強度の制御が可能になっている。これは
転じて、最終的なＭＨＯＳの回折効率全体に亘る制御を意味する。ホログラム・
フィルム全体に亘るレーザ・エネルギーの強度は、ＭＨＯＳの再生効率を制御す
る際に重要であるが、これは、ホログラム記録の質が、ホログラム・フィルムに
衝突する照射エネルギーの強度によってある程度決定されるためである。フィル
ム全体に亘る記録エネルギーの強度は実質的に均一でなければならず、そのため
、強度変化を約±１０％以下にしなければならない。ホログラム・フィルム物質
が異なれば、照射条件も変える必要があり、また、これらの物質は照射強度に対
し比較的高感度のものにする。約±１０％以下の均一性は、ＨＰＣデバイスを首
尾良く製造するための指針であり、あらゆる種類のホログラム・フィルム物質に
対する理想の照射均一性であるとは限らない。
【００６２】 ＨＰＣ１０はまた、複数層のホログラム・フィルムを使用しても製造すること
ができる。回折性ホログラム構造体を利用することにより、複数層を使用するこ
とができる。基本的には、青色光子のみが太陽スペクトルの青色部分に対して増
感させたＭＨＯＳと相互作用を行い、赤色光子のみが太陽スペクトルの赤色部分
に対して増感させたフィルムと相互作用を行う。
【００６３】 ホログラム反射構造体は、極めて狭い範囲（数ナノメートル）から、極めて広
い範囲（数１００ナノメートル）までのスペクトル性能範囲で製造することがで
きる。このことによって、これらの範囲内で、選択されたサイズのスペクトル・
バンド幅を有する反射ホログラム・フィルムを製作することが可能になる。
【００６４】 Ｄ．多重化ホログラム光学構造体 １．角度多重化 本発明のＨＰＣでは、角度多重化ステップを使用して、単一層に多数の反射型
３次元位相ホログラムを実現している。角度多重化に関し、数多くの技術が存在
しており、これらの技術は当業者にとって周知のものである。集束波面を使用し
てもよいが、好適な実施態様では平行化及び発散記録波面を利用する。波面は、
ホログラム・フィルムの反対側から差し向けられて、図４及び５で示したように
、反射型３次元位相ホログラム構造体を作る。更に、波面の偏光を選択して、干
渉縞コントラストを最大にすることができる。
【００６５】 ＭＨＯＳは、数種類の様々な波長のレーザ光か、又は所望の波長で再生するよ
うに調節された記録角度で単一波長を利用して作ることができる。異なる角度及
び異なる波長での再生が可能なように１つの角度の記録光線を設計できるように
、多重化された参照光線及び物体光線の記録角度を調節することによって、単一
波長記録を使用して多スペクトル記録をシミュレートすることができる。これは
、回折構造体における角度と波長との関係による。加えて、必要な場合、複数の
ホログラム・フィルムを使用することが可能で、第１ホログラム・フィルム上に
積層することができる。追加したフィルムは、角度性能を増大させたり、或いは
ＨＰＣのスペクトル・バンド幅を拡大するために使用することができる。
【００６６】 単一波長を角度多重化することで、記録波長ばかりでなく異なる角度性能を有
する別の波長でも角度性能が得られる。最終的な効果は、単一波長記録でスペク
トル特性が向上したことである。
【００６７】 ２．スペクトル多重化 ＨＰＣデバイスのスペクトル・バンド幅を拡大するために、当業界にて周知の
技術を使用してＭＨＯＳのスペクトル感度を高めることができる。ホログラム構
造体は、多重レーザ波長と共に多重角度入力を用いて記録することができる。複
数波長を用いた記録には、ＭＨＯＳのスペクトル感度を増大させる利点がある。
複数波長を用いた記録の他に、ＭＨＯＳの非線形的縮小又は拡大も可能であり、
これによって一連の干渉縞は間隔が変化する。間隔が変化する干渉縞には、ＨＰ
Ｃデバイスのスペクトル・バンド幅を増大させる効果がある。
【００６８】 ３．空間的多重化 ＭＨＯＳの各領域には、複数の格子及び一定範囲の格子ベクトルがある。領域
が異なれば格子ベクトルの範囲も実質的に異なるため、透明度の高いプレートに
閉じ込められた光は、図６の平面図で示したように、透明度の高いプレート１２
の端部１２’に至る途中ＭＨＯＳの領域に衝突した時にＨＰＣのために再結合す
ることはない。図６は、空間的に多重化されたＨＰＣ１０の一実施例を示してお
り、各領域２６ａ乃至２６ｄには異なる格子ベクトルがあり、その結果結合され
た光１８ａ乃至１８ｄは異なる角度で端部１２’を照射する。
【００６９】 ＭＨＯＳからの後続反射による再結合損失を回避するため、空間的多重化の方
法が使用される。この実施態様のＨＰＣでは、ＭＨＯＳが多数の異なる領域に分
割されており、進行光正面の領域については、図３で示したように、その領域に
衝突する光とはブラッグ角が異なる。この技術により、再結合損失は防止される
が、これは、透明度の高いプレートに閉じ込められた光に関して、その後のＭＨ
ＯＳからの反射が、最初に光が回折された空間領域とは実質的に異なる格子ベク
トルを有するホログラム構造体に衝突するためである。
【００７０】 ４．その他配慮事項 透明度の高いプレート１２とホログラム・フィルム１４の領域との組合せによ
り、物理的に全光閉込め構造体１０が形成される。空間的多重化がＭＨＯＳで必
要な理由は、光１８がホログラム・フィルム１４を透過して空気／フィルム界面
ではね返り、ＴＩＲにより構造体１０に閉じ込められ続ける必要があるからであ
る。光１８が受光装置３０、３２に至るには、光１８が構造体１０全体の中に留
まる必要がある。ガラス又はポリマー製透明プレート１２中へ光線１６を放出す
るために必要である厳密な屈折率整合を行うことによって、確実に、光がフィル
ム１４を経てフィルム／空気界面に至りはね返るようになる。本発明では、優れ
たソーラー・コレクタにするため、面積を相当大きく、従って経路長を長くする
必要がある。これについては、６ｍｍ厚のガラスで経路長３４３ｍｍと記述して
ある図２に関わる特定の実施例に関し、前に論じてある。尚、２倍以上の経路長
でフィルム１４を透過するためには、角度を更に大きくする必要がある。空間的
多重化によって、領域１４、１１４、２１４が異なるホログラム性能を有するよ
うになり、そのため、これらの領域は、前のホログラム領域からの進行光と相互
作用しなくなる。
【００７１】 Ｅ．焦点調節 ＨＰＣは、２次元すなわち基本的にはラインフォーカス（図７）か、又は３次
元すなわち基本的にはポイントフォーカス（図８、９）で光を集束するように設
計することができる。図７において、結合された光線１８は、透明度の高いプレ
ート１２の端部１２’に沿ってマウントされた光電池３０を照射する。図８及び
９では、結合された光線１８は、光電池３０（図８）や光ファイバ光導波路３２
（図９）のような受光デバイス上にフォーカスされる。
【００７２】 ２次元又は３次元で光を集束するこのような機能によって、本発明のＨＰＣで
、透明度の高いプレートの厚さ、及びホログラム構造体に取り込まれる集束量次
第で任意サイズの正方形又は矩形領域となる焦点領域を作ることが可能になる。
焦点調節は、イメージング技術を使用しても或いは非イメージング技術を使用し
ても行うことができる。非イメージング技術では、透明度の高いプレートの中で
後続の内部反射があるため、正方形又は矩形領域が作られる。イメージング技術
は、円形又は楕円形の焦点領域のような形状が変化する焦点領域を作るために使
用することができる。また、これら２種類の技術を組み合わせて非イメージング
及びイメージング焦点領域の幾何学的形状特性を組合せた焦点領域を作ることも
可能である。焦点領域の全体的形状以外では、イメージング記録技術又は非イメ
ージング記録技術のいずれかを用いて、焦平面における強度分布を調節すること
ができる。これによって、集束された光を利用する際の設計自由度を広げること
ができる。
【００７３】 一実施態様では、平行記録ビームと組み合わせた空間的多重化法を利用してお
り、焦点領域１２’と同一サイズである領域２６のタイルを並べた様なホログラ
ム構造体が作られている（図１０）。このホログラム構造体の各タイル２６から
の平行再生ビーム１８は焦点領域１２’でまとめられて入射ビームを集束したも
のを作る。この技術では、領域の位置及び格子ベクトルにより導波路１２の外で
の光の再結合が防止されるようにホログラム構造体のレイアウト設計を行うこと
によって、再結合損失を防止できるＨＰＣデバイスの設計を可能にしている。尚
、光の伝搬ベクトル１８に垂直な線３４は、平面平行化波面を表すものとする。
【００７４】 Ｆ．デバイスの動作 本発明のホログラム平板形コンセントレータは、集光デバイスの面に折り重ね
られた従来型の２段式コンセントレータのように機能する。一定範囲の受光角度
からの入射光は、光学的に透明度の高いプレートを透過し、プレートに光を閉じ
込めてこの光をプレートの一端部又は同プレート端部にある焦点領域へ導光する
多重化ホログラム構造体によって反射／回折される。加えて、異なるプレート側
面に複数の焦点領域を設けるか、又は同プレートのコーナーへフォーカスするよ
うに、数個のＨＰＣホログラム構造体を有する更に大きなプレートを作ることも
可能である。動作に関するこの基本的な考え方は、数多くの用途に対する基本的
構成要素として使用することができる。光起電性デバイス又は光ファイバの光ガ
イドと組み合わせた場合、本発明のＨＰＣは、エネルギー発生又はエネルギー転
換装置（図７乃至９）になる。
【００７５】 従来型コンセントレータに勝る本ＨＰＣの主な利点の１つは、静止（追跡なし
）形態で設置されても、広範囲の入力角度から光を集めることができる機能であ
る。この機能を実現するために、本ＨＰＣデバイスでは、透明度の高いプレート
によるＴＩＲ閉込めと共に、多重ホログラム構造体を利用している。この２段階
式集束方法は、ＴＩＲ光閉込めを利用する一部の非イメージング式光集束方法と
同様に役に立つ。この方法は、独特の多重ホログラム構造体にＴＩＲ閉込めを組
み合わせたものであり、これらが組み合わせで本発明の新規の光コンセントレー
タが得られる。本ＨＰＣには、製造容易な点及び材料費が低い点で多くの利点が
ある。
【００７６】 更に、本ＨＰＣは、太陽からの直接光、又は曇天の日の光若しくは周囲の環境
からの反射光のような拡散光の何れかを集光するために使用することができる。
本ＨＰＣは、実質的に全ての太陽スペクトル、特に、約３５０乃至１４００ｎｍ
範囲のスペクトルを集光するためのものである。
【００７７】 本ＨＰＣ製品の４つの主な用途には、（１）太陽光発電、（２）自然の直射日
光を用いる昼光照明、（３）加熱、（４）以上３つの用途の任意又は全てを組み
合わせると共に、必要に応じて、日光からの紫外線及び赤外線エネルギーのフィ
ルタ除去の用途を加えた窓ガラスがある。これらの４つの主な用途を以下に説明
する。
【００７８】 １．ＨＰＣ光起電性パネル 第１デバイスでは、光電池を利用して、集束された光を電気に変換する。図７
及び８ではこの実施形態を示す。様々な光起電性変換デバイスをいくつでも使用
することが可能であり、変換デバイスのバンドギャップに一層厳密に整合するよ
うに本ＨＰＣの出力スペクトルを設計して、光電池冷却の必要を減らすことがで
きる。
【００７９】 ＨＰＣ光起電性（ＰＶ）パネルでは、ＰＶ電池を備えたＨＰＣを利用して、Ｈ
ＰＣによって集められた光を電気に変換する。ＰＶ電池は、図７に示すように透
明度の高いプレートの端部に直接接合されており、集積形ＰＶパネルを作ってい
る。一実施態様（図７）では、ＨＰＣ１０の端部１２’全体が１つ以上のＰＶ電
池３０で覆われている。他の実施態様では、図８に示すように、点焦点ＨＰＣデ
バイスと、透明度の高いプレート１２のコーナー又は側部１２’にマウントされ
たＰＶ電池３０とを利用する。ＨＰＣ−ＰＶパネルの長所には次に挙げる点が含
まれる。
【００８０】 １．受動追跡コンセントレータ。
【００８１】 ２．２段階光閉込め。
【００８２】 ３．複数パネル形態。設計面での柔軟性。
【００８３】 ４．廃熱を最小にすることが可能な選択式バンド幅。設計面での特徴。
【００８４】 ５．透明ＨＰＣでは、フィルムの追加や、ＰＶパネル裏側での集光デバイスの増
設が可能であり、従って構造的要件及び設置場所の要件に関わるコストを最小に
することが可能であること。
【００８５】 ６．モノリシックＰＶアレイを焦点にマウントすること。
【００８６】 ７．直列接続した電池の利用が集光領域における均一照射により可能になること
。これはＨＰＣコンセントレータの非イメージング動作の結果である。
【００８７】 ２．ＨＰＣ天窓 ＨＰＣ技術の別の用途では、図９に示すように、光ファイバ・ケーブル３２が
集束された光の焦点でＨＰＣの端部に接合される。光１８は、光ファイバ光導波
路３２へ直接入射される。他の実施態様では、光学系を追加することが可能であ
り、ＨＰＣと光導波路との間の結合効率を改善する。ＨＰＣ天窓の利点には、以
下に挙げるものが含まれる。
【００８８】 １．受動追跡コンセントレータ。
【００８９】 ２．集光及び光ファイバ光導波路への光の入射。
【００９０】 ３．照明用に所望の光のみを光ファイバ光導波路へ入射する選択式バンド幅。
【００９１】 ３．ＨＰＣ温水暖房器 ＨＰＣ天窓の実施態様の一変更態様では、光ファイバ光導波路へ集束された光
を使用して、家庭での温水使用のため水を加熱する。この実施態様は図１１で示
されており、この図には、透明度の高いプレート１２の端部１２’に固定された
光ファイバの光ガイド３２が示してある。太陽エネルギー１８は、水３８を満た
してある従来型温水タンク３６へ導光される。太陽スペクトルは、温水タンクに
閉じ込められてそこで吸収され、それによって、直接（波長が水分子により吸収
される場合）又は間接的（波長が温水タンク・ライナにより吸収されるか、又は
水中に再放射される場合）に水を加熱する。ＨＰＣ温水暖房器の利点には、以下
に挙げるものが含まれる。
【００９２】 １．受動追跡コンセントレータ。
【００９３】 ２．集光及び光ファイバの光ガイドへの光の入射。
【００９４】 ３．水の加熱のため、所望の光のみを光ファイバへ入射する選択式バンド幅。
【００９５】 ４．ＨＰＣウィンドウ ＨＰＣウィンドウは、本発明の更に別の実施態様であり、他の応用例の特徴に
、紫外線及び赤外線光をフィルタ除去する機能を組み合わせたものである。図１
２では、図で１２’、１１２’、２１２’の印を付けられた数カ所の端部を有す
るＨＰＣウィンドウ１０の一実施態様を示す。光電池３０は、端部１２’に取り
付けられており、更に、これがシリコンＰＶ電池である場合、約７００乃至１１
００ｎｍ領域の放射を吸収する。端部１１２’に取り付けられた第１光ファイバ
の光ガイド３２を使用して可視光（約４００乃至７００ｎｍの領域）を建造物（
図示なし）内部へ導光するが、この建造物の側壁には、ウィンドウ１０が取り付
けられて自然光源を提供する。端部２１２’に取り付けられた第２光ファイバの
光ガイド１３２を使用して、約７００乃至１４００ｎｍ領域の一次赤外線エネル
ギーを温水タンク３６へ導光して、同タンク内の水３８を加熱する。ウィンドウ
１０の前表面１２ｂに照射する約３５０乃至４００ｎｍ領域の紫外線（図示なし
）は、同ウィンドウの背面に取り付けられたホログラム・フィルム１４（図１２
では図示なし）の特定の構造体によって、ウィンドウの透過を阻止されるが、ホ
ログラム・フィルム内では、例えば、好適なホログラム格子及び／又はＵＶブロ
ック要素を使用することが可能である。
【００９６】 図１２に示されているＨＰＣウィンドウ１０は例示にすぎず、当業者は、他の
デバイス及びそれらの別の組合せを使用して、太陽スペクトルの様々な部分を利
用し、且つ／又はその不要部分がウィンドウを透過しないようにブロックするこ
とが可能であることを理解するであろう。ＨＰＣウィンドウの利点には以下に挙
げるものが含まれる。
【００９７】 １．ウィンドウを透過する太陽光利得の制御。
【００９８】 ２．紫外線及び赤外線エネルギー透過率の制御。
【００９９】 ３．受動追跡コンセントレータ。
【０１００】 ４．集光及び光ガイドへの光の入射。
【０１０１】 ５．光起電性デバイスを用いる発電。
【０１０２】 ６．実現可能な加熱用途向けのエネルギー収集。
【０１０３】 ７．選択式のスペクトル及び角度バンド幅。
【０１０４】 図１３は、複数のＨＰＣウィンドウ１０を使用している建造物３８を示してお
り、このＨＰＣウィンドウは、前述の１つ以上のデバイスと共に使用されている
。更に、屋上設置されるか、又は太陽電池パネルの場合は地面で支持される、Ｈ
ＰＣウィンドウ１０を具備する天窓４０又は別々の太陽電池パネル４２を利用す
ることができる。太陽電池パネル４２では、全受動追跡機構又は能動追跡機構の
何れかを使用するが、これらは当業界において周知であるためここでは示してい
ない。ＨＰＣウィンドウ１０は、太陽放射を直接的及び間接的に集光するために
建造物３８の東、南、西側で使用することができ、（北半球では）建造物の北側
、又は（南半球では）建造物の南側で、太陽放射を間接的に集光するために使用
することができる。
【０１０５】 実施例 ガラス・プレートに被着された（角度及びスペクトル）多重化ホログラム・フ
ィルムを含むデバイスを受光角度を広げて製造した。実験では、３種類の角度多
重化ビームと３種類のスペクトル多重化ビームを利用しており、集光効率は２０
％と計算された。デバイスの角度性能は、一日の太陽角度変化の１６０度と、季
節の角度変化の４５度とした。
【０１０６】 加えて、更に大型の空間的に多重化したデバイスを製作しており、このデバイ
スでは、再結合損失を軽減するための種々のホログラム構造体を利用した。この
デバイスでは、ガラス・プレートの一端部へ光を集束させた。空間的に多重化さ
れたホログラム構造体は、光を集束させた端部から最も遠方にあるプレートの領
域から光を集束させた端部に隣接するプレートの領域まで変化させた。
【０１０７】 今までのところ作り上げた最も大型のデバイスは、１２×８．５インチの透明
アクリル平板であり、厚さが６ｍｍで、活性領域が８×８インチ（６４平方イン
チ）のものである。このデバイスでは、デュポン社製のホログラム・フィルムを
３層利用しており、各層は、スペクトル範囲が異なるものである（スペクトル多
重化）。フィルムは、ノーランド社（Ｎｏｒｌａｎｄ）製の光学接着剤ＮＯＡ６
５を用いて接着した。各層のホログラム・フィルムには４４個の空間多重化領域
があり、各フィルムは、４種類の多重化角ビームを使用して記録される。各空間
領域は、５０ｍｍ×１５ｍｍである。これらの領域は、デバイスの出力端部から
、ＨＰＣの反対側の端部まで線形に変化させた。このデバイスは、最適角度で２
％の全太陽光集光効率を示し、更に、狭い波長帯域で効率２０％と計算されてお
り、このデバイスが４９０乃至５３０ｎｍで記録されたことを示した。尚、この
デバイスはラインフォーカス型ＨＰＣデバイスとして作り上げたものである。
【０１０８】 好適な実施態様の別の例では、４×１２インチ、６ｍｍ厚の鉄含有量の少ない
ソーラフィア（Ｓｏｌａｒｐｈｉｒｅ）ガラスを一片利用しており、このガラス
には、デュポンのホログラム・フィルムＯｍｎｉｄｅｘを２層、ノーランド社の
光学接着剤ＮＯＡ６５を用いて接着させた。２層のホログラム・フィルムでは、
合計６つの領域を多重化した。これらの領域は、角度、スペクトル、及び空間的
に多重化した。一層のフィルムは、５００ｎｍ、５６８ｎｍ、及び６７６ｎｍで
記録されており干渉縞角度が３７度の空間的に多重化された領域を包含するもの
とした。また第２フィルム層は、５００ｎｍ、５６８ｎｍ、及び６７６ｎｍで記
録されており干渉縞角度が４０度の領域を包含するものとした。このデバイスは
、集光効率が全太陽光の１３％で機能し、所望の集光バンド幅で９０％の効率で
あった。
【０１０９】 以上数多くの特定の詳細を記述したが、これらが本発明の範囲を限定するもの
であると解釈すべきではなく、むしろ本発明の好適な一実施態様の例示であると
解釈すべきである。また、その他数多くの変更態様が可能である。例えば、フル
カラー記録用に増感された単一のホログラム・フィルムによって、一フィルムに
おけるスペクトル多重化が可能になり、このフィルムは、３２対の記録ビーム対
を用いて角度多重化することができるが、１日の太陽角度の変化の５度につき１
対を用いる。フィルムは、スペクトル・バンド幅を広げるために非均一的に膨張
させることもできる。別の変更態様では、数種類の角度多重化ビームしか使用せ
ずに、１日当たり限られた時間数の光しか集光しないものもある。この態様でも
また、フルカラー記録フィルムと非均一的膨張を利用することができる。従って
、本発明の範囲は、示した実施態様によって決定されるものではなく、添付クレ
ーム及びこれらと法的に同等のものによって決定されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、角度多重化及び急峻な閉込め角を示す多重ホログラム光学構造体の断
面図である。
【図２】 図２は、断面図であり、本発明のホログラム平板形コンセントレータの急峻な
角度の場合の実施態様の一例を示す
【図３】 図３は、入出力光線の角度の広がりを示している、角度多重化及び空間多重化
されたホログラム光学構造体を示す断面図
【図４】 図４は、本発明のホログラム平板形コンセントレータ（ＨＰＣ）を製造するた
めに使用される、角度多重化単一波長記録設備の概略図
【図５】 図５は、本発明のホログラム平板形コンセントレータの製造に使用される角度
多重化多波長記録設備の概略図
【図６】 図６は、空間多重化ＨＰＣの一例を示す平面図であり、種々の格子ベクトルの
ある領域を示す
【図７】 図７は、一端部に取り付けられた光起電性（ＰＶ）電池を備えたラインフォー
カス型ＨＰＣを示す平面図
【図８】 図８は、多重化フォーカス式ＨＰＣ−ＰＶデバイスを示す平面図
【図９】 図９は、光ファイバの光ガイドを備えたポイントフォーカス型ＨＰＣデバイス
を示す平面図
【図１０】 図１０は、空間多重化されたＨＰＣデバイスを示す平面図であり、光を集束さ
せるための非イメージング方法を示す
【図１１】 図１１は、太陽熱温水暖房器の図
【図１２】 図１２は、ＨＰＣウィンドウの図であり、太陽スペクトル・エネルギーの推定
分散例の１つを示す
【図１３】 図１３は、本発明の複数のＨＰＣウィンドウを使用している建造物の図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｈ 1/28 Ｇ０３Ｈ 1/28 Ｈ０１Ｌ 31/052 Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｇ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ 【要約の続き】 的とする方位に合わせて調整される。ＨＰＣ（１０）を 目的とする方位に配置して太陽エネルギー（１６、１ ６’、１６”）を収集し、少なくとも１台の太陽エネル ギー収集デバイス（３０、３２、１３２）が、ホログラ ム平板形コンセントレータ（１０）の少なくとも１つの 端部（１２’、１１２’、２１２’）に沿って配置され る。好適な太陽エネルギー収集デバイス（３０、３２、 １３２）の例としては、光電池（３０）、及び照明のた め収集した光を建造物内部へ伝送したり、加熱を行うた め収集した太陽放射（１６、１６’、１６”）を温水タ ンク（３６）へ伝送する光ファイバの光ガイド（３２、 １３２）などがある。本ＨＰＣ（１０）により、費用を 要することなく太陽エネルギー（１６、１６’、１ ６”）を効率的に収集することが可能になると共に、エ ネルギー損失が最小になる。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光放射（１６，１６’，１６”）を集光及び集束するホログ
    ラム平板形コンセントレータ（１０）であって、前記ホログラム平板形コンセン
    トレータ（１０）が、平板形透明度の高いプレート（１２）とこのプレートの一
    表面（１２ａ）上に取り付けられて光ガイド構造体を形成する少なくとも１層の
    多重化ホログラム光学フィルム（１４）とを特徴とし、前記少なくとも１層の多
    重化ホログラム光学フィルム（１４）には、その中に、角度及びスペクトル多重
    化された２つ以上の領域（１４，１１４，２１４）を有する複数の回折構造体が
    記録されており、（ａ）前記光放射（１６，１６’，１６”）が失われずに前記
    平板形透明度の高いプレート（１２）及び前記多重化ホログラム光学フィルム（
    １４）の両方を透過するように、前記多重化ホログラム（１４）を、前記光放射
    （１６，１６’，１６”）が前記平板形透明度の高いプレート中へ結合されるよ
    うに造るか、又は、（ｂ）小閉込め角度で、前記光放射（１６，１６’，１６”
    ）が前記平板形透明度の高いプレート（１２）及び前記多重化ホログラム光学フ
    ィルム（１４）の両方を透過するように、前記多重化ホログラム・フィルム（１
    ４）を多重化して前記ホログラム平板形コンセントレータ（１０）における再結
    合損失を軽減することを特徴とするホログラム平板形コンセントレータ（１０）
    。
  2. 【請求項２】 （ａ）前記光放射を前記平板形透明度の高いプレート（１２
    ）へ小閉込め角度で放出するように造られた前記ホログラム・フィルム（１４）
    を使用することによって前記フィルム（１４）を多重化する場合、又は、 （ｂ）別々に角度多重化され空間多重化された２つ以上の前記領域（１４，１１
    ４，２１４）を設けることによって、前記小閉込め角度で結合する場合の何れか
    の場合に、結合損失が軽減されることを特徴とする請求項１記載のホログラム平
    板形コンセントレータ（１０）。
  3. 【請求項３】 前記透明度の高いプレート（１２）が、ガラス・パネル又は
    光学的に透明な重合体パネルの何れかを特徴としており、前記光放射（１６，１
    ６’，１６”）が太陽放射から採られることを特徴とする請求項１記載のホログ
    ラム平板形コンセントレータ（１０）。
  4. 【請求項４】 前記表面（１２ａ）上に取り付けられる１層の多重化ホログ
    ラム光学フィルム（１４）、又は一方の層上に他方の層が積層されて前記表面（
    １２ａ）上にマウントされるアッセンブリを形成する少なくとも２層の多重化ホ
    ログラム光学フィルム（１４）の何れかを特徴とする請求項１記載のホログラム
    平板形コンセントレータ（１０）。
  5. 【請求項５】 更に、光電池（３０）及び光ファイバ・ケーブル（３２，１
    ３２）からなる一群から選択される少なくとも１つの太陽光集光装置（３０，３
    ２，１３２）が固定されており、前記光ファイバ・ケーブル（３２，１３２）に
    より温水タンク（３６）を備え成るか又は建造物に対し内部照明を行えるように
    造られた太陽光受光装置（３６）へ前記光放射の少なくとも一部分を送り込むこ
    とを特徴とする請求項１記載のホログラム平板形コンセントレータ（１０）。
  6. 【請求項６】 前記ホログラム平板形コンセントレータ（１０）が、太陽の
    受動的追跡ができるように一定位置に固定されるか、或いは１日若しくは季節で
    又はこれらの両方で太陽を追跡するように造られたトラッカー上に固定されるこ
    とを特徴とする請求項１記載のホログラム平板形コンセントレータ（１０）。
  7. 【請求項７】 前記平板形透明度の高いプレート（１２）が、第１屈折率を
    有しており、前記ホログラム光学フィルム（１４）が第２屈折率を有しており、
    前記第１および第２屈折率の差が僅か約３％であることを特徴とする請求項１記
    載のホログラム平板形コンセントレータ（１０）。
  8. 【請求項８】 請求項１記載の前記ホログラム平板形コンセントレータ（１
    ０）を製造する方法であって、前記方法が、 （ａ）前記透明度の高いプレート（１２）の一表面（１２ａ）上に前記ホログ
    ラム光学フィルム（１４）を取り付けと、 （ｂ）角度及びスペクトル多重化技術（２２ａ−２２ｅ、２４ａ−２４ｅ）を
    使用して、前記複数の回折構造体（１４，１１４，２１４）を前記ホログラム光
    学フィルム（１４）へ記録して、前記多重化ホログラム光学フィルム（１４）を
    作る、 各工程を含むことを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 （ａ）前記透明度の高いプレート（１２）と実質的に同じ屈
    折率を有する流体媒体（２２）中で前記ホログラム光学フィルム（１４）が取り
    付けられる前記透明度の高いプレート（１２）を浸漬し、 （ｂ）前記ホログラム光学フィルム（１４）が取り付けられている前記透明度
    の高いプレート（１２）の表面（１２ａ）の反対側にある前記透明度の高いプレ
    ート（１２）の一表面（１２ｂ）へ複数の物体光線（２２ａ―２２ｅ）を導光し
    、 （ｃ）複数の参照光線（２４ａ−２４ｅ）を前記ホログラム光学フィルム（１
    ４）へ導光する各工程によって、前記記録する工程が屈折率整合された環境（２
    ２）で行われ、 前記記録工程では、（ａ）前記フィルム（１４）により前記光放射（１６，１
    ６’，１６”）を前記平板形透明度の高いプレート（１２）へ放出できるように
    すること、若しくは（ｂ）別々に角度多重化され空間多重化された２つ以上の領
    域（１４，１１４，２１４）を設けること、又は、（ｃ）前記（ａ）及び（ｂ）
    両方のために記録工程が行われ、それによって、前記平板形透明度の高いプレー
    ト（１２）による再結合損失を軽減し、 前記物体光線（２２ａ―２２ｅ）及び前記参照光線（２４ａ−２４ｅ）が、ガ
    ウス・プロファイルまたは非ガウス・プロファイルの何れかを有しており、また
    、前記記録工程が、前記ホログラム光学フィルム（１４）全体に亘って実質的に
    均一なエネルギーを使用して行われ、 前記記録ステップが、多波長または単一波長の何れかで行われ、記録角度が所
    望の波長で再生できるように調整される、 ことを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記記録工程が、１日の太陽角度で約１６０度までの変化
    及び季節の太陽角度で約４５度までの変化を模倣する条件で行われることを特徴
    とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 非均一干渉縞構造体が前記ホログラム光学フィルム（１４
    ）に形成されることを特徴とする請求項９記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記ホログラム光学フィルム（１４）に反射構造体が形成
    され、前記反射構造体により、前記ホログラム光学フィルム（１４）に、数ナノ
    メートル幅から数１００ナノメートル幅までの範囲のスペクトル帯域に感応する
    スペクトル・バンド幅が提供されることを特徴とする請求項９記載の方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１記載の前記ホログラム平板形コンセントレータ（
    １０）を使用する方法であって、前記方法が、 （ａ）請求項８記載の方法により前記複数の回折構造体（１４，１１４，２１
    ４）を前記多重化ホログラム光学フィルム（１４）に記録し、更に、順序を問わ
    ずに、 （ｂ）前記ホログラム平板形コンセントレータ（１０）を太陽エネルギー（１
    ６，１６’，１６”）を収集するための前記目的とする方位に取り付け、 （ｃ）少なくとも１つの太陽エネルギー収集デバイス（３０，３２，１３２）
    を前記ホログラム平板形コンセントレータ（１０）の少なくとも１端部（１２’
    、１１２’、２１２”）に沿って取り付ける各工程を含むことを特徴とする方法
    。
  14. 【請求項１４】 前記透明度の高いプレート（１２）が、シート・ガラス、
    又は光学的に透明な重合体から成るものであり、建造物（３８）の側壁にウィン
    ドウ（１０）として垂直に取り付けられることを特徴とする請求項１３記載の方
    法。
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