JP2011164485A - 再帰反射部材 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の再帰反射シートは、宇宙空間から到来する太陽光のような、特定の方向から入射する入射光のみを対象として再帰反射性を発揮することができなかった。
【解決手段】上記課題を解決する再帰反射部材は、平面に沿って配列された集光レンズアレイと、集光レンズアレイの各々の集光レンズに対応して、集光レンズのレンズ面曲率中心とは異なる位置にそれぞれ中心を有する球面反射鏡を含む球面反射鏡アレイとを備え、対応する集光レンズと球面反射鏡の光軸に沿った特定の方向から入射する入射光は、集光レンズアレイを透過して、球面反射鏡アレイで反射されることにより、特定の方向へ再帰反射される。
【選択図】図４

Description

本発明は、再帰反射部材に関する。

従来、コーナーキューブ、ビーズ等を平面的に配列して、入射する光線を入射方向へ反射させる再帰反射シートが知られている。再帰反射シートは、例えば道路標識などの保安用品に活用されている。一方、再帰反射部材をビルの壁材に用い、太陽光線を地面方向へ反射させることなく入射方向へ反射することにより、地球の温暖化を防ぐ提案もなされている（例えば特許文献１）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００６−３１７６４８号公報

しかし、従来の再帰反射シートは、さまざまな方向から入射する入射光をその方向へ反射するので、例えばビルの壁材として用いた場合、照り返しなど地面方向からビルの壁面へ入射する光を再び地面方向へ反射してしまい、かえって地表温度を上昇させてしまう。すなわち、従来の再帰反射シートは、宇宙空間から到来する太陽光のような、特定の方向から入射する入射光のみを対象として再帰反射性を発揮することができなかった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様における再帰反射部材は、平面に沿って配列された集光レンズアレイと、集光レンズアレイの各々の集光レンズに対応して、集光レンズのレンズ面曲率中心とは異なる位置にそれぞれ中心を有する球面反射鏡を含む球面反射鏡アレイとを備え、対応する集光レンズと球面反射鏡の光軸に沿った特定の方向から入射する入射光は、集光レンズアレイを透過して、球面反射鏡アレイで反射されることにより、特定の方向へ再帰反射される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る再帰反射部材を、ビルの壁面に適用した場合を示す図である。 本実施形態に係る再帰反射部材が入射光線を再帰反射する方向を示す説明図である。 本実施形態に係る再帰反射部材の一部を示す外観斜視図である。 本実施形態に係る再帰反射部材を、図２における平面Ｐで切断した場合の断面図である。 本実施形態に係る再帰反射部材の、光学的関係を示す説明図である。 他の実施形態に係る再帰反射部材の、光学的関係を示す説明図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る再帰反射部材１０を、ビル２０の壁面に適用した場合を示す図である。再帰反射部材１０は、ビル２０の外壁材の一部として利用される。

本実施形態に係る再帰反射部材１０は、特定の方向から入射する光線についてはその特定の方向に向けて反射し、他の方向から入射する光線については拡散させる性質を備える。再帰反射部材１０をビルの外壁材として利用する目的のひとつは、照射される太陽光を地面方向へ反射させることを防ぐことである。

近時のビルの外壁は、ガラスなどの反射部材で覆われることが多くなってきており、太陽光が反射部材で正反射されることにより、強烈な光と熱が地面方向へ照射されることが社会問題化している。特に、地面に蓄積された熱エネルギーがヒートアイランド現象を引き起こし、さらには地球温暖化の原因のひとつとなっていることは周知の事実である。そこで、本実施形態に係る再帰反射部材１０では、ビルに照射される太陽光を地面方向へ反射させず、再帰反射して宇宙空間に太陽光エネルギーを放出させる。

具体的には、太陽光である入射光１０１がビル２０の壁面に敷き詰められた再帰反射部材１０に入射すると、反射光１０２として、入射方向に沿って太陽に向けて反射される。反射された反射光１０２のエネルギーは、一部が大気に吸収されながら、やがて宇宙空間へ放出される。

一方で、地面による太陽光の照り返しもヒートアイランド現象の原因のひとつとなっている。したがって、再帰反射部材が入射方向に関わらず入射方向へ入射光を反射させると、地面による照り返しを再び地面方向へ反射させることになり、地面による蓄熱をより加速する結果となる。

そこで、本実施形態に係る再帰反射部材１０は、地面に照射される入射光１０３の照り返し光１０４が入射した場合は、その表面で乱反射させて拡散する性質を有する。つまり再帰反射部材１０は、太陽光が直接入射する方向からの入射光に対しては再帰反射性を備え、その他の方向から入射する入射光に対しては再帰反射させずに拡散する。

入射する太陽光は、季節、時間によってその方向が変化する。再帰反射部材１０は、後述するように、ある特定の方向から入射する光線を最も効率よく反射するように設定されている。しかしながら、その特定の入射角に準ずる入射光線に対しても、再帰反射性を発揮する。つまり、特定の入射角に対して円錐形に広がる入射角で入射する光線は、所定の再帰反射率以上の反射率で再帰反射し、また、特定の入射角に近い入射光線ほど高い再帰反射率が得られる。

図２は、本実施形態に係る再帰反射部材１０が入射光線を再帰反射する方向を示す説明図である。再帰反射部材１０は、ビル２０の南側壁面に敷き詰められているが、最も効率よく再帰反射する特定の方向が夏至の南中高度となるように設置されることが好ましい。この場合、所定の再帰反射率の得られる太陽の方角は、夏至の太陽行路１１１と冬至の太陽行路１１２に挟まれた、南方の一定の方角に含まれる実効方角１１０である。つまり、夏至の南中時刻で最も強く再帰反射され、これに準ずる一定の方角に太陽が位置する場合も所定の再帰反射効果が得られる。

次に、再帰反射部材１０の構造について説明する。図３は、本実施形態に係る再帰反射部材１０の一部を示す外観斜視図である。再帰反射部材１０は、所定の大きさでユニット化されており、上述のようにビル２０の壁面に敷き詰める場合には、複数のユニットを並べて取り付ける。

ベース部材５０の表面は、平面部５１と、平面部５１に沿ってアレイ状に配列された複数の球面レンズ５２から構成される。球面レンズ５２は、入射光を集光する集光レンズである。球面レンズ５２はベース部材５０に対して一体的に形成されており、その素材として、透明性が高くて屈折率の大きい、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの有機ガラスが用いられる。なお、再帰反射部材１０の用途によっても異なるが、壁材として利用する場合における球面レンズ５２の半径は２ｍｍ程度に設定される。

本実施形態における再帰反射部材１０においては、球面レンズ５２のレンズ面で入射光が効果的に屈折するように、球面レンズ５２のレンズ面は空気層４０の空気と接するように構成されている。一方、球面レンズ５２が外界に対して露出していると、その凹凸性から、汚れが付着しやすく清掃がしにくいという不都合を招く。そこで、球面レンズ５２が配列されていない平面部５１の所々に支柱３１を複数設置し、保護板ガラス３０を表面に配置して支持する。これにより球面レンズ５２を保護することができ、清掃も容易となる。保護板ガラス３０は、石英ガラスの他に、耐久性の高いポリカーボネートなどの有機ガラスを用いることもできる。

ベース部材５０の裏面は、後述するように凹凸面である。そこで、取り扱い性、設置性などを考慮して、再帰反射部材１０の裏面が平坦となるように、平坦化層７０を設ける。平坦化層７０は、ベース部材５０の裏面の凹凸を埋めて平坦にする充填材等からなる。

また、再帰反射部材１０には、図示はしていないが、保護板ガラス３０とベース部材５０の周縁部において、空気層４０を外界から密封する封止材が設けられている。さらに、再帰反射部材１０は、壁材等として利用できるように、ビス穴等の取付け部を周辺部に備える。

図４は、本実施形態に係る再帰反射部材１０を、図３における平面Ｐで切断した場合の断面図である。ここで、図示する入射光１０１は、平面部５１の法線に対して斜交する、最も再帰反射率の高い特定の方向からの入射光を表す。

上述のように、ベース部材５０の表面側には球面レンズ５２がアレイ状に一体形成されているが、裏面側には各々の球面レンズ５２に対応して球面反射鏡５３と、球面反射鏡５３の各々を接続する接続面５４が形成されている。球面反射鏡５３は、ベース部材５０に対して球面レンズ５２の凸方向と同じ向きとなるように成形された球形状の一部をなす凸面に、高反射塗料が塗布されて、球面レンズ５２側から見たときに鏡面として機能するように形成されている。球面反射鏡５３は、球面レンズ５２に対して特定の入射角およびこれに準ずる入射角で入射する入射光を再帰反射させる面であるので、これらの入射角に対応する有効面を含むように、球面の一部がベース部材５０に成形される。球面レンズ５２と球面反射鏡５３の光軸は、最も効率よく反射させたい特定の方向の入射光に沿うように設定される。なお、球面反射鏡５３は、対応する球面レンズ５２と対となって機能するので、球面反射鏡５３も、ベース部材５０に対してアレイ状に配列される。

また、本実施形態に係る再帰反射部材１０は、特定の方向から入射する太陽光を再帰反射させることを目的としているので、入射光は平行光と考えることができる。したがって、対となる球面レンズ５２と球面反射鏡５３が、その相対関係を維持しながら繰り返し構造を採ることで、それぞれ球面レンズ５２のアレイと球面反射鏡５３のアレイが形成される。再帰反射させる対象光が平行光ではなく、球面レンズ５２ごとに入射光の入射角が異なる場合は、それぞれの入射光に対応するように、対となる球面レンズ５２と球面反射鏡５３の相対関係を修正しながらアレイを形成すれば良い。

球面の一部として成形された球面反射鏡５３のそれぞれを接続する接続面５４は、入射光が入射する特定の方向とは異なる方向を向く、連続曲面として成形されている。特定の方向以外の方向から入射する入射光は、球面レンズ５２または平面部５１を透過して、直接にまたは球面反射鏡５３で反射して、接続面５４に到達する。接続面５４は光拡散加工が施されており、接続面５４に到達する入射光は拡散される。つまり、このように入射された入射光は、再帰反射されることなく拡散される。光拡散加工は、球面反射鏡５３をマスクした上で、例えばブラスト処理により接続面５４を粗化する加工である。

なお、接続面５４に光拡散加工を施すことに代えて、平坦化層７０を形成する充填材として光拡散させることのできる素材を用いても良い。このように構成すれば、接続面を透過した入射光が充填材で光拡散されるので、接続面５４に光拡散加工を施す場合と同等の効果が得られる。

接続面５４には、光拡散加工を施した上に、色彩塗装を施しても良い。接続面５４は入射光が入射する特定の方向とは異なる方向を向いており、例えばビル２０付近を歩く歩行者は、再帰反射部材１０を見上げたときに、塗装が施された色彩を視認する。したがって、再帰反射部材１０は、特定の方向から入射する入射光については効率的な再帰反射性を発揮しつつ、他の方向から観察者により観察されるときには、任意の色彩、模様を視認させることができる。なお、接続面５４に色彩塗装を施すことに代えて、平坦化層７０を形成する充填材に塗料を混ぜることにより、観察者に色彩、模様を視認させることもできる。

平坦化層７０は、上述のように形成された球面反射鏡５３の球面、および接続面５４の連続曲面によるベース部材５０の裏面側の凹凸を充填材で埋めて、再帰反射部材１０として裏面を平坦にする役割を担う。これにより、球面反射鏡５３と接続面５４を保護すると共に、再帰反射部材１０の取扱い性を向上させることができる。

図５は、本実施形態に係る再帰反射部材１０の、光学的関係を示す説明図である。特に、対となる球面レンズ５２と球面反射鏡５３の関係を示す。図において、入射点ｂは入射光１０１が球面レンズ５２の境界と交わる点であり、焦点ｄは入射光１０１に対する球面レンズ５２の焦点である。また、中心ｃは球面レンズ５２のレンズ面の曲率中心であり、半径ｒは球面レンズ５２の半径である。

入射点ｂと焦点ｄの距離は焦点距離ｆであり、点線で示す焦点面５７は、入射点ｂを中心とする半径ｆの曲面を表す。球面反射鏡５３の面を含む球面５８は、焦点ｄを中心とする半径ｑの球面である。屈折率ｎ１は入射光１０１が入射点ｂに入射する手前の媒質における屈折率であり、本実施形態においては空気層４０の屈折率であるのでｎ１＝１．０である。屈折率ｎ２は入射光１０１が入射点ｂに入射してからの媒質における屈折率であり、本実施形態においては、球面レンズ５２が一体的に形成されるベース部材５０の屈折率である。ベース部材５０としてポリカーボネートを用いた場合の屈折率は、ｎ２＝１．５８５である。入射点ｂ、中心ｃおよび焦点ｄを結ぶ直線は、球面レンズ５２と球面反射鏡５３の光軸であり、本実施形態において入射光１０１は、この光軸に沿った特定の方向から入射する太陽光を想定している。

球面レンズ境界の前後において近軸領域の範囲で成立するアッベの不変量によれば、物体の位置からレンズ境界までの距離をｓ、レンズ境界から像の位置までの距離をｓ'、物体側の媒質の屈折率をｎ１、像側の媒質の屈折率をｎ２、球面レンズの半径をｒとすると、
ｎ１（１／ｒ−１／ｓ）＝ｎ２（１／ｒ−１／ｓ'） （１）
が成立する。ここで、本実施形態においては、太陽光を入射光として扱うので、ｓ→∞、ｓ'→ｆとなる。すると、焦点距離ｆは、
ｆ＝（ｎ２／ｎ２−ｎ１）ｒ （２）
が成り立つ。

したがって、入射点ｂを中心とする半径ｆの曲面である焦点面５７のうち、焦点ｄの近傍を鏡面とすれば、入射光１０１を再起反射させることができる。しかし、このように鏡面を設定すると、凹面に焦点が存在することになり、太陽光を集光して過熱するリスクを伴う。そこで本実施形態においては、焦点面を鏡面とすることを避けて、焦点ｄを中心とする半径ｑの球面５８上に球面反射鏡５３を設定する。このように球面反射鏡５３を設定すると、入射光１０１とその近傍の光線は、いずれも球面反射鏡５３に対して直交して入射するので、入射する方向にそのまま反射する。すなわち、再帰反射させることができる。さらに、半径ｑは光学的に一意に定まるものではないので、集光による許容発熱量、再帰反射部材１０の厚さ、再帰反射率、有効入射角等のパラメータに応じて適宜設定することができる。

本実施形態における球面レンズ５２の焦点距離ｆは、球面レンズ５２の半径ｒと一致させない。焦点距離ｆが半径ｒと一致すると、球面レンズ５２のレンズ面と球面反射鏡５３は同心球となるので、特定の方向からの入射光を再帰反射させるのではなく、球面レンズ５２へ入射するすべての入射光を再帰反射させてしまう。したがって、特定方向の入射光を再帰反射させるには、球面レンズ５２のレンズ面曲率中心ｃと球面反射鏡５３の中心ｄが異なる位置となるように、球面レンズ５２の焦点距離ｆを設定する。

また、上記の実施形態においては球面レンズ５２の凸方向と同じ向きとなるように球面反射鏡５３の凸面を設定したが、球面反射鏡５３は逆向きに凸面を設けても良い。図６は、球面反射鏡５３の凸面を逆向きに設けた、他の実施形態に係る再帰反射部材の光学的関係を示す説明図である。図５と同一の要素については同一の符番を付して説明を省略する。

上述のように、焦点ｄを中心とする半径ｑの球面５８上に鏡面を設ければ、焦点面を鏡面とすることを避けられる。したがって、焦点ｓより球面レンズ５２側の球面５８上に鏡面を設けるだけでなく、焦点ｓより後方側の球面５８上に鏡面を設けても良い。すなわち、球面レンズ５２側から見れば凹面となる領域に球面反射鏡５９を設ける。この場合、高反射塗料を塗布する面が凸面となるので鏡面を形成しやすい。

上述のいずれの実施形態においても、球面レンズ５２と、これに対応する球面反射鏡５３または球面反射鏡５９とは対として、ベース部材５０に対してそれぞれアレイ状に配列される。再帰反射率を調整したい場合は、配列させるアレイの密度を変更すればよい。この場合、各々の大きさを小さくして密に配列させることもできる。

また、上述の実施形態においては、集光レンズの例として球面レンズを採用したが、集光レンズは球面に限らない。所定の再帰反射率を得る入射角の範囲を調整する、入射光の波長依存性を軽減する等を目的として、非球面レンズを採用することもできる。さらには、フレネルレンズ、回折光学素子、ゾーンプレート等の薄いレンズを採用することで、再帰反射部材全体の厚さを薄くすることもできる。また、反射鏡についても、球面に限らず、同様に様々な非球面形状を採用して反射面とすることができる。

以上の実施形態においては、ビル２０に適用する壁材として、太陽光を再帰反射させる再帰反射部材を例に説明したが、適用事例は壁材に限らない。例えば、人工衛星の外装部材に用いて、特定の地域からのみ光通信を可能とするような適用事例も考えられる。あるいは、シート状など小型薄型に形成して、キャラクターシールなどの装飾材に用いることもできる。

また、自動車、鉄道車両、船舶、航空機などの外装、ガスタンク、燃料タンクなどの外装にも再帰反射部材を利用することができる。例えば、自動車の屋根に再帰反射部材を取り付ける場合、たとえ特定の時間の太陽を想定しても太陽の方向は自動車の姿勢により変化するので、最も効果が得られる再帰反射させる特定の方向として、屋根に垂直な方向を設定すると良い。このとき、それぞれ対応する集光レンズと球面反射鏡の光軸は、ベース部材の平面に対する法線と平行になる。

また、以上の実施形態においては、取扱い性を考慮して、表面を保護板ガラスで覆い、裏面を平坦化層で埋める構成を採用した。しかし、このような形態に限らず、集光レンズアレイおよび球面反射鏡アレイが形成されたベース部材を２枚のガラスの間に配置、封入する構成であっても良い。このように構成すれば、再帰反射部材の一部の領域に透過性を持たせることができ、再帰反射部材を設置する設置面の装飾を視認させたり、設置面からの照明を実現することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 再帰反射部材、２０ ビル、３０ 保護板ガラス、３１ 支柱、４０ 空気層、５０ ベース部材、５１ 平面部、５２ 球面レンズ、５３ 球面反射鏡、５４ 接続面、５７ 焦点面、５８ 球面、５９ 球面反射鏡、７０ 平坦化層、１０１ 入射光、１０２ 反射光、１０３ 入射光、１０４ 照り返し光、１１０ 実効方角、１１１ 夏至の太陽行路、１１２ 冬至の太陽行路

Claims (8)

1. 平面に沿って配列された集光レンズアレイと、
   前記集光レンズアレイの各々の集光レンズに対応して、前記集光レンズのレンズ面曲率中心とは異なる位置にそれぞれ中心を有する球面反射鏡を含む球面反射鏡アレイと
   を備え、
   対応する前記集光レンズと前記球面反射鏡の光軸に沿った特定の方向から入射する入射光は、前記集光レンズアレイを透過して、前記球面反射鏡アレイで反射されることにより、前記特定の方向へ再帰反射される再帰反射部材。
2. 前記球面反射鏡の中心は、対応する前記集光レンズの焦点面に配置される請求項１に記載の再帰反射部材。
3. 前記球面反射鏡は、球の凸面側に鏡面を備える請求項１または２に記載の再帰反射部材。
4. 前記特定の方向は、前記平面の法線に対して斜交する請求項１から３のいずれか１項に記載の再帰反射部材。
5. 前記球面反射鏡は、前記入射光を受光する有効面を含む球面の一部として形成され、
   前記再帰反射部材は、前記球面反射鏡の各々を接続し、前記特定の方向とは異なる方向を向く接続面を備える請求項４に記載の再帰反射部材。
6. 前記接続面は塗装されている請求項５に記載の再帰反射部材。
7. 前記接続面は光拡散加工されている請求項５または６に記載の再帰反射部材。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の再帰反射部材を表面に備える壁材。

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