JP2011181298A - 擬似太陽光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高性能、維持コストの少ない新たな擬似太陽光照射装置を提供する。
【解決手段】紫外線を含む光源と、前記光源を第１焦点に配置し、前記光源の放射光を第２焦点に集光する楕円反射鏡からなる光源部と、前記光源部からの照射光を透過光と反射光に分岐するスプリット面を有するビームスプリッターと、長軸方向端の一方が入射面で他方が照射面となっており、該入射面が前記楕円反射鏡の第２焦点に位置するように配置される単一のロッドレンズおよび前記ロッドレンズの後方に配置されたコリメーターレンズからなる照射レンズユニットと、前記照射レンズユニットからの照射光の光軸変更手段としての平面反射鏡と、波長選択フィルターと、をこの順に配置したことを特徴とする擬似太陽光照射装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、擬似太陽光照射装置に関するものであり、特に、小型化、維持コストを低減した擬似太陽光照射装置に関する。

近年、環境保護重視の観点からいわゆるクリーンエネルギーの研究開発が進められている。その中でも太陽電池は、太陽エネルギーを直接電気エネルギーへ変換するものであるため従来の他の発電と比較して無公害であり、その資源である太陽光が事実上無限に利用可能であること等からクリーンエネルギー源のエースとして期待を集めている。

擬似太陽光照射装置は、自然太陽光のスペクトル分布を高精度に再現するための光源装置であり、太陽電池モジュールの光変換特性、各種の太陽エネルギー利用機器の性能測定および加速劣化試験に広く用いられている。

擬似太陽光照射装置は、特許文献１の代表図、非特許文献１記載の光源光学構造図に記載されたものが知られている。その基本的構成を図２に示す。図２において、光源ランプ２１から放射される光を楕円集光ミラー２２より集光し、第１平面反射ミラー２３により水平方向に照射方向を変え、波長選択フィルタ（エアマスフィルタ）２４により、自然太陽光に近似したスペクトル分布とされた後、インテグレーターレンズ（積分光学系）２５により照度分布が均一化され、再び、第２平面反射ミラー２６により垂直方向に照射方向を変えて、コリメーターレンズ２７により平行化されて、疑似太陽光を照射面２８に照射するものである。
また、ランプ光源であるキセノン短アークランプ（以下、「キセノンランプ」という）は、地磁場によるアーク光の広がりを防ぐため、光源ランプは縦点灯ランプが用いられている。
このように、擬似太陽光照射装置は、多くの光学構成部品を必要とするため、装置が大型化し、実質光路長が長く、光量ロスが発生する。所定の照射量を得るために、光源ランプ寿命が短くなり、光源ランプ交換頻度が増す。という問題がある。

また、擬似太陽光照射装置の放射照度は、光源ランプの使用時間によって低下するため、光源ランプの減衰を受光量検出手段により検出して、光源ランプの減衰をランプ電流で保障する必要がある。このような検出手段は、光路上または装置側面に設置されるため、光量ロス、照射光分布が不均一になる、という問題がある。

特開平９−３０６２０１

インターネット＜URL：http://www.san-eielectric.co.jp/sangyo5.htm＞

本発明は、上述のような問題点に鑑み、小型化、高性能、維持コストの少ない新たな擬似太陽光照射装置を提供するものである。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の擬似太陽光照射装置の構成は、
紫外線を含む光源と、前記光源を第１焦点に配置し、前記光源の放射光を第２焦点に集光する楕円反射鏡からなる光源部と、前記光源部からの照射光を透過光と反射光に分岐するスプリット面を有するビームスプリッターと、長軸方向端の一方が入射面で他方が照射面となっており、該入射面が前記楕円反射鏡の第２焦点に位置するように配置される単一のロッドレンズおよび前記ロッドレンズの後方に配置されたコリメーターレンズからなる照射レンズユニットと、前記照射レンズユニットからの照射光の光軸変更手段としての平面反射鏡と、波長選択フィルターと、をこの順に配置したことを特徴とする擬似太陽光照射装置である。かかる構成とすることにより、平面反射鏡を１枚とすることができるため、光路長を短縮でき、装置の小型化を図ることができる。また、光量ロスも低減できる。さらに、インテグレーターレンズ（積分光学系）に変えて単一のロッドレンズとすることで、インテグレーターレンズ（積分光学系）では光混成が出口のみであるのに対して、単一ロッドレンズではレンズ内部で光混成が行われるため、照度分布がより均一化される。

また、本願発明の擬似太陽光照射装置は、下記（１）乃至（７）の態様で実施できる。
（態様１） 前記光源部、前記ビームスプリッター、前記照射レンズユニットを同一光軸上に配置することを特徴とする擬似太陽光照射装置である。光源部、ビームスプリッター、照射レンズユニットを同一光軸に配置することで平面反射鏡を１枚に低減することができるからである。光軸は被検査試料照射面に対して水平でも垂直でもよい。被照射面に対して水平である方が光源ランプの点灯用電源部及び制御回路部を装置内（具体的には、遮熱遮光板を介して光源部の下部）に設置することができ、設置スペースを削減できる。

（態様２） 前記光源部と前記照射レンズユニットの間に、光遮蔽手段を設けることを特徴とする擬似太陽光照射装置である。光遮蔽手段を設けることにより、被検査試料の交換など照射面への照射を止める場合に、光源のオン・オフを行う必要がなく、安定した照射光量を維持できるからである。

（態様３） 前記光遮蔽手段として、光源側に光散乱構造を設けた遮蔽板を用いることを特徴とする擬似太陽光照射装置である。光遮蔽手段の光源側が平滑面であると遮蔽手段からの反射光が光源ランプを直接照射する。このため、光源ランプの電気的接続部が加熱により酸化が促進される。同様に光源ランプの電極部も加熱されて、光源ランプ自体が破損する。いずれの場合も光源ランプの寿命が短縮される。
本発明では、光源側に光散乱構造を設けた遮蔽板を用いることにより、上述した光源ランプの寿命短縮を防ぐことができる。ここで、光散乱構造としては、遮光シャッター板の形状を一辺で折り曲げた屋根形状または角錐形状がある。また、耐熱性繊維を被覆した形状であってもよい。

（態様４） 前記光源部に、集光位置調整手段として磁性体を用いることを特徴とする擬似太陽光照射装置である。光源ランプを横点灯（水平設置）とした場合には、地磁場の影響が光源ランプのアークに影響して、アークがより広がる。このため、地磁場に相反する磁性体を光源ランプの適切な位置に設けることにより、地磁場の影響を抑制できる。

（態様５） 前記単一のロッドレンズの照射面形状が試料面（被検査面）と相似形状であることを特徴とする擬似太陽光照射装置である。ロッドレンズ内では光混成が行われ、ロッドレンズ照射面に照度分布が均一化された光が出射されるので、ロッドレンズの照射面形状が試料面（被検査面）と同じであることが好ましいからである。通常、被検査面は方形であるので、ロッドレンズは角柱状のものを採用する。

（態様６） 前記ロッドレンズと前記コリメーターレンズの距離を可変とする手段を設けたことを特徴とする擬似太陽光照射装置である。本願発明の擬似太陽光照射装置は、単一のロッドレンズと数群の小口径コリメーターレンズからなる。数群のコリメーターレンズとロッドレンズとの間隙幅を変化させることにより、どのような大きさのエリアに対しても、ピントを合わせることができるため、正確に照射範囲を決定できる。

（態様７） 前記ビームスプリッターからの反射光を受光することにより光源光量を制御することを特徴とする擬似太陽光照射装置である。点灯時間の経過に伴う光源ランプ性能の低下を補正し、光源ランプのチラツキを補正して安定した光量を維持するために光量フィードバック回路を設けて光源光量を制御する必要がある。また、光源光量制御は常時行う必要がある。
光量フィードバック回路を構成する光電変換素子を光源ランプ光束中に配置する場合、配置位置により照射面に光学的な影響を及ぼし、あるいは光電変換素子の加熱による素子破壊や性能劣化の原因となっていた。
本発明の擬似太陽光照射装置では、光源ランプと照射レンズユニットとの間に、ビームスプリッターを配置し、その反射光束を光電変換素子に導くことにより、光源ランプから照射面に至る光束を遮ることなく、光源ランプ光量を常時制御できる。また、光拡散板及び光量減衰フィルターを介することにより光電変換素子の熱的劣化を防ぐことができる。

（態様８） 前記ビームスプリッターがスプリット面に反射防止層を積層した平面型ビームスプリッターであることを特徴とする擬似太陽光照射装置である。低反射率の反射防止層を設けることで、照射面に対する光束減衰（光量低下の影響）を最小限に抑えることができるとともに、光源ランプの光量制御を行うに充分な光束を確保できるからである。
ここで、反射防止層の反射率は５％以下が好ましく、３％以下がさらに好ましく、２％以下が特に好ましい。

上記手段により、小型化、高性能、かつ、維持コストの少ない新たな擬似太陽光照射装置を提供できる。

本発明の擬似太陽光照射装置の光学系の全体構成の一実施形態を示す側断面図 従来の擬似太陽光照射装置の全体構成を示す側断面図 本発明の擬似太陽光照射装置について遮光シャッターを使用した場合の側断面図 本発明の遮光シャッターの構成の一実施形態を示す平面図 従来の遮光シャッターの構成を示す平面図

以下に、本発明の擬似太陽光照射装置の実施の形態を図１により説明する。

図１は、本発明の擬似太陽光照射装置における光学系の全体構成の一実施形態を示す側断面図である。同図において、光源ランプ２、該光源ランプ２からの光束を照射面に導く楕円反射鏡３、該楕円反射鏡３からの光束を透過光束と反射光束に分岐するビームスプリッター５がそれぞれ水平に筐体１内に収容されて光源部を構成している。

筐体１には、光源ランプ２を空冷するためのファン（図示せず）と光源ランプ１の交換等の保守点検のために扉（図示せず）が設けられている。

光源ランプ２は、横置きに配置され、支持棒により固定されている（図示せず）。該支持棒は筐体により固定された光軸調整ユニット１３を介して筐体に支持される。光源ランプ２はＸＹＺモーター付光軸調整ユニット１９により上下左右に位置を調整できる。
紫外線を含む光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができ、疑似太陽光の照射に際しては、一定照度に連続点灯させて照射する方式、または、パルス状に発光させて照射する方式のいずれかの方法が用いられる。また、点灯用の専用電源装置も組み合わせて用いられる。

楕円反射鏡３は、光源ランプから放射される光を集光させるものであり、光源ランプを第１焦点に配置することで、光源ランプからの放射光を第２焦点に集光させことができる。

集光位置調整手段は、本発明が光源ランプを水平に配置するために必要な構成要素であり、光源ランプのアークに対する地磁場の影響を相殺する手段である。図１においては磁性体４を用いている。

照射レンズユニット６は、単一ロッドレンズ７と小口径コリメーターレンズ群８で構成されている。
ロッドレンズ７は、角柱形状のレンズであり、長軸方向の一方が入射面で他方が照射面となる。光源ランプ２から不定な角度で入射した光束１４がロッドレンズ内で全反射を繰り返しながら長軸方向に進み、他端面に到達すると均一な光束となる。入射面での乱反射の発生を抑制し、照射領域の外郭を明瞭にするために、ロッドレンズの長軸方向端のエッジは角張っていることが好ましい。従来技術において採用されていたインテグレーターレンズでは、レンズ他端面から照射された集光点が複数あるため、焦点範囲が広く単位面積当たりの光量が少なくなるが、本発明で採用したロッドレンズではレンズ他端面から照射された集光点は単一で、焦点範囲も狭く単位面積当たりの光量が多くなるという特徴がある。

コリメータ−レンズ群８は複数のレンズから構成されており、ロッドレンズ７との間隙幅を変化させることにより、どのような大きさのエリアに対してもピントを合わせることができる。これにより、正確に照射範囲を決定することができる。

平面反射鏡１０及び波長選択フィルター１１は、照射ヘッド９に収納されている。本発明では、疑似太陽光を照射領域１２へ照射するため、光軸を横方向から縦方向にする目的で平面反射鏡を１枚のみ使用する。波長選択フィルター１１は、光源ランプ波長分布を太陽光波長分布に近似させるために用いる波長スペクトル調整フィルターである。

楕円反射鏡３から放射光束１３は、ビームスプリッター５により、透過光束１４と反射光束１５に分岐される。反射光束１５は拡散板１６及び光量減衰フィルター１７を介して光電変換素子１８で受光される。反射光束１５は光電変換に必要なごく僅かな光量でよい。拡散板１６及び光量減衰フィルター１７を介することにより、光電変換素子１８に対する熱的な影響を回避できる。

本発明では、ビームスプリッター５を光源ランプ２及び楕円反射鏡３と遮光シャッター３１（図３を参照）との間に配置することにより、遮光シャッター３１の遮蔽開放に関係なく常用的に制御可能な安定した光量制御回路を構成することができる。
また、ビームスプリッター５は、低反射率の反射層からなるため、透過光束１４の減衰は抑えられる。

図３は、遮光シャッター３１を使用した場合の本発明の擬似太陽光照射装置の実施態様を示したものである。

本発明の遮光シャッターの構成を図４により説明する。なお、図５は従来技術の遮光シャッターの構成図である。

遮光シャッター部は、駆動源（図示せず）、タイミングプーリー（図示せず）、遮光シャッター板で構成される。駆動源は、ステッピングモーター、直流モーター、空圧シリンダーのいずれかである。遮光シャッターの材料は、軽量金属で構成されるが、特に軽量金属に限定されるものではない。

図４に示した実施態様では、本発明の遮光シャッター板４４は、形状を一辺で折り曲げた屋根形状または角錐形状である。かかる形状とすることで、光源ランプからの放射光束（ビームスプリッターを介した透過光束）４５は、遮光板の折り曲げた角度の法線を軸とした全反射により、反射光束４６が光源ランプの電極口金部４３とガラスバルブ部４１へ戻ることがない。このため、光源ランプの過熱劣化を抑制できる。結果として光源ランプの寿命を向上できる。

一方、図５に示すような従来技術の遮光シャッター板５４では、光源ランプからの放射光束（ビームスプリッターを介した透過光束）５５は、遮光シャッター板５４により反射光束５６となり、光源ランプの電極口金部５３、ガラスバルブ部５１へ戻る。このため、光源ランプの電極口金部５３とガラスバルブ部５１が過熱され、電極口金部５３の酸化が進行に伴う電気的接触不良、ガラスバルブ部の温度が許容値を超えて光源ランプの破損要因となる。

本発明の活用例として、アモルファス太陽電池等の太陽電池セルにより構成される太陽電池モジュールの電流−電圧特性測定法への適用が挙げられる。

１…光源部筐体、２…光源ランプ、３…楕円集光鏡、４…磁性体、５…ビームスプリッター、６…照射レンズユニット、７…ロッドレンズ、８…小口径コリメーターレンズ群、９…照射ヘッド、１０…平面ミラー、１１…波長選択フィルター、１２…照射領域、１３…放射光束、１４…透過光束、１５…反射光束、１６…拡散板、１７…光量減衰フィルター、１８…光電変換素子、１９…ＸＹＺモーター付光軸調整ユニット。
２１…光源ランプ、２２…楕円集光鏡、２３…第１平面反射鏡、２４…波長選択フィルター、２５…インテグレーターレンズ、２６…第２平面反射鏡、２７…コリメータ−レンズ、２８…照射面。
３１…遮光板。
４１…ガラスバルブ部、４２…楕円集光鏡、４３…電極口金部、４４…遮光シャッター板、４５…放射光束、４６…反射光束。
５１…ガラスバルブ部、５２…楕円集光鏡、５３…電極口金部、５４…遮光シャッター板、５５…放射光束、５６…反射光束。

Claims (9)

1. 紫外線を含む光源と、前記光源を第１焦点に配置し、前記光源の放射光を第２焦点に集光する楕円反射鏡からなる光源部と、
   前記光源部からの照射光を透過光と反射光に分岐するスプリット面を有するビームスプリッターと、
   長軸方向端の一方が入射面で他方が照射面となっており、前記入射面が前記楕円反射鏡の第２焦点に位置するように配置される単一のロッドレンズと、前記ロッドレンズの後方に配置されたコリメーターレンズからなる照射レンズユニットと、
   前記照射レンズユニットからの照射光の光軸変更手段としての平面反射鏡と、
   波長選択フィルターと、
   をこの順に配置したことを特徴とする擬似太陽光照射装置。
2. 前記光源部、前記ビームスプリター、前記照射レンズユニットを同一光軸上に配置することを特徴とする請求項１記載の擬似太陽光照射装置。
3. 前記光源部と前記照射レンズユニットの間に、光遮蔽手段を設けることを特徴とする請求項１または２記載の擬似太陽光照射装置。
4. 前記光遮蔽手段として、光源側に光散乱構造を設けた遮蔽板を用いることを特徴とする請求項１乃至３記載の擬似太陽光照射装置。
5. 前記光源部に、集光位置調整手段として磁性体を用いることを特徴とする請求項１乃至４記載の擬似太陽光照射装置。
6. 前記単一のロッドレンズの照射面形状が試料面（被検査面）と相似形状であることを特徴とする請求項１乃至５記載の擬似太陽光照射装置。
7. 前記ロッドレンズと前記コリメーターレンズの距離を可変とする手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至６記載の擬似太陽光照射装置。
8. 前記ビームスプリッターからの反射光を受光することにより光源光量を制御することを特徴とする請求項１乃至７記載の擬似太陽光照射装置。
9. 前記ビームスプリッターがスプリット面に反射防止層を積層した平面型ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１乃至８記載の擬似太陽光照射装置。