JP2012531622A - ディンプル型の光収集および集光システム、その構成要素、および方法 - Google Patents

Abstract

光ガイド装置は光ガイドの層を具え、当該光ガイドの層は更に光入射要素と光入射要素の光学的に上流に配置されたそれぞれの光のバイパス要素とを有する。この光入射要素および／またはバイパス要素は、入射ファセット（エアプリズム）、表面回折要素、体積回折要素、および屈折率勾配形状の形態を取ることができる。光収集および集光システムは、単一の光ガイド装置と、単一の光ガイド装置に直接隣接して配置された光伝達媒質層と、光伝達媒質層に近接して配置された一次集光部材とを具え、この一次集光部材は単一の光ガイド装置の光入射要素の１つとそれぞれ光学的に位置合わせされた複数の一次集光部要素を含む。
【選択図】図３Ａ

Description

共同研究契約
本願は、本出願の譲受人であるロチェスター大学と、Abengoa Solar New Technologies S.A.の間の既存の共同研究契約から派生している。

本発明の実施形態は一般に光学式光ガイドの分野に関し、より具体的には、非結像型の集光システム、方法および適用に関するものである。さらに具体的には、本発明の実施形態は、集光型太陽光発電（ＣＰＶ）の太陽エネルギシステムに用いられる光収集および集光システム、およびその光ガイド構成要素に関するものである。

太陽エネルギは再生可能なエネルギ解決策の重要な一部である。集光型太陽光発電（ＣＰＶ）は、費用効果が高くクリーンなエネルギ源を提供する潜在能力を有している。ＰＶは光学要素と比較して製造するのが高価でエネルギ集約型であるため、光学部品で太陽エネルギを集光することで、光起電性（ＰＶ）が低い材料が使用され、コストを低減している。

同時係属中の出願第１２／３８９，４６６号、名称「LIGHT COLLECTION AND CONCENTRATION SYSTEM（光収集および集光システム）」の主題は、その全てが参照により本書に組み込まれており、光ガイド装置の構成要素を組み込むＣＰＶシステムを開示している。この光ガイド装置は複数の光を誘導する構造１１０２、１１０４（「光入射要素」とも称される）を具え、非限定的な例示により図１に示されている。図２は、標準的な参照座標系に関連して、関連技術に記載されるような平面的な光ガイドシステムの概略的構造を図示している。一般に（−）ｙ方向に伝播する遠い広範の放射源（例えば、太陽放射）からの入射光１はレンズ３によって集光され（例えば、光２）、光入射要素５を介して光ガイド４内に入射される。その後、光は一般に、光ガイドの出口端６の方へとｚ方向に伝播する。個別の光入射要素５は、光ガイドの底面７の領域から延在する部分的な横方向の側切断部によって作られた光ガイド装置の表面部分である。光入射要素の傾斜角、光ガイドの屈折率、および入射表面の外側インタフェースの屈折率に応じて、放射を光入射要素の表面から内部全反射させることができる。

代替的にあるいはさらに、同様の光入射要素１１０２は、上面部分１０２１の領域から延在している部分的な横方向の側切断部によって作られた、光ガイド装置の表面として存在しうる（図１参照）。光入射要素１１０２について、光入射要素１１０２に光学的に接続された一次集光部（図示せず）からの放射１１３２は光入射要素に遮断される。網掛け領域１１０３は表面１１０２上の反射コーティングを表しており、出口端１１５０の方へ、およびそこから（ｚ方向に）光ガイド装置内のＴＩＲ伝播が続くように入射光１１３２を構造内に反射する。光入射要素の正確な角度方向は、反射プロセス（例えば、反射（ダイレクトまたはＴＩＲ）、屈折、回折）、一次レンズｆ／＃、および輸送構造の屈折率ｎ_２の性質による。光入射要素１１０４後方の切り欠き領域は、例えば低屈折率の誘電材料で塞がれて、光輸送構造内へのＴＩＲを容易にしうる。

光注入要素の典型的な寸法は、傾斜した反射面について１３０μｍ−１４０μｍ、約１３０μｍの基部寸法、および約１４０μｍの高さ寸法である。輸送構造の長さ（ｚ方向）および幅（ｘ方向）に応じて多くの光入射要素（例えば、１１０２、１１０４、その両方）があり、これらは必ず輸送構造内に存在する。

ＣＰＶの適用例では、このシステムの普遍的な目的は、できる限り太陽放射を収集し、ＰＶセルに入力するため放射をできる限り集中させることである。輸送構造を通る光の伝播は光入射要素の下流での干渉により妨げられるため、光入射要素があると非理想的な光ガイドとなってしまう。光の損失は、光入射要素における吸収または拡散、光入射要素における光の外結合、または光入射要素との干渉によるエタンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅ）希釈により起こりうる。更なるシステムの目的は、一次集光部の受光角を最大限にして、入射の集光を最大限にして、光ガイドの集光を最大限にし、構成要素およびシステムの重量と厚さを最小限にすることを含む。

本発明の一実施形態は光ガイド要素である。この光ガイド要素は、上面と底面を有し、その少なくとも一方は実質的な平面である光ガイド層と、ガイド層の出力開口を形成する横向きの側端（出口）面とを具える。このガイド層は屈折率ｎ_１を有しており、光ガイド内の内部全反射（ＴＩＲ）による光の伝播を促すため、上面および／または底面の少なくとも一部と接触する媒質の屈折率ｎ_ｍｅｄよりも大きい。このように、光ガイドは、当該光ガイドの上面および底面の少なくとも一方と直接隣接して配置された光伝達媒質層を具えうる。図２に関連技術のシステムについて図示されたように、ガイド層はｚ軸に沿って、すなわち出力開口の方へと意図した光の伝播方向に長さ次元を有する。ガイド層は、上面および／または底面に、および／または場合によって上面と底面の間に配置された複数の光入射要素を具える。このガイド層はさらに、入射要素が光ガイドを通る光の伝播と干渉するときはいつでも、各入射要素の光学的に上流に配置された複数のバイパス要素をそれぞれ具える。

一態様によると、入射要素はそれぞれガイド層の表面の横切断部によって形成されたファセットであり、表面から斜めに内側へと延在する。各ファセットの後方の空間は、空気、またはファセットが形成されるガイド層の屈折率よりも低い屈折率を有する材料であってもよい。この入射要素の態様は、出願番号第１２／３８９，４６６号と同書に開示されたものと同じである。この実施形態では、この種類の入射要素は本書ではこの後エアプリズムと称する。

本発明の他の態様では、ガイド層は、上面および／または底面の平面に、および／または、上面と底面の間のガイド層内に平らに非傾斜の向きに配置された複数の実質的に平らな回折要素（例えば、回折格子）を具える。この態様では、バイパス要素はガイド層に具備されないこともある。

本発明の他の態様では、ガイド層は、体積回折要素（例えば、体積ホログラム）の形態をした光入射および／またはバイパス要素を具える。この体積回折要素は、平面的な上面および／または底面に、および／または上面と底面の間のガイド層に配置される。代替的に、あるいは組み合わせて、体積回折要素の形態をしたそれぞれの複数のバイパス要素は、各入射要素それぞれから光学的に上流のガイド層に配置することができ、入射要素は回折要素に限定する必要はないが、上述の表面切除型の入射要素も含みうる。

他の態様では、ガイド層内の屈折率勾配（ＧＲＩＮ）は、ディンプル（バイパス＋入射要素）として、あるいは単にバイパスの構造および手法としても利用できる。ＧＲＩＮバイパス構造は、上述のエアプリズム型の入射要素と併せて使用した場合、特に有利となりうる。様々な態様では、直線または放物線勾配がガイド層の異なる方向および向きに設けられてもよい。

本書に記載の任意の種類または形状の光入射要素とバイパス要素の組み合わせは、本書では「ディンプル」と称される。１以上のディンプルを有するガイド層を具えている光ガイドは、本書では「ディンプル型の光ガイド」と称される。ディンプル型の光ガイドは、薄くて軽い形状ファクタで集光を向上させることができる、非結像型の集光部の形態をしている。

非限定的な態様によると、光ガイド要素の上面および／または底面は、平面、階段状、鋸歯状、梯状（斜めの階段状）に湾曲あるいは成形された上面または底面を有しうる。更なる代替的な態様によると、光入射要素は、プリズム、格子、量子ドット、フォトニック結晶、および一次集光部と共にあるいはそれがなくとも光入射要素の必要な機能を提供できる他の構造の形態をした、輸送構造の内側に配置されうる。

本発明の他の関連した実施形態は、光収集および集光システムに関するものである。このシステムは、本書の様々な態様に記載したような、単一の光ガイドに接続された一次集光部材を具える。このシステムは、単一の光ガイドに接続される補助集光部を有利に具えうる。このシステムは更に、光出力開口に近接して配置されたＰＶセルを具えうる。様々な非限定的な代替的態様では、一次集光部材は、入射した太陽放射を収集し、この入射放射を狭い領域（すなわち、入射要素上）に集中させることができる任意の様々な既知の要素であってもよい。屈折要素（例えば、レンズ）、反射要素（例えば、鏡）、および回折要素（例えば、格子、ホログラム）は、利用できる一次集光部の非限定的な例である。様々な非限定的な態様によると、一次構成要素の単一の一次集光要素は、従来の集束レンズ、フレネルレンズ、円柱レンズ、放物面鏡（またはその断片）、角度の集光部、および当該分野において知られている他の光学部品の形態を取ることができる。有利な態様では、一次集光部材は、交互に並んだ配置の屈折レンズのアレイである。一次集光部の各光学要素部品は、光ガイドのそれぞれの光入射要素に関連付けられる。

ガイド層内の一次の光の伝播はＴＩＲによることを目的としているため、ガイド層の少なくとも上面または底面の何れかは、ガイド層の材料の屈折率より小さい屈折率を有する媒質と接する。ガイド層の上面および／または底面に直接隣接する低屈折率の媒質の位置は、光入射要素がガイド層の上面または底面にあるかに左右されることがある。様々な片側および両側の光ガイドが以下に詳しく説明される。

後述の光収集および集光システムは、大部分が大抵は一次集光要素に入射（すなわち、許容できる受光角の範囲内）し、一次集光部要素によって集束された光が、光ガイドにおける異なる所望の伝播方向に輸送構造の出力開口の方へと入力される、および／または方向付けられる手段を提供する。従って、光入射要素は、大部分が大抵はシステムに入射する一次の集束された光点を捕捉し、光ガイドの長さ（ｚ方向）に沿って出口端の方へと伝播するように例では９０度に方向付けるよう適宜機能する。

上述の光ガイド層は、薄板導波路、すなわち構造の一般的な長さＬよりも相当小さい厚さＴを有し、ひいてはＴ／Ｌにより規定される低アスペクト比を有する形態をしている。任意の補助集光部を本書に開示する光ガイドおよびシステムの実施形態に設けてもよく、この補助集光部は、低アスペクト比のガイド層内を伝播する光を収集し、ガイド層の出口端を通って外結合し、有利には外結合された光を直接受けるよう配置されたＰＶセルへとさらに集束させるよう機能する。非限定的な態様によると、補助的な光を集束する光学要素は光ガイドの出口端に動作するよう接続（例えば、鋳造、接合、自由空間に整列等）されて、ＰＶセル内への光を補助的に集光して外結合することができる。補助集光部は、ガイド層と同一または異なる材料から作ることができる。代替的には、ガイド層の出口端自体を、ガイド層の出口端に補助集光部を一体的に形成するように形作る（例えば、放物線状にテーパ、直線的にテーパ、台形状にテーパ、あるいは適切に成形される）こともできる。このような形状は、光ガイド内を伝播する光の全ての種類の反射（ＴＩＲおよび／または正反射および／または乱反射）を補助する。

本発明の更なる特徴および利点は以下の詳述に説明されており、一部は当該技術分野における当業者には説明から容易に明らかとなり、あるいは特許請求の範囲ならびに添付の図面に付随する詳述を含む本書に記載されるように本発明を実施することで理解されるであろう。

前述の概要および以下の詳述は双方とも単に本発明の例示であり、主張されるような本発明の性質および特徴を理解するための概説または枠組みを提供することを目的としていると理解されたい。添付の図面は本発明を更に理解できるようにするために含まれており、これらは本明細書の一部に組み込まれて、それを構成している。これらの図面は、本発明の原理および動作を説明するのに役立つ記載と共に本発明の様々な実施形態を図示している。

図１は、関連技術による２つの例示的な光入射要素を有する例示的な光ガイドの断面を概略的に図示している。 図２は、関連技術による例示的な平面状の光ガイドの太陽光収集および集光システムの断面を座標系と共に概略的に図示している。 図３Ａは、非傾斜の反射面を有する多面バイパスプリズムのディンプルの斜視構造図を示している。図３Ｂは、傾斜反射面を有する多面バイパスプリズムのディンプルを図示している。図３Ｃは、エッジがフィレット半径を有する傾斜反射面を有する多面バイパスプリズムのディンプルを図示している。図３Ｄは、本発明の代替的な例示的態様による、円錐面を有する片側バイパスプリズムのディンプルを図示している。 図４Ａ、Ｂは、図３Ａに示すような本発明の態様による、エアプリズムの入射要素およびディンプルをそれぞれ例示的に示している。 図５は、本発明の例示的態様による、回折ベースの光入射要素を有する光ガイドを具える光収集および集光システムの断面を概略的に図示している。 図６は、本発明の他の例示的態様による、回折ベースの光入射要素を有する光ガイドを具える光収集および集光システムの断面を概略的に図示している。 図７は、本発明の他の例示的態様による、回折ベースの光入射要素を有する光ガイドを具える光収集および集光システムの断面を概略的に図示している。 図８は、本発明の例示的態様による、片側の光収集および集光システムの断面を概略的に図示している。 図９は、本発明の他の例示的態様による、両側の光収集および集光システムの断面を概略的に図示している。 図１０は、本発明の実施例によるディンプル型の光ガイドの上面図である。 図１１Ａ、１１Ｂは、本発明の非限定的な例示的態様による、それぞれ放物線集光部および直線台形集光部の形態をした代替的形状の補助集光部の透視図である。 図１２Ａ、Ｂは、本発明の例示的態様による、ＧＲＩＮベースの光収集および集光システムのそれぞれ横断面図および上断面図である。 図１３Ａ、Ｂは、本発明の他の例示的態様による、ＧＲＩＮベースの光収集および集光システムのそれぞれ横断面図および上断面図である。 図１４は、本発明の他の例示的態様による、ＧＲＩＮベースの光収集および集光システムの横断面図である。

本発明の例示的な実施形態について詳しく記載されており、その例が添付の図面に図示されている。可能な場合はいつでも、同一または同様の部分を示すべく図面全体を通して同一の参照番号が使用されている。

本発明の代表的な態様による「ディンプル」が図３に示されており、全体を通して一般に参照番号１０と指定されている。本発明の非限定的な実施例により本書で使用されているように、用語「ディンプル」は、平面的な光ガイドの構造的要素を指す。図３に示すように、ディンプル１０は２つの部分、すなわち光入射要素１１と光バイパス要素１２から構成される。光ガイドの各入射要素は、以下に詳しく記載するように、それぞれの一次集光要素（例えば、小型レンズ）からの集束された、あるいはほぼ集束した光を受けるよう配置される。この態様では、入射要素は、光ガイドにほぼ垂直の方向（図１の−ｙ方向）からの光を光ガイドの伝播方向（ｚ方向）にガイド層の出口窓の方へと向きを変えるよう機能する。バイパス要素は、入射要素の下流周辺でガイド層内を伝播する光をｚ方向に向け直すよう機能する。ガイド層の内側に突出した入射要素は非理想的な光の誘導構造を作り出すため、ガイド層内の伝播についてＴＩＲ条件をもはや満たさない角度での屈折または反射による光の漏出が起こりうる。バイパス要素はこの分裂を減少させて、損失を低下させ、その結果外結合された最大集光度を増加させることを目的としている。

ディンプルの機能はさらに、図３Ａに示すように入射要素およびバイパス要素の非限定的な例によって説明される。光入射要素１１（例えば、図１の１１０２、１１０４を参照）はエアプリズムであり、その正面１３は図１の例に示す光ガイド１１５０の入射ファセットである。バイパス要素１２−１もまたエアプリズム（または光ガイドの材料の屈折率よりも低い屈折率を有する他の材料）として構成される。このバイパスプリズムの頭端部１６は入射ファセット１３と反対側の入射要素の後方に連結され、その高さや幅（形）は入射プリズムの後面の高さや幅と同一になるよう制約される。バイパスプリズムの末端１７は鋭いエッジとなる。バイパスプリズムは２つの角度をなす（ｙ−ｚ平面に）非傾斜の非テーパ型の材料「側」面１９、２０を具えており、これらの側面はその角度方向および材料特性により輸送層内を移動している（ｚ方向）光を内部全反射して、伝播している光をｘおよび／またはｙ方向に向け直して、ディンプル下流との干渉を低減させるかなくしている。

光ガイド層に対する入射ファセットの向きが、ガイド内を伝播する光の初期方向を決定する。２つのパラメータがこの向きを規定する。すなわち、各小型レンズの光学軸に対するファセットの傾き、およびその軸周りのクロッキング（ｃｌｏｃｋｉｎｇ）である。名目上、入射ファセットは、ガイド下方で＋z方向の出口面を直接向くようにクロッキングされる。これにより、１つのパラメータ、すなわちファセットの傾きが自由に残っている。ディンプルは光ガイド層内に収容されるため、光とファセットの入射角はＴＩＲ条件を満たして、反射性コーティングに固有の反射性損失を避けねばならない。ＴＩＲの制約は、損失なく光をガイドに入射できる角度を限定する。特に、入射ファセットは一次集光要素（以降では「小型レンズ」）により作られる角度の全てがＴＩＲを満たすように方向を合わせられるべきであり、以下の式により与えられる。

光学ガラスのＴＩＲ条件は４５°に近いため、各小型レンズの開口数（ＮＡ_Ｚ）は小さくすべきである。入射光と反射光の両方の伝播に垂直な方向では、ＮＡ_ＺがＴＩＲを満たす場合には全ての角度がＴＩＲ条件を満たすため、ＮＡ_Ｘは制約されない。従って、一態様では、小型レンズ口径は矩形（以下で更に詳しく説明する）であるが、円形、六角形、または他の幾何学的な、稠密および非稠密形状であってもよい。

本実施形態によるディンプルの第２の部分はバイパスプリズムであり、このバイパスプリズムは入射ファセットの後方に連結される。その目的は、入射プリズム周囲の光の方向を変えることによるガイド層からの光の漏出を低減させることである。直接的な損失の代わりに、バイパスプリズムはガイド層内の光の角度分布を増加させる。このバイパスプリズムは光をガイド層のｘおよび／またはｙ次元に向け直す。図３Ａに示すように、バイパスプリズムの断面は、プリズムの先端（後方）に向かって小さくなるｘ次元を有する長方形であってもよい。規定の集光比、ガイド長さ、およびガイド高さにより、他の断面形状が有利なこともある。バイパスプリズムは前方から後方にｘおよびｙ次元の双方でサイズが縮小する断面を有してもよく、これによりバイパスプリズムの先端は一点となる。あるいはバイパスプリズムはｙ次元にのみテーパの断面を有しうる。代替的には、断面は円形、楕円形であってもよく、幾何学的に成形されてもよい。例えば、図３Ｂ−１は、前方から後方へとｙ方向にテーパした三角形の断面を有するバイパスプリズム１２−２を図示している。図３Ｂ−２および図３Ｂ−３は、一態様による光輸送構造におけるバイパスプリズムの横断面および端部断面形状の図をそれぞれ示している。図３Ｃ−１に示すような他の態様では、バイパスプリズムはバイパスプリズム１２−２の断面と同様の半三角形の断面を有しており、上部と端部エッジのみが製造プロセスを容易にするためにフィレット半径を有している。図３Ｃ−２および図３Ｃ−３は、光輸送構造におけるバイパスプリズムの横断面および端部断面形状の図をそれぞれ示している。代替的な態様では、テーパ状の片側円錘断面のバイパスプリズム１２−４が図３Ｄ−１に図示されている。図３Ｄ−２および図３Ｄ−３は、光輸送構造におけるバイパスプリズムの横断面および端部断面形状の図をそれぞれ示している。

単純な幾何学から、２つの寸法、すなわち入射ファセットの幅Ｗ_ＩＦとバイパスプリズムの長さＬ_ＢＰが、図３Ａに示すような両面バイパスプリズムのくさび角２θ_ＢＰを決定する。

入射光の入射角がθ_ＢＰに対するガイドの臨界角より小さい場合、バイパスプリズムは２θ_ＢＰをｘ方向のコサインに加える。入射光が臨界角を超える場合、光はバイパスプリズムを通って屈折し、ガイド層から失われる。ディンプルは光ガイドの断面領域のわずかな一部のみを構成しているため、光の数パーセントのみが所与のディンプルと干渉する。この干渉する可能性は、相対的な大きさ、ディンプルの間隔、およびディンプルでの光の入射角に依存する。バイパスプリズムは長くて薄いため、Ｘが大きい構成要素での光は大きいディンプル断面を経験する。

図１０は、例示的な実施例によるディンプル型の光ガイド１０００−１の上面図である。黒い四角形１０１０は、ガイド層の底面から上方に延在し、傾いているエアプリズムの入射ファセットを表している。バイパスプリズム１０１１は、それぞれの入射要素から後方に延在して図示されている。

本発明の様々な態様によると、光入射要素は本書で上述したようなエアプリズムに限定する必要はない。一態様によると、回折格子または回折要素を伝送または反射の何れかに利用して、光をガイド層内に光を入射させることができる。光の一般的な経路はＴＩＲ／反射エアプリズムの入射ファセットと類似するが、回折要素はガイド層の表面と平行な平面、すなわち上面または底面の何れかまたはこれらの面の間に配置される。入射光は、一次集束要素により小さな点に回折要素上で集光される。この回折要素は、光の入射ビームをガイド層内に伝播できる角度、通常はガイドに対して平行なところから５０°未満に方向転換させる。この回折要素は僅かな垂直範囲を有しているため、ガイド中を伝播する光への回折要素による妨害は、対応するエアプリズムの入射要素よりも小さくなる。更に、回折要素に入るガイド層内を伝播する光は、複数オーダーに回折され、ガイド層内に収まりうる。

格子構造については、回折格子の周期はθ_ｍ≧θ_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}を満たさねばならず、θ_ｍはｍ次数への回折角度であり、θ_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}はガイド層により補助される光の最大角度である。

ここで、ｎ_{ｇｕｉｄｅ}はガイド層の屈折率であり、λは波長であり、θ_ｉは表面の法線に対する光の入射角であり、ｄは格子周期であり、ｎ_{ｂｏｕｎｄｉｎｇ}はガイドの境界媒体の屈折率である。対象の全ての回折次数についてこの状態を満たさねばならず、これは有利に１または２の支配的次数である。反復構造の間隔が回折角度を決定し、これは格子の特殊な構造にかかわらず該当する。この特殊な構造は、対象の１また２の次数に回折されたエネルギを最大限にするよう最適化することができる。

図５は光収集システム５００−１の断面を概略的に示しており、当該システムは、屈折性の小型レンズのアレイ５０２の形態をした一次集光部と、低屈折率のＴＩＲ媒質層５０４と、ガイド層の上面に配置された透過回折格子５１０を有するガイド層５０８とを具えている。入射光５１２は、小型レンズ要素５０３によってそれぞれの回折格子５１０−３に集光される（例えば、集束されるか、集束されない）。この格子は、矢印に示すように、ガイド層へと透過された１または２の支配的次数に回折するよう設計することができる。

図６は同様に光収集システム６００−１の断面を例示的に示しており、当該システムは、屈折性の小型レンズのアレイ６０２の形態をした一次集光部と、低屈折率のＴＩＲ媒質層６０４と、ガイド層の底面に配置された反射回折格子６１０を有するガイド層６０８とを具えている。入射光６１２は、小型レンズ要素６０３によってそれぞれの回折格子６１０−３に集光され（例えば、集束されるか、集束されない）、矢印に示すように、光をガイド層へと反射された１または２の支配的次数に回折される。近接する溝の特性間のデルタｎ、すなわち行路差が大きいため、この配置は上記の透過型の場合よりも溝の深さを浅くすることができる。

図７は同様に光収集システム７００−１の断面を概略的に示しており、当該システムは、屈折性の小型レンズのアレイ７０２の形態の一次集光部と、低屈折率のＴＩＲ媒質層７０４と、ガイド層の上面と底面の中間に配置された透過格子７１０−３を有するガイド層７０８とを具えている。入射光７１２は格子上に集光され、反射次数および透過次数の双方はガイド層内に回折される。

回折格子をガイド層の上面と底面の間に配置するため、ガイド層を共に構成する２部分の材料が有利に互いに接着されるか、接合されうる。例示的な態様では、回折要素が、最終的なガイドの１／２までの厚さのプラスチックまたはガラスのガイド層の片面に適用される。接着層がこの上面に適用され、プラスチックまたはガラスの他の部分が定位置に接着される。回折要素は、ガラス上のポリマ、ガラス上のシリコーンに、あるいはプラスチックまたはガラスに直接書き込むこともできる。中央の接着層はガイド層に比較的厳密に一致する屈折率にすべきであるが、中央の層が低屈折率のＴＩＲ層よりも高い屈折率を有している限りは必要不可欠ではない。他の例示的な態様によると、レーザーライタは連続したガイド層の材料内の中間地点に焦点を合わせることができる。このレーザーは、体積ホログラムなどを作るために当該技術分野で既知の加熱または重合のいずれかにより、材料の状態を変化させる。

本発明の他の態様によると、屈折率勾配（ＧＲＩＮ）をガイド層に設けて、ディンプル（入射要素＋バイパス要素）の双方として、あるいは単に異なる種類の入射要素、例えばエアプリズムのバイパスとして機能させることができる。

図１２Ａ、Ｂを参照に記載する第１の実施例では、ｙ方向の線形または放物線勾配１２０１を利用して、それぞれ表面に位置する入射要素から離れる、あるいは通常はガイド層の中央領域にある伝播している光の大部分を維持することができる。この場合の勾配形状は、図１２Ｂに示すようにｘ−ｚ平面にわたって均一である。このような勾配は、以下の式をなす。

Ｎ_Ｏはベース屈折率であり、Ｎ_Ｏ１は線形の勾配係数であり、Ｎ_Ｏ２は放物線の勾配係数である。

第２の実施例では、線形または放物線勾配は、図１３Ａ、Ｂに示すようにｘ方向に勾配を有するｚ方向のストライプ１３０１に配置することができる。ここで、ｎ（ｘ）は各ｚ軸のディンプル位置で小さく（最小）、ｚ方向の近接するディンプル間の中間地点で大きく（最大）なる。この種の勾配はディンプル間の自由空間に光を曲げることにより、それぞれの入射要素の表面に近い光路を最小にする。このような勾配は、以下の式をなす。

ここで、ｘ_ｋはｘ方向のｋ^ｔｈディンプルに対するｘ位置であり、ｂはディンプルの間隔に依存し、Ｎ_Ｏ１は線形の勾配係数であり、Ｎ_Ｏ２は二次勾配係数であり、Ｎ_Ｓは正弦波の勾配係数である。

第３の実施例では、図１４に示すように、強力な勾配の一連のｙ軸ストライプ１４０１をｚ方向に沿って勾配がありｘ−ｙ平面では均一に配置することができる。この勾配はガイド層の底面からの第１のＴＩＲ反射と共に入射機構として機能し、ガイド層自体にはガイド形状への分裂がないようにする。このような勾配は以下の式をなす。

この場合、ガイド層はｚ軸に沿って不連続な屈折率を有しており、このような不連続性がなくならない限り、ガイド層に沿ったフレネル損失により、ガイドの長さおよび集光の上限を限定しうる。

異なる態様では、本発明の実施形態による光収集および集光システムは、片側および両側と見なすことができる。

上述のように、ガイド層は各入射ファセットから光ガイド出口開口に光を伝送する。この光ガイドは名目上は光を無損失に伝播する内部全反射（ＴＩＲ）を利用するが、このガイドはディンプルを含んでおり、伝播効率に干渉する。光は角度が臨界角を越える前に数回のみディンプルと干渉することがあり、ガイドの長さを限定する。ＴＩＲ角（またはガイド開口数）は、ガイド層と境界の媒質の屈折率の差異によって規定される。この境界は空気または低屈折率の材料であってもよい。例えば、小型レンズの層はガイド層に接合できるが、低屈折率のポリマ層によってそこから分離されてもよい。

図８は、例示的な片側光収集および集光システム８００−１の概略的な断面図を示している。例示的な態様によると、片側システム８００−１は、その上面に配置されたディンプル８１０を具える光ガイド層８０８と、上面の層に直接隣接して配置された低屈折率のＴＩＲ層８０４と、ＴＩＲ層に直接隣接して配置された屈折性の小型レンズのアレイ８０２と、ガイドの底面の鏡層８１４とを具えている。図示のように、入射太陽光８１２は小型レンズ要素８０３によって鏡面に集光され、さらにそれぞれの（小型レンズ要素の）入射ファセット８１０−３に集光される。光がＴＩＲによりｚ方向に伝播すると、その一部はディンプル８１０−４のバイパス要素と衝突する。

このシステムは、特に（以下に記載する、両側システムに対して）半分に折り重ねられ、その結果システムの厚さは減少し、重量や使用される材料が減少するため、この片側システムは有利である。さらに、小型レンズおよびディンプルは１つの器具で形成することができ、場合によっては同一の処理ステップで形成されて、所与の製造技術による登録誤差を最小限にする。カバーガラスを含む片側光ガイドの公称性能は、７０％以上と想定される。

図９は、例示的な両側光収集および集光システム９００−１の概略的な断面図を示している。図８の片側システムと多少類似しており、両側システム９００−１は、その底面に配置されたディンプル９１０を有する光ガイド層９０８と、上面の層に直接隣接して配置された低屈折率のＴＩＲ層９０４と、ＴＩＲ層に直接隣接して配置された屈折性の小型レンズのアレイ９０２とを具えている。図示のように、入射太陽光９１２は小型レンズ要素９０３によって入射ファセット９１０−３に集光される。光がＴＩＲによりｚ方向に伝播すると、その一部がディンプル９１０−４のバイパス要素に衝突する。

この態様では、小型レンズおよびディンプルは、射出成形、圧縮成形、ＵＶカーブ、あるいはガラスから形成されようと、別個の器具によって形成される。２つの別個の構成要素が位置合わせされて、互いに配置される。このディンプル構造はガイド層を形成する同一部分に収められてもよい、あるいは別個の層に形成されてガイド層の基面に接合することもできる。ＴＩＲ層は低屈折率の材料で構成される、あるいは単にエアギャップであってもよい。この層は、ガイドの集光能力を著しく減少させることがある、伝播している光が小型レンズの表面と干渉するのを防ぐ。

上述のように、ガイド層内を伝播する光はその出口端で外結合される。例示的な態様では、ガイド層の厚さＴ（ｙ寸法）は３ｍｍ−５ｍｍのオーダーであってもよく、ガイド層に入力された光の全てを最終的にＰＶセルに入力するために出口端で累積的に集光させることを意図している場合を除いて、ガイド層の幅Ｗ（ｘ寸法）を制約する必要はない。ガイド層の出口端に隣接して（有利には、直接隣接して）配置されたＰＶセルの限定された入口開口は、伝播している光を更に集光するのに有意であり、この場合では、ガイド層の出口端とＰＶセルの間の補助集光部も有利となりうる。

図１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ放物線集光部および直線的な台形集光部の形態をした２つの例示的な異なる形状の補助集光部１１００−１、１１００−２を概略的に図示している。図示のように、例えば図１１Ａでは、一次集光部分１１０２が複数の一次集光部を有し、上述のように、入射光１をそれぞれ複数の光入射要素（図示せず）を有する単一の光ガイド要素１１０４に集束させる。この光は、ＴＩＲにより光ガイド内をＬ方向に伝播する。別個の構成要素の放物線の補助集光部１１００−１が光ガイドの出口端に直接連結（例えば、接合）されて図示されており、補助集光部の表面１１０１が光ガイドの最終的な出口端となる。別個の構成要素ではなく、補助集光部１１００−１（１１００−２）は、複合放物線（１１００−１）または直線的な台形（１１００−２）など（他の適切な形状は除外されない）の形状をした、押し出し成型または成形された光ガイドの一体的な端部であってもよい。補助集光部のデザインに応じて、伝播している光は、外結合されるまで内部全反射し続けうる、あるいは外結合されるまで反射しうる。従って、補助集光部は光ガイドと同一または異なる材料で作ることができ、中実、中空、気体が充満していてもよく、あるいは目的の機能を実施するのに適するよう構成されうる。

このシステムの公称性能は、光学表面の数（フレネル損失）、小型レンズおよびディンプルからガイドへの結合効率、ガイド内の伝達効率、および材料の吸収損失に依存する。この態様は１の低屈折率材料のインタフェースのみを有しているため、フレネル損失は最小限となる。保護ガラスなしでは、フレネル損失は損失のおよそ５％に相当する。保護ガラスは別におよそ１０％の損失を加える。ディンプルにおける結合効率は主に、ディンプルのサイズおよびシステムの予め規定された受光角に依存する。公称設計では、結合からガイドまでに多くて２％の損失を有している。伝達効率は対処することが最も重要な課題であり、これはパラメータの数に依存する。５００ｍｍの公称の光ガイド長さに対し、保護ガラスを含む両側システムの光学効率は８０％を越えると実証されている。片側の態様を越える増加は、鏡面層がなく、中断部から小型レンズ開口までの陰影損がないことにより光損失を省くことで生じる。

システム性能を最適にするため、ディンプル型の光ガイドの構成部分の効果および相互作用を理解することは有意である。入力開口から小型レンズを通り、各ディンプルの入射ファセットを出て、ガイド層に入るエタンデュの「伝達」は、フレネル損失および吸収損失、入射ファセットのサイズ、および入射ファセットの角度によってのみ限定される。入射ファセットが小さい場合、 受光角の一部と出力開口は単純にディンプルを逸して失われる。入射ファセットでの光の入射角がＴＩＲを満たさない場合、これらの光線はさらに失われるか弱められる。これは、システム形状に２つの基本的な制約、すなわち最小ディンプルサイズと入射ファセットの角度の制約を設ける。

一旦ガイド内で光がガイド層の下方に伝達すると、ガイド内の光路によっては１以上のバイパス要素により迂回されせられることがある、あるいはされない。ガイドの目的は、できる限り小さい干渉で入射地点から出口地点まで光を伝達することである。ガイドの伝達効率は連結されるパラメータの数による。ガイド自体が、断続的な寸断部、すなわちディンプルを有する片面を有するカレイドスコープと同様に機能する。

発明を記載している文中（特に、以下の特許請求の範囲の文中）の「単数形の表現」、「前記」および同様の指示の使用は、本書に指示されている、あるいは文脈と明らかに矛盾しない限りは、単数形および複数形の双方を包含すると解釈される。「具える」、「有する」、「含む」、および「含有する」という表現は、注記されていない限り、制限のない表現（すなわち、「を含むが、それに限定はされない」ことを意味する）と解釈すべきである。「連結する」という表現は、何かが間に介在している場合でも、取り付けられる、あるいは接続されることを部分的または完全に包含するものとして解釈されたい。

本書の数値範囲の記載は、本書に指示がない限り、その範囲内に該当する各値を個々に参照するための省略方法として機能させることを単に意図しており、各値は本書に個々に記載されたかように明細書に組み込まれる。

本書に記載される全ての方法は、本書に指示されている、あるいは文脈と明らかに矛盾しない限りは、任意の適切な順番で実施することができる。本書で使用するあらゆる例または例示的な表現（例えば、「など」）は、単に本発明の実施形態をより適切に明らかにすることを目的としており、特に主張されていない限りは本発明の範囲を限定するものではない。

本明細書の如何なる表現も、発明の実行に不可欠である、請求項に記載されていない要素を示すものとは解釈されないものとする。

本発明の概念および範囲から逸脱することなく、本発明に様々な改変および変更をすることができると当該技術分野における当業者は理解するであろう。本発明を開示された特定の形態に限定することは意図しておらず、それどころか、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の概念および範囲内に収まる全ての改変、代替的な構造、および均等物を包含することを意図している。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内でなされた本発明の改変および変更を包含することを意図している。

Claims (36)

1. 上面と底面を有し、その少なくとも一方は実質的に平面的な表面であり、光ガイドの出力開口を形成する横向きの側端面を有する光ガイドの層であって、屈折率ｎ_１を有し、さらに前記出力開口の方へと意図した光の伝播方向に長さ次元を有する光ガイドの層と；
   前記上面および底面の少なくとも一方に配置された複数の光入射要素と；
   各光入射要素それぞれから光学的に上流の前記光ガイドの層内に配置されたそれぞれの複数のバイパス要素とを具えることを特徴とする光ガイド装置。
2. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記光入射要素がエアプリズムであることを特徴とする光ガイド装置。
3. 請求項２に記載の光ガイド装置において、前記バイパス要素がエアプリズムであることを特徴とする光ガイド装置。
4. 請求項３に記載の光ガイド装置において、各バイパス要素が、それぞれの光入射要素と適合する頭端部と、そこから後方に延在する末端部とを有することを特徴とする光ガイド装置。
5. 請求項１に記載の光ガイド装置において、各バイパス要素が、前記頭端部と末端部の間に延在する少なくとも１の側面を有することを特徴とする光ガイド装置。
6. 請求項５に記載の光ガイド装置において、前記少なくとも１の側面が湾曲していることを特徴とする光ガイド装置。
7. 請求項５に記載の光ガイド装置において、前記少なくとも１の側面が２の平坦な面を含むことを特徴とする光ガイド装置。
8. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記複数の光入射要素の少なくとも１つが、前記光ガイドのｘ軸方向（幅次元）に傾斜（クロッキング）していることを特徴とする光ガイド装置。
9. 請求項１に記載の光ガイド装置がさらに、屈折率ｎ_ｍｅｄを有する光伝達媒質層を具えており、ｎ_ｍｅｄはｎ_１よりも小さく、前記光ガイドの層の前記上面および底面の少なくとも一方に直接隣接して配置されていることを特徴とする光ガイド装置。
10. 請求項９に記載の光ガイド装置において、前記光伝達媒質層が空気であることを特徴とする光ガイド装置。
11. 請求項９に記載の光ガイド装置において、前記光伝達媒質層が固体であることを特徴とする光ガイド装置。
12. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記光入射要素の少なくとも１つが、湾曲した正面を有することを特徴とする光ガイド装置。
13. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記複数の光入射要素および前記それぞれの複数のバイパス要素が、前記光ガイドの層に一体的に配置されることを特徴とする光ガイド装置。
14. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記複数の光入射要素および前記それぞれの複数のバイパス要素が、前記光ガイドの層に取り付けられ、前記光ガイドの層の前記上面および底面の少なくとも一方を形成する別個の材料の層に一体的に配置されることを特徴とする光ガイド装置。
15. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記光入射要素が体積回折要素であることを特徴とする光ガイド装置。
16. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記バイパス要素が体積回折要素であることを特徴とする光ガイド装置。
17. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記バイパス要素がそれぞれ、前記光ガイドの層のｘ−ｚ平面にわたって均一な線形および放物線の屈折率勾配形状の一方であることを特徴とする光ガイド装置。
18. 請求項１に記載の光ガイド装置において、前記バイパス要素がそれぞれ、ｚ軸方向に沿った線形および放物線の屈折率勾配形状の一方であり、前記勾配はｘ方向に変化し、各入射要素のｚ軸位置で最小屈折率を有し、近接する入射要素の間の位置で最大屈折率を有することを特徴とする光ガイド装置。
19. 上面と底面を有し、その少なくとも一方は実質的に平面的な表面であり、光ガイドの出力開口を形成する横向きの側端面を有する光ガイドの層であって、屈折率ｎ_１を有し、さらに前記出力開口の方へと意図した光の伝播方向に長さ次元を有する光ガイドの層と；
    前記光ガイドの層に配置された複数の回折格子の光入射要素とを具えることを特徴とする光ガイド装置。
20. 請求項１９に記載の光ガイド装置において、前記回折格子の光入射要素が、前記表面の平面における前記上面および底面の少なくとも一方に配置されることを特徴とする光ガイド装置。
21. 請求項１９に記載の光ガイド装置において、前記回折格子の光入射要素が、前記光ガイドの層の縦の平面に沿って前記上面と底面の間に配置されることを特徴とする光ガイド装置。
22. 単一の光ガイドの要素であって：
    上面と底面を有し、その少なくとも一方は実質的に平面的な表面であり、前記光ガイドの出力開口を形成する横向きの側端面を有しており、屈折率ｎ_１を有し、さらに前記出力開口の方へと意図した光の伝播方向に長さ次元を有する光ガイドの層と；
    前記上面および底面の少なくとも一方に配置された複数の光入射要素と；
    各光入射要素それぞれから光学的に上流の前記光ガイドの層内に配置されたそれぞれの複数のバイパス要素とを具える単一の光ガイドの要素と；
    屈折率ｎ_ｍｅｄを有しており、ｎ_ｍｅｄはｎ_１よりも小さく、前記光ガイドの層の前記上面および底面の少なくとも一方に直接隣接して配置されている光伝達媒質層と；
    前記光伝達媒質層に近接して配置され、前記光入射要素のそれぞれ１つと光学的に位置合わせされた複数の一次集光要素を含む一次集光部材とを具えることを特徴とする光収集および集光システム。
23. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記光伝達媒質層が、前記一次集光部材と前記光ガイドの層の上面の間に配置されることを特徴とする光収集および集光システム。
24. 請求項２３に記載の光収集および集光システムにおいて、前記複数の光入射要素が、前記光ガイドの層の底面に配置されることを特徴とする光収集および集光システム。
25. 請求項２３に記載の光収集および集光システムにおいて、前記複数の光入射要素が前記光ガイドの層の上面に配置されており、さらに前記光ガイドの層の底面に近接して配置された反射性材料の層を具えていることを特徴とする光収集および集光システム。
26. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記一次集光部材が屈折性の小型レンズのアレイであることを特徴とする光収集および集光システム。
27. 請求項２６に記載の光収集および集光システムにおいて、前記小型レンズがそれぞれ、２次元の湾曲を有することを特徴とする光収集および集光システム。
28. 請求項２７に記載の光収集および集光システムにおいて、前記湾曲が等しいことを特徴とする光収集および集光システム。
29. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記一次集光部材が、フレネルレンズのアレイであることを特徴とする光収集および集光システム。
30. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記一次集光部材が、実質的に平面波の入力光から前記入射要素に光を集中させる光学的特徴を有することを特徴とする光収集および集光システム。
31. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記光入射要素がエアプリズムであることを特徴とする光収集および集光システム。
32. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記バイパス要素がエアプリズムであることを特徴とする光収集および集光システム。
33. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記光入射要素が体積回折要素であることを特徴とする光収集および集光システム。
34. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記バイパス要素が体積回折要素であることを特徴とする光収集および集光システム。
35. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記バイパス要素がそれぞれ、前記光ガイドの層のｘ−ｚ平面にわたって均一な線形および放物線の屈折率勾配形状の一方であることを特徴とする光収集および集光システム。
36. 請求項２２に記載の光収集および集光システムにおいて、前記バイパス要素がそれぞれ、ｚ軸方向に沿った線形および放物線の屈折率勾配形状の一方であり、前記勾配はｘ方向に変化し、各入射要素のｚ軸位置で最小屈折率を有し、近接する入射要素の間の位置で最大屈折率を有することを特徴とする光収集および集光システム。

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