JP2015099336A - 光学素子および光学装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光利用効率の高い光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】 実施形態の光学素子は、光に対して透明な材料からなる光学素子であって、表面と、表面に対向する背面と、接続面と、を備え、表面は、接続面に対向する領域にくぼみ面を有し、くぼみ面は、接続面に最も近い点を最近接点とし、最近接点以外に第１の特異点を有することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

実施形態は光学素子および光学装置に関する。
太陽電池の集光面積あたりのコストは、安価な集光体と組み合わせることで下げられる可能性がある。集光体は光学素子の一つである。このように集光体と太陽電池を組み合わせた装置は、集光型太陽電池と呼ばれている。また、設置スペースや、重量の制限を考えると、集光体はできる限り薄型が望ましい。
上記を実現する技術として、ＲＸＩ（Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ （Ｒ）， ｒｅｆｌｅＸｔｉｏｎ （Ｘ）， ａｎｄ ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ （Ｉ））型と呼ばれる集光体がある。この集光体は、従来のＣＰＣ（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）型に比べて、非常に薄いという特徴がある。
上記で述べた集光体は、太陽電池について述べた。しかし、太陽電池を配置する場所にＬＥＤを配置し、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）照明用のコリメータレンズとしても利用できる。これは、光線の可逆性（光線方向を逆転させても成立すること）による。つまり、太陽電池をＬＥＤに置き換え、光線方向を逆転させれば太陽電池の場合と同様の議論ができる。そこで、以下では、太陽電池およびＬＥＤを、光学素子（集光体あるいはコリメータレンズ）に接続する接続素子と呼ぶ。また、光学素子と接続素子を組み合わせた装置を、非結像系光学装置と呼ぶ。
"Ａ ｈｉｇｈ−ｇａｉｎ， ｃｏｍｐａｃｔ， ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ： ＲＸＩ"， Ｊｕａｎ Ｃ．Ｍｉｎａｎｏ、 Ｊｕａｎ Ｃ． Ｇｏｎｚａｌｅｚ， ａｎｄ Ｐａｂｌｏ Ｂｅｎｉｔｅｚ
光利用効率の高い光学素子および光学装置を提供することを目的とする。
実施形態の光学素子は、光に対して透明な材料からなる光学素子であって、表面と、表面に対向する背面と、接続面と、を備え、表面は、接続面に対向する領域にくぼみ面を有し、くぼみ面は、接続面に最も近い点を最近接点とし、最近接点以外に第１の特異点を有することを特徴とする。
また実施形態の光学装置は、光学素子と、受光面を持つ受光素子又は発光面を持つ発光素子とを有し光学素子の接続面は受光面又は発光面に対向して配置されることを特徴とする。
図１は、実施形態の光学装置の鳥瞰図である。 図２は、実施形態の光学素子および光学装置の鳥瞰図である。 図３は、実施形態の光学素子の断面概念図と光線図である。 図４は、実施形態の光学素子の断面概念図と光線図である 図５は、実施形態の光学素子の断面概念図である。 図６は、実施形態の光学装置の鳥瞰図である。 図７は、実施形態の光学素子の断面概念図である。 図６は、実施形態の光学装置の鳥瞰図である。 図９は、実施形態の光学装置の配光分布である。 図１０は、実施形態の発電装置の概念図である。 図１１は、実施形態の発電装置の概念図である。 図１２は、実施形態の発電装置の概念図である。
上記で述べたような、従来の薄型の集光体は入射面および反射面のそれぞれにおいて、金属（例えばアルミ）蒸着面を持っている。入射面側の金属蒸着面の１辺の大きさは、接続素子に比べて、１０倍以上である。
金属蒸着面が大きいと、太陽光を遮蔽してしまう面積が大きくなる。そのため、光利用効率の低減を招く。また、集光体内部を伝搬する光線は、金属蒸着面で１回反射されるだけではなく、さらに金属蒸着面で１回以上反射されるものが多くなる。金属による反射は、吸収によって通常１０％程度のロスがある。そのため、これによっても光利用効率の低下を招く。以上、金属蒸着面を小さくし、太陽電池や発光装置では、大面積の光学素子が必要とされるため、低コスト技術によって光利用効率を向上させることが課題である。
また、集光された光により、太陽電池が熱せられ高温なる。これにより、太陽電池の劣化が起こるという課題もある。太陽電池の代わりにＬＥＤを配置する場合、ＬＥＤの発熱が課題となる。
以下、実施形態により光学素子及び光学装置について具体的に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の光学素子は、光に対して透明な材料からなる光学素子であって、表面と、表面に対向する背面と、接続面と、を備え、表面は、接続面に対向する領域にくぼみ面を有し、くぼみ面は、接続面に最も近い点を最近接点とし、最近接点以外に第１の特異点を有する。第１実施形態について、以下、図１から図５を用いて説明する。以下、特に断らない限り、接続素子１が太陽電池である受光型の場合を想定して、光学素子１５へ入射した光線が接続素子１へ導入される場合について説明する。接続素子１が発光型の場合、光線が光学素子１５から出射するため、受光型の実施形態とは光線経路が反対になる。光学素子１５が発光型の実施形態の説明については、本実施形態において原則的に省略するが構成や原理としては基本的に共通する。また、接続素子１の受光面あるいは発光面に対して垂直上方を上、その反対方向を下とする。
図１は、光学装置の鳥瞰図である。図１の光学装置は光学素子１５、伝熱体１４、接続素子１から構成される。実施形態の光学装置は、非結像系である。
接続素子１は、直径２０ｍｍの丸型の受光面（ＬＥＤの場合は発光面）を有する。接続素子１は、受光素子又は発光素子である。具体的な接続素子１は、例えば、光電変換素子、ＬＥＤと有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。接続素子１が例えば、光電変換素子などの受光素子であれば、実施形態の光学装置は、受光型である。また、接続素子１が、ＬＥＤや有機ＥＬなどの発光素子であれば、実施形態の光学装置は、発光型である。接続素子の形状は、光学素子１５の形状によって、好適な形状が異なる。接続素子１の形状は、丸形以外では例えば長方形状が例として挙げられる。
光学素子１５は、光学的に透明な材料が好ましい。光学素子１５は、いわゆる集光体又は集光器と呼ばれる素子である。光学素子１５の具体的な材料としては、例えば、アクリル、ポリカーボネートやガラスなどが挙げられる。ただし、これに限られるものではない。このとき、光学素子１５の材料の屈折率をｎとする。アクリルの場合、ｎは約１．４９である。光学素子１５は、太陽光が入射する表面８と表面８に対向する背面９を有している。光学素子１５の接続面７が、接続素子１の受光面又は発光面と対向して配置され又は接続素子１と接続する。光学素子１５の接続面７の下部には空隙１０を有する。
図４に光学素子１５の一部を拡大した断面概念図を示す。この図は、回転対称軸３を含む平面を断面としている。図４において、表面８は、第１の表面８Ａと、第２の表面８Ｂと、第３の表面８Ｃとを有する。第１の表面８Ａは、平面又は凸曲面を有することが好ましい。第２の表面８Ｂと第３の表面８Ｃは凸曲面を有することが好ましい。第１の表面８Ａは、外部から光線が入射する表面である。背面９で反射した光線の一部を第２の表面８Ｂで全反射する。背面９で反射した光線１３の一部を第３の表面８Ｃで反射する。表面８及び背面９において、反射は、光学素子１５に設けられた反射面で行われる。
第２の表面８Ｂは、第１の表面８Ａと第３の表面８Ｃとの間に存在する。第１の表面８Ａの一方の端部と第２の表面８Ｂの一方の端部は接続する。第２の表面８Ｂの他方の端部と第３の表面８Ｃの一方の端部は接続する。第２の表面８Ｂは、背面９で反射した光線１２の一部を、１回あるいは２回以上全反射する凸曲面を有する。例えば、第１の表面８Ａに対する第２の表面８Ｂの面積比率を大きくすることで、大きく傾斜して入射した光線も、全反射によって、接続面７に導くことができ、集光又は配光可能な光線の角度が広くなることが好ましい。２回以上の全反射は、連続して行われる。接続面７と対向する領域において、第２の表面８Ｂと第３の表面８Ｃとがくぼみ面を形成する。第２の表面８Ｂと第３の表面８Ｃの間に第１の特異点４を有することが好ましい。第１の特異点４から表面８のうち接続面７に最も近い最近接点にかけて反射面（第３の表面８Ｃ）を有することが好ましい。第３の表面８Ｃは、第３の表面８Ｃに反射コーティングされた反射面又は、第３の表面８Ｃと物理的に接触した反射面を有することが好ましい。反射面としては、金属面や白色面などが挙げられる。反射面は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や塗布など公知の方法によって形成することができる。あるいは、第３の表面８Ｃに接するような面を有する反射部材を接合させてもよい。アルミ蒸着の場合、正反射率は約９０％である。
背面９は、光学素子１５の内部に入射された光線１１が内部で反射されるように、金属面又は白色面の反射面を有する。背面９の形成方法は、第３の表面８Ｃの反射面と同様である。
光学素子１５は、例えば、回転対称軸３に対して回転対称な形状である。ここで、回転対称とは、回転対称軸３を回転軸として回転させたときに、回転する角度が３６０°未満でもとの形状に一致することを意味する。
中心点２は、回転対称軸３上にあるものとし、第３の表面８Ｃとの距離が最も近くなる点とする。
ここで、光学素子１５の最大直径（回転対称軸３と直交する方向の最大寸法）は、例えば、１９２ｍｍであり、厚さ（回転対称軸３に沿う方向の最大寸法）は、例えば、４９ｍｍである。なお、光学素子１５は、対称性を持たない形状でもよい。
図２は、光学素子１５と伝熱体１４を分離した場合の鳥瞰図である。伝熱体１４は、接続素子１を冷却する部材である。伝熱体１４は、熱伝導性の高い部材が好ましく、例えば、銅、アルミ、炭素などが挙げられる。ただし、これに限られるものではない。伝熱体１４は、実用途において省略することができるが、放熱の観点から、伝熱体１４を設けることが好ましい。伝熱体１４を省略する場合は、伝熱体１４の領域を空隙１０で置き換えることができる。伝熱体１４に、第３の表面８Ｃに沿った、正反射率の高い面を設け、第３の表面８Ｃと接合して第３の表面８Ｃの反射面としてもよい。伝熱体１４の先端面は、第３の表面８Ｃに接するかあるいは接近している。つまり、伝熱体１４は、光学素子１５を貫通し、接続素子１と接続するかあるいは接近している。この時、伝熱体１４（第３の表面８Ｃに設けられた反射面）は、接続素子１と接続して、接続素子１の熱を放熱することが好ましい。伝熱体１４の直径（幅）は、接続素子１の幅以下が好ましく、例えば、２０ｍｍである。伝熱体１４の直径が接続素子１の幅よりも大きいと、伝熱体１４によって光が遮蔽される割合が多くなり、光利用効率の低下を招く。本実施形態では、伝熱体１４の直径を接続素子１の幅（直径）以下にすることが可能である。伝熱体１４は、その先端面近傍から接続素子１の熱を吸収し、光学装置の外部に放熱することができる。また、この伝熱体１４に、フィンなどを配置し、さらなる放熱特性の向上を図っても良い。伝熱体１４自体が光線を吸収し、それによる発熱が無視できなくなる場合、伝熱体１４を白色塗装したりするなどして、反射率を高めたりすることで、光線による接続素子１の加熱を防ぐことが好ましい。
図３に、光学素子１５の断面図を示す。図３は、回転対称軸３を含む平面を断面としている。図３において、光線１１を矢印線で示す。以下、図３を参照して、実施形態の光線経路について詳細に説明する。
表面８は、第１の表面８Ａと、第２の表面８Ｂと、第３の表面８Ｃとが順に接続した面である。第１の表面８Ａと第２の表面８Ｂは、どちらも凸曲面である。第１の表面８Ａは平面である。表面８は、第２の表面８Ｂと第３の表面８Ｃの間に第１の特異点４を有している。中心孔６は光学素子１５を貫通する孔である。中心孔６は、第３の表面８Ｃを貫通し、中心孔６の底部は、接続素子１に達している。接続面７は、第３の表面８Ｃに対向する。背面９は、第２の特異点５を有し、第２の特異点５を境界とする、例えば、準放物面を有する。このように、表面８から背面９にかけて中心孔６が設けられていることにより、接続素子１で発生する熱を外部環境に放熱することができる。伝熱体１４を取り付ける場合、実施形態の構成は、さらに放熱性能を向上させることができる。
まず、第１の特異点４から第１の表面８Ａに至るまでの表面８の形状を述べる。第１の特異点４を満たす条件について、（式１）と（式２）を用いて説明する。なお、第１の特異点４となるための条件を満たす点は、表面８上に複数あってもよい。本図において、第１の特異点４は１個の場合を示している。そのため、第１の特異点４から第１の表面８Ａに至るまでの表面８の形状は、１つの凸曲面を有する第２の表面８Ｂで規定される。
接続面７上の端部を第１の点１７とする。第２の表面８Ｂ上の任意の点に第２の点１８を取る。第１の点１７と第１の特異点４を結ぶ第１の線分の長さを第１の距離とし、第１の点１７と第２の点１８を結ぶ第２の線分の長さを第２の距離とすると、第２の距離は第１の距離よりも大きい。第２の点１８における法線と、第２の線分との成す角をθ１、光学素子１５の屈折率をｎとする。このとき、下記（式１）を満たすことが、第２の点１８に到達する光線１２が１回以上全反射され、最終的に接続面７に到達する、という観点から好ましい。さらに、第２の点１８は、第２の表面８Ｂ上のすべての点において、（式１）を満たすことが上記理由により好ましい。
次に、第１の特異点４から中心点２に至るまでの第３の表面８Ｃの形状について説明する。第３の表面８Ｃの任意の点において、第３の点１９を取る。第３の点１９と第１の点１７とを結ぶ第３の線分の距離である第３の距離は、第１の距離よりも小さくなる。また、第３の点１９における法線と、第３の線分の成す角をθ２、光学素子１５の屈折率をｎとすると、式（２）を満たすことが第３の点１９に到達する光線１１が反射され、接続面７に到達するという観点から好ましい。さらに第３の点１９は、第３の表面８Ｃ上のすべての点において、（式２）を満たすことがより好ましい。また、第３の表面８Ｃを最もコンパクトにし、この面での反射によるロスを低減するという観点からくぼみ面上の点における法線のうち接続面７と平行になるものが存在することが好ましい。
次に、第２の特異点５について述べる。第１の表面８Ａと第２の表面８Ｂが接続する点において、第４の点２０を取る。第４の点２０と第２の特異点５を結ぶ第４の線分と、第４の点２０における法線との成す角をθ３、光学素子１５の屈折率をｎとするとき、（式３）は次のとおりである。式（３）を満たすことは、第２の特異点５で反射され、第４の点２０に到達する光線１１が、さらに全反射され、最終的に接続面７に到達するという観点から好ましい。
次に光学素子１５の機能を説明する。
図４において、光線も同時に示す。光線Ａ１２は、表面８から入射され、一旦、背面９の反射面の、接続面７からの距離が第２の特異点５よりも遠方側の点で反射され、さらに第２の表面８Ｂによって１回以上、全反射される。
この全反射の回数は、従来のＲＸＩにおいては、１回のみである。全反射は、吸収による光量の損失が生じない反射である。そのため、何回全反射が行われても、全反射に伴う光量の損失はない。光線Ａ１２は、このような多数回の全反射の後、最終的に接続面７に導かれる。全反射を多数回行うと、第３の表面８Ｃで反射されずに接続面７へ導ける光量が増加するという利点を有する。 以上、光線Ａ１２は、背面９での１回のみの反射であり、２回の反射と比べて光線の損失が低減できる。そのため、光利用率を高くできる。
光線Ｂ１３は、表面８から入射され、一旦、背面９の反射面の、接続面７からの距離が第２の特異点５よりも近い側の点で反射され、さらに第３の表面８Ｃによって反射され、最終的に接続面７に導かれる。このように、第３の表面８Ｃで反射された光線Ｂ１３が接続面７に導かれるのは、式（２）が成立していることによる。
以上、光線Ｂ１３の損失は、反射面での２回の反射に起因する。このとき、第３の表面８Ｃの面積が小さいほどつまり、金属蒸着面の面積が小さいほど、光利用効率が高くなると考えられる。第３の表面８Ｃを接続面７へ射影した面積は、接続面７の面積と同じになる。この面積は従来の１０倍程度と比較すると非常に小さい。第２の表面８Ｂを設け、その面において全反射を行い、上述の条件を満たすと、第３の表面８Ｃを接続面７へ射影した面積を小さくすることができる。
上記で述べたように、第１の特異点４および第２の特異点５を備えることにより、光線Ａ１２と光線Ｂ１３の２つの光線経路を作ることができる。第１の特異点４は、第２の表面８Ｂと第３の表面８Ｃとの境界点である。また、第２の特異点５は、背面９で反射した光線１１の内、第２の表面８Ｂで全反射する光線Ａ１２と第３の表面８Ｃで反射する光線Ｂ１３の分岐点である。つまり、光学素子１５は２つ以上の光線経路を同時に作り出すことができる。これにより、光学素子１５全体を小型化して、かつ、反射による光量の損失を少なくし、光利用効率を高めることができる。また、第２の表面８Ｂで全反射され、直接接続素子１へ導入される光線を増やすことで、光の利用効率は向上する。
また、光学素子１５は、実施形態の例では、接続素子１の厚さに比べて約２．４５倍である。これは、従来に比べて十分薄い。そのため、設置されるスペースが制限されにくいという効果がある。厚さの薄い光学素子１５を用いることで、複数の光学装置を密接させて配置したとしても、光学装置の集光方向を変えることができるという利点を有する。
また、伝熱体１４を備えることにより、接続素子１の熱を外部環境に放出することができ、熱による接続素子１の性能劣化を抑えることができる。このため、接続素子１自身の光利用効率も高めることができる。
（第２実施形態）
図５に第２実施形態の光学装置を構成する光学素子１５の断面概念図を示す。図３と図５の断面概念図の違いは、図５の第１の表面８Ａが凸曲面である。凸曲面の屈折を利用して、光学素子１５をさらに薄くすることができる。
（第３実施形態）
図６の鳥瞰図および図７の断面概念図に第３実施形態の光学装置の概念図を示す。伝熱体１４にねじ１６を備えてもよい。ねじ１６によって、伝熱体１４を光学素子１５へ固定することが容易となる。ここでは、伝熱体１４がオスねじであり、光学素子１５の中心孔６がメスねじである。
（第４実施形態）
図８の鳥瞰図に第４実施形態の光学装置を示す。第４実施形態の光学装置は、１８０°の回転対称体である。本実施形態において、第１実施例の回転体の場合と異なり、集光面内の直交する２軸に対し、独立に集光作用を持たせることができるという利点がある。第４実施形態の光学装置は、円形ではなく長方形の設置面に設置することができるため、設置に伴うデッドスペースが少ないという利点を有する。なお、光学素子１５の側面は、反射面であることが好ましい。光学素子１５の側面が金属面や白色面などの反射面であると、光学素子１５に内部に入射された光線１１が側面で反射されて、接続素子１に導入されるという利点を有する。
（第５実施形態）
第５実施形態は、接続素子１として、ＬＥＤを配置した光学装置である。接続素子１以外は、第１実施形態と共通する。接続素子１が発光素子であっても、接続面７から入射した光は、第１実施形態の光学素子１５と同じ光線経路を有する。第５実施形態の光学装置は、第１実施形態とは逆の光線経路を有し、ＬＥＤ照明装置として機能する。第５実施形態の配光特性を図９に示す。この図は、配光角に対して、光度をレーダーチャートでプロットしたものである。ただし、光度は、配光角０°方向を１００として規格化されている。この図より、１／２配光角５°の狭角の照明として機能することがわかる。この配光角は、ダウンライトやスポットライトとして好ましい配光角である。実施形態の構成の発光素子を有する光学装置の器具効率は約８４％である。
（第６実施形態）
第６実施形態の光学装置の第２の点１８は、第１の特異点４から第１の表面８Ａと第２の表面８Ｂとの接続点まで連続であること以外は、第１実施形態の光学装置と同様である。第４の点２０において、その法線方向と接続面７は直交する。このような第４の点２０が存在する場合、それが存在しない場合に比べて第２の表面８Ｂの面積を大きくとれる。このとき、第２の表面８Ｂを有する光学装置は、多数回の全反射される光線１２が多くなるため、第３の表面８Ｃ表面８で反射されずに、全反射によって接続素子１に導入される光線１２が多くなるという観点で好ましい。また、第４の点２０において、第１の表面８Ａと第２の表面８Ｂが滑らかに接続するため、光学素子１５作製時において、その加工が容易になるという利点も有する。
（第７実施形態）
第７実施形態の光学装置では、第１の特異点４から第４の点２０までを結ぶ第２の表面８Ｂ上の任意の点において、下記の（式４）の条件を満たすこと以外は、第１実施形態の光学装置と同様である。第１の特異点４から第４の点２０までを結ぶ第２の表面８Ｂ上の任意の点、つまり、第２の表面８Ｂ上のすべての点における法線と、その点から第１の点１７を結ぶ線分との成す角をθ４、光学素子１５の屈折率をｎとするとき次の（式４）を満たすことが好ましい。
かかる条件を満たすとき、第２の表面８Ｂおよび第３の表面８Ｃの面積を最も小さくすることができるため、装置の小型化の観点から好ましい。
また、上述の実施形態における光学素子や光学装置を付記すると、例えば、光学素子は、表面と表面に対向する背面を有する光学素子を有し、背面は、反射面を有し、表面は、背面で反射した光線の一部を反射する金属面と、背面で反射した光線の一部を反射する面と全反射する面とを有し、光学素子を貫通する貫通孔を有することが好ましい。
また、表面は、第１の表面と、第２の表面と、第３の表面を有し、第１の表面は、外部から光線が入射する面であり、第２の表面は、第１の表面と第３の表面との間に存在し、第２の表面は、背面で反射した一部の光線を全反射する面であることが好ましい。
また、別の光学素子は、表面と、表面に対向する背面を有する光学素子を有し、背面は、反射面を有し、表面は、第１の表面と、第２の表面と、第３の表面を有し、第１の表面は、外部から光線が入射する面であり、第２の表面は、第１の表面と第３の表面との間に存在し、第２の表面は、背面で反射された一部の光線を１回以上又は２回以上、全反射する凸曲面を有し、第３の表面は、背面で反射された一部の光線を反射する金属面であることが好ましい。さらに、光学素子を貫通する貫通孔を有することが好ましい。
これらの光学素子の第３の表面と接続する接続面は、接続素子と接続することで光学装置となる。そして、第２の表面で全反射された光線は、接続素子に導入され、第３の表面で反射された光線は、接続素子に導入されることが好ましい。接続素子は、受光素子又は発光素子であり、受光面又は発光面は光学素子の接続面と接続することが好ましい。貫通孔には、伝熱体が設けられ、伝熱体が接続素子と接続することが好ましい。伝熱体は、第３の表面の金属面が好ましい。
（第８実施形態）
第８実施形態は、光電変換素子と、光電変換素子と接続し、光電変換素子との接続面の下部に空隙を有する光学素子とを有する複数の集光型太陽電池装置（以下，単に太陽電池と呼ぶ）を有する。そして複数の太陽電池は、空隙に設けられた連結部材で連結され、連結部材によって、複数の太陽電池が回転される発電装置である。図１０の概念図に第８実施形態の発電装置を示す。図１０の発電装置は、光学素子１０１と、光学素子１０１と接続した光電変換素子１０２と、光電変換素子１０２の下部に空隙１０３を有する太陽電池１００を複数有する。複数の太陽電池１００は、空隙１０３に設けられた連結部材によって連結されている。連結部材１０４は、駆動装置１０５によって太陽電池１００が回転するように駆動可能な構成を有する。太陽電池１００には、実施形態の光学装置の他に、ＲＸＩ型の空隙を有する光学素子を有する光学装置を用いることができる。両光学装置は、光学素子が薄型で軽量であることが好ましい。薄型の太陽電池１００を実施形態に用いると、複数の太陽電池１００を密に配置して、その向きを変えることができる。高さの高い太陽電池を実施形態に用いると、角度を変える際に、太陽電池が干渉してしまう範囲が広いため、密に太陽電池を配置することができない。そのため、実施形態の光学装置又はＲＸＩ型の空隙を有する光学素子を有する光学装置が実施形態の太陽電池１００に好適である。通常、光学素子の背面には、光電変換素子１０２等の排熱用の構成が設けられるが、実施形態の構成では、背面に空隙１０３を設けることができる。しかしながら，空隙１０３には排熱用の構成を配置するスペースが十分でないことが多い。そこでさらに、実施形態の構成では、光学素子の表面に排熱用の構成を設けることができる。これにより、排熱性能を向上させ、光利用効率を高めることができる。
図１０（Ａ）の概念図に示す連結部材１０４は、軸を有し、軸と空隙１０３内の部材が連結している。軸を動かすと、太陽電池１００が図１０（Ｂ）の概念図に示すように回転する構成となっている。また、図１１（Ａ）と（Ｂ）の概念図に示すように、連結部材１０４を空隙中の軸と同じ高さにして図１１（Ａ）から図１１（Ｂ）太陽電池１００を回転させることもできる。図１１の概念図に示す構成では、例えば、歯車を複数用いて、モータを用いて又は複数の歯車とモータを併用して太陽電池１００を回転させることができる。太陽光の向きは、日及び時間によって変化するため、光学素子１０１が光線を集光可能な向きになるように太陽電池１００を回転することが好ましい。太陽電池１００は、光学素子１０１によって、集光可能な角度が異なる。集光可能な角度が例えば±５°と狭い場合は、時間に応じて太陽電池１００の角度を変えることが好ましい。また、集光可能な角度が２０°広い場合は、月又は数ヶ月毎に太陽電池１００の角度を変えることが好ましい。実施形態の光学素子１０１は、光電変換素子１０２の下部に空隙１０３を有するため、空いた領域を利用して太陽電池１００の向きを変えることができる。また、複数の太陽電池１００は、同一の位置に回転軸を有し、その回転軸が連結しているため、同一方向へ向きを変えることができる。薄型で軽量な光学素子を有するため、少ないエネルギーで複数の太陽電池１００の向きを変えることができるという利点を有する。なお、連結部材１０４は、図示した形態以外に、歯車を用いた回転機構を有する形態などの公知の回転機構を採用することができる。
図１２の概念図に格子状に配置された太陽電池１００が連結された発電装置を示す。太陽電池１００の連結は、空隙１０３を通る軸を利用して、連結することができる。さらに、図１０の概念図の様に連結することで、格子状に配置した太陽電池１００を１つに連結することができる。１つに連結することで、太陽電池の向きの制御が簡便となる。
また、連結部材１０４は、操舵装置を更に有することが好ましい。操舵装置を更に有すると、太陽電池１００の向きを二軸で変更することができるため、太陽電池１００を太陽光の向きにより合わせることができるという利点を有する。操舵装置も前述の回転と同様に連結した複数の太陽電池１００を同一の向きに変えることができる。
以下、第８実施形態の構成を付記すると、発電装置は、光電変換素子と、光電変換素子と接続し、光電変換素子との接続面の下部に空隙を有する太陽電池とを有する複数の光学装置を有し、複数の光学装置は、空隙に設けられた連結部材で連結され、連結部材によって、複数の光学装置が回転されることが好ましい。
また、複数の光学装置は、同一方向に回転されることが好ましい。また、複数の光学装置は、格子状に配置されてなることが好ましい。また、連結部材は、操舵装置を更に有することが好ましい。また、複数の光学装置は、実施形態の光学装置であることが好ましい。
以上、実施形態についていくつか説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…接続素子、２…中心点、３…回転対称軸、４…第１の特異点、５…第２の特異点、６…中心孔、７…接続面、８…表面、８Ａ…第１の表面、８Ｂ…第２の表面、８Ｃ…第３の表面、９…背面、１０…空隙、１１…光線、１２…光線Ａ、１３…光線Ｂ、１４…伝熱体、１５…光学素子、１６…ねじ、１７…第１の点、１８…第２の点、１９…第３の点、２０…第４の点、１００…太陽電池、１０１…光学素子、１０２…光電変換素子、１０３…空隙、１０４…連結部材、１０５…駆動装置

Claims (16)

  1. 光に対して透明な材料からなる光学素子であって、
    表面と、
    前記表面に対向する背面と、
    接続面と、
    を備え、
    前記表面は、前記接続面に対向する領域にくぼみ面を有し、
    前記くぼみ面は、前記接続面に最も近い点を最近接点とし、
    前記最近接点以外に第１の特異点を有することを特徴とする光学素子。
  2. 前記背面は、反射コーティングされた反射面を有する、又は、物理的に接した反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記表面の前記くぼみ面は、
    前記第１の特異点から前記最近接点にかけて反射コーティングされた反射面を有する、又は、物理的に接した反射面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 前記表面から前記背面にかけて貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 前記接続面に第１の点を取るとし、
    前記表面の前記くぼみ面において、
    前記第１の点と前記第１の特異点を結ぶ線分の距離を第１の距離とし、
    前記第１の点との距離が前記第１の距離よりも大きくなる点を第２の点とし、
    前記第２の点における法線と、前記第２の点から前記第１の点に向かう線分の成す角θ１は、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、（式１）を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 前記接続面に第１の点を取るとし、
    前記表面の前記くぼみ面において、
    前記第１の点と前記第１の特異点を結ぶ線分の距離を第１の距離とし、 前記表面の前記くぼみ面において、
    前記第１の点との距離が前記第１の距離よりも小さくなる点を第３の点とし、
    前記第３の点における法線と、前記第３の点から前記第１の点に向かう線分の成す角θ２は、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、（式２）を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
  7. 前記第１の特異点から前記接続面に下ろした垂線と前記接続面が直交する点は、前記接続面に含まれることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
  8. 前記くぼみ面上の点における法線のうち、
    前記接続面と平行になるものが存在することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学素子。
  9. 前記表面に平面を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 前記背面に第２の特異点を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子。
  11. 前記くぼみ面において第４の点を取るとし、
    前記第４の点における法線は前記接続面と直交し、
    前記第４の点から前記第２の特異点を結ぶ線分と、前記第４の点における前記法線との成す角θ３は、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、（式３）を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の光学素子。
  12. 前記光学素子の中心に回転対称軸を有し、
    前記回転対称軸に対して回転対称であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学素子。
  13. 前記回転対称軸を含む断面において、
    前記第１の特異点から前記第４の点までを結ぶ前記くぼみ面上のすべての連続点における法線と、前記連続点から前記第１の点を結ぶ線分との成す角θ４は、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、（式４）を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
  14. 前記光学素子の前記くぼみ面と接する面を有する伝熱体を有し、
    前記伝熱体と前記光学素子は前記くぼみ面において接続することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子。
  15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学素子と、
    受光面を持つ受光素子とを有し
    前記光学素子の前記接続面は前記受光面に対向して配置されることを特徴とする光学装置。
  16. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学素子と、
    発光面を持つ発光素子とを有し
    前記光学素子の前記接続面は前記発光面に対向して配置されることを特徴とする光学装置。
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