JP2016512617A - 光をコリメートし、光ファイバー内に集光すること - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、受動照明システムのために光ファイバーへの高い集光と、改善された光結合とを達成するように構成される光学設計を提供する。【解決手段】光がコレクターレンズに通され、その後、コリメート及び集光して、光ファイバーとの光結合を改善することができる。さらに、その光学設計は、実効的な照明を達成するために必要とされる光ファイバーの全数を削減する。【選択図】図５

Description

本開示は包括的には受動照明に関し、より詳細には、受動照明システムにおいて光ファイバーを利用して光を集光することに関する。

光ファイバーは、長距離電気通信、工業用レーザー、そして最近では受動照明を含む、数多くの応用形態において重要な役割を果たしている。太陽光を収集し、光ファイバーを通して伝送することは、従来の人工照明技法に対する、丈夫で、経済的で、かつ環境に配慮した代替手段を提供する。したがって、そのような照明システムを改善するために開発が進行中である。

本開示は、受動照明システムのために光ファイバーへの高い集光と、改善された光結合とを達成するように構成される光学設計を提供する。幾つかの実施形態において、光がコレクターレンズに通され、その後、コリメート及び集光して、光ファイバーとの光結合を改善する。

本開示の数多くの態様は、以下の図面を参照することによって更に深く理解することができる。図面における構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本開示の原理を明確に例示することに重点が置かれている。さらに、図面において、幾つかの図を通して、類似の参照番号は対応する部品を指示する。

光ファイバーに沿って太陽光線を伝搬させる能力に開口数（ＮＡ）が及ぼす影響を示す図である。 光ファイバーへの直接の拡散光の非効率的な結合を示す図である。 光ファイバーへの直接の太陽光の非効率的な結合を示す図である。 光ファイバーへの合焦した太陽光の非効率的な結合を示す図である。 光ファイバーへの合焦した太陽光の非効率的な結合を示す図である。 太陽光の収集及び集光を示す図である。 本発明の一態様による、光路をコリメートし、細径化することによる、太陽光の収集及び光ファイバーへの結合を示す図である。

ここで、図面に示されるような実施形態の説明が詳細に参照される。これらの図面に関連して幾つかの実施形態が説明されるが、本開示を本明細書において開示される１つ又は複数の実施形態に限定するつもりはない。それどころか、本開示は、全ての代替形態、変更形態及び均等物を含むことを意図している。

受動照明は、現在の人工照明の解決法に対する、丈夫で、経済的で、かつ環境に配慮した代替形態を提供する持続可能な建築設計要素である。受動照明の初期段階の例は、太陽光で建物内部又は空間を照明するために、ガラスドア、窓及び天窓を使用することである。しかしながら、建物内の全ての空間が、これらの基本的な受動照明の解決法にとって非常に適しているとは限らない。例えば、外壁又は屋根を利用できない奥まった部屋は、窓又は天窓を追加することによって受動的に照明することはできない。これに対する１つの解決法は、受動照明システム内の導管として光ファイバーを使用することである。

光ファイバーは長距離電気通信及び工業用レーザーのような種々の分野において不可欠な役割を果たす。最近になって、光ファイバーは、安全照明、背景照明及び医療用照明を提供するために使用されている。光ファイバーは、極めて小さな減衰で光の伝送を提供するので、理論的には、受動照明システムにおいて使用するのに望ましい導管である。

図１に示されるように、光ファイバーの構造に起因して、光ファイバーを通る光に生じる減衰はわずかである。光ファイバー１００は、クラッディング１０２によって包囲されたコア１０１を備える。光ファイバー１００のコア１０１は、クラッディング１０２の屈折率（ｎ_２）より高い屈折率（ｎ_１）を有するので、光のための導波路としての役割を果たす。全ての光線が光ファイバー１００に沿って伝搬するとは限らない（図１）。任意の単一の光ファイバーに沿ってどの光線が伝搬するかは、ファイバーの開口数（ＮＡ）によって決まる。ＮＡは、コア１０１及びクラッディング１０２の屈折率に関連し、（（ｎ_１）^２−（ｎ_２）^２）^１／２に等しい。ＮＡは、光ファイバー１００の長軸１０３の周りで回転する受光角の範囲を画定し、その範囲において、光は光ファイバー１００のコア１０１の中に結合することができる。全ての受光角の和が、当該技術分野において受光円錐１０６として知られているものを形成する。臨界角１０７は、ＮＡの逆正弦に等しく、それを超えると、光ファイバー１００のコア１０１の中に光が結合することができない角度である。それゆえ、受光円錐１０６内の角度、それゆえ、臨界角１０７以下の角度で光ファイバーのコア１０１に入る光１０４が、光ファイバー１００のコア１０１の中に結合し、伝搬することになる。対照的に、受光円錐１０６から外れた角度、それゆえ、臨界角１０７より大きい角度においてファイバーのコアに入る光１０５はファイバー１００のコア１０１の中に結合されず、クラッディング１０２において失われる。

図２Ａに示されるように、拡散光２０１が、全ての取り得る角度（±９０度）において光線を放射する。これにより、受動照明の場合に、拡散光源を光ファイバーに直接結合すると非効率的になる。特定（some）量の光線１０４がファイバーコアのＮＡ内にあるが、光線１０５のうちの多くの量が、臨界角１０７を超えて、光ファイバーのコア１０１に入る。臨界角１０７を超えてコアに入るそれらの光線はコア１０１の中には結合されず、結果として、光ファイバー１００内の光強度が低下する。したがって、拡散光を光ファイバーに直接結合するのは、受動照明に適した技法ではない。部分的に拡散性である（±９０度より狭い角度範囲内の光を放射する）光源を用いるときにも同じ問題が生じる。

図２Ｂに示されるように、太陽２０２は昼間に空を横切って移動するので、太陽光は、コリメートされるにしても、拡散光又は部分的拡散光と同じ結末を迎える。図において見ることができるように、空を横切って太陽が移動する結果として、より多くの光線が、受光円錐１０６から外れた角度で光ファイバー１００に入射することになる。例えば、日の出及び日の入りにおいて、光線１０５は光ファイバー１００のコア１０１の臨界角１０７を大きく超え、コア１０１を通って伝搬しなくなる。しかしながら、太陽２０２が上空高くに移動するにつれて、光線１０４は、受光円錐１０６内の角度において光ファイバー１００のコア１０１に入り、コア１０１を通って伝搬する。要するに、光ファイバー１００のコア１０１が日中を通して太陽２０２に面することができるようにする機構を適所に備えない場合、光ファイバー１００への太陽光の直接結合は、日中の短い時間帯においてのみ生じる。それゆえ、受動照明システム内の導管として光ファイバーを使用するには、通常、太陽を追跡する必要があり、適所において追跡している場合であっても、拡散照明ではうまく機能しない。要するに、光ファイバーは、それだけでは、太陽に露光されても十分な光を集めない。

コスト効率の良いシステムを得るために、ファイバーに入る前に、太陽光は集光されなければならない。例えば、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、太陽光３０１を、凸レンズ、ミラー又はフレネルレンズ３０２を用いて、光ファイバーの端面に合焦させることができる。図３Ａは、光ファイバーへの合焦した太陽光の結合を示す。正午に、又は正午ごろに、太陽光３０１がレンズ３０２を通り抜け、光ファイバー１００の端面において合焦し（３０４）、コア１０１の中に結合し、ファイバー１００を下方に伝搬するように、太陽が十分に位置合わせされる。しかしながら、図３Ｂに示されるように、太陽が光ファイバー１００と十分に位置合わせされないとき、太陽光３０１は光ファイバーのコア１０１の中に結合されない。これは、焦点３０４が光ファイバー１００のコア１０１と正しく位置合わせされなくなる角度において、太陽光がレンズ３０２を通り抜けるためである。その場合、わずかな違いであっても著しい偏差及び損失を引き起こすことになるので、追跡は良好な精度（例えば、１度未満）を有することが必要不可欠である。

さらに、光を光ファイバーの端面に合焦させるために撮像技法を使用することには、光学的な制約、すなわち、生成することができる最も小さな光スポットという難点がある。このように、焦点のサイズが、光を伝搬させるために使用することができる最も小さな光ファイバー径を制限する。最も小さなスポット３０４は基本的に、焦点においてレンズ又は反射体によって生成される太陽の像である。

完全に撮像による技法の制約を克服するために、種々の非撮像光学技法が利用されてきた。非撮像光学系は、元の分布と目標とする分布との間の光の最適な移行を達成することに向けられる技法を指している。一般的な非撮像光学技法は、光の最大集光を達成しようとする。要するに、非撮像光学系は、所与の面積のアパーチャに入射する光線を集めることを目的とし、これらの光線が、より小さな面積を有するアパーチャを通って出射し、それにより、光線を集光するのを確実にする。したがって、図４に示されるような、集光器４００の広い受光円錐４０２は、太陽を正確に追跡できるようにする高価な技法の必要性を小さくするか、又は不要にすることができる。非撮像集光器の開発は、太陽熱の応用形態のために十分に確立されている。

集光器の使用は太陽を正確に追跡する必要性を小さくするか、又は不要にすることができるが、光ファイバーへの太陽光の非効率的な結合の問題を解決しない。図４に示されるように、集光器４００の入口において臨界角１０７内の光は、集光器４００を通って伝搬する。先細設計が、より少量の空間内に同じ量の光が含まれ、効果的に光を増大させるように、光の光路４０１を変更する。その後、光は、入口より大きなＮＡを有する開口部を通って集光器４００から出射し、結果として、出射する光が入射する光より広い角度範囲４０５を有することになる。言い換えると、臨界角４０２は、入射する光４０４の場合より、出射する光４０３の場合に大きい。出射光４０３は入射光４０４より強いが、拡散性も大きいと言えば十分である。この結果として、光ファイバー１００のコア１０１の受光円錐１０６から外れた任意の光線が失われる。

要するに、高い集光比を確保しても、全ての光が光ファイバーを通って伝搬することを保証しない。光は実効的には増大するが、集光器から出る光線は、集光器に入る光線より広い角度範囲に広がる。したがって、集光器の出力側のためのＮＡは、入力側のためのＮＡよりはるかに大きい。言い換えると、出口アパーチャにおける光は、強度に関しては集光されるが、角度の広がりに関しては拡散が大きい。それゆえ、光ファイバーのコアへの太陽光線の結合は非効率的なままであり、受動照明システムにおいて光ファイバーを使用する実用性を制限する。

さらに、集光器だけを使用して現時点で達成可能な集光係数は、通常の光ファイバー自体が取り扱うことができる値よりはるかに低い。例えば、０．５ＮＡを有する光ファイバーでは、達成可能な最大集光係数は約４０００である。しかしながら、数多くの光ファイバーは、少なくとも約１０００００の集光係数までの、より高いエネルギーを取り扱うことができる。このため、太陽光を集め、受動照明システムにおいてこの光を伝送させるために光ファイバーへの太陽光の結合を最大化する、経済的に実現可能であり、かつ効率的な解決法が依然として必要とされている。

上記の短所は、図５に示されるように、光をコリメートし、その後、平行に揃えられた光を集光して、その光路を細径化することによって克服することができる。１つの実施形態では、太陽光３０１がコレクターレンズ３０２を通り抜ける。コレクターレンズ３０２は、太陽の像３０４を合焦させる。その後、光線３０３は、太陽の像３０４の焦点を越えて配置されるコリメーター５０４を通り抜けるときに互いに平行に揃えられる。その後、光線がコリメーター５０４に光学的に結合される先細導光ロッド５０５を通り抜けるときに、光路が細径化される。その後、光ファイバー１００のＮＡ内の光線が光ファイバー１００のコア１０１の中に伝搬する。光ファイバー１００は、好ましくは、十分に整合した光学的結合（例えば、コア整合スプライス（core-matched splice））を通して、導光ロッド５０５に光学的に結合され、その光学的結合によれば、導光ロッド５０５内の光のうちの、全てではないにしても、大部分を光ファイバー１００のコア１０１に伝達できるようになる。

集光する前にコリメートする結果として、達成される集光係数に著しい増加が生じる。コリメーションは、光ファイバーへの効率的な結合が達成されるように、先細導光ロッドの出力側において実際の出口角を小さくする。それゆえ、光ファイバーへの太陽光の結合が、より効率的になる。例えば、上記の実施形態において光路の直径を４：１に縮小する結果として、集光係数が１６：１に増加する。したがって、０．５ＮＡを有するファイバーは、この構成において用いられるときに、４０００（コリメーションが用いられない場合）ではなく、コリメーション後に６４０００の集光係数を達成することになる。

幾つかの実施形態では、コレクターレンズはフレネルレンズである。他の実施形態では、コレクターレンズは、太陽光収集パネルに組み込むことができる。コリメーターは先細導光ロッドと融合させることもできるし、独立させることもできる。さらに、コリメーターは、コレクターレンズから任意の長さに配置することができる。先細導光ロッドは、伝搬している光の光路を細径化するか、又は先細りにするための任意の手段で置き換えることができる。幾つかの実施形態では、先細導光ロッドは、先細クラッドロッドとすることができる。幾つかの実施形態の場合に、先細導光ロッドのＮＡは０．６より大きくすることができる。先細導光ロッドは、コア及びクラッディングの両方を備えることもできるし、代替形態では、クラッディングを用いることなく形成することもできる。また、先細導光ロッドは、限定はしないが、砂時計、直線、円錐形又は放物面を含む、任意の形状とすることができる。開示される光学設計は、太陽のような自然光源からの光だけでなく、発光ダイオードのような人工光源からの光を収集するために利用することもできる。

また、光の減衰は、ガラス光ファイバーの場合より、プラスチック光ファイバーの場合に大きい。通常、プラスチック光ファイバーは約０．２５ｄＢ／ｍの損失を有するのに対して、ガラス光ファイバーは数ｄＢ／ｋｍのみの損失を有する。減衰の１つの理由は、プラスチック光ファイバーは、より多くの不純物を含み、これらの不純物は、ファイバーの長さにわたって光の特定量を吸収するか、又は散乱させるためである。

ガラス光ファイバーは、品質が高く、一般的に好ましいが、プラスチック光ファイバーに比べて、単位あたりの費用が高い。しかしながら、本明細書において開示される実施形態において用いられるときに、高い集光係数が達成されるので、任意の所与の応用形態の場合に必要とされるファイバーの数を減少させることができる。例えば、光路径の４：１の縮小が達成される（それにより、結果として、集光係数が１６倍増加する）場合には、１６分の１の光ファイバーを用いて、同じ量の光を伝搬させることができる。それゆえ、ガラス光ファイバーが利用される場合であっても、光ファイバーを組み込む他の受動照明システムを使用する場合より、大幅な節約を実現することができる。

例示的な実施形態が図示及び説明されてきたが、説明されたような開示に対して幾つかの変形、変更又は改変を行うことができることは当業者には明らかであろう。

Claims (16)

1. 太陽光を焦点に合焦させるレンズと、
   前記レンズに光学的に結合されるコリメーターであって、該コリメーターは前記焦点付近に位置し、該コリメーターは前記合焦した太陽光を平行に揃える、コリメーターと、
   前記コリメーターに光学的に結合される先細導光ロッドであって、該先細導光ロッドは前記平行に揃えられた太陽光を細径化する、先細導光ロッドと、
   前記先細導光ロッドに光学的に結合される光ファイバーであって、該光ファイバーは前記先細導光ロッドからの前記細径化された太陽光を受光し、前記太陽光を伝送する、光ファイバーと、
   を備える、システム。
2. コリメーターと、
   前記コリメーターに光学的に結合される先細導光ロッドとを備える、システム。
3. 前記コリメーターは前記先細導光ロッドに融合される、請求項２に記載のシステム。
4. コレクターレンズを更に備え、該コレクターレンズは前記コリメーターに光学的に結合され、前記コレクターレンズは光を受光し、前記光を焦点に合焦させる、請求項２に記載のシステム。
5. 前記コリメーターは前記焦点を越えて位置する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記コレクターレンズはフレネルレンズである、請求項４に記載のシステム。
7. 光ファイバーを更に備え、該光ファイバーは前記先細導光ロッドに光学的に結合される、請求項２に記載のシステム。
8. 太陽光収集パネルを更に備え、前記光ファイバーは前記太陽光収集パネル内に位置する、請求項２に記載のシステム。
9. 前記光ファイバーはシリカベース光ファイバーである、請求項２に記載のシステム。
10. 前記先細導光ロッドは、
    コアと、
    前記コアの径方向周囲に位置するクラッディングであって、前記コア及び前記クラッディングは砂時計を形成するように、その長さ方向において先細りにされる、クラッディングと、
    を備える、請求項２に記載のシステム。
11. 光源からの光を合焦させることと、
    前記合焦した光を平行に揃えることと、
    前記平行に揃えられた光を、前記平行に揃えられた光の光路を先細りにするための手段を通して細径化することと、
    前記細径化された光を光ファイバーを通して伝搬させることと、
    を含む、方法。
12. 前記光を合焦させるステップはフレネルレンズを用いて前記光を合焦させることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記合焦した光を平行に揃えるステップは、コリメーターを用いて前記合焦した光を平行に揃えることを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記コリメーターを前記合焦した光の焦点を越えて配置するステップを更に含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記光ファイバーはシリカベース光ファイバーである、請求項１１に記載のシステム。
16. 先細りにするための前記手段は先細導光ロッドである、請求項１１に記載のシステム。

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