JP2902008B2 - 光収集装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光収集装置、特に蛍光集光体を用いて光を集
光する装置の改良に関する。

［従来の技術］ 従来より、太陽光を集光し、例えば屋内照明光として
使用する光収集装置に関する提案がなされている。

このような従来技術の一つとして、例えば太陽光をレ
ンズ系で集光して、光フィイバーに導入し屋内に導く装
置が知られており、例えば特開昭56-113105,特開昭58-1
59507号公報にかかる提案や、第４図に示すような特開
昭61-137103号公報にかかる提案がある。

しかし、これらの装置では、太陽を正確に追尾し集光
する必要があるため、装置全体が複雑かつ高価なものと
なり、実用的でないという問題があった。

また、これ以外にも、太陽光を蛍光集光板を用いて集
光する技術として、特開昭63-318503号公報にかかる提
案がなされている。第５図に示すよう、この従来装置
は、蛍光体を含有した蛍光集光板10と、この集光板10に
設けられた光ガイド部12とを含む。そして、集光蛍光板
10に入射した太陽光を、所望の波長の光に変換し、光ガ
イド部12および光放出部を介し水中に導くことにより、
海底または湖底に設けられた魚礁等に、例えば藻類の光
合成に必要な波長の光を導くよう構成されている。

このように、この従来装置は太陽光の集光に蛍光集光
板10を使用しているため、レンズ系を用いた装置のよう
に太陽の正確な追尾を必要としないという利点を有す
る。

しかし、この従来装置は、蛍光集光板10を用いて太陽
スペクトルの一部を栽培目標の藻類の吸収スペクトルに
合せて変換しており、大部分の太陽光は収集されない。
このため、光収集効率が極めて悪く、さらに収集された
光から白色光等の人間生活に必要な照明を得ることがで
きないという問題があった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、レンズ系を用いた場合のような
太陽に対する非常に正確な追尾が不要となり、しかも太
陽光スペクトルの可視領域から紫外領域までの光を効果
的に収集することができ、人間生活に必要な白色光を効
率よく供給可能な光収集装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、収集した光を任意に混色
することにより、異なる色の光を得ることが可能な光収
集装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明は、 グリーン光を吸収してレッド光を放出するレッド蛍光
集光体と、ブルー光を吸収してグリーン光を放出するグ
リーン蛍光集光体と、紫外光を吸収してブルー光を放出
するブルー蛍光集光体と、を備え、レッド蛍光集光体、
グリーン蛍光集光体、ブルー蛍光集光体の順で積層配置
され、かつ光の入射面がレッド蛍光集光体側にある波長
変換集光部と、 各集光体から放出されるレッド，グリーン及びブルー
の各光を別個独立に導く複数の集光導波路と、 各集光導波路により導かれた異なる色の光を混色し放
出する伝送導波路と、 を含むことを特徴とする。

また、本発明の波長変換集光部は、光の入射面と反対
側の面に反射板が設けられ、集光体内を透過した光を集
光体へ再反射するよう構成されることが好ましい。

また、本発明は、各蛍光集光体から放出され、伝送導
波路内において混色されるまでの間のレッド、グリーン
及びブルー光の各光路にそれぞれ光シャッターを設け、
各光シャッターを開閉制御することにより、伝送導波路
から異なる色の光を放出するのが好ましい。

［作用］ 本発明の波長変換集光部は、レッド蛍光集光体、グリ
ーン蛍光集光体、ブルー蛍光集光体の順で積層配置さ
れ、かつ光の入射面がレッド蛍光集光体側にある。

これにより、波長変換集光部に太陽光が入射すると、
紫外から可視域の光（波長340〜700nm）のうち、グリー
ン光（波長500〜600nm）の大部分がレッド蛍光集光体に
吸収され、レッド光（波長600〜700nm）が蛍光として放
出される。

そして、レッド蛍光集光体で吸収されなかった太陽光
は、グリーン蛍光集光体に入射され、ブルー光（波長40
0〜500nm）の大部分がここで吸収される。そして、この
グリーン蛍光集光体からは、グリーン光（波長500〜600
nm）が蛍光として放出される。

さらに、前記各蛍光集光体で吸収されなかった太陽光
は、さらにブルー蛍光集光体に入射され、ここで紫外線
（波長340〜400nm）の大部分が吸収される。そして、こ
のブルー蛍光集光体からは、ブルー光（波長400〜500n
m）が蛍光として放出される。

上記したように、本発明の波長変換集光部の光の入射
面は、レッド蛍光集光体側にある。つまり、光の入射面
から離れるにつれ、集光体の吸収波長が短くなる順序
で、集光体が積層されている。この積層順次により、以
下の二つのことが言える。

一つ目について説明する。グリーン光は、すべてレッ
ド蛍光集光体で吸収されない。グリーン光の一部は、レ
ッド蛍光集光体を通過し、グリーン蛍光集光体に到達す
る。グリーン蛍光集光体は、グリーン光を導波する性質
を有する。このため、上記グリーン光の一部は、グリー
ン蛍光集光体で放出されたグリーン光に加算さる。すな
わち、レッド蛍光集光体で吸収されなかったグリーン光
を無駄にせず、利用できる。グリーン蛍光集光体で吸収
されなかったブルー光も、同様の理由で、ブルー蛍光集
光体で利用できる。

二つ目について説明する。ランバートベールの法則に
より、光吸収性媒体中の単色光線の強度は、その通過距
離に関して指数関数的に減少する。ブルー蛍光集光体
は、光の入射面に対して最も遠い位置にある。このた
め、強度の下がった紫外光が、ブルー蛍光集光体におい
て吸収される。

しかし、光のエネルギーは、波長が短くなるにつれ、
大きくなる。紫外光は短波長であるので、エネルギーは
大きい。したがって、たとえ吸収される紫外光の強度が
下がっても、ブルー蛍光集光体で放出されるブルー光
を、大きな強度にすることができる。もし、ブルー光の
強度が大きくないと、レッド光、グリーン光、ブルー光
を加法混色しても、白色光を得ることができない。な
お、本発明では、前記各蛍光集光体で吸収されなかった
光を再利用するため、請求項（２）に記載のように反射
板を設けることが好ましい。これにより、各蛍光集光体
で吸収されなかった太陽光は、反射板で反射され再び各
蛍光集光体内を通過する際吸収され蛍光となるため、太
陽光をより高い効率で利用することができる。

そして、各蛍光集光体から放出されたレッド，グリー
ン，ブルーの各蛍光の大部分は集光体内部で全反射を繰
返し、各集光体に設けられた集光導波路に達する。そし
て、各蛍光は、これら各集光導波路を介して伝送導波路
に導かれる。これにおいて、各集光導波路は、伝送導波
路との結合をよくするため、先細りの形状に形成するこ
とが好ましく、さらにその導波損失を少なくするため、
表面に反射膜を被覆するか、屈折率分布を中心に向って
屈折率が高くなるよう不均一にすることが好ましい。こ
れにより、蛍光は各集光導波路内部で全反射を繰返し伝
送導波路に良好に導かれる。

伝送導波路では、導かれた各レッド，グリーンおよび
ブルーの蛍光を混色する。このため、その出力端からは
色光の加法混色の原理により白色光が放出されることに
なる。

このように、本発明によれば、太陽光の可視から紫外
域の光を効果的に利用し、屋内照明光として有効な白色
光を得ることができる。

特に、太陽光には照明に不必要な紫外線（波長340〜4
00nm）と赤外線（波長700〜2000nm）が含まれている
が、本発明の装置を用いて得られる白色光には、これら
人体に有害に紫外線や赤外線が波長変換により除去され
ているため、太陽光をそのまま使用した照明に比べ、目
や皮膚への障害の心配がないという特徴がある。

さらに、赤外線は熱線ともいわれ、室内温度を上昇さ
せ夏期には冷房付加の増大をもたらすが、本発明の装置
を用いることにより、この赤外線をカットした白色光を
得ることができるため、冷房負荷の増大を防ぐことがで
きる。

なお、本発明の波長変換集光部のように、複数の蛍光
集光体を積層配置したものにあっては、各蛍光集光体の
上面と下面からは全反射角の条件を満さない蛍光が流出
するが、それらの大部分は蛍光集光体で再び集光され
る。

すなわち、各蛍光集光体を請求項（１）のように積層
配置したものにあっては、ブルー蛍光集光体の上面から
流出する蛍光は、その真上のグリーン蛍光集光体の吸収
スペクトルと一致するため、このグリーン蛍光集光体で
吸収されグリーン光に変換される。ブルー蛍光集光体の
下面から流出する蛍光は、請求項（２）のように反射板
を設けている場合にはそのすぐ真下の反射板で反射さ
れ、ブルー蛍光集光体を透過しグリーン蛍光集光体に入
射して吸収され、グリーン光に変換される。

グリーン蛍光集光体の上面から流出する蛍光は、その
すぐ真上のレッド蛍光集光体の吸収スペクトルと一致し
ているため、このレッド蛍光集光体で吸収されレッド光
に変換される。グリーン蛍光集光体の下面から流出する
蛍光は、ブルー蛍光集光体内を透過し、反射板で反射さ
れ、再びブルー蛍光集光体，グリーン蛍光集光体内を透
過し、レッド蛍光集光体内に入射して吸収され、レッド
光に変換される。なお、レッド蛍光集光体の上面，下面
から流出する蛍光は、グリーン蛍光集光体，ブルー蛍光
集光体の吸収スペクトルと一致しないため、これだけは
損失となる。

このように、本発明によれば、各蛍光集光体から流出
した蛍光は、他の蛍光集光体において吸収されるため、
太陽光の吸収効率は極めて高く、各蛍光集光体をそれぞ
れ単独で用いた場合に比べ、太陽光から白色光や、その
他各色の光を効率良く得ることが可能となる。

また、本発明は請求項（３）に記載のように、レッ
ド，グリーンおよびブルーの各蛍光の光路にそれぞれ光
シャッターを設け、各光シャッターを開閉制御すること
により、伝送導波路の出力端から異なる色の光を得るこ
とができ、例えばショーウィンドー等の照明用としてそ
の幅広い用途が期待される。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の波長変換集光部の光の
入射面は、レッド蛍光集光体側にある。よって、レッド
蛍光集光体で吸収されなかったグリーン光及びグリーン
蛍光集光体で吸収されなかったブルー光を無駄にせず、
利用できる。また、ブルー蛍光集光体において吸収され
る紫外光は、強度が下がっているが、ブルー蛍光集光体
で放出されるブルー光は、大きな強度にすることができ
る。本発明によれば、波長変換集光部に蛍光集光体を用
いているため、太陽光を集光して例えば屋内照明光を得
る場合には、集光部としてレンズ系を用いた場合のよう
な正確な太陽追尾が不要となり、装置全体の構成が簡単
かつ安価なものとなる。

さらに、本発明によれば、レッド蛍光集光体，グリー
ン蛍光集光体，ブルー蛍光集光体を積層配置し、太陽光
を集光しているため、太陽光に含まれる可視から紫外域
までの光を有効に利用するこどかでき、しかもグリーン
蛍光集光体，ブルー蛍光集光体から、全反射角の条件を
満さず外部に漏れる蛍光を他の蛍光集光体で吸収利用す
ることができるため、太陽光の利用効率が極めて高い。

さらに、本発明によれば、太陽光を３種類の蛍光集光
体を用いレッド，グリーンおよびブルーの３原色に分割
して収集し、それを伝送導波路内で合体させることによ
り良好な白色光を得ることができる。特に本発明により
得られる白色光には、紫外線，赤外線等が含まれていな
いため、これを室内照明用として用いた場合にも目や皮
膚への紫外線，赤外線の悪影響の心配がなく、また夏期
において冷房付加を増大させることもないという効果も
ある。

また、本発明によれば請求項（３）に記載のようにレ
ッド，グリーンおよびブルーの各光路にそれぞれ光シャ
ッターを設け、各光シャッターを開閉制御することによ
り、前述した白色光ばかりでなく、レッド，グリーン，
ブルー，マゼンダ，イエロー，シアン，ホワイト等の異
なる色の光を得ることができ、ショーウインド等の照明
およびその他の用途に幅広く適用することができる。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明
する。

第１実施例 第１図には、本発明にかかる光収集装置の好適な第１
実施例が示されている。この実施例の装置は、太陽光10
0を波長変換集光部20を用いて収集し、これを集光導波
路40を介し伝送導波路50へ導くことにより、その伝送導
波路50の出力端54から室内照明用の白色光を得るように
構成されている。

本発明の特徴は、前記波長変換集光部20を、グリーン
光を吸収してレッド光を放出するレッド蛍光集光板22R
と、ブルー光を吸収してグリーン光を放出するグリーン
蛍光集光板22Gと、紫外光を吸収しブルー光を放出する
ブルー蛍光集光板22Bとを積層して構成し、太陽光100を
レッド光110R,グリーン光110G,ブルー光110Bの３原色に
分けて収集することにある。

そして、本発明の波長変換集光部20は、レッド蛍光集
光板22R、グリーン蛍光集光板22G、ブルー蛍光集光板22
B、反射板24の順で、適当な空気層を有するように積層
配置されており、かつレッド蛍光集光板22Rの表面から
太陽光100が入射されるように構成されている。

これにおいて、実施例のレッド蛍光集光板22Rは、レ
ッド蛍光体26Rを分散させたポリメチルメタアクリレー
ト（以下PMMAと記す）で形成され、グリーン蛍光集光板
22Gは、同様にグリーン蛍光体26Gを分散させたPMMAで形
成され、ブルー蛍光集光板22Bは、ブルー蛍光体26Bを分
散させたPMMAで形成されている。また、前記反射板24
は、ガラスにアルミニウムをコーティングして形成され
ている。

第２図には、前記各蛍光集光板22R,22G,22Bに含まれ
る各蛍光体26R,26G,26Bの吸収スペクトルと蛍光スペク
トル特性が示されている。

実施例においては、レッド蛍光体26Rとして吸収スペ
クトル210a,蛍光スペクトル220aを有するローダミン6G
を用い、入射する光からグリーン光（波長500〜600nm）
を吸収し、レッド光（波長600〜700nm）を蛍光として放
出する。

また、前記グリーン蛍光体26Gとして吸収スペクトル2
10b,蛍光スペクトル220bを有するクマリン６を用い、入
射する光からブルー光（波長400〜500nm）を吸収し、グ
リーン光（波長500〜600nm）を蛍光として放出する。

また、前記ブルー蛍光体26Bとして吸収スペクトル210
c,蛍光スペクトル220cを有する４−メチルクマリンを用
い、入射する光から紫外線（波長340〜400nm）を吸収
し、ブルー光（波長400〜500nm）を蛍光として放出す
る。

また、集光導波路40R,40G,40Bが設けられた端面以外
の３つの端面にはそれぞれ反射膜28が設けられているの
で、全反射角の条件を満たさない蛍光の漏出が防止され
る。

また、前記集光導波路40は、各蛍光集光板22R,22G,22
Bの一端部に取付けられた３個の集光導波路40R,40G,40B
を含み、各蛍光集光体22R,22G,22Bから放出されるレッ
ド光，グリーン光およびブルー光を別個独立に取出すよ
う構成されている。

これにより、各蛍光集光板22R,22G,22B内に太陽光100
を入射した際発生するレッド光，グリーン光，ブルー光
は、それぞれ対応する集光導波路40R,40G,40Bから良好
に取出され、伝送導波路50へ導かれることになる。

本実施例において前記各集光導波路40R,40G,40Bは、
その入力端が対応する蛍光集光板22R,22G,22Bの接合端
面と同じ矩形断面形状をしており、またその出力端は伝
送導波路50の入力端と同じ円形断面形状をしている。そ
して、それら各入力端と出力端との間は、矩形断面形状
から徐々に円形断面形状に変化するよう構成されてい
る。そして、その入力端と出力端以外の外周には、反射
膜としてAl膜がコーティングされており、各集光導波路
40から外部へ光が洩れないようになっている。

また、前記伝送導波路50は、３本に分岐した52R,52G,
52Bの入力部を有し、各入力部52R,52G,52Bの入力端面が
対応する集光導波路40R,40G,40Bの出力端面と接合され
ている。

実施例において、伝送導波路50は、光ファイバーの束
として形成されており、各入力端部52R,52G,52Bを介し
て入力された各光は１つに合流し、その出力端54から放
出されることになる。

本実施例は以上の構成からなり、次にその作用を説明
する。

実施例の装置では、波長変換集光部20に太陽光100が
入射すると、各蛍光集光板22R,22G,22Bが、太陽光の全
スペクトル（波長340〜2000nm）のうち、紫外から可視
域の光（波長340〜600nm）を吸収し、これをブルー光11
0B（波長400〜500nm），グリーン光110G（波長500〜600
nm），レッド光110R（波長600〜700nm）に波長変換して
放出する。そして、放出された各光110R,110G,110Bは、
蛍光板22R,22G,22Bから集光導波路40R,40G,40Bを介し伝
送導波路50に導かれる。このため、伝送導波路50の出力
端54からは、加法混色の原理により前記３色光が混合さ
れてできた白色光（波長400〜700nm）が出力される。

このようにして得られた白色光には、照明に不必要な
紫外線（波長340〜400nm）と赤外線（波長700〜2000n
m）が含まれていない。このため、得られる白色光を室
内照明用として用いても、目や皮膚への紫外線や赤外線
の障害の心配がないという優れた特徴を有している。

これに加えて、得られる白色光には赤外線が含まれて
いないため、これを室内照明として用いた場合にも、室
温を上昇させることがないため、夏期の冷房付加を増大
させることなく省エネルギーの面からも非常に有効であ
る。

また、本発明においては、太陽スペクトルの可視から
紫外域の大部分を効率良く収集することができるという
効果を有する。これに加えて、本実施例では、各集光板
22R,22G,22B内を透過してきた光を反射板24を用いて再
度集光板22R,22G,22B内へ再反射するため、太陽光100の
利用効率をさらに高めることができる。さらに、本発明
ではブルー蛍光集光板22Bから洩れる蛍光は真上のグリ
ーン蛍光集光板22Gの吸収スペクトルと一致しており、
さらにグリーン蛍光集光板22Gから洩れる蛍光はレッド
蛍光集光板22Rの吸収スペクトルと一致しているため、
これら両蛍光集光板22G,22Bから洩れる蛍光は他の蛍光
集光板22R,22Gで再吸収され、この面からも太陽光の利
用効率をより高いものとすることができる。

このように、本実施例によれば、太陽光100の可視か
ら紫外域までの光を効率良く吸収し、紫外線，赤外線な
どを含まない良好な白色光を得ることができるため、自
然光から室内照明およびその他の用途に好適な白色光を
効率よく得ることができることが理解されよう。

また、本実施例の装置は太陽光の集光に蛍光集光板22
を使用しているため、レンズ系を用いた装置のように、
太陽を追尾する必要が無く、装置全体の構成を簡単かつ
安価にできるという利点を有する。

第２実施例 第３図には、本発明の好適な第２実施例が示されてい
る。

本実施例は、レッド光110R,グリーン光110G,ブルー光
110Bの各光路に光シャッタ60R,60G,60Bを設け、各光シ
ャッタ60R,60G,60Bを開閉制御することにより、伝送導
波路50の出力端54から異なる色の光を出力することを特
徴とするものである。

本実施例において、前記各光シャッタ60R,60G,60B
は、集光導波路40R,40G,40Bと伝送導波路50との間に、
円形開口部を有する厚さ0.1mmのステンレス製薄板を挿
入することにより形成されている。

従って、例えば第３図に示すよう光シャッタ60R,60B
がON状態（円形開口部が伝送導波路40の開口と一致した
状態）で、光シャッタ60GがOFF状態の場合を想定する
と、伝送導波路50内ではレッド光110Rとブルー光110Bの
混色によりマゼンダ光（Magenta,赤紫色）が得られる。
また、光シャッタ60R,60GがON状態で、光シャッタ60Bが
OFF状態の場合は、レッド光110Rとグリーン光110Gの混
色によりイエロー光が得られる。

以上の構成とすることにより、光シャッタ60R,60G,60
BのON,OFFの組合せにより、伝送導波路50の出力端54か
らレッド，グリーン，ブルー，マゼンダ，イエロー，シ
アン（青緑），ホワイトの７色の異なる光を得ることが
できるという効果がある。

従って、本実施例の装置は、ショウインドー等の照明
用として、またその他の用途に幅広く用いることができ
る。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものでなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、前記実施例では、蛍光集光板22を、PMMAに蛍
光体を分散させて形成したものを用いたが、本発明はこ
れに限らず、例えば他の透明樹脂，ガラス，液体に蛍光
体を分散させて形成することも可能である。

また、前記各実施例では、レッド蛍光体26Rとしてロ
ーダミン6G,グリーン蛍光体26Gとしてクマリン6,ブルー
蛍光体26Bとして４−メチルクマリンを用いた場合を例
にとり説明したが、例えば第２図に示すような吸収スペ
クトル，蛍光スペクトル特性を有する蛍光体であれば、
前記実施例のような有機蛍光体に限らず無機蛍光体を用
いてもよい。

また、前記実施例では太陽光から室内照明用の白色光
または他の光を得る場合を例にとり説明したが、太陽光
以外に適切な光源がある場合には、その光源を用いて同
様にして白色光およびその他の光を得ることができる。

また、前記各蛍光集光板22R,22G,22Bは、各蛍光体26
R,26G,26Bからの発光をその表面で全反射するように屈
折率が表面に向って小さくなるように調整してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる光収集装置の好適な第１実施例
を示す説明図、 第２図は第１図に示す実施例に用いられる蛍光体の吸収
スペクトルおよび蛍光スペクトル特性の説明図、 第３図は本発明の好適な第２実施例の説明図、 第４図は集光部としてレンズ系を用いた従来装置の一例
を示す説明図、 第５図は集光部として蛍光集光板を用いた従来装置の一
例を示す説明図である。 20……波長変換集光部、22R……レッド蛍光集光板、22G
……グリーン蛍光集光板、22B……ブルー蛍光集光板、2
4……反射板、26R,26G,26B……蛍光体、28……反射膜、
40R,40G,40B……集光導波路、50……伝送導波路、60R,6
0G,60B……光シャッタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/00 F21S 11/00 F21V 8/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】グリーン光を吸収してレッド光を放出する
   レッド蛍光集光体と、ブルー光を吸収してグリーン光を
   放出するグリーン蛍光集光体と、紫外光を吸収してブル
   ー光を放出するブルー蛍光集光体と、を備え、前記レッ
   ド蛍光集光体、前記グリーン蛍光集光体、前記ブルー蛍
   光集光体の順で積層配置され、かつ光の入射面が前記レ
   ッド蛍光集光体側にある波長変換集光部と、 前記各集光体から放出されるレッド，グリーン及びブル
   ーの各光を別個独立に導く複数の集光導波路と、 前記各集光導波路により導かれた異なる色の光を混色し
   放出する伝送導波路と、 を含むことを特徴とする光収集装置。
2. 【請求項２】請求項（１）において、 前記波長変換集光部は、光の入射面と反対側の面に反射
   板が設けられ、集光体内を透過した光を集光体へ再反射
   するよう構成されたことを特徴とする光収集装置。
3. 【請求項３】請求項（１）または（２）において、 前記各蛍光集光体から放出され、前記伝送導波路内にお
   いて混色されるまでの間のレッド、グリーン及びブルー
   光の各光路にそれぞれ光シャッターを設け、前記各光シ
   ャッターを開閉制御することにより、前記伝送導波路か
   ら異なる色の光を放出することを特徴とする光収集装
   置。