JP3098792U - 擬似太陽光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで面内分布が良好な平行光線を照射することができる擬似太陽光照射装置を提供する。
【解決手段】光源１から放射される光Ａを積分光学系２で均等に分散させてフレネルレンズ７に入射させ、フレネルレンズ７によって所定の大きさに集束させた平行光線として試験体６に均一に照射することにより、コストの低減を図ることができる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【考案の属する技術分野】
本考案は、自然太陽光に近いスペクトル分布を有する擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試験体としての太陽電池などの各種太陽エネルギー利用機器の特性測定等や、繊維、塗料などに対する対光試験などを行う際においては、自然太陽光に近いスペクトル分布を有する擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置（ソーラーシミュレータ）が使用されている（例えば、特許第３２２５５１３号公報など）。
【０００３】
従来の擬似太陽光照射装置は、例えば図７に示すように、太陽光線に近いスペクトル特性を有する光を発する光源（例えばキセノン短アークランプ）１と、光源１の光路上に配置した積分光学系（インテグレータ）２と、コリメータレンズ３を備えており、光源１から発せられた太陽光線に近いスペクトル特性を有する光（擬似太陽光）Ａは、楕円鏡４で集光されて放射され、反射ミラー５で光路が９０度曲げられて積分光学系２に入射される。そして、積分光学系２は集光されたこの光Ａの光束を均等に分散させ、コリメータレンズ３で所定の大きさに集束させた平行光線にして試験体６に均一に照射する。
【０００４】
【考案が解決しようとする課題】
上述したように従来の擬似太陽光照射装置では、積分光学系２により光束が均等に分散された光Ａをガラス材からなるコリメータレンズ３で平行光線にして、試験体６に均一に照射するようにしている。このため、面内分布が良好な平行光線を得るためには、球面精度が良いコリメータレンズ３が要求されることによって、コリメータレンズ３の製作コストが高くなり、装置全体のコストアップにつながっていた。
【０００５】
また、装置の小型化等を図るために、積分光学系２との間の焦点距離を短くしてコリメータレンズ３の厚みを厚くすると、加工が難しくなって製作コストも高くなり、更に、コリメータレンズ３の中心部と周辺部とでレンズ厚みの差が大きくなって面内分布が悪くなり、良好な平行光線を得ることができなくなるおそれもあった。
【０００６】
更に、照射面積の大きな平行光線を得るために、コリメータレンズの代わりに球面鏡を用いて、照射面積の大きな平行光線を試験体に照射する構成の擬似太陽光照射装置もあるが、球面鏡を用いた場合には、積分光学系との間の焦点距離が長くなり、かつ球面鏡で光の光軸を所定方向に曲げて試験体に平行光線を照射することにより、装置全体が大型化し、装置全体のコストアップにつながっていた。
【０００７】
そこで本考案は、低コストで面内分布が良好な平行光線を照射することができる擬似太陽光照射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本考案は、自然太陽光のスペクトル分布に近似したスペクトル分布を有する光を放射する光源と、前記光源から放射される光を集光させる集光手段と、前記集光手段で集光された光を入射し、入射した光を均等に分散させて出射させる積分光学系と、前記積分光学系から出射された光を入射し、入射した光を所定の大きさに集束させた平行光線として出射させるフレネルレンズと、を具備したことを特徴としている。
【０００９】
また、前記フレネルレンズの光が入射する側に形成した加工面に、前記フレネルレンズ自体の熱変形を抑えるための薄板状の透明ガラス板を設けたことを特徴としている。
【００１０】
また、フレネルレンズの光が出射する側のフレネル加工されていない平面に、前記フレネルレンズから出射される平行光線の出射角度の補正又は出射される平行光線の面内分布の補正を行うための光学補正膜を設けたことを特徴としている。
【００１１】
【考案の実施の形態】
以下、本考案を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１２】
〈実施の形態１〉
図１は、本考案の実施の形態１に係る擬似太陽光照射装置（ソーラーシミュレータ）の要部を示す概略構成図である。なお、図７に示した従来の擬似太陽光照射装置と同一機能を有する部材には同一符号を付して説明する。
【００１３】
本実施の形態に係る擬似太陽光照射装置は、図１に示すように、太陽光線に近いスペクトル特性を有する光を発する光源（本実施の形態ではキセノン短アークランプ）１と、光源１の光路上に配置した積分光学系（インテグレータ）２と、フレネルレンズ７を備えている。
【００１４】
光源１から発せられた太陽光線に近いスペクトル特性を有する光（擬似太陽光）Ａは、楕円鏡４で集光されて放射され、必要に応じてスペクトル分布を調整するためのスペクトル補正フィルター（不図示）を介して、反射ミラー５により光路が９０度曲げられて積分光学系２に入射される。そして、積分光学系２は集光されたこの光Ａの光束を均等に分散させ、フレネルレンズ７で平行光線にして試験体（例えば太陽電池）６に均一に照射する。
【００１５】
フレネルレンズ７は、図２に示すように、平板状でアクリル（ＰＭＭＡ）製からなり、光Ａの入射側に細かいピッチののこぎり状のフレネル加工面（図２の左側表面）を有している。アクリル製のフレネルレンズ７は、射出成型加工によって大量に生産することができるので、上述した従来のガラス材からなるコリメータレンズに比べて大幅に安価である。なお、擬似太陽光照射装置の仕様特性に応じてフレネルレンズ７の材質を、上記のアクリル以外に、例えばＵＶ透過アクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、非晶性ポリオレフィン等で形成してもよい。
【００１６】
更に、本実施の形態では、図１、図２に示すように、フレネルレンズ７の積分光学系２側のフレネル加工面（図１、図２のフレネルレンズ７の左側表面）の表面に薄板状の透明ガラス板８が接着されている。この透明ガラス板８は、例えば石英ガラス、パイレックスガラス、ＢＫ−７ガラスで形成されている。
【００１７】
アクリル製のフレネルレンズ７は、図３に示すように、入射する光Ａの熱によって変形（周辺部が光Ａの出射側（図３の右側）に湾曲）して、良好な平行光線が得られなくなるが、本実施の形態のように、フレネルレンズ７の積分光学系２側のフレネル加工面に透明ガラス板８を接着することにより、フレネルレンズ７の熱による変形を防止して、面内分布の良好な平行光線を出射することができる。
【００１８】
このように本実施の形態では、従来のコリメータレンズの代わりに安価なフレネルレンズ７を用いることにより、コストの大幅な低減を図ることができ、かつ面内分布の良好な平行光線を照射することができる。
【００１９】
なお、上述した実施の形態では、光源１としてキセノン短アークランプを用いた構成であったが、この構成に限らず、例えば光源１を、キセノン短アークランプとハロゲン放電ランプ又は白熱ランプとで構成し、これらのランプから発せられる光を混合して太陽光線に近いスペクトル特性を有する光を放射するようにしてもよい。
【００２０】
〈実施の形態２〉
図１、図２に示した実施の形態１の擬似太陽光照射装置では、積分光学系２で分散された光の光束を平行光線にするフレネルレンズ７の、光の入射側の表面（フレネル加工面）に薄板状の透明ガラス板８した構成であったが、本実施の形態では、図４に示すように、フレネルレンズ７の平行光線が出射する平面状の表面（図４の右側表面）に、出射する平行光線を光学的に補正する光学補正膜９を配置した構成である。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２１】
このように、フレネルレンズ７の平行光線が出射する平面状の表面に、出射する平行光線の補正目的に応じた光学特性を有する光学補正膜９を配置したことにより、平行光線の出射角度の補正や、出射する平行光線の面内分布の補正を容易に行うことができる。
【００２２】
〈実施の形態３〉
図５は、本実施の形態に係る擬似太陽光照射装置の要部を示す概略構成図である。なお、図１に示した実施の形態１の擬似太陽光照射装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２３】
射出成型加工によって焦点距離の短いフレネルレンズ７も容易に製作することができるので、図５に示すように、分散角度が大きい積分光学系２と、焦点距離Ｆの短いフレネルレンズ７を用いることによって、装置の小型化を図ることができる。この場合においても、従来のコリメータレンズ３を用いた場合に得られる平行光線の試験体６に対する照射面積と略同じ照射面積を得ることができる。
【００２４】
これに対し、２点鎖線で示す従来例のように、積分光学系２により均等に分散された光の光束をコリメータレンズ３で平行光線にする構成では、積分光学系２の分散角度を大きくすると、コリメータレンズ３の焦点距離を短くする必要があるが、その外径（直径）よりも短い焦点距離のコリメータレンズ３の製作は困難である。また、コリメータレンズ３の焦点距離を短くするにはレンズ厚みを厚くする必要があるので、製作コストが高くなるとともに、レンズ中央部と周辺部とでレンズ厚みの差が大きくなり、面内分布が良好な平行光線を出射することができなくなる。
【００２５】
このように本実施の形態では、フレネルレンズ７を用いることによって、従来のコリメータレンズを用いる場合に比べて積分光学系２との間の焦点距離を大幅に短くすることができるので、試験体６に対する平行光線の照射面積を小さくすることなく、装置の小型化を図ることができる。
【００２６】
〈実施の形態４〉
図６は、本実施の形態に係る擬似太陽光照射装置の要部を示す概略構成図である。なお、図１に示した実施の形態１の擬似太陽光照射装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
照射面積の大きな平行光線が必要な場合でも、射出成型加工によって大口径のフレネルレンズ７も容易に得ることができるので、図６に示すように、試験体６に対して大きな照射面積（例えば直径Ｗ１＝３００ｍｍ）の平行光線を照射する場合に用いる擬似太陽光照射装置に用いることができ、装置の小型化とコストの低減を図ることができる。この擬似太陽光照射装置は、光源（不図示）と、分散角度が大きい積分光学系２と、大口径で焦点距離の短いフレネルレンズ７を有しており、光源（不図示）から放射された光Ａの光束を積分光学系２で均等に分散させ、フレネルレンズ７で得られる照射面積の大きな平行光線を試験体６に均一に照射することができる。
【００２８】
これに対し、２点鎖線で示す照射面積の大きな平行光線を照射する従来の擬似太陽光照射装置では、積分光学系２により均等に分散された光の光軸を球面鏡１０で所定方向に曲げるように反射させ、球面鏡１０で得られた大きな照射面積（例えば直径Ｗ２＝３００ｍｍ）の平行光線を試験体６に均一に照射するようにしている。なお、照射面積の大きな平行光線を照射する擬似太陽光照射装置の場合、大口径のコリメータレンズの製作は難しく、かつコストも非常に高くなる。上記したように、従来では、球面鏡１０で光の光軸を所定方向に曲げて照射面積の大きな平行光線を試験体６に均一に照射するようにしていたので、光の光路長が長くなって装置全体が大型化し、更に、装置の大型化にともなってコストも高くなる。
【００２９】
このように本実施の形態では、照射面積の大きな平行光線をフレネルレンズ７を用いて試験体６に均一に照射することができるので、従来の球面鏡を用いる場合に比べて大幅に装置の小型化を図ることができ、更に、コストの低減を図ることができる。
【００３０】
【考案の効果】
以上説明したように本考案によれば、従来用いていたコリメータレンズよりも大幅に安価なフレネルレンズを用いて所定の大きさに集束させた平行光線を出射させることにより、低コストで面内分布が良好な平行光線を照射することができる。
【００３１】
また、照射面積が大きな平行光線を照射する擬似太陽光照射装置の場合でも、フレネルレンズを用いることによって、装置全体の小型化と低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本考案の実施の形態１に係る擬似太陽光照射装置の要部を示す概略構成図。
【図２】本考案の実施の形態１に係る擬似太陽光照射装置に用いたフレネルレンズを示す断面図。
【図３】入射される光の熱によって湾曲した状態のフレネルレンズを示す断面図。
【図４】本考案の実施の形態２に係る擬似太陽光照射装置に用いたフレネルレンズを示す断面図。
【図５】本考案の実施の形態３に係る擬似太陽光照射装置の要部を示す概略構成図。
【図６】本考案の実施の形態４に係る擬似太陽光照射装置の要部を示す概略構成図。
【図７】従来例に係る擬似太陽光照射装置の要部を示す概略構成図。
【符号の説明】
１　　　　光源
２　　　　積分光学系
４　　　　楕円鏡（集光手段）
５　　　　反射ミラー
６　　　　試験体
７　　　　フレネルレンズ
８　　　　透明ガラス板
９　　　　光学補正膜

Claims (3)

1. 自然太陽光のスペクトル分布に近似したスペクトル分布を有する光を放射する光源と、
   前記光源から放射される光を集光させる集光手段と、
   前記集光手段で集光された光を入射し、入射した光を均等に分散させて出射させる積分光学系と、
   前記積分光学系から出射された光を入射し、入射した光を所定の大きさに集束させた平行光線として出射させるフレネルレンズと、を具備した、
   ことを特徴とする擬似太陽光照射装置。
2. 前記フレネルレンズの光が入射する側に形成したフレネル加工面に、前記フレネルレンズ自体の熱変形を抑えるための薄板状の透明ガラス板を設けた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の擬似太陽光照射装置。
3. 前記フレネルレンズの光が出射する側のフレネル加工されていない平面に、前記フレネルレンズから出射される平行光線の出射角度の補正又は出射される平行光線の面内分布の補正を行うための光学補正膜を設けた、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の擬似太陽光照射装置。

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