JP4351164B2 - 光伝送部品 - Google Patents

Description

［発明の分野］
本発明は、概して、太陽光集光および伝送システムに使用される光伝送部品に関する。

［発明の背景］
電気照明装置は、多くの場合に非常に非効率的であり、通常は９０％を超える電気エネルギが有用な光に変換されない。しかしながら、太陽光は自由に利用可能であり、照明目的のために太陽光を集光するという試みがなされてきた。

米国特許第６０５９４３８号明細書は、太陽光集光および伝送システムを開示している。この開示システムは、３つの平坦な集光シートを備える。３つのシートは互いに積み重ねられており、蛍光染料分子を添加した高分子材料からなる。染料分子は、特定波長の太陽光を吸収し、続いてわずかにより長い波長を有する蛍光を放出する。第１シートには青色染料分子が添加され、第２シートには緑色染料分子が添加され、第３シートには赤色染料分子が添加される。発生した蛍光は、集光シート内での内部全反射によって導かれ、また、青色、緑色および赤色蛍光を組み合わせることによって、白色光を発生することができる。この太陽光集光および伝送システムの利点の１つは、入射光の吸収および蛍光の放出の両方が任意の好都合な方向に起きるわけではないことである。したがって、そのようなシステムの効率は、入射太陽光の方向にほとんど左右されない。

建物の内部を照明するために、発生した光を集光シートから建物内へ導く必要がある。しかし、光が内部全反射によって導かれるとき、幾何学的制約条件が満たされなければ、光伝送損失が発生し、これは、好都合かつ効率的な太陽光の伝送にとって問題である。たとえば、ケーブル様の導体によって光を伝送することが有効であろう。

［発明の概要］
本発明は、第１態様において、所定範囲の波長の光を透過する材料から形成された光伝送部品であって、
ほぼ平坦な第１部分と、
中実な丸形の第２部分と、
第１部分および第２部分間に配置された中間部分であって、少なくとも一部が中空かつ丸形である中間部分と、
を備え、
光を第１部分から中間部分を経て第２部分に導くように構成されている光伝送部品を提供する。

本発明は、第２態様において、所定範囲の波長の光を透過する材料から形成された光伝送部品であって、
ほぼ平坦な第１部分と、
中実な丸形の第２部分と、
第１部分および第２部分間に配置された中間部分であって、少なくとも一部が中空かつ丸形である中間部分と、
を備え、
上記光伝送部品は、光を第１部分から中間部分を経て第２部分に導くように構成されており、また、
上記光伝送部品は、第１部分から第２部分に導かれる光が、その光を導いて通す材料の断面積の２０％を超える減少を受けないように構成されている光伝送部品を提供する。

以下の記載は、本発明の第１態様および第２態様に従った光伝送部品に関する。

本明細書全体を通して、「丸形」という用語は、角がない任意形状について使用される。たとえばこれは、楕円形か、あるいは全体的に湾曲した形状を含んでもよい。また、「断面積」と言う用語は、平均的な光伝播方向に直角に（transversely）測定した断面積について使用される。

光伝送部品は通常、光を導いて通す材料の断面積の減少を光が受けないようにして、光を第１部分から中間部分を経て第２部分に導くように構成されている。

「断面積の減少を受けないであろう」という表現は、断面積の２〜３パーセントの減少を許容する幅広い意味を有するものと理解されるであろう。

本発明者は、太陽光用の集光器が好ましくはほぼ平坦な形状であるべきであることを突き止めた。しかし、光は、たとえば直径を２５ｍｍ以下にすることができる可撓性の中実な丸形高分子ケーブルなどのほぼ円筒形をした光ケーブルで最も好都合に導かれる。光ケーブルは、単一コアを有してもよく、あるいは束状の光ファイバを備えてもよい。一実施形態では、以上に定義した光伝送部品は、そのような集光シート（またはそのようなシートのスタック）および光ケーブル間のリンクとなり、そのリンクを介した効率的な光伝送を可能にする。光伝送部品はまた、少なくとも１つの集光シートおよび光ケーブルを備えてもよい。この場合、集光部品は、集光シートのスタックを有することができる。

１つの特定の実施形態では、断面積が光伝送部品全体を通してほぼ一定であり、また、使用の際の伝播光の平均立体角も光伝送部品全体を通してほぼ一定である。さらに屈折率は、光伝送部品全体を通して一定でもよい。

代替として、光伝送部品は、第１部分から第２部分に送られる光が、使用の際に光を導びいて通す材料の断面積の増加を受けるように構成されることができる。たとえば、これは、第２部分が、クラッドコア領域を有する光導体に結合されるか、またはその光導体を備え、そのクラッドが空気より高い屈折率を有する場合に当てはまるであろう。光伝送部品は、使用の際に、第１部分から第２部分に送られる光の場合の断面積および平均立体角の積の変化が２０％未満であり、１つの特定の実施形態では、断面積および平均立体角の積がほぼ一定であるように構成されることができる。

光伝送部品の第２丸形部分を低屈折率の材料でクラッディングしてもよい。さらに、中間部分を低屈折率の材料でクラッディングしてもよい。低屈折率の材料は、高分子材料であってもよい。

第１部分は、任意のやり方で曲げるか、または輪郭を定めることができ、波形でもよい。第１部分は、２つのほぼ平行な表面を有することができ、１つの特定の実施形態では、ほぼ矩形の断面形状である。１つの特定の実施形態において、第１部分は、集光シートに接続されるように構成され、集光シートの断面形状に一致する断面形状を有する。たとえば、第１部分は矩形シートを備えることができ、ほぼ平行な表面は上記シートの上部および底部である。

光伝送部品は、使用の際に、第１部分から第２部分に導かれる光が、光伝送部品の断面形状および長手方向形状において、漸進的遷移を受けるように構成されている。１つの特別な実施形態では、形状の変化が非常に漸進的であり、それにより、部品内を導光するときの光の曲げ損失が無視できる程度である。

光伝送部品は、光ケーブルなどの光導体デバイスか、または光を電気エネルギに変換する装置などの光変換装置に接続されるように構成してもよい。光伝送部品は、光ケーブルに対面接続されるように構成してもよい。

第１部分は、少なくとも１つの集光シートに直接接続されるように構成することができ、また、集光シートまたは複数の集光シートの各々と対面接続されるように構成してもよい。この場合、集光シートおよび光伝送部品は、それらを一体型光学システムに組み込むのを助ける要素を含むことができる。たとえば、集光シートおよび光伝送部品は、オス・メス接続されるように構成することができ、また、トング・溝形式の接続を可能にする機構を有してもよい。第１部分はまた、染料分子を添加して、太陽光の吸収および蛍光放射線の放出を行うように構成された少なくとも１つの集光シートを有してもよい。集光シートまたは複数の集光シートの各々および光伝送部品を一体状に形成してもよい。

光伝送部品は好ましくは、集光シートまたは複数の集光シートの各々の屈折率に近い屈折率を有する透過材料から形成することができる。１つの特定の実施形態において、材料は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの高分子材料である。

本発明はまた、第３態様において、所定範囲の波長の光を透過する材料から形成された光伝送部品であって、
ほぼ平坦な第１部分と、
中実な丸形の第２部分と、
第１部分および第２部分間に配置された中間部分と、
を備え、
光を導いて通す材料の断面積の２０％を超える減少を光が受けないようにして、光を第１部分から中間部分を経て第２部分に導くように構成されている光伝送部品を提供する。

本発明は、第４態様において、所定範囲の波長の光を透過する材料から形成された光伝送部品であって、
ほぼ平坦な第１部分と、
中実な丸形の第２部分と、
第１部分および第２部分間に配置された中間部分と、
を備え、
光を導いて通す材料の断面積の減少を光が受けないようにして、光を第１部分から中間部分を経て第２部分に導くように構成されている光伝送部品を提供する。

本発明は、第５態様において、光伝送部品であって、
離隔配置された第１部分および第２部分であって、第１部分は、集光シートから光を受け取るのに適した断面を与えるように平坦であり、第２部分は、断面が丸形かつ中実である、第１部分および第２部分と、
第１部分および第２部分間に配置されて、光を第１部分から第２部分に伝送するように構成された中間部分であって、その長さに沿って平坦部分から中空コアを組み込む部分を経て丸形部分まで変化する断面形状を有する、中間部分と、
を備える光伝送部品を提供する。

次に、添付の図面を参照しながら、単なる例示として特定の実施形態を説明する。

［特定の実施形態の詳細な説明］
次に、図１を参照しながら光伝送部品を説明する。本実施形態では、光伝送部品１０は、矩形部分１２と、中空のリング状部分１４とを有し、部分１２および部分１４間に中間部分１５が配置されている。矩形部分１２は、集光シート１６に対面接合されることができるような形状である。すべての部品の表面は光学的に平滑である、すなわち、すべての部品の表面の凹凸は、それらに導入される光の波長より小さい。

本実施形態において、矩形部分１２は、集光シート１６と同一の断面形状を有する端面１７を備える。使用の際に、端面１７は、適当な光ジョイントを使用して集光シート１６に接合される。これは、光透過性接着剤、光学溶接、屈折率整合ジェルまたは他の適当な手段によって達成することができる。本実施形態の変更例では、集光シート１６の代わりに、使用の際に端面１７に接合されるスタック状の集光シートが用いられる。

中空のリング状部分１４は、光ケーブル（図示せず）に接続される中空−中実カプラ１８などのさらなる光伝送部品に接続されるように構成されている。

代替実施形態では、矩形部分１２は集光シート１６の一部であって、集光シート１６と一体状に形成してもよい。本実施形態の１つの変更形では、集光シート１６の代わりに、スタック状の集光シートを用いてもよい。

米国特許第６，２７２，２６５号明細書は、蛍光太陽光集光および伝送システムを光学的に連続的に、すなわち、光路に沿って空隙ギャップを伴わないように構成すれば、そのシステムの出力を大幅に増加させることができる方法を開示している。

集光シート１６内で発生した蛍光は、光伝送部品１０内へ導かれる。光伝送部品１０は、ほぼ矩形部分１２から中間部分１５を経てリング状部分１４に導かれる光が漸進的遷移を受けて、断面積の減少を受けないようにする形状になっている。遷移は、光伝送部品を形成するシートの幅の数倍に対応する距離にわたって起きる。光伝送部品１０は、光が光伝送部品１０内を導かれるときに生じる曲げ損失が最小になるようにする形状になっている。

本実施形態では、光伝送部品１０は、ＰＭＭＡから形成されている。光伝送部品１０は、射出成形か、またはキャスティングによって作製してもよい。光散乱損失を減少させるため、すべての表面が光学的に平滑である。必要ならば、光伝送部品１０の表面にジメチルメタクリレートの溶液を塗布することにより、表面の凹凸を減少させてもよい。縁部は、直角をなすように構成され、それにより、内部全反射によって搬送される光の損失が減少する。

本実施形態の変更形では、リング状部分１４の端面は、中空−中実カプラを用いないで光ケーブルの端面に直接的に接合される。この場合、図１の部品１８は、光ケーブルを表す。本実施形態では、光ケーブルは単一コアを有する。しかし、代替実施形態では、光ケーブルが束状の光ファイバを有してもよいことは理解されるであろう。リング状部分１４は、光ケーブルの導光部分の外径と一致する外径を有する。

図２は、別の実施形態の分解斜視図を示す。本実施形態において、光伝送部品２０は、中空のリング状端面２３と、反対側の矩形端面２４とを有する部分２２を備える。リング状端面２３は、中空−中実カプラ２７に接合され、それにより、光伝送部品は、中空であるさらなる中間部分を備える。本実施形態の変更形では、部分２２および中空−中実カプラ２７を１つの一体部品として形成することもできることは理解されるであろう。中空−中実カプラは、高分子光ケーブル２８に結合されるように構成された中実の丸形端面２６を有する。部分２２の矩形端面２４は、集光シート２９に接合されるように配置される（やはり、集光シート２９はスタック状の集光シートでもよい）。

図３は、図１に示された光伝送部品１０の場合の光線追跡図を示す。光伝送部品３０は、さまざまな方向に蛍光放射線を発生することができる染料分子３２を有し、放射線は、内部全反射によってリング状部分３４の方に導かれる。本図面は、可能な光線追跡の１つの任意選択を示す。

太陽光を吸収して蛍光放射線を発生する集光および伝送システムの場合に関して本発明を説明してきたが、本発明はより広い用途を有することは理解されるであろう。光伝送部品は、任意の光源から発する光の伝送に使用することができる。さらに、光伝送部品は、任意形式の光導体デバイスまたは光変換装置への、直接的か、またはカプラを介するかのいずれかの光の伝送を行うように構成してもよいことは理解されるであろう。

米国特許第６０５９４３８号明細書および米国特許第６２７２２６５号明細書を参照することは、これらの書類がオーストラリアまたはいずれの他の国における当該技術の普通の一般的な知識の一部を形成するということを認めるものではないことを理解されたい。

一実施形態に従った光伝送部品の斜視図である。 別の実施形態に従った光伝送部品の分解斜視図である。 光伝送部品の光線追跡図である。

Claims (27)

1. 所定範囲の波長の光を透過する材料から形成された光伝送部品であって、
   ほぼ平坦な第１部分と、
   中実な丸形の第２部分と、
   前記第１部分および前記第２部分間に配置された中間部分であって、少なくとも一部が中空かつ丸形である中間部分と、
   を備え、
   該光伝送部品は、光を前記第１部分から前記中間部分を経て前記第２部分に導くように構成されている光伝送部品。
2. 所定範囲の波長の光を透過する材料から形成された光伝送部品であって、
   ほぼ平坦な第１部分と、
   中実な丸形の第２部分と、
   前記第１部分および前記第２部分間に配置された中間部分であって、少なくとも一部が中空かつ丸形である中間部分と、
   を備え、
   該光伝送部品は、光を前記第１部分から前記中間部分を経て前記第２部分に導くように構成されており、かつ、
   該光伝送部品は、前記第１部分から前記第２部分に導かれる光が、その光を導いて通す前記材料の断面積の２０％を超える減少を受けないように構成されている光伝送部品。
3. 前記第１部分から前記第２部分に導かれる光は、その光を導いて通す前記材料の断面積の減少を受けないように構成されている、請求項１または２に記載の光伝送部品。
4. 前記断面積は、該光伝送部品全体を通してほぼ一定である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光伝送部品。
5. 使用の際に、前記伝播光の平均立体角は、該光伝送部品全体を通してほぼ一定である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光伝送部品。
6. 前記第１部分から前記第２部分に導かれる光は、使用の際に前記断面積および前記平均立体角の積がほぼ一定である導光状態を受けるように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光伝送部品。
7. 屈折率が、該光伝送部品全体を通して一定である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光伝送部品。
8. ２つのほぼ平行な表面を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光伝送部品。
9. 前記第１部分は、矩形シートを備える、請求項１または２に記載の光伝送部品。
10. 前記第１部分から前記第２部分に送られる光は、その光を導いて通す前記材料の断面積の増加を受ける、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光伝送部品。
11. 使用の際に、前記第１部分から前記第２部分に導かれる光は、前記断面積および前記平均立体角の積の変化が２０％を超えない導光状態を受けるように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光伝送部品。
12. 使用の際に、前記第１部分から前記第２部分に導かれる光は、該光伝送部品の断面形状および長手方向形状の漸進的遷移を受ける、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光伝送部品。
13. 前記形状の変化は、非常に漸進的であり、それにより、光を該光伝送部品で導くとき、その光の曲げ損失を無視することができる、請求項１２に記載の光伝送部品。
14. 光ケーブルに接続されるように構成されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光伝送部品。
15. 前記光ケーブルに対面接続されるように構成されている、請求項１４に記載の光伝送部品。
16. 光変換装置に対面接続されるように構成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の光伝送部品。
17. 少なくとも１つの集光シートに直接接続されるように構成されている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光伝送部品。
18. 前記第１部分は、前記集光シートまたは各集光シートに対面接続されるように構成されている、請求項１７に記載の光伝送部品。
19. 前記第１部分は、太陽光を吸収して蛍光放射線を放出するように構成され、染料分子が添加されている少なくとも１つの集光シートを備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光伝送部品。
20. 前記集光シートまたは各集光シートおよび該光伝送部品は、一体状に形成される、請求項１９に記載の光伝送部品。
21. 前記集光シートまたは各集光シートの屈折率に近い屈折率を有する透過材料から形成される、請求項１９または２０に記載の光伝送部品。
22. 前記材料は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である、請求項２１に記載の光伝送部品。
23. 前記光ケーブルは、単一コアを有する、請求項１４または１５に記載の光伝送部品。
24. 前記光ケーブルは、束状の光ファイバを有する、請求項１４または１５に記載の光伝送部品。
25. 該光伝送部品の前記第２丸形部分は、低屈折率の材料でクラッディングされている、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の光伝送部品。
26. 該光伝送部品の前記中間部分は、前記低屈折率の材料でクラッディングされている、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の光伝送部品。
27. 光伝送部品であって、
    離隔配置された第１部分および第２部分であって、該第１部分は、集光シートから光を受け取るのに適した断面を与えるように平坦であり、該第２部分は、断面が丸形かつ中実である、第１部分および第２部分と、
    前記第１部分および前記第２部分間に配置されて、光を前記第１部分から前記第２部分に伝送するように構成された中間部分であって、その長さに沿って平坦部分から中空コアを組み込む部分を経て丸形部分まで変化する断面形状を有する、中間部分と、
    を備える光伝送部品。

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