JP4865883B2 - 光源装置、およびこれを備えた擬似太陽光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、疑似太陽光を照射する光源装置、およびこれを備えた擬似太陽光照射装置に関する。

近年、太陽光に近い人工光（擬似太陽光）を照射できる装置の需要が高まっている。特に、太陽電池技術の急速な発展と普及とに伴い、太陽電池の検査、測定、および実験に利用可能な、高精度の擬似太陽光を照射できる装置が特に求められている。擬似太陽光に求められる主要な要素は、その発光スペクトルを自然の太陽光に近づけることである。

特許文献１には、疑似太陽光照射装置の一例が開示されている。この装置は、擬似太陽光の照射範囲より小面積の光放射面に光学フィルタを取付け、内部にキセノンランプ等のランプを設置したランプハウジングと、該ランプハウジングの光学フィルタに対向する側に配置した反射板を具備して成り、適宜の架台等に支持させた被照射対象を前記反射板の反射面に向けて配置し、前記ランプを点灯して光学フィルタを通過した擬似太陽光を、反射板で反射拡散させて前記被照射対象に照射するようにしたことを特徴としている。

この装置によれば、拡散光照射方式を用いた擬似太陽光照射装置において、光学フィルタの設置面積を著しく小さくして装置を小型化し、しかも照射分布を均一にするために必要な拡散光路長を長く取ることが可能になる。

しかしながら、特許文献１の方式では、光学フィルタを透過する光の指向性（放射角）が、制御されていない。このため、多層膜で構成されており、かつ入射角度依存性を有する光学フィルタへ放射する場合、光学フィルタの性能を充分に生かすことができない。したがって、所望の発光スペクトルを有する擬似太陽光を照射できないという問題がある。

一方で、上記問題を解決しうる光源装置が開発されている。特許文献２には、各種の疑似太陽光照射装置に採用可能な導光体と、これを用いた光源装置が開示されている。

図１２は、特許文献２に示された光源装置の概略断面図である。この装置は、蛍光管を用いた直線状光源が内壁を銀反射膜で覆った反射箱に内包されており、この反射箱表面には開口部が直線状光源に沿って一定の間隔で開口されている。それぞれの開口部には上記導光体が配され、導光体の面積が小である端面から光を入射し、面積が大である端面から光を出射する構成になっている。入射端面から入射した光は導光体の外壁に到達し、そこで全反射を繰り返して徐々に出射端面に鉛直な光線へと変化して出射端面から出射される。これにより、光源の出射特性によらず、高い指向性を持つ出射光を高い効率で得ることができる。

この装置によれば、導光体を複数用いることで、高指向性光をさらに高効率で得ることができる。また、この光源装置を用いれば、光学フィルタに指向性の制御された光を入射することができ、所望の発光スペクトルを有する疑似太陽光を得ることができる。

特開 ２００３−２８７８５号公報 特許第３３８３４１２号

しかしながら、特許文献２では、高い指向性光を高効率で出射することができる導光体を用いているため、導光体のそれぞれから出射される光の指向性は制御できるものの、これを図１２に示すように複数並べて用いた場合、反射箱に設けられた複数の開口部からは、光源のいたるところから出た光が混じりあって出射されるため、開口部が光源に対してどの位置に設けられているかによって、それぞれの導光体に入射する光量や光の指向性に偏りが生じる可能性があった。この問題に対応するために、開口部、光源、導光体の位置決めや調整が必要となるが、一旦光源装置として組み立てられた後で、これらの位置決めや調整は困難であった。あるいは光源の交換などで光源の位置が変わった場合も同様に、位置決めや調整が困難であった。

また、調整を容易にするために導光体を単体にして、光源の大きさに合わせて設置すると、特に、直線状光源の場合は導光体が大型化し、装置自体が大きくなってしまうという問題がさらに生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、導光体に入射する光量や指向性を容易に調整可能で、指向性の高い高出力の出射光を出射する小型の光源装置を提供することにある。また、当該光源装置を備えた、所望の発光スペクトルを有する擬似太陽光を照射できる擬似太陽光照射装置を提供することにある。

本発明に係る光源装置は、光源から放射された光を集光して出射する光源装置であって、前記光源を内包するとともに、前記光源は反射箱内に配置されており、面積が異なる２つの端面を持つ円柱状または角柱状の複数の導光体と、光分離手段とを有し、前記反射箱には複数の開口部が設けられ、前記開口部には前記導光体がその面積が小である端面を前記光源に向けてそれぞれ設けられ、前記光分離手段は、ある開口部と、隣接する他の開口部との間に配置されることを特徴としている。

また、本発明に係る光源装置は、前記光源は、複数の発光部を備え、前記光分離手段は、ある発光部と、隣接する他の発光部との間に配置されることを特徴としている。

また、本発明に係る光源装置は、前記光分離手段は、板状の仕切り板からなり、前記仕切り板には、前記光源が通過できる孔部を形成することを特徴としている。

また、本発明に係る光源装置は、前記光分離手段は、前記光源から出射される光の光量、または波長特性を変更するものであることを特徴としている。

また、本発明に係る光源装置は、前記光分離手段は、反射板で構成されるか、もしくは前記光源に対向する面が反射膜で覆われていることを特徴としている。

また、本発明に係る光源装置は、光源から放射された光を集光して出射する光源装置であって、前記光源は複数の発光部を備え、前記発光部を内包するとともに、前記光源は反射箱内に配置されており、面積が異なる２つの端面を持つ円柱形状または角柱形状の導光体とを有し、前記反射箱および前記導光体は、前記発光部と同数備えられ、前記反射箱には開口部および前記光源が通過できる孔部が設けられ、前記開口部には前記導光体がその面積が小である端面を前記光源に向けてそれぞれ設けられることを特徴としている。

また、本発明に係る擬似太陽光照射装置は、被照射対象に向けて疑似太陽光を照射する疑似太陽光照射装置であって、上記のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置から出射した光が入射する位置に配置されたスペクトル変調用部材とを備え、前記スペクトル変調用部材は、入射した光から特定の波長帯域のスペクトルを減衰させた光を出射するように構成されていることを特徴としている。

本発明の光源装置によれば、導光体に入射する光量や指向性を容易に調整可能で、高出力で指向性の高い出射光を出射する小型の光源装置を実現することができる。また、本発明の光源装置を用いれば、所望の発光スペクトルを有する擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置を得ることができる。

実施の形態１に係る光源装置を示す概略断面図である。 実施の形態１に係る光源を示す概略図である。 導光体の変形例を示す斜視図である。 実施の形態１に係る導光体の概略断面図である。 実施の形態１に係る光源装置を示す概略断面図である。 実施の形態１に係る光源装置の比較シミュレーションを示す断面図である。 実施の形態１に係る比較シミュレーションの結果を示すグラフである。 実施の形態２に係る光源装置を示す概略断面図である。 実施の形態３に係る光源装置を示す概略断面図である。 実施の形態４に係る擬似太陽光照射装置を示す概略断面図である。 目標とする基準太陽光スペクトルを示す図である。 従来の光源装置を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１〜図７を用いて以下に説明する。本実施形態では、２つの発光部を有する光源からの光を、導光体で指向性を高めて出射する光源装置について、詳細に説明する。また、各図に示す「ｘ」、「ｙ」、および「ｚ」は、それぞれ光源装置のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を個別に表す。

図１は、第１の実施形態に係る光源装置１００の要部構成を示す正面図及び側面図である。図１（ｂ）に示すように、光源装置１００は２つの発光部１０ａ、１０ｂを有する光源１１と、反射箱１２と、反射箱１２の表面に設けられた開口部１３ａ、１３ｂと、導光体１４ａ、１４ｂと、仕切り板１５とを備えている。光源１１は、２つの発光部１０ａ、１０ｂを有する粗密光源で、内壁が反射膜で覆われた反射箱１２に内包されている。詳細は後述するが、ここで、粗密光源とは、例えば金属（タングステン）の細い線がコイル状に密に巻かれて集成されたフィラメント部分を連続して複数備える光源である。

反射箱１２には、導光体１４ａ、１４ｂの入射面１６の断面と同等なサイズの開口部１３ａと、１３ｂが開口されている。そして、この開口部１３ａ、１３ｂには、導光体１４ａおよび１４ｂが、その入射面１６を反射箱１２内の発光部１０ａ、１０ｂに向けて設置されている。仕切り板１５は、発光部１０ａ、１０ｂのほぼ中間に、光源１１の外管を囲うように設置されており、発光部１０ａから放射された光が、導光体１４ｂに入射するのを遮ると同時に、発光部１０ｂから放射された光が、導光体１４ａに入射するのを遮る役割を果たす。すなわち、指向性分布に偏りの少ない光が導光体１４に向けて出射される。また、仕切り板１５を発光部１０ａ、１０ｂのほぼ中間に配置することによって、開口部１０ａと開口部１０ｂのそれぞれから出射される光量がほぼ同量になるように調整することができる。

光源１１の発光部１０ａ、１０ｂから放射された光は、その一部は直接開口部１３ａ、１３ｂから導光体１４ａ、１４ｂへと入射する。その他の光は、反射箱１２の内壁の反射膜で反射を繰り返した後、最終的には開口部１３ａ、１３ｂから導光体１４ａ、１４ｂの入射面１６へと入射する。そして、導光体１４ａ、１４ｂの側面で反射を繰り返すことにより、高い指向性をもつ光として出射面１７から出射される。以下に、各部位の役割等について詳細に説明する。

図２は光源１１の一例を示した図である。光源１１は、管状のハロゲンランプであればよいが、図に示すようにフィラメントの巻き方により粗密をつけた粗密光源であることが望ましい。粗密光源では、フィラメントが密の発光部１０ａおよび１０ｂから光を放射する。発光部１０は、金属（タングステン）の細い線がコイル状に巻かれて密に集成されたフィラメントであり、本実施形態では、例えば発光部１０は、直径２ｍｍのフィラメントからなる、φ６ｍｍ、長さ４０ｍｍのコイル状であり、発光部１０ａと発光部１０ｂが同じ大きさ（密度）である。この場合は、導光体１４も同じ形状で、それぞれの導光体１４からの出射光量を揃えることができる。なお、使用用途によって、それぞれ導光体１４から出射される光量を異ならせたい場合は、フィラメントの大きさや密度を適宜変更すればよい。また、この場合は対応する導光体１４の大きさ、形状も適宜変更してもよい。

フィラメントは、電気を通すと強く光を発し、これがコイル状に密に集成された部分は特に強く発光するため、コイル状のフィラメント部分と、その他の部分で発光量に粗密が生じる。このため、コイル状の部分を発光部１０ａ、１０ｂとし、その他の部分と切り分けて見なすことができる。このような発光部１０は、本実施形態のように２つであってもよいし、それ以上であってもよい。

このように、１光源内に複数の発光部１０を有する粗密光源を用いれば、１光源内に１つの発光部１０を有する光源１１を複数用いる場合に比べて、それぞれの発光部１０の両端に電極を設ける必要がなく、その分の体積を減らすことができるので、光源１１の占有体積を小さくできる。また、電極間にかかる電圧の値を発光部１０の数の倍数だけ上げることで、１発光部から発光される光出力を、通常の光源１１を単一で用いるのと同等にすることも可能である。よって、このような粗密光源を用いることで、光源１１の占める体積を小さくできる。つまり、光源装置１００を小型化することが可能となる。

反射箱１２は、その内面（光源１１側）が反射する部材で構成され、たとえば反射膜で覆われている。光源１１から放射された光は、開口部１３から直接導光体１４に向けて出射され、あるいは、一部は反射箱１２の内壁で反射を繰り返し、最終的に開口部１３から導光体１４に向けて出射される。このため、反射膜は、できるだけ高い反射率を持つものが好ましい。反射率が高いほど、反射箱１２内で反射するうちに光が減衰しにくいため、導光体１４への入射効率を高めることができる。本実施形態では、光源１１にハロゲンランプを用いているため、分光放射特性が長波長に偏っている。この場合、例えば、金の反射膜が望ましい。金の反射膜は、長波長まで高い反射率を有するためである。このように、反射膜は、使用する光源１１の波長帯域と、必要な波長帯域に合わせたものを選択することが好ましい。

開口部１３と発光部１０との形状の関係については、例えば、図２の点線で示された部分のように、発光部１０を横にして通過できる程度の長方形（例えば、長さ４５ｍｍ、幅１０ｍｍ）である。このように開口部１３を、発光部１０よりもやや大きめにすることで、発光部１０から直接開口部１３に到達する光を多く得ることができる。

このように開口部１３は、発光部１０の横断面形状に類似の形状で、大きさはこれと同じか、少し大きいことが好ましい。また、詳細は後述するが、開口部１３は、反射箱１２と仕切り板１５で区切られた空間の、中央近くであって発光部１０のほぼ真上に設けられることが好ましい。発光部１０のほぼ真上に設けられた開口部１３からは、指向性分布に偏りの少ない光が導光体１４に向けて出射されるため、導光体１４からの出射光もまた、指向性分布に偏りの少ない光となる。

また、開口部１３と導光体１４の入射面１６との形状の関係については、開口部１３の形状が入射面１６よりも大幅に大きい場合は、入射面１６に入射せず、開口部１３から直接外部へ漏れる光が大量に発生し、出射面１７からの光量の減少を招く。また、入射面１６が開口部１３よりも大幅に大きい場合は、開口部１３から出射される光量が少なくなり、入射面１６に十分に光が入射しない。このため、開口部１３と、導光体１４の入射面１６との形状はほぼ一致していることが好ましい。また、開口部１３の大きさが大きい程、発光部１０から放射される光のうち、直接導光体１４に入射する光が増えるため、導光体１４へ効率良く光を集めることができる。しかしながら、開口部１３の大きさが大きい程、それに対応する導光体１４の入射面１６も大きくなり、導光体１４自体が大型化してしまう。このため、開口部１３の大きさは、所望の出射効率と、所望の指向性と、所望の装置サイズとを考慮して決定することが好ましい。

図３に、本実施形態における導光体１４の形状例を示す。本実施形態における導光体１４は、図３（ａ）のように、面積が異なる対向する２つ面を持った四角柱形状であり、材質は光学ガラスのＢＫ７である。導光体１４は、入射面１６が開口部１３とほぼ同じ大きさであり、例えば、縦４５ｍｍ、横１０ｍｍである。このとき出射面１７は、例えば、縦８５ｍｍ、横１９ｍｍで、入射面から出射面までの距離は、２４０ｍｍである。この場合、入射面の面積と、出射面の面積との比率は、約３．６となる。この面積比が大きい程、また、入射面１６から出射面１７までの距離が長い程、出射光の指向性が高まる。本実施形態では、指向性が±３０度以内になるような導光体１４を想定して各寸法を設定している。

図４は、導光体１４に入射した光の経路を示している。例えば図３（ａ）で示した導光体１４の入射面１６の中央付近から、入射角６０度で入射した入射光１８は、図に示すように、導光体１４の外壁で反射を繰り返し、出射面１７から、出射角２５度の出射光１９として出射される。このように、本実施形態の導光体１４は、出射角が約３０度以内に制限された指向性光を出射できる。なお、導光体１４は、その入射面１６の中心が、開口部１３の中心と一致するように備えられることが好ましい。このような配置の場合、導光体１４から出射光の指向性分布がより均等になる。

ここで、導光体１４を用いて、高い指向性の光を得る方法についてさらに詳しく説明する。図４に示すように、光源１１から直接、あるいは反射箱１２で反射された拡散光を、導光体１４の入射面１６から任意の角度を持って導光体１４内に入射すると、この導光体１４内に入射した光は導光体１４の外壁に到達する。ここで、導光体１４が、光学ガラスのＢＫ７からなる透明体であるため、導光体１４と外周空間との屈折率比から決定されるスネルの法則により、導光体１４内に入射した光は、導光体１４の臨界角内に集光されるとともに、全反射されることになる。そして、全反射された反射光は、対向面である外壁に到達し、再びここで全反射される。導光体１４は、入射面１６から出射面１７に向かって次第に広がっているため、このような反射を繰り返すことによって、反射光は徐々に入射面１６（あるいは出射面１７）に鉛直な光へと変化していく。こうして、最終的には出射面１７から指向性の高い光が出射される。なお、このとき、導光体１４内に入射した光は全反射を繰り返すだけであることから、入射光のほとんどが出射光となり、高い出射効率を得ることができる。

なお、導光体１４は、本実施形態に限られるものではなく、面積が異なる２つの端面を持つ円柱形状または角柱形状であればよい。例えば、図３（ｂ）のように円錐形状であってもよいし、その他多角柱形状であってもよい。また、図３（ｃ）のように全体的には円錐形状であって、入射面近傍のみが角柱状であってもよい。このように導光体１４の変形は多種考えられるが、他の光学部品と連結して光源装置１００を構成する際に、光学的な接続における光損失が最小となるような（光出射効率が最大となるような）最適形状を選択すればよい。このとき、導光体１４の入射面１６と、出射面１７の面積比、および、入射面１６から出射面１７までの距離を調整することで、出射光の放射角度を所望の角度範囲に制限することができ、所望の指向性を持つ出射光を得ることができる。

また、導光体１４は透明体で、その材質は、例えば光学ガラスのＢＫ７である。あるいは、石英ガラスや、白板ガラスと呼ばれる無機材質であってもよいし、アクリル樹脂のような有機材質であってもよく、導光体１４に入射する光を、その入射面１６から出射面１７まで効率よく伝播できる材質を適宜選択すればよい。

仕切り板１５（光分離手段）は、光が透過しない材質であればどのようなものでもかまわないが、例えば発光部１０ａ、１０ｂに面する２面が反射箱１２の内面と同じ反射膜で覆われた板もしくは、反射箱１２の内面と同じ材質の反射板であることが望ましい。その大きさは、反射箱１２の側面（光源１１の長手軸に対して垂直な面）と同程度で、発光部１０ａからの光と、発光部１０ｂからの光を可能な限り分離する。発光部１０ａと発光部１０ｂがほぼ同じ大きさ（密度）であり、かつ導光体１４ａ、１４ｂからほぼ均等の光量の光を出射させたい場合は、仕切り板１５は、発光部１０ａと発光部１０ｂのほぼ中間の位置に設置される。このため、導光体１４ａと導光体１４ｂからは同じ出力の光が出射され、均一な出射光を得ることができる。また、仕切り板１５は、反射箱１２に設けられる開口部１３が、反射箱１２と仕切り板１５で区切られた空間のほぼ中央に位置するように設置されることが望ましい。

図５は、反射箱１２に設けられる開口部１３が、反射箱１２と仕切り板１５で区切られた空間のほぼ中央に位置するように仕切り板１５を設置した例である。このような位置に仕切り板１５を配置することにより、導光体１４からの出射光は、偏りのない均等な指向性分布の光となる。なお、発光部１０ａと発光部１０ｂが幾分離れているときは、仕切り板１５は複数枚設けられてもよい。このように仕切り板１５は反射箱１２、開口部１３、発光部１０の配置、大きさに応じて適宜配置される。

ここで、本実施形態の効果を確認するため、以下のようなシミュレーションを行った。

図６（ａ）は、本実施形態にかかる光源装置１００、図６（ｂ）は、光源装置１００において、仕切り板１５を用いてない構成である。

光源装置（ａ）の光源１１は、その外形が、直径が８ｍｍ、長さｄが１３０ｍｍで、２つの発光部１０ａ、１０ｂを有しており、それぞれの発光部１０の直径は、６ｍｍ、長さｅは４０ｍｍである。発光部１０ａ、１０ｂは長手方向に４５ｍｍの間隔ｆをおいて直列に配置されている。反射箱１２は、その内空間の長さｇが１４０ｍｍ、高さｈ及び幅が１５ｍｍの直方体である。反射箱１２には、開口部１３が、その中心と各発光部１０の中心とが一致するように２箇所開口されており、その大きさは長さ４６ｍｍ、幅１０ｍｍである。また、２箇所の開口部１３には、それぞれ導光体１４（入射面１６の長さｉが４５ｍｍ、幅１０ｍｍ、出射面１７の長さｊが８５ｍｍ、幅１９ｍｍで、入射面１６と出射面１７間の距離ｋが２４０ｍｍであるもの）が入射面１６を発光部１０に向けて配置されている。さらに反射箱１２の内部には仕切り板１５が２枚、発光部１０間の中心ｌから左右に１４ｍｍ、各発光部１０ａ、１０ｂ寄りに設けられている。つまり、開口部１３の中心と、反射箱１２と仕切り板１５で区切られた空間の中心が一致している。光学装置（ｂ）は、光学装置（ａ）から仕切り板１５を除いた構成である。

上記の光源装置（ａ）、（ｂ）を用いて、片側の導光体１４ａからの出射光の指向性分布をそれぞれ計算した。

図７は、発光部長さ方向の指向性分布を示しており、横軸は放射角度、縦軸は規格化強度を示す。図７（ａ）は、光源装置（ａ）、図７（ｂ）は、光源装置（ｂ）の計算結果である。放射角０度を基準にみた場合に、光源装置（ｂ）では光の指向性分布に偏りが見られる。一方、光源装置（ａ）では、放射角度０度を中心に±３０度の範囲で規格化強度の数値がほぼ線対称に分布しており、指向性分布に偏りが見られない。

このように、本発明の光源装置１００を用いれば、仕切り板１５によって、指向性分布に偏りの少ない光が導光体１４に向けて出射されるので、各導光体１４からは指向性分布に偏りのない出射光を得ることができる。指向性分布に偏りのない出射光が各導光体１４から出射されると、複数の導光体１４から均一な光を照射することができる。一方、図７（ｂ）のように指向性に偏りがある光を、複数の導光体１４から、少し離れて設けられた受光面に向けて照射する場合、受光した光はその照度が均一にならず、照度分布に偏りが生じる。指向性に偏りがあるとは、ある角度で出射する光の光量が他より大きい、ということであるため、上記のような照度分布に偏りが生じやすい。一方、指向性に偏りがなければ、受光面で均一な照度分布を得ることが容易になる。

以上のように、本実施形態の光源装置１００は、小型で、高出力かつ高い指向性を有する光を照射することができる。また、光源装置１００は、各導光体１４から、均等な指向性を有する光を照射することができる。なお、本実施形態では、発光部１０を２個としているが、本発明はこれに限らず、発光部１０が３個、あるいはそれ以上ある光源１１についても適用でき、この場合、開口部１３および導光体１４を発光部１０と同数だけ備えることで、同等の効果を発揮することができる。

なお、本実施形態では仕切り板１５は、隣り合う開口部１３からの光量を均等にするために反射箱１２に設けられる開口部１３が、反射箱１２と仕切り板１５で区切られた空間のほぼ中央に位置するように設置したが、仕切り板１５は、設置する位置を変更することで、一部の開口部１３からの光量を増減させたり、導光体１４に入射する光の指向性の偏りの調整にも用いることができる。たとえば、ある開口部１３からの光量を減少させたい場合は、仕切り板１５をその開口部１３寄りに配置し、反射箱１２と仕切り板１５で作られる空間を小さくするとよい。あるいは光量を減少させたい開口部１３側の仕切り板１５の面に黒い膜を貼ったり、あるいは仕切り板１５の他の面には全て反射膜を貼り、光量を減少させたい開口部１３側の仕切り板１５の面のみ、反射膜を貼らない仕様にすることで、特定の発光部１０の光量を減少させることができる。

このように、仕切り板１５に反射膜等の膜を追加したり、仕切り板１５の配置場所を移動あるいは仕切り板１５を追加するだけで一部の開口部１３からの光量を増減させたり、導光体１４に入射する光の指向性の偏りの調整を極めて容易に行うことができるため、一旦光源装置として組み立てられた後や、光源１１の交換などで光源１１の位置が変わった場合でも開口部１３、光源１１、導光体１４の位置決めや調整は不要となる。

（第２の実施形態）
次に、図８を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と共通する各部材には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施の形態では、上記実施の形態１と装置の構成は同じであるが、反射箱と、導光体の形状が異なる。

図８は、第２の実施形態に係る光源装置２００の要部構成を示す正面図及び側面図である。

反射箱２２は、管状の光源１１の長手軸の方向に沿って、光源１１の導光体２５に対向していない面を囲むように形成された断面Ｕ字型の反射面を有している。Ｕ字型の形状は、例えば、光源１１の長手軸を片方の焦点とする惰円面であることが好ましい。この場合、光源１１から出射された光のうち、直接導光体２５に入射しない光も、楕円面の反射面に入射すれば、一回の反射で導光体２５に集光することができる。このとき、開口部１３および導光体２５の入射面２６は、楕円のもう一方の焦点付近に設置されることが好ましい。これにより、さらに導光体２５への入射効率を高めることができる。また、導光体２５に入射する光の指向性（光源１１の長手軸方向に対して垂直な方向の指向性）を高めることもできる。さらに、箱形状の反射箱１２の内面壁を反射膜で覆うよりも、反射膜が少量ですむため、金などの高価な反射膜を用いる場合でも、製造コストを抑えることができる。

このように、光源１１の長手軸方向に対して垂直な方向の指向性がすでに高められているので、導光体２５は、もう一方（長手軸方向）の指向性を高める効果のみを有するものであってもよい。すなわち、図８に示す導光体２５のように、四角柱状の２対の傾斜面のうち、光源１１の長手軸方向から見える方の１対の面は傾斜していなくてもよい。あるいは、他の１対よりもゆるい傾斜になっていてもよい。このような形状においても、導光体２５から出射される光の指向性が所望の特性を有しておればよい。これにより、導光体２５を実施形態１の導光体１４よりもさらに小型化することができる。

（第３の実施形態）
本発明に係る第３の実施形態について、図９を参照して以下に説明する。なお、上述した第１および第２の実施形態と共通する各部材には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図９に、本実施形態の光源装置３００を示す。光源装置３００は、１つの発光部１０に対して１つの反射箱３２を備えている点について、前述の実施形態とは異なっている。

本実施形態における反射箱３２は、光源１１全体を囲うのではなく、発光部１０をそれぞれ個別に囲うように設置されている。また、反射箱３２には、導光体１４との接続点である開口部１３以外に、光源１１が通ることのできる孔部３３がさらに２箇所開口されている。孔部３３は、光源１１からの光損失ができるだけ少ないように、光源１１の外形と同じ形状で、光源１１よりわずかに大きい開口であって、光源１１と孔部３３の周辺との間になるべく隙間ができないような構造であることが好ましい。また、それぞれの導光体１１からより均等な指向性を得るためには、本実施形態のように光源の両端が反射箱３２から外側に露出していることが好ましいが、光源の両端が反射箱３２の内側に収まっている構造でも構わない。

このような構成により、発光部１０ａから出射された光は、ほぼすべてが反射箱３２ａの内面から開口部１３ａを通って導光体１４ａへと出射され、発光部１０ａからの光が、隣接する反射箱３２ｂを介して開口部１３ｂを通り、導光体１４ｂから出射されることはほとんどない。つまり、反射箱３２は、内包する発光部１０からの光が他の隣接する他の反射箱３２を介して隣接する導光体１４に入射することを防止する役割を果たす。同時に、内包する発光部１０以外の隣接する発光部１０からの光がその内部に入射されて、内包する発光部１０に対応する導光体１４に出射されることを防止する役割も果たす。

光源１１からの出射光は、ほぼ全てが発光部１０から放射されるため、発光部１０だけを囲うように反射箱３２を配置しても、導光体１４からの光出力はほとんど減少しない。本実施形態においては、反射箱３２自体が光分離手段１５の役割も担っている。このように、反射箱３２を、発光部１０ごとに設置することで、実施形態１よりも光源１１周りを小型化することができる。また、反射箱３２内の反射膜で覆う面積が小さくなるため、より安価に反射箱３２を作成することが可能となる。また、上記実施形態１では、発光部１０と、反射箱１２と、仕切り板１５の位置を調整する際、導光体１４ａ、１４ｂからほぼ同じ光量の光を出射させたい場合、発光部１０ａ、１０ｂの両方の位置に合わせて反射箱１２を位置決めし、仕切り板１５をその中央に配置する必要があった。一方、本実施形態では、反射箱３２ａと３２ｂを独立に動かすことができるため、発光部１０ａ、１０ｂそれぞれに対して反射箱３２の位置を容易に決定できるので、さらに位置精度を高めることができるという効果がある。

（第４の実施形態）
本発明に係る第４の実施形態について、図１０および図１１を参照して以下に説明する。本実施形態では、上述した光源装置のいずれかを備え、照射対象に向けて疑似太陽光を照射する疑似太陽光照射装置の一例を示す。なお、上述した実施形態と共通する各部材には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１０は、本発明の一実施形態に係る擬似太陽光照射装置７００の要部構成を示す図である。この図に示すように、擬似太陽光照射装置７００は、２つの光源装置１００、２つの光学フィルタ（スペクトル変調用部材）７１、２つの反射ミラー７２、および１つの導光板７３を備えている。光源装置１００は、例えば、実施の形態１に記載の光源装置１００である。光源装置１００は、前述したように、光源１１、反射箱１２、開口部１３、導光体１４、および仕切り板１５を備えている。また、導光板７３の内部には、複数の反射溝７４（光反射手段）が形成されている。

次に、本実施形態の疑似太陽光照射装置７００の動作について説明する。光源１１から放射された光は、反射箱１２の内壁に設けられた反射膜で反射を繰り返し、最終的に開口部１３から導光体１４に入射される。導光体１４の入射面１６から入射した光は、導光体１４の傾斜している外壁で全反射することにより、その放射角が、導光体１４の入射面１６または出射面１７に鉛直な角度へと近づく。このように全反射を繰り返し、導光体１４からは、放射角の制御された指向性の高い光が出射される。例えば、実施形態１の光源装置１００では、放射角が約３０度以内に制御される。

光源装置１００から出射された光は、光学フィルタ７１に入射し、そのスペクトルの所定の波長帯の光が減衰され、所望のスペクトルを有する擬似太陽光となって出射される。擬似太陽光は、反射ミラー７２で反射されて導光板７３の端面から導光板７３の内部へと入射する。導光板７３の内部には、多数の反射溝（光反射手段）７４が形成されているため、光は反射溝７４で反射されて導光板７３から、照射対象に向けて出射される。

次に、各光学素子について、その役割等を詳細に説明する。

本実施の形態において、光源装置１００は、実施の形態１に記載の光源装置１００を用いているが、実際には実施形態２および３に記載の光源装置でもよく、あるいは本発明に係る他の光源装置であってもよい。光源装置１００は、光源１１から出射された光を、指向性を高めて光学フィルタに入射する役割を担う。このとき、指向性は放射角３０度以内に制御されていることが好ましく、さらに言えば、２０度以内に制御されていることがより好ましい。これは、後述する光学フィルタ７１が角度依存性を有しているためである。さらに、指向性が制御されていることで、光源装置１００から導光板７３に至るまでの光路において、光路からはずれ損失となってしまう光を抑制することができる。

光学フィルタ７１は、光源装置１００の導光体１４の出射面１７の近くに設置され、入射光の発光スペクトルに最適化された透過特性を有している。具体的には、入射された光における、特定の波長帯域の発光スペクトルを減衰させる。これにより、導光体１４の出射面から出射した光の発光スペクトルを調整する。

本実施形態では、光学フィルタ７１には、屈折率の異なる薄膜を何層も重ねた多層膜系のものが用いられ、たとえばエアマスフィルタが用いられる。エアマスフィルタには、誘電体多層膜が多く使用されており、入射角依存性を有している。したがって、その性能を充分に引き出すには、指向性を高めた光を光学フィルタ７１に入射させる必要がある。一般に、光学フィルタ７１へ入射する光は、その指向性が３０度以内に制御されていることが好ましく、２０度以内に制御されていることがさらに好ましい。２０度あるいは３０度以内に制御された指向性を持つ光を入射することにより、光学フィルタ７１の性能を充分に高めることができる。本実施形態では、光源装置１００からの出射光の指向性を３０度以内に制御しているため、光学フィルタ７１から出射される光の発光スペクトルを、自然の太陽光のスペクトルにより近づけることができる。

図１１は、基準太陽光スペクトル（ＪＩＳ Ｃ８９４１）を示す図である。光学フィルタ７１を透過した光の発光スペクトルを、図１１に示す基準太陽光スペクトル（ＪＩＳ Ｃ８９４１）に出来るだけ近づけることが好ましい。特に、擬似太陽光照射装置７００から照射される擬似太陽光の発光スペクトルと、基準太陽光の発光スペクトルとの違いが、±２５％未満に収まっていることが好ましく、さらに、±５％未満がより好ましい。

また、光学フィルタ７１は、導光体１４からの出射光すべてを受光できるように、導光体１４の出射面１７より少し大きいことが好ましい。なぜなら、光学フィルタ７１に入射しない光は、その発光スペクトルが調整されず、この光がその後の光路に侵入してしまうと、全体としての発光スペクトルに影響を与えてしまうからである。

光学フィルタ７１を通過した光は、光学フィルタ７１と４５度の角度を置いて配置されている反射ミラー７２に向かう。反射ミラー７２は、入射された光を反射させて、導光板７３の一端（入射面）に導く。

導光板７３は、例えばその材質は、石英ガラスである。導光板７３に入射した光は、外壁で全反射を繰り返しながら、その内部を伝播していく。また、導光板７３には、例えばその内部にくさび型の反射溝７４（光反射手段）が多数形成されている。導光板７３に入射した光は、導光板７３の内部を伝播していくうちに、反射溝７４に入射し、そこで反射されて、伝播角度がスネルの法則の全反射条件から外れ、導光板７３の外部へと出射される。このように、導光板７３は、入射した光をその内部を伝播させるとともに、内部に設けられた反射溝７４によって光を反射して外部へ出射する役割を担う。

なお、反射溝７４は、本実施形態のようにくさび型であってもよいし、その他の形状をしていてもよい。さらに、反射溝でなく、導光板７３の表面に印刷された散乱体を含む印刷体であってもよい。この場合、導光板７３を伝播する光は、印刷体に入射すると内部の散乱体で散乱されることにより、導光板７３から出射される。あるいは、印刷体でなくても、導光板表面をレーザ等で微細に加工した散乱面を設けてもよい。導光板７３の内部を伝播する光の進行方向を変え、全反射条件を崩して導光板７３から光を出射できる方法であれば、いずれの方法でも構わない。

擬似太陽光照射装置７００は、最終的に、導光板７３の表面から、被照射対象に向けて擬似太陽光を照射する。本実施形態では、擬似太陽光の照射方向は、導光体１４の長軸の配置方向、すなわち図１０に示すｚ軸に平行である。擬似太陽光を照射する際、擬似太陽光照射装置７００は、前述のように導光板７３の内部における反射溝７４を利用する。このとき、導光板７３からは、被照射対象とは反対側にも光が出射されることがあるが、ここに反射板（図示しない）を備えていれば、光は反射板で反射されて、被照射対象へと照射される。

なお、図１０に示すように、擬似太陽光照射装置７００は光源装置１００を２つ備えている。具体的には、一方の光源装置１００を擬似太陽光照射装置７００の筐体の一端（図１０の左側）に備え、もう一方の光源装置１００は筐体の他端（図１０の右側）に備えている。これに合わせて、光学フィルタ７１および反射ミラー７２も２つ備えている。それぞれの光源装置１００からの光を、一方は導光板７３の一端に入射し、もう一方は導光板７３の他端に入射することによって、擬似太陽光照射装置７００から照射する擬似太陽光の強度をより高めることができる。また、被照射対象に照射される光の照度ムラの制御を、容易に行うことができる。

また、擬似太陽光照射装置７００は、紙面奥行方向（ｘ軸方向）にも一定の広がりを有する。そこで、被照射対象の面積に応じて、紙面奥行方向に光源装置１００を複数並べて配置することによって、図１０に示す擬似太陽光照射装置７００を構成することもできる。

本実施例では、上述のように導光板７３を用いて被照射対象に擬似太陽光を照射しているが、本発明はこの限りではない。例えば、光学フィルタ７１の上部に複数のレンズ等から成る光拡散部材を配置し、均一に分散した光を被照射対象に照射しても良い。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 光源装置
１０、１０ａ、１０ｂ 発光部
１１ 光源
１２ 反射箱
１３、１３ａ、１３ｂ 開口部
１４、１４ａ、１４ｂ 導光体
１５ 仕切り板
１６ 入射面
１７ 出射面
１８ 入射光
１９ 出射光
２２ 反射箱
２５、２５ａ、２５ｂ 導光体
２６、２６ａ、２６ｂ 入射面
２７、２７ａ、２７ｂ 出射面
３２、３２ａ、３２ｂ 反射箱
３３ 孔部
７００ 疑似太陽光照射装置
７１ 光学フィルタ
７２ 反射ミラー
７３ 導光板
７４ 反射溝

Claims (5)

1. 光源から放射された光を集光して出射する光源装置であって、
   前記光源は反射箱内に配置されており、
   面積が異なる２つの端面を持つ円柱状または角柱状の複数の導光体と、
   光分離手段とを有し、
   前記反射箱には、複数の開口部が設けられ、
   前記開口部には、前記導光体がその面積が小である端面を前記光源に向けてそれぞれ設けられ、
   前記光源は、複数の発光部を備え、
   前記光分離手段は、ある開口部と、隣接する他の開口部との間に配置されており、かつ、前記光源が通過できる孔部を形成することを特徴とする光源装置。
2. 前記光分離手段は、ある発光部と、隣接する他の発光部との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光分離手段は、前記光源から出射される光の光量、または波長特性を変更するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記光分離手段は、反射板で構成されるか、もしくは前記光源に対向する面が反射膜で覆われていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光源装置。
5. 被照射対象に向けて疑似太陽光を照射する疑似太陽光照射装置であって、
   請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置と、
   前記光源装置から出射した光が入射する位置に配置されたスペクトル変調用部材とを備え、前記スペクトル変調用部材は、入射した光から特定の波長帯域のスペクトルを減衰させた光を出射するように構成されていることを特徴とする、疑似太陽光照射装置。