JP5630690B2 - 集光光学素子、集光装置及び光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を集光する装置に関し、なお詳細には、厚さ方向に入射する光を側面方向に集光する集光光学素子、及びこれを用いた集光装置並びに光発電装置に関する。

近年、ＣＯ₂排出量の削減が全世界的に求められ、自然エネルギーの利用が進められている。太陽光のエネルギー利用では、旧来より太陽熱温水器等により太陽光の熱エネルギー利用が用いられてきたほか、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する太陽光発電システムが一般家庭に導入され、大規模な太陽光発電所も各国で実用化段階に入りつつある。

光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルは、光電変換する材料分類上、シリコン系、化合物系、有機系、色素増感系などに分類される。このような材料により構成される一般的な太陽電池のセルは、電力への変換効率が概ね１０〜２０％程度である。そこで、太陽光のスペクトル範囲（約４００〜１６００ｎｍ）を複数の波長帯域に分割し、各波長帯域の光を光電変換するのに最適なバンドギャップの半導体層を複数積層して、電力への変換効率を４０％程度まで高めた多接合型（タンデム型、積層型などとも称される）の太陽電池セルが開発されている。

しかし、上記のような高効率の太陽電池セルは極めて高価であり、航空宇宙などの特殊な用途以外では使用することが困難である。そこで、小型のセルに太陽光を集光して入射させることでコストを低減し、高効率で太陽光発電を行う集光型の太陽電池モジュールが考案されている。集光形式として、太陽光をフレネルレンズや反射鏡等により集光して太陽電池セルに入射させるレンズ集光型（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）、蛍光粒子が分散された蛍光プレートに太陽光を入射させ、プレート内で発生した蛍光をプレート側方に導出して集光する蛍光プレート集光型（例えば、特許文献３を参照）、ホログラムフィルム及び太陽電池セルが挟み込まれたプレートに太陽光を入射させ、ホログラムフィルムにより回折した光を太陽電池セルに導く分光集光型（例えば、特許文献４を参照）などが提案されている。

特表２００５−１４２３７３号公報 特開２００５−２１７２２４号公報 米国特許出願公開第２００６／０１０７９９３号明細書 米国特許第６２７４８６０号明細書

しかしながら、上記各集光方式には一長一短がある。例えば、レンズ集光型では、光軸方向にレンズの焦点距離に応じた厚さが必要であることや、光軸を太陽の方位に一致させるための追尾装置が必要になる。一方、蛍光プレート集光型や分光集光型は、モジュールの光軸方向寸法を薄くでき、また必ずしも追尾装置を必要としないが、波長依存性や変換効率の面で改善すべき余地がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明を例示する第１の態様は集光光学素子である。この集光光学素子は、光透過性を有するＡ部材と、このＡ部材中に厚さ方向（実施形態におけるｙ軸方向）及びこれと相互に直交する第１方向（同、ｘ軸方向）、第２方向（同、ｚ軸方向）に複数配設された光透過性を有するＢ部材とを有して構成される。厚さ方向及び第１方向を含み第２方向と直交する面内（同、ｘ―ｙ平面内）において、Ｂ部材は第１方向に開く楔状をなす。そして、Ａ部材における、電界振幅が第１方向に沿った光の屈折率をｎ_ax、電界振幅が厚さ方向に沿った光の屈折率をｎ_ayとし、Ｂ部材における、電界振幅が第１方向に沿った光の屈折率をｎ_bx、電界振幅が厚さ方向に沿った光の屈折率をｎ_byとしたときに、ｎ_axとｎ_bxとが異なり、ｎ_ayとｎ_byとが実質的に等しいことを特徴として構成される。

この場合において、前記屈折率の関係は、ｎ_ax＜ｎ_bxでありｎ_bx＞ｎ_byであること、あるいは、ｎ_ax＜ｎ_bxでありｎ_ax＜ｎ_ayであること、あるいは、ｎ_ax＞ｎ_bxでありｎ_bx＜ｎ_byであること、または、ｎ_ax＞ｎ_bxでありｎ_ax＞ｎ_ayであることが好ましい。

また、Ａ部材における電界振幅が第２方向に沿った光の屈折率をｎ_azとし、Ｂ部材における電界振幅が第２方向に沿った光の屈折率をｎ_bzとしたときに、ｎ_azとｎ_bzとが実質的に等しいことが好ましい。

なお、前記Ｂ部材は厚さ方向に相互に重複して配設されることが望ましい。また、厚さ方向及び第１方向を含む面内において、Ｂ部材は二等辺三角形の楔状をなし、二等辺三角形の頂点から底辺に下ろした垂線が第１方向に向かうように配設されることが好ましい。

Ｂ部材の楔状の頂角、及び厚さ方向に重複するＢ部材の重複数は、集光光学素子の表面から厚さ方向に入射して複数のＢ部材により第１方向に順次屈折され、最も裏面側に配設されたＢ部材から当該集光光学素子の裏面に向かう光が、裏面において全反射されるように設定されることが好ましい構成態様である。

本発明を例示する第２の態様は集光装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、この集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、集光光学素子と反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子とを備えて構成される。

本態様に含まれる第２の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、第２の集光光学素子は、第１の集光光学素子の裏面側に当該第２の集光光学素子の第１方向（実施形態における第２の集光光学素子のｘ軸方向）が第１の集光光学素子の第２方向（同、第１の集光光学素子のｚ軸方向）と平行になるように配設される。

本態様に含まれる第３の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、第２の集光光学素子は、第１の集光光学素子の裏面側に当該第２の集光光学素子の第１方向（実施形態における第２の集光光学素子のｘ軸方向）が第１の集光光学素子の第１方向（同、第１の集光光学素子のｚ軸方向）と平行になるように配設されるとともに、第１の集光光学素子と第２の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子が設けられることを特徴とする

本発明を例示する第３の態様は光発電装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の光発電装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、集光光学素子により第１方向の一方の端部（実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の端部）に導かれた光を光電変換する光電変換素子（例えば、実施形態における太陽電池セル）とを備えて構成される。

本態様に含まれる第２の構成形態の光発電装置は、請求項１２に記載の集光装置と、
集光光学素子により第１方向の一方の端部（実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の端部）に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。

本態様に含まれる第３、第４の構成形態の光発電装置は、請求項１３または１４に記載の集光装置と、第１の集光光学素子における第１方向の一方の端部（実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の端部）に導かれた光を光電変換する第１の光電変換素子と、第２の集光光学素子における第１方向の一方の端部（同上）に導かれた光を光電変換する第２の光電変換素子とを備えて構成される。

本発明の第１の態様の集光光学素子は、透明なＡ部材中に楔状のＢ部材が第１方向に配向して複数配設されており、Ａ部材及びＢ部材は、電界振幅が第１方向に沿った光の屈折率を各々ｎ_ax及びｎ_bxとし、厚さ方向に沿った光の屈折率を各々ｎ_ay及びｎ_byとしたときに、電界振幅が第１方向に沿った光についてｎ_bxとｎ_axとが異なり、電界振幅が厚さ方向に沿った光についてｎ_ayとｎ_byとが実質的に等しく構成される。そのため、この集光光学素子に厚さ方向に入射した光は、電界振幅が第１方向に沿った光が楔状のＢ部材を透過するたびに、厚さ方向及び第１方向を含む面内で屈折され、第１方向に沿って進む光はそのままＡ部材及びＢ部材を透過して、第１方向の一方の端部に集光される。従って、本発明によれば、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することができる。

本発明の第２の態様の集光装置は、集光光学素子を透過した偏光成分の光を再度同一の／または第２の集光光学素子で集光するように構成される。このため、薄型かつ簡明な構成で太陽光等の光エネルギーを高効率で利用可能な集光装置を提供することができる。

本発明の第３の態様の光発電装置は、上記のような集光光学素子または集光装置と、集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。このため、薄型かつ簡明な構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な光発電装置を提供することができる。

本発明の態様を例示する光発電装置１の外観斜視図である。 図１中に付記するII−II矢視方向に見た模式的な断面図である。 第１構成例の集光光学素子の上方からｐ偏光の光が入射したときの光線屈折の状況を示した説明図である。 第２構成例の集光光学素子の上方からｐ偏光の光が入射したときの光線屈折の状況を示した説明図である。 第１構成例の集光装置６０の概要構成図である。 第３構成例の集光装置８０の概要構成図である。 集光光学素子からの光エネルギーの取り出し手法を例示する概念図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様を例示する光発電装置１の外観斜視図を図１に、図１中に付記するII−II矢視方向に見た模式的な断面図を図２に示す。なお、説明を明瞭化するため、相互に直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し、これを図１中に示す。ｙ軸は集光光学素子１０の厚さ方向、ｘ軸及びｚ軸は集光光学素子の面内で直交する二軸であり、図２はｘ軸及びｙ軸を含みｚ軸に垂直な面（ｘ−ｙ平面）で切断した模式的な断面図に相当する。なお、説明の便宜上から、図２に示す姿勢をもって上下左右ということがあるが、配設姿勢は任意である。

（全体概要）
光発電装置１は、厚さ方向に入射する光を集光する集光光学素子１０（２０）と、集光光学素子により集光されて端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子５０とを備えて構成される。図示する構成形態は、集光光学素子１０（２０）をプレート状に形成した構成例を示す。光電変換素子５０は、公知の種々の素子を用いることができ、例えば、前述した種々の形態の太陽電池セルを用いて構成することができる。

（集光光学素子の構成形態）
集光光学素子１０（２０）は、太陽光を透過するＡ部材１１（２１）と、このＡ部材中に多数配設されたＢ部材１２（２２）とを主体として構成される。Ｂ部材はｘ軸方向に開く楔状をなし、厚さ方向に複数重複して配設される。実施形態では、Ｂ部材がｘ軸及びｚ軸を含む面内において二等辺三角形の楔状をなし、二等辺三角形の頂点から底辺に下ろした垂線がｘ軸方向（＋ｘ側）に向かうように配設した構成例を示す。

なお、図２は集光光学素子の作用を説明するための模式図であり、Ｂ部材１２がｘ軸方向及びｙ軸方向に規則的に整列し、上下層でＢ部材が反ピッチ分ｘ軸方向にずれた構成を示しているが、Ｂ部材１２はランダムに均一分散されていても良い。また、ｙ軸方向の層数（重複数）は、Ａ部材及びＢ部材の材質や形状、使用条件等に応じて適宜設定される。これについては後に詳述する。

集光光学素子１０（２０）は、Ａ部材１１（２１）とＢ部材１２（２２）の屈折率特性が異なり、かつＡ部材及びＢ部材の少なくとも一方が複屈折性を有している。いま、Ａ部材における、偏光方向がｘ−ｙ平面内で電界振幅がｘ軸方向の光の屈折率をｎ_ax、偏光方向がｘ−ｙ平面内で電界振幅がｙ軸方向の光の屈折率をｎ_ayとする。同様に、Ｂ部材における、偏光方向がｘ−ｙ平面内で電界振幅がｘ軸方向の光の屈折率をｎ_bx、偏光方向がｘ−ｙ平面内で電界振幅がｙ軸方向の光の屈折率をｎ_byとする。

ここで、図２において電界振幅が紙面に平行な光の偏光状態をｐ偏光、電界振幅が紙面に垂直な光の偏光状態をｓ偏光とすると、偏光方向がｘ−ｙ平面内で電界振幅がｘ軸方向の光はｙ軸方向に進むｐ偏光の光であり、偏光方向がｘ−ｙ平面内で電界振幅がｙ軸方向の光はｘ軸方向に進むｐ偏光の光である。また、偏光方向がｙ−ｚ平面内で電界振幅がｚ軸方向の光はｙ軸方向に進むｓ偏光の光である。

このとき、ｎ_axとｎ_bxとが異なり、ｎ_ayとｎ_byとが実質的に等しくなるようにＡ部材１１（２１）及びＢ部材１２（２２）が設定される。なお、ｎ_ayとｎ_byとが実質的に等しいとは、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ａ部材およびＢ部材の界面で有意な屈折を起こさないことをいい、具体的には、屈折率差が０．０５以下のような場合をいう。

このような集光光学素子１０（２０）では、上方から素子内に入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光は、ｎ_axとｎ_bxとが異なることから、楔状のＢ部材１２（２２）に入射し出射するたびにｘ軸方向の正負（図２における左右）いずれかに屈折され、複数のＢ部材を透過することで、光の進行方向が徐々にｘ軸に沿うようになる。ｘ軸の正負いずれに屈折するかは、ｎ_axとｎ_bxの何れが大きいかにより定まり、ｎ_ax＜ｎ_bxのとき、ｘ軸の正方向（図２において左方）、ｎ_ax＞ｎ_bxのとき、ｘ軸の負方向（図２において右方）に屈折する。一方、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光は、Ａ部材とＢ部材の屈折率がほぼ等しいことから、Ａ部材及びＢ部材の界面で屈折せず、そのままｘ軸方向に進む。なお、図２はｎ_ax＜ｎ_bxのときを示している。

このため、集光光学素子１０（２０）に上方から入射したｐ偏光成分の光は、この素子を厚さ方向に進むにつれて光の進行方向がｙ軸方向からｘ軸方向の正負いずれかに回転され、進行方向がｘ軸方向に沿った光はそのままｘ軸方向の左右いずれかの端部に向けて進む。また、進行方向がｘ軸方向まで回転されずに斜め下方に進む光も、ｘ−ｙ平面内でｘ軸方向に大きく傾いた光になる。進行方向がｘ軸方向に大きく傾斜して下面側に向かう光は、下面（Ａ部材と空気との界面）で全反射され、以降再びＢ部材を複数透過する過程で進行方向がｘ軸方向に回転される。

このため、集光光学素子１０（２０）に上方から入射したｐ偏光成分の光は、ほぼ全体がｘ軸方向の左右いずれかに向かうこととなり、このようにして集光された光がｘ軸方向の端部に配設された光電変換素子５０に集光入射される。

なお、Ａ部材１１（２１）におけるｙ軸方向に進むｓ偏光の光の屈折率ｎ_azと、Ｂ部材１２（２２）におけるｙ軸方向に進むｓ偏光の光の屈折率ｎ_bzとが実質的に等しいことが好ましい態様である。この場合、ｙ軸方向に進むｓ偏光の光は、Ａ部材及びＢ部材の界面で屈折せず、そのままｙ軸方向に進んで集光光学素子１０（２０）から出射する。端的には、Ａ部材及びＢ部材の少なくともいずれかが有する複屈折性が、ｙ軸方向に進むｐ偏光を異常光とする一軸性の複屈折性であり、ｙ軸方向に進むｓ偏光の光や、ｘ軸方向に進むｐ偏光、ｓ偏光の光などが常光である場合が相当する。

このような構成よれば、集光光学素子１０（２０）の上面から入射した光が、Ａ部材とＢ部材の屈折率差によってｘ軸方向以外に屈折されることがなく、ｚ軸方向への屈折に伴う損失を抑止することができる。この場合、集光光学素子の上面から入射したｓ偏光成分の光は、集光光学素子をそのまま透過することになるが、集光光学素子の下面側に同様の集光光学素子１０（２０）をｙ軸まわりに９０度回転して配置する等により、透過した光を効率的に集光することができる。このような集光光学素子の配置構成による集光装置については後に詳述する。

（集光光学素子の構成例１）
次に、ｎ_ax及びｎ_bxの相違により、集光光学素子に上方から入射したｐ偏光成分の光がどの様に屈折して進行方向が回転してゆくかについて、より具体的に説明する。まず最初に、ｎ_ax＜ｎ_bxの場合の構成例について、図３を併せて参照しながら説明する。

ここで、図３は、第１構成例の集光光学素子１０の上方からｐ偏光の光が入射したときの光線屈折の状況を示したものである。図中の(ａ)は、Ａ部材１１中のＢ部材１２を透過する光が、Ｂ部材１２の入射面及び出射面で屈折してＡ部材１１に出射してゆく様子を示す。(ｂ)は、複数のＢ部材１２に繰り返し入射することによる屈折光の進路変化を、ｘ−ｙ平面でのＡ部材１１及びＢ部材１２の屈折率とスネルの法則により表したものである。

本構成例は、Ｂ部材１２が複屈折性を有しており、図３(ｂ)に示すように、Ｂ部材１２の屈折率特性は、ｐ偏光の光について、ｙ軸方向に進む光の屈折率ｎ_bxがｘ軸方向に進む光の屈折率ｎ_byよりも大きい正の屈折率楕円３０Ｂを形成する。Ａ部材１１は複屈折性をもたず、その屈折率特性はｘ，ｙ方向のいずれに進む光の屈折率も一定（ｎ_ax＝ｎ_ay）の屈折率円３０Ａを形成する。そして、Ｂ部材１２のｘ軸方向の屈折率ｎ_byと、Ａ部材１１のｘ軸方向の屈折率ｎ_ayとが略同一になっている。

なお、図３(ｂ)のシミュレーションでは、ｎ_ax＜ｎ_bxであるＡ部材１１及びＢ部材１２の代表例として、Ａ部材１１の屈折率ｎ_ax＝ｎ_ay＝１．６４とし、Ｂ部材１２についてｙ軸方向に進むｐ偏光の光の屈折率ｎ_bx＝１．８８、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光の屈折率ｎ_by＝１．６４とした。また楔状のＢ部材１２の頂角αを３０度とした。

これは、Ａ部材１１としてナフタレート７０／テレフタレート３０のコポリエステル（coＰＥＮ）、Ｂ部材１２としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を用い、これを共押し出しして積層した素材をｘ軸方向に一軸延伸して集光光学素子１０を作成した場合に相当する。このとき、Ａ部材１１（coＰＥＮ）は複屈折性を持たず、いずれの方向に進む光についても屈折率が一定となり、ｎ_ax＝ｎ_ay＝１．６４程度である。一方、Ｂ部材１２は延伸方向（ｘ軸方向）と他の方向とで屈折率が異なり、偏光面が延伸方向に沿った光に対して１．８８程度、他の方向について１．６４程度である。

図３(ａ)及び(ｂ)に示すように、ｙ軸方向にＡ部材１１を進んできた太い実線で示すｐ偏光の光Ｌ₁₁は、Ｂ部材１２に入射角ａで入射し、界面Ｂ₁₁で屈折して屈折角ｂでＢ部材１２中を進む。このとき、ｎ_ax＜ｎ_bxであることから、角度ａ＞角度ｂであり、界面Ｂ₁₁で屈折した光（屈折光）Ｌ₁₂は、進行方向がｘ軸の正の方向（＋ｘ方向）に傾いてＢ部材１２中を進む。図３(ａ)，(ｂ)では、Ｂ部材１２中を進む屈折光Ｌ₁₂を細い点線で示す。なお図中のＳ₁₁は界面Ｂ₁₁に立てた垂線である。

この界面Ｂ₁₁における入射光Ｌ₁₁と屈折光Ｌ₁₂との関係を図３(ｂ)で見ると、周知のスネルの法則によりｎ_ax sinａ＝ｎ_bx sinｂであり、入射光Ｌ₁₁のベクトルの先端位置を表す内周円３０Ａ上の点３１から、屈折光Ｌ₁₂のベクトルの先端位置を表す外周楕円３０Ｂ上の点３２に変化し、屈折光Ｌ₁₂がｘ軸の正方向に傾く様子が表れている。

Ｂ部材１２中を進んだ屈折光Ｌ₁₂は、界面Ｂ₁₂に入射角ｃで入射し、ここで再び屈折して出射角ｄでＡ部材１１に出射する。ここでも、ｎ_ax＜ｎ_bxであることから、角度ｃ＜角度ｄであり、界面Ｂ₁₂で屈折した光（出射光）Ｌ₁₃は、再びｘ軸の正の方向に傾いてＡ部材１１中を進む。図３(ａ)，(ｂ)では、Ｂ部材１２から出射する出射光Ｌ₁₃を太い点線で示す。なお図中のＳ₁₂は界面Ｂ₁₂に立てた垂線である。

この界面Ｂ₁₂における屈折光Ｌ₁₂と出射光Ｌ₁₃との関係を図３(ｂ)で見ると、上記同様にスネルの法則によってｎ_bx sinｃ＝ｎ_ax sinｄであり、屈折光Ｌ₁₂ベクトルの先端位置を表す外周楕円３０Ｂ上の点３２から、出射光Ｌ₁₃のベクトルの先端位置を表す内周円３０Ａ上の点３３に変化し、出射光Ｌ₁₃がさらにｘ軸の正方向に傾く様子が表れている。

このようにして、ｙ軸方向に進んでＢ部材１２に入射したｐ偏光の光Ｌ₁₁は、この楔状のＢ部材１２を透過することにより微小角度Δだけｘ軸の正方向（＋ｘ方向）に傾き、Ｂ部材１２から光Ｌ₁₃となって出てゆく。この微小角度Δは前記した条件において４〜５度である。

ｙ軸からｘ軸の正方向に微小角度傾いた光は、厚さ方向に位置する次のＢ部材１２に入射し、上記同様にＢ部材１２の入射界面及び出射界面でｘ軸の正方向に屈折する。いま、最初に入射するＢ部材をＢ部材１２₁、次に入射するＢ部材をＢ部材１２₂、以降同様にＢ部材１２₃…とする。このとき、図３(ｂ)における外周楕円３０Ｂ上の点３４がＢ部材１２₂の入射界面で屈折した光のベクトルの先端位置、内周円３０Ａ上の点３５がＢ部材１２₂の出射界面で屈折した光のベクトルの先端位置を表し、外周楕円３０Ｂ上の点３６がＢ部材１２₃の入射界面で屈折した光のベクトルの先端位置を表す。

このことから明らかなように、集光光学素子１０の上面から入射したｐ偏光の光は、厚さ方向に複数重複して設けられたＢ部材１２（１２₁，１２₂，１２₃…）に入射し、出射するたびに少しずつ傾斜してゆき、そのベクトルの先端位置は、図３(ｂ)の外周楕円と内周円との間で行き来するように変化する。すなわち、集光光学素子１０の上面から入射したｐ偏光の光は、Ｂ部材１２（１２₁，１２₂，１２₃…）を透過するごとにその光ベクトルの方向が微小角度ずつｘ軸の正方向に変化し、図３(ｂ)において光ベクトルが時計回りに回転するように、ｘ軸に沿う方向に変化してゆく。

また、図３(ｂ)からわかるように、Ｂ部材１２に入射する光のベクトルがｘ軸に近くなってくるとＡ部材１１とＢ部材１２の屈折率差が小さくなり、これに伴って微小角度Δも小さくなる。そして、Ｂ部材１２に入射する光のベクトルがｘ軸に沿うようになる（ｘ軸に平行になる）と、Ａ部材１１とＢ部材１２の屈折率差が略ゼロになり、光はＡ部材１１とＢ部材１２の界面で屈折することなくそのままｘ軸に沿って＋ｘ方向に進むことになる。すなわち、光のベクトルがｘ軸に平行になった光には、Ｂ部材１２がなくなった状態と同様になり、あたかも均質なＡ部材１１中を進むように、そのまま＋ｘ方向の端部に向けて進行する。

従って、集光光学素子１０の上面から入射したｐ偏光の光が、最も下層のＢ部材１２（Ｂ部材１２_mとする）を透過したときに、光のベクトルがｘ軸に沿うようにすれば、入射したｐ偏光成分の光は、理想的には全てｘ軸方向の＋ｘ方向の端部に向かい、光電変換素子５０に集光入射されることになる。

一方、最も下層のＢ部材１２_mから出射した光のベクトルがｘ軸に平行になるまで回転していなくとも、Ｂ部材１２_mから出射してＡ部材１１中を下面に向かって進む光が、Ａ部材１１と空気の界面において全反射される角度まで傾斜していれば、下面で全反射されて上方に向かう光が再び複数のＢ部材１２に入射し出射するたびにｘ軸の正方向に屈折され、光ベクトルがｘ軸に沿うようになってくる。

すなわち、最も下面側に配設されたＢ部材１２_mから下面に向かう光が、下面において全反射されるようにＡ部材１１及びＢ部材１２を設定すれば、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光全てを＋ｘ方向の端部に向けて集光することができる。このような構成によれば、Ｂ部材１２の厚さ方向の層数を削減して集光光学素子１０を薄く構成することができる。

このように、集光光学素子１０においては、入射したｐ偏光成分の光がｘ軸方向の＋ｘ側に集光される。そして、光発電装置１では、＋ｘ側の端部に集光された光が光電変換素子５０により光電変換され電気エネルギーが出力される。

なお、説明簡明化のため、集光光学素子１０の上面からｐ偏光の光がｘ−ｙ平面で垂直入射した場合を例に説明したが、図２中に付記するように、入射光がｘ−ｙ平面で左右いずれかに傾斜していても同様に作用することは明らかである。

（集光光学素子の構成例２）
次に、ｎ_ax及びｎ_bxの相違により、集光光学素子に上方から入射したｐ偏光成分の光がどの様に屈折して進行方向が回転してゆくかを、上記第１構成例とは逆のｎ_ax＞ｎ_bxの場合について、図４を参照しながら説明する。

この第２構成例の集光光学素子２０は、図２に示した第１構成例の集光光学素子１０と同様に、太陽光を透過するＡ部材２１と、このＡ部材中に多数配設されたＢ部材２２とを主体として構成される。Ｂ部材２２はｘ軸方向に開く楔状をなし、厚さ方向に複数重複して配設される。Ｂ部材２２はｘ軸及びｚ軸を含む面内において二等辺三角形の楔状をなし、二等辺三角形の頂点から底辺に下ろした垂線がｘ軸方向（＋ｘ側）に向かうように配設される。すなわち、Ａ部材２１及びＢ部材２２の配置構成は、第１構成例の集光光学素子１０と同様である。

図４は、前述した図３と同様に、第２構成例の集光光学素子２０の上方からｐ偏光の光が入射したときの光線屈折の状況を示したものである。すなわち、図４(ａ)は、Ａ部材２１中のＢ部材２２を透過する光が、Ｂ部材２２の入射面及び出射面で屈折してＡ部材２１に出射してゆく様子を示す。図４(ｂ)は、複数のＢ部材に繰り返し入射することによる屈折光の進路変化を、ｘ−ｙ平面でのＡ部材２１及びＢ部材２２の屈折率とスネルの法則により表したものである。

本構成例は、第１構成例と同様にＢ部材２２が複屈折性を有するが、図４(ｂ)に示すように、Ｂ部材２２の屈折率楕円４０ＢがＡ部材２１の屈折率円４０Ａの内側に入る形態である。すなわち、Ｂ部材２２の屈折率特性は、ｐ偏光の光に対して、ｙ軸方向に進む光の屈折率ｎ_bxがｘ軸方向に進む光の屈折率ｎ_byよりも小さい負の屈折率楕円４０Ｂを形成する。Ａ部材２１は複屈折性をもたず、屈折率特性はｘ，ｙ方向のいずれに進む光の屈折率も一定（ｎ_ax＝ｎ_ay）の屈折率円４０Ａを形成する。そして、Ｂ部材２２のｘ軸方向の屈折率ｎ_byと、Ａ部材２１のｘ軸方向の屈折率ｎ_ayとが略同一になっている。

図４(ｂ)のシミュレーションでは、ｎ_ax＞ｎ_bxであるＡ部材２１及びＢ部材２２の代表例として、Ａ部材２１の屈折率ｎ_ax＝ｎ_ay＝１．６５とし、Ｂ部材２２についてｙ軸方向に進むｐ偏光の光の屈折率ｎ_bx＝１．４８、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光の屈折率ｎ_by＝１．６５とした。また楔状のＢ部材２２の頂角αは前述の構成系例と同じ３０度とした。

これは、Ａ部材２１としてナフタレート７０／テレフタレート３０のコポリエステル、Ｂ部材２２として方解石を用い、Ｂ部材２２を分散して積層した素材をｘ軸方向に一軸延伸して集光光学素子１０を作成した場合に相当する。このとき、Ａ部材２１は複屈折性を持たず、屈折率ｎ_ax＝ｎ_ay＝１．６５程度である。一方、Ｂ部材２２は負の屈折性を有しており、偏光面が楔の開く方向（延伸方向）に沿った光に対して１．４８程度、他の方向について１．６５程度である。

図４(ａ)及び(ｂ)に示すように、ｙ軸方向にＡ部材２１を進んできた太い実線で示すｐ偏光の光Ｌ₂₁は、Ｂ部材２２に入射角ａで入射し、界面Ｂ_2１で屈折して屈折角ｂでＢ部材２２中を進む。このとき、ｎ_ax＞ｎ_bxであることから、角度ａ＜角度ｂであり、界面Ｂ_2１で屈折した光（屈折光）Ｌ₂₂は、進行方向がｘ軸の負の方向（−ｘ方向）に傾いてＢ部材２２中を進む。図４(ａ)，(ｂ)では、Ｂ部材２２中を進む屈折光Ｌ₂₂を細い点線で示す。なお図中のＳ₂₁は界面Ｂ_2１に立てた垂線である。

この界面Ｂ_2１における入射光Ｌ₂₁と屈折光Ｌ₂₂との関係を図４(ｂ)で見ると、前述同様にスネルの法則によりｎ_ax sinａ＝ｎ_bx sinｂであり、入射光Ｌ₂₁のベクトルの先端位置を表す外周円４０Ａ上の点４１から、屈折光Ｌ₂₂のベクトルの先端位置を表す内周楕円４０Ｂ上の点４２に変化し、屈折光Ｌ₂₂がｘ軸の負方向に傾く様子が表れている。

Ｂ部材２２中を進んだ屈折光Ｌ₂₂は、界面Ｂ₂₂に入射角ｃで入射し、ここで再び屈折して出射角ｄでＡ部材２１に出射する。ここでも、ｎ_ax＞ｎ_bxであることから、角度ｃ＞角度ｄであり、界面Ｂ₂₂で屈折した光（出射光）Ｌ₂₃は、再びｘ軸の負の方向に傾いてＡ部材２１中を進む。図４(ａ)，(ｂ)では、Ｂ部材２２から出射する出射光Ｌ₂₃を太い点線で示す。なお図中のＳ₂₂は界面Ｂ₂₂に立てた垂線である。

この界面Ｂ₂₂における屈折光Ｌ₂₂と出射光Ｌ₂₃との関係を図４(ｂ)で見ると、スネルの法則によってｎ_bx sinｃ＝ｎ_ax sinｄであり、屈折光Ｌ₂₂のベクトルの先端位置を表す内周楕円４０Ｂ上の点４２から、出射光Ｌ₂₃のベクトルの先端位置を表す外周円４０Ａ上の点４３に変化し、出射光Ｌ₂₃がさらにｘ軸の負方向に傾く様子が表れている。

このようにして、ｙ軸方向に進んでＢ部材２２に入射したｐ偏光の光Ｌ₂₁は、この楔状のＢ部材２２を透過することにより微小角度Δだけｘ軸の負方向（−ｘ方向）に傾き、Ｂ部材２２から光Ｌ₂₃となって出てゆく。この微小角度Δは前記した条件において３〜４度である。

ｙ軸からｘ軸の負方向に微小角度傾いた光は、厚さ方向に位置する次のＢ部材２２に入射し、上記同様にＢ部材２２の入射界面及び出射界面でｘ軸の負方向に屈折する。最初に入射するＢ部材をＢ部材２２₁、次に入射するＢ部材をＢ部材２２₂、以降同様にＢ部材２２₃…とすると、図４(ｂ)における内周楕円４０Ｂ上の点４４がＢ部材２２₂の入射界面で屈折した光のベクトルの先端位置、外周円４０Ａ上の点４５がＢ部材２２₂の出射界面で屈折した光のベクトルの先端位置を表し、内周楕円４０Ｂ上の点４６がＢ部材２２₃の入射界面で屈折した光のベクトルの先端位置を表す。

このことから明らかなように、集光光学素子２０の上面から入射したｐ偏光の光は、厚さ方向に複数重複して設けられたＢ部材２２（２２₁，２２₂，２２₃…）に入射し、出射するたびに少しずつ傾斜してゆき、そのベクトルの先端位置は、図４(ｂ)の外周円４０Ａと内周楕円４０Ｂとの間で行き来するように変化する。すなわち、集光光学素子２０の上面から入射したｐ偏光の光は、Ｂ部材２２（２２₁，２２₂，２２₃…）を透過するごとにその光ベクトルの方向が微小角度ずつｘ軸の負方向に変化し、図４(ｂ)において光ベクトルが反時計回りに回転するように、ｘ軸に沿う方向に変化してゆく。

Ｂ部材２２に入射する光のベクトルがｘ軸に近くなってくるとＡ部材２１とＢ部材２２の屈折率差が小さくなり、これに伴って微小角度Δも小さくなる。そして、Ｂ部材２２に入射する光のベクトルがｘ軸に沿うようになると、Ａ部材２１とＢ部材２２の屈折率差が略ゼロになり、光はあたかも均質媒質中を進むように、Ａ部材２１とＢ部材２２の界面で屈折することなくそのままｘ軸に沿って−ｘ方向に進む。

進行方向がｘ軸方向に沿うようになった光、及び最下層のＢ部材２２から出射した光のベクトルがｘ軸に平行になるまで回転していなくとも、Ａ部材２１中を下面に向かって進む光が、Ａ部材２１と空気の界面において全反射される角度まで傾斜した光の作用は、前述した第１構成例の場合と同様である。

従って、集光光学素子２０においては、入射したｐ偏光成分の光がｘ軸方向の−ｘ側端部に集光される。そして、−ｘ側の端部に集光された光を光電変換する光電変換素子５０を設けることにより、光発電装置１を構成することができる。

この構成例から、厚さ方向に進むｐ偏光成分の光に対するＡ部材の屈折率ｎ_axとＢ部材の屈折率ｎ_bxとの大小関係が前述した構成例と逆の場合、集光光学素子２０により集光される光が、ｘ軸方向の−ｘ側、すなわちｘ軸上で１８０度反対側になることがわかる。

また、図３及び図４から、Ａ部材とＢ部材とは、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光の屈折率差が所定程度あり、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光の屈折率差が微小であれば良く、Ａ部材及びＢ部材の何れが一方が複屈折率性を有していても、両方が複屈折性を有していても良いことがわかる。

そして、これまでの説明から理解されるように、集光光学素子１０，２０の上面から厚さ方向に入射するｐ偏光成分の光を高効率で集光するための条件は、Ａ部材１１，２１及びＢ部材１２，２２の屈折率、Ｂ部材１２，２２の形状、集光光学素子への入射許容傾斜角などを要素として規定される。従って、集光光学素子１０，２０の用途や使用条件等に応じて、Ａ部材及びＢ部材の材質、Ｂ部材の形状、重複層数等を適宜設定することにより、集光光学素子の上面から厚さ方向に入射する光を高効率で集光する集光光学素子を得ることができる。

なお、Ｂ部材の形状はｘ軸方向に開く楔状であれば直角三角形や、隣接する三角形の頂部と底辺とが連結したリボン状ないしシート状の連続体等であっても良い。また、Ｂ部材の楔の大きさは、ｘ軸方向の大きさが集光光学素子により集光する光の波長の１／１０以上であれば良いが、ｘ軸方向の大きさが０．１〜１００μｍであり、ｙ軸方向の大きさがｘ軸方向の大きさの１／３以下であれば、一軸延伸法等を好適に利用して、薄く柔軟なシート状の集光光学素子を形成することも可能である。

（集光装置及び光発電装置の構成例１）
次に、以上説明したような集光光学素子１０，２０を用いた集光装置について説明する。既述したように、集光光学素子１０，２０は、Ａ部材１１，２１及びＢ部材１２，２２のｐ偏光の光に対する屈折率が、ｙ軸方向に進む光について異なり、ｘ軸方向に進む光について実質的に等しくなるように設定することにより、厚さ方向に入射するｐ偏光成分の光をｘ軸方向に屈折させて集光する。

このメカニズムから、集光光学素子の上方から入射する光のうち、ｓ偏光成分の光はｘ軸方向に集光されず、集光光学素子の下面側から出射する。そこで、本発明の態様の集光装置６０，７０，８０は、このｓ偏光成分の光を含めて、集光光学素子の上方から入射する光全てを集光し得るように構成される。以下、集光装置の代表的な構成例について、図面を参照して説明する。なお、各図では、電界振幅が紙面に平行なｐ偏光の光を両端矢印の符号、電界振幅が紙面に垂直なｓ偏光の光を中心にドットを有する丸印の符号で示している。

第１構成例の集光装置６０の概要構成を図５に示す。図示する集光装置６０は、集光光学素子１０と、この集光光学素子１０の下面側に下面に沿って設けられた反射鏡６２と、集光光学素子１０と反射鏡６２との間に設けられた偏光面回転素子６５とを備えて構成される。なお、集光光学素子は、第２構成例の集光光学素子２０を用いても良い。

偏光面回転素子６５は、二回度透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子である。このような機能を有する偏光面回転素子として、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回目の透過でｓ偏光を円偏光に変換し、二回目の透過で円偏光をｐ偏光に変換する、広帯域の１／４波長板が好適に用いられる。

このような構成の集光装置６０では、集光光学素子１０の上面側から厚さ方向に入射した光のうち、ｐ偏光成分の光は、前述したように、複数のＢ部材１２により屈折されて進行方向（光ベクトル）が時計回りに回転されｘ軸方向の＋ｘ側端部に集光される。一方、集光光学素子１０の上面側から厚さ方向に入射した光のうち、ｓ偏光成分の光は、Ｂ部材１２により屈折されることなく集光光学素子１０の下面側から出射する。

集光光学素子１０の下面側から出射したｓ偏光成分の光は、偏光面回転素子６５を透過して反射鏡６２により反射され、再び偏光面回転素子６５を透過して、集光光学素子１０の下面側から再び集光光学素子１０に入射する。

このとき、集光光学素子１０に再入射する光は、偏光面回転素子６５を二度透過していることから、偏光面が９０度回転されてｐ偏光成分の光になっている。そのため、集光光学素子１０の下面側から再入射して厚さ方向に進むｐ偏光成分の光は、集光光学素子の下面で全反射されたｐ偏光成分の光と同様に、順次入射する複数のＢ部材１２により屈折されて進行方向が反時計回りに回転され、集光光学素子１０の上面側から厚さ方向に入射したｐ偏光成分の光とともにｘ軸方向に沿って＋ｘ側端部に集光される。

従って、このような構成の集光装置６０によれば、１枚の集光光学素子１０で、上方から入射する光全てをｘ軸方向の一方の端部に集光することができる。また、集光光学素子１０の端部に集光された光を光電変換する光電変換素子５０を設けることにより、集光光学素子１０及び光電変換素子５０がわずか１組の簡明かつローコストな構成で、上方から集光光学素子１０に入射する光全てを光電変換する光発電装置２を構成することができる。

（集光装置及び光発電装置の構成例２）
次に、第２構成例の集光装置について簡潔に説明する。この構成例の集光装置（図示を省力するが、説明の便宜上、集光装置７０とする）は、既述した集光光学素子を二つ用いて構成される。ここでは、集光光学素子１０と集光光学素子２０を各ひとつ用いる場合を例として説明する。

集光装置７０は、第１の集光光学素子１０と、その下面側に設けられた第２の集光光学素子２０とからなり、第２の集光光学素子２０のｘ軸方向が、第１の集光光学素子１０のｚ軸方向と平行になるように配設されて構成される。より端的にいえば、第１の集光光学素子１０の下側に位置する第２の集光光学素子２０を、ｙ軸まわりに９０度回転して配置することにより集光装置７０が構成される。

そのため、第１の集光光学素子の座標系におけるｓ偏光の光は、第２の集光光学素子の座標系ではｐ偏光になる。これにより、集光装置７０の上方から第１の集光光学素子１０に入射した光は、第１の集光光学素子１０におけるｐ偏光成分の光が屈折されて第１の集光光学素子１０の＋ｘ側の端部に集光され、この集光光学素子１０を透過した光が第２の集光光学素子２０においてｐ偏光成分の光になって、第２の集光光学素子２０の−ｘ側の端部に集光される。

従って、このような構成の集光装置７０によれば、２枚の集光光学素子をｙ軸まわりに相対角度９０度回転して重ねて配設する簡明な構成で、上方から入射する光全てを集光することができる。また、各々の端部に集光された光を光電変換する光電変換素子５０を設けることにより、簡明な構成で上方から入射する光全てを光電変換する光発電装置３（不図示）を構成することができる。さらに、第１の集光光学素子１０に設けられる光電変換素子と、第２の集光光学素子２０に設けられる光電変換素子とが上下に重複しないため、光電変換素子の構成及び配置の自由度を確保することができる。

なお、第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子は、同種の集光光学素子を二つ（例えば集光光学素子１０を二つ、あるいは集光光学素子２０を二つ）用いてもよく、また本構成例のように異なる種類の集光光学素子を組み合わせる場合に、何れを上方に配置しても良い。

（集光装置及び光発電装置の構成例３）
次に、第３構成例の集光装置８０について、図６を参照して説明する。本構成例の集光装置８０は、既述した集光光学素子二つと偏光面回転素子８５により構成される。図６では集光光学素子１０を二つ（１０₁，１０₂とする）用いた場合を例示する。

すなわち、集光装置８０は、第１の集光光学素子１０₁と、その下面側に設けられた第２の集光光学素子１０₂と、これらの集光光学素子１０₁，１０₂の間に設けられた偏光面回転素子８５とからなり、第１の集光光学素子１０₁のｘ軸方向と第２の集光光学素子１０₂のｘ軸方向とが平行になるように配設される。

偏光面回転素子８５は、透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子である。このような機能を有する偏光面回転素子として、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回の透過でｓ偏光をｐ偏光に変換する、広帯域の１／２波長板が好適に用いられる。

このような構成の集光装置８０では、第１の集光光学素子１０₁の上面側から厚さ方向に入射した光のうち、ｐ偏光成分の光は、第１の集光光学素子１０₁に含まれる複数のＢ部材１２により屈折されて進行方向が時計回りに回転され、第１の集光光学素子１０₁＋ｘ側端部に集光される。一方、第１の集光光学素子１０₁を透過したｓ偏光成分の光は第１の集光光学素子１０の下面側から出射され偏光面回転素子８５に入射する。

偏光面回転素子８５に入射したｓ偏光成分の光は、この偏光面回転素子８５を透過する過程で偏光面が９０度回転され、ｐ偏光成分の光となって偏光面回転素子８５から出射する。そのため、第２の集光光学素子１０₂には、偏光面が回転されてｐ偏光成分になった光が入射し、この第２の集光光学素子１０₂に含まれる複数のＢ部材１２により屈折されて進行方向が時計回りに回転され、第２の集光光学素子１０₂の＋ｘ側端部に集光される。

従って、このような構成の集光装置８０によれば、２枚の集光光学素子を重ねて配設する簡明な構成で、上方から入射する光全てを集光することができる。また、集光光学素子１０₁，１０₂の各々の端部に集光された光を光電変換する光電変換素子５０を設けることにより、簡明な構成で上方から入射する光全てを光電変換する光発電装置４を構成することができる。

この場合において、第１の集光光学素子１０₁及び第２の集光光学素子１０₂を、ｙ軸まわりに相対角度１８０度回転して配設するような構成によれば、第１の集光光学素子１０₁に設けられる光電変換素子５０と、第２の集光光学素子１０₂に設けられる光電変換素子５０とが上下に重複せず、光電変換素子の構成及び配置の自由度を確保することができる。なお、第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子は、集光光学素子２０を二つ用いても良く、集光光学素子１０と集光光学素子２０とを組み合わせて用いても良い。

（集光光学素子の端部における光エネルギーの取り出し手法）
次に、以上説明した集光光学素子１０，２０において、ｘ軸方向の＋ｘまたは−ｘ側の端部に集光された光の、エネルギー取り出し手法について、幾つかの代表的な概念を例示する図７(ａ)〜(ｅ)を参照しながら簡明に説明する。

(ａ)は、端部に集光された光を、そのまま取り出し、光として利用する構成例の概念図である。この場合において、集光光学素子の端部から出射する光をシリンドリカルレンズ９１や集光ロッド９２等を介してｚ軸方向に集光し、集光された光を光ファイバー９３により所望位置に導光するような構成が例示される。

(ｂ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の第１構成例の概念図である。この図は、光電変換素子５０を集光光学素子１０，２０の集光側の端部に結合し、電気エネルギーとして取り出す構成例を示す。なお、集光された光を熱エネルギーとして取り出す場合には、光熱変換する光吸収体付きのヒートパイプ等が好適に用いられる。

(ｃ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の第２構成例の概念図である。本構成例は、集光光学素子１０，２０の端部を斜めにカットしてミラー９４を配設し（あるいは傾斜面に反射膜を形成し）、集光光学素子１０，２０の上面側（または下面側）に設けた光電変換素子５０に集光させる構成例である。これにより、集光光学素子１０，２０が薄いシート状の場合であっても、所定面積の光電変換素子５０を安定的に取り付けることができる。なお、集光された光を熱エネルギーとして取り出す場合には、上記同様に光吸収体付きのヒートパイプ等が好適に用いられる。

(ｄ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の第３構成例の概念図である。本構成例は、集光光学素子１０，２０の端部を斜めにカットしてダイクロイックミラー９５を配設し（あるいは傾斜面に波長選択性のある反射膜を形成し）、集光光学素子１０，２０の上面側（または下面側）と、集光光学素子１０，２０の側方とに設けた光電変換素子５０，５０′に分割して集光させる構成例である。このような構成によれば、分割された各波長帯域について高効率な光電変換素子を用いるこができるため、比較的低コストで変換効率の高い光発電装置を構成することが可能となる。

なお、分割した光のうち一方（例えば赤外領域の光）を光吸収体付きのヒートパイプ等に入射して熱エネルギーとして利用し、他方（例えば可視領域及び紫外領域の光）を光電変換素子５０に入射して電気エネルギーとして利用するような構成も好適な適用例である。

(ｅ)は、端部に集光された光を、さらに厚さ方向に集光して取り出す構成例の概念図である。本構成の集光光学素子１０，２０は、集光側の端部近傍領域で厚さが徐々に薄くなるように構成されており、素子内部をｘ軸方向に進む光が、上面あるいは下面で全反射されて厚さ方向に集光されるようになっている。これにより、例えば光をそのまま利用する場合にシリンドリカルレンズ等を用いずに構成することができ、また光電変換素子５０やヒートパイプに入射させる場合に、簡明な構成で入射光のパワー密度を高めることができる。

なお、実施形態では、説明簡明化のため、集光光学素子を板状に構成した形態の例示し、また集光光学素子の作用を説明するため、Ａ部材及びＢ部材に具体的な物質の屈折率を適用した構成例を説明したが、本発明はこれらの構成形態や構成例に限定されるものではない。例えば、集光光学素子の形状は、薄いシート状や角柱・円柱等のロッド状であっても良く、Ａ部材及びＢ部材の材質は、種々の樹脂材料や無機材料等を適宜選択して構成することができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、Ａ部材及びＢ部材以外の他の部材を含むものであっても良い。

以上説明したように、集光光学素子１０，２０は、母材ないし基材となるＡ部材中に楔状のＢ部材が複数配設されており、これら両者の屈折率の関係が厚さ方向であるｙ軸方向に進むｐ偏光の光について異なり、Ｂ部材の配向方向であるｘ軸方向について実質的に等しくなるように構成される。集光装置６０，７０，８０及び光発電装置１〜４は、このような集光光学素子を用いて構成される。

従って、以上説明した集光光学素子１０，２０、集光装置６０，７０，８０によれば、薄型かつ簡明な構成で、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することができる。また、これらの集光光学素子１０，２０、集光装置６０，７０，８０を適用した光発電装置１〜４は、集光部の光軸方向の厚さが薄く小型軽量であり、太陽の追従装置を必ずしも必要としない、新たな太陽光発電手段として好適に適用することができる。

１〜４ 光発電装置
１０（１０₁，１０₂） 第１構成例の集光光学素子
１１ Ａ部材
１２（１２₁，１２₂，１２₃…１２_m） Ｂ部材
２０ 第２構成例の集光光学素子
２１ Ａ部材
２２（２２₁，２２₂，２２₃…） Ｂ部材
５０，５０′ 光電変換素子
６０ 第１構成例の集光装置
６２ 反射鏡
６５ 偏光面回転素子
８０ 第３構成例の集光装置
８５ 偏光面回転素子

Claims (17)

1. 光透過性を有するＡ部材と、前記Ａ部材中に厚さ方向及びこれと相互に直交する第１方向、第２方向に複数配設された光透過性を有するＢ部材とを有して構成され、
   前記厚さ方向及び前記第１方向を含み前記第２方向と直交する面内において、前記Ｂ部材は前記第１方向に開く楔状をなし、
   前記Ａ部材における、電界振幅が前記第１方向に沿った光の屈折率をｎ_ax、電界振幅が前記厚さ方向に沿った光の屈折率をｎ_ayとし、
   前記Ｂ部材における、電界振幅が前記第１方向に沿った光の屈折率をｎ_bx、電界振幅が前記厚さ方向に沿った光の屈折率をｎ_byとしたときに、
   ｎ_axとｎ_bxとが異なり、ｎ_ayとｎ_byとが実質的に等しいことを特徴とする集光光学素子。
2. 前記屈折率の関係が、ｎ_ax＜ｎ_bxであり、ｎ_bx＞ｎ_byであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
3. 前記屈折率の関係が、ｎ_ax＜ｎ_bxであり、ｎ_ax＜ｎ_ayであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
4. 前記屈折率の関係が、ｎ_ax＞ｎ_bxであり、ｎ_bx＜ｎ_byであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
5. 前記屈折率の関係が、ｎ_ax＞ｎ_bxであり、ｎ_ax＞ｎ_ayであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
6. 前記Ａ部材における、電界振幅が前記第２方向に沿った光の屈折率をｎ_azとし、
   前記Ｂ部材における、電界振幅が前記第２方向に沿った光の屈折率をｎ_bzとしたときに、
   ｎ_azとｎ_bzとが実質的に等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光光学素子。
7. 前記Ｂ部材が、前記厚さ方向に相互に重複して配設されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の集光光学素子。
8. 前記厚さ方向及び前記第１方向を含む面内において、前記Ｂ部材は二等辺三角形の楔状をなし、前記二等辺三角形の頂点から底辺に下ろした垂線が前記第１方向に向かうように配設されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の集光光学素子。
9. 前記Ｂ部材の前記第１方向の大きさが０．１〜１００μｍであり、前記厚さ方向の大きさが前記第１方向の大きさの１／３以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の集光光学素子。
10. 前記Ｂ部材の楔状の頂角、及び前記厚さ方向に重複する前記Ｂ部材の重複数は、
    前記集光光学素子の表面から前記厚さ方向に入射して、複数の前記Ｂ部材により前記厚さ方向及び前記第１方向を含む面内で順次屈折され、最も裏面側に配設された前記Ｂ部材から当該集光光学素子の裏面に向かう光が、前記裏面において全反射されるように設定されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の集光光学素子。
11. 前記第１方向及び前記第２方向の大きさが前記厚さ方向の大きさに対して充分に大きく、プレート状またはシート状に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集光光学素子。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
    前記集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、
    前記集光光学素子と前記反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子とを備えた集光装置。
13. 請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、
    請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、
    前記第２の集光光学素子は、前記第１の集光光学素子の裏面側に、当該第２の集光光学素子の前記第１方向が前記第１の集光光学素子の前記第２方向と平行になるように配設されることを特徴とする集光装置。
14. 請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、
    請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、
    前記第２の集光光学素子は、前記第１の集光光学素子の裏面側に、当該第２の集光光学素子の前記第１方向が前記第１の集光光学素子の前記第１方向と平行になるように配設されるとともに、前記第１の集光光学素子と前記第２の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子が設けられることを特徴とする集光装置。
15. 請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
    前記集光光学素子により前記第１方向の一方の端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
16. 請求項１２に記載の集光装置と、
    前記集光光学素子により前記第１方向の一方の端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
17. 請求項１３または１４に記載の集光装置と、
    前記第１の集光光学素子における前記第１方向の一方の端部に導かれた光を光電変換する第１の光電変換素子と、
    前記第２の集光光学素子における前記第１方向の一方の端部に導かれた光を光電変換する第２の光電変換素子とを備えた光発電装置。

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