JP5666557B2 - ソーラシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、自然太陽光に近いスペクトル分布を有する疑似太陽光を発生させて照射対象に照射するソーラシミュレータに関する。

例えば太陽電池パネル等の太陽光エネルギを利用する照射対象に対して、発生させた疑似太陽光を照射して光電変換特性の測定を行う、又は劣化特性試験を行うためのソーラシミュレータは公知である。

特許文献１には、キセノンランプからの光を光学フィルタを通過させて疑似太陽光とし、この疑似太陽光を反射鏡で反射拡散させて被測定対象に照射するように構成した疑似太陽光照射装置が開示されている。

また、特許文献２には、長尺のキセノンフラッシュランプからの光をこのランプと同軸の円筒状に形成されたスペクトル変換フィルタを通過させて疑似太陽光とし、この疑似太陽光を反射鏡で反射させ、さらに光拡散素子で拡散させて照射対象に照射するように構成した疑似太陽光照射装置が開示されている。

特開２００３−０２８７８５号公報 特開２００８−２８２６６３号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されているような従来の疑似太陽光照射装置によると、照射対象に照射される疑似太陽光は、いずれも拡散光であり、平行光では全くなかった。

近年、例えば太陽電池においては、集光型と称される太陽電池素子が注目を浴びている。この集光型太陽電池素子は、太陽光を集光した焦点付近に配置され、高温度下において高効率で光電変換を行うことができ、従来のシリコン系や薄膜系の太陽電池パネルに比して、その光電変換効率が数十から数百倍となる可能性を有している。

このような新しいタイプの集光型太陽電池素子に対して、疑似太陽光を照射して評価を行うことのできるソーラシミュレータは、今まで存在していなかった。即ち、ソーラシミュレータとして、
（１）大型化する太陽電池パネルのＩ−Ｖ特性評価を短時間で処理するために、瞬時（数ミリ秒〜数百ミリ秒）の閃光で計測を終了できること、
（２）疑似太陽光のスペクトルがＪＩＳ規格又は国際規格（ＩＥＣ）及び米国規格（ＡＳＴＭ）に合致していること、及び
（３）工場内に設置できる程度に小型化するべく太陽電池パネルと光源との距離を短距離（１０センチ〜３０センチ程度）とし、平行度の高い光を発生し、かつ至近距離から均一光を照射できること、
が要求される。

しかしながら、このようにパルス閃光する光を発する疑似太陽光源を用いて平行度の高い光を出力し、至近距離照射で均一度を満足できる装置は、従来技術では製造不可能であった。その理由は、
（Ａ）光源として用いられるキセノンフラッシュランプは直線形状であり点光源ではないこと、
（Ｂ）この種のキセノン光源を単体で使用するのみならず複数使用する場合があり、後者の場合に特に光学系が非常に複雑となることもあって、平行度の高い光を得る光学系の設計が非常に複雑となり、製造コストが異常に高くなってしまうこと、及び
（Ｃ）太陽電池パネルの評価装置としては、国際規格に合致したスペクトルを有する光を発しなければならないこと、
という条件を満足する必要があるからである。換言すれば、直線形状のキセノンフラッシュランプから出た光を太陽電池パネルに入射する際に平行度の高い光とすると共に、非常に広いスペクトル領域において色収差が非常に少ない光を提供する必要がある。最新のレンズ設計技術によれば、このような条件は、達成可能ではあるが、莫大な費用を要することから、製造コスト的に全く見合わない。

従って本発明の目的は、平行度が高くかつ均一性が高い光を至近距離から照射できるソーラシミュレータを提供することにある。

本発明の他の目的は、製造コストが安価であるソーラシミュレータを提供することにある。

本発明によれば、光源と、この光源の背後に設けられており、光源から放射された光を疑似平行光として反射する反射光学素子と、反射光学素子からの光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子と、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列してなり、低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する平行光変換光学素子とを備えたソーラシミュレータが提供される。

光源からの光は、反射光学素子で反射されて疑似平行光となり、低角度光拡散光学素子によって低い拡散角度で拡散された後、平行光変換光学素子に入って平行光に変換されて照射対象へ出射される。平行光変換光学素子が空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列して構成されているので、平行度の高い光に変換することができ、しかも、その前段に光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子が設けられているため、平行光変換光学素子から出射される光は均一性が非常に高くなる。即ち、均一な無限遠方から到達した平行光を得ることができる。また、光源からの光が順次通過するこのような反射光学素子、低角度光拡散光学素子及び平行光変換光学素子の構成によれば、パルス閃光可能でありかつ最適なスペクトルを有する例えばキセノンフラッシュランプ等の光源を使用した場合にも、ソーラシミュレータ全体の寸法を小さくすることができ、また、複雑な光学系も不要であることから製造コストを安価にすることができる。

低角度光拡散光学素子の出射面と平行光変換光学素子の入射面とが互いに接触しており、低角度光拡散光学素子は平行光変換光学素子から入射する光を表面で拡散反射するように構成されていることが好ましい。照射対象から見て平行光変換光学素子の後に低角度光拡散光学素子が設けられており、照射対象から反射された戻り光が平行光変換光学素子を逆方向に通り抜けたとしても低角度光拡散光学素子の表面において拡散反射されてしまうので、この低角度光拡散光学素子表面で反射され再び平行光変換光学素子に入射してもその内壁で一部が吸収されてしまい、照射対象に至るような不都合は生じない。また、低角度光拡散光学素子と平行光変換光学素子とが接触していることにより、戻り光に対する低角度光拡散光学素子の拡散効果がより良好となる。

低角度光拡散光学素子の拡散角度が、この低角度光拡散光学素子の出射光の半値幅が０．５〜５度となる角度であることも好ましい。低角度光拡散光学素子の透過光及び反射光に対する拡散の度合をこの範囲とすることにより、平行光変換光学素子の各空気孔内にできるだけ多くの平行光成分を入射させることができる。

平行光変換光学素子が、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有する空気パイプを互いに平行に多数配列してなり、低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する空気パイプ光学素子であることも好ましい。空気パイプ内においてパイプ軸に対して非平行な入射光を吸収する特性を有しているため、平行度の非常に高い光のみを出射することができる。

この場合、空気パイプ光学素子の出射側の面が、光吸収性の粗面で構成されていることも好ましい。これにより、照射対象の表面からの戻り光が空気パイプ光学素子の出射側の面で反射されて照射対象に再入射され、計測に誤差をもたらすような不都合の発生が低減される。

さらに、空気パイプ光学素子の隣接する空気パイプ間に光吸収材料が充填されていることも好ましい。これにより、パイプ軸に非平行な光の吸収特性が大幅に高まり、パイプ間のクロストークを完全に排除することができる。

平行光変換光学素子が、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を減衰させる特性を有するハニカム状空気孔を互いに平行に多数配列してなり、低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射するハニカム光学素子であることも好ましい。ハニカム状空気孔内において空気孔軸に対して非平行な入射光を乱反射させて減衰させる特性を有しているため、平行度のある程度高い光を出射することができる。また、この種のハニカム光学素子は寸法の大きいものを安価に入手可能であるため、装置の製造コストを大幅に低下させることが可能となる。

低角度光拡散光学素子の光源側の面に接触して配置されており、光源及び反射光学素子からの光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことも好ましい。このような特性調整用光学素子を挿入することにより、国際規格に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。特に、この特性調整用光学素子が低角度光拡散光学素子の面に接触していることにより、この部分での光学的損失（フレネル損失）の発生を防止することができる。

平行光変換光学素子の光源側の面とは反対側の面に接触して配置されており、光源及び反射光学素子からの光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことも好ましい。このような特性調整用光学素子を挿入すること及びこの特性調整用光学素子に入射する光をより平行度の高い平行光変換光学素子の出射光とすることにより、国際規格により正確に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。

反射光学素子と低角度光拡散光学素子との間に配置され、反射光学素子から低角度光拡散光学素子に印加される光強度分布を調整する光強度分布調整用光拡散光学素子をさらに備えたことも好ましい。このような光強度分布調整用光拡散光学素子を設けることにより、反射光学素子で反射されて印加される光のピーク強度分布をある程度均一化することが可能となる。即ち、反射光学素子からの光は、その中心部の光強度が最も高く、反射光学素子の周縁部に向かうにつれて弱くなる。このため、中心部において拡散角度が大きく、周縁部において拡散角度が小さい光拡散光学素子を設けることで、その光のピーク強度分布が均一となるように調整される。しかも、光拡散光学素子の透過率ではなく分散角度の相違でこの調整を行うことにより、光の吸収は生じないので全体としての光エネルギは低減しないこととなる。

反射光学素子が放物線状の軸断面を有する反射鏡又は放物線に近似した形状の断面を有する反射鏡であり、光源が軸断面の焦点に位置していることも好ましい。

光源の低角度光拡散光学素子側に配置されており光源から入射される光を反射光学素子方向に反射する追加の反射鏡をさらに備えており、追加の反射鏡が部分円形の軸断面を有しており光源が軸断面の焦点に位置していることが好ましい。この追加の反射鏡の低角度光拡散光学素子側の一部にスリットが設けられていることもさらに好ましい。

反射光学素子が、光源に向かって突出した三角形の２辺形状の軸断面を有する反射面をこの光源近傍に備えていることも好ましい。

本発明によれば、さらに、光源と、この光源の背後に設けられており、光源から放射された光を疑似平行光として反射する反射光学素子と、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列してなり、反射光学素子から入射した光を平行光に変換する第１の平行光変換光学素子と、第１の平行光変換光学素子からの光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子と、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列してなり、低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換する第２の平行光変換光学素子とを備えたソーラシミュレータが提供される。

光源からの光は、反射光学素子で反射されて疑似平行光となり、さらに第１の平行光変換光学素子によって平行光に変換された後、低角度光拡散光学素子によって低い拡散角度で拡散され、その後、第２の平行光変換光学素子に入ってもう一度平行光に変換されて照射対象へ出射される。第１の平行光変換光学素子が空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列して構成されているので、平行度の高い光に変換することができる。また、第２の平行光変換光学素子も空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列して構成されているので平行度の高い光に変換することができ、しかも、その前段に光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子が設けられているため、第２の平行光変換光学素子から出射される光は均一性が非常に高くなる。即ち、均一な無限遠方から到達した平行光を得ることができる。また、光源からの光が順次通過するこのような反射光学素子、第１の平行光変換光学素子、低角度光拡散光学素子及び第２の平行光変換光学素子の構成によれば、パルス閃光可能でありかつ最適なスペクトルを有する例えばキセノンフラッシュランプ等の光源を使用した場合にも、ソーラシミュレータ全体の寸法を小さくすることができ、また、複雑な光学系も不要であることから製造コストを安価にすることができる。

低角度光拡散光学素子の出射面と第２の平行光変換光学素子の入射面とが互いに接触しており、この低角度光拡散光学素子は第２の平行光変換光学素子から入射する光を表面で拡散反射するように構成されていることが好ましい。照射対象から見て第２の平行光変換光学素子の後に低角度光拡散光学素子が設けられており、照射対象から反射された戻り光が第２の平行光変換光学素子を逆方向に通り抜けたとしても低角度光拡散光学素子の表面において拡散反射されてしまうので、この低角度光拡散光学素子表面で反射され再び第２の平行光変換光学素子に入射してもその内壁で吸収されてしまい、照射対象に至るような不都合は生じない。また、低角度光拡散光学素子と第２の平行光変換光学素子とが接触していることにより、戻り光に対する低角度光拡散光学素子の拡散効果がより良好となる。

低角度光拡散光学素子の拡散角度が、低角度光拡散光学素子の出射光の半値幅が０．５〜５度となる角度であることも好ましい。低角度光拡散光学素子の透過光及び反射光に対する拡散の度合をこの範囲とすることにより、第２の平行光変換光学素子の各空気孔内にできるだけ多くの平行光成分を入射させることができる。

第１の平行光変換光学素子が、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有する空気パイプを互いに平行に多数配列してなり、反射光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する第１の空気パイプ光学素子であり、第２の平行光変換光学素子が、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有する空気パイプを互いに平行に多数配列してなり、低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する第２の空気パイプ光学素子であることも好ましい。空気パイプ内においてパイプ軸に対して非平行な入射光を吸収する特性を有しているため、平行度の非常に高い光のみを出射することができる。

この場合、第１及び第２の空気パイプ光学素子の出射側の面が、光吸収性の粗面で構成されていることも好ましい。これにより、照射対象の表面からの戻り光が第２の空気パイプ光学素子の出射側の面で反射されて照射対象に再入射され、計測に誤差をもたらすような不都合の発生が低減される。

第１及び第２の空気パイプ光学素子の各々の隣接する空気パイプ間に光吸収材料が充填されていることも好ましい。これにより、パイプ軸に非平行な光の吸収特性が高まり、パイプ間のクロストークを完全に排除することができる。

第１の平行光変換光学素子が、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を減衰させる特性を有するハニカム状空気孔を互いに平行に多数配列してなり、反射光学素子から入射した光を平行光に変換して出射するハニカム光学素子であり、第２の平行光変換光学素子が、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を減衰させる特性を有するハニカム状空気孔を互いに平行に多数配列してなり、低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射するハニカム光学素子であることも好ましい。ハニカム状空気孔内において空気孔軸に対して非平行な入射光を乱反射させて減衰させる特性を有しているため、平行度のある程度高い光を出射することができる。また、この種のハニカム光学素子は寸法の大きいものを安価に入手可能であるため、装置の製造コストを大幅に低下させることが可能となる。

低角度光拡散光学素子の第１の平行光変換光学素子側の面に接触して配置されており、第１の平行光変換光学素子から入射する光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことも好ましい。このような特性調整用光学素子を挿入することにより、国際規格に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。特に、この特性調整用光学素子が低角度光拡散光学素子の面に接触していることにより、この部分での光学的損失（フレネル損失）の発生を防止することができる。

第２の平行光変換光学素子の光源側の面とは反対側の面に接触して配置されており、光源及び反射光学素子からの光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことも好ましい。このような特性調整用光学素子を挿入すること及びこの特性調整用光学素子に入射する光をより平行度の高い第２の平行光変換光学素子の出射光とすることにより、国際規格により正確に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。

第１及び第２の平行光変換光学素子は、互いに異なる周期関数を有していることも好ましい。これにより、照射対象への出射光にモアレ縞が発生することを抑止できる。

第１及び第２の平行光変換光学素子は互いに等しい周期関数を有しており、照射対象に入射される光量調整を行うべく、第１の平行光変換光学素子における各空気孔の中心軸と第２の平行光変換光学素子における各空気孔との中心軸とが互いにずれていることも好ましい。照射対象への出射光に意図的にモアレ縞を発生させ、照射対象に入射される透過光量を空気孔との中心軸のずれ量によって調整することが可能となる。

反射光学素子と低角度光拡散光学素子との間に配置され、反射光学素子から低角度光拡散光学素子に印加される光強度分布を調整する光強度分布調整用光拡散光学素子をさらに備えたことも好ましい。このような光強度分布調整用光拡散光学素子を設けることにより、反射光学素子で反射されて印加される光のピーク強度分布をある程度均一化することが可能となる。即ち、反射光学素子からの光は、その中心部の光強度が最も高く、反射光学素子の周縁部に向かうにつれて弱くなる。このため、中心部において拡散角度が大きく、周縁部において拡散角度が小さい光拡散光学素子を設けることで、その光のピーク強度分布が均一となるように調整される。しかも、光拡散光学素子の透過率ではなく分散角度の相違でこの調整を行うことにより、光の吸収は生じないので全体としての光エネルギは低減しないこととなる。

反射光学素子が放物線状の軸断面を有する反射鏡又は放物線に近似した形状の断面を有する反射鏡であり、光源がこの軸断面の焦点に位置していることも好ましい。

光源の光拡散光学素子側に配置されており、この光源から入射される光を反射光学素子方向に反射する追加の反射鏡をさらに備えており、追加の反射鏡は部分円形の軸断面を有しており、光源がこの軸断面の焦点に位置していることも好ましい。この追加の反射鏡の低角度光拡散光学素子側の一部にスリットが設けられていることもさらに好ましい。

反射光学素子が、光源に向かって突出した三角形の２辺形状の軸断面を有する反射面をこの光源近傍に備えていることも好ましい。

本発明によれば、平行光変換光学素子が空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列して構成されているので、平行度の高い光に変換することができ、しかも、その前段に光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子が設けられているため、平行光変換光学素子から出射される光は均一性が非常に高くなる。即ち、均一な無限遠方から到達した平行光を得ることができる。また、光源からの光が順次通過するこのような反射光学素子、低角度光拡散光学素子及び平行光変換光学素子の構成によれば、パルス閃光可能でありかつ最適なスペクトルを有する例えばキセノンフラッシュランプ等の光源を使用した場合にも、ソーラシミュレータ全体の寸法を小さくすることができ、また、複雑な光学系も不要であることから製造コストを安価にすることができる。

本発明の第１の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示す斜視図である。 第１の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。 第１の実施形態のソーラシミュレータにおける低角度光拡散素子及び空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態のソーラシミュレータにおける空気パイプ素子の構造を説明する斜視図である。 第１の実施形態のソーラシミュレータにおける光吸収ガラス材の厚さ対光吸収率特性を示すグラフである。 第１の実施形態のソーラシミュレータにおける空気パイプ素子の空気パイプの直径と厚さとの関係を説明する図である。 第１の実施形態の図１のソーラシミュレータにおける低角度光拡散素子の表面を説明する図である。 本発明の第２の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示す斜視図である。 第２の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるソーラシミュレータのエアマスフィルタ、低角度光拡散素子及び空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の第４の実施形態におけるソーラシミュレータの第１の空気パイプ素子、エアマスフィルタ、低角度光拡散素子及び第２の空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の第５の実施形態におけるソーラシミュレータの第１の空気パイプ素子、エアマスフィルタ、低角度光拡散素子及び第２の空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の第６の実施形態におけるソーラシミュレータの空気パイプ素子の配置を説明する図である。 本発明の第７の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示す斜視図である。 第７の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。 本発明の第８の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示す斜視図である。 第８の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。 第８の実施形態におけるソーラシミュレータの光拡散光学素子及びハニカム光学素子の部分の構成を概略的に示す断面図である。 第８の実施形態のソーラシミュレータにおけるハニカム光学素子の構造を説明する斜視図である。 本発明の第９の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。 本発明の第１０の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。 第１０の実施形態におけるソーラシミュレータの光拡散光学素子、ハニカム光学素子及びエアマスフィルタの部分の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の第１１の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示す側断面図である。

図１及び図２は本発明の第１の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示しており、図３は本実施形態における低角度光拡散素子及び空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、照射対象である太陽電池パネルの特性を評価するための疑似太陽光を発生し、この太陽電池パネルに照射するように構成されている。

これらの図において、１０は直線形状を有する長尺のキセノンフラッシュランプ（本発明の光源に対応する）、１１はキセノンフラッシュランプ１０から照射対象方向（図にて上方向）に放射される直接光を遮光する遮光カバー、１２は照射対象に関してキセノンフラッシュランプ１０の後側（図にて下側）に設けられており、キセノンフラッシュランプ１０から放射された光を疑似平行光として反射する反射鏡（本発明の反射光学素子に対応する）、１３は透明なガラス板等から構成される支持基板、１４は支持基板１３上に光学的接着剤で固着されており、反射鏡１２からの疑似平行光を出射光の半値幅が０．５〜５度という低い拡散角度で拡散する低角度光拡散素子（本発明の低角度光拡散光学素子に対応する）、１５は低角度光拡散素子１４上に近接して配置されており、多数の空気パイプが互いに平行に配列してなる空気パイプ素子（本発明の空気パイプ光学素子に対応する）をそれぞれ示している。

本実施形態におけるキセノンフラッシュランプ１０は、例えば、５〜１００ｍｓｅｃ程度の発光パルス幅を有する閃光を発生可能とする長尺の一般的なキセノンランプである。

本実施形態における反射鏡１２は、キセノンフラッシュランプ１０の軸方向に沿って伸長しており、放物線状の軸断面形状を有している。即ち、反射鏡１２は放物面鏡又は放物面鏡に近似した反射面を有している。軸断面において、この反射鏡１２の焦点位置に、キセノンフラッシュランプ１０が配置されている。反射鏡１２としては、鏡面反射（全反射）の反射面を有するものを用いても良いし、多少拡散した反射面を有するものを用いても良い。

本実施形態における空気パイプ素子１５は、光を吸収する黒色ガラス板内に、ガラス板の厚み方向と平行に多数の直線状の空気パイプを配列したものであり、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有している。即ち、図３及び図４に示すように、空気パイプ素子１５は、パイプ軸方向が直線であって互いに平行となるように配列されており各パイプ内に空気が満たされている多数の直線状の空気パイプ１５ａを備えており、これら空気パイプ１５ａの間には黒色の光吸収ガラス材１５ｂが充填されて構成されている。黒色ガラス板を構成する光吸収ガラス材１５ｂは、非常に高い光吸収率を有するガラスを主体とする材料からなり、図５に示すように、６０μｍ以上の厚さを有する場合に、可視光領域（５５０ｎｍ付近）の光をほぼ１００％吸収する能力を有している。このような光吸収ガラス材１５ｂは、市販されている光吸収材料であり、空気パイプ１５ａ及び光吸収ガラス材１５ｂを有する空気パイプ素子１５も市販されている。

光吸収ガラス材１５ｂである光吸収材料が隣接する空気パイプ１５ａ間に充填されているため、各空気パイプ１５ａの内壁面は鏡面状であるが光を効率良く吸収し、また、パイプ間のクロストークは完全に排除される。図４に示すように、空気パイプ素子１５を構成する黒色ガラス板の光源側の入射面１５ｃより斜めに入射する光１６ａは、空気パイプ１５ａの内壁面で吸収されてしまうため、光源とは反対側の出射面１５ｄから出射されることはない。これに対して、入射面１５ｃよりパイプ軸にほぼ平行に入射する光１６ｂは、平行度の高い光１６ｃとして出射面１５ｄから出射される。

黒色の光学材料を用いることで、空気パイプ１５ａ内に入射された散乱光を効率良く吸収することができる。また、空気パイプ１５ａが円筒形であるため、光を等方にかつ均一に吸収することができるため、出射光の均一度を高くすることができる。

出射面１５ｄから出射された光は、±２度以内の平行度の非常に高い光となって太陽電池パネルに照射されるが、その表面で正反射された戻り光が出射面１５ｄに入射したとしても、その出射面１５ｄの総面積の１６〜６６％の部分が光吸収ガラス材１５ｂによって構成されており（残りの部分が空気パイプ１５ａとして開口している、開口率８４〜３４％）、しかもその表面がガラス切り出し加工を行ったままの状態としてカット刃による粗面（表面荒さが５０μｍ程度のランダムな粗さ）で構成されており光を乱反射するため、戻り光（迷光）１７ａがこの面に当たっても大きく減衰する。例えば、戻り光１７ａの反射光１７ｂは、紫外線、可視光及び近赤外線領域において、０．１％以下の反射率で反射されたものとなる。これにより、この出射面１５ｄに散乱光や平行光による戻り光が入射された場合にも、その多くが減衰され、大きな反射防止、特に正反射防止機能が発揮される。その結果、戻り光による計測誤差の発生がかなり防止される。

なお、黒色ガラス板の光源側の入射面１５ｃ及びその反対側の出射面１５ｄは互いに平行な平面となっている。これは、出射面１５ｄより出射される光線の平行度が各空気パイプの長さの差によって不均一とならないようにするためであり、適切な研磨によって平行な平面となっている。

空気パイプ素子１５の長さ、従って黒色ガラス板の厚さは約２〜３ｍｍであることが望ましい。また、各空気パイプの直径（内径）は、製造方法を調整することによって比較的自由に設定可能である。この直径のばらつきは誤差数パーセント以内に収まっていることが望ましい。

図６に示すように、幾何学的には、黒色ガラス板６０の厚さＴは、各空気パイプ６１の直径Ｄと、出射光６２が何度以内となるようにするかを表わす出射光平行度Ｘとによって定まる。出射光６２が±２度以内とする出射光平行度ＸがＸ＝２度、空気パイプ６１の直径ＤがＤ＝０．２５ｍｍの場合、Ｄ／Ｔ＝ｔａｎ-Ｘから、Ｔ＝Ｄ／ｔａｎＸ＝７．１２５ｍｍと算出される。即ち、出射光６２を±２度以内とするためには、幾何学的には、黒色ガラス板６０の厚さＴを７．１２５ｍｍ以上とする必要がある。しかしながら、黒色ガラス板６０の厚さＴをこのように厚くすると、空気パイプ６１の内壁面６１ａの反射係数が非常に低いことから光の吸収度が著しく大きくなって出射光の減衰が激しくなり、実用にならないことが判明した。実際に実験を行うと、空気パイプ６１の直径ＤがＤ＝０．２５ｍｍの場合に厚さＴが２．５ｍｍを超えると、光の減衰が著しくなり、平行度は理論値通りとなるが、実際に出力される光の量が実用にならないほど低下してしまう。従って、黒色ガラス板６０の厚さＴは２．５ｍｍ以下と設定し、むしろ、空気パイプ６１への入射光の条件を調整することが重要であることが分かった。即ち、空気パイプ６１に入射される光を散乱角の大きないわゆる入射角の大きな拡散光とするよりも、入射角の低い散乱又は拡散光とすることが有効であると判明した。

表１は、空気パイプの直径ＤがＤ＝０．２５ｍｍ、開口率が８４％の上述した黒色ガラス板（空気パイプ素子）について、その空気パイプ素子の厚さと、光透過率と、出射光の平行度との関係を実際に測定した結果を表わしており、厚さの単位はｍｍ、光透過率は１ソーラーのエネルギの光をこの空気パイプ素子に入射した際に出射される光強度の比率、平行度は半値（度）を表わしている。なお、空気パイプ素子の手前には出射光の半値幅が０．５度の低角度光拡散素子を配置している。出射光の半値幅が１度の低角度光拡散素子を配置した場合も確認した。平行度は、空気パイプ素子から離れた位置では若干低下するが、空気パイプ素子に近い位置では、ほとんど低下しないことが確認できた。

この表１から、空気パイプ素子の厚さ（空気パイプの長さ）が２．２ｍｍの場合に、光透過率が充分であり、かつ出射光の平行度が±２度以内（半値が２度以下）という非常に優れた結果を得られることが分かった。この場合、アスペクトレシオＤ／Ｔは、Ｄ／Ｔ＝０．２５／２．２＝１／８．８となる。実際には、透過率と平行度との兼ね合いから、アスペクトレシオＤ／Ｔを、１／８≦Ｄ／Ｔ≦１／１０の範囲に設定すれば望ましい。なお、空気パイプの直径ＤがＤ＝０．２５ｍｍの場合、空気パイプ素子の厚さＴは２ｍｍ以上かつ２．５ｍｍ以下の範囲にあることが最適となる。

本実施形態における低角度光拡散素子１４は、ポリカーボネート、ポリエステル又は石英などのベース上に、図７に示すように、ランダムな３次元形状の表面構造を有するように構成されている。これにより、太陽電池パネルの計測に必要な紫外線領域から近赤外線領域の有効テスト波長領域全体に渡って９０％以上の透過率を得ることができる。さらに、反射鏡１２から入射する疑似平行光をこの表面構造により屈折させて透過拡散させる第１の機能と、太陽電池パネルによって正反射され、空気パイプ素子１５を通ってほぼ垂直に再入射される光をこの表面構造により反射拡散させる第２の機能とを得ることができるように構成されている。また、低角度光拡散素子１４をフィルム状に形成することによって、大面積をカバーすることが可能となる。

第１の機能を有することにより、１次光源であるキセノンフラッシュランプ１０及び反射鏡１２の実像が太陽電池パネルの面に結像されることが防止でき、この低角度光拡散素子１４が２次光源となるように変換される。さらに、第２の機能を有することにより、太陽電池パネルの面で正反射された戻り光が空気パイプ素子１５の空気パイプ１５ａ内を通ってこの低角度光拡散素子１４にほぼ垂直な光７０となって再入射された場合、この低角度光拡散素子１４の表面で反射拡散された光７１となるので、この表面で全て正反射されて再び空気パイプ素子１５へ戻るような不都合は生じない（空気パイプ素子１５との組み合わせにより無反射構造体を形成できる）。

また、低角度光拡散素子１４の透過及び反射拡散特性として、その拡散角度及びヘイズ値を調整することによって、出射光又は反射光の半値幅が０．５〜５度という低い拡散角度を有するように設定されている。これにより、低角度光拡散素子１４からより多くの平行光成分が透過又は反射によって、空気パイプ素子１５に入射可能となる。

前述したように、出射光の半値幅が０．５度の低角度光拡散素子と、１度の低角度光拡散素子とを用いて、実際に実験を行った。この実験は、低角度光拡散素子を空気パイプ素子の光源側に配置し、この低角度光拡散素子に疑似平行光を入射せしめ、空気パイプ素子より出射する光の平行度を調べるものである。即ち、空気パイプ素子の軸と平行した面に黄色い蛍光物質が含まれたフィルムを安定した支持体に固定し、空気パイプ素子より出射する光が黄色い蛍光物質を含んだフィルムに沿って進む様子を、空気パイプ素子と直交する軸よりカメラ撮影を行い、その結果を解析した。空気パイプ素子は、空気パイプの直径ＤがＤ＝０．２５ｍｍ、開口率が８４％のものである。この解析の結果、出射光の半値幅が０．５度の低角度光拡散素子を用いた場合、空気パイプ素子の上面（０ｍｍ）からその上方３０ｍｍの範囲で非常に良好な平行な光を得ることができた。また、１度の低角度光拡散素子を使用した場合も、空気パイプ素子の上面（０ｍｍ）からその上方２０ｍｍの範囲で非常に良好な平行な光を得ることができた。なお、出射光の半値幅が５度を超える低角度光拡散素子を用いると、空気パイプ素子に入射される光が散乱角の大きな拡散光となってしまい、この空気パイプ素子から充分な強度の光を得ることができなくなる。従って、低角度光拡散素子１４は、出射光又は反射光の半値幅が０．５〜５度という低い拡散角度を有することが望ましい。

以上述べたように、本実施形態によれば、空気パイプ素子１５によって平行度の高い光に変換することができ、しかも、この空気パイプ素子１５の光源側の面に接触して低い拡散角度で拡散する低角度光拡散素子１４が配置されているため、光源の光学像が完全に拡散され、この低角度光拡散素子１４の出射面が均一な光強度の２次光源となる。また、太陽電池パネルから反射されてくる戻り光のうち、空気パイプ素子１５の出射面１５ｄにおける光吸収ガラス材１５ｂの部分に戻る光はその部分でほぼ吸収され、空気パイプ１５ａの部分に戻る光はその正反射成分以外はこの空気パイプ１５ａによって吸収され、正反射成分は空気パイプ１５ａを通って低角度光拡散素子１４に入射されるが、そのほとんどがこの低角度光拡散素子１４の表面で反射拡散されるので、空気パイプ１５ａを再度通って太陽電池パネルへ再照射される成分はほとんどない。従って、光源として、パルス閃光可能でありかつ最適なスペクトルを有するキセノンフラッシュランプ１０を使用した場合にも、ソーラシミュレータ全体の寸法を小さくすることができ、また、複雑な光学系も不要であることから製造コストを安価にすることができる。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

図８及び図９は本発明の第２の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、遮光カバーに代えて追加の反射鏡を設けたことを除いて、第１の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第１の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図８及び図９に示すように、本実施形態では、追加の反射鏡８１が設けられている。即ち、第１の実施形態における遮光カバー１１に代えて追加の反射鏡８１が設けられている。この追加の反射鏡８１は、キセノンフラッシュランプ１０の光軸に円中心が位置する部分円状の軸断面を有する半円筒形状を備えており、キセノンフラッシュランプ１０から上方向に放射される光を正反射して反射鏡１２へ有効に導く。これにより、第１の実施形態における遮光カバー１１では遮蔽及び散乱により損失光となっていた光が有効に利用できることとなる。なお、追加の反射鏡８１は反射鏡１２に対向するように配置されるが、追加の反射鏡８１の両端エッジとキセノンフラッシュランプ１０の光軸とを結ぶ線が反射鏡１２の反射面内に交差するような位置関係とすることが、光を有効に利用できる点で望ましい。なお、追加の反射鏡８１としては、鏡面反射（全反射）の反射面を有するものを用いても良いし、多少拡散した反射面を有するものを用いても良い。

また、本実施形態における追加の反射鏡８１にはその軸方向に沿って伸長するスリット状の開口部８１ａが形成されている。このスリット状の開口部８１ａは、追加の反射鏡８１の中央部に形成されており、キセノンフラッシュランプ１０からの光をその真上方向、即ち低角度光拡散素子１４の方向に直接的に導くためのものである。このような開口部８１ａを設けることにより、追加の反射鏡８１の真上方向にも配光することが可能となり、追加の反射鏡８１の影が上方向に投影されてしまい配光が不均一となるような不都合の発生を防止できる。このスリット状の開口部８１ａは、連続した開口であっても良いし、不連続な開口であっても良い。この開口部８１ａを通過する光量は、スリット幅（開口部８１ａのこの反射鏡８１の円周方向の長さ）自体を調整するか、開口部８１ａに透過光量を調整するためのメッシュのような透過光量調整部材を設けることにより調整する。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第１の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

図１０は本発明の第３の実施形態におけるソーラシミュレータのエアマスフィルタ、低角度光拡散素子及び空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、エアマスフィルタ（本発明の特性調整用光学素子に対応する）を追加的に備えていることを除いて第１の実施形態又は第２の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図１０に示すように、本実施形態では、低角度光拡散素子１４の光源側の表面上に光学的接着剤で固着されたエアマスフィルタ１８が設けられている。このエアマスフィルタ１８は、通過光のスペクトル分布を調整するためのものであり、これを挿入することにより、国際規格に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。特に、本実施形態では、エアマスフィルタ１８が低角度光拡散素子１４の入射面に接触していることにより、この部分での光学的損失（フレネル損失）を防止することができる。なお、本実施形態における低角度光拡散素子１４は、エアマスフィルタ１８によって調整したスペクトル分布に影響を与えないように、色分離せずに拡散を行える素子であることが望ましい。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第１の実施形態及び第２の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

図１１は本発明の第４の実施形態におけるソーラシミュレータの第１の空気パイプ素子、エアマスフィルタ、低角度光拡散素子及び第２の空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、２つの空気パイプ素子を備えていることを除いて第３の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図１１に示すように、本実施形態では、第２の空気パイプ素子１５とは別個に、エアマスフィルタ１８の光源側に第１の空気パイプ素子１９が設けられている。この第１の空気パイプ素子１９の構成は第２の空気パイプ素子１５の構成と全く同じである。即ち、第１の空気パイプ素子１９と第２の空気パイプ素子１５とは開口率が互いに等しく、従って周期関数が互いに等しくなるように構成されており、第１の空気パイプ素子１９及び第２の空気パイプ素子１５の空気パイプの中心軸は互いに同軸となっている。

反射鏡１２からの疑似平行光が第１の空気パイプ素子１９により平行度の高い光となり、これがエアマスフィルタ１８に入射する。周知の通り、光学フィルタはその入射面に垂直な平行光が入ることを条件に設計されており、エアマスフィルタ１８もその条件下で最適なスペクトル分布が得られるように設計されている。従って、本実施形態のように、エアマスフィルタ１８に入射する光を高い平行度の平行光とすることにより、国際規格に合致したスペクトル分布を得ることができる。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

図１２は本発明の第５の実施形態におけるソーラシミュレータの第１の空気パイプ素子、エアマスフィルタ、低角度光拡散素子及び第２の空気パイプ素子の部分の構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、２つの空気パイプ素子の周期関数が互いに異なることを除いて第４の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図１２に示すように、本実施形態では、第１の空気パイプ素子１９の周期関数ｆ（ｈ１／Ｈ１）と、第２の空気パイプ素子１５′の周期関数ｆ（ｈ２／Ｈ２）とが互いに異なっている。具体的には、第１の空気パイプ素子１９における空気パイプ１９ａの内径ｈ１及び外径Ｈ１と、第２の空気パイプ素子１５′における空気パイプ１５ａ′の内径ｈ２及び外径Ｈ２とが互いに異なっている。即ち、両者の開口率が互いに異なっている。これにより、太陽電池パネルの表面にモアレ縞が発生し、照度の不均一な部分が生じることを抑止できる。ただし、第１の空気パイプ素子１９及び第２の空気パイプ素子１５′が互いに重ね合わさることによって透過率が大幅に低下しないように注意すべきである。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

図１３は本発明の第６の実施形態におけるソーラシミュレータの空気パイプ素子の配置を説明している。本実施形態のソーラシミュレータは、２つの空気パイプ素子における各空気パイプの中心軸が互いにずれていることを除いて第４の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

本実施形態では、図１１に示すように、即ち、互いに重なり合った第１の空気パイプ素子１９と第２の空気パイプ素子１５とは開口率が互いに等しく、従って周期関数が互いに等しくなるように構成されている。ただし、第１の空気パイプ素子１９及び第２の空気パイプ素子１５の空気パイプの中心軸は互いにずれている。中心軸を互いにずらす方法として、図１３に示すように、平行移動でずらす方法１１０及び回転でずらす方法１１１があるがいずれの方法であっても良い。このような周期関数の等しい空気パイプを重ね合わせることによって太陽電池パネルに弱いモアレ縞を意図的に発生させ、これにより、太陽電池パネルに入射される光量調整を行っている。この光量は、空気パイプとの中心軸のずれ量によって調整することができる。ただし、あまり強いモアレ縞を発生させると、照度むらの原因となるため注意が必要である。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

図１４及び図１５は本発明の第７の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、反射鏡の一部構造が異なることを除いて、第２の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第２の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図１４及び図１５に示すように、本実施形態では、第２の実施形態の場合と同様に、追加の反射鏡８１が設けられている。この追加の反射鏡８１は、キセノンフラッシュランプ１０の光軸に円中心が位置する部分円状の軸断面を有する半円筒形状を備えており、キセノンフラッシュランプ１０から上方向に放射される光を正反射して反射鏡１４２へ有効に導く。これにより、第２の実施形態の場合と同様に、第１の実施形態における遮光カバー１１では遮蔽及び散乱により損失光となっていた光が有効に利用できる。本実施形態では、さらに、反射鏡１４２が、キセノンフラッシュランプ１０に向かって突出した三角形の２辺の形状の軸断面を有する反射面１４２ａをこのキセノンフラッシュランプ１０の真下に備えている。このような意図的に突出した反射形状により、キセノンフラッシュランプ１０から照射される光を反射鏡１４２の縁端部の近傍領域へ反射させ、この領域に光が到達されないことによって生じていた光量低下の問題を改善することができる。なお、追加の反射鏡８１は反射鏡１４２に対向するように配置されるが、追加の反射鏡８１の両端エッジとキセノンフラッシュランプ１０の光軸とを結ぶ線が反射鏡１４２の反射面内に交差するような位置関係とすることが、光を有効に利用できる点で望ましい。

また、本実施形態における追加の反射鏡８１にはその軸方向に沿って伸長するスリット状の開口部８１ａが形成されている。このスリット状の開口部８１ａは、追加の反射鏡８１の中央部に形成されており、キセノンフラッシュランプ１０からの光をその真上方向、即ち低角度光拡散素子１４の方向に直接的に導くためのものである。このような開口部８１ａを設けることにより、追加の反射鏡８１の真上方向にも配光することが可能となり、追加の反射鏡８１の影が上方向に投影されてしまい配光が不均一となるような不都合の発生を防止できる。このスリット状の開口部８１ａは、連続した開口であっても良いし、不連続な開口であっても良い。この開口部８１ａを通過する光量は、スリット幅（開口部８１ａのこの反射鏡８１の円周方向の長さ）自体を調整するか、開口部８１ａに透過光量を調整するためのメッシュのような透過光量調整部材を設けることにより調整する。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態における空気パイプ素子に代えて、後述する第８〜第１０の実施形態で用いたハニカム光学素子を用いても良いことは明らかである。その場合、製造コストを大幅に低減させることができる。

上述した第１〜第７の実施形態においては、空気パイプ素子の開口率（入射面又は出射面の総面積に対する空気パイプの開口面積の割合）がその表面全体において一定であるとしているが、その表面の一部において開口率を異ならせても良い。例えば、キセノンフラッシュランプ１０に近い中心部では光強度が高いので開口率を小さくして透過率を低くし、キセノンフラッシュランプ１０から遠い両端部では開口率を大きくして透過率を高めることにより、太陽電池パネルの表面に照射される光強度を均一にすることが可能となる。空気パイプ素子の開口率を部分的に異ならせる代りに、低角度光拡散素子の拡散角度を部分的に異ならせて空気パイプ素子に入射する角度を異ならせても良い。例えば、キセノンフラッシュランプ１０に近い中心部では光強度が高いので拡散角度が比較的大きめの低角度光拡散素子を用い、空気パイプの内壁に大きな角度で入射させて吸収を促進し、空気パイプ透過量を低くし、キセノンフラッシュランプ１０から遠い両端部では拡散角度が比較的小さめの低角度光拡散素子を用い、空気パイプの内壁に小さな角度で入射させて透過を促進し、空気パイプ透過量を高めることにより、太陽電池パネルの表面に照射される光強度を均一にすることが可能となる。なお、低角度光拡散素子として、拡散角度を変えた場合にも、スペクトル分布に影響を与えないものであることが望ましい。

図１６及び図１７は本発明の第８の実施形態におけるソーラシミュレータの構成を概略的に示しており、図１８は本実施形態における低角度光拡散素子及びハニカム光学素子の部分の構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、反射鏡及び追加の反射鏡と低角度光拡散素子との間に光強度調整用光拡散素子を設け、さらに空気パイプ素子に代えてハニカム光学素子を設けたことを除いて、第７の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第７の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図１６及び図１７に示すように、本実施形態では、反射鏡１４２及び追加の反射鏡８１と低角度光拡散素子１４との間に光強度分布調整用光拡散素子１６４が設けられている。この光強度分布調整用光拡散素子１６４は、キセノンフラッシュランプ１０からスリット状の開口部８１ａを介して直接的に又は反射鏡１４２によって反射されて低角度光拡散光学素子１４に印加される光のピーク強度分布をできるだけ均一化しようとするものである。即ち、キセノンフラッシュランプ１０及び反射鏡１４２からの光は、その中心部の光強度が最も高く、反射鏡１４２の周縁部に向かうにつれて弱くなる。このため、光強度分布調整用光拡散素子１６４として、拡散角度が中心部では大きく周縁部では小さい拡散角度を有する拡散素子を使用する。これにより、低角度光拡散素子１４に入射する光のピーク強度を均一化することができる。しかも、光拡散光学素子の透過率ではなく分散角度の相違でこの調整を行うことにより、光の吸収は生じないので全体としての光エネルギは低減しないこととなる。

光強度分布調整用光拡散素子１６４の具体例として、図１７に示すように中心部の第１の領域１６４ａでは拡散角度が２０°、その外側の第２の領域１６４ｂでは拡散角度が１０°、その外側の第３の領域１６４ｃでは拡散角度が５°、その外側の第４の領域１６４ｄでは拡散角度が１°となるような拡散素子を使用する。いずれの領域の拡散素子も透過率は９６％である。このような光強度分布調整用光拡散素子１６４は、拡散角度の異なる拡散フィルムを適切な幅に切断し、支持ガラス板上に光学粘着フィルムを用いて貼り付けることによって形成可能である。なお、この例では、拡散角度の異なる４つの領域に分けているが、この領域数は、４つに限定されるものではなく、複数であればいくつであっても良い。また、連続的に拡散角度の変化する１枚の拡散フィルムを用いても良い。ただし、実際の光学系では、反射鏡１４２及び追加の反射鏡８１の反射面の精度やキセノンフラッシュランプ１０の形状に応じて微妙な調整が必要であることから、各拡散角度の拡散フィルムを適切な幅に切断して光強度エネルギが均一化するように各領域の幅を調整することが望ましい。このような光強度分布調整用光拡散素子１６４を設けることにより、最終的に得られる出射光の光不均一度を±３％以内とすることができる。

図１６、図１７及び図１８に示すように、本実施形態では、多数のハニカム状空気孔が互いに平行に配列してなるアルミニウム製のハニカム光学素子１６５が低角度光拡散素子１４上に近接して配置されている。このハニカム光学素子１６５は、その厚み方向と平行に多数のハニカム状の空気孔を配列したものであり、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を乱反射させて減衰させる特性を有している。即ち、図１８及び図１９に示すように、ハニカム光学素子１６５は、軸方向が直線であって互いに平行となるように配列されており各孔内に空気が満たされている多数の直線状の正六角形の断面を有するハニカム状空気孔１６５ａを備えている。ハニカム状空気孔１６５ａの径（正六角形の互いに平行な辺間の距離）は出力される光に要求される平行度に応じて選択されるが本実施形態では約１ｍｍであり、ハニカム状空気孔１６５ａの長さ（ハニカム光学素子１６５の厚さ）はその１０倍となっている。隣り合うハニカム状空気孔１６５ａ間の壁１６５ｂの厚さは約５０μｍである。

ハニカム状空気孔１６５ａの内壁面は鏡面状であるため、図１９に示すように、ハニカム光学素子１６５の光源側の入射面１６５ｃより斜めに入射する光１６６ａは、ハニカム状空気孔１６５ａの内壁面で乱反射されて減衰し、光源とは反対側の出射面１６５ｄから出射される光量は減少する。即ち、ハニカム状空気孔１６５ａの長さ／径で決まる見込角以上の光が出射面１６５ｄ側から出射されないように構成されている。一方、入射面１６５ｃより孔軸にほぼ平行に入射する光１６６ｂは、平行度の高い光１６６ｃとして出射面１６５ｄから出射される。この出射面１６５ｄから出射された光は、±２度程度の平行度の高い光となって太陽電池パネルに照射される。逆に、太陽電池パネルの表面で正反射された戻り光が出射面１６５ｄに入射した場合、その表面を粗面とするか、アルマイト処理等によって黒色化することにより、光を乱反射又は吸収することができ、戻り光（迷光）がこの面に当たっても大きく減衰する。これにより、この出射面１６５ｄに散乱光や平行光による戻り光が入射された場合にも、そのある程度減衰させ、大きな反射防止、特に正反射を防止できるように構成可能である。その結果、戻り光による計測誤差の発生をかなり防止できる。

以上述べたように、本実施形態によれば、ハニカム光学素子１６５によって平行度の高い光に変換することができ、しかも、このハニカム光学素子１６５の光源側の面に接触して低い拡散角度で拡散する低角度光拡散素子１４が配置されているため、光源の光学像が完全に拡散され、この低角度光拡散素子１４の出射面が均一な光強度の２次光源となる。また、太陽電池パネルから反射されてくる戻り光のうち、ハニカム状空気孔１６５ａの部分に戻る光はその正反射成分以外はこのハニカム状空気孔１６５ａによって乱反射されて減衰され、正反射成分はハニカム状空気孔１６５ａを通って低角度光拡散素子１４に入射されるが、そのほとんどがこの低角度光拡散素子１４の表面で反射拡散されるので、ハニカム状空気孔１６５ａを再度通って太陽電池パネルへ再照射される成分はほとんどない。従って、光源として、パルス閃光可能でありかつ最適なスペクトルを有するキセノンフラッシュランプ１０を使用した場合にも、ソーラシミュレータ全体の寸法を小さくすることができ、また、複雑な光学系も不要であることから製造コストを安価にすることができる。さらに、ハニカム光学素子１６５は、寸法の大きいものを安価に入手可能であるため、装置の製造コストを大幅に低下させることができ、また、耐久性も高く、製造が容易であるというメリットを有している。本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第７の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態のハニカム光学素子１６５におけるハニカム状空気孔１６５ａを含む全体をアルマイト処理等によって黒色化すれば、第１〜第７の実施形態における空気パイプ素子と同様に、ハニカム状空気孔１６５ａの軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性が得られ、より高い平行度の出射光が得られる。

また、本実施形態におけるハニカム光学素子に代えて、第１〜第７の実施形態で用いた空気パイプ素子を用いても良いことは明らかである。その場合、より高い平行度の出射光を得ることができる。

図２０は本発明の第９の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、追加の反射鏡のスリット状の開口部と光強度調整用光拡散素子との間に追加の光強度調整用光拡散素子を設けたことを除いて、第８の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第８の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図２０に示すように、本実施形態では、追加の反射鏡８１のスリット状の開口部８１ａと光強度分布調整用光拡散素子１６４との間に追加の光強度分布調整用光拡散素子１６７が設けられている。この追加の光強度分布調整用光拡散素子１６７は、キセノンフラッシュランプ１０からスリット状の開口部８１ａを介して直接的に出射される光のピーク強度を低減し、最終的に低角度光拡散光学素子１４に印加される光のピーク強度分布をさらに均一化しようとするものである。このように、光強度分布調整用光拡散素子を複数重ねることにより光拡散の度合いを調整するものであり、単一の光強度分布調整用光拡散素子では調整しきれない光強度の不均一性を、同じような拡散角度又は異なる拡散角度を有する光拡散素子を重ねて配置（ただし、各光拡散素子間には空隙を設けて配置）することによって調整している。本実施形態においては、追加の光強度分布調整用光拡散素子１６７として、拡散角度が約４０°、透過率が９６％の拡散フィルムを支持ガラス板上に光学粘着フィルムで貼り付けたものを用いている。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第８の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態におけるハニカム光学素子に代えて、第１〜第７の実施形態で用いた空気パイプ素子を用いても良いことは明らかである。その場合、より高い平行度の出射光を得ることができる。

図２１は本発明の第１０の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示しており、図２２は本実施形態におけるソーラシミュレータの光拡散光学素子、ハニカム光学素子及びエアマスフィルタの部分の構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、エアマスフィルタ（本発明の特性調整用光学素子に対応する）を追加的に備えていることを除いて第９の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第９の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図２１及び図２２に示すように、本実施形態では、ハニカム光学素子１６５の出射面１６５ｄ上に光学的接着剤で固着されたエアマスフィルタ２１８が設けられている。このエアマスフィルタ２１８は、通過光のスペクトル分布を調整するためのものであり、これを挿入することにより、国際規格に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。特に、本実施形態では、エアマスフィルタ２１８がハニカム光学素子１６５の出射面１６５ｄに接触していることにより、この部分での光学的損失（フレネル損失）を防止することができる。また、本実施形態では、ハニカム光学素子１６５からの平行度の高い出射光がエアマスフィルタ２１８に入射するため、このエアマスフィルタ２１８は精度の高いスペクトル分布調整（スペクトル合致度がクラスＡＡＡとなる調整）を行うことができる。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第９の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態におけるハニカム光学素子に代えて、第１〜第７の実施形態で用いた空気パイプ素子を用いても良いことは明らかである。その場合、より高い平行度の出射光を得ることができる。

図２３は本発明の第１１の実施形態のソーラシミュレータの構成を概略的に示している。本実施形態のソーラシミュレータは、エアマスフィルタ（本発明の特性調整用光学素子に対応する）の設置位置が異なることを除いて第１０の実施形態におけるソーラシミュレータとほぼ同様の構成を有している。従って、本実施形態において、第１０の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を使用する。

図２３に示すように、本実施形態では、光強度分布調整用光拡散素子１６４の光源側の表面上に光学的接着剤で固着されたエアマスフィルタ２３８が設けられている。このエアマスフィルタ２３８は、通過光のスペクトル分布を調整するためのものであり、これを挿入することにより、国際規格に合致したスペクトル分布を得ることが容易となる。特に、本実施形態では、エアマスフィルタ２３８が光強度分布調整用光拡散素子１６４の入射面に接触していることにより、この部分での光学的損失（フレネル損失）を防止することができる。なお、本実施形態における光強度分布調整用光拡散素子１６４は、エアマスフィルタ２３８によって調整したスペクトル分布に影響を与えないように、色分離せずに拡散を行える素子であることが望ましい。

本実施形態におけるその他の構成及び作用効果は第１０の実施形態の場合と同様である。

なお、本実施形態におけるハニカム光学素子に代えて、第１〜第７の実施形態で用いた空気パイプ素子を用いても良いことは明らかである。その場合、より高い平行度の出射光を得ることができる。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

本発明は、太陽電池パネルの光電変換特性の測定及び劣化特性試験を行うための疑似太陽光発生のみならず、その他の、特に平行度が高く自然太陽光に近いスペクトル分布を有する疑似太陽光の発生が要求されるあらゆる分野に利用することが可能である。

１０ キセノンフラッシュランプ
１１ 遮光カバー
１２、１４２ 反射鏡
１３ 支持基板
１４ 低角度光拡散素子
１５、１５′、１９ 空気パイプ素子
１５ａ、１５ａ′、１９ａ、６１ 空気パイプ
１５ｂ 光吸収ガラス材
１５ｃ、１６５ｃ 入射面
１５ｄ、１６５ｄ 出射面
１６ａ、１６６ａ 斜めに入射する光
１６ｂ、１６６ｂ 平行に入射する光
１６ｃ、１６６ｃ 平行度の高い光
１７ａ 戻り光（迷光）
１７ｂ 戻り光の反射光
１８、２１８、２３８ エアマスフィルタ
６０ 黒色ガラス板
６１ａ 内壁面
６２ 出射光
７０ ほぼ垂直な光
７１ 反射拡散された光
８１ 追加の反射鏡
８１ａ スリット状の開口部
１４２ａ 反射面
１６４ 光強度分布調整用光拡散素子
１６４ａ、１６４ｂ、１６４ｃ、１６４ｄ 領域
１６５ ハニカム光学素子
１６５ａ ハニカム状空気孔
１６５ｂ 壁
１６７ 追加の光強度分布調整用光拡散素子

Claims (28)

1. 光源と、該光源の背後に設けられており、該光源から放射された光を疑似平行光として反射する反射光学素子と、該反射光学素子からの光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子と、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列してなり、前記低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する平行光変換光学素子とを備えており、
   前記平行光変換光学素子が、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有する空気パイプを互いに平行に多数配列してなり、前記低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する空気パイプ光学素子であり、前記空気パイプ光学素子の出射側の面が、光吸収性の粗面で構成されていることを特徴とするソーラシミュレータ。
2. 前記低角度光拡散光学素子の出射面と前記平行光変換光学素子の入射面とが互いに接触しており、前記低角度光拡散光学素子は前記平行光変換光学素子から入射する光を表面で拡散反射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
3. 前記低角度光拡散光学素子の前記拡散角度が、該低角度光拡散光学素子の出射光の半値幅が０．５〜５度となる角度であることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
4. 前記空気パイプ光学素子の隣接する空気パイプ間に光吸収材料が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
5. 前記平行光変換光学素子が、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を減衰させる特性を有するハニカム状空気孔を互いに平行に多数配列してなり、前記低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射するハニカム光学素子であることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
6. 前記低角度光拡散光学素子の前記光源側の面に接触して配置されており、該光源及び前記反射光学素子からの光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
7. 前記平行光変換光学素子の前記光源側の面とは反対側の面に接触して配置されており、前記光源及び前記反射光学素子からの光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
8. 前記反射光学素子と前記低角度光拡散光学素子との間に配置され、該反射光学素子から該低角度光拡散光学素子に印加される光強度分布を調整する光強度分布調整用光拡散光学素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
9. 前記反射光学素子が放物線状の軸断面を有する反射鏡又は放物線に近似した形状の断面を有する反射鏡であり、前記光源が該軸断面の焦点に位置していることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
10. 前記光源の前記低角度光拡散光学素子側に配置されており前記光源から入射される光を前記反射光学素子方向に反射する追加の反射鏡をさらに備えており、該追加の反射鏡が部分円形の軸断面を有しており前記光源が該軸断面の焦点に位置していることを特徴とする請求項９に記載のソーラシミュレータ。
11. 前記追加の反射鏡の前記低角度光拡散光学素子側の一部にスリットが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載のソーラシミュレータ。
12. 前記反射光学素子が、前記光源に向かって突出した三角形の２辺形状の軸断面を有する反射面を該光源近傍に備えていることを特徴とする請求項９に記載のソーラシミュレータ。
13. 光源と、該光源の背後に設けられており、該光源から放射された光を疑似平行光として反射する反射光学素子と、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収するか又は減衰させる特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列してなり、前記反射光学素子から入射した光を平行光に変換する第１の平行光変換光学素子と、該第１の平行光変換光学素子からの光を低い拡散角度で拡散する低角度光拡散光学素子と、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光の少なくとも一部を吸収する特性を有する空気孔を互いに平行に多数配列してなり、前記低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換する第２の平行光変換光学素子とを備えたことを特徴とするソーラシミュレータ。
14. 前記低角度光拡散光学素子の出射面と前記第２の平行光変換光学素子の入射面とが互いに接触しており、前記低角度光拡散光学素子は前記第２の平行光変換光学素子から入射する光を表面で拡散反射するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
15. 前記低角度光拡散光学素子の前記拡散角度が、該低角度光拡散光学素子の出射光の半値幅が０．５〜５度となる角度であることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
16. 前記第１の平行光変換光学素子が、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有する空気パイプを互いに平行に多数配列してなり、前記反射光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する第１の空気パイプ光学素子であり、前記第２の平行光変換光学素子が、パイプ軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を吸収する特性を有する空気パイプを互いに平行に多数配列してなり、前記低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射する第２の空気パイプ光学素子であることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
17. 前記第１及び第２の空気パイプ光学素子の出射側の面が、光吸収性の粗面で構成されていることを特徴とする請求項１６に記載のソーラシミュレータ。
18. 前記第１及び第２の空気パイプ光学素子の各々の隣接する空気パイプ間に光吸収材料が充填されていることを特徴とする請求項１６に記載のソーラシミュレータ。
19. 前記第１の平行光変換光学素子が、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を減衰させる特性を有するハニカム状空気孔を互いに平行に多数配列してなり、前記反射光学素子から入射した光を平行光に変換して出射するハニカム光学素子であり、前記第２の平行光変換光学素子が、空気孔軸に対して平行な入射光を透過し非平行な入射光を減衰させる特性を有するハニカム状空気孔を互いに平行に多数配列してなり、前記低角度光拡散光学素子から入射した光を平行光に変換して出射するハニカム光学素子であることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
20. 前記低角度光拡散光学素子の前記第１の平行光変換光学素子側の面に接触して配置されており、該第１の平行光変換光学素子から入射する光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
21. 前記第２の平行光変換光学素子の前記光源側の面とは反対側の面に接触して配置されており、前記光源及び前記反射光学素子からの光のスペクトル分布特性を調整する特性調整用光学素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
22. 前記第１及び第２の平行光変換光学素子は、互いに異なる周期関数を有していることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
23. 前記第１及び第２の平行光変換光学素子は互いに等しい周期関数を有しており、前記照射対象に入射される光量調整を行うべく、該第１の平行光変換光学素子における各空気孔の中心軸と該第２の平行光変換光学素子における各空気孔との中心軸とが互いにずれていることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
24. 前記反射光学素子と前記低角度光拡散光学素子との間に配置され、該反射光学素子から該低角度光拡散光学素子に印加される光強度分布を調整する光強度分布調整用光拡散光学素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
25. 前記反射光学素子が放物線状の軸断面を有する反射鏡又は放物線に近似した形状の断面を有する反射鏡であり、前記光源が該軸断面の焦点に位置していることを特徴とする請求項１３に記載のソーラシミュレータ。
26. 前記光源の前記低角度光拡散光学素子側に配置されており前記光源から入射される光を前記反射光学素子方向に反射する追加の反射鏡をさらに備えており、該追加の反射鏡が部分円形の軸断面を有しており前記光源が該軸断面の焦点に位置していることを特徴とする請求項２５に記載のソーラシミュレータ。
27. 前記追加の反射鏡の前記低角度光拡散光学素子側の一部にスリットが設けられていることを特徴とする請求項２６に記載のソーラシミュレータ。
28. 前記反射光学素子が、前記光源に向かって突出した三角形の２辺形状の軸断面を有する反射面を該光源近傍に備えていることを特徴とする請求項２５に記載のソーラシミュレータ。

Images