JP5679283B2 - 集光光学素子、集光装置、光発電装置及び光熱変換装置 - 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、光発電装置並びに光熱変換装置に関する。

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、太陽光の放射スペクトル範囲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、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方向に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材とを有して構成される。Ｂ部材の粒子径ｄは、厚さ方向に入射する光の波長をλとしたときに円相当径が０．１λ〜１０λである。いま、厚さ方向に延びる軸をｙ軸、第１方向に延びる軸をｘ軸、第２方向に延びる軸をｚ軸、ｘ軸及びｙ軸を含む面をｘｙ面とする。そして、Ａ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyx、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸からｘ軸方向に角度φ（０＜φ＜９０°）傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎａxφとし、Ｂ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyx、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎｂxφとしたときに、ｎａxyとｎｂxy、及びｎａyxとｎｂyxとが異なり、ｎａxφとｎｂxφとが等しく、かつsinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすように構成される。なお、本明細書において「粒子径」は、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径（直径）で規定し、頻度分布が最大の最頻粒子径（モード径）をもって粒子径ｄとしている。

この場合において、前記屈折率の関係は、ｎｂxy＞ｎｂxφ＞ｎｂyx、あるいは、ｎｂxy＜ｎｂxφ＜ｎｂyxとなるように構成することができる。また、前記屈折率の関係は、ｎａxy＞ｎａxφ＞ｎａyx、あるいは、ｎａxy＜ｎａxφ＜ｎａyxとなるように構成することもできる。

また、前記ｚ軸及び前記ｙ軸を含む面をｚｙ面とし、前記Ａ部材における、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａzy、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光の屈折率をｎａyz、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸からｚ軸方向に角度γ（０＜γ＜９０°）傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎａzγとし、前記Ｂ部材における、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂzy、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyz、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸からｚ軸方向に角度γ傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎｂzγとしたときに、ｎａzyとｎｂzy、及びｎａyzとｎｂyzとが異なり、ｎａzγとｎｂzγとが等しく、かつsinγ＞（１／ｎａxγ）を満たすように構成しても良い。

前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、１．５≦α≦４０であることが好適であり、２≦α≦２０とすることができる。また、Ｂ部材の粒子径ｄを２０μｍ以下とすることもできる。

Ａ部材中に分散された前記Ｂ部材の密度は、前記集光光学素子の表面から前記厚さ方向に入射し、複数の前記Ｂ部材により多重散乱されて前記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することができる。

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（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（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（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（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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）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、集光光学素子により第２方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｚ軸方向の＋ｚ側及び−ｚ側に導かれた光）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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）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４、第５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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）を光電変換する光電変換素子と、第２の集光光学素子における第１方向に導かれた光（同上）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。

本発明を例示する第４の態様は光熱変換装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の光熱変換装置は、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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）を光熱変換する光熱変換素子（例えば、実施形態におけるヒートパイプ）とを備えて構成される。

本態様に含まれる第２の構成形態の光熱変換装置は、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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）を光熱変換する光熱変換素子（例えば、実施形態におけるヒートパイプ）と、集光光学素子により第２方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｚ軸方向の＋ｚ側及び−ｚ側に導かれた光）を光熱変換する光熱変換素子とを備えて構成される。

本態様に含まれる第３の構成形態の光熱変換装置は、請求項１２に記載の集光装置と、集光光学素子により第１方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）を光熱変換する光熱変換素子とを備えて構成される。

本態様に含まれる第４、第５構成形態の光熱変換装置は、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方向に導かれた光（例えば、実施形態におけるｘ軸方向の＋ｘ側及び−ｘ側に導かれた光）を光熱変換する光熱変換素子と、第２の集光光学素子における第１方向に導かれた光（同上）を光熱変換する第２の光熱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部材中に粒子状のＢ部材が分散されており、このＢ部材の粒子径は、入射光の波長をλとしたときに円相当径ｄが０．１λ〜１０λとされる。いま、電界振幅がｘｙ面内の光に対して、Ａ部材及びＢ部材の屈折率は、ｙ軸方向に進む光及びｘ軸方向に進む光について、ｎａxyとｎｂxy、及びｎａyxとｎｂyxとが異なる。一方、ｙ軸からｘ軸方向に角度φ（０＜φ＜９０°）傾斜した軸方向に進む光については、ｎａxφとｎｂxφとが等しく、かつsinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすように構成される。Ａ部材とＢ部材とは、ｙ軸方向に進む光及びｘ軸方向に進む光について屈折率が異なることから、集光光学素子に上方から入射した光、及び素子内をｘ軸方向に進む光にとってＢ部材が粒子として見える。

このような集光光学素子では、Ａ部材中に分散されたＢ部材の粒子径が入射光の波長λと同程度のオーダーであることから、ミー（Mie）の散乱理論によれば、集光光学素子にｙ軸方向に入射した光のうちｘｙ面に沿った偏光成分の光は、Ｂ部材に遭遇するたびに所定角度範囲に散乱され、これを繰り返すことによってｙ軸からｘ軸方向に傾斜して進む光の割合が多くなる。傾斜した光の傾斜角度がφになると、当該角度φ傾斜した軸方向に進む光にとっては、Ａ部材とＢ部材の屈折率が等しいためＢ部材が粒子として見えず、均質媒質中を伝播するようにＡ部材及びＢ部材を透過して集光光学素子の下面に向かう。集光光学素子の下面では、sinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすことから下面に入射した光が全反射され、集光光学素子の内部に閉じ込められて第１方向（ｘ軸方向）の＋ｘ側または−ｘ側に集光される。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。

本発明の第４の態様の光熱変換装置は、上記のような集光光学素子または集光装置と、集光された光を光熱変換する光熱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熱変換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り、散乱により光の進行方向が変化していく様子を示す説明図である。 Ａ部材とＢ部材の屈折率の関係を例示する説明図である。 第１構成形態の集光光学素子１０における屈折率楕円の関係を示す説明図である。図において（ａ）はＢ部材がｘ軸方向に正の複屈折性を有する場合、（ｂ）はＢ部材がｙ軸方向に負の複屈折性を有する場合である。 第２構成形態の集光光学素子２０における屈折率楕円の関係を示す説明図である。図において（ａ）はＢ部材がｘ軸方向に負の複屈折性を有する場合、（ｂ）はＢ部材がｙ軸方向に正の複屈折性を有する場合である。 第１構成形態の集光光学素子１０における光の入射角と散乱との関係を模式的に示す説明図である。 粒子径が０．１５μｍの場合の光の散乱分布を例示するグラフである。 粒子径が０．３μｍの場合の光の散乱分布を例示するグラフである。 図７及び図８の散乱分布を異なる表示形態で示すグラフである。 サイズパラメータを変化させたときの光の散乱分布の変化を示すグラフ群である。 サイズパラメータと前方散乱に対する後方散乱の割合との関係を示すグラフである。 サイズパラメータと散乱角との関係を示すグラフである。 体積を一定としたときのサイズパラメータと散乱係数との関係を示すグラフである。 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の厚さ方向に延びる軸、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（ｘｙ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。

［光発電装置の概要］
装置全体の概要を把握するため、まず第１構成形態の集光光学素子１０を利用した光発電装置１を主たる例として全体概要を説明する。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。

［集光光学素子の概要］
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部材中に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材１２（２２）とを主体として構成される。Ｂ部材の粒子径は、集光光学素子に入射する光の波長をλとしたときに円相当径ｄが０．１λ〜１０λ程度に設定される。ここで、集光光学素子において集光しようとする光の波長λが幅を有する場合には、Ｂ部材の粒子径ｄは、その波長帯域における最短波長λminの１／１０〜最長波長λmaxの１０倍とすることができる。具体的に、太陽光を集光する場合には、太陽光の放射スペクトルは概ね４００ｎｍ〜１８００ｎｍ程度であり、Ｂ部材の粒子径ｄは、４０ｎｍ〜１．８μｍとすることができる。

Ｂ部材は、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に、全体として（マクロ的に見て）均一に分散されるが、図２ではＢ部材１２による散乱の作用を説明するため、散乱された光の光路上にあるＢ部材１２のみを模式的に示している。なお、Ｂ部材の分布密度は、Ａ部材及びＢ部材の材質や形状寸法、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部材の少なくともいずれか一方が複屈折性を有している。本明細書においては、Ａ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyx、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸からｘ軸方向に角度φ（０＜φ＜９０°）傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎａxφとし、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａzy、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光の屈折率をｎａyzとする。同様に、Ｂ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyx、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎｂxφとし、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂzy、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyzとする。

ここで、電界振幅がｘｙ面内の光（図２において電界振幅が紙面に平行な光）について偏光状態をｐ偏光、電界振幅がｚｙ面内の光（同上、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、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光はｙ軸方向に進むｐ偏光の光、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光はｘ軸方向に進むｐ偏光の光である。また、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光はｙ軸方向に進むｓ偏光の光、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光はｚ軸方向に進むｓ偏光の光である。

このとき、ｎａxyとｎｂxy、及びｎａyxとｎｂyxとが異なり、ｎａxφとｎｂxφとが等しく、かつsinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすように、Ａ部材及びＢ部材が設定される。

このような集光光学素子１０（２０）においては、上方から入射して素子内をｙ軸方向に進むｐ偏光の光、及び、素子内をｘ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxyとｎｂxy、ｎａyxとｎｂyxが異なることから、Ｂ部材１２（２２）が粒子として認識される。一方、素子内をｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxφとｎｂxφとが等しいことから、Ｂ部材１２（２２）が粒子として認識されない。

このとき、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光及びｘ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ｂ部材の存在によってどの様な影響を受けるか、その取扱いは、媒質（Ａ部材）中を進むｐ偏光の光の波長（λ／ｎａxy）と媒質中に分散された粒子（Ｂ部材）の粒子径ｄとによって異なったものになる。

具体的には、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長よりも充分小さい場合には、レーリー散乱の理論が適用できる。一方、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長と同程度のオーダーの場合には、ミー散乱の理論が適用できる。また、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長よりも充分に大きい場合には、幾何光学の理論が適用される。

本実施形態において、Ｂ部材１２（２２）の粒子径ｄは、円相当径で０．１λ〜１０λ程度に設定されており、媒質であるＡ部材中を伝播する光の波長と同程度のオーダーである。そのため、集光光学素子１０（２０）においてＡ部材中を伝播する光とＢ部材との関係は、基本的にミー散乱の理論が適用できる。

但し、集光光学素子１０（２０）においては、Ａ部材及びＢ部材１１，１２（２１，２２）の少なくとも一方が複屈折性を有しており、その複屈折特性や主軸の方位（光線が異常光となる進相軸または遅相軸の方位）、素子内を進む光の進行方向及び偏光成分との関係などに応じて、散乱の発生状況が変化する。

単純化のため、Ａ部材１１及びＢ部材１２のいずれか一方が複屈折性を有し、複屈折の主軸（光学軸）が一軸の場合を考える。この場合において、ｎａxyとｎｂxy、及びｎａyxとｎｂyxとが異なり、ｎａxφとｎｂxφとが等しくなる構成の端的な例を図３に示す。

図３は、Ｂ部材が複屈折性を有する場合について、Ａ部材とＢ部材のｘｙ面内における屈折率特性及び両者の関係を表している。図に示すように、Ａ部材の屈折率特性３０は方向によらず屈折率が一定（ｎａxy＝ｎａxφ＝ｎａyx）の屈折率円、Ｂ部材の屈折率特性４０（４１〜４４）は方向によって屈折率が異なる（本例ではｎｂxy＞ｎａxφ＞ｎａyx）屈折率楕円になっている。図から明らかなように、ｎａxy≠ｎｂxy、ｎａyx≠ｎｂyxである。そして、Ａ部材の屈折率円とＢ部材の屈折率楕円とは、ｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した角度位置で交わり、ｎａxφ＝ｎｂxφになっている。

従って、素子内をｙ軸方向に進むｐ偏光の光はｎａxy≠ｎｂxyにより、素子内をｘ軸方向に進むｐ偏光の光にはｎａyx≠ｎｂyxによりＢ部材が粒子として認識される。一方、素子内をｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した軸（便宜的に「屈折率整合軸」という）Ｍの方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxφ＝ｎｂxφであることから、Ｂ部材が粒子として認識されない。

以上は、説明簡明化のため、ｘｙ面における屈折率の関係で説明した。これを三次元的に表した概念図を図４に示す。図４（ａ）はＢ部材がｘ軸方向に正の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも高くなる複屈折性）４１を有する場合、図４（ｂ）はＢ部材がｙ軸方向に負の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも低くなる複屈折性）４２を有する場合の例である。

図５は、ｎａxy≠ｎｂxy、ｎａyx≠ｎｂyxであり、ｎａxφ＝ｎｂxφになる他の構成例を示す。図５（ａ）はＢ部材がｘ軸方向に負の複屈折性４３を有する場合、図５（ｂ）はＢ部材がｙ軸方向に正の複屈折性４４を有する場合の例である。

図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に配向する構成形態においては、Ａ部材の屈折率とＢ部材の屈折率が等しくなる屈折率整合軸Ｍがｙ軸を中心として軸対称（すなわち、ｘｙ面内における屈折率整合軸Ｍの傾斜角度φ＝ｚｙ面内における屈折率整合軸Ｍの傾斜角度γ）に形成される。換言すれば、ｙ軸を含む任意の平面において、ｙ軸から水平方向に角度φ傾斜して進むｐ偏光の光には、Ｂ部材が粒子として認識されない。他方、ｙ軸に沿って入射する光や水平方向に進む光には、Ｂ部材が粒子として認識される。

以上は、Ｂ部材が複屈折性を有する場合を説明したが、Ａ部材が複屈折性を有する場合についても同様であり、Ａ部材及びＢ部材の両者が複屈折性を有する場合についても同様に構成することができる。

以降では、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、一軸異方性の複屈折の主軸がｘ軸方向に配向する場合を第１構成形態の集光光学素子１０とし、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に配向する場合を第２構成形態の集光光学素子２０として説明する。

［第１構成形態の集光光学素子］
第１構成形態の集光光学素子１０においては、集光光学素子の上方から素子内に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光にはｎａxy≠ｎｂxyであることからＢ部材１２が媒質（Ａ部材１１）から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中を進む光のうち、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光についてもｎａyx≠ｎｂyxであることからＢ部材１２が媒質から識別されて粒子として存在する。一方、Ａ部材中をｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した屈折率整合軸の方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxφ＝ｎｂxφであることから、Ｂ部材１２が粒子として認識されず、粒子が存在しない状態（均質媒質）と同じになる。より端的に言えば、Ａ部材中を屈折率整合軸Ｍ以外の方向に進むｐ偏光の光に、Ｂ部材１２が粒子として存在する。

そのため、集光光学素子１０に入射してＡ部材中を屈折率整合軸方向に進むｐ偏光（ｐ偏光成分）以外の光は、Ａ部材とＢ部材の屈折率差に基づき媒質中に粒子として存在するＢ部材１２によりミー散乱を受ける。Ａ部材中を屈折率整合軸に沿って進むｐ偏光の光は、粒子と識別されないＢ部材１２によって散乱されることなく、そのまま屈折率整合軸Ｍに沿って進むことになる。

本発明は、上記のような複屈折性に基づく屈折率差を利用するため、Ｂ部材１２に入射する光の入射角に応じて散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。図６（ａ）〜（ｄ）は、Ｂ部材１２に入射する光の入射角と散乱との関係を模式的に示す説明図である。

図３に例示した屈折率の関係から理解されるように、ｙ軸を基準としたＢ部材１２への入射角θが、θ＝０°のときあるいはθ＝９０°のときにＡ部材とＢ部材の屈折率差が極大、散乱断面積が極大となって大きな散乱を受ける（図６（ａ），（ｄ））。一方、Ｂ部材１２への入射角θが屈折率整合軸Ｍの傾斜角度（「屈折率整合角」という）φと等しいθ＝±φのときには、Ａ部材とＢ部材の屈折率差が無く、散乱断面積が無限小になって散乱を受けない（図６（ｃ），（ｆ））。

Ｂ部材１２への入射角θが、０＜θ＜φ、φ＜θ＜９０°のように、中間の角度範囲にあるときは、当該入射角におけるＡ部材１１とＢ部材１２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する（図６（ｂ）（ｅ））。図６（及び図２）では、散乱により拡散する光を、入射光軸に沿って直進する光と、入射光軸から離れて左右に広がる２本の光とに代表させた３本のベクトルで表現しており、入射角θが屈折率整合角φに近いほど散乱効率が低下して左右に広がる散乱光のレートが小さくなること、θ＝φでは散乱が生じないことを表している。

このような構成の集光光学素子１０では、図２に示すように、素子上方から入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ａ部材（媒質）１１中に粒子として存在するＢ部材１２によりミー散乱を受け、例えば表面付近のＢ部材１２で入射光の４割が散乱される。Ｂ部材１２の側方を通過した光も厚さ方向に分布する次のＢ部材１２で４割が散乱され、段階が進むといずれ散乱を受ける。またＢ部材１２で散乱された光が厚さ方向に分布する次のＢ部材により散乱され、多重散乱される。

その結果、集光光学素子１０にｙ軸に沿って入射した光は、この素子中を進むにつれてｙ軸方向（垂直方向）に進む光の割合が減少し、ｘｙ面で斜め下方に傾斜した光の割合が増加する。ｘ軸の＋方向または−方向に傾斜した光は、Ｂ部材１２への入射角θが屈折率整合角φに近くなるほど散乱効率が低下して角度変化が小さくなり、屈折率整合軸に沿って進む光の割合が多くなる。傾斜角度がφになり屈折率整合軸に沿って進む光はＢ部材１２によって散乱されず、そのまま集光光学素子１０の下面に向かって進む。

ここで、集光光学素子１０においては、sinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすように、Ａ部材１１及びＢ部材１２が設定されている。すなわち、屈折率整合角φ傾斜して下面に入射する光の入射角が、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角より大きくなるように設定されている。例えば、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角が３８°であるとしたときに、屈折率整合角φが３８°以上となるようにＡ部材１１及びＢ部材１２が設定される。

このため、屈折率整合角φ傾斜して集光光学素子１０の下面に到達した光は下面で全反射される。下面で全反射された光は、下面側から上面側に進む過程で再びＢ部材１２に入射するが、このときＢ部材１２への入射角はθ＝−φ（θ＝１８０−φ）となるため、Ｂ部材１２で散乱されることなく上面に向かう。上面に到達した光の入射角も下面と同様全反射角よりも大である。従って、集光光学素子１０に入射した光は素子内に閉じ込められ、素子の上面及び下面で全反射されて素子内を伝播する。

これにより、集光光学素子１０に上方から入射したｐ偏光成分の光は、略全体が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５０，５０に集光入射される。

なお、集光光学素子１０の上面から入射してｙ軸方向に進むｓ偏光成分の光は、上記と散乱過程が異なり集光光学素子１０の下面から出射するが、集光光学素子の下面側に同様の集光光学素子１０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。

［第２構成形態の集光光学素子］
第２構成形態の集光光学素子２０は、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に沿うように配向して分布させた構成である（図４（ｂ）、図５（ｂ）を参照）。このような集光光学素子２０において、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｐ偏光の光については、前述した第１構成形態の集光光学素子１０と同様である。

すなわち、集光光学素子２０の上方から素子内に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光についてｎａxy≠ｎｂxyであり、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光についてもｎａyx≠ｎｂyxであることからＢ部材２２が媒質から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中をｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した屈折率整合軸の方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxφ＝ｎｂxφであることから、Ｂ部材２２が粒子として認識されず、粒子が存在しない状態と同じになる。

集光光学素子２０においては、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を進むｓ偏光の光についても、上記と同様の作用を持つ。集光光学素子２０においては、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に沿って配向されており、Ａ部材２１とＢ部材２２の屈折率の関係がｙ軸を中心として軸対称になっている。そのため、ｘｙ面と直交するｚｙ面において、上記と同様の作用が生じる。

具体的には、集光光学素子２０の上方から素子内に入射してＡ部材中を進む光のうち、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光（ｚｙ面においてｙ軸方向に進むｐ偏光の光）について、ｎａzy≠ｎｂzyであることからＢ部材２２が媒質（Ａ部材２１）から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中を進む光のうち、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光（ｚｙ面においてｚ軸方向に進むｐ偏光の光）についても、ｎａyz≠ｎｂyzであることからＢ部材２２が媒質（Ａ部材２１）から識別されて粒子として存在する。

そして、本構成形態の集光光学素子２０において、屈折率整合軸がｙ軸回りに軸対称に形成されることから、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸からｚ軸方向に角度φ傾斜した軸方向に進む光（屈折率整合軸の方向に進むｐ偏光の光）についてｎａzφ＝ｎｂzφであり、Ｂ部材２２が粒子として認識されない。なお、本構成形態においては、特許請求の範囲における角度γ＝角度φとしているが、γとφは異なる角度であっても良い。

そのため、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を屈折率整合軸以外の方向に進むｐ偏光の光は、Ａ部材とＢ部材の屈折率差に基づき媒質中に粒子として存在するＢ部材２２によりミー散乱を受ける。Ａ部材中を屈折率整合軸に沿って進むｐ偏光の光は、粒子と識別されないＢ部材２２によって散乱されることなく、そのまま屈折率整合軸に沿って進む。Ｂ部材２２の散乱断面積は光の入射角に応じて変化し、その変化が軸対称に生じることを除いて、図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明した状況と同様である。

具体的には、ｙ軸を基準としたＢ部材２２への入射角θが、θ＝０°のときあるいはθ＝９０°のときにＡ部材とＢ部材の屈折率差が極大、散乱断面積が極大となって大きな散乱を受ける（図３及び図６（ａ），（ｄ）を参照）。一方、Ｂ部材２２への入射角θが屈折率整合角φと等しいときには、Ａ部材とＢ部材の屈折率差が無く、散乱断面積が無限小になって散乱を受けない（図３及び図６（ｃ），（ｆ）を参照）。Ｂ部材２２への入射角θが、０＜θ＜φ、φ＜θ＜９０°のように、中間の角度範囲にあるときは、当該入射角におけるＡ部材２１とＢ部材２２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する（図３及び図６（ｂ）（ｅ）を参照）。

このため、集光光学素子２０においては、素子上方から入射してｙ軸方向に進む光は、Ａ部材２１中に粒子として存在するＢ部材２２により散乱を受け、厚さ方向に分布する複数のＢ部材２２により多重散乱される。このうち、図２においてｐ偏光（ｐ偏光成分）の光は、素子中を進むにつれてｙ軸方向（垂直方向）に進む光の割合が減少し、ｘｙ面で＋ｘ側または−ｘ側の斜め下方に傾斜した光の割合が増加する。また、図２においてｓ偏光（ｓ偏光成分）の光は、素子中を進むにつれてｙ軸方向に進む光の割合が減少し、ｚｙ面で＋ｚ側または−ｚ側の斜め下方に傾斜した光の割合が増加する。

これらの傾斜した光は、Ｂ部材２２への入射角θが屈折率整合角φに近くなるほど散乱効率が低下して角度変化が小さくなり、屈折率整合軸に沿って進む光の割合が多くなる。傾斜角度がφになり屈折率整合軸に沿って進む光はＢ部材２２によって散乱されず、そのまま集光光学素子２０の下面に向かって進む。

集光光学素子２０においては、sinφ＞（１／ｎａxφ）、sinφ＞（１／ｎａzφ）を満たすように、Ａ部材２１及びＢ部材２２が設定されている。すなわち、屈折率整合角φ傾斜して集光光学素子の下面に入射する光の入射角が、Ａ部材２１と空気との界面における全反射角よりも大きくなるように設定されている。

このため、屈折率整合角φ傾斜して集光光学素子２０の下面に到達した光は下面で全反射され、下面側から上面側に進む過程で再びＢ部材２２に入射するが、このときＢ部材２２への入射角はθ＝−φ（θ＝１８０−φ）となるため、Ｂ部材２２で散乱されることなく上面に向かう。上面に到達した光の入射角も下面と同様全反射角以上である。従って、集光光学素子２０に入射した光は素子内に閉じ込められ、素子の上面及び下面で全反射されて素子内を伝播する。

これにより、集光光学素子２０にｙ軸方向に入射した光のうち、ｐ偏光成分の光は略全体がｘ軸方向の左右いずれかに向かい、ｓ偏光成分の光は略全体がｚ軸方向の前後いずれかに向うこととなる。このようにして集光された光がｘ軸方向の端部およびｚ軸方向の端部に配設された光電変換素子５０，５０…に集光入射される。

これにより、集光光学素子２０の上面から入射した光が、Ａ部材２１とＢ部材２２の屈折率差によってｘ軸方向及びｚ軸方向に散乱され、各方向の側端部に設けられた光電変換素子５０に集光される。このような構成によれば、１枚の集光光学素子を用いた簡明な構成でｘ軸方向及びｚ軸方向に効率的に集光する集光装置を構成することができる。

［サイズパラメータ］
次に、Ａ部材１１，２１及びＢ部材１２，２２の好適な構成形態について、ミーの散乱理論に基づいてより詳細に説明する。なお、ミーの散乱理論そのものについては詳細説明を省略するが、例えば、1995年発売（McGRAW-HILL, INC)の アメリカの光学学会 OSA（OPTICAL SOCIETY OF AMERICA）監修の「HANDBOOK OF OPTICS」VolumeI Chapter６ にミー理論の散乱理論について記載されている。集光光学素子１０，２０では、Ｂ部材の粒子径ｄを入射光の波長λとほぼ同じオーダーの０．１λ〜１０λとすることで散乱を生じさせ、前方散乱を多重的に行わせて光を側方に導いている。このとき、後方散乱（損失）を抑制して前方散乱を支配的とし、また一定の厚さ内で効率的に集光することが望まれる。ミーの散乱理論では、その指標としてサイズパラメータαを用いる。

サイズパラメータαは、一般的に、下記（１）式で規定される。
α＝（π×ｄ）／（λ／ｎ）＝（π×ｄ×ｎ）／λ・・・・・・・（１）
ここで、ｄは粒子径（直径）であり、本明細書においては、Ｂ部材の粒子径を、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径とし、頻度分布が最大の最頻粒子径（モード径）で規定している。また（λ／ｎ）は媒質中を進む光の波長であり、ｎは媒質（Ａ部材）の屈折率である。例示する集光光学素子１０，２０において、Ａ部材１１は複屈折性を有しておらず、媒質の屈折率はｎ＝ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzyで一定である。

図７及び図８は、ミー散乱の理論に基づいてシュミレーションしたデータであり、円の中心に配設された粒子により左方から入射した光が散乱される様子（散乱光の分布）を、前方０度方向の大きさで規格化して示している。円の中心から右側の半円が前方、左側が後方であり、点線は３０度ごとの方位角を示す。両図における粒子、媒質（媒体）、入射光の共通条件は下記のとおりである。
・粒子の屈折率ｎｂxy：１．８８
・媒質の屈折率ｎａxy：１．６４
・入射光の波長 λ：６３３ｎｍ

図７と図８で相違する条件は粒子径ｄであり、図７は粒子径ｄ＝０．１５μｍ、図８は粒子径ｄ＝０．３μｍである。これらの値を（１）式に代入してサイズパラメータαを求めると、
・図７の例のサイズパラメータα：１．２２
・図８の例のサイズパラメータα：２．４４
となる。図９は、図７の散乱分布と図８の散乱分布を、横軸が入射方向を０度とする左右１８０度の角度とし、縦軸が分布の割合として描きなおしたものである。

図７〜図９から、サイズパラメータαが１．２２の場合（図７）と２．４４の場合（図８）とで散乱光の分布形態が大きく異なること、サイズパラメータα＝１．２２の場合には散乱角度が前方及び後方に広く分布し前方散乱も分散が大きいのに対し、サイズパラメータα＝２．４４の場合には殆ど後方散乱が見られず前方散乱の分散も小さいことなどが分かる。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、上記共通条件のもとでサイズパラメータαを変化させた場合（すなわち粒子径ｄを変化させた場合）の散乱光の分布を規格化せずに示したものであり、（ａ）α＝１．０、（ｂ）α＝１．５、（ｃ）α＝２．０、（ｄ）α＝２．５である。図１１は、上記共通条件のもとでサイズパラメータαを変化させたときの、前方０度方向への散乱割合に対する後方１８０度方向への散乱割合をプロットしたものである。

図１０及び図１１から、サイズパラメータαが１．５以上のときに前方散乱が略９割以上となり、前方散乱が支配的になる。またサイズパラメータαが２以上になると、前方散乱に対する後方散乱の割合がほぼ０になる。

但し、サイズパラメータαが大きくなると０度方向への前方散乱の割合が増加するが、散乱角度が小さく（狭く）なる。このことは、集光光学素子１０，２０を製作する際の複屈折体の配向精度や、集光光学素子の下面側に達した光が全反射条件を満たすようにするための厚さ方向寸法に影響を及ぼす。つまりサイズパラメータαは所定以上大きければ大きいほど良いわけではなく、実用上の見地から一定の範囲であることが必要となる。

図１２は、前記共通条件のもとで、サイズパラメータαと散乱角との関係を示したグラフである。複屈折体（Ａ部材またはＢ部材）の製作角度精度は１〜２度程度が一般的であり、粒子による散乱角はこれを超える角度であることが必要となる。図１２から、現状での一般的な製作角度精度に基づくサイズパラメータαの上限は５０前後である。

次に、前記共通条件のもとで、集光光学素子の体積、及び集光光学素子に占める粒子の充填率を一定（π／６）とした場合のサイズパラメータαと散乱係数との関係を図１３に示す。図において、散乱係数が大きいほど集光光学素子の厚さを低減することができ、複屈折材料が少なくて済む。この点から粒子の充填率が一定の場合には、サイズパラメータα＝１０前後において散乱係数が最大になる。散乱係数は最大値の１／５（２０％）以上であることが好ましく、この場合サイズパラメータαの上限はα＝４０程度となる。

また、製造精度の観点から見ると、一般的な製作精度の２倍以上となる５度を確保可能なサイズパラメータはα＝２０以下であることが好ましい（図１２）。また総体積を一定とした場合の散乱係数の面からも散乱効率がピーク値の１／４以上であるサイズパラメータα＝２０以下であることが好ましい（図１３）。

他方、粒子径についてみると、集光光学素子の厚さを考慮した場合、厚さは１０ｍｍ程度以内にすることが望ましい。この場合において上面から入射した光が下面側に到達するまでに５００回散乱されるためには粒子間隔が２０μｍ以内である必要があり、このときの最大粒子径は２０μｍとなる。粒子の体積充填率を５％以内とする場合には、粒子径は１０μｍ以内であることが好ましい。なお、前記共通条件において粒子径をｄ＝１０μｍとしたときのサイズパラメータはα≒８０であり、粒子径をｄ＝１０μｍとし入射光の波長λを１．３μｍとしたときのサイズパラメータはα≒４０である。

以上を総合すると、Ａ部材及びＢ部材からなる集光光学素子において、サイズパラメータは１．５≦α≦４０であることが好ましく、２≦α≦２０であることがより好ましい。また、Ｂ部材の粒子径ｄは２０μｍ以下であることが好ましく、ｄ≦１０μｍであることがより好ましい。

次に、集光光学素子の実施例について簡潔に説明する。集光光学素子１０の構成として、下記のようなＡ部材１１及びＢ部材１２からなる集光光学素子が例示される。Ａ部材１１は、ナフタレート７０／テレフタレート３０のコポリエステル（coＰＥＮ）のモノマーを用いる。Ｂ部材１２は、棒状液晶（Ｅ９：メルクジャパン製）に光重合開始剤（イルガキュア９０７：チバガイギー製）を添加して偏光ＵＶ光重合装置で光重合を行い、一定方向に偏光軸を有する複屈折粒子を作製する。Ａ部材１１にＢ部材１２を混合してｘ軸方向に一軸延伸しシート状の集光光学素子１０を作製する。Ｂ部材１２の粒子径はｄ＝１．０μｍ程度、Ｂ部材の分布密度は０．１個／μｍ³程度である。

このとき、Ａ部材１１（coＰＥＮ）は複屈折性を持たず、何れの方向に進む光についても屈折率が一定でｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．６４程度となる。一方、Ｂ部材１２は延伸方向に配向するため、延伸方向（ｘ軸方向）と他の方向とで屈折率が異なり、ｎｂxy＝１．７３、ｎｂyx＝ｎｂzx＝１．５３程度になる。なお、散乱理論からＢ部材は球形でなくても良く、延伸後のＢ部材（粒子）の円相当径が上記条件となるように調製した。

ここで、Ｂ部材１２は、複屈折の主軸がｘ軸方向に配向した一軸異方性の複屈折体である（図４（ａ）に相当する）ため、Ｂ部材に入射するｐ偏光の光はｘｙ面内の入射角度によってＢ部材１２の屈折率が変化し、Ａ部材１１との屈折率差が変化する。そのため、ミーの散乱理論における散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。

図３を参照して説明したように、Ｂ部材１２への入射角θがθ＝０°のときあるいはθ＝９０°のときにＡ部材１１とＢ部材１２の屈折率差が極大、散乱断面積が極大となって大きな散乱を受ける。一方、Ｂ部材１２への入射角θが屈折率整合角φと等しいθ＝±φのときには、Ａ部材とＢ部材の屈折率差が無く、散乱断面積が無限小になって散乱を受けない。Ｂ部材１２への入射角θが、０＜θ＜φ、φ＜θ＜９０°のように、中間の角度範囲にあるときは、Ａ部材１１とＢ部材１２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する。

このように構成された集光光学素子１０では、素子上面から垂直入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光が、媒質（Ａ部材１１）中に粒子として存在するＢ部材１２によりミー散乱を受ける。Ｂ部材１２の粒子径が１μｍ、粒子密度が０．１個／μｍ³では、表面付近の最初の段階で入射光の約４割が散乱され、６割は散乱されずに直進する。直進した光も厚さ方向に分布する次の段階のＢ部材１２で４割が散乱され、段階が進むといずれ散乱を受ける。散乱を受けた光はｙ軸に対して傾斜した光になる。

ｙ軸に対して傾斜した光は、次の段階では一部がより斜め（入射角が増加する方向）に曲げられ、他の一部は元に戻る方向（入射角が減少する方向）に曲げられ、残りは入射角が変化せずにそのまま進む光になる（図２を参照）。但し、斜めに傾斜した光は入射角θが屈折率整合角φに近くなるほど散乱確率が減少する。そのため、入射角θが屈折率整合角φに近い光については散乱を受ける割合が減少し、それ以上傾斜する割合も垂直方向に戻る割合も減少する。

媒質中を進む光の傾斜角度（入射角度）が屈折率整合角φになると、粒子の屈折率ｎｂxφが媒質の屈折率ｎａxφと同じになり、散乱確率が無視できるほど小さくなる。そのため、数多くの段階が進むことにより、光はｙ軸に対して角度φ方向傾斜した＋ｘ側または−ｘ側に向かうようになる。

ここで、ｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎxy、ｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎyxとすると、Ａ部材１１の屈折率楕円は下記（２）式、Ｂ部材の屈折率円は下記（３）式、両者が交わる屈折率整合角φは（４）式で表される。
（ｎxy）²／（１．７３）²＋（ｎyx）²／（１．５３）²＝１・・・・・・・（２）
（ｎxy）²＋（ｎyx）²＝（１．６４）² ・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
tanφ＝ｎxy／ｎyx・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）

上記（２）〜（４）式から、屈折率整合角φ＝６０．５°と求められる。この屈折率整合角φは、媒質であるＡ部材１１と空気との界面における全反射角３７．６度よりも大きく、媒質中の光はＡ部材１１と空気層との界面で全反射される。全反射された光は上面側に向けて媒質中を進む過程で再びＢ部材１２に遭遇するが、Ｂ部材への入射角は屈折率整合角であることからＢ部材１２により散乱を受けることはなく、均質媒質中を進むように透過する。以降、上面及び下面に全反射され、ｘ軸に沿った＋側または−側に集光される（図１４、図１５を参照）。

このとき、最も下面側に分散されたＢ部材１２の層を通って下面に向かう光の傾斜角が、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角以上となるようにＡ部材１１及びＢ部材１２を設定することにより、全ての光が屈折率整合角φまで傾斜していなくても、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光全てを±ｘ方向の端部に集光することができる。このような構成によれば、素子内に閉じ込めた光を低損失で長距離伝搬することができ、広い集光面積で高効率に集光可能な集光光学素子１０を得ることができる。

なお、集光光学素子の下面に、Ａ部材１１と屈折率が異なる保護膜等を形成した場合には、Ａ部材１１と膜との界面において膜の屈折率に応じた光の屈折が生じる。しかしながら、Ａ部材１１と膜との界面及び膜と空気との界面においてスネルの法則が成立するため、下面に到達した光の傾斜角がＡ部材と空気との界面における全反射角以上になっていれば、少なくとも膜と空気との界面において全反射条件が満たされされ、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光全てが±ｘ方向の端部に集光される。

また、上記の保護膜等を有する構成において、下面に到達した光の傾斜角がＡ部材と膜との界面における全反射角以上になっている場合は、Ａ部材と膜との界面において全反射条件が満たされ、下面に到達した光は膜中に進入することなくＡ部材中へ全反射される。このため、膜の外側表面が平滑でない等の理由により膜と空気の界面で全反射条件を維持できない場合でも、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光全てが±ｘ方向の端部に集光される。

以上の説明では、説明簡明化のため、集光光学素子に入射する光の波長が一定の場合を例示したが、入射波長が幅を有する場合には、Ｂ部材の粒子径ｄを集光する光の波長帯域に応じて適宜設定することができる。具体的には、太陽光の放射スペクトルに合わせて４００〜１８００ｎｍの範囲とし、あるいは放射スペクトルの強度が高い４００〜８００ｎｍの範囲とし、または次述する光発電装置における光電変換素子５０の変換効率が高い範囲などとすることができる。この場合において、Ｂ部材の粒子径ｄを波長帯域の中心や重心等に合わせて設定することができる他、波長帯域を複数に分割して各分割帯域に合わせた粒子径ｄ1，ｄ2，ｄ3として（すなわち粒子径が異なる複数のＢ部材の混合体として）設定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を用いた集光装置について、第１構成形態の集光光学素子１０を用いた場合を代表例として説明する。既述したように、集光光学素子１０では、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１０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１４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。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、Ａ部材１１中に均一分散された多数のＢ部材１２により散乱されて進行方向（光ベクトル）が屈折率整合角φの角度方向に配向し、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の端部に集光される。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ｐ偏光成分の光のような散乱を受けず、大部分が集光光学素子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、下面側から上面側に向けて進む過程でＢ部材１２により散乱され、進行方向が屈折率整合角φの角度方向に配向して、ｘ軸方向の＋ｘ側または−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軸方向の両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、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（図示を省略するが、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を二つ（１０₁，１０₂）用いた場合を例示する。

集光装置７０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とからなり、第２の集光光学素子１０₂のｘ軸方向が、第１の集光光学素子１０₁のｚ軸方向と平行になるように配設されて構成される。端的にいえば、第１の集光光学素子１０₁の下側に位置する第２の集光光学素子１０₂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１０₁の座標系におけるｓ偏光の光は、第２の集光光学素子１０₂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１０₁に入射した光は、第１の集光光学素子１０₁におけるｐ偏光成分の光が散乱されて第１の集光光学素子１０₁のｘ軸方向の両端部に集光され、この集光光学素子１０₁を透過した光が第２の集光光学素子１０₂においてｐ偏光成分の光になって、第２の集光光学素子１０₂のｘ軸方向の両端部に集光される。

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１０₁に設けられる光電変換素子と、第２の集光光学素子１０₂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。

［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１５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１５では集光光学素子１０を二つ（１０₁，１０₂）用いた場合を例示する。

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のＡ部材１１中に均一分散された多数のＢ部材１２により散乱されて進行方向（光ベクトル）が屈折率整合角φの角度方向に配向し、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の端部に集光される。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のＡ部材１１中に均一分散された多数のＢ部材１２により散乱されて屈折率整合角φの角度方向に配向し、ｘ軸方向の＋ｘ側または−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、第１の集光光学素子１０₁及び第２の集光光学素子１０₂の各＋ｘ側の端部と各−ｘ側の端部とが上下に位置して配設される。そこで、各＋ｘ側の端部同士をつないでひとつの光電変換素子５０に導くライトガイド、及び各−ｘ側の端部同士をつないでひとつの光電変換素子５０に導くライトガイドを設けて構成することもできる。このような構成によれば、比較的高額な光電変換素子の素子数を低減できる。

以上では、集光光学素子を用いた集光装置として第１構成形態の集光光学素子１０を用いた場合を説明した。一方、第２構成形態の集光光学素子２０を用いた場合には、集光光学素子２０単体で上記のような集光装置を構成することができる。すなわち、集光光学素子２０においては、集光光学素子２０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Ａ部材２１中に均一分散されたＢ部材２２により散乱されてｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の端部に集光され、ｓ偏光成分の光はＢ部材２２により散乱されてｚ軸方向の＋ｚ側または−ｚ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（集光光学素子２０）によれば、集光光学素子１枚の極めて簡明な構成で、上方から入射する光全てを集光することができる。そして、集光光学素子２０のｘ軸方向及びｚ軸方向の各々の端部に光電変換素子５０を設けることにより、極めて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５（不図示）を構成することができる。

［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、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１６(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等を介して直行方向に集光し、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。本構成例では、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、粒子径が集光対象の光の波長とほぼ同じオーダーの粒子状のＢ部材が分散されている。両者の屈折率の関係は、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光及びｘ軸方向に進むｐ偏光の光について異なり、ｙ軸からｘ軸方向に角度φ傾斜した軸方向に進むｐ偏光の光について等しく、かつsinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすように設定される。集光装置６０，７０，８０、光発電装置１〜５及び光熱変換装置は、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１〜５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。光熱変換装置についても同様である。

１〜５ 光発電装置
１０（１０₁，１０₂） 第１構成形態の集光光学素子
１１ Ａ部材
１２ Ｂ部材
２０ 第２構成形態の集光光学素子
２１ Ａ部材
２２ 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 (22)

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方向に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材とを有して構成され、
   前記Ｂ部材の粒子径ｄは、前記厚さ方向に入射する光の波長をλとしたときに円相当径が０．１λ〜１０λであり、
   前記厚さ方向に延びる軸をｙ軸、前記第１方向に延びる軸をｘ軸、前記第２方向に延びる軸をｚ軸、前記ｘ軸及び前記ｙ軸を含む面をｘｙ面とし、
   前記Ａ部材における、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyx、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸から前記ｘ軸方向に角度φ（０＜φ＜９０°）傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎａxφとし、
   前記Ｂ部材における、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyx、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸から前記ｘ軸方向に前記角度φ傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎｂxφとしたときに、
   ｎａxyとｎｂxy、及びｎａyxとｎｂyxとが異なり、ｎａxφとｎｂxφとが等しく、かつsinφ＞（１／ｎａxφ）を満たすように構成したことを特徴とする集光光学素子。
2. 前記屈折率の関係が、ｎｂxy＞ｎｂxφ＞ｎｂyx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、ｎｂxy＜ｎｂxφ＜ｎｂyx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、ｎａxy＞ｎａxφ＞ｎａyxであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光光学素子。
5. 前記屈折率の関係が、ｎａxy＜ｎａxφ＜ｎａyxであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光光学素子。
6. 前記ｙ軸及び前記ｚ軸を含む面をｚｙ面とし、
   前記Ａ部材における、電界振幅が前記ｚｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａzy、電界振幅が前記ｚｙ面内で前記ｚ軸方向に進む光の屈折率をｎａyz、電界振幅が前記ｚｙ面内で前記ｙ軸から前記ｚ軸方向に角度γ（０＜γ＜９０°）傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎａzγとし、
   前記Ｂ部材における、電界振幅が前記ｚｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂzy、電界振幅が前記ｚy面内で前記ｚ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyz、電界振幅が前記ｚｙ面内で前記ｙ軸から前記ｚ軸方向に前記角度γ傾斜した軸方向に進む光の屈折率をｎｂzγとしたときに、
   ｎａzyとｎｂzy、及びｎａyzとｎｂyzとが異なり、ｎａzγとｎｂzγとが等しく、かつsinγ＞（１／ｎａxγ）を満たすように構成した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Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、１．５≦α≦４０であ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Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、２≦α≦２０であ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部材の粒子径ｄが、２０μｍ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Ａ部材中に分散された前記Ｂ部材の密度は、前記集光光学素子の表面から前記厚さ方向に入射し、複数の前記Ｂ部材により多重散乱されて前記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方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子と、
    前記集光光学素子により前記第２方向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。
18. 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方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子と、
    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。
19. 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方向に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えた光熱変換装置。
20. 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方向に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子と、
    前記集光光学素子により前記第２方向に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えた光熱変換装置。
21. 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方向に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えた光熱変換装置。
22. 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方向に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子と、
    前記第２の集光光学素子における前記第１方向に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えた光熱変換装置。

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