JP5725528B2 - 光束平行度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光束の平行度を測定する光束平行度測定装置に関する。

従来から、太陽光と同等のスペクトルを有する光を放射する太陽シミュレータ装置（疑似太陽光照射装置）が知られており、太陽電池の特性評価に広く用いられている。太陽電池の特性評価の際には、当該太陽電池のパネル面の全範囲に均等に光を照射する必要がある。このため、太陽電池特性評価用の太陽シミュレータ装置は、照射光の光束を空間的に分散し平行光化して太陽電池のパネル面の全域に照射する構成となっている。

ところで、太陽シミュレータ装置の光源には、通常、レーザ光源のようなコヒーレント光源ではなく、キセノンランプ等のインコヒーレント光源が用いられる。光源がコヒーレント光源の場合には、周知の干渉計を使用して光束の平行度を測定することができるものの、インコヒーレント光源のように平行度が拡がりを有する場合には周知の干渉計で光束の平行度を測定することは困難である。
そこで近年では、疑似太陽光をバンドパスフィルタ及びアパーチャを通した後、光束の断面幅を光軸に沿った複数点で測定することで、比較的大きな光束の拡がり角を測定する技術が提案されている。
（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−８９５２６号公報

しかしながら、従来の技術では、光束の光軸に沿った複数箇所での測定が必要であるため測定に時間がかかる、という問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、インコヒーレント光源から放射された光束の平行度を少ない測定回数で測定できる光束平行度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、インコヒーレント光源から放射され平行光化光学系を通って平行光化された複数の進行方向の光線成分を含む光束のうち、所定の視野角の範囲が入射され、当該光束に含まれる光線成分のそれぞれを、検出面において、入射位置に依存せずに、光軸に対する入射角度に応じた距離だけ前記光軸から離れた位置に結像する結像光学系と、前記検出面において前記光束の結像位置を検出するイメージセンサを有する検出器と、を有し、前記検出面における前記光軸から前記結像位置までの距離を前記入射角度に変換し、前記光束に含まれる光線成分の入射角度分布を出力する解析手段を備えることを特徴とする光束平行度測定装置を提供する。

また本発明は、上記光束平行度測定装置において、前記検出器は、前記結像位置の光強度を検出し、前記解析手段は、入射角度ごとに光強度を対応付けて前記入射角度分布を出力することを特徴とする。

また本発明は、上記光束平行度測定装置において、前記結像光学系は、前記光線成分のそれぞれを入射角度に比例した距離だけ、所定平面上で前記光軸から離れた位置に結像することを特徴とする。

また本発明は、上記光束平行度測定装置において、前記結像光学系は、前記所定平面上に向かう主光線を前記光軸と平行にすることを特徴とする。

本発明によれば、光束に含まれる光線成分のそれぞれの光軸に対する入射角度の分布が出力されるため、当該光軸に対する光束の平行度を、１回の測定で、その分布とともに得ることができる。

本発明の実施形態に係る光束平行度測定装置の構成を模式的に示す図である。 光束平行度の測定原理の説明図である。 表示装置に出力される測定結果出力画面を示す図である。 疑似太陽光の照射面内の光束平行度測定の説明図であり、（Ａ）は照射面と測定箇所の関係を示し、（Ｂ）は各測定箇所での測定により得られた入射角度分布チャートの一例を示す。 本発明に係る光束平行度測定装置の応用例の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る光束平行度測定装置１の構成を模式的に示す図である。
本実施形態の光束平行度測定装置１は、太陽シミュレータ装置３から照射される光束９の平行度を測定する。太陽シミュレータ装置３は、波長帯域が太陽光と同程度に広い光を放射する例えばキセノンランプ等のインコヒーレントな光源４と、光源４の放射光を平行光化する平行光化光学系６と、放射光の空間的強度分布を均一にする例えばフライアイレンズ等のホモジナイザー８とを備え、比較的大きな断面積の光束９を疑似太陽光として出射する。なお、同図において、平行光化光学系６の後段にホモジナイザー８がレイアウトされているが、ホモジナイザー８は、通常、平行光化光学系６の配列の中に配置される。

光束平行度測定装置１は、センシングヘッド１０と、解析装置１２と、表示装置１４とを備えている。センシングヘッド１０は、太陽シミュレータ装置３の疑似太陽光（波長３００ｎｍ〜２０００ｎｍ）の照射対象のセット位置に配置されて光を検出するものであり、フィルタ部１６、開口絞りリング１８、レンズ部２０及び二次元検出器２２を備えている。
フィルタ部１６は、ＮＤフィルタ及び色調補正フィルタを重ねて合わせて構成されている。ＮＤフィルタは減光フィルタであり、二次元検出器２２での検出強度の飽和を防止する。色調補正フィルタは、光束９のスペクトル分布を二次元検出器２２の波長感度特性に応じて補正し、波長毎の検出のばらつきを防止する。
開口絞りリング１８は、二次元検出器２２への入射光量を調整するとともに、二次元検出器２２に入射する光束９の断面内の範囲を規定する。すなわち、開口絞りリング１８によって光束平行度測定装置１の空間分解能（測定可能な最小面積）が規定される。本実施形態では、センシングヘッド１０の視野角は、後述するレンズ部２０の光軸Ｋを中心に±５度の円形視野角となるように構成されている。

レンズ部２０は、入射光線２４の入射角度θに応じた位置に結像する結像光学系である。より具体的には、レンズ部２０は、図２に示すように、レンズ部２０の光軸Ｋに対する入射光線２４の入射角度θと、結像位置Ｐの光軸Ｋからの距離Ｌとの関係が所定関数ｆ（θ）で規定された関係を満たすとともに、なおかつ、少なくとも上記円形視野角の範囲内で結像位置Ｐが入射光線２４のレンズ部２０への入射位置に依存せずに入射角度θのみにより決定されるようにレンズ部２０の歪曲収差特性を考慮して光学設計されている。これにより、上記所定関数ｆ（θ）の逆関数に基づいて、結像位置Ｐから入射角度θが演算により求められる。
本実施形態では、レンズ部２０は、関数ｆ（θ）＝ａθ（ただし、ａは比例定数）の関係を満足するように光学設計されており、これにより、入射角度θが大きくなるほど、当該入射角度θに正比例して結像位置Ｐが光軸Ｋからの距離Ｌが大きくなるように構成されている。
当該レンズ部２０は、等方性の光学系として構成され、入射光線２４の入射方向に対応した方向に、光軸ＫからＬ＝ｆ（θ）だけ離れた結像位置Ｐに結像する。すなわち、検出面Ｑにおける原点Ｏ（Ｋ軸）に対する結像位置ＰのＸＹ座標値に基づいて、入射光線２４の進行方向を入射角度θとともに検出することができる。

またレンズ部２０は、結像側の主光線２５を光軸Ｋと平行にする、いわゆる像側テレセントリック光学系として構成されている。これにより、被測定光束の照射による温度上昇によってレンズ部２０のピントが変わったとしても、結像位置Ｐの面積（像）が大きくなるだけで当該結像位置Ｐの重心位置が変わることがない。すなわち、結像位置Ｐの重心位置（光量最大の点）を結像位置Ｐとして測定することで、レンズ部２０の温度上昇に対し、常に一定の精度を維持して光束９の平行度を測定できる。

二次元検出器２２は、例えばＣＣＤイメージセンサを内蔵し、ＣＣＤイメージセンサの矩形平面状の検出面Ｑ（図２）内の各位置（画素）での光強度を解析装置１２に出力する。また図１に示すように、二次元検出器２２は、底面に平面２６を有したケース体２８を備え、この平面２６に対してＣＣＤイメージセンサの検出面Ｑが平行に設けられている。またレンズ部２０は、光軸Ｋが検出面Ｑに対して垂直になるように設けられており、これらの構成により、ケース体２８を疑似太陽光の照射対象の照射面（或いは、照射対象を載置する載置面）に載置することで、当該照射面に対してレンズ部２０の光軸Ｋが垂直に位置決めされ、当該載置面に対する光束９の平行度が正確に測定される。

センシングヘッド１０のうち、フィルタ部１６、開口絞りリング１８及びレンズ部２０は、互いの光軸が同一となるように筒状のケース体に一体に設けられて光学部品から成る光学ユニット２９として構成されており、レンズ部２０側の端部を上記二次元検出器２２のケース体２８に螺合して着脱自在に設けられている。この光学ユニット２９から二次元検出器２２を取り外し、パワーメータを代わりに取り付けることで、トータルフラックス（Ｗ、ｌｍ）が簡単に測定できる。また例えばNIST(National Institute of Standards and Technology)に準拠した校正が行われたパワーメータをセンシングヘッド１０に取り付けて光束平行度測定装置１により測定を行い、二次元検出器２２の出力値とパワーメータの検出値との対応付けを行うことで、それ以降、二次元検出器２２の出力値のみでトータルフラックスを求め、後述の測定結果出力画面４０（図３）に光強度として出力することもできる。

解析装置１２は、センシングヘッド１０と信号ケーブルを介して接続され、センシングヘッド１０の二次元検出器２２から出力される出力信号に基づいて光束９の入射角度分布チャートＣ（図３参照）を生成し、例えば出力装置の一例たる表示装置１４に出力する。この解析装置１２は、一般的な構成のコンピュータ装置に、上記入射角度分布チャートＣを生成させるためのプログラムを実行させることで構成されている。

図３は、表示装置１４の測定結果出力画面４０を示す図である。
この図に示すように、測定結果出力画面４０には、上記入射角度分布チャートＣと、カラースケールバー４１とが表示される。
入射角度分布チャートＣは、測定した光束９に含まれる、入射角度θが異なる各光線成分の入射角度分布をマッピングしたものである。また、この入射角度分布チャートＣでは、入射角度θごとの相対的な光強度が色調変化によって表示されており、色調と光強度とが上記カラースケールバー４１によって示されている。

入射角度分布チャートＣについて詳細には、図２を参照して説明したように、センシングヘッド１０のレンズ部２０に光束９が入射角度θで入射すると、当該光束９に含まれるそれぞれの光線成分は、検出面Ｑにおいて、入射角度θに比例した距離Ｌだけ光軸Ｋから入射方向に対応する方向に離れた結像位置Ｐで結像することから、結像位置Ｐに基づいて入射角度θが一義的に求まり、また、結像位置Ｐでの光強度に基づいて、入射角度θごとに光強度が求まる。かかる演算は上記解析装置１２により行われる。
入射角度分布チャートＣは、このようにして求められた入射角度θの分布を、その入射角度θの光線成分の進行方向とともに示すべく、原点を入射角度θ＝０（光軸Ｋ）とした２次元直交座標として表示し、なおかつ、入射角度の分布を光強度ごとに色調分けして表示する。
これにより、入射角度分布チャートＣには、光束９に含まれる光線成分の入射角度θの大きさ（すなわち光軸Ｋに対する平行度）のみならず、光線成分の進行方向（光軸Ｋからのずれ方向）が、その光線成分の強度とともに示されることとなる。

なお、センシングヘッド１０の検出面Ｑの画素の配列方向と、入射角度分布チャートＣにおける座標軸方向とは固定されており、検出面Ｑを上下逆さにして照射面に載置した場合には、入射角度分布チャートＣも同じく上下逆転したチャートとなってしまう。すなわち、センシングヘッド１０の置き方によって、入射角度分布チャートＣに現れた光線成分の進行方向が実際と異なってしまう。そこで、検出面Ｑを照射面に対して常に同じ向きで載置すべく、センシングヘッド１０に上方向（例えばＹ軸正方向）を示す印を設け、照射面の複数箇所を測定する場合に、この印を常に同一方向に向けるようにセンシングヘッド１０を照射面に載置することで、各測定箇所の測定結果における光線成分の進行方向を揃え、互いに比較することができる。
なお、光線成分の進行方向に対する、検出面Ｑでの結像位置Ｐのずれ方向は、互いに１対１に対応するものの、結像位置Ｐのずれ方向が光線成分の進行方向を示す訳ではない。すなわち、レンズ部２０の向き等によっては、光線成分の進行方向と、検出面Ｑでの結像位置Ｐのずれ方向と、例えば光軸Ｋに対して反対方向を示す場合もあり、この場合には、それぞれが同一方向に揃うように補正して入射角度分布チャートＣを生成しても良い。

ここで、図３に示す入射角度分布チャートＣは、太陽シミュレータ装置３が備えるホモジナイザー８にフライアイレンズを用いた場合を示すものである。このため、光源４の光がフライアイレンズの通過することにより空間的に離散化され、これら離散化された光線成分のそれぞれの光軸Ｋからのずれ（すなわち平行度）が入射角度分布チャートＣに現れる。
すなわち、太陽シミュレータ装置３の照射光は平行光であることが望ましいものの、通常、光束がホモジナイザー８を通過した際に空間的な離散化が行われるため、光束９に含まれる全ての光線成分が平行光束になることはなく、平行光に対して角度を持った光線成分が含まれる。このため、太陽シミュレータ装置３にあっては、照射光の平行度が平行光の光束に対する、それ以外の角度を有する光線成分の光束の量や角度によって評価すべきである。そして、本実施形態の光束平行度測定装置１によれば、図３の入射角度分布チャートＣに示すように、光束９に含まれる角度の異なる光線成分のそれぞれの角度及び相対強度が分布図として示される構成であるため、太陽シミュレータ装置３の照射光の平行度を簡単かつ正確に評価することができる。
また、本実施形態の測定結果出力画面４０では、入射角度分布チャートＣの中に、太陽シミュレータ装置３の光束９として略平行光束と見なせる許容範囲が線４２で示されており、光束９の平行度の良否を一目で評価できるようになっている。

また、入射角度分布チャートＣでは、入射角度分布がリニアスケールの二次元座標で示されているため、各光線成分の入射角度θの大きさが直感的に把握できる。このとき、上述の通り、レンズ部２０は、光束９に含まれる光線成分のそれぞれを入射角度θに比例した距離Ｌだけ、検出面Ｑ上で光軸Ｋから離れた結像位置Ｐに結像するため、入射角度分布をリニアスケールの二次元座標に表すために解析装置１２が行う演算量を削減できる。

図４は疑似太陽光の照射面内の光束平行度測定の説明図であり、図４（Ａ）は照射面５０と測定箇所の関係を示し、図４（Ｂ）は各測定箇所での測定により得られた入射角度分布チャートＣの一例を示す図である。なお、同図においては、図面の煩雑化を防ぐため、光強度のスケール表示について図示を省略している。
太陽シミュレータ装置３の疑似太陽光の照射面５０が比較的広い場合、光束平行度測定は、その照射面５０の複数の箇所を離散的に測定することで行われる。図４（Ａ）に示すように、測定箇所は、太陽シミュレータ装置３の出射光の光軸中心Ｒと交差する点Ｔ１と、当該点Ｔ１を中心した周囲の４点Ｔ２〜Ｔ５のそれぞれを含むように決定される。

ここで、センシングヘッド１０の光軸Ｋと、測定点Ｔ１〜Ｔ５においてセンシングヘッド１０に入射する主光線５２の進行方向とが略一致している場合、図４（Ｂ）の測定点Ｔ１の入射角度分布チャートＣに示されるように、入射角度θが異なる光線成分の分布の中心が、入射角度分布チャートＣの原点に位置する。これに対して、センシングヘッド１０に入射する主光線５２の進行方向が光軸Ｋからずれている場合、主光線５２の光線成分のそれぞれの入射角度θに、主光線５２の進行方向の光軸Ｋからのずれ角βが加わるため、例えば図４（Ｂ）の測定点Ｔ２〜Ｔ５の各入射角度分布チャートＣに示されるように、光線成分の分布の中心Ｓが全体的に原点（光軸Ｋ）から当該光線成分の進行方向に応じた方向にずれることとなる。

このように、センシングヘッド１０に入射する主光線５２の進行方向の光軸Ｋからのずれ角βが、入射角度分布チャートＣにおいて当該分布全体の原点からのずれとして検出されるため、照射面５０の各測定点Ｔ１〜Ｔ５で平行度測定を行うことにより、それぞれにおいて、光束９に含まれる光線成分の入射角度θの分布に加え、当該光束９（主光線５２）の進行方向のずれ角βを把握することができる。
主光線５２にずれ角βが生じる要素には、照射面５０（載置面）の平面度のばらつきや、太陽シミュレータ装置３が備える光源４、平行光化光学系６及びホモジナイザー８のそれぞれの位置ずれ等が挙げられる。これらの要素を入射角度分布チャートＣから得られるずれ角βに基づいて調整することで、照射面５０の全域に亘って平行度の高い疑似太陽光が得られる。

以上説明したように、本実施形態によれば、光束９に含まれる光線成分のそれぞれの光軸Ｋに対する入射角度θの分布が出力されるため、当該光軸Ｋに対する光束９の平行度を、１回の測定で、その分布とともに得ることができる。

これに加え、本実施形態によれば、入射角度θごとに光強度を対応付けて入射角度θの分布を出力する構成としたため、入射角度θが大きな光線成分の光強度の強弱等に用いて光束９の平行度を評価することができる。さらに、入射角度分布チャートＣにおいて、入射角度θが光軸Ｋからずれた位置に強い光強度の光線成分が含まれているか否かを判断することで、迷光の存在を把握することもできる。

また、本実施形態によれば、光線成分のそれぞれを入射角度θに比例した距離Ｌだけ、検出面Ｑ上で光軸Ｋから離れた結像位置Ｐに結像する構成としたため、各光線成分の入射角度θの大きさを直感的に把握できるリニアスケールの分布図が簡単な演算で求められる。

また、本実施形態によれば、レンズ部２０を、検出面Ｑに向かう主光線２５を光軸Ｋと平行にする、いわゆる像側テレセントリック光学系として構成した。この構成により、レンズ部２０が温度上昇によって結像位置Ｐにピンぼけが生じたとしても、当該結像位置Ｐの面積が増えるだけで重心位置が変わることがない。これにより、レンズ部２０の温度上昇に対し、常に一定の精度を維持して光束９の平行度を測定できる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、太陽シミュレータ装置３が備える平行光化光学系６やホモジナイザー８等によって、光束９の平行度に大きな波長依存性が生じている場合には、光束９を単色化するバンドパスフィルタをセンシングヘッド１０のフィルタ部１６に設け、単色光ごとに平行度を測定してもよい。

また例えば、本実施形態に係る光束平行度測定装置１によれば、センシングヘッド１０に入射した光束９に含まれる各光線成分の光軸Ｋに対する入射角度θの強度分布が得られるため、例えば光拡散板の拡散度の評価に応用することができる。
すなわち、評価対象の拡散板をセンシングヘッド１０の入射側に配置し、この拡散板を介して平行度の高い光束をセンシングヘッド１０に入射して測定し、入射角度分布チャートＣを生成する。図５に示すように、入射角度分布チャートＣにおいては、拡散度が高いほど、入射角度θが広範囲に分布することとなり、この分布の範囲から拡散板の評価をすることができる。

１ 光束平行度測定装置
３ 太陽シミュレータ装置
９ 光束
１０ センシングヘッド
１２ 解析装置（解析手段）
１４ 表示装置
１６ フィルタ部
１８ 開口絞りリング
２０ レンズ部（結像光学系）
２２ 二次元検出器
２４ 入射光線
２９ 光学ユニット
４０ 測定結果出力画面
４１ カラースケールバー
５０ 照射面
５２ 主光線
Ｃ 入射角度分布チャート
Ｋ 光軸
Ｌ 距離
Ｐ 結像位置
Ｑ 検出面

Claims (4)

1. インコヒーレント光源から放射され平行光化光学系を通って平行光化された複数の進行方向の光線成分を含む光束のうち、所定の視野角の範囲が入射され、当該光束に含まれる光線成分のそれぞれを、検出面において、入射位置に依存せずに、光軸に対する入射角度に応じた距離だけ前記光軸から離れた位置に結像する結像光学系と、
   前記検出面において前記光束の結像位置を検出するイメージセンサを有する検出器と、を有し、
   前記検出面における前記光軸から前記結像位置までの距離を前記入射角度に変換し、前記光束に含まれる光線成分の入射角度分布を出力する解析手段を備える
   ことを特徴とする光束平行度測定装置。
2. 前記検出器は、前記結像位置の光強度を検出し、
   前記解析手段は、入射角度ごとに光強度を対応付けて前記入射角度分布を出力することを特徴とする請求項１に記載の光束平行度測定装置。
3. 前記結像光学系は、前記光線成分のそれぞれを入射角度に比例した距離だけ、所定平面上で前記光軸から離れた位置に結像することを特徴とする請求項１又は２に記載の光束平行度測定装置。
4. 前記結像光学系は、前記所定平面上に向かう主光線を前記光軸と平行にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光束平行度測定装置。