JP5819025B2 - 集光器装置 - Google Patents

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Description

本発明は、集光器装置に関する。本発明は、更に、斯様な集光器装置を有する太陽光装置、温室又は照明ユニットに関する。
光導入構造は従来技術において知られている。例えば、国際特許出願公開第WO2009/115574号公報は、２つの主面側を備えた透明シートを有する温室であって、該透明シート内に発光色素を含み、これら２つの主面側の少なくとも一方上に幾何学的光学エレメントのアレイが存在することを特徴とする温室を記載している。特に、上記発光色素は上記透明シートに接触する別の層内に含まれる。
更に、発光性太陽光集中器も従来技術において知られている。例えば、国際特許出願公開第WO2012/023094号公報は、例えば太陽光集中器等の光電池装置であって、該装置の導波器の後面上の散乱又は反射層を用いる光電池装置を記載している。該散乱又は反射層は、吸収及び放射のために発光又は燐光材料も含んでいる。該散乱又は反射層内の上記吸収及び放射の追加の機能は、到来光の一層動的な使用を可能にする。
重要な側面は、光をどの様にして植物（例えば、温室内の）に対し効率的態様で且つ最適なスペクトルで向けることができるかである。プリズム、レンズ又は散乱性微細構造等の構造の使用は、従来技術において知られている。斯かる構造は、確かに光を抽出するように働くが、光を植物に向かって十分に効果的に向けることはできない。加えて、（斯様な）微細構造を備えた箔は、このような用途にとっては高価になり過ぎ得る。
更に、発光色素及び光散乱（粒子）添加物を含んだポリマ母材を適用することもできる。しかしながら、幾つかのシステムでは、光の５０％以上が温室の外部に向けられてしまい、植物により有効に使用されないように思われる。
従って、本発明の一態様は、好ましくは上述した欠点の１以上を更に少なくとも部分的に取り除く代替的集光器装置を提供することである。
従って、一態様において、本発明は、シート状の受光側及び光出口側を有する集光器装置（本明細書では“装置”としても示される）であって、該集光器装置は導光材料の複数の湾曲構造部（本明細書では、“構造部”としても示される）を有し、前記導光材料は光源の光の少なくとも一部を吸収すると共に該吸収された光の少なくとも一部を可視波長範囲内の変換光に変換するように構成された有機色素（有機染料）を有し、前記湾曲構造部の各々は、前記光源からの光を受けるように構成されると共に該光源光を当該湾曲構造部に導入するように構成された前記受光側の凸状湾曲部と、前記光出口側の凹状部と、該光出口側の光出口エッジ部とを有し、前記湾曲構造部の各々は、前記光出口エッジ部から当該装置の光を出射させるために前記導入された光及び前記可視波長範囲内の前記変換された光の前記光出口エッジ部の方向への輸送を促進させるように構成された曲率及び導光器厚を有する集光器装置を提供する。
このような集光器装置によれば、効率的に、（太陽）光は上記湾曲構造部に導入され、該湾曲構造部内で前記有機色素により他の波長の光に少なくとも部分的に変換され、前記光出口エッジ部において当該集光器装置から導出され得るようになる。これにより、収集された（太陽）光及び／又は収集され変換された（太陽）光が供給される。前記光源は当該集光器装置の基本的実施態様の一部ではないことに注意されたい。
当該集光器装置は、太陽の光を効率的に収集すると共に、前記有機色素により少なくとも部分的にルミネッセンス（発光光）に変換された該収集された光を前記光出口側において（ルミネッセンス及びオプションとして残存する太陽光として）導出するように特別に設計されている。従って、一実施態様では、該集光器は（太陽）光を集中させると共に、この集中された太陽光を少なくとも部分的にルミネッセンスに変換する（該太陽光の少なくとも一部の上記色素による変換により）ために使用される。導入された光及びルミネッセント光は、全内部反射（ＴＩＲ）により、前記エッジ部に移動し、光出口部（又は光出口エッジ部）から出射する。導光器のＴＩＲ特性の低下を防止するために、前記有機色素は実質的にマイクロ粒子としては存在せず、好ましくは分子的に分散され、かくして、光の全方向的散乱を防止する。更に、上記色素は該色素の発光スペクトルと実質的に重ならない吸収及び／又は励起スペクトルを有し、かくして、変換された光の全方向的再発光を防止する。上記全方向的散乱及び全方向的再発光の両者は、結果として、前記導光材料のＴＩＲ特性の望ましくない低下を生じさせ、従って余り効率的でない太陽光集光器装置となる。
当該集光器装置は、複数の湾曲構造部を有する。幾つかの実施態様において、これらはドーム等の半球構造部を有し得、他の実施態様では、これらは漏斗状構造部又は球状キャップを有し得る。前記凸状部は前記受光側に構成される。従って、該受光側は複数の凸状湾曲構造部を有する。前記凹状部は、当該集光器装置の“後ろ側”（光出口側）にある。上記湾曲構造部のエッジは、導出エッジ部又は光出口エッジ部（前記光出口側における）として使用される。従って、上記湾曲構造部のエッジの少なくとも一部は、導入光が当該集光器装置の光出口側において上記湾曲構造部の光出口エッジ部から出射することを可能にするように構成される。
当該集光器装置（自体）の上記実施態様においては、オプションとしてのコーティングを除き、前記凸状湾曲部の上流側には何の物理的構造部も存在しないことに注意されたい。効率的な導入をもたらすのは、該有利な湾曲構造である。
“上流”及び“下流”なる用語は、光発生手段（ここでは、特に太陽又は光源）からの光の伝搬に対する物品又はフィーチャの配置に関するものであり、上記光発生手段からの光線内の第１位置に対して、該光線内の上記光発生手段に一層近い第２位置は“上流”であり、該光線内の上記光発生手段から更に遠くの第３位置は“下流”である。このようにして、前記受光側は上流側又は上流面として、前記光出口側は下流側又は下流面として示すことができる。
一般的に、前記湾曲構造部は立方対称又は六方対称等の規則的パターンで配列される。特に、上記湾曲構造部（特に、前記凸状部）は、六方最密充填又は立方最密充填等の最密充填で構成することができる。従って、前記半球状構造部又は漏斗状構造部等は、先に定義したような最密充填で配列することができる。従って、当該集光器装置は、同様の湾曲構造部の六方最密充填又は立方最密充填を有することができる。
オプションとして、異なるタイプの構造部の充填又は特に最密充填が存在する。例えば、互いに入れ替わる、複数の半球状湾曲構造部と漏斗状湾曲構造部との組み合わせを適用することもできる。これらは、オプションとして最密充填で、（各湾曲構造部の２つの部分格子で）詰め込むことができる。
このように、前記凸状湾曲部は、半球状構造部等の突出タイプの構造部（当該集光器装置の面に対して突出する）となり得るのみならず、一実施態様では、漏斗状構造部等の窪みタイプの構造部にもなり得ることに注意されたい。
前記湾曲構造部は、少なくとも可視光のみならず、特には紫外線（＝ＵＶ）及び／又は赤外線（＝ＩＲ）の部分さえもが当該導光材料を介して伝搬するのを可能にするように構成された透明材料を有し、特には斯かる透明材料から実質的になり、又は更に特別には斯かる透明材料から形成される。導光材料に関する他の文言は、“導波材料”である。該導光材料又は導波材料は、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＮ（ポリエチレン・ナフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）（Plexiglas又はPerspex）、セルロース・アセテート・ブチレート（ＣＡＢ）、シリコーン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、（ＰＥＴＧ）（グリコール改質ポリエチレン・テレフタレート）、ＰＤＭＳ（ポリ・ジメチル・シロキサン）及びＣＯＣ（シクロ・オレフィン・コポリマ）からなる群から選択されたもの等の、透光性有機材料支持材からなる群から選択される１以上の材料を有し得る。しかしながら、他の実施態様では、当該導光又は導波材料は無機材料を有し得る。好ましい無機材料は、ガラス、（融解）石英、透光性セラミック材料及びシリコーンからなる群から選択される。また、無機部分及び有機部分の両方を有する複合材料も適用することができる。特に好ましいものは、導波器のための材料としてのＰＭＭＡ、ＰＣ又はガラスである。
従って、前記湾曲構造部は、特には凸状部及び凹状部が存在するような曲率を備えた特別に湾曲された導光器である。従って、該湾曲構造部は、特に、円形の光ファイバは有さない。
特に、前記色素（ｄｙｅ）は上記導波材料中にマイクロ粒子としては実質的に存在せず、好ましくは分子的に分散される。このようにして、実質的に粒界は見付からず、このことは散乱の観点で有利である。色素の分子的分散は、特に、当該色素を上述した透明な有機材料の１以上等の有機材料中に埋め込む場合に得られる。
該色素は、特に、前記導入された光源光の少なくとも一部を吸収すると共に、該光を他の波長の光に変換するように構成される。一般的に、この光も可視光である。しかしながら、当該色素は固有の機能を持つ波長領域の光を供給するように選択することもできる。例えば、園芸用途の場合、固有の色は植物に対して固有の効果を有し得る。
上記色素は、一実施態様では、ＵＶ光を可視光に変換するように構成することもできる。光源の光（下記参照）のタイプに依存して、前記有機発光材料は例えば緑色及び赤色発光材料の組み合わせ又は黄色及び赤色発光材料の組み合わせ等を有することができる。しかしながら、ＵＶ又は可視光をＩＲに変換する色素も、（所望の）用途に応じて適用することができる。例えば、幾つかの園芸用途では、ＩＲ成分も望まれ得る。
更に、当業者にとり明らかなように、“色素”なる用語は、それらのうちの２以上が異なる波長範囲で吸収及び／又は発光する複数の色素にも関係することができる。このようにして、最適化された吸収及び／又は放射スペクトルを作成することができる。特定の実施態様において、全数の湾曲構造部のうちの２組以上は、２以上の異なる色素を各々有する。
上記のような有機発光材料又は色素の殆ど限りの無い組み合わせが存在する。関連のある例は、ペリレン（BASF社, Ludwigshafen, Germanyからの商品名Lumogenで知られている色素等Lumogen F240 Orange, Lumogen F300 Red, Lumogen F305 Red, Lumogen F083 Yellow, Lumogen F170 Yellow, Lumogen F850 Green)、Neelikon Food Dyes & Chemical 社, Mumbai, IndiaのYellow 172、及び多くの業者から入手可能な、クマリン（例えば、Coumarin 6, Coumarin 7, Coumarin 30, Coumarin 153, Basic Yellow 51）、ナフタルイミド（例えば、Solvent Yellow 11, Solvent Yellow 116）、Fluorol 7GA、ピリジン（例えば、pyridine 1）、ピロメテン（例えば、Pyrromethene 546, Pyrromethene 567）、ウラニン、ローダミン（例えば、Rhodamine 110, Rhodamine B, Rhodamine 6G, Rhodamine 3B, Rhodamine 101, Sulphorhodamine 101, Sulphorhodamine 640, Basic Violet 11, Basic Red 2）、シアニン（例えば、phthalocyanine, DCM）、スチルベン（例えば、Bis-MSB, DPS）等の色素である。酸性色素、塩基性色素、直接型染料及び分散型染料等の幾つかの他の色素も、意図する用途に対して十分に高い発光量子収量を示す限りにおいて、使用することができる。適用することが可能な特に関心のある有機材料は、例えば、緑色発光のためのBASF Lumogen 850、黄色発光のためのBASF Lumogen F083又はF170、橙色発光のためのBASF Lumogen F 240、及び赤色発光のためのBASF Lumogen F 300又はF305を含む。オプションとして、当該色素は、数時間等の長い減衰時間を有する燐光色素を有し、該色素は（十分な）日光がない場合の間の照明に適用することができる。
本明細書における白色光なる用語は、当業者により知られている。該白色光は、特に、約２０００〜２００００Ｋの間の、特には２７００〜２００００Ｋの間の、一般照明に対しては特に約２７００Ｋ〜６５００Ｋの範囲の、背面照明目的に対しては特に７０００Ｋ〜２００００Ｋの範囲の、特にはＢＢＬ（黒体軌跡）から約１５ＳＤＣＭ（色合わせの標準偏差）内の、特にはＢＢＬから約１０ＳＤＣＭ内の、及び更に特別にはＢＢＬから約５ＳＤＣＭ内の相関色温度（ＣＣＴ）を有する光に関するものである。
“紫色光”又は“紫色放射”なる用語は、約３８０〜４４０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に特に関係する。“青色光”又は“青色放射”なる用語は、約４４０〜４９０ｎｍの範囲内の波長を持つ光（幾らかの紫及びシアン色調を含む）に特に関係する。“緑色光”又は“緑色放射”なる用語は、約４９０〜５６０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に特に関係する。“黄色光”又は“黄色放射”なる用語は、約５６０〜５９０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に特に関係する。“橙色光”又は“橙色放射”なる用語は、約５９０〜６２０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に特に関係する。“赤色光”又は“赤色放射”なる用語は、約６２０〜７５０ｎｍの、特には６２０〜６５０ｎｍの範囲内の波長を持つ光に特に関係する。“可視”、“可視光”又は“可視放射”なる用語は、約３８０〜７５０ｎｍの範囲内の波長を持つ光を指す。“ＩＲ”（赤外）なる用語は、約７５０〜３０００ｎｍ、特には約７５０〜１１００ｎｍの範囲内の波長に特に関係し得る。
太陽電池（当該集光器の収集された光を受光する）を使用する場合、前記色素は該太陽電池の波長依存性感度に特に適合された発光スペクトルを供給するように最適化することができる。
前述したように、前記光源は本発明の基本的実施態様の一部ではない。特に、当該集光器装置は太陽光を収集（及び少なくとも部分的に変換）するために使用される。従って、一実施態様において、“光源”なる用語は太陽に関係し得る。しかしながら、オプションとして、光を収集する（及び変換する）ために１以上の人工光源を適用することもできる。
一実施態様（後述も参照）においては、太陽光が収集され、当該集光器装置は照明ユニットとして使用される。この実施態様においては、オプションとして、当該照明ユニットに１以上の人工光源を組み込むことができる。これらの人工光源の光は、オプションとして当該集光器装置により収集することもできるが、他の実施態様では、該光は収集及び／又は変換されることなく、補助光源として使用され得る。このような実施態様の組み合わせも可能である。
前記湾曲構造部の曲率及び導光器厚は、良好な光の導入及び全内部反射を有するように特別に選定される。凹状であり（該凹状部に空気又は他の気体が接触する）、受光面として凸部を備え、且つ、相対的に薄い湾曲構造部が、内部反射及び前記色素による変換の点で良好な特性を有するように思われる。特に、上記導光器厚は、０.５〜５０ｍｍの範囲から、更に特別には０.５〜１０ｍｍ（例えば、１〜５ｍｍ）の範囲から選択される。
透明なシステム（例えば、ＰＭＭＡ又はＰＥＴ内に溶解された発光色素；前述も参照）における光変換の一側面は、当該材料において発生される（等方性）発光は相当の部分が捕捉されるという所見である。長方形の発光ポリマの場合、発生される光の全量のうちの有効な割合は（図１ａも参照）：
であり、これは７６.４％である（即ち、当該光の２３.６％は材料内に捕捉される）。式１〜５において、asinはarcsineに関係する。ディスク状幾何学構造部（図１ｂ）における発光（ルミネッセンス）の場合、有効な割合は：
であり、これは９２.１％である（当該光の７.９％は捕捉される）。即ち、ディスクは長方形の形状の発光ポリマよりも大幅に効率的である。
長方形のプレート及びディスクの両者は、前記エッジを介しての高い割合の光の出射を示す。長方形プレートの場合、該エッジから放出される光の割合は、出射光の全量の２／３＝６６.７％である。ディスク状幾何学構造部の場合、エッジでの割合は：
であり、これは全量の出射光の７２.３％となる。
光を変換するために透明で色素に基づく発光フィルムを使用することは、一般的に、非常に非効率的である。何故なら、光の多くの部分が前記エッジまで進行するからである（大きな光学経路を生じ、結果として高い損失を生じる）。
本発明の一態様は、光学シート部品の放出光の大部分を１つのみの（“下向きの”）方向に発生するために、特に、“エッジ光”を使用するというものである。前記ディスクを、特には相対的に薄い壁を有する例えば半球形状（例えば、図１ｅも参照）に変形することにより、下方に向けられる光の割合は：
になると推定される。これは、当該半球状カップ内で発生される光の全量の７９.３％となる。全放出光束に対する該下向きの光束の比は：

により推定することができる。
全光束に対する下向き光束の該比は、０.８６となる。この３Ｄ形状の効果的な利用のためには、壁状導光器厚ｄが外側半径Ｒと比較して小さいことが前提とされる。このことは、発生された光の前記エッジへの導光を保証する（好ましくは、ｄ／Ｒ＜０.２５）。捕捉される光の量は、当該エッジを粗くすることにより低減される。結果として、下向き／全光束比は０.８７へと（僅かに）増加する。図１ａ〜１ｂにおいて、下向き光束はΦにより示されている。式５において、Φtotalは全発光光束（ｌｍ）であり、Φdownは下方に向けられた発光光束（ｌｍ）である。
本発明の他の態様は、発生される光が高度に拡散的である（太陽からの高度に指向された光とは対照的に）ということである。温室においては、拡散光は太陽からの直接（指向性）光よりも植物の成長にとって一層効果的である。（また、変換されない到来光も或る程度分散／散乱される。）上述した原理に基づいて、例えば温室用の効率的で低コストの光変換器として使用するための多数の実用的形状を構築することができる。
球状キャップ構造部、特には半球状湾曲構造部を仮定すると、上半部の表面積Ｓは下記の式６におけるように定義することができる：

偏半球状湾曲構造部に対しては、ａ＝ｂ＝１；ｃ＜１であり、球状キャップ等の長半球状湾曲構造部に対しては、ａ＝ｂ＝１；ｃ＞１となる。パラメータａ、ｂ、ｃは図１ｋに示されている。計算のために、ａ及びｂは１に対して正規化され、ｃは変化される。定数ｐは、広い範囲のａ、ｂ及びｃの値に対して使用することができる。ｃ＝１（球）の場合、Ｓ＝６.３となり、ｃ＝０.２（偏回転楕円体）の場合、Ｓ＝３.５となり、ｃ＝５（偏長回転楕円体）の場合、Ｓ＝２５.０となる。
ここで、特定の実施態様において、各湾曲構造部（特には半球状構造体等の各球状キャップ）は基平面半径Ｒを有し、該基平面半径Ｒを持つ凸状湾曲部は湾曲構造表面積Ｓを有し（該凸状湾曲部の曲率は２.５≦Ｓ/Ｒ２≦３０の範囲内の正規化面積を有する）、０.５〜５０ｍｍの範囲から選択される導光器厚ｄを有する。更に特別には、各湾曲構造部１０は基平面半径Ｒを有し、該湾曲構造部１０は球状キャップの形状を有し、上記基平面半径Ｒを有する凸状湾曲部１１は湾曲構造表面積Ｓを有し、該凸状湾曲部の曲率は２.５≦Ｓ/Ｒ２≦３０の範囲内の正規化面積を有し、該凸状湾曲部は０.５〜５０ｍｍの範囲から選択される導光器厚ｄを有する。このことは、半球の球状カップ又はドームに特に当てはまり得る。
特に良好な結果は、基平面半径に対する導光器厚の比（ｄ／Ｒ）が０.００１≦ｄ／Ｒ≦０.２５となる実施態様において得られるように思われる。更に、良好な集光器装置は、前記複数の湾曲構造部が０.２５〜１００ｍｍの範囲から選択された基平面半径Ｒを有すると共に、該基平面半径Ｒを持つ凸状湾曲部が１０ｍｍ２〜０.３ｍ２の範囲内の湾曲構造表面積Ｓを有する場合に得ることができるように思われる。このことは、半球状湾曲構造部に特に当てはまり得る。当該湾曲構造部が円形断面を有さない（即ち、Ｒが基平面内で変化する）場合、Ｒに対する平均値を得るために半径が平均化される。この平均値は、前記比ｄ／Ｒが０.００１≦ｄ／Ｒ≦０.２５となる等の、ここで定義された条件において使用することができる。湾曲構造部が半球等の球状キャップでない場合、前記曲率の半径をＲとして使用することができる。
更に、前記凸状湾曲部の表面積の特に少なくとも２０％は、０.２＜κＲ＜５の局部曲率を有し、ここで、κは当該局部曲率を描く当該凸状湾曲部の断面内の適合円（fitting circle）の局部曲率であり、Ｒは基平面の半径である（後述も参照）。２０〜９０％、３０〜７０％等の、上記凸状湾曲部の表面積の特に少なくとも３０％は斯様な局部曲率を有する。
当該湾曲構造部は、好ましくは、高い対称性を有することができる。しかしながら、例えば引き延ばされた半球状湾曲構造部（例えば、ａ≠ｂの半球状構造部等の球状キャップ）等の、歪まされた湾曲構造部を適用することもできる。このような事例では、Ｒは平均値（平均半径）として選択することができる。更に、オプションとして、特定の湾曲構造部の部分又は区画を適用することもできる。従って、以下では、セグメント（部分）を適用することできることが示される。一実施態様において、このことは、このような特定の湾曲構造部の一部（三角形部分等）等の、斯様な特定の湾曲構造部の一部（即ち、全体ではない）が適用され得ることに関係する。しかしながら、他の実施態様では、“セグメント”なる用語は、全体の半ドーム又は全体の半球状湾曲構造部等の、全体の特定の構造も指し得る。当該湾曲構造部は凸状部及び凹状部を有するので、“球状キャップ”なる用語は、特に、中空球体のキャップを指す。
このように、当該集光器装置の受光側又は受光面は湾曲構造部を有することができ、これら湾曲構造部は観察者により上記受光側から知覚された場合は凸状である。同様に、前記光出口側も湾曲構造部を有することができ、これら湾曲構造部は観察者により光出口側から知覚された場合は凹状である。
このように、上記受光側の表面積は当該湾曲構造部の凸状湾曲部の表面積とオプションとしての中間表面積との表面の和である。特に、当該受光側の表面積の２０〜９５％、特には３０〜９５％は、上記凸状湾曲部により覆われる。従って、上記表面積の好ましくは少なくとも２０％は湾曲され、更に一層好ましくは本明細書で示した曲率（一実施態様において、正規化面積として表された）を有する。
既に説明したように、当該湾曲構造部は漏斗状構造部とすることができる。従って、一実施態様において、該湾曲構造部は、前記受光側に相対的に大きな第１開口を備え、前記光出口側に相対的に小さな第２開口を備えた、２Ｄ湾曲漏斗のセグメントの形状を有する。特定の実施態様において、該湾曲構造部は、前記受光側に相対的に大きな第１開口を備え、前記光出口側に相対的に小さな第２開口を備えた、２Ｄ湾曲漏斗である。
ここで、“２Ｄ湾曲”漏斗なる用語は、該漏斗の半径が該漏斗の軸にわたって線形に減少（又は増加）せず、凸状湾曲部を形成するために非線形に増加することを示すために使用されている。ここで、該漏斗は、（長手方向の）漏斗軸に垂直な断面視において、これら断面視においては一般的に円が見付かるので、湾曲されている。しかしながら、上記（長手方向）漏斗軸に平行な断面視においても、受光側に凸状部を備えると共に光出口側に凹状部を備えた湾曲構造部が見付かる。先細り（テーパ状）構造は、一般的に、一方の側に相対的に大きな開口を有し、小さい方の開口へと先細りとなる。ここで、該先細りは非線形（２Ｄ湾曲）である。
当該漏斗は、受光側に相対的に大きな開口を、光出口側に相対的に小さな開口を備えた、当該集光器装置又は該装置の受光側における窪みと見ることができる。
オプションとして、これらの開口はないものとし、貫通孔は存在しないものとする。ここで、本発明は、前記湾曲構造部が、受光側に相対的に大きな第１開口を備え、光出口側に前記光出口エッジ部を有する閉じた延長端部を備えた、２Ｄ湾曲窪みのセグメントの形状を有するような集光器装置の一実施態様も提供する。特定の実施態様において、当該湾曲構造部は、受光側に相対的に大きな第１開口を備え、光出口側に前記光出口エッジ部を有する閉じた延長端部を備えた、２Ｄ湾曲窪みである。このような漏斗は、テーパ状端部閉塞漏斗として示すことができる。窪みは、一般的に、一方の側に相対的に大きな開口を有し、閉じられた相対的に小さな部分へと先細りとなる。先細り端部に開口が存在すると、斯様な窪みは、ここでは、“漏斗”と呼ばれる。
前述したように、漏斗状（窪み状を含む）湾曲構造部の代わりに又は斯かる湾曲構造部に加えて、一実施態様において、当該湾曲構造部は、前記受光側に凸状湾曲部を備えると共に前記光出口側に凹状部を備えた、中空球状キャップのセグメントの形状を有する。特定の実施態様において、該湾曲構造部は、前記受光側に凸状湾曲部を備えると共に前記光出口側に凹状部を備えた、中空球状キャップである。上記中空球状キャップのセグメントは半分の球であり得る（ここでは、“半球状湾曲構造部”としても示される）。幾何学的に、球状キャップは面により切断された球の一部である。該面が、当該キャップの高さが当該球の半径に等しくなるように該球の中心を通過する場合、該球状キャップは半球と呼ばれる。ここで、一実施態様において、上記球状キャップの１以上、特には当該集光器装置の球状キャップの全ては半球である。
更に他の実施態様において、前記湾曲構造部は、前記受光側に凸状部を備えると共に前記光出口側に凹状部を備えた、凸状の樋のセグメントの形状を有する。特定の実施態様において、該湾曲構造部は、前記受光側に凸状部を備えると共に前記光出口側に凹状部を備えた、凸状の樋である。このようにして、一種の波形構造部を得ることができる。特に、２つの隣接する凸状樋の間の距離は小さく、特には、これら樋は基部で互いに接触するか、又は共通の基部を有しさえもする。
前述したように、集光器装置は異なるタイプの湾曲構造を有することができる。
一実施態様においては、半球等の別個の球状キャップが、例えば非常に薄い透明シートを介して相互接続される。同様に、このことは上記凸状の樋にも当てはめることができる。
上記実施態様の何れかに関係し得るが、特には前記半球状湾曲構造部（球の部分を含む）の実施態様に関係する他の特定の実施態様において、当該集光器装置は、第１湾曲構造部及び第２湾曲構造部を有し、前記第１湾曲構造部は前記第２湾曲構造部を包囲し、前記第１湾曲構造部の導光材料における色素は前記第２湾曲構造部の導光材料における色素とは相違する。上記第１湾曲構造部は、前記光源の光の少なくとも一部を通過させるように構成することができる。この非吸収光は、次いで、第２湾曲構造部により少なくとも部分的に吸収され得、これは該第２湾曲部を取り囲んでいる。
当該集光器装置は、ここでは、シート状であるとして示されている。この場合、該集光器装置は、一方の側における凸状部及び他方の側における凹状部は仮想平面から突出し得るが、実質的にシートの形状を有することができる。
“シート状”なる用語は、高さより大きな長さ及び幅を備えた、連続した層を特に示し得る。特に、当該集光器装置の湾曲構造部を含む高さは、２〜５０ｍｍ等の、１ｍｍ〜１００ｍｍの程度である。当該集光器装置の長さ及び幅は、例えば共に１０ｃｍ〜２０ｍの範囲内とすることができ、特に、ｌ＊ｗ（長さ＊幅）により定義される当該集光器装置の面積は、０.２〜２０ｍ２等の、０.０１〜５０ｍ２の範囲内である。シート状集光器装置において、受光側及び光出口側は互いの反対側に配置される。光出口部は上記光出口側に形成される。
当該集光器装置は、全ての種類の装置に適用することができ、特に効率的な光捕捉、光変換及び光導出により、全ての種類の用途に用いることができる。太陽等の光源からの光は、当該集光器装置により前記受光側において収集され、前記光出口部において前記光出口側から出射する（少なくとも一部は変換された光として）。このように、前記導光器内の光は、少なくとも部分的に該湾曲構造部のエッジから（即ち、前記光出口側において）出射する。該湾曲構造部の有利な側面は、該エッジの表面が最小化され、実質的に全てのエッジ面が光出口部としての機能を有するということである。使用の間において、収集された光源光及び／又は変換された光源光は、このように、上記光出口部（前記光出口側における）から出射することができる。
例えば、当該集光器装置は太陽光装置において使用することができる。この場合、他の態様において、本発明は本明細書で定義した集光器装置及び太陽電池を有する太陽光装置を提供し、上記太陽電池は前記光出口エッジ部から出射する光を受光するように構成される。
更に他の態様において、本発明は本明細書で定義した集光器装置を有する温室を提供し、該集光器装置は前記光出口エッジ部を介して当該温室に光を供給するように構成される。
更に他の態様において、本発明は本明細書で定義した集光器装置と、複数の光源と、オプションとしての拡散器プレートとを有する照明ユニットを提供し、前記光源は該光源の光を前記受光側に供給するよう構成され、前記オプションとしての拡散器プレートは前記複数の光源と前記集光器装置との間に設けられる。
当該集光器装置の重要な応用分野は温室である。温室の壁及び／又は屋根は、該発明されたシートにより被覆することができる。当該集光器装置は、温室内の中間位置に配置することもできる（ガラスに直接接続されない）。当該集光器装置は、例えばシリンダ（円筒）状に（１Ｄ）湾曲させることもできる。植物は、このシリンダ内に配置することができる。当該集光器装置は、“露地”において、植物上に直に配置するシートとして使用することもできる。この例において、農作物を過度の有害なＵＶから保護するために、当該箔にＵＶ遮断剤（及び／又は、ＵＶ光を可視及び／又はＩＲ光に変換する色素）を含めることもできる。発明された当該集光器装置は、園芸用又は一般照明用の照明器具において、青色若しくは白色（蛍光体変換される）ＬＥＤと組み合わせて使用することもできる。当該集光器装置の構成は、有利にも散乱性色素（pigments）の使用を回避することができ、光を変換するための効率的な方法となる。当該集光器装置は、大面積照明用途（オフィス、学校、販売店等の照明）に使用される場合、非常に面白い付加的な装飾的特性も有することができる。
“実質的に全ての放射”における又は“実質的になる”における等の、本明細書における“実質的に”なる用語は、当業者により理解されるものである。“実質的に”なる用語は、“全体に”、“完全に”、“全て”を伴う実施態様も含み得る。従って、実施態様において実質的になる形容詞は取り除くこともできる。適用可能な場合、“実質的に”なる用語は、９５％以上等の９０％以上、特には９９％以上、更に一層特別には１００％を含む９９.５％以上に関係することもできる。“有する”なる用語は、“有する”なる用語が“からなる”を意味する実施態様も含む。
更に、詳細な説明及び請求項における第１、第２、第３等の用語は、同様のエレメントの間を区別するために使用され、必ずしも順序又は時間順序を記述するためのものではない。そのように使用された該用語は適切な状況下では入れ替え可能であり、本明細書に記載された本発明の実施態様は、本明細書に記載され又は図示されたもの以外の順序で動作することもできると理解されるべきである。
本明細書における装置は、とりわけ、動作中において説明されている。当業者にとり明らかなように、本発明は動作の方法又は動作中の装置に限定されるものではない。
上述した実施態様は本発明を限定するというより解説するものであり、当業者であれば添付請求項の範囲から逸脱することなく多数の代替実施態様を設計することができることに注意すべきである。請求項において、括弧の間に配置された如何なる符号も当該請求項を限定するものと見なしてはならない。“有する”なる動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載されたもの以外のエレメント又はステップの存在を排除するものではない。単数形のエレメントは、複数の斯様なエレメントの存在を排除するものではない。本発明は、幾つかの個別のエレメントを有するハードウェアにより、及び適切にプログラムされたコンピュータにより実施化することができる。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これら手段のうちの幾つかは全く同一の品目のハードウェアにより実施化することができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。
本発明は、更に、前記記載において説明され、及び／又は添付図面に示された特徴的フィーチャの１以上を有する装置にも当てはまるものである。
この出願において説明される種々の態様は、更なる利点を提供するために組み合わせることができる。更に、上記フィーチャの幾つかは、１以上の分割出願の基礎を形成することができる。
図１ａは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｂは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｃは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｄは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｅは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｆは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｇは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｈは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｉは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｊは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｋは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図１ｌは、本発明の１つの原理並びに態様及び実施態様を示す。 図２ａは一実施態様を概略図示する。 図２ｂは一実施態様を概略図示する。 図２ｃは一実施態様を概略図示する。 図２ｄは一実施態様を概略図示する。 図２ｅは一実施態様を概略図示する。 図２ｆは一実施態様を概略図示する。 図２ｇは一実施態様を概略図示する。 図２ｈは一実施態様を概略図示する。 図２ｉは一実施態様を概略図示する。 図２ｊは一実施態様を概略図示する。 図２ｋは一実施態様を概略図示する。 図２ｌは一実施態様を概略図示する。 図３ａは、本発明の一態様を更に概略図示する。 図３ｂは、本発明の一態様を更に概略図示する。 図３ｃは、本発明の一態様を更に概略図示する。 図４は、効率対（１−（ｄ／Ｒ））値のプロットを示す。 図５ａは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｂは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｃは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｄは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｅは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｆは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｇは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。 図５ｈは、本明細書に記載した集光器装置の一用途例を概略図示する。
以下、本発明の実施態様を、例示的にのみ、添付図面を参照して説明するが、これら図面において対応する符号は対応する部分を示す。尚、図１ａ〜図３ｃ及び図４〜図５ｈは必ずしも実寸ではない。
図１ａ及び図１ｂは、透明な長方形発光ポリマ及びディスク状発光ポリマを、各々、概略図示している。受光側は符号１０１０により示され、光出口側は符号１０２０により示されている。太陽光等の光は、符号７０により示されている。該光の一部は縁部（エッジ）から逃れ得る一方、該光の一部は光出口エッジ部１０２０から逃れ得る。前者は“Ｅ”により示され、後者はここでは記号Φにより示されている。
長方形の発光ポリマ（図１ａ）の場合、発生された光の全量のうちの有効割合は７６.４％である（即ち、該光の２３.６％は当該材料内に捕捉される）。ディスク状幾何学構造部（図１ｂ）における発光の場合、有効な割合は９２.１％である（該光の７.９％は捕捉される）。従って、該ディスクは上記長方形発光ポリマより大幅に効率的である。
上記長方形プレート及びディスクの両方とも、エッジを介して逃れる高い割合の光を示す（Ｅ）。長方形プレートの場合、エッジから放たれる光の割合は、逃れる光の合計量のうちの２／３＝６６.７％である。ディスク状幾何学構造部の場合、エッジの割合（Ｅ）は、逃れる光の合計量のうちの７２.３％である。
上記ディスクを、相対的に薄い壁を持つ半球形状に変形することにより（カップ；図１ｃ〜図１ｅ）、下方に向けられる光の割合は、該半球状カップ内で発生される光の全量の７９.３％となる。全放射光束に対する下方への光束の比は、０.８６になり得る。この３Ｄ形状の効果的な使用のために、壁状導光器の厚さｄは外側半径Ｒと比較して小さいことが前提とされる。このことは、発生された光のエッジに向かう導光を確かなものとする（好ましくは、ｄ／Ｒ＜０.２５）。オプションとして、捕捉される光の量はエッジを粗くすることにより低減される。結果として、下方／全光束比は０.８７へと（僅かに）増加する。
図１ｃ〜図１ｄは、受光側１０１０及び光出口側１０２０を有する集光器装置１００の一実施態様を概略的に示す。集光器装置１００は、更に、導光材料２０の複数の湾曲構造部を有している（受光側１０１０に）。導光材料２０は、光源の光の少なくとも一部を吸収すると共に該吸収された光の少なくとも一部を可視及びＩＲ波長範囲内の変換光に変換するように構成された有機色素（ｏｒｇａｎｉｃ ｄｙｅ）を有している。各湾曲構造部１０は受光側１０１０に凸状湾曲部１１を有している。この凸状湾曲部１１は、上記光源から光７０を受光するように特別に構成されると共に、該光源光を当該湾曲構造部に導入するように構成されている。更に、各湾曲構造部１１は、光出口側１０２０に、光出口エッジ部１３を有している。各湾曲構造部１０は、光出口エッジ部１３から出射する装置光を供給するために、導入された光及び可視波長範囲内に変換された光の該光出口エッジ部１３の方向への輸送を促進するように構成された曲率及び導光器厚ｄを有している。
図１ｃ〜図１ｄは、湾曲構造部１０が符号１０５１により示された球状キャップを有する実施態様を概略的に示している。図１ｄは半球構造体の形態の球状キャップを示している。図１ｄにおいて、上記湾曲構造体は、六方最密充填又は立方最密充填（図１ｃ）における場合のように、互いに物理的に接触していることに注意されたい。代わりに又は加えて、半球等の分離された球状キャップは、例えば、ここでは底板としても示される（非常に薄い）透明シート（図３ａ〜図３ｃも参照）を介して連結される。
これら及び他の図から明らかなように、受光側１０１０及び光出口側１０２０はシート状収集器装置１００の２つの相反する側である。前者は凸状部分を有する一方、後者は凹状部分、及びオプションとして、更なる透明シート（底板）を有する。
符号Ｓは、各湾曲構造部１０の凸状湾曲部の表面を示す。符号Ｓｐは、受光側１０１０の全表面積、即ち上記湾曲構造部の全表面積（ΣＳiであり、ｉは各球体を示す）と受光側１０１０における斯かる湾曲構造部の間の全表面積との和に関するものである。この表面積の好ましくは少なくとも２０％、特には少なくとも３０％が湾曲される。符号Ｒは湾曲構造部１０の基平面半径、即ち凸状湾曲部１１の半径を示し；符号Ｒ１は凹状湾曲部１２の基平面半径を示す。前者は、２.５≦Ｓ/Ｒ２≦３０である所望の正規化面積範囲を定義するために使用される。
符号７０は太陽光等の外部光源の光に関係し、符号７１は導入された光源光に、従って導光材料内の光に関係し、符号７２は光出口側１０２０における導出された光源光に関係するものである。光出口側１０２０から出射する光は、Φによっても示されている（前述参照）。符号２００は当該集光器装置の面を示す。この面２００に対して、前記湾曲構造１０は突出し又は没入（例えば漏斗状の場合）することができる。
図１ｅは、湾曲構造部１０としての球状キャップの実施態様を更に詳細に示す。該球状キャップは符号１０５１により示されている。導光器厚は符号“ｄ”により示されている。特に、基平面半径に対する該導光器厚ｄの比（ｄ／Ｒ）は０.００１≦ｄ／Ｒ≦０.２５である。該球状キャップは、外側半径Ｒ及び内側半径Ｒｉ（Ｒ−ｄである）を持つ中空球のキャップである。
図１ｆは、前記凸状湾曲面の曲率を説明するために使用されている。該曲率を説明するために楕円がモデルとして使用されている。該楕円は：
ｘ＝cos(ｔ)
ｙ＝ｃ＊sin(ｔ)
により描かれる。
円が接触円として用いられている。パラメータａ（ｘ軸に沿う）及びｂ（ｚ軸に沿う；面から外部へのもので、図示されていない）は、１となるように選択されている。該楕円の頂部はｔ＝π／２にあり、該楕円の底はｔ＝０にある。κにより示される局部曲率は：
と定義される。
このように、該パラメータは接触円の１／半径に関係する（この半径は、図１ｆでは符号ｒにより示されている）。円（ｃ＝１）、相対的に平らな楕円（ｃ＝０.２）及び相対的に高い楕円（ｃ＝５）に関して、局部曲率κに対する下記の値が得られる：
ｃ＝１（円）に対しては：κ＝１（ｔ＝π／２）
ｃ＝０.２に対しては：κ＝０.２（ｔ＝π／２）
ｃ＝５に対しては：κ＝５（ｔ＝π／２）
従って、これらのデータから前記凸状湾曲部の局部曲率は、好ましくは、
０.２＜κＲ＜５
であることが導き出される。また、これらのデータによれば、当該湾曲構造部の有利な導光器厚は、底における半径に対して正規化された正規化厚：
（ｄ／Ｒ）＜０.２５
と定義することができる。特に、導光器厚（ｄ）及び基平面半径の比（ｄ／Ｒ）は０.００１≦ｄ／Ｒ≦０.２５である。
図１ｇ〜図１ｊは、湾曲構造部１０の実施態様を概略的に示す。これらの湾曲構造部は断面的に示されており、例えば図２ａ〜図３ｃに概略的に示される同一又は同様の集光器装置１００の湾曲構造部の断面であり得る。このことは、これら集光器装置１００が、図２ｃ、図２ｆ、図２ｉ、図２ｊ及び図３ａ等におけるように、断面で概略図示される場合に特に明らかである。例えば、図１ｇを図２ｃ、図２ｆ、図２ｉ、図２ｊ及び図３ａと比較すると、図１ｇは、２つの隣接する湾曲構造部１０（図２ｊ及び図３ａ参照）の湾曲部の両部分を反映するか、又は窪み状構造（図２ａ〜図２ｉ参照）を反映している。
このように、２つの湾曲構造部は２つの隣接する漏斗部及び２つの隣接する（半球の）球状キャップの断面であり得るので、２つの隣接する湾曲構造部１０の湾曲部の両部分を反映するか又は窪み状構造を反映し得る（上記及び下記参照）。特に、当該湾曲構造部における各部に対して、Ｒ及びｄに関する値を評価することができる。更に、全体の湾曲構造部１０又は該湾曲構造部の区間（セグメント）に関して、表面積Ｓを決定することができる（後述も参照）。
図１ｈ〜図１ｊは、前記窪み又は球状キャップがエッジに延長部を有する又は延長されたエッジを有する実施態様を概略的に図示している。これらの延長部は先細り（テーパ状）構造（図１ｉ）又は拡幅する構造（図１ｊ）を有することができる。前者の実施態様では、光出口エッジ部においてｄの値が減少する一方、後者ではｄの値は増加する。
図１ｇ〜図１ｊは、図２ａ〜図２ｆの実施態様でも見られるような物理的開口（ここでは、第２開口１５５２として示す）が存在するというオプションを含む。しかしながら、このような開口は、図２ｊ〜図２ｉに概略図示されたように、存在しなくてもよく、及び／又は透明底板により閉じることもできる（図３ａ〜図３ｃも参照）。
漏斗等の窪みを想定した場合、上部開口又は第１開口は符号１５５１により示される。第２開口は、符号ｄ２で示された内径を有すると共に、Ｒ２により示される外側半径を有する。
オプションとしてのコーティングを除き、当該凸状湾曲部の上流側には物理的構造は存在しないことに注意されたい。太陽の光等の光源の光の効率的な導入を行うことが該有利な湾曲構造部である。
図１ｋは、球状キャップ（前記参照）の表面積を計算するための方程式のパラメータを更に解説するために図示されている。
図１ｌは、図１ｄのみならず図１ｇにもおけるような断面を作成することにより、局部曲率は原理的に如何なる任意の構造に対しても計算することができることを示している。凸状湾曲部１１の表面積の少なくとも２０％、特には少なくとも３０％に対して、これらの得られる値は０.２＜κＲ＜５なる範囲内になければならない。
図２ａ〜図２ｉは、当該集光器装置に窪みを備える幾つかの実施態様であって、受光側１０１０に第１開口１５５１を備えると共に、当該窪みが光出口側１０２０に向かって先細りとなる実施態様を概略的に図示している。中心間距離としての、隣接する漏斗部１０５２の間の距離が、符号ｄ１により示されている。図２ａ〜図２ｆにおける窪みは、漏斗又はサイホン（サイホン状湾曲エレメント）として示すこともできる。即ち、図１ｇにおけるものは、先細り端で閉じられた漏斗又はサイホン（サイホン状湾曲エレメント）として示すこともできる。
集光器装置１００（例えば、図１ｃ、図２ａ〜図２ｉ及び図３ａ〜図３ｃに示される）の長さｌ及び幅ｗは、例えば、共に２ｃｍ〜２０ｍの範囲内であり得る。特に、ｌ＊ｗにより定義される集光器装置面積は４ｃｍ２〜５０ｍ２（例えば、０．０１〜２０ｍ２）の範囲内である。より大きなユニットを、単一のユニット又は一層小さな（部分）ユニットの配列若しくはアセンブリとして設けることもできる。
図２ａ〜図２ｃにおいて、当該窪みは漏斗状のものであり、これらは符号１０５２により示されている。図２ａにおいて、当該集光器装置１００は受光側１０１０において示され、図２ｂにおいて、当該集光器装置１００は光出口側１０２０において示され、図２ｃには、図２ａ〜図２ｂの集光器装置１００の断面が概略図示されている。漏斗部１０５２は（密でない）立方充填で配置されている。
図２ｃにおいて、集光器装置１００の高さは符号ｈにより示されている。特に、該集光器装置の湾曲構造部を含む（オプションとしての他の層は除く）高さは、１ｍｍ〜１００ｍｍ（例えば、２〜５０ｍｍ）の程度である。これらの高さは、例えばテーパ状端部閉塞漏斗型又は球状キャップ型集光器装置１００等の他のタイプの装置にも当てはまる。例えば図２ａ〜２ｃの漏斗等の、球状キャップでない湾曲構造部の場合、曲率の半径はＲとして用いることができる。表面積は凸状湾曲部１１にわたって積分することができ、Ｒは該凸状湾曲部１１の各断面に関する平均値として見積もることができる。
図２ｄ〜図２ｅは、図２ａ〜図２ｃに概略図示したものと類似する実施態様を概略図示するが、ここでは、漏斗部１０５２は六方最密充填で配置されている。
図２ｇ〜図２ｉは、図２ａ〜図２ｃに概略図示したものと類似する実施態様を概略図示するが、ここでは、テーパ状で端部が閉じている漏斗が図示されている。この場合、湾曲構造１０は２Ｄ湾曲窪みの形状を有し、受光側１０１０には大きい方の第１開口１５５１を備え、光出口側１０２０には光出口エッジ部１３を有している閉じた延長端部１５５３を備えている。これらの漏斗部は先細りの（テーパ状の）端部が閉じた漏斗１０５３として示されている。更に、（テーパ状で端部が閉じた）漏斗部１０５３は、（密でない）立方充填で配置されている。
図２ｊ〜２ｌは、凸状樋１０５４の形状を持つ湾曲構造部１０であって、受光側１０１０に凸状部１１を備えると共に出口側１０２０に凹状部１２を備えた湾曲構造部を概略的に示している。この場合、該湾曲構造部１０は隣接する湾曲構造部１０と物理的に接触するように構成されている。図２ｊにおいて、当該集光器装置１００は断面で示され、図２ｋでは、該集光器装置１００は受光側１０１０において示されており、図２ｌでは、該集光器装置は当該集光器装置１００の光出口側１０２０で（即ち、“底部から”）示されている。
例示として、図２ｊ〜図２ｌは一応用例２０００（ここでは、太陽光装置２２００）を概略図示しており、該装置は、更に、光出口エッジ部１３から出射する光を受けるように構成された太陽電池３００を有している。太陽電池３００は、このように、光出口エッジ部１３に放射的に結合することができる。しかしながら、これらの凸状樋は、太陽電池３００に代えて、例えば太陽光集中以外の用途のために透明底板に接続することもできる。
ここで、上記“放射的に結合され”なる用語は、特に、上記光出口エッジ部及び他の部分（ここでは、太陽電池等）が、該光出口エッジ部により放出される放射の少なくとも一部が該他の部分により受入されるように互いに関連されることを意味する。
図３ａ〜図３ｃは集光器装置１００の一実施態様を概略図示しており、該実施態様において湾曲構造１０は符号１０５１で示された中空球状キャップの形状を有し、これら球状キャップは受光側１０１０に凸状湾曲部１１を備え、光出口側１０２０に凹状部１２を備えている。図３ａにおいて、当該集光器装置１００は断面で示され、図３ｂでは該集光器装置１００は受光側１０１０において示され、図３ｃでは該集光器装置は当該集光器装置１００の光出口側１０２０で（即ち、“底部から”）見られている。
この実施態様において、湾曲構造部１０は高さｈ２を有する底板１６０上に配列され、該底板１６０を含む当該集光器装置１００の全高は符号ｈ１により示されている。特に、ｈ／ｈ２＞５（例えば、＞１０）又はｈ１／ｈ２＞５（例えば、＞１０）等のように、ｈ２<<ｈ及びｈ２<<ｈ１である。
底板１６０は、可視光の少なくとも一部に対して及びオプションとしてＩＲ光の少なくとも一部に対しても透明である。特に、該底板は、太陽光等の光源により発生されると共に可視波長範囲から選択された波長を持つ光に対して、５０〜１００％の範囲内の、特には７０〜１００％の範囲内の光透過率を有する。このように、該支持カバーは光源の可視光に対して透過性である。
透過性又は光透過度は、当該物質に対して特定の波長の光を第１強度で供給すると共に、該物質を透過した後に測定された当該波長での光の強度を、該物質に該特定の波長で供給された該光の上記第１強度に関係させることにより決定することができる（CRC Handbook of Chemistry and Physics, 69th edition, 1088-1989のE-208及びE-406参照）。
図４においては、下向き／全光束比が、レイトレーシング（lightTools7.1.0）により、拡散励起源により照明されたカップのアレイに関して計算された。前記エッジは、光出力を向上させるために粗面（１００％の前方散乱）としてモデル化された。半球状カップの薄壁の場合における下向き／全光束比に対する値が、推定値（式５；前記参照）に近いことが分かった。計算は、発光色素の異なる平均自由行程（ＭＦＰ）を用いて実行された。これらのＭＦＰ値は、当該ポリマ内に溶解された発光分子の濃度を反映している。特に、低色素濃度の場合、薄壁半球は高い下向き／全光束比を得るのに適している。ここでは、Ｒ及びｄの値はＲの値に対して第１正規化される。この場合、湾曲構造部に対してｄ＜Ｒである。ｘ軸上には、（１−(ｄ／Ｒ)）が描かれている。前述した様に、０.００１＜ｄ／Ｒ＜０.２５であり、従って０.７５＜１−(ｄ／Ｒ)＜１である。
図５ａ〜図５ｈは複数の応用例２０００を概略図示している。
図５ａは、ここで説明した集光器装置１００の一実施態様及び太陽電池３００を有する太陽光装置２２００の一実施態様を概略的に示す。太陽電池３００は光出口エッジ部１３から出射する光を受光するように構成されている。前述したように、太陽電池３００は該光出口エッジ部に特別に放射的に結合されている。このことは該実施態様では、光出口エッジ部１３から出射する光７２を、反射壁及び該反射壁における開口５５１を備えた（光収集又は光混合）チェンバ５５０に収集し、上記開口が光を該チェンバ５５０から出射させると共に太陽電池３００を照射するようにさせることにより達成される。図５ｂは、この応用例２０００（太陽光装置２２００）のために使用することが可能な集光器装置１００の一実施態様の上面図を概略図示している。
図５ｃは、チェンバ５５０内の実質的に全ての光を収集するために、複数の開口５５１を備えると共に各開口５５１の背後に太陽電池３００を備える変形例を概略的に図示している。
ここで、一実施態様においては、中空発光カップ（半球等）のアレイが、ライトボックス（チェンバ５００）の上部に配置される。これらカップのエッジは該ライトボックスの開口５５２に正確に接続される（しかしながら、透光性底板１６０上に配置されたカップ又は他のタイプの球状キャップの配列を適用することもできる。該配列は、この図には示されておらず、図３ａを参照されたい）。上記ライトボックスは、反対の側に１以上の一層大きな出口領域も有している、該ライトボックスの内面は高度に反射的（Ｒ＞９５％）で、鏡面又は白色／拡散反射材料（ミロシルバ（MIRO silver）、ＭＣＰＥＴ、白色塗料等）からなることができる。上記カップは、好ましくは、ルミネッセント光の効果的な導光を保証するために、薄い壁を有するものとする。
出口面には、変換された光を受光するために太陽電池を配置することができる。上記カップは種々の態様で配列することができ、六角形配置は最大の密度を生じさせて、最も効率的な集光器となる。上部面積（太陽光を受光する）は、一般的に、太陽電池のための面積（ΣＡ２）よりも大幅に大きい（ΣＳ/ΣＡ２>>１０）。集中過程は上記発光カップにおいて開始し、これら発光カップにおいて太陽光は一層高い波長の光に効果的に変換される。上記カップの大きな表面においてＴＩＲを受ける該ルミネッセント光は上記エッジに向かって運ばれ、当該ライトボックス内に注入される。当該ライトボックス内での多重反射は、最終的に、当該光を出口面における太陽電池へと輸送する。該多重反射の理由により、高い光学的効率を維持するためにライトボックスの高反射率が好ましい。他の見方は、当該ライトボックスに注入された全ての光は、太陽電池に入射するまで、実質的に該ライトボックス内に捕捉されるということである。しかしながら、該ライトボックス内に存在する光が当該発光カップのエッジに衝突する可能性も存在する。その場合、光は単に当該カップを介して輸送され、ライトボックスに戻る。
別個のカップの大きな利点は、励起過程において放出される光子の光学的経路長が限られることである（即ち、光は最も効率的な形で収集される）。カップの典型的な（実用的な）大きさは１０〜２０ｍｍ（外径Ｒ）の範囲内である。導光壁厚は０.５〜２ｍｍの範囲内である。小さな光学的経路により、小さなカップが好ましい。これらの寸法は、本明細書で図示及び／又は記載された他の実施態様にも当てはまり得る。
オプションとして、図５ｅ（後述参照）に湾曲構造１０の異なる陰影により例示的に示されるように、異なる湾曲構造１０は異なるタイプの色素を有することもできる。
図５ｄは、第１湾曲構造部１０ａ及び第２湾曲構造部１０ｂを有する集光器装置１００の一実施態様を概略的に示す。第１湾曲構造部１０ａは第２湾曲構造部１０ｂを取り囲んでいる。特に、第１湾曲構造部１０ａの導波材料２０中の色素は、第２湾曲構造部１０ｂの導波材料２０中の色素とは相違している。この固有の湾曲構造構成は、この図に示すような太陽電池応用例にのみ限定されるものではないことに注意されたい。
従って、例えば図５ｃ〜図５ｄ（及び図５ｅ、下記参照）において、光変換カップ又は他のタイプの球状キャップは、異なる色素タイプを含むことができる。この分離は一層高い全体的効率を生じさせることができる。何故なら、種々の色素の間での干渉が（殆ど）ない（即ち、一方の色素タイプにより放出された光が他方の色素により吸収され得ない）からである。当該ライトボックス構想の利点は、全ての変換された／ルミネッセント光が良好に混合され、太陽電池を均一な態様で照明するからである。
図５ｅは、集光器装置１００が照明ユニット２１００内で使用される一実施態様を概略的に示している。ここでは、チェンバ５５０の開口５５１が照明ユニット光２１０１を供給するために使用されている。オプションとして、例えば当該スペクトルを更に補足するために、追加の光源２１１０を使用することができる。
上記光源は、如何なる光源とすることもできるが、（このように）特には実質的にＵＶ又は青色で発光することができる光源とする。従って、一実施態様では、該光源は青色を発する発光デバイスを有する。前者の実施態様と組み合わせることができる更に他の実施態様において、上記光源はＵＶを放出する発光デバイスを有する。ここで、光源なる用語は特にはＬＥＤ（発光ダイオード）に関係し得る。好ましくは、該光源は動作の間において、少なくとも３００〜４８０ｎｍ、特には３８０〜４６０ｎｍの範囲から選択された波長で光を放出する光源である。この光は光変換エレメント（後述を参照）により部分的に使用することができる。特定の実施態様において、当該光源は固体ＬＥＤ光源（ＬＥＤ又はレーザダイオード等）を有する。“光源”なる用語は、例えば２〜２０個の（固体）ＬＥＤ光源等の、複数の光源にも関係し得る。オプションとして、当該光源は白色光（及び、オプションとしてＵＶ光）を発生するように構成され（後述も参照）、青色及び／又はＵＶ光の一部は前記発光材料の１以上により励起光として使用されて、少なくとも部分的に発光光（ルミネッセント光）に変換される。
従って、この実施態様によれば、光の収集は、例えばルミネッセント光及び青色ＬＥＤを組み合わせることにより白色光を発生するために使用される。この方法において、種々のルミネッセント色素を含むカップ及び青色ＬＥＤの放射スペクトルは、“白色スペクトル”を生じる。斯かる白色光は、従来の天窓が好ましくない場合に、屋内照明のために直接使用することができる。該実施態様は、日光と人工光を単一の小型の光源に統合することを可能にする。上記白色光は、日光が届かない空間の照明のために、コリメートし、ライトチューブに入射させることもできる。光レベル及び色温度を一定に維持するためにセンサ及び制御部を用いることもできる。追加の白色ＬＥＤは、太陽光照明が不十分な場合に設置することができる。図５ｅに図示したシステムは、屋根に組み込むことができ（“ルーフパネル”）、建物の壁に組み込むこともできる。該システムは、建物において建築的又は装飾的エレメントとしても働き得る。
オプションとして、湾曲構造１０の２以上の組が、（異なる）陰影により示されるように、異なる色素を有することもできる。
図５ｆも、太陽光装置２２００を概略図示する。当該集光器装置は前述したように使用される。ここでも、発光構造体のエッジから出射する光は、次いで該光を１以上の太陽電池３００に導くライトボックスの開口５５１内に注入される。
図５ｇは、他のタイプの応用例２０００（ここでは、照明ユニット２１００）を概略図示している。該照明ユニット２１００は、本明細書で定義した集光器装置１００（ここでは、前記実施態様の一例が例示として示されている）、光源２１００（通常は、複数の光源２１１０）及びオプションとしての拡散器プレート５５５を有している。光源２１１０は、光源光２１１１を受光側１０１０に供給するように構成されている。オプションの拡散器プレート５５５は、複数の光源２１１０と集光器装置１００との間に配されている。該オプションの拡散器プレート５５５は集光器装置１００の上流側に配置される。光源２１１０はチェンバ５５０内に配置される。更に、該チェンバ５５０は１以上の開口５５１を有し、これら開口は光がチェンバ５５０から（オプションの拡散器５５５及び）集光器装置１００を介して出射することを可能にしている。光２１０１は、少なくとも変換された光７２を有するのみならず、オプションとして非変換光２１１１も有することもできる。この実施態様においては、集光器装置１００及び（オプションとしての）該集光器装置の上流側に配置された拡散器５５５により完全に閉じられる１つの大きな単一開口５５１が存在する。
図５ｈは、他の用途例２０００、ここでは集光器装置１００を有する温室２３００を概略的に図示している。集光器装置１００は、光出口エッジ部１３を介して光を温室２３００内に供給するように構成されている。勿論、複数の集光器１００を適用することもできる。更に、前述した実施態様及び変形例を適用することもできる。
このように、本発明は変換された光がシートの一方の側から主に放出される（全放出光の＞８０％、＞８５％さえもの）集光器装置を提供する。当該発光構造は、発光色素が含まれた３Ｄ形状の透明フィルムからなることができる。本発明は、新世代の発光太陽光集光器及びＬＥＤ型照明システムにおける光変換部品として関係し得る。
従って、本発明の一態様は、大部分の光を一方向（前方）のみに放出する光学シート部品を形成するために特に“エッジ光”を用いることである。このことは、添付図面に図示されたような一連の構造を創作することにより達成される。励起源（日光、青色ＬＥＤ等）からの光は、滑らかな側で“収集”される。当該発光構造内で放出された光は、湾曲構造を介して出口面に向かって輸送される。当該ルミネッセント光を効果的に導くために、当該構造の壁は薄くなければならない。特に、ｄ＜０.５Ｒ及び一層良好な性能のためにはｄ＜０.２５Ｒが好ましい。理想的な３Ｄ構造の場合、放出されたルミネッセント光の約８６％が出口において出射する。
幾つかの実施態様において、当該構造における孔（窪み）は六角形配列を有する。この配列は、当該材料中で放出された光の最小の光学経路を保証することができる。該最小の光学経路は高い効率を達成するために有利である。何故なら、散乱／吸収損失が最小化されるからである（散乱損失は表面の欠陥で生じ得る）。当該部品の湾曲形状は、平らなプレートと比較して、励起源からの光の導入を劇的に改善する（特に、高い入射角において）。複数の代替構成例を選択することができる：
・当該構造における上記孔は、正方形配列を有することもできる（図１ｃ参照）；
・これらの孔は、非常に小さな又は零の表面積（底部において、図２ｇ〜２ｉ参照）を有することができる；
・これら孔は、延長部を有することができる（図１ｈ〜１ｊ）。この延長部は先細り（テーパ状）構造を有することができる（図１ｉ）；
・これら孔は、粗面化された出口面を有することができる（光の捕捉を防止し、これにより効率を高めるため）；
・当該出口面は、傾斜させることができる；
・当該出口面は、コリメート光学素子に接続することができる（図１ｊ）；
・当該構造の全体又は一部に反射防止コーティングを設けることができる；
・当該導光材料、特にポリマ導光材料は、複数の色素（発光性又は発光性色素と吸収性色素との組み合わせ）を含むことができる；
・当該導光材料、特にポリマ導光材料は、当該（可視）スペクトルの特定の部分を反射又は透過させるために、光学多層干渉フィルタによりコーティングすることができる。
本発明は、主に、太陽エネルギを収集する（特には、集中させる）と共に太陽電池を用いて電気を発生するために使用することができる。当該太陽光集光器は“露地に”適用することができるのみならず、（太陽電池及びエネルギ蓄積器との組み合わせで）道路照明のための照明器具に組み込むこともできる。また、本発明は従来の天窓が好ましくない場合に屋内照明のためにも使用することができる。本発明は、“変換された日光”及び人工（青色）光を単一の小型の光源に組み込むことを可能にする。本システムは、例えば建物の壁における、建築的／装飾的照明エレメントとして用いることもできる。

Claims (15)

  1. 受光側及び光出口側を有するシート状集光器装置であって、
    該集光器装置は導光材料の複数の湾曲構造部を有し、
    前記導光材料は光源の光の少なくとも一部を吸収すると共に該吸収された光の少なくとも一部を可視及びＩＲ波長範囲内の変換光に変換する有機光変換色素を有し、
    前記湾曲構造部の各々は、前記光源からの光を受けると共に該光源光を当該湾曲構造部に導入する前記受光側の凸状湾曲部と、前記光出口側の凹状部と、前記光出口側の光出口エッジ部とを有し、
    前記湾曲構造部の各々は、前記光出口エッジ部から当該装置の光を出射させるために前記導入された光及び前記変換された光を全内部反射により前記光出口エッジ部の方向へ輸送するための曲率及び導光器厚ｄを有する、集光器装置。
  2. 前記凸状湾曲部の表面積の少なくとも２０％が０.２＜κＲ＜５の局部曲率を有し、ここで、κは該局部曲率を描く前記凸状湾曲部の断面の適合円の局部曲率であり、Ｒは基平面の半径である、請求項１に記載の集光器装置。
  3. 前記湾曲構造部の各々が基平面半径Ｒを有し、該湾曲構造部は球状キャップの形状を有し、前記基平面半径Ｒを持つ前記凸状湾曲部は湾曲構造表面積Ｓを有し、前記凸状湾曲部の曲率は２．５≦Ｓ／Ｒ２≦３０の範囲内の正規化面積を有し、前記凸状湾曲部は０.５〜５０ｍｍの範囲から選択される導光器厚ｄを有する、請求項１又は請求項２に記載の集光器装置。
  4. 前記導光器厚ｄ及び基平面半径Ｒの比ｄ／Ｒが、０.００１≦ｄ／Ｒ≦０.２５である、請求項２又は請求項３に記載の集光器装置。
  5. ０.２５〜１００ｍｍの範囲から選択された基平面半径Ｒを有し、該基平面半径Ｒを有する前記凸状湾曲部が１０ｍｍ２〜０.３ｍ２の範囲内の湾曲構造表面積Ｓを有する、請求項２ないし４の何れか一項に記載の集光器装置。
  6. 前記湾曲構造部が、前記受光側に相対的に大きな第１開口を備えると共に前記光出口側に相対的に小さな開口を備えた、２Ｄ湾曲漏斗のセグメントの形状を有する、請求項１ないし５の何れか一項に記載の集光器装置。
  7. 前記湾曲構造部が、前記受光側に相対的に大きな第１開口を備えると共に前記光出口側に前記光出口エッジ部を有する相対的に小さな閉じた延長端部を備えた、２Ｄ湾曲窪みのセグメントの形状を有する、請求項１ないし５の何れか一項に記載の集光器装置。
  8. 前記湾曲構造部が、前記受光側に凸状湾曲部を備えると共に前記光出口側に凹状部を備えた、中空球状キャップのセグメントの形状を有する、請求項１ないし５の何れか一項に記載の集光器装置。
  9. 前記湾曲構造部は、六方最密充填又は立方最密充填で配置される、請求項６ないし８の何れか一項に記載の集光器装置。
  10. 前記湾曲構造部が、前記受光側に凸状部を備えると共に前記光出口側に凹状部を備えた、凸状樋のセグメントの形状を有する、請求項１ないし５の何れか一項に記載の集光器装置。
  11. 全数の前記曲構造部のうちの２以上の組が２以上の色素を各々有する、請求項１ないし１０の何れか一項に記載の集光器装置。
  12. 第１湾曲構造部及び第２湾曲構造部を有し、前記第１湾曲構造部は前記第２湾曲構造部を包囲し、前記第１湾曲構造部の導光材料における色素が前記第２湾曲構造部の導光材料における色素とは相違する、請求項１ないし１１の何れか一項に記載の集光器装置。
  13. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の集光器装置及び太陽電池を有する太陽光装置であって、前記太陽電池が前記光出口エッジ部から出射する光を受ける、太陽光装置。
  14. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の集光器装置を有する温室であって、前記集光器装置が前記光出口エッジ部を介して光を当該温室内に供給する、温室。
  15. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の集光器装置と、複数の光源と、オプションとしての拡散器プレートとを有する照明ユニットであって、前記光源は該光源の光を前記受光側に供給し、前記オプションとしての拡散器プレートが前記複数の光源と前記集光器装置との間に設けられる、照明ユニット。
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