JPH0564763B2

JPH0564763B2 -

Info

Publication number: JPH0564763B2
Application number: JP60209725A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Negishi
Original assignee: NITSUSHO GIKEN KK
Current assignee: NITSUSHO GIKEN KK
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1993-09-16
Also published as: US4813765A; DE3689417T2; EP0237579B1; DE3689417D1; US4930867A; WO1987001816A1; AU6375386A; EP0237579A4; EP0237579A1; JPS62195601A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光の方向変換装置に係り、特に、あ
る範囲のあらゆる方向からの光を取入れてそれを
一定範囲内の方向の光に変換する装置に関する。

〔従来の技術〕

漸次入射方向が変化する光、例えば太陽光を取
入れて利用する場合、その有効利用のためには、
光が入射する方向を向くように制御される光追尾
装置が必要である。

このような光追尾装置の設置によつて、光取入
部を入射光の方向に常に向けるようにすれば、入
射光を最も有効に取入れることができるが、例え
ば太陽光の入射方向は季節の変化により、また朝
から夕方への時間の経過により刻々変化するの
で、有効な光追尾装置は複雑、高価なものとな
り、実用的ではない。

これを解決できる装置としては、例えば特開昭
57−74713号公報に記載のように、光入射面から
光取出面へ向かつて断面形状が漸減する透明体よ
りなる集光体が提案されている。この集光体は、
その内部へ光入射面を経て入射した光を内部反射
により漸次集光体光軸に沿う方向に近づけて光取
出面から射出する作用を果たす。

［発明が解決しようとする課題］上記公知の集光体は、種々の方向から入射した
光をほぼ同じ向きに揃えることができるが、その
性能は十分ではない。よつて、本発明は、出射す
る光をより均一な方向に揃えることができる、性
能の優れた光の方向変換装置を得ることを目的と
する。

［課題を解決するための手段］本発明によれば、上記目的は次のような光の方
向変換装置により達成される。この光の方向変換
装置は、一端に光の入射面を有し他端寄りに光の
取出面を有する光透過性材料の本体を有し、この
本体は、光の入射面から入つて光の取出面へ向か
う光の経路を含む平面による断面形状でみた場
合、光の入射面から光の取出面へ向かう方向に関
して漸次接近するように対向する外面を有する。
この外面は、光の入射面を経て本体内に取入れら
れた光の本体内部で反復反射させる反射面として
構成される。この反射面の他端寄り部分および、
その近傍の面が光の取出面とされる。各本体の光
の取出面の外側には、透光性の補助素子が配置さ
れ、この補助素子は、その外側に反射面を備え、
この反射面は、光の取出面から出て補助素子内に
入つた光を反射させて、本体の一端から他端へ向
かう光軸に沿う方向に近づけるように、対向する
光の取出面から光の進行方向に関して漸次離れる
方向に形成される。

〔作用〕

光の入射面から本体の内部に入つた光は、反射
面で全反射を反復するうちに、反射面の形状によ
り、反射面に対する入射方向が漸次立上り、遂に
は臨界角またはそれを少し越える角度に達する。
この状態になつた後、反射光は反射面により反射
されることなく、反射面を通つて本体外へ出る。
そして、反射光がほぼ臨界角の近傍で反射面へ達
することにより、反射面を通り抜けた光は本体外
では反射面の外側面、すなわち本体の外面に対し
ほぼ一定の角度をもつて、または一定範囲内の角
度をもつて射出される。本体外に出た光は、補助
素子内に入り、補助素子外面の反射面により反射
されて、本体の光軸の方向に一層沿うように方向
変換され外部へ射出される。

〔実施例〕

つぎに、本発明の実施例を説明すると、第１図
に示す光の方向変換装置は、ガラス、プラスチツ
ク等の光透過性材料からなる本体２を有してい
る。この本体２は本発明の光の方向変換装置の基
本エレメントをなし、第２図に示すようなくさび
状板体であつて、その一端縁から他端縁へ向かつ
て厚さが漸次減少している。そして、一端縁側の
端面３は光の入射面を構成しており、この入射面
３と他端縁側の端面４の間の対向する平面５ａ，
５ｂが、本体２の内部へ入射面３から導入された
光の反射面を構成している。尚、端面４はきわめ
て小さくするかまたはなくしてもよい。

以上のように構成された本体２の光入射面３に
第１図に示すように光Ｌ１が入射すると、この光
は反射面５ａ，５ｂにより点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ
で反復的に内部反射しつつ端面４の方へ向かい、
遂には点ｆにおいて本体２外へ出る。同様にし
て、他方向から入射する光Ｌ２は点ａ１，ｂ１，
ｃ１，ｄ１，ｅ１で反復的に内部反射し、点ｆ１
において本体２外へ出る。これらの内部反射は全
反射である。

次に、以上の現象を第３図について考察する。
反射面５ａ，５ｂが本体２中心面（光軸）Ｏ−Ｏ
に対してそれぞれ角度αをなしているものとし、
反射面５ｂ上の点Ｐに内部反射光が達したと仮定
する。点Ｐにおいて反射面５ｂと直交する垂線に
対し、内部反射光がなす角度が臨界角δ₀より大き
い時は、内部反射光は点Ｐで全反射して再び対向
する反射面５ａへ向かう。一方、内部反射光の角
度が臨界角δ₀に等しい時には、光は点Ｐから反射
面５ｂの外面に沿つて放出される。また、内部反
射光の角度が臨界角δ₀より小さい場合は、点線で
示すように光は垂線に対して角度χをなして外部
へ放出される。このように、反射面に向かう光が
反射面に対しなす角度が小さい時は、光は反射面
で全反射され、反射面に対し光が漸次立つてきて
臨界角の状態になると、少くとも一部の光は反射
面を通り抜けて反射面の外側に沿つて放出され、
また、反射面に対し光がさらに立つてくると、光
は反射面を突き抜ける。

いま、本体２の屈折率をn1、本体２を囲む雰
囲気の屈折率をｎ２とすると、 n1・Sin（δ₀−Δδ）＝n2Sinχ る関係が成立する。

ところで、反射面５ａまたは５ｂによつて光が
一度全反射するごとに、次の反射面へ入射する光
がその反射面に対する垂線に対しなす角度は2α
ずつ減少し、入射光は反射面に順次立つてくる。
そして、光が臨界角δ₀より小さくなつたときに、
その光の少くとも一部が反射面を通過して本体の
外部へ出るわけであるから、第３図の点Ｐを通つ
て本体２の内部から外部へ抜ける点線で示す光が
臨界角より2αだけ小さい角度で点Ｐへ達し、す
べて外部へ放出されたとすると、 n1・Sin（δ₀−2α）＝n2・Sinχ なる関係が成立する。

いま、雰囲気が空気であるとすると、n2＝１
であり、また＝90°−χとすると、 n1・Sin（δ₀−2α）＝Sinχ＝Sin（π／２−）＝Cos
であるから、＝Cos^-1｛n1・Sin（δ₀−2α）｝となり、δ₀−2α＜π／２ではαが大となる程、は大となる。

また、臨界角より小さい角度になつてもすべて
外部へ放出されないで、一部がもう一度全反射す
る場合は、＝Cos^-1｛n1・Sin（δ₀−4α）｝となり、は益々大きくなる。

第３図についての以上説明からわかるように、
第１図において点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅおよびａ
１，ｂ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１では反射面の内側で
全反射がなされ、点ｆおよびｆ１においてはじめ
て光が臨界角δ₀またはそれより小さい角度をとる
ことにより本体２の外部へ放出されている。な
お、本体２の外部への光の放出は端面４をも通つ
てなされる。

入射面３から本体２内に取入れられる光があら
ゆる方向から来る光であり、また反射面５ａ，５
ｂおよび端面４から放出される光が光軸Ｏ−Ｏに
平行をなすかまたはそれに近い方向をとることが
望ましい場合には、角度αは極力小さい方がよい
が、αを小さくすることは全長Ｌ（第２図）が長
くなることである。

これを解決するには入射面３の厚さｄ（第２図）
をなるべく小さくしなければならない。

厚さｂを極力小さくした本体２は、第４図およ
び第５図に示すように、多数並列状に接して配置
し、すべての本体２の入射面３が広い面３Ａをな
すようにする。これにより、広い面３Ａにあらゆ
る方向から入射する光は、本体内部で方向変換を
受け、面３Ａにほぼ直交する方向に放出されるこ
とになる。

入射面３から本体２内への光の取入れについて
考えてみると、第６図において、本体２を囲む雰
囲気が空気でn2＝１であり、また本体２がアク
リル樹脂でn1＝1.491であると仮定した場合、 n1・Sinδ₀＝２・Sin90° であるから、 1.491・Sinδ₀＝１・Sin90° であり、 δ₀＝Sin^-1（Sin90°／1.491）＝42.12° となる。

したがつて、平面による断面でみた場合、空気
中からのあらゆる方向の光は δ₀×２＝84.24°の角度範囲で本体２内に取入れ
られ前述のように反射面５ａ，５ｂにより反射し
つつ進むことになる。

第７図は、光の方向変換装置本体２の内部への
光域の光束の取入れを容易にする装置を示す。こ
の装置は、ムクの本体２の材料の使用量をなるべ
く少くし、重量的な面および経済的な面で有利に
なるようにしたもので、入射面３の両端部に、入
射面３へ向かつて収れんする形状に設けたミラー
７からなつている。このミラー７の内面によつ
て、種々の方向の入射光は入射面３へ導かれる。

以上のように、反射面５ａ，５ｂは入射面３か
ら離れるについて漸次収れんする形状に形成され
ているが、これは必ずしも対向する平面状反射面
によらなくてもよい。

第８図に示す本発明の光の方向変換装置の基本
エレメントには、円形の入射面３Ｍに続いて反射
面５Ｍが円錐面状に形成されている。したがつ
て、本体２Ｍは切頭円錐形状をなしている。

また、第９図に示す基本エレメントでは、本体
２Ｎは六角錐状をなしており、反射面５Ｎは六角
錐の斜面により形成される。なお、六角錐以外の
角錐を用いることもできる。

第８図および第９図の実施例においても、入射
面３Ｍ，３Ｎから取入れられた光が、第１図に示
したと同様に全反射を繰り返した後、本体外へ放
出されることは明らかである。ただし、光は三次
元的な経路をたどつて進む。

以上に述べた基本エレメントでは、本体２，２
Ｍ，２Ｎ内で反復全反射した光は、第１０図に示
すように開き角βをもつて本体外へ放出され、光
軸に平行な方向の光の割合は余り多くないという
問題がある。

この問題を解決するために、本発明によれば、
第１１図に示すように、本体２の光放出部の外側
に断面三角形状の透光性補助素子９を設けてい
る。本体２から開き角をもつて放出された光は本
体２と補助素子９の間の薄い空気層を通つてこの
補助素子９内へ入つた後その外側の反射面１０に
より少くとも一回屈折又は反射され、光軸にほほ
平行な方向等に角度変換され放出される。このた
めには、反射面１０は入射面３から離れる方向に
向かつて漸次広がる方向、すなわち光の取出面か
ら漸次離れる方向に設けられる。また、反射面１
０には反射膜、例えばアルミニウム蒸着膜を形成
することもできる。なお、補助素子９はムク材で
作られるが、それに代つて反射面１０の位置にミ
ラーを設けてもよい。補助素子９は、第２図に示
す本体２に設ける場合には、三角形断面の板体に
より構成されるが、第８図および第９図に示す本
体２Ｍ，２Ｎに設ける場合には、その周囲を囲む
環状に形成される。

第１２図に示す補助素子９Ｍは、本体２に接す
る面に鋸歯状部１１が形成されている点で第１１
図の補助素子と異なる。鋸歯状部１１と本体２と
の間には空気層が形成されており、第１３図に示
すように本体２より空気層に出た光は光軸に平行
な成分をより多く持つので、この成分を生かすた
めに補助素子９Ｍの鋸歯面ではその光をほぼ垂直
にもしくは光軸により平行に屈折して受けるよう
にしている。そして、補助素子９Ｍを出る時に光
にはさらに光軸に平行な成分が与えられる。

第１４図の例では、補助素子９Ｎは比較的薄い
複数の片部材の積層により構成される。各補助素
子の片は、入射面３から離れる方向へ向かつて漸
次厚さが増加し、第１５図に示すように、各片の
内部を反射しつつ前進する光は光軸の方向の成分
が漸次増加しつつ外部へ放出される。

特に第８図、第９図に示す錐状の光方向変換装
置本体は、第２図に示すものと異なり、全周にわ
たるすべての任意方向からの光を取入れてその方
向を変換るのに適しているが、この錐状の本体
も、それを多数隣接状態で束ねて、第４図に示し
たと類似の形態で使用する。

その一例を第１６Ａ図および第１６Ｂ図に示
す。束ねた多数の本体２Ｍ（または２Ｎ）は図示
のように円形になるようにまとめることもできる
し、他の任意の形にまとめることもできる。この
集合体により、無数の任意方向の光は第１６Ｂ図
に示すように、ほぼ平行な光に変換される。

第１６Ａ，Ｂ図の場合では、すべての本体２Ｍ
の入射面は平面をなすようにまとめられている。
これに対し、本体２Ｍは、その入射面が第１７
Ａ，Ｂ図に示すように凸面をなすようにまとめて
もよいし、また第１８Ａ，Ｂ図に示すように凹面
をなすようにまとめることもできる。前者の場合
には、本体から放出される光は収れんし、後者の
場合には、本体から放出される光は発散する。こ
れらの場合、凸、凹面の作り方と相関的な形状が
照射されることになる。

第１９図に示す実施例では、本体２は光軸Ｏ−
Ｏより外側に向かつて、本体を構成する材料の屈
折率が連続的または段階的に小さくなつている。
これにより、本体２内を反射しつつ進む光の経路
は直線ではなくなる。

本発明は、散乱光、拡散光、大きさをもつた光
源の各部からの放射光、方向が変化する光などを
受けて、それを一定の方向に向けたり、一定の形
状に照射したりすることを可能とするもので、太
陽熱の利用、照明制御、映像、画像の伝送等に利
用することができる。

なお、本体の全反射面には光が放出される部分
を除いて反射被膜を設けることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の方向変換装置を用いる
ことにより、任意の異なる方向から来るある範囲
の光を、不動の入射面に受けることにより、それ
を内部で反復反射させて所定の方向にほぼ平行な
光として取出すことができる。そして、入射光の
方向が変動してもそれを追尾する必要がなく、単
なる透光物質の三次元形状の本体を設置するのみ
であるから、本発明の光の方向変換装置は安価で
故障がない。また、本発明の光の方向変換装置に
おいては、本体の光取出面の外側に透光性の補助
素子を配置し、その外側の反射面を光の取出面か
ら光の進行方向に関して漸次離れる方向に形成し
たことによつて、本体の光取出面を出た状態では
方向変換が未だ十分でない光をさらに本体の光軸
に沿う方向に向けるように方向変換させることが
でき、進行方向が非常に揃つた光を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いる本体の一実施例の断面
図、第２図は同実施例の斜視図、第３図は第１図
の本体の作用の説明図、第４図は第２図の本体を
多数並列状に設けた光の本発明の方向変換装置の
一実施例の斜視図、第５図は第４図のＶ部分の拡
大図、第６図は光の入射面の入射についての説明
図、第７図は光の入射を助ける装置の断面図、第
８図は本発明で用いる本体の他の実施例の斜視
図、第９図は本発明で用いるさらに他の本体の実
施例の斜視図、第１０図は本発明で用いる本体か
ら放出される光の開き角を説明する図、第１１図
は本体に設けられる補助素子を示す図、第１２図
は他の補助素子を示す図、第１３図は第１２図の
一部の拡大図、第１４図はさらに他の補助素子を
示す図、第１５図は第１４図の一部の拡大図、第
１６Ａ図は第８図または第９図の本体を多数束ね
て構成した光の方向変換装置の側面図、第１６Ｂ
図は第１６Ａ図の装置の斜視図、第１７Ａ図は第
１６Ａ図の装置の変形例の側面図、第１７Ｂ図は
第１７Ａ図の装置の斜視図、第１８Ａ図は第１６
Ａ図の装置の変形例の側面図、第１８Ｂ図は第１
８Ａ図の装置の斜視図、第１９図は本発明で用い
る本体の他の実施例を示す図である。２，２Ｍ，２Ｎ……本体、３……光の入射面、
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５
ｈ，５Ｍ，５Ｎ……反射面、δ₀……臨界角、９，
９Ｍ，９Ｎ……補助素子、１４……反射板。

Claims

【特許請求の範囲】１一端に光の入射面を有し、他端寄りに光の取
出面を有する光透過性材料の本体を有し、この本
体は、前記光の入射面から入つて前記光の取出面
へ向かう光の経路を含む平面による断面形状でみ
た場合、光の入射面から光の取出面へ向かう方向
に関して漸次接近するように対向する外面を有
し、この外面は、前記光の入射面を経て本体内に
取入れられた光を本体内部で反復反射させるため
の反射面として構成され、この反射面はそれによ
り内部反射させられる光の向きを反復反射に伴い
反射面に対する臨界角に漸次近づけるような傾斜
を備え、臨界角または、それより小さい角度で内
部反射光が到達する反射面の部分および、その近
傍の面が前記光の取出面とされ、各本体の光の取
出面の外側には透光性の補助素子が配置され、こ
の補助素子はその外側に反射面を備え、この反射
面は、前記光の取出面から出て補助素子内に入つ
た光を反射させて本体の一端から他端へ向かう光
軸に沿う方向に近づけるように、対向する光の取
出面から光の進行方向に関して、漸次離れる方向
に形成されていることを特徴とする光の方向変換
装置。２前記補助素子の内面が光の取出面に接してい
る特許請求の範囲第１項記載の光の方向変換装
置。３前記補助素子の内面が鋸歯状断面を有して、
光の取出面に接している特許請求の範囲第１項記
載の光の方向変換装置。４前記補助素子が複数枚重ねて設けられている
特許請求の範囲第１項記載の光の方向変換装置。５本体が全体的に錐状をなし、錐の底面が光の
入射面とされ、錐の斜面が反射面とされ、錐の先
端寄り反射面部分が光の取出面とされている特許
請求の範囲第１項記載の光の方向変換装置。６本体が一端縁から他端縁へ向けて漸次厚さが
減少するくさび状の板体からなり、この板体の一
端縁の端面が光の入射面とされ、板体の両端縁間
の対向する平面が反射面とされ、他端縁寄り平面
部分が光の取出面とされている特許請求の範囲第
１項記載の光の方向変換装置。７本体の入射面が全体的に曲面をなすように複
数の本体が束ねられている特許請求の範囲第１項
記載の光の方向変換装置。