JPH0843606A - 線集光レンズ - Google Patents
線集光レンズInfo
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- JPH0843606A JPH0843606A JP6182563A JP18256394A JPH0843606A JP H0843606 A JPH0843606 A JP H0843606A JP 6182563 A JP6182563 A JP 6182563A JP 18256394 A JP18256394 A JP 18256394A JP H0843606 A JPH0843606 A JP H0843606A
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- lens
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- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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- F24S23/30—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
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Abstract
少なく、入光した光束を1線上に正確に集めることがで
きる線集光レンズを提供する。 【構成】 媒質の入光面Nを平面視略矩形の平坦面と
し、媒質の出光面Sを集光曲面とした線集光レンズLで
あって、平行な光束を上記入光面Nより入光させたと
き、上記出光面Sからは出光する光束は集光線T’と呼
ばれる1線上に集束する構造となっている。
Description
好適に使用される新規な構造の線集光レンズに関する。
り出す太陽集光炉としては、反射型、直達型など種々の
タイプのものが提案されている。反射鏡を利用した反射
型の太陽炉は、エネルギーロスが多い上に、光エネルギ
ーの集光点での作業が困難であり、また太陽の追尾制御
も困難で、設備自体も大係りとなり、莫大な設備コスト
がかかるなどの問題点を有している。
て、太陽光を1点に集光させて利用する方法を種々検討
したが、従来の凸レンズを使用する方法では、凸レンズ
自体が構造上、上下対称の凸状曲面を有しているために
入光に対する反射率が高く、入光の透過効率が悪くなる
という欠点に加えて、一線上に光線を集光することが出
来なかった。
は、太陽光を広い範囲にわたって入光させようとすれ
ば、凸レンズの形状から大径となり、そのため中央部が
分厚くなってしまい、強度の面からいっても実際の使用
はできないものになってしまう。そこで、このような問
題点を解決するため、特開昭62-225851号に
は、凸レンズの入光面を反射率の少ない平坦にして、凸
レンズの肉厚を薄肉にした複数の扇型切片を同心円状に
接合させて、大径のレンズを形成して、太陽光を集束す
る方法が提案されているが、やはり凸レンズの焦点に太
陽光を集束するものであるため、太陽光を1線上に集光
させて熱エネルギーとして取り出すものとして充分なも
のはなかった。
鑑みてなされたものであって、入光線の透過効率が良
く、エネルギーロスが殆どなく、大形のものでも容易に
作製でき、入光した光束を従来には存在しなかった集光
線(従来の焦点の集まりではなく、計算によって求めた
集光点を集めた線)に正確に集めることができる新規な
構造の線集光レンズを提供することを目的とする。
に提案された本発明は、次のような構成上の特徴を備え
ている。請求項1の線集光レンズは、媒質の入光面を平
面視略矩形の平坦面とし、媒質の出光面を集光曲面とし
ており、平行な光束を上記入光面より入光させたときに
は、上記出光面からは1線上に集束する光束を取り出せ
る構成とされている。
案出された後述する集光連立方程式を充す傾斜角度を有
した曲面をいう。請求項2の線集光レンズは、入光面を
平坦面とし、出光面を集光曲面とするとともに、該集光
曲面の集光線軸に対して平行状に分割された複数のレン
ズセグメントを、平坦面を入光側にして中心軸より外側
に向かって対称に漸次段階状に突出するように結合させ
て、全体として蒲鉾ドーム状に形成されている。
ける中心線C上の任意の点Okから集光線T’上に垂下
させた垂線Xのことである。請求項3の線集光レンズ
は、入光面を平坦面とし、出光面を集光曲面とするとと
もに、該集光曲面の集光線軸に対して平行状に分割され
た複数のレンズセグメントを、平坦面を入光側にして中
心線部が漸次段階状に陥むように結合させて、全体とし
て逆蒲鉾状に形成されている。
面とし、出光面を集光曲面とするとともに、該集光曲面
の集光線軸に対して平行状に分割された複数のレンズセ
グメントの各々を、平坦面を入光側にして面一になるよ
うに結合させて、全体としてフラット状に形成されてい
る。
平行光束をレンズ入光面より入光させると、平行光束は
レンズの入光面に対して直角に入光するため反射率は殆
どなくレンズ内を直進し、レンズ出光面に至るが、この
出光面は集光曲面となっているので、出光面より出た光
束は、1線上(従来の焦点ではない集光点の集まり)に
集光する。
て、全反射の臨界角度よりも小さい次のような集光方程
式〜を充す媒質の出光面の傾斜角度を規定する。図
1において、線集光レンズLの集光曲面の中心線軸であ
る中心線Cと交わり入光面Nに対して直角に引かれる垂
線Xと、集光曲面(出光面S)上の任意の点Kから入光
面Nと平行に引かれる水平線Yと、が直角に交わる交点
をOkとし、点Kと集光点Tとを結ぶ線Zと垂線Xとの
成す角度をAとすると、図3に示すような関係が成り立
つ。
と集光点Tとの焦点距離をdkとすると、半径距離rkと
焦点距離dkと角度Akとの間には次の関係式が成り立
つ。 Ak =tan-1 (rk /dk ) ・・・ 図4は、出光面S上の任意の点Kでの集光曲面のレンズ
光出光面Skの角度を求めるための説明図であるが、ス
ネルの法則より光の通る媒体(ここでは、レンズと空
気)の屈折率をN1、N2とし、入射角をθ1、屈折角
をθ2とすると、次の関係式が成り立つことが知られて
いる。
49、空気の屈折率をN2=1として任意の点Kに当て
はめると、 1.49sinθ1k =sinθ2k ・・・ となる。
面S)上の任意の点Kでは、次の関係式が成り立つ。 θ2k −θ1k =Ak ・・・ 上記連立方程式、、を集光方程式と呼ぶ。
この面に直角に入光した全ての光束は、レンズ内での吸
収分を除けば、反射成分は殆どなくスネルの法則を満足
する屈折角を充す光路に従って集光線T’と呼ばれる1
線上に集中する。ここに、集光曲面は、上述のように焦
点を有する従来の凸レンズとは異なり、その曲面は集光
方程式を充す傾斜面で形成される。
とし、出光面を集光曲面としたレンズセグメントを結合
させて線集光レンズを形成しているため集光レンズを肉
薄とすることができ、従って従来は不可能と考えられて
いた大形の線集光レンズを形成し太陽光集光装置を現実
のものと出来る。
について、図面を参照しながら説明する。図1は本発明
に係る線集光レンズの一実施例の断面正面図、図2はそ
の線集光レンズの平面図である。
略矩形の平坦な面とし、出光面Sを放物面状の集光曲面
としている。この集光曲面は、入光面Nを基準として、
全反射の臨界角度よりも小さい次のような集光方程式を
充す傾斜角度となっている。このような形状の線集光レ
ンズLを逆蒲鉾形レンズと呼ぶ。線集光レンズLの放物
面状の集光曲面(出光面S)の中心線軸である中心線C
と交わり、入光面Nに対して直角に引かれる垂線Xと、
集光曲面(出光面S)上の任意の点Kから入光面Nと平
行に引かれる水平線Yと、が直角に交わる交点をOkと
し、点Kと集光点Tとを結ぶ線Zと垂線Xとの成す角度
をAとすると、図3に示すような関係が成り立つ。
と集光点Tとの焦点距離をdkとすると、半径距離rkと
焦点距離dkと角度Akとの間には次の関係式が成り立
つ。 Ak =tan-1 (rk /dk) ・・・ 従って、集光曲面(出光面S)上の任意の点がn個ある
とすれば、次のようになる。
光出光面Skの角度を求めるための説明図である。
は、レンズと空気)の屈折率をN1、N2とし、入射角
をθ1、屈折角をθ2とすると、次の関係式が成り立つ
ことが知られている。 N1sinθ1=N2sinθ2 ここでレンズをガラスとしてその屈折率をN1=1.4
9、空気の屈折率をN2=1として任意の点Kに当ては
めると、 1.49sinθ1k =sinθ2k ・・・ となる。従って、集光曲面(出光面S)上の任意の点が
n個あるとすれば、次のようになる。
意の点Kで、次の関係式が成り立つ。 θ2k −θ1k =Ak ・・・ 集光曲面(出光面S)上の任意の点がn個あるとすれ
ば、次のようになる。
kとの成す角度をθxkとすると、幾何学的に解析する
と、 θxk =θ1k となる。従って、任意の点Kでの水平線とレンズ面Sk
との成す角度θxkを、上記集光方程式を解くことによ
って計算で求めることが出来る。
る大形の本発明に係る線集光レンズの一実施例について
説明する。図5は、本発明に係る逆蒲鉾状の線集光レン
ズLの一実施例を示す断面正面図である。この逆蒲鉾状
線集光レンズLは平面視略矩形の網状形状、正面視パラ
ボラ状段階形状のフレームF…と、このフレームF…の
下部に装着される複数の平面視略矩形レンズセグメント
L0…、L1…と、から成る線集光レンズ本体Hと、を
備えている。
面とし、出光面S…を集光曲面とするとともに、この集
光曲面の集光線軸に対して平行状に分割された複数のレ
ンズセグメントL0…、L1…を、中心線部が漸次段階
状に陥むように結合させて、全体として逆蒲鉾状に形成
されている。複数のレンズセグメントL1…は線集光レ
ンズ本体HのレンズセグメントL0…から外側にいくほ
ど分厚くなる傾向がある。
えばチタン合金、鋼鉄等が用いられるが、耐久性、比重
及び防錆性の面からチタン合金が好ましい。この逆蒲鉾
状線集光レンズLは、複数のレンズセグメントL0…、
L1…の各々は上述の集光方程式で求められた集光曲面
で出光面S…が形成されており、太陽光線等の平行光束
はレンズ入光面N…より入光されるとレンズ内を透過
し、出光面S…より出た光束は集光線T’上に集光され
る。
ンズLを太陽光集光装置に使用した具体例を示す要部斜
視図である。この太陽光集光装置は、逆蒲鉾状の線集光
レンズLと、この線集光レンズLの集光曲面(出光面
S)から出光された光線を平行な光束(断面矩形)に変
えるための平行光束レンズL10と、集光曲面(出光面
S)を有する本発明の逆蒲鉾状の線集光レンズL11
と、この線集光レンズL11の集光曲面(出光面S)か
ら出光された光線を平行な光束に変えるための小形の平
行光束レンズL13と、小形の集光曲面(出光面S)を
有する逆蒲鉾状線集光レンズL12と、を備えている。
形の網状形状、正面視パラボラ状段階形状のフレームF
…と、このフレームF…の下部に装着される複数の平面
視略矩形レンズセグメントL0…、L1…と、を備えて
いる。尚、線集光レンズL、L11は、大形なので運搬
の便宜上複数の平面視略矩形のレンズセグメントL0
…、L1…に切断しているが、一体として形成すること
も可能である。
り、例えばチタン合金、鋼鉄等が用いられるが、耐久
性、比重及び防錆性の面からチタン合金等が好ましい。
複数の平面視略矩形レンズセグメントL0…、L1…の
各々は上述の集光方程式で求められた集光曲面で出光面
S…が形成されており、太陽光線等の平行光束はレンズ
入光面N…より入光されるとレンズ内を透過し、出光面
S…より出た光束は集光線T’(集光点Tの集まり)上
に集光される(図5参照)。
の平面視略矩形レンズセグメントL0…、L1…は各々
大形となるので比較的比重の小さい有機レンズ(例え
ば、樹脂、プラスチック等)で形成される。例えばメタ
クリル樹脂であるパラグラス(商品名)等で形成しても
よい。平行光束レンズL10は、線集光レンズLによっ
て集められた光線を集光線T’の手前で入光し、平行な
光束とするためのものであるが、高熱がかかるため、無
機レンズ(例えばガラス等)で形成されるのが好まし
い。
行光束レンズL13と、小形の線集光レンズL12は、
上記平行光束を更に絞って集光線T’の長さ寸法を短く
するためのものである。この線集光レンズL11も高熱
がかかるため無機レンズ(例えばガラスやパイレックス
等)として形成されるのが好ましく、更に小形の平行光
束レンズL13と逆蒲鉾状線集光レンズL12は石英や
水晶で形成されるのが好ましい。
の線集光レンズLの入光面N…は常に太陽の中心点と線
集光レンズLの集光線軸の中央軸が合致するように、即
ち太陽光集光装置は太陽を追尾するように構成されてい
る。従って太陽光は、線集光レンズLの入光面N…に対
して垂直に線集光レンズL内に入光し、集光曲面(出光
面S)から出光され、集光線T’上に集まる。
レンズL10によって平行光束に変化させる。この平行
光束レンズL10の出光面Sも集光曲面のように綿密に
計算で算出された面である。図7は、平行光束レンズL
10の出光面S上の任意の点Kでのレンズ光出光面Sk
の角度を求めるための説明図である。
レンズLの集光線T’)から距離の等しい放物曲面を入
光面Nとし、この入光面Nより放物曲面の中心線に向け
て入光させた光束を平行光束として取り出すようにした
ものである。入光面Nは集光されてきた光線をその光線
に対して直角になるように形成されている。従って、こ
の出光面S上の任意の点Kにおいても上述の集光連立方
程式が成り立つ。
kとの成す角度をθxkとすると、幾何学的に解析すれ
ば、 θxk=θ2k となる。従って、任意の点Kでの水平線とレンズ面Sk
との成す角度θxkを、集光連立方程式を解くことによ
って計算で求めることが出来る。
ズL10との関係を模式的に表した説明図である。線集
光レンズL1の入光面Nに入光した光線は、レンズL1
内を透過し、出光面S1、S2、S3から所定の角度で屈
折出光され、平行光束レンズL10の入光面N1、N2、
N3に各々直角に入光する。そしてレンズL10内を透
過し出光面S1、S2、S3から所定の角度で屈折出光さ
れ、平行な光束となる。
状の線集光レンズLの一実施例を示す断面正面図であ
る。この蒲鉾ドーム状線集光レンズLは、平面視矩形の
網状形状、正面視ドーム状段階形状のフレームF…と、
このフレームF…の下部に装着される複数の平面視略矩
形レンズセグメントL0…、L1…と、から成る線集光
レンズ本体Hと、を備えている。フレームF…の材質は
上述の逆蒲鉾状線集光レンズと同様にチタン合金等が好
ましい。
面とし、出光面S…を集光曲面とするとともに、この集
光曲面の集光線軸に対して平行状に分割された複数のレ
ンズセグメントL0…、L1…を、中心部より周囲が漸
次段階状に突出するように結合させて、全体として蒲鉾
ドーム状に形成されている。複数のレンズセグメントL
1…は線集光レンズ本体HのレンズセグメントL0…か
ら外側にいくほど分厚くなる傾向がある。
状線集光レンズLと同様、複数のレンズセグメントL0
…、L1…の各々は上述の集光方程式で求められた集光
曲面で出光面S…が形成されており、太陽光線等の平行
光束はレンズ入光面N…より入光されるとレンズ内を透
過し、出光面S…より出た光束は集光線T’上に集光さ
れる。
中心線軸上より偏在させた蒲鉾ドーム状の線集光レンズ
Lの具体例を示す断面正面図である。線集光レンズLの
集光曲面(出光面S)は上述の集光連立方程式を解いて
求めたものであるため、集光線T’を図10のように偏
在させることもできる。即ち、集光線T’を予め設定
し、出光面Sからの出光線を集光線T’上に集めるよう
に集光曲面(出光面S)を集光連立方程式を解いて求め
たレンズ面の水平線に対する角度に形成すればよい。こ
れにより、集光線T’を集光連立方程式の成り立つ任意
の位置に定めることが出来る。
光レンズLの一実施例を示す断面正面図である。このフ
ラット状線集光レンズLは、平面視略矩形の網状形状、
正面視フラット形断面形状のフレームF…と、このフレ
ームF…の下部に装着される複数の平面視矩形レンズセ
グメントL0…、L1…から成る線集光レンズ本体H
と、を備えている。フレームF…の材質は上述の逆蒲鉾
状線集光レンズと同様にチタン合金等が好ましい。
面とし、出光面S…を集光曲面とするとともに、この集
光曲面の集光線軸に対して平行状に分割された複数のレ
ンズセグメントL0…、L1…の各々を、平坦面を入光
側にして面一になるように結合させて、全体としてフラ
ット状に形成されている。複数のレンズセグメントL1
…は線集光レンズ本体HのレンズセグメントL0…から
外側にいくほど分厚くなる傾向がある。
状線集光レンズLと同様、複数のレンズセグメントL0
…、L1…の各々は上述の集光方程式で求められた集光
曲面で出光面S…が形成されており、太陽光線等の平行
光束はレンズ入光面N…より入光されるとレンズ内を透
過し、出光面S…より出た光束は集光線T’上に集光さ
れる。
発明の要旨を逸脱しない範囲において設計変更可能であ
る。例えば、線集光レンズLを平面視多角形としてもよ
い。
示す効果を奏する。請求項1の線集光レンズによれば、
媒質の入光面で入光線を反射するということが殆どな
く、入光線の透過効率が良く、エネルギーのロスが小さ
い状態で入光線が線集光レンズ内を透過でき、更に入光
した光束はスネルの法則によって定まる光路に向かわせ
ることができるため、1線の集光線上に正確に集めるこ
とができる。
形で薄型の線集光レンズを作製することが出来る。ま
た、集光線の手前で出光線を集めれば、略矩形の集光面
に集光することができ、この集光線はエネルギー吸収装
置により熱媒体物質を均一に照射したり、製品を加工す
る際に扱い易い構造とされている。
面正面図である。
面図である。
関係を示す説明図である。
の出光面の角度を求めるための説明図である。
例を示す縦断面正面図である。
光手段として使用した要部斜視図である。
角度を求めるための説明図である。
的に表した説明図である。
実施例を示す縦断面正面図である。
集光線を偏在させた具体例を示す断面正面図である。
実施例を示す縦断面正面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】入光面を平面視略矩形の平坦面とし、出光
面を集光曲面とした線集光レンズであって、 平行な光束を上記入光面より入光させたとき、上記出光
面からは1線上に集束する光束を取り出す構成とした線
集光レンズ。 - 【請求項2】入光面を平坦面とし、出光面を集光曲面と
するとともに、該集光曲面の集光線軸に対して平行状に
分割された複数のレンズセグメントを、平坦面を入光側
にして中心軸より外側に向かって対称に漸次段階状に突
出するように結合させて、全体として蒲鉾ドーム状に形
成した線集光レンズ。 - 【請求項3】入光面を平坦面とし、出光面を集光曲面と
するとともに、該集光曲面の集光線軸に対して平行状に
分割された複数のレンズセグメントを、平坦面を入光側
にして中心部が漸次段階状に陥むように結合させて、全
体として逆蒲鉾状に形成した線集光レンズ。 - 【請求項4】入光面を平坦面とし、出光面を集光曲面と
するとともに、該集光曲面の集光線軸に対して平行状に
分割された複数のレンズセグメントの各々を、平坦面を
入光側にして面一になるように結合させて、全体として
フラット状に形成した線集光レンズ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18256394A JP3392528B2 (ja) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | 線集光レンズ |
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JP2002341184A Division JP2003177216A (ja) | 2002-11-25 | 2002-11-25 | 線集光レンズ |
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JP18256394A Expired - Lifetime JP3392528B2 (ja) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | 線集光レンズ |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000052501A1 (fr) * | 1999-03-01 | 2000-09-08 | Sogawa, Yoshiteru | Lentille de champ collectif discontinue |
KR101143419B1 (ko) * | 2009-08-27 | 2012-05-23 | 주식회사 유영산업 | 게임기용 책상 |
CN107702889A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-02-16 | 深圳市鹰眼在线电子科技有限公司 | 线性聚光器和光学检测装置 |
Families Citing this family (1)
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WO2024062283A1 (en) * | 2022-09-25 | 2024-03-28 | Kong, Mun, Chew | Solar energy collection system and related methods |
-
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- 1994-08-03 JP JP18256394A patent/JP3392528B2/ja not_active Expired - Lifetime
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