JPH0954215A - 集光用光学素子 - Google Patents
集光用光学素子Info
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- JPH0954215A JPH0954215A JP7205714A JP20571495A JPH0954215A JP H0954215 A JPH0954215 A JP H0954215A JP 7205714 A JP7205714 A JP 7205714A JP 20571495 A JP20571495 A JP 20571495A JP H0954215 A JPH0954215 A JP H0954215A
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- light
- optical element
- optical fiber
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/44—Heat exchange systems
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 広い角度から入射した光を確実に先端部まで
導くことができ、集光度を向上させることができる集光
用光学素子を提供する。 【解決手段】 ＧＩ型光ファイバを加熱延伸により円錐
形状に形成して集光用光学素子１０とする。この集光用
光学素子１０の径の大きな側の面１４から光１２が入射
すると、集光用光学素子１０の内部をサインカーブを描
きながら径の小さな側の面１６に伝播される。これによ
り、集光用光学素子１０から外部に漏れる光を減少させ
ることができ、集光度の向上を図ることができる。
導くことができ、集光度を向上させることができる集光
用光学素子を提供する。 【解決手段】 ＧＩ型光ファイバを加熱延伸により円錐
形状に形成して集光用光学素子１０とする。この集光用
光学素子１０の径の大きな側の面１４から光１２が入射
すると、集光用光学素子１０の内部をサインカーブを描
きながら径の小さな側の面１６に伝播される。これによ
り、集光用光学素子１０から外部に漏れる光を減少させ
ることができ、集光度の向上を図ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池等に使用
される集光用光学素子の改良に関する。
される集光用光学素子の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、太陽光を集光するための集光
用光学素子が提案されている。これらの集光用光学素子
を、例えば太陽電池に使用した場合には、高価な太陽電
池の数を減少させることができる。
用光学素子が提案されている。これらの集光用光学素子
を、例えば太陽電池に使用した場合には、高価な太陽電
池の数を減少させることができる。
【０００３】太陽光の集光用光学素子としては、集光効
率を上げるために、太陽の方向に集光用光学素子を追尾
させるタイプのものがあった。しかし、このような素子
では、太陽を追尾させるための操作エネルギが必要であ
ることや、メンテナンスが繁雑であるといった問題があ
った。
率を上げるために、太陽の方向に集光用光学素子を追尾
させるタイプのものがあった。しかし、このような素子
では、太陽を追尾させるための操作エネルギが必要であ
ることや、メンテナンスが繁雑であるといった問題があ
った。
【０００４】このために、特開平２−２０３１６０号公
報においては、内面鏡を円錐形状に形成した集光用光学
素子が提案されている。図８には、本従来例に開示され
た集光用光学素子の部分断面図が示される。図８におい
て、円錐形状に形成された内面鏡１００の広拡側内端部
に、円心方向になるに従って順次径、長さが小さくな
り、先細りの割合が大きくなり、先端部を切断した円錐
形状の両面反射鏡１１０が複数固定設置されている。こ
れにより、太陽光１２０を広い角度から入射せしめ、両
面反射鏡１１０で反射させて円錐形状の内面鏡１００の
先端方向に導くことにより集光度の向上を図っている。
報においては、内面鏡を円錐形状に形成した集光用光学
素子が提案されている。図８には、本従来例に開示され
た集光用光学素子の部分断面図が示される。図８におい
て、円錐形状に形成された内面鏡１００の広拡側内端部
に、円心方向になるに従って順次径、長さが小さくな
り、先細りの割合が大きくなり、先端部を切断した円錐
形状の両面反射鏡１１０が複数固定設置されている。こ
れにより、太陽光１２０を広い角度から入射せしめ、両
面反射鏡１１０で反射させて円錐形状の内面鏡１００の
先端方向に導くことにより集光度の向上を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例の集光原理
は、集光用光学素子の一端から入射した太陽光１２０を
円錐形状に形成された両面反射鏡１１０あるいは内面鏡
１００によって反射させ、その先端部に太陽光を導くと
いうものである。この円錐形状に形成された内面鏡１０
０の内部における光の反射の様子が図９に示される。図
９においては、円錐形状の両面反射鏡は省略してある
が、基本的な原理については図８に示された従来例と同
様である。
は、集光用光学素子の一端から入射した太陽光１２０を
円錐形状に形成された両面反射鏡１１０あるいは内面鏡
１００によって反射させ、その先端部に太陽光を導くと
いうものである。この円錐形状に形成された内面鏡１０
０の内部における光の反射の様子が図９に示される。図
９においては、円錐形状の両面反射鏡は省略してある
が、基本的な原理については図８に示された従来例と同
様である。
【０００６】図９において、円錐形状の内面鏡１００に
入射した太陽光１２０は、内面鏡１００の内面において
反射しその内部を進んで行く。しかし、内面鏡１００の
内面において反射を繰り返すうちに、例えば図のａ点に
示されるように、内面鏡１００の内面への入射角度すな
わち内面に立てた法線に対する角度が次第に小さくなっ
てゆき、ついには図のｂ点及びｃ点に示されるように、
進行方向が入射側を向く光１３０となってしまう。
入射した太陽光１２０は、内面鏡１００の内面において
反射しその内部を進んで行く。しかし、内面鏡１００の
内面において反射を繰り返すうちに、例えば図のａ点に
示されるように、内面鏡１００の内面への入射角度すな
わち内面に立てた法線に対する角度が次第に小さくなっ
てゆき、ついには図のｂ点及びｃ点に示されるように、
進行方向が入射側を向く光１３０となってしまう。
【０００７】また、集光用光学素子が、例えばガラスあ
るいは樹脂で構成されているステップインデックス型
（ＳＩ型）光ファイバを円錐形状にしたものである場合
には、光はその内面を全反射しながら進行することにな
るが、図９のａ点に示されるように、内面への入射角度
が大きくなると全反射できなくなり、一部が外部へ透過
する光１４０となってしまう。
るいは樹脂で構成されているステップインデックス型
（ＳＩ型）光ファイバを円錐形状にしたものである場合
には、光はその内面を全反射しながら進行することにな
るが、図９のａ点に示されるように、内面への入射角度
が大きくなると全反射できなくなり、一部が外部へ透過
する光１４０となってしまう。
【０００８】以上のような理由により、従来の集光用光
学素子では、入射した光の集光度を十分に上げることが
できないという問題があった。
学素子では、入射した光の集光度を十分に上げることが
できないという問題があった。
【０００９】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、広い角度から入射した光を確実
に先端部まで導くことができ、集光度を向上させること
ができる集光用光学素子を提供することにある。
のであり、その目的は、広い角度から入射した光を確実
に先端部まで導くことができ、集光度を向上させること
ができる集光用光学素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、一端に入射した光を集光して他
端から放出する集光用光学素子であって、屈折率分布型
光ファイバを円錐形状とし、径の太い側から光を入射さ
せることを特徴とする。
に、請求項１の発明は、一端に入射した光を集光して他
端から放出する集光用光学素子であって、屈折率分布型
光ファイバを円錐形状とし、径の太い側から光を入射さ
せることを特徴とする。
【００１１】請求項２の発明は、一端に入射した光を集
光して他端から放出する集光用光学素子であって、円錐
形状の屈折率分布型光ファイバを複数束ね、全体として
角錐又は円錐形状とし、面積の大きい側から光を入射さ
せることを特徴とする。
光して他端から放出する集光用光学素子であって、円錐
形状の屈折率分布型光ファイバを複数束ね、全体として
角錐又は円錐形状とし、面積の大きい側から光を入射さ
せることを特徴とする。
【００１２】請求項３の発明は、請求項２記載の集光用
光学素子において、ファイバ同士の隙間に、更に径の小
さい円錐形状の屈折率分布型光ファイバを挿入したこと
を特徴とする。
光学素子において、ファイバ同士の隙間に、更に径の小
さい円錐形状の屈折率分布型光ファイバを挿入したこと
を特徴とする。
【００１３】請求項４の発明は、請求項２又は請求項３
記載の集光用光学素子において、ファイバの上面に平面
型又は球面型レンズが設けられていることを特徴とす
る。
記載の集光用光学素子において、ファイバの上面に平面
型又は球面型レンズが設けられていることを特徴とす
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。
を図面に基づいて説明する。
【００１５】実施形態１．図１には、本発明に係る集光
用光学素子の実施形態１の構成例が示される。図１
（ａ）には平面図が、図１（ｂ）には正面図が、図１
（ｃ）には底面図がそれぞれ示される。
用光学素子の実施形態１の構成例が示される。図１
（ａ）には平面図が、図１（ｂ）には正面図が、図１
（ｃ）には底面図がそれぞれ示される。
【００１６】図に示されるように、本発明に係る集光用
光学素子１０は円錐形状をしており、光１２は集光用光
学素子１０の径の大きな側の面１４から入射し、径の小
さな側の面１６から放出される。本実施形態において
は、径の小さな側の面１６に太陽電池１８が取り付けら
れている。
光学素子１０は円錐形状をしており、光１２は集光用光
学素子１０の径の大きな側の面１４から入射し、径の小
さな側の面１６から放出される。本実施形態において
は、径の小さな側の面１６に太陽電池１８が取り付けら
れている。
【００１７】本実施形態において特徴的な点は、集光用
光学素子１０が屈折率分布型（ＧＩ型）光ファイバによ
り構成されている点である。
光学素子１０が屈折率分布型（ＧＩ型）光ファイバによ
り構成されている点である。
【００１８】ＧＩ型光ファイバは、その径方向に屈折率
の分布が存在する。この様子が図２に示される。図２の
横軸には、光ファイバの任意の位置の半径Ｒp に対する
その半径方向の任意の位置の中心からの距離ｒの比が示
される。また、縦軸には光ファイバの中心における屈折
率ｎ0 と半径方向の任意の位置ｒにおける屈折率ｎとの
差（ｎ−ｎ0 ）の値が示される。例えば、ＧＩ型光ファ
イバを樹脂で構成する場合に、その樹脂としてビニルベ
ンゾエイト（Ｖｉｎｙｌ ｂｅｎｚｏａｔｅ，ＶＢ）と
ＭＭＡとを組み合わせると、光ファイバの中心の屈折率
ｎ0 としては１．５７８程度になる。このようなＧＩ型
光ファイバの中を光が通過する際には、光がサインカー
ブを描いて光ファイバ中を進行し、従来のＳＩ型光ファ
イバのようにファイバ内面で光が全反射しながら進行す
るということがない。
の分布が存在する。この様子が図２に示される。図２の
横軸には、光ファイバの任意の位置の半径Ｒp に対する
その半径方向の任意の位置の中心からの距離ｒの比が示
される。また、縦軸には光ファイバの中心における屈折
率ｎ0 と半径方向の任意の位置ｒにおける屈折率ｎとの
差（ｎ−ｎ0 ）の値が示される。例えば、ＧＩ型光ファ
イバを樹脂で構成する場合に、その樹脂としてビニルベ
ンゾエイト（Ｖｉｎｙｌ ｂｅｎｚｏａｔｅ，ＶＢ）と
ＭＭＡとを組み合わせると、光ファイバの中心の屈折率
ｎ0 としては１．５７８程度になる。このようなＧＩ型
光ファイバの中を光が通過する際には、光がサインカー
ブを描いて光ファイバ中を進行し、従来のＳＩ型光ファ
イバのようにファイバ内面で光が全反射しながら進行す
るということがない。
【００１９】以上のようなＧＩ型光ファイバを使用して
製造した円錐形状の集光用光学素子１０の中を光が伝播
する様子が図１（ｂ）に示される。図１（ｂ）に示され
るように、集光用光学素子１０の径の大きい側の面１４
から入射した光１２は集光用光学素子１０の内部をサイ
ンカーブを描きながら伝播し、径の小さな面１６から放
出される。従って、従来のＳＩ型光ファイバを使用した
場合のように、素子の内面での全反射ができなくなって
外部に光が洩れ出たり、あるいは内面鏡の内面を反射し
ながら進むうちに、内面への入射角度が小さくなってや
がて進行方向が反転し光が入射してきた方向に出ていっ
てしまう等によって集光度が上げられないという問題が
ない。このために、径の大きな面１４に広い入射角で入
射した光をそのまま径の小さい面１６から放出すること
ができるので、集光度を上げることができる。
製造した円錐形状の集光用光学素子１０の中を光が伝播
する様子が図１（ｂ）に示される。図１（ｂ）に示され
るように、集光用光学素子１０の径の大きい側の面１４
から入射した光１２は集光用光学素子１０の内部をサイ
ンカーブを描きながら伝播し、径の小さな面１６から放
出される。従って、従来のＳＩ型光ファイバを使用した
場合のように、素子の内面での全反射ができなくなって
外部に光が洩れ出たり、あるいは内面鏡の内面を反射し
ながら進むうちに、内面への入射角度が小さくなってや
がて進行方向が反転し光が入射してきた方向に出ていっ
てしまう等によって集光度が上げられないという問題が
ない。このために、径の大きな面１４に広い入射角で入
射した光をそのまま径の小さい面１６から放出すること
ができるので、集光度を上げることができる。
【００２０】尚、本実施形態に係る円錐形状の集光用光
学素子１０は、樹脂性あるいはガラス性のＧＩ型光ファ
イバを加熱延伸することにより製造することができる。
また、光ファイバ製造時の鋳型として円筒型のものでは
なく円錐型のものを使用しても円錐型の集光用光学素子
を製造することができる。
学素子１０は、樹脂性あるいはガラス性のＧＩ型光ファ
イバを加熱延伸することにより製造することができる。
また、光ファイバ製造時の鋳型として円筒型のものでは
なく円錐型のものを使用しても円錐型の集光用光学素子
を製造することができる。
【００２１】以下に、本実施形態に係る集光用光学素子
の集光度の測定結果を実施例１として示す。
の集光度の測定結果を実施例１として示す。
【００２２】実施例１．直径１０ｍｍ程度の樹脂性のＧ
Ｉ型光ファイバを作成し、これを１００℃で加熱延伸し
て先端計１ｍｍ、長さ５ｃｍの円錐形状の光ファイバと
し、本実施例における集光用光学素子とした。従って、
本実施例の集光用光学素子は、１本のＧＩ型光ファイバ
により構成されている。
Ｉ型光ファイバを作成し、これを１００℃で加熱延伸し
て先端計１ｍｍ、長さ５ｃｍの円錐形状の光ファイバと
し、本実施例における集光用光学素子とした。従って、
本実施例の集光用光学素子は、１本のＧＩ型光ファイバ
により構成されている。
【００２３】一方、比較例として、直径１０ｍｍ程度の
屈折率分布が一様な樹脂棒を１００℃で加熱延伸して先
端径１ｍｍ、長さ５ｃｍの円錐形状の光ファイバとし
た。
屈折率分布が一様な樹脂棒を１００℃で加熱延伸して先
端径１ｍｍ、長さ５ｃｍの円錐形状の光ファイバとし
た。
【００２４】この両者の性能を比較するために、円錐形
状の光ファイバの径の太い側から光を入射させ、径の細
い側から出る光を測定し、光強度比＝出射光強度／入射
光強度を光の入射角度毎に求めた。この光強度比が各円
錐形状の光ファイバの集光度を表している。光強度比の
測定結果が図７に示される。
状の光ファイバの径の太い側から光を入射させ、径の細
い側から出る光を測定し、光強度比＝出射光強度／入射
光強度を光の入射角度毎に求めた。この光強度比が各円
錐形状の光ファイバの集光度を表している。光強度比の
測定結果が図７に示される。
【００２５】図７において、□がＳＩ型光ファイバの入
射角度毎の光強度比を示し、△が本実施例１におけるＧ
Ｉ型光ファイバの入射角度毎の光強度比を示す。図７に
示される結果より、ＳＩ型光ファイバに比べてＧＩ型光
ファイバを使用した円錐型の集光用光学素子の方が光強
度比すなわち集光度が高いことがわかる。
射角度毎の光強度比を示し、△が本実施例１におけるＧ
Ｉ型光ファイバの入射角度毎の光強度比を示す。図７に
示される結果より、ＳＩ型光ファイバに比べてＧＩ型光
ファイバを使用した円錐型の集光用光学素子の方が光強
度比すなわち集光度が高いことがわかる。
【００２６】なお、光が入射する径の大きい側の面に
は、表面での光の反射を低減するために入射界面に無反
射コートを施している。
は、表面での光の反射を低減するために入射界面に無反
射コートを施している。
【００２７】実施形態２．図３には、本発明に係る集光
用光学素子の実施形態２の構成例が示される。図３
（ａ）には平面図が、図３（ｂ）には正面図が、図３
（ｃ）には底面図がそれぞれ示される。図３（ｂ）に示
されるように、本実施形態においても太陽電池１８が面
積の小さい側の面１７に取り付けられているが、図３
（ｃ）には太陽電池の記載は省略した。
用光学素子の実施形態２の構成例が示される。図３
（ａ）には平面図が、図３（ｂ）には正面図が、図３
（ｃ）には底面図がそれぞれ示される。図３（ｂ）に示
されるように、本実施形態においても太陽電池１８が面
積の小さい側の面１７に取り付けられているが、図３
（ｃ）には太陽電池の記載は省略した。
【００２８】図３（ａ）に示されるように、本実施形態
においては、複数の円錐形状のＧＩ型光ファイバを組み
合わせて構成されている。すなわち、複数の円錐形状の
ＧＩ型光ファイバを束ね、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
に示されるように、全体として四角錐形状に形成されて
いる。そして、径の太いＧＩ型光ファイバ２０の隙間に
径の細いＧＩ型光ファイバ２２が挿入されている。各光
ファイバ２０、２２はそれぞれ実施形態１と同様にして
加熱延伸により円錐形状に形成されている。本実施形態
の場合には、光は面積の大きい側の面１５から入射する
ことになる。
においては、複数の円錐形状のＧＩ型光ファイバを組み
合わせて構成されている。すなわち、複数の円錐形状の
ＧＩ型光ファイバを束ね、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
に示されるように、全体として四角錐形状に形成されて
いる。そして、径の太いＧＩ型光ファイバ２０の隙間に
径の細いＧＩ型光ファイバ２２が挿入されている。各光
ファイバ２０、２２はそれぞれ実施形態１と同様にして
加熱延伸により円錐形状に形成されている。本実施形態
の場合には、光は面積の大きい側の面１５から入射する
ことになる。
【００２９】ＧＩ型光ファイバを加熱延伸して円錐形状
の光ファイバとしたときに、屈折率の分布は相似形が保
たれ、図２に示されるｒ／Ｒp に対する屈折率の分布
が、円錐形状の光ファイバの半径Ｒp によらず一定にな
る。従って、例えば中心部の屈折率ｎ0 と半径方向の最
外部の屈折率とは円錐形状の光ファイバのどの位置にお
いても一定となっている。以上より、径の太い部分より
も径の細い部分の方が屈折率の勾配が大きくなっている
ことが分かる。屈折率の勾配が大きくなると、それだけ
光ファイバの内部で光の進行方向を曲げる作用が大きく
なり、太い径の光ファイバよりも細い径の光ファイバの
方が光が外部に漏れる程度が小さくなる。このため、実
施形態１に示されるような径の太い円錐形状のＧＩ型光
ファイバを１本使用するよりも、本実施形態のように径
の細いＧＩ型光ファイバを多数本使用した方が各光ファ
イバから外部に漏れ出る光の量が小さくなり、それだけ
集光度を上げることができる。また、ある光ファイバか
ら外部に漏れ出た光も、隣接する他の光ファイバに入射
し、その中を伝播するので、これによっても集光度を向
上することができる。
の光ファイバとしたときに、屈折率の分布は相似形が保
たれ、図２に示されるｒ／Ｒp に対する屈折率の分布
が、円錐形状の光ファイバの半径Ｒp によらず一定にな
る。従って、例えば中心部の屈折率ｎ0 と半径方向の最
外部の屈折率とは円錐形状の光ファイバのどの位置にお
いても一定となっている。以上より、径の太い部分より
も径の細い部分の方が屈折率の勾配が大きくなっている
ことが分かる。屈折率の勾配が大きくなると、それだけ
光ファイバの内部で光の進行方向を曲げる作用が大きく
なり、太い径の光ファイバよりも細い径の光ファイバの
方が光が外部に漏れる程度が小さくなる。このため、実
施形態１に示されるような径の太い円錐形状のＧＩ型光
ファイバを１本使用するよりも、本実施形態のように径
の細いＧＩ型光ファイバを多数本使用した方が各光ファ
イバから外部に漏れ出る光の量が小さくなり、それだけ
集光度を上げることができる。また、ある光ファイバか
ら外部に漏れ出た光も、隣接する他の光ファイバに入射
し、その中を伝播するので、これによっても集光度を向
上することができる。
【００３０】さらに、一般に太陽電池は歩留まりを向上
するために正方形が多い。一方、光ファイバは円形であ
り、集光形状が異なるので太陽電池に無駄な部分が発生
してしまう。本実施形態によれば、円形の光ファイバを
複数本集めることにより四角錐形状に構成できるので、
集光用光学素子の太陽電池が取り付けられる面を太陽電
池と同じ形状にすることができ、太陽電池の面に無駄な
部分が発生することを防止することができる。
するために正方形が多い。一方、光ファイバは円形であ
り、集光形状が異なるので太陽電池に無駄な部分が発生
してしまう。本実施形態によれば、円形の光ファイバを
複数本集めることにより四角錐形状に構成できるので、
集光用光学素子の太陽電池が取り付けられる面を太陽電
池と同じ形状にすることができ、太陽電池の面に無駄な
部分が発生することを防止することができる。
【００３１】なお、本実施形態においては径の太い円推
形状のＧＩ型光ファイバ２０の隙間に径の細い円錐形状
のＧＩ型光ファイバ２２を挿入する構成を取っている
が、これはより集光度を上げるためであり、径の小さい
ＧＩ型光ファイバ２２がなくても集光度の向上を図るこ
とはできる。
形状のＧＩ型光ファイバ２０の隙間に径の細い円錐形状
のＧＩ型光ファイバ２２を挿入する構成を取っている
が、これはより集光度を上げるためであり、径の小さい
ＧＩ型光ファイバ２２がなくても集光度の向上を図るこ
とはできる。
【００３２】また、複数のＧＩ型光ファイバを束ねる場
合、全体の形状としては、上述のような四角錐形状に限
られるものではなく、用途に応じて他の角錐又は円錐形
状とすることもできる。
合、全体の形状としては、上述のような四角錐形状に限
られるものではなく、用途に応じて他の角錐又は円錐形
状とすることもできる。
【００３３】以下、実施例２として図３に示される集光
用光学素子の集光度の測定結果を示す。
用光学素子の集光度の測定結果を示す。
【００３４】実施例２．実施例１と同じ材質の樹脂性の
ＧＩ型光ファイバのうち直径１ｍｍのものを加熱延伸し
先端径０．１ｍｍ、長さ５ｃｍとし、これを４９本組み
合わせて、面積の大きい側の面が約７ｍｍ角である四角
錐形状の集光用光学素子を構成した。この光ファイバの
隙間には、さらに、同材質で直径０．４ｍｍのものを加
熱延伸し、先端径０．０４ｍｍ、長さ５ｃｍとした光フ
ァイバを挿入した。
ＧＩ型光ファイバのうち直径１ｍｍのものを加熱延伸し
先端径０．１ｍｍ、長さ５ｃｍとし、これを４９本組み
合わせて、面積の大きい側の面が約７ｍｍ角である四角
錐形状の集光用光学素子を構成した。この光ファイバの
隙間には、さらに、同材質で直径０．４ｍｍのものを加
熱延伸し、先端径０．０４ｍｍ、長さ５ｃｍとした光フ
ァイバを挿入した。
【００３５】このようにして構成した集光用光学素子
を、実施例１と同様にして光強度比＝出射光強度／入射
光強度を各入射角度毎に測定した。この結果が図７に示
される。
を、実施例１と同様にして光強度比＝出射光強度／入射
光強度を各入射角度毎に測定した。この結果が図７に示
される。
【００３６】図７において、○が本実施例に係る集光用
光学素子すなわち円錐形状のＧＩ型光ファイバを多数本
用いた場合の光強度比を示している。図７に示されるよ
うに、実施例１で製作した径の太い（太い径１０ｍｍ、
細い径１ｍｍ）光ファイバの結果である△に比べて更に
集光度が向上していることがわかる。
光学素子すなわち円錐形状のＧＩ型光ファイバを多数本
用いた場合の光強度比を示している。図７に示されるよ
うに、実施例１で製作した径の太い（太い径１０ｍｍ、
細い径１ｍｍ）光ファイバの結果である△に比べて更に
集光度が向上していることがわかる。
【００３７】実施形態３．図４には、本発明に係る集光
用光学素子の実施形態３の構成例が示される。図４にお
いては、図３に示される実施形態において、面積の大き
い側の面１５にガラスの平板２４を設置したものであ
る。これにより、図５に示されるように、ガラス平板２
４に入射した光１２はスネルの法則に従いガラス平板２
４によって入射角度がより小さくなる。すなわち、ガラ
ス平板２４への入射角θ1 に比べ光ファイバの上面への
入射角θ2 の方がより小さくなる。これにより、光をよ
り広い入射角から集めることができる。
用光学素子の実施形態３の構成例が示される。図４にお
いては、図３に示される実施形態において、面積の大き
い側の面１５にガラスの平板２４を設置したものであ
る。これにより、図５に示されるように、ガラス平板２
４に入射した光１２はスネルの法則に従いガラス平板２
４によって入射角度がより小さくなる。すなわち、ガラ
ス平板２４への入射角θ1 に比べ光ファイバの上面への
入射角θ2 の方がより小さくなる。これにより、光をよ
り広い入射角から集めることができる。
【００３８】これは、一般に光ファイバの開口角が最大
０．６ラジアン程度であり光ファイバの一端から入射し
た光が他端まで伝播できる最大の入射角は４０度程度で
あるので、なるべく小さい入射角で光ファイバに入射さ
せる必要があるが、上述のように、光ファイバへの入射
角θ2 を小さくできれば、ガラス平板２４への入射角θ
1 としてはそれだけ広い範囲の入射角が可能となるから
である。ここで開口角とは、図６に示されるように、光
ファイバ２６に入射した光が途中で光ファイバの外に散
乱されることなく有効に伝播していける入射角の範囲を
いい、通常ラジアン単位で表される。すなわち図６のα
をラジアン単位で表したものである。
０．６ラジアン程度であり光ファイバの一端から入射し
た光が他端まで伝播できる最大の入射角は４０度程度で
あるので、なるべく小さい入射角で光ファイバに入射さ
せる必要があるが、上述のように、光ファイバへの入射
角θ2 を小さくできれば、ガラス平板２４への入射角θ
1 としてはそれだけ広い範囲の入射角が可能となるから
である。ここで開口角とは、図６に示されるように、光
ファイバ２６に入射した光が途中で光ファイバの外に散
乱されることなく有効に伝播していける入射角の範囲を
いい、通常ラジアン単位で表される。すなわち図６のα
をラジアン単位で表したものである。
【００３９】例えば、実際の太陽光の角度変化は７０度
程度であり、上述の最大入射角（開口角）の４０度より
も大きい。従って、入射角７０度の光まで集光するため
には、空気の屈折率ｎ1 ＝１、ガラス平板の屈折率ｎ2
＝１．５とすると、θ1 ＝７０度なので、スネルの法
則、ｎ1 ｓｉｎθ1 ＝ｎ2 ｓｉｎθ2 より、θ2 ＝４０
度となる。従って、この条件を満たす屈折率を有するガ
ラス平板を使用すれば入射角７０度の光まで集光するこ
とができる。
程度であり、上述の最大入射角（開口角）の４０度より
も大きい。従って、入射角７０度の光まで集光するため
には、空気の屈折率ｎ1 ＝１、ガラス平板の屈折率ｎ2
＝１．５とすると、θ1 ＝７０度なので、スネルの法
則、ｎ1 ｓｉｎθ1 ＝ｎ2 ｓｉｎθ2 より、θ2 ＝４０
度となる。従って、この条件を満たす屈折率を有するガ
ラス平板を使用すれば入射角７０度の光まで集光するこ
とができる。
【００４０】以下、実施例３として、図４に示される集
光用光学素子の集光度の測定結果を示す。
光用光学素子の集光度の測定結果を示す。
【００４１】実施例３．実施例２に係る集光用光学素子
の面積の大きい側の面に無反射コートを施したガラス平
板を密着させ、面積の大きい側から光を入射させて光強
度比＝出射光強度／入射光強度の測定を各入射角毎に行
った。
の面積の大きい側の面に無反射コートを施したガラス平
板を密着させ、面積の大きい側から光を入射させて光強
度比＝出射光強度／入射光強度の測定を各入射角毎に行
った。
【００４２】この結果が図７に示される。図７におい
て、◇が本実施例に係る集光用光学素子の測定結果を表
している。図７に示されるように、光の入射角度が２０
度より小さい場合には実施例２と本実施例における集光
用光学素子とで集光度に大きな差はないが、入射角度が
大きくなるに従って本実施例の集光度の方が実施例２よ
りも向上していることがわかる。
て、◇が本実施例に係る集光用光学素子の測定結果を表
している。図７に示されるように、光の入射角度が２０
度より小さい場合には実施例２と本実施例における集光
用光学素子とで集光度に大きな差はないが、入射角度が
大きくなるに従って本実施例の集光度の方が実施例２よ
りも向上していることがわかる。
【００４３】なお、本実施例においては、ガラスの平板
すなわち平面型レンズを使用したが、これを球面型レン
ズとすることも可能である。
すなわち平面型レンズを使用したが、これを球面型レン
ズとすることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＧＩ型光ファイバを円錐形状とすることにより、径の大
きい側から光を入射させると径の小さい側に集光されて
出てくるので、集光度の向上が図れる。
ＧＩ型光ファイバを円錐形状とすることにより、径の大
きい側から光を入射させると径の小さい側に集光されて
出てくるので、集光度の向上が図れる。
【００４５】また、円錐形状のＧＩ型光ファイバを複数
束ねれば、光がファイバの外部に散乱され難くなり、更
に集光度の向上が図れる。
束ねれば、光がファイバの外部に散乱され難くなり、更
に集光度の向上が図れる。
【００４６】また、複数束ねたＧＩ型光ファイバの隙間
に更に径の細いＧＩ型光ファイバを埋めることにより、
より多くの光を集光することができる。
に更に径の細いＧＩ型光ファイバを埋めることにより、
より多くの光を集光することができる。
【００４７】また、複数束ねたＧＩ型光ファイバの上面
に、平面型又は球面型レンズを設ければ、光ファイバの
みの場合に比べ更に有効に伝播させることができる光の
入射角を大きくすることができ、集光度のさらなる向上
を図ることができる。
に、平面型又は球面型レンズを設ければ、光ファイバの
みの場合に比べ更に有効に伝播させることができる光の
入射角を大きくすることができ、集光度のさらなる向上
を図ることができる。
【図１】 本発明に係る集光用光学素子の実施形態１の
構成例を示す図である。
構成例を示す図である。
【図２】 ＧＩ型光ファイバの屈折率分布の説明図であ
る。
る。
【図３】 本発明に係る集光用光学素子の実施形態２の
構成例を示す図である。
構成例を示す図である。
【図４】 本発明に係る集光用光学素子の実施形態３の
構成例を示す図である。
構成例を示す図である。
【図５】 スネルの法則の説明図である。
【図６】 光ファイバの開口角の説明図である。
【図７】 実施例１，２，３における光強度比の測定結
果を示す図である。
果を示す図である。
【図８】 従来における円錐形状の集光用光学素子の部
分断面図である。
分断面図である。
【図９】 従来の円錐形状の集光用光学素子の内部にお
ける光の伝播の説明図である。
ける光の伝播の説明図である。
１０ 集光用光学素子、１２ 光、１４ 径の大きな側
の面、１５ 面積の大きい側の面、１６ 径の小さな側
の面、１７ 面積の小さい側の面、１８ 太陽電池、２
０ 径の太いＧＩ型光ファイバ、２２ 径の細いＧＩ型
光ファイバ、２４ ガラス平板、２６ 光ファイバ、１
００ 内面鏡、１１０ 両面反射鏡、１２０ 太陽光、
１３０ 進行方向が入射側を向く光、１４０ 外部へ透
過する光。
の面、１５ 面積の大きい側の面、１６ 径の小さな側
の面、１７ 面積の小さい側の面、１８ 太陽電池、２
０ 径の太いＧＩ型光ファイバ、２２ 径の細いＧＩ型
光ファイバ、２４ ガラス平板、２６ 光ファイバ、１
００ 内面鏡、１１０ 両面反射鏡、１２０ 太陽光、
１３０ 進行方向が入射側を向く光、１４０ 外部へ透
過する光。
Claims (4)
- 【請求項１】 一端に入射した光を集光して他端から放
出する集光用光学素子であって、 屈折率分布型光ファイバを円錐形状とし、径の太い側か
ら光を入射させることを特徴とする集光用光学素子。 - 【請求項２】 一端に入射した光を集光して他端から放
出する集光用光学素子であって、 円錐形状の屈折率分布型光ファイバを複数束ね、全体と
して角錐又は円錐形状とし、面積の大きい側から光を入
射させることを特徴とする集光用光学素子。 - 【請求項３】 請求項２記載の集光用光学素子におい
て、ファイバ同士の隙間に、更に径の小さい円錐形状の
屈折率分布型光ファイバを挿入したことを特徴とする集
光用光学素子。 - 【請求項４】 請求項２又は請求項３記載の集光用光学
素子において、ファイバの上面に平面型又は球面型レン
ズが設けられていることを特徴とする集光用光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7205714A JPH0954215A (ja) | 1995-08-11 | 1995-08-11 | 集光用光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7205714A JPH0954215A (ja) | 1995-08-11 | 1995-08-11 | 集光用光学素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0954215A true JPH0954215A (ja) | 1997-02-25 |
Family
ID=16511485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7205714A Pending JPH0954215A (ja) | 1995-08-11 | 1995-08-11 | 集光用光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0954215A (ja) |
-
1995
- 1995-08-11 JP JP7205714A patent/JPH0954215A/ja active Pending
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