JPS62195601A - 光の方向変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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尤、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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような光追尾装置の設置によって、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、また朝からタカ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。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、その目的
は、入射方向が変化する光または種々の入射方向を有す
る光を、尤追尾装置を用いることなく０止状態のままで
取入れ、それを一定範囲内の方向の光に変換して利用し
易くすることのできる光の方向変換装置を提供すること
にある。

〔間厘点を解決するための手段〕

本発明による光の方向変換装置は、光の入射面を有する
光透過性材料の三次元形状の本体からなり、この本体は
、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を有し、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形状
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、方向変
換された光の取出面とされる。

〔作用〕

光の入射面から本体の内部に入った光は、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、ｊｌには臨界角またはそれ
を少し越える角度に達する。

；士士−＝ｈこの状態になった後、反射光は反射面によ
り反射されることなく、反射面を通って本体外へ出る。

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
って、または一定範囲内の角度をもって射出される。し
たがって、射出される光の方向はほぼ一定になる。

〔実施例〕

つぎに、本発明の詳細な説明すると、第１図に示す光の
方向変換装置は、ガラス、プラスチック等の光透過性材
料からなる本体２を有している。

この本体２は第２図に示すようなくさ１成板体であって
、その一端縁から他端縁へ向がっ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、
Ｓｂに上り点１１＋　ＩＪ、ｃ、　ｄ＋　ｅで反復的に
内部反射しつつ端面４の方へ向がい、遂には点ｒ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ａｌ＋　１１１１　ｃｌ、　ｄｌｅｃｌ　で反
復的に内部反射し、点「１　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の中心面（光軸）０−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０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δ。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δ。に等しい時には、光はツユ
Ｐから反射面５ｂの外面に沿って放出される。また、内
部反射光の角度が臨界角δ。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、尤は反射面で全反射され、反射
面に対し光が漸次立ってさて臨界角の状態になると、少
くとも一部の尤は反射面を通り抜けで反射面の外側を二
沿って放出され、また、反射面に対し光がさらに立って
くると、光は反射面を突き抜ける。

いま、本体２の屈折率をｎｌ　、本体２を囲む雰囲気の
屈折率をｎ２　　とすると、 ｎｌ・５ｉｎ（δ。−Δδ）＝ｎ２　Ｓ　ｌｎｌなる関
係が成立する。

ところで、反射面５ａまたは５ｂによって光が一度全反
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２ａずつ減少し、入射光は
反射面に対し順次立って（る。そして、光が臨界角δ。

より小さくなったとさに、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を通って本体２の内部から外部へ抜ける点線で示
す光が臨界角よ１）２ａだけ小さい角度で点Ｐへ迷し、
すべて外部へ放出されたとすると、ｎｌ・５ｉｎ（δｏ
−２ａ）＝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χ＝９０°−χとすると、ｎｆ・５ｉｎ（δ。−２
ｆｆ）＝Ｓｉｎχ＝　Ｓ　１ｎ（−一χ）＝Ｃｏｓχ であるから、 χ＝Ｃｏｓ−’　ｌｎｌ　・Ｓ　ｉｎ（δ。−２α））
となり、δ。−２ｆｆ＜−ではａが大となる程、χは大
となる。

また、臨界角より小さい角度になっ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、 χ＝Ｃｏｓ−”　ｔｎｌ　・Ｓ　ｉｎ（δ６−４　ＣＩ
　）１となり、χは益々大さくなる。

第３図についての以上の説明かられかるように・、第１
図において点ａｌ　ｂ＋　ｅ＠　ｄ＠　ｅおよびａｌ、
ｂｌ。

ｃｌ、ｄｌ、ｅｌ　　では反射面の内側で全反射がなさ
れ、点ｒお上りｒｌ　においてはじめて光が臨界角δ。

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をも通ってなされる。

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
から米る光であり、また反射面５　ａ、　５　ｂおよび
端面４から放出される光が光軸０−ｏに平打をなすかま
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、ａを小さくすることは全
長Ｌ（９２図）が艮（なることである。

これを解決するには入射面３の厚さｄ（ｔｔＳ２図）を
なるべ（小さくしなければならない。

厚さｄを極力小さくした本体２を用いる場合には、第４
図および第５図に示すように、本体２を多数並列状に接
して配置し、すべての本体２の入射面３が広い而３Ａを
なすようにするのがよい。

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、Ｉ：ｔＳ６図において、本体２を囲む雰囲気が空
気で０２＝１であり、また本体２がアクリル樹脂でｎ　
１　＝　１　、４９１であると仮定した場合、　　ｎｌ
・ｓｉｎδｕ＝ｎ２　・Ｓ　ｉｎ９０　”であるかＣ７
， １，４９１・Ｓｉｎδｏ＝１　　・５ｉｎ９０”であり
、 となる。

したがって、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 ？。Ｘ２＝８４，２４°の角度１１１１２Ｂで本体２内
に取入れられ前述のように反射面５ｍ、５１＋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（少くし、ｍｆ！Ｌ的
な面お上り、Ｉｌ済的な面で有利になるようにしたもの
で、入射ＷＪ３の両ｉｓに、入射面３へ向かって収れん
する形状に設けたミラー７からなっている。このミラー
７の内面によって、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（でもよい。

第８図に示す実施例では、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。

したがって、本体２Ｍは切頭円錐形状をなしている。

土ｔこ、第９図に示す実施例では、本体２Ｎは六角錐状
をなしており、反射面５Ｎは六角、ｔ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図お上びＰＩＳ９図の実施例においても、入射面３
Ｍ、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、丸は三次元的な経路をたどって
進む。

以上に述べた実施例では、本体２．２Ｍ、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をもっ
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。

この問題を解決するために、第１１図に示す実施例では
、本体２の尤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から開き角をもって放出
された光は本体２と補助素子９の間め薄い空気）脅を通
ってこの補助素子９内へ入った後その反射面１（）によ
り少くとも一同ＪＪ（折又は反射され、光軸にほぼ平行
な方向等に角度変換され放出される。このため１こは、
反射面１０は入射面３から離れる方向に向かって漸次法
がるｌｊ向に設けられる。また、反射面１０には反射膜
、例えばアルミニウム蒸着膜を形成することらできる。

なお、補助素子９はムク材で作られるが、それに代って
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図の実施
例の本体２Ｍ、２Ｎに１設ける場合には、その周囲を［
ＪＩｌｔｊ環状に形成される。

ｔｔＳ１２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し１１こ示すように本体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＠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って漸次厚さが増加し、第１
５図に示すように、３片の内部を反射しつつＩｒｉ進ｒ
る尤は光（＋１１の方向の成分が漸次増加しつつ外部へ
放出される。

１、テに第８図、第９図に示す錐状の光方向変換に置本
体は、第２図に示すものと異なり、全周にわｔこるｒべ
ての任、α、力方向らの光を取入れてその方向を変換ｒ
るのに適しているが、この錐状の本体ら、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
ることができる。

その−例を第１６Ａし１および第１６１３図に示す。

束ねたに敗の木本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さるし、池の任意の形
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１ｆ３Ｂ図に示すように、はぼ平行な光
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１７Ａ、Ｂ図
に示すように凸面をな−ｒようにまとめてもよいし、ま
たｆｆ１１８Ａ、Ｂ図に示すように凹面をなｒ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
る尤は発散する。これらの場合、凸、四重の作り方と相
関的な形状が照射されることになる。

第１９図１こ示す実施例では、本体２は光軸０−Ｏより
外側に向かって、本体な（１η成する材料の屈折率が連
続的または段階的に小さくなっている。

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。

第２０図の例では、本１ト２が逆方向に２個並んで配列
され、第１の本体２の端面４と第２の本体２の入射面と
の間に、透明な接続素子１３が設けられている。ｆｊＳ
ｌの本体２から放出された尤は接続素７−１３の内部で
反射し、第２の本体２内へ入り、方向変換されつつ進行
して放出される。

ｆ５２１図に示す実施例の本体２Ｐは、いままで述べた
実施例と７４なり、入射面３と反射面５ｃ、５ｄ、５ｅ
を有し、さらに入射面３６反射面として機能している。

本体２Ｐは全体的に四角形断面を有し、その内部に反射
＠１４が埋め込まれている。

そして、入射面３から入射した光は反射面５ｃ、５ｄ、
　５ｅ、　３および反射板１４により本体内部で回転状
態で反射し、臨界角δ。より小さい角度で反射面に達し
たところで外部へ放出される。

第２２図に示す実施例では、本体２Ｑは、非乎行の対向
反射面５ｆ、５ｂおよび３．５ｇを有し、入射面３から
取入れられた光は本体の反射面により回転状態で順次反
射し、臨界角δ。より小さい角度で反射面に達したとこ
ろで図示のように外部へ放出されろ。第２１図および第
２２図では、大体四角形又は四角形の合成で示されてい
るがこれは多角形系でも同じ原理を適用しうる。

第２１図および１２２図の実施例では、その入射面３は
一定の傾斜方向の光のみを取入れ、本体内での反射は一
定の回転方向に行われ、反対の回転方向をとる光につい
ては作用を奏しない。このような実施例の本体を用いる
場合には、第２３図に示すような人！ｔｈ向選別器１Ｇ
を用いることができる。この選別器１６は第１の透光素
子１６ａおよび第２の透光素子１６ｂを有し、第１の素
ＴｌＧａの入射面１７から任意の方向に入射する尤は、
実線で示す尤については斜面１８で反射して本体２Ｑ１
の方向へ向かい、点線で示ｒ尤については斜面１８を通
り抜けて池の本体２Ｑ２の方向へ向かう。このように種
々の方向で入射する光を方向別に２つの方向に選別器で
選別針ることにより、第２１図およびｆｊＳ２２図の実
施例の本体を任意の方向の入射光の方向変換に用いるこ
とができる。

本発明は、散６Ｌ光、拡散光、大きさをもった光源の各
部からの放射光、方向が変化する尤などを受けて、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ろ。

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、本発明の光の方向変換装置を用いること
により、任、σの異なる方向から釆るある範囲の尤を、
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尤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、単なる透尤物貿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Ｃ■がない。また、本発明の光の方向変換に１
１はその本体を複数または多数組合せて用いることによ
り、さらに有用な効果を得ることができる。

又、こうしてできた光のノｊ向変換Ｖ装置を多段重ねる
こととかつつみ込む等により−／（１合的な有用な効果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の本体の断面図、第２図は同
実施例の斜視図、第３図は第１図の実施例の作ｍ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方
向変換装置の斜視図、第５図はｆｊＳ４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
の他の実施例の斜視図、第９図は本発明のさらに池の実
施例の斜視図、第１０図は本発明の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図は池の補助素子を示す図、
第１３図は！￥Ｓ１２図の一部の拡大図、第１４図はさ
らに池の補助素子を示ｒ図、第１５図は第１４図の一部
の拡大図、第１６Ａし１は１８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１Ｇ
Ｂ図はｆｊＳＩＧＡ図の装置の斜視図、第１７Ａ図は第
１６Ａ図のｖｃ置の変形例のｆｉ１１面図、第１７Ｂ図
は第１７Ａ図の装置の斜視図、ｍｌａＡ図は第１６Ａ図
の装置の変形例の側面図、第１８［３図は第１８Ａ図の
装置の斜視図、第１９図は本発明の他の実施例を示す図
、第２０図はｆｊＳｉ図等の実施例の本体を組合せて用
いる例を示す図、第２１図は本発明の回転形実施例を示
す図、第２２図は他の回転形実施例を示す図、第２３図
は回転形実施例に用いる入射方向選別器を示す図である
。 ２．２Ｍ、２Ｎ、２Ｐ、２Ｑ・・・本体、３・・・光の
入射面、５ａ、　５１Ｊ、５ｃ＋　５ｄ＋　５ｅ、　ｓ
Ｌ　５［１＋５ｂ、５Ｍ、５Ｎ・・・反射面、δ。・・
・＠算用、９．９Ｍ、９Ｎ・・・補助素子、１４・・・
反射板、１６・・・入射方向選別器。 図面の浄書（内容に変更なし）） 第１圓 篤Ｉ３図 第１９図 手続補正書（方式） 昭和６１年２月／２　日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光の入射面を有する光透過性材料の三次元形状の本
   体からなり、二の本体は、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
   射面を有し、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
   次近づけるような形状を備え、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、方向変換された光の取出面とされている
   ことを特徴とする光の方向変換装置。 ２　内部反射光の経路を含む平面による断面形状でみた
   場合、本体の反射面が互いに平行をなさない少なくとも
   ２つの反射面を有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　内部反射光の経路を含む平面による断面形状でみた
   場合、本体の反射面が、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反射面を
   有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　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。 ５　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。