JPS6375704A - 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） 入射方向が漸次変化する光、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、光が入射するノ
ｊ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。しかし、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。

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ｈ゛向を有
する光を、光追尾装置を用いることなく静１［−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
利用し昌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。

（問題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而が、方向変
換された光の取出面とされる。実用的には、１−、配本
体は多数・１１２列状に集めて使用される。

（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ｈ゛向が漸次点」ニリ、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） 次に、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、透明ガラス、透明プラスチック等の光透
過性材料からなる本体２をａしている。この本体２は例
えば第２図に示すようなくさび状板体であって、その一
端縁から他端縁へ向か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。なお、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の先入入射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
１Ｓｉ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ａｌ、ｂ１．ｃｌ。

ｄｉ、ｅｌ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」二の現象を第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５　
ｂ−１−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δ　より人きい時は、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
は点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、光は反射面で全反射され、
反射面に対し光が漸次立つで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て放出される。

いま、本体２を構成する材料の屈折率を０１、本体２を
囲む雰囲気の屈折率をｎ２とすると、ｎｌ・５ｌｎ（δ
　−Δδ）−ｎ２ｓｉｎｚ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２αずつ減少し、入射光は
反射面に対し順次立ってくる。そして、光が臨界角δ　
より小さくなったときに、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
は点Ｐを通って本体２の内部から外部へ抜ける点線で示
す光が臨界角より２αだけ小さい角度で点Ｐへ達し、す
べての外部へ放出されたとすると、ｎｌψ５ｉｎ（δ　
−２（Ｚ）　−ｎ２Ｓ１ｎ　ｘ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、ｎｌ・Ｓ１ｎ　（δ　−
２ａ）　ｍ５ｉｎ　ｘ一８ｉｎ　　（−−ｘ）　−Ｃｏ
ｓ　ｉであるから、 ”ｔ　−Ｃｏｓ　−’　ｔｎ　１　・ＳＩｎ　　（δ　
−２α））となり、 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、 Ｚ−Ｃｏｓ　　Ｉｎ　１　・Ｓｉｎ　　（δ　−４α）
）となり、ｉは益々大きくなる。

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ａ、　　ｂ、　　ｃ、　　ｄ、　　ｅおよび
ａｌ。

ｂｌ、　　　ｃｌ、ｄｉ、ｅｌでは反射面の内部で全反
射がなされ、点ｆおよびｆｌ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
から来る光であり、また反射面５ａ、５ｂ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ｈ゛がよいが、αを小さくすることは全長し
く第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・１に列状
に接して配置し、すべての本体２の入射面３が広い而３
Ａ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、第６図において、本体２を囲む雰囲気が空気で０
２−１であり、また本体２がアクリル樹脂でｎｌ−１，
４９１であると仮定した場合、 ｎｌ・ｓ１ｎδ　−ｎ２＊！３１ｎ９０゜であるから、 １．４９１ψＳ１ｎδ　−１＊５ｔｎ９０゜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 δ　Ｘ２−８４．２４°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の内部への光束の取
入れを容品にする装置を示す。この装置は、ムクの本体
２の材料の使用はをなるべく少くし、重瓜的な面および
経済的な面で６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くてもよい。

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。

また、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って進む。

以１−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ｈ°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の光放出部の外側に断面三角形状の透光性補助
索子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の間の薄い空気層を通って
この補助素子９内へ入った後その反射面１０により少く
とも一回屈折または反射され、光軸にほぼ平行な方向等
に角度交換され放出される。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って漸次法がる方向に
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に接する而に
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図に拡大して示すように本体２よ
り空気層に出た光は光軸に・＋１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は比較的薄い罐数の片
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、多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するのに適し
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ことがで
きる。

その−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、はぼ平行な光に
変換される。

第１＆Ａ、１６Ｂ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、１７Ｂ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　１
８Ａ、１８Ｂ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、凹面の形状と相関的な形
状をもつ光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−０より外
側に向かって、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りでいる。

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、本体２が逆方向に２個並んで配列さ
れ、第１の本体２ａの端面４と第２の本体２ｂの入射面
との間に、透明な接続素子１３が設けられている。第１
の本体２から放出された光は接続素子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。

第２１図に示す実施例の本体２Ｐは、いままで述べた実
施例と異なり、入射面３と反射面５ｃ。

５ｄ、５ｅを有し、さらに入射面３も反射面として機能
している。本体２Ｐは全体的に四角形断面を有し、その
内部に反射板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、非平行の対向
反射面５ｆ、５ｈ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る。第２１図および第
２２図では、本体は四角形をなしているが、四角形以外
の多角形でも同じ作用を得ることができる。

第２１図および第２２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図に示すような入射方向選別器１６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の素子
１６ａの入射面１７から任意のｈ゛向に入射する光は、
実線で示す光については斜面１８で反射して本体２Ｑ１
の方向へ向かい、点線で示す光については斜面１８を通
り抜けて他の本体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
選別することにより、第２１図および第２２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。

なお、本体の全反射部には光が放出される部分を除いて
反射波膜を設けることができる。

第２４図は、第４図および第５図に示すように多数の本
体２を１１ｋ列状に配置した組立体の一部を拡大して示
す原理図である。既に述べたように、ｆｆ：意の本体２
に光入射面３から光りが入射すると、それは本体２内部
で反復的に全反射した後本体２の外へ出る。本体２の外
へ出た光は、入射光りより本体２の長手方向の成分の多
い光に変換されることは前述の通りであるが、この光が
、本体２を出た後それに隣接する他の本体２へ向かって
順次入射していくような方向をもっている場合には、順
次隣接する本体２を透過していくにつれ、第２４図に示
すように、光は本体２の長手方向の成分が漸次減少して
いく。この現象が好ましくないことは明らかである。

このような好ましくない現象を防ぐためには第２５図に
示す構成をとることができる。この構成によれば、同じ
方向に突出する並列状の本体２Ｃの隣接するものの間の
空間に、逆方向に突出する並列状の本体２ｄが相補状態
で挿入される。このような配置により、任意の本体２Ｃ
へ入射面３を経て入射した光りは、本体２Ｃ内で全反射
を繰返した後本体２ｃ外へ出て、直ちに隣接する逆方向
の本体２ｄの内部へ入り、本体２ｄ内で全反射を繰返し
た後、本体２ｄの底面部分を経て放出される。これによ
り、第２４図に示した現象の発生を防ぐことができる。

第２５図に示すように組合せた本体２ｃ、２ｄを角゛す
る組立体の少なくとも−すの表面には、適当な光制御素
子を設けることができる。その例を示す第２６図におい
て、本体２ｃの入射面側の表面にはかまぼこ形レンズ２
０が設けられている。

また、本体２ｄの底面側の表面にはフレネル板２１が設
けられている。これらのレンズ２０およびフレネル板２
１の位置は相互に逆にしてもよいし、一方を省略するこ
とも可能である。また、これらを複数重ねて用いること
もできる。さらにまた、これら以外の他の光制御素子を
設けるこもできる。

いずれにしても、このような光制御素子を設けることに
より、その素子の固ａの機能に応じた光の制御を付加的
に行うことができる。

以１．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、任意の異なるｈ“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、１１ｔ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
装置はその本体を段数または多数組合せて用いることに
より、さらにａ用な効果を得ることができる。

また、こうしてできた光の方向変換装置を多段重ねるこ
ととか、包み込むこと等により一層複合的でａ用な効果
を得ることができる。

本発明は、散乱光、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１＋１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。

【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図の実施例の作用の説明
図、第４図は第２図の本体を多数、１ｌｌｉ列状に設け
た光の方向変換装置の斜視図、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
発明の他の実施例の斜視図、第９図は本発明のさらに他
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ｈ゛向変換装置の側面図、第１６
Ｂ図は第１６Ａ図の装置の斜視図、第１７Ａ図は第１６
Ａ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１６Ａ図の装置の変形
例の側面図、第１８Ｂ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図は第
１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、第２４図は第４図および
第５図に示すように本体を多数並列状に設けた場合に生
ずる現象を説明する図、第２５図は本発明による光の方
向変換装置の他の例を示す拡大断面図、第２６図はさら
に他の例を示す拡大断面図である。 ２．２Ｍ、２Ｎ、２Ｐ、２Ｑ、２ａ、２ｂ。 ２ｃ、２ｄ−・・本体、３・・・光の入射面、５ａ、５
ｂ。 ５ｃ、　　５ｄ、　　５ｅ、　　５ｆ、　　５ｇ、　　
５ｈ、　　５Ｍ。 ５Ｎ・・・反射面、δ０　・・・臨界角、９．　９Ｍ、
　　９Ｎ・・・補助素子、１４・・・反射板、１６・・
・入射方向選別器、Ｌ・・・入射光、２０．２１・・・
光制御素子。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１図 第２図 第３図 第４図 と 第６図 ′　　第７図 第８図　　　　　第９図 第１３図 第１６Ａ図　　　第１７Ａ図　　　　第１８Ａ図第１６
Ｂ図　　　第１７８図　　　　第１８８図第１９図 ゛し 第２３図 第２４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光の入射面および取出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前記取
   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つの反射面部分を有している請求の範囲第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部
   分を有している請求の範囲第１項記載の光の方向変換装
   置。 ４、本体が全体的に底面をもつ錐状をなし、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、他端縁寄り部分が光の取出面とされている
   請求の範囲第１項記載の光の方向変換装置。 ６、本体が、その入射面の部分に入射面へ入射光を導く
   ミラー装置を有している請求の範囲第１項記載の光の方
   向変換装置。 ７、本体がその光の取出面の外側に、取出面から出る光
   の経路を含む平面による断面がほぼ三角形状をなす透光
   性補助素子を有している請求の範囲第１項記載の光の方
   向変換装置。 ８、光の入射面および取出面を有する光透過性材料の三
   次元形状の本体を多数並列状に隣接配置して構成され、
   各本体は、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、臨界角またはそれに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前記取出面とされており、すべて
   の隣接する本体の入射面は共通の面上にあることを特徴
   する光の方向変換装置。 ９、各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、他端縁寄り部分が光の取出面とされてお
   り、隣接する板体は互いに平行に配置されている請求の
   範囲第８項記載の光の方向変換装置。 １０、隣接する板体の間の空間内にそれと相補的な形状
   を有し、板体と実質的に同形状の光透過性材料の部材が
   挿着されている請求の範囲第９項記載の光の方向変換装
   置。 １１、光の入射面により構成される一方の面およびそれ
   と反対側の面の少なくとも一つに光制御素子が設けられ
   ている請求の範囲第１０項記載の光の方向変換装置。 １２、各本体が全体的に底面をもつ錐状をなし、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請求の範
   囲第８項記載の光の方向変換装置。