JPWO2012033132A1 - 集光装置、光発電装置及び光熱変換装置 - Google Patents

集光装置、光発電装置及び光熱変換装置 Download PDF

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Abstract

集光装置は、集光レンズと、集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く集光光学素子とからなり、集光光学素子は、入射光を透過する上面及び上面と対向して延びる下面と、下面に凹設されて上面に向けて延びる反射面を有し入射光を反射する光学構造と、上面及び下面の間を繋ぎ反射面に対向する出射面とを有し、集光レンズを介して上面から入射し反射面により反射した反射光が出射面に導かれるように構成される。

Description

本発明は、光を集光する装置に関し、より詳細には、集光レンズを介して厚さ方向に入射する光を側面方向に集光する集光装置、及びこれを用いた光発電装置並びに光熱変換装置に関する。
近年、ＣＯ2排出量の削減が全世界的に求められ、自然エネルギーの利用が進められている。太陽光のエネルギー利用に関しては、旧来より太陽熱温水器等において太陽光の熱エネルギーが利用されてきた。このほか、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する太陽光発電システムが一般家庭に導入され、大規模な太陽光発電所も各国で実用化段階に入りつつある。
光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルは、光電変換する材料分類上、シリコン系、化合物系、有機系、色素増感系などに分類される。このような材料により構成される一般的な太陽電池のセルは、光エネルギーから電力への変換効率が概ね１０〜２０％程度である。これに対し、太陽光の放射スペクトル範囲を複数の波長帯域に分割し、各波長帯域の光を光電変換するのに最適なバンドギャップの半導体層を複数積層して、光エネルギーから電力への変換効率を４０％程度まで高めた、多接合型（タンデム型、積層型などとも称される）の太陽電池セルが開発されている。
しかし、上記のような高効率の太陽電池セルは極めて高価であり、航空宇宙などの特殊な用途以外では使用することが困難である。そこで、小型のセルに太陽光を集光して入射させることでコストを低減し、高効率で太陽光発電を行う集光型の太陽電池モジュールが考案されている。集光形式として、太陽光をフレネルレンズや反射鏡等により集光して太陽電池セルに直接入射させるレンズ集光型（特許文献１、特許文献２を参照）、太陽光を蛍光粒子が分散された蛍光プレートに入射させ、プレート内で発生した蛍光をプレート側方に導出して集光する蛍光プレート集光型（特許文献３を参照）、ホログラムフィルム及び太陽電池セルが挟み込まれたプレートに太陽光を入射させ、ホログラムフィルムにより回折した光を太陽電池セルに導く分光集光型（特許文献４を参照）などが提案されている。
日本国特表２００５−１４２３７３号公報 日本国特開２００５−２１７２２４号公報 米国特許出願公開第２００６／０１０７９９３号明細書 米国特許第６２７４８６０号明細書
しかしながら、上記各集光方式には長所がある反面、次のような課題もある。例えば、太陽光をフレネルレンズや反射鏡等により集光し、収束光を太陽電池セルに直接入射させる従来のレンズ集光型では、比較的大型のレンズ等と各レンズ等に対応した太陽電池セルが設けられている。このため、レンズ等の焦点距離に応じて装置が大型化するという課題がある。また、多数の太陽電池セルがレンズ等の焦点位置に分散配置されるため装置が複雑化するという課題がある。蛍光プレート集光型や分光集光型は、太陽電池モジュールの光軸方向寸法（厚さ）を小さく（薄く）できるが、波長依存性や変換効率の面で改善すべき余地がある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、太陽光等の光エネルギーを、簡明な装置で効率的に利用可能な新たな集光手段を提供する。
本発明を例示する第１の態様は、集光装置であって、集光レンズと、透明部材により形成され集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く集光光学素子とからなり、集光光学素子は、入射光を透過する上面及び上面と対向して延びる下面と、下面に凹設されて上面に向けて延びる反射面（例えば、実施形態における集光反射面３５）を有し入射光を反射する光学構造と、上面及び下面の間を繋ぎ反射面に対向する出射面とを有し、集光レンズを介して上面から入射し反射面により反射された反射光が出射面に導かれるように構成される。上記説明においては、便宜的に、入射光が入射する面を「上面」とし、この上面に対向して延びる面を「下面」と表記しているが、集光装置の配設姿勢は光が入射する方位等に応じて任意であり、位置や姿勢を規定するものではない。
第１の態様において、反射面は、集光レンズにより所定の収束角度または発散角度で入射した入射光の反射後の拡がり角を抑制する曲面状に形成することが好ましい。また、反射面は、集光レンズにより所定の集束角度または発散角度で入射する光線の最小入射角が、反射面における全反射臨界角以上となるように設定することが好ましい。また、集光レンズの開口数（ＮＡ:numerical aperture）は、集光レンズにより所定の集束角度または発散角度で入射する光線の最小入射角が反射面における全反射臨界角以上となるように設定することが好ましい。また、集光光学素子の屈折率は、集光レンズにより所定の集束角度または発散角度で入射する光線の最小入射角が反射面における全反射臨界角以上となるように設定することが好ましい。また、集光レンズ及び集光光学素子は、集光レンズにより集光される入射光が反射面近傍の下方または上方に焦点を結ぶように配設することが好ましい。
また、集光レンズが複数設けられ、集光光学素子は、各集光レンズに対応して設けられた複数の光学構造を有して一体に形成されるように構成することが好ましい。この場合、集光光学素子は、第１の光学構造の反射面により反射された反射光が、第１の光学構造に隣接して出射面側に形成された第２の光学構造により遮光されずに出射面に向かうように構成することが好ましい。
その手段として、集光光学素子は、第１の光学構造の反射面により反射された反射光が、第１の光学構造に隣接して出射面側に形成された第２の光学構造の側方を通って伝播するように構成することが好ましい。また、集光光学素子は、第１の光学構造の反射面により反射された反射光と、第２の光学構造の反射面により反射された反射光とが、第２の光学構造に隣接して出射面側に形成された第３の光学構造の同じ側の側方を通って伝播するように構成することが好ましい。また、集光光学素子は、第１の光学構造の反射面により反射された反射光と、第２の光学構造の反射面により反射された反射光とが、第２の光学構造に隣接して出射面側に形成された第３の光学構造を挟んで反対側の側方を通って伝播するように構成することが好ましい。また、集光光学素子は、第１の光学構造の反射面により反射された反射光が、第１の光学構造に隣接して出射面側に形成された第２の光学構造の上方を通って伝播するように構成することが好ましい。また、これらを組み合わせることもできる。また、集光光学素子は、反射面と出射面とを結ぶ方向の大きさが上面および下面を結ぶ厚さ方向の大きさに対して充分に大きいプレート状またはシート状に形成することが好ましい。
本発明を例示する第２の態様は光発電装置である。この態様の光発電装置は、第１の態様の集光装置と、集光装置により出射面に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。
本発明を例示する第３の態様は光熱変換装置である。この態様の光熱変換装置は、第１の態様の集光装置と、集光装置により出射面に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えて構成される。
本発明の第１の態様の集光装置は、集光レンズを介して上面から入射し反射面により拡がり角が抑制された反射光が出射面に導かれるように構成される。従って、このような態様の集光装置によれば、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することができる。
本発明の第２の態様の光発電装置は、上記のような集光装置と、集光装置により集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。このため、薄型かつ簡明な構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な光発電装置を提供することができる。
本発明の第３の態様の光熱変換装置は、上記のような集光装置と、集光装置により集光された光を光電変換する光熱変換素子とを備えて構成される。このため、薄型かつ簡明な構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な光熱変換装置を提供することができる。
図１は、本発明の態様を例示する光発電装置の外観斜視図である。 図２は、上記光発電装置における集光装置の原理を説明するための概念図である。 図３は、上記集光装置において集光レンズにより集光されて入射する入射光と、光学構造の集光反射面との関係を説明するための説明図（側面図）である。 図４は、入射パラメータを変化させたときのシミュレーションデータである。 図５は、集光光学素子を斜め上方から見た斜視図である。 図６（ａ）は、上記集光光学素子における光学構造の拡大斜視図である。図６（ｂ）は、上記集光光学素子における横パス方式の集光光学素子における第１構成例の集光光学素子による反射光の配向構成を示す概念図である。図６（ｃ）は、上記集光光学素子における第２構成例の集光光学素子による反射光の配向構成を示す概念図である。 図７は、縦パス方式の集光光学素子の構成を例示する概念図である。 図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図８（ｃ）はそれぞれ、ｘ軸に沿って形成された複数の各光学構造がｚ軸回りに回転されていない状態の集光光学素子において、単位光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。図８（ｄ）は、ｘ軸に沿って形成された複数の各光学構造がｚ軸回りに回転されていないの集光光学素子において、１行分の複数の光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。 図９は、上記実施例の集光光学素子における、全ての光学構造での導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。 図１０（ａ）、図１０（ｂ）、及び図１０（ｃ）はそれぞれ、ｘ軸に沿って形成された複数各光学構造がｚ軸回りに微小角度回転されている状態の横パス方式の集光光学素子において、単位光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。図１０（ｄ）は、ｘ軸に沿って形成された複数の各光学構造がｚ軸回りに微小角度回転されている状態の横パス方式の集光光学素子において、１行分の複数の光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。 図１１は、上記横パス方式の集光光学素子における、全光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。 図１２は、ＰＭＭＡにおける波長と屈折率との関係を示す表である。 図１３は、太陽光の放射スペクトル分布を表すグラフである。 図１４は、縦パス方式の集光光学素子における、単位光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。 図１５は、縦パス方式の集光光学素子における、単位光学構造による導光状態を光線追跡したシミュレーション結果である。 図１６は、他の構成例の集光光光学素子におけるシミュレーション結果である。 図１７（ａ）は、光学構造の他の構成例を示す部分拡大図である。図１７（ｂ）は、光学構造の他の構成例を示す側面図である。 図１８は、集光光学素子からの光エネルギーの取り出し手法を例示する概念図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様を例示する光発電装置ＰＶＳの外観斜視図を図１に示す。また、光発電装置ＰＶＳにおける集光装置１の原理を説明するための概念図を図２に示す。説明を明瞭化するため、相互に直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し、これを図１中に示す。ｚ軸は光発電装置ＰＶＳにおける集光装置１の厚さ方向に延びる軸、ｘ軸は集光装置１により集光されて導出される光の導出方向に延びる軸、ｙ軸はこれらの２軸と直交する方向に延びる軸である。説明の便宜上から、図２に示す姿勢をもって上下左右ということがあるが、光発電装置ＰＶＳの配設姿勢は光の入射方位に応じて任意であり、位置や姿勢を規定するものではない。
［光発電装置の概要］
装置全体の概要を把握するため、まず光発電装置ＰＶＳの全体構成について概要説明する。光発電装置ＰＶＳは、入射する光を集光する集光装置１と、集光装置１により集光されて端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子５とを備えて構成される。集光装置１は、上方から入射する光（例えば太陽光）を集光する集光レンズ１０と、透明部材により形成され集光レンズ１０により集光されて入射する入射光を導く集光光学素子２０とを備えて構成される。集光レンズ１０及び集光光学素子２０は、各々、例えば光学ガラス等の無機材料やＰＭＭＡ等の樹脂材料を用いて作製される。
図１に示す構成形態は、複数の集光レンズ１０をｘ軸方向及びｙ軸方向に複数行×複数列（ｍ行×ｎ列、ｍ及びｎは自然数）並べてマトリクス状に配設し、レンズアレイを形成した構成を示す。レンズアレイは複数の集光レンズ１０をマトリクス状に一体成形して構成し、あるいは個々に形成した集光レンズ１０を枠体等にマトリクス状に配置固定して構成することができる。
集光光学素子２０は、集光レンズ１０により集光されてｚ軸方向に入射する入射光を反射する光学構造を有し、素子内に入射した光をｘ軸方向に導くように構成される。図１に示す構成形態は、複数の集光レンズ１０（１０11，１０12，…１０m1，１０m2，…１０mn）により集光入射する各入射光に対応する複数（ｍ行×ｎ列）の光学構造を有し、一体のプレート状に形成した構成例を示す（図５を参照）。光電変換素子５は、公知の種々の素子を用いることができ、例えば、前述した種々の形態の太陽電池セルを用いて構成することができる。
［集光装置の基本構成］
図２は、集光装置１の基本構成を説明するための模式図であり、集光レンズ１０により集光されて集光光学素子２０に入射した光が、集光光学素子の内部に形成された光学構造３０の集光反射面３５により反射されて素子内を伝播する様子を模式的に描いている。
集光光学素子２０は、集光レンズ１０により集光されて基材２１に入射する入射光を透過する上面２２と、上面に対向して平行に延びる下面２３と、下面２３に凹設されて上面に向けて延びる集光反射面３５を有し入射光を反射する光学構造３０と、上下面の間を繋ぎ集光反射面に対向する出射面２５とを有して構成される。集光光学素子２０は、透明なプレート状ないしシート状の基材２１の下面に光学構造３０が形成されて構成される。
光学構造３０は、基材２１の下面２３に凹設された窪み状の構造体（換言すれば、下面２３から基材２１の内方に突出する突起状の中空構造体）である。光学構造３０を斜め上方から見た斜視図を図３中に示した通り、光学構造３０は、基材２１の下面２３から斜め上方に延びる集光反射面３５、基材２１の下面２３から上方に延びて集光反射面３５と繋がる背面３６、基材２１の下面２３から上方に延び集光反射面３５と背面３６とを繋ぐ側面３２，３３などから構成される。
集光反射面３５は、集光レンズ１０により所定の集束角度または発散角度で入射する入射光の反射後の拡がり角を抑制する曲面状に形成される。集光反射面３５に入射する入射光は、集光レンズ１０の焦点距離ｆや有効径Ｒ、基材２１の屈折率ｎ、集光反射面３５と集光レンズ１０の焦点位置との位置関係などによって定まる所定の集束角度または発散角度で入射する。所定の集束角度または発散角度は、集光レンズ１０の開口数ＮＡ（ＮＡ＝ｎsinθNA：θNAは集光反射面３５に入射する光線の入射光軸ＬＡに対する最大角）によって定まり、その大きさは２θNAである。
集光反射面３５に入射する入射光が集束光となるのは、集光レンズ１０の焦点位置が集光反射面３５の下方に位置する場合である。また、入射光が発散光となるのは、集光レンズ１０の焦点位置が集光反射面３５の上方に位置する場合である。集光反射面３５は、このように所定の集束または発散角度で入射する入射光の反射後の拡がり角を抑制するような形状に形成される。
［集光光学素子の詳細構成］
本実施形態においては、図３に示すように、入射光の焦点位置を集光反射面３５よりも下方に設定して集束光を入射させる形態とし、集光反射面３５を曲率半径ｒの球体の一部を切り出した上方に凸の曲面とした構成とする。この構成により、集光レンズ１０を介して上面２２から基材２１内に入射し、所定の集束角度２θNAで集光反射面３５に入射した入射光が、集光反射面３５により２θNAよりも小さい拡がり角に抑制された反射光となって集光光学素子２０内を伝播し、出射面２５に導かれる。
なお、図３は、直径Ｒ、焦点距離ｆの集光レンズ１０の焦点位置を座標位置（０，０，０）の原点とし、この原点に対して集光反射面３５を形成する曲率半径ｒの球体の球心位置が（ｘ，ｙ，ｚ）となるように、高さｔの光学構造３０が形成された厚さｄの集光光学素子２０を焦点位置からｈの高さに配置した状態を示している。
ここで、集光レンズ１０を介して集光反射面３５に集束入射する入射光に関して、入射光軸ＬＡ上（集光レンズ１０の中心）を通って集光反射面３５に入射する光線ｂの入射角（便宜的に「光軸入射角」という）θLAと、入射光軸ＬＡから離れた位置（集光レンズの外周部）を通って集光反射面３５の上部に入射する光線ａの入射角と、集光反射面３５の下部に入射する光線ｃの入射角とがそれぞれ異なった角度になる。
集光光学素子２０の構成を簡明化し集光反射面３５において高い反射効率を得るためには、基材２１と大気層との屈折率差を利用して集光反射面３５で全反射させることが望ましい。また、集光反射面３５により反射された反射光を基材２１の下面２３（または上面２２）に入射し、基材２１の上面および／または下面で全反射させて素子内を出射面２５に導光しようとするために、集光反射面３５で反射された反射光ａ′，ｂ′，ｃ′全てについて、基材２１の下面２３及び上面２２への入射角が全反射臨界角以上となるように構成しても良い。
集光光学素子２０では、集光反射面３５に集光入射する光線の最小入射角が、集光反射面３５の全反射臨界角以上となるように設定される。すなわち集光レンズ１０の開口数ＮＡ、基材２１の屈折率ｎ、集光反射面３５の位置形状（球面の曲率半径ｒ及び前述した集光レンズの焦点位置（０，０，０）に対する球心の位置（ｘ，ｙ，ｚ））などのパラメータ（以下、「入射パラメータ」という）により、集光反射面３５に入射する光線の最小入射角が全反射臨界角以上になるように設定される。
具体的には、基材２１の屈折率ｎ及び集光レンズ１０の開口数ＮＡを所定値とし、集光レンズ１０により所定の集束角度で入射する光線の最小入射角が集光反射面３５における全反射臨界角以上となるように、集光反射面３５の位置形状を設定することができる。
また、基材２１の屈折率ｎ及び集光反射面３５の位置形状を所定値とし、所定の集束角度で入射する光線の最小入射角が集光反射面３５における全反射臨界角以上となるように、集光レンズ１０の開口数ＮＡ（一般的には、集光レンズ１０の焦点距離ｆ及び有効径Ｒ）を設定することができる。あるいは、集光レンズ１０の開口数ＮＡ及び集光反射面３５の位置形状を所定値とし、所定の集束角度で入射する光線の最小入射角が集光反射面３５における全反射臨界角以上となるように、基材２１の屈折率ｎを設定すること、具体的には基材２１の材質や基材にドープする添加物等を選択することにより設定することができる。
さらに、集光光学素子２０では、集光反射面３５により拡がり角が抑制されて反射され、下面２３及び上面２２に入射する光線の最小入射角が、これらの面における全反射臨界角以上となるように設定される。これらについても、上述した入射パラメータにより、集光反射面３５から上下面に入射する光線の最小入射角が全反射臨界角以上になるように設定される。従って、集光反射面３５の位置形状、集光レンズ１０の開口数ＮＡ、集光光学素子２０の屈折率ｎ等の入射パラメータは、集光反射面３５、上面２２及び下面２３において全反射の条件を満たすように設定される。
入射パラメータの具体的な設定は、光学設計者に広く用いられている光線追跡ツールを利用したシミュレーションに基づいて行われる。発明者らは、集光装置１について鋭意研究を進め、数万にわたる入射パラメータの組合わせの中から集光装置１の使用目的（用途及び機能）に応じて好適な構成が存在することを確認した。
例えば、下記共通条件の下で光線追跡のシミュレーションを行った。これは、集光装置１により太陽光を集光する場合の条件例である。
・集光レンズ１０の焦点距離：ｆ＝３０mm、集光レンズ１０の直径：Ｒ＝１０mm
・集光レンズ１０に入射する光の波長：λ＝３５０〜１１００nm（図１３を参照）
・基材２１の屈折率：ｎ＝１．４８〜１．５１（図１２を参照）
・基材２１の厚さ：ｄ＝１．０mm
上記共通条件で行った光線追跡のシミュレーション結果の一部を図４（ａ）〜（ｃ）に例示する。図４は、集光反射面３５の球面の曲率半径ｒが８mmの場合について、光軸入射角θLAを４０〜６５度の範囲で０．５度ピッチで変化させ、集光光学素子２０の焦点位置からの高さｈを０．１mmピッチで変化させ、入射光線の角度を光軸ＬＡ方向（０度）を中心に±０．５度変化させて行った光線追跡のシミュレーション結果から、図４（ａ）は光軸入射角度θLA＝４４度の場合、図４（ｂ）は光軸入射角度θLA＝５１度の場合、図４（ｃ）は光軸入射角度θLA＝６０度の場合の３つの場合を示したしたものである。なお、図示したシミュレーション結果において、入射光線はいずれも光軸ＬＡに平行である。
各図における横軸は、前述した原点（０，０，０）に対する集光反射面３５の球心位置（ｘ、ｙ、ｚ）のｚ軸座標値（mm）である。各図における左側の縦軸は、集光反射面３５に入射した全光線に対する出射面２５に到達する光線の割合であり、黒塗り四角のプロットデータが対応する。各図における右側の縦軸は、入射光軸ＬＡから出射面２５までのｘ軸方向の距離をＬ＝１００mmとしたときに、出射面２５に到達した全光線のうち、中央の７０％の光線が含まれるｙ軸方向の幅であり、白抜き丸印のプロットデータが対応する。
発明者らは、集光反射面３５の球面の曲率半径ｒを１〜３０mmの範囲で変化させて上記と同様のシミュレーションを行った。その結果、光軸入射角θLAは、θLA＝４９〜５４度とすることが好ましい。光軸入射角が上記範囲よりも小さい領域及び大きい領域では、集光光学素子２０に入射した入射光の全光線量を１００としたときに、出射面２５から出射される光の全光線量が１００、すなわち集光効率１００％を満たす球心位置の範囲が狭くなり、球心位置が上記範囲から大きく外れると集光効率が低下するからである。光軸入射角がθLA＝４９〜５４度の範囲では、上述の例のように、広い球心位置範囲について集光反射面３５及び上下面２２，２３の両方で安定的に全反射させることができ、集光効率１００％を安定的に達成することができる。
集光反射面３５の曲率半径ｒはｒ＝５〜２０mmとすることが望ましい。上記範囲よりも曲率半径ｒが小さいと、集光効率が最大値でも１００％未満になる。また、上記範囲よりも曲率半径ｒが大きいと、集光反射面３５で反射された光の拡がり角が大きくなり、例えば、隣接する光学構造に遮られる確率が高くなる。集光反射面３５の曲率半径をｒ＝５〜２０mmとすれば、集光反射面３５で反射された光の拡がり角を抑制して出射面２５から出射される光の拡がり幅を抑制し、集光効率を高めることができる。
例示した上記共通条件下において、集光反射面３５の曲率半径ｒを５〜２０mmとし、光軸入射角θLAを４９〜５４度とした構成とすれば、上述の例のように、集光レンズ１０を介して集光光学素子２０に集光入射した入射光が、集光反射面３５、上面２２及び下面２３で全反射され、狭い広がり幅で出射面２５から出射される。出射面２５は、端面が研磨されて反射防止（ＡＲ）コートが施されており、集光光学素子２０内を伝播して出射面２５に入射した光が、出射面２５で反射されることなく出射して光電変換素子５に入射する。そのため、光を集光光学素子２０内に閉じ込める効率が高く、高い集光効率で出射面２５に集光する集光光学素子２０を得ることができる。
基材２１の屈折率ｎは、一般的に、透過する光の波長λによって変化する。そのため、集光しようとする光の波長λが幅を持つ場合に、短波長側の光の焦点位置と長波長側の光の焦点位置は一般的に異なり、焦点位置が波長帯域の広さに応じた幅を持つ。光集光装置１においては、入射光の波長を太陽光の放射スペクトルに応じてλ＝３５０〜１１００nmとし、集光レンズ１０として、ｄ線において波面収差が小さくなるように設計した非球面レンズを用いるとともに、集光反射面３５に入射する入射光のビームスポット径（対角）が０．７１〜１．５mm程度となるように設定している。
このような構成により、集光反射面３５の幅及び高さを小型化することができ、これにより集光光学素子２０の厚さを最小化することができる。入射光の波長帯域が狭い場合や色収差を補償可能な場合には、入射光の焦点位置を集光反射面３５の直上に合わせてスポットサイズを最小値に設定することができる。焦点位置における入射光のパワー密度等に応じて、適宜デフォーカスするように構成しても良い。
以上では、集光反射面３５に所定角度の集束光を入射させる場合について説明したが、入射光の焦点位置を集光反射面３５よりも上方に設定して集光反射面３５に発散光を入射させるように構成しても良い。この場合には、集光反射面３５を曲率半径ｒの球体の一部を切り出した上方に凹の曲面とすれば良い。また、説明簡明化のため集光反射面３５を球面とした構成を示したが、各種の収差を抑制するために集光反射面３５を非球面としても良い。また、集光反射面３５においては屈折率差を利用した全反射する構成を説明したが、集光反射面３５に、例えばＡｕ，Ａｇ，Ａｌ等の金属を蒸着したミラーとして入射光を反射させることもできる。なお、集光レンズ１０に入射する光が単一波長の平行光の場合には、集光反射面３５に入射する集束光または発散光を平行光にコリメートする構成とすることも可能である。
［複数の集光レンズ及び光学構造からなる集光装置の構成］
次に、複数の集光レンズ１０と、各集光レンズ１０に対応する複数の光学構造３０とからなる集光装置１について説明する。このとき、各々独立した集光レンズ１０と光学構造３０を有する集光光学素子２０とを複数対組み合わせて構成することができる。
複数の集光レンズ１０、及び集光光学素子２０の少なくともいずれかを、一体化した構成とすれば、集光装置１の構成を簡明化することができる。例えば、ｍ行×ｎ列の集光レンズ１０からなる１枚のレンズアレイと、これに対応したｍ行×ｎ列の光学構造３０を有する１枚の集光光学素子２０とにより集光装置１を構成すれば、生産コストや組み立てコスト、調整コスト等を大幅に低減することができる。集光レンズ１０のレンズアレイ及び集光光学素子２０は、例えば、低融点ガラスを用いたホットプレス成形や、ＰＭＭＡ等の樹脂を射出成形して構成することができ、良好な生産性で低コストに生産することができる。
基材２１に複数の光学構造３０を形成する場合、各光学構造の集光反射面３５で反射された反射光が各々出射面２５に到達するように構成することが望ましい。以下に例示する構成形態の集光光学素子２０（２０Ｓ，２０Ｖ）は、複数の光学構造３０を第１の光学構造、第２の光学構造、第３の光学構造…としたときに、第１の光学構造の反射面で反射された反射光が、第１の光学構造に隣接して出射面側に形成された第２の光学構造により遮光されずに出射面２５に向かうように構成される。
第１構成形態の集光光学素子２０Ｓ（２０Ｓ1，２０Ｓ2）は、第１の光学構造の反射面により反射された反射光が、第１の光学構造に隣接して出射面側に形成された第２の光学構造の側方を通って伝播するように構成される。以下、このような反射光の配向方式を、便宜的に「横パス方式」という。
図５に第１構成形態の集光光学素子２０Ｓを斜め上方から見た斜視図を示す。また、図６（ａ）に本構成形態における光学構造の拡大斜視図、図６（ｂ）に本構成形態における第１構成例の集光光学素子２０Ｓ1による反射光の配向構成（平面視の概念図）、図６（ｃ）に本構成形態における第２構成例の集光光学素子２０Ｓ2による反射光の配向構成（平面視の概念図）を示す。なお、図６（ｂ）及び図６（ｃ）では、基材２１の下面側に、集光レンズに対応した１０行×１０列（Ｂ１〜Ｂ１０行×Ａ１〜Ａ１０列）の光学構造３０をマトリクス状に形成した形態を例示し、基材２１を透過して上面２１側から視認される各光学構造３０を実線で示している。
横パス方式に含まれる第１構成例の集光光学素子２０Ｓ1は、例えばＢ５行の各光学構造３０，３０，…による反射光の配向方向を図６（ｂ）に示すように、Ａ１列の第１の光学構造３０の反射面により反射された反射光と、Ａ２列の第２の光学構造３０の反射面により反射された反射光とが、第２の光学構造に隣接して出射面２５側に形成されたＡ３列の第３の光学構造３０の同じ側（図において上側）の側方を通って伝播するように構成される。
具体的には、図６（ａ）に示す光学構造３０を、各々ｚ軸回りに同一方向に微小角度αだけ回転させた状態に形成し、各集光反射面３５により反射された反射光がｘ軸に対して微小角度α傾斜して出射面２５から出射するようにして構成することができる。微小角度αは、集光反射面３５により反射された反射光の拡がり角度と、隣接する光学構造の配設ピッチとに基づいて設定することができる。
図６（ｂ）では、Ｂ１〜Ｂ１０行とＡ１〜Ａ１０列とが直交する正方行列状に形成した構成例を示したが、Ｂ１〜Ｂ１０行を微小角度αだけ傾けて（例えば図６（ｂ）においてＢ１〜Ｂ１０行の右端側を微小角度αだけ下傾して）形成し、各集光反射面３５により反射された反射光がｘ軸に沿って出射面２５から出射するように構成しても良い。
横パス方式に含まれる第２構成例の集光光学素子２０Ｓ2は、例えばＢ５行の各光学構造３０，３０，…による反射光の配向方向を図６（ｃ）に示すように、Ａ１列の第１の光学構造３０の反射面により反射された反射光と、Ａ２列の第２の光学構造３０の反射面により反射された反射光とが、第２の光学構造に隣接して出射面２５側に形成されたＡ３列の第３の光学構造３０を挟んで反対側（図において上側と下側）の側方を通って伝播するように構成される。
具体的には、図６（ａ）に示す光学構造３０を、ｚ軸回りに順次反対方向に微小角度βだけ回転させた状態に形成し、各集光反射面３５により反射された反射光がｘ軸を挟んで微小角度β傾斜して出射面２５から出射するようにして構成することができる。微小角度βは、上述した微小角度αと同様に、集光反射面３５により反射された反射光の拡がり角度と、隣接する光学構造の配設ピッチとに基づいて設定することができる。一方、本構成例によれば隣接する行間のピッチを狭めることができる。
以上の横パス方式の集光光学素子２０Ｓによれば、多数の光学構造３０，３０，…が基材２１に一体に形成され、各々光学構造の集光反射面３５，３５，…により拡がり角が抑制された反射光が隣接する光学構造により遮光されることなく側方を通って出射面２５に導出される。このため、薄型で集光効率が高い集光光学素子を得ることができる。
次に、第２構成形態の集光光学素子２０Ｖについて、図７を参照して説明する。図７は、基材２１に複数の光学構造３０，３０…がマトリクス状に設けられた集光光学素子２０Ｖにおいて、任意の１行についてｙ軸方向から見たｘ−ｚ断面の概念図である。
第２構成形態の集光光学素子２０Ｖは、第１の光学構造３０の反射面により反射された反射光が、第１の光学構造に隣接して出射面２５側に形成された第２の光学構造３０の上方を通って伝播するように構成される。以下、このような反射光の配向方式を、便宜的に「縦パス方式」という。
すなわち、第１の光学構造３０の集光反射面３５により拡がり角が抑制されて反射された反射光が、下面２３及び上面２２で順次全反射されて出射面２５に伝播する過程において、出射面側に隣接する第２の光学構造３０の上方を通って出射面方向に伝播するように構成される。
このとき、出射面２５に到達するまでに基材２１内でどの様な経路を伝播させるかは、種々の構成形態があり、適宜な構成を採用することができる。例えば図７に示すように、各行に並んだ光学構造３０，３０，…をひとつひとつ順次乗り越えるようにジグザグ状に伝播させる形態のほか、複数の光学構造をひとまとめにして乗り越え上下面での反射回数を低減して伝播させる形態などがあり、光学構造３０の列数や配設ピッチ、集光反射面３５による反射光の拡がり角、集光光学素子２０Ｖの厚さなどに応じて適宜設定することができる。
このような縦パス方式の集光光学素子２０Ｖによれば、多数の光学構造３０，３０，…が基材２１に一体に形成され、各々光学構造の集光反射面３５，３５，…により拡がり角が抑制された反射光が隣接する光学構造により遮光されることなく上方を通って出射面２５に導出される。このため、簡明な構成で集光効率が高い集光光学素子を得ることができる。
以上説明した横パス方式と縦パス方式とを適宜組み合わせて集光光学素子を構成しても良い。また、集光反射面３５の曲率半径を、集光光学素子２０における光学構造３０の形成位置（例えば列位置や行位置等）に応じて異なる曲率半径としてもよい。
太陽光を集光装置１によって集光する場合について具体的に説明する。図８〜図１１は、１００×１００mm、厚さｄ＝１mmのＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）製の基材２１の下面側に、１０行×１０列（Ｂ１〜Ｂ１０行×Ａ１〜Ａ１０列、図６を参照）の光学構造３０を形成した集光光学素子２０について、下記共通条件のもとで、波長３５０〜１１００nmの太陽光を入射して光線追跡したシミュレーション結果である。ＰＭＭＡの屈折率としては図１２に示す表の値を直線補間したものを用い、入射光のスペクトル密度は太陽光スペクトルに基づいて図１３に示すものとした。
・集光レンズ１０の焦点距離：ｆ＝３０mm、集光レンズ１０の直径：Ｒ＝１０mm
・集光レンズ１０に入射する光：入射光軸ＬＡに平行・集光反射面３５を形成する球面の曲率半径：ｒ＝８mm
・集光反射面３５を形成する球面の球心座標位置（ｘ、ｙ、ｚ）：（6.13，0，-3.84）
図８及び図９は、ｘ軸に沿って形成された光学構造３０，３０，…について、各光学構造３０をｚ軸回りに回転させない状態に形成した集光光学素子についての光線追跡シミュレーション結果である。図１０及び図１１はｘ軸に沿って形成された光学構造３０，３０，…について、各光学構造３０をｚ軸回りに同一方向に微小角度α＝２．８６度だけ回転させた状態となるように形成した集光光学素子（前述した横パス方式の集光光学素子２０Ｓ1）についての光線追跡シミュレーション結果である。また、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）及び図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれＡ１，Ａ６，Ａ１０の各列位置の光学構造３０に入射した光線を各々追跡したシミュレーション結果であり、図８（ｄ）及び図１０（ｄ）は、それぞれＡ１〜Ａ１０の全ての光学構造３０，３０，…に入射した全光線を追跡したシミュレーション結果である。
図９及び図１１は、１０行×１０列の１００か所の光学構造３０全てに太陽光を集光入射したときの光線追跡シミュレーション結果である。図９及（ａ）及び図１１（ａ）は、それぞれ側面視における光線追跡シミュレーション結果である。、図９（ｂ）及び図１１（ｂ）は、それぞれ平面視における光線追跡のシミュレーション結果、図９（ｃ）及び図１１（ｃ）は、それぞれ出射面２５のｙ軸方向の位置に対する出射光線の光線本数の分布をプロットしたシミュレーション結果である。
図８（ａ），（ｂ），（ｃ）及び図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）によれば、各列位置の光学構造３０（集光反射面３５）に入射した入射光のうち出射面２５に到達する光線本数の割合は、出射面２５に近い（列番号が大きい）下流側の列ほど高く、出射面２５から離れた（列番号が小さい）上流側の列ほど低いことがわかる。
具体的には、Ａ１０列の光学構造３０の集光反射面に入射した入射光は、光学構造３０がｚ軸方向に回転されているか否かにかかわらず入射光の全光量が出射面２５から出射する。これは、Ａ１０列よりも下流側（出射面側）に他の光学構造３０が存在しないためである。一方、Ａ６列やＡ１列のように当該列の光学構造よりも出射面２５側に他の光学構造３０が存在する場合には、集光反射面３５に入射した入射光が出射面２５から出射する割合が低下する。これは、各列の光学構造の集光反射面で反射した反射光の一部が、下流側（出射面側）に存在する他の光学構造３０に入射して、集光光学素子２０から外部に出射（漏出）することによると考えられる。
Ａ６列の光学構造３０に関する図８（ｂ）と図１０（ｂ）を対比し、また、Ａ１列の光学構造３０に関する図８（ａ）と図１０（ａ）を対比すると次のことが明らかである。すなわち、光学構造３０をｚ軸回りに微小角度α＝２．８６度回転させた状態として、各列の光学構造３０の集光反射面３５により反射された反射光が、隣接する光学構造３０の側方を通るようにした横パス方式の方が、出射面２５から出射する光線本数の割合が高く、何れの列においても集光効率が９０％以上になっている。
図８（ｄ）と図１０（ｄ）を対比すると、Ｂ５行全体で、集光光学素子に入射する入射光の光線本数に対する出射面２５から出射する出射光の光線本数の割合、すなわち集光光学素子に入射した太陽光の全光線量を１００としたときに出射面２５から出射される光の全光量は、光学構造３０をｚ軸回りに回転させない状態で配置した集光光学素子の場合が９１．０（すなわち、集光効率が９１．０％）であるのに対し、各光学構造３０をｚ軸回りに微小角度α＝２．８６度回転させた状態で配置した集光光学素子の場合には集光効率が９４．５％になっている。また、図９（ｃ）と図１１（ｃ）を対比すると、１０行×１０列の集光光学素子全体での集光効率は、光学構造３０をｚ軸回りに回転させない状態で配置した集光光学素子の場合には集光効率が９１．３％であるのに対して、光学構造３０をｚ軸回りに微小角度α＝２．８６度回転させた状態で配置した集光光学素子の場合には集光効率が９４．７％である。
太陽の視直径や製造誤差等を考慮して、集光レンズ１０への入射光が光軸ＬＡに対して±０．５度（角度幅±０．５度）の範囲に均一に分布すると仮定した場合、図８（ｄ）の構造の集光効率は８３．５％、図１０（ｄ）の構造の集光効率は８６．２％であった。
以上の説明より、光学構造３０が出射面２５方向（ｘ軸方向）に複数設けられる集光光学素子において、各列の光学構造の集光反射面３５により拡がり角が抑制されて反射された反射光が、隣接する光学構造３０の側方を通って出射面に向かうように構成した横パス方式とすることにより、集光光学素子２０の集光効率が高められることが理解される。
前述した縦パス方式の集光光学素子について、実施例を示す。
［実施例１］
図１４は、１００mm×１００mm、厚さｄ＝５mmのＰＭＭＡ製の基材２１の下面側に、１０行×１０列（Ｂ１〜Ｂ１０行×Ａ１〜Ａ１０列）の光学構造３０を形成した集光光学素子２０Ｖについて、下記条件のもとで、波長３５０〜１１００nmの太陽光を［Ｂ５行，Ａ１列］の光学構造３０に入射し、光線追跡したシミュレーション結果である。ＰＭＭＡの屈折率及び入射波長は前述した実施例と同様である（図１２，図１３を参照）。
・集光レンズ１０の焦点距離：ｆ＝３０mm、集光レンズ１０の直径：Ｒ＝１０mm
・集光レンズ１０に入射する光：入射光軸ＬＡに平行
・集光反射面３５を形成する球面の曲率半径：ｒ＝１２mm
・集光反射面３５を形成する球面の球心座標位置（ｘ、ｙ、ｚ）：（9.4，0，-7）
図１４（ａ）は集光光学素子２０Ｖをｙ軸方向から見たｘ−ｚ平面の断面図、図１４（ｂ）は集光光学素子２０Ｖをｚ軸方向から見たｘ−ｙ平面の平面図である。図１４（ａ）にはＡ１〜Ａ１０列の光学構造３０，３０，…の形成位置を矢印で示しており、ｙ軸方向に広がりつつ出射面２５に向けて伝播するＡ１列の反射光のうち、ｘ軸に沿った中央部の反射光を遮る光学構造の列を白抜き矢印で示している。
［実施例２］
上記縦パス方式の集光光学素子において、集束光が入射する光学構造の反射面を平面とし、［Ｂ５行，Ａ１列］の光学構造に略同様の光軸入射角で集光入射した場合のシミュレーション結果を図１５（ａ）、（ｂ）に示す。集光レンズ１０の焦点距離ｆや集光レンズ１０の直径Ｒ、基材２１の屈折率ｎ、入射光の波長λや角度幅などの条件は図１４と共通である。反射面は、傾斜角を４９度、下面２３への投影形状を１ｍｍ×２ｍｍとした。

実施例１において、光学構造が１個の場合の集光効率はほぼ１００％、光学構造が１０個（１行）の場合で１×１０のレンズアレイにより全ての光学構造にそれぞれ集光した場合の集光効率は９９．０％であった。また、入射光の角度幅を±０．５度としたときの集光効率はそれぞれ９１．４％、８９．８％となった。
実施例２においては、光学構造が１個の場合の集光効率はほぼ１００％、光学構造が１０個（１行）の場合で１×１０のレンズアレイにより全ての光学構造にそれぞれ集光した場合の集光効率は９４．５％であった。また、入射光の角度幅を±０．５度としたときの集光効率はそれぞれ９７．６％、９０．１％となった。
図１４及び図１５についてのシミュレーション結果から、１×１０のレンズアレイにより全ての光学構造にそれぞれ集光した場合の集光効率は、反射面が平面の場合に比べて曲面の場合が高い。このことは、反射面３５が平面の場合に比べて曲面の場合では、出射面２５に向けて伝播する反射光のうち、ｘ軸に沿った中央部の反射光が出射面側（下流側）に位置する他の光学構造に遮られることを示す白抜き矢印の列数が少ないことからもわかる。
［実施例３］
図１４と同様に、１００mm×１００mm、厚さｄ＝５mmのＰＭＭＡ製の基材２１の下面側に、１０行×１０列（Ｂ１〜Ｂ１０行×Ａ１〜Ａ１０列）の光学構造３０を形成した集光光学素子について、下記条件のもとで、波長３５０〜１１００nmの太陽光を［Ｂ５行，Ａ１列］の光学構造３０に入射し、光線追跡したシミュレーションを行う。ＰＭＭＡの屈折率及び入射波長は前述した実施例と同様である（図１２，図１３を参照）。
・集光レンズ１０の焦点距離：ｆ＝３０mm、集光レンズ１０の直径：Ｒ＝１０mm
・光学構造の大きさ：ｘ、ｙ、ｚ方向共に１ｍｍ
・集光反射面３５を形成する球面の曲率半径：ｒ＝１２mm
・集光反射面３５を形成する球面の球心座標位置（ｘ、ｙ、ｚ）：（9.4，0，-7）
上記条件で光学構造が１０個（１行）の場合で１×１０のレンズアレイにより全ての光学構造にそれぞれ集光した場合のシミュレーション結果は、集光レンズ１０に入射する光が光軸ＬＡに平行、すなわち入射角度０度の場合には９７．２％、入射角度±０．２６度の場合には９５．０％、入射角度±０．５度の場合には８７．１％であった。
［実施例４］
実施例３において、集光反射面を平面とした以外は実施例３と同様の条件で光線追跡シミュレーションを行う。すなわち、各条件は次の通りである。
・集光レンズ１０の焦点距離：ｆ＝３０mm、集光レンズ１０の直径：Ｒ＝１０mm
・光学構造の大きさ：ｘ、ｙ、ｚ方向共に１ｍｍ
・反射面の傾斜角：４９度
上記条件で光学構造が１０個（１行）の場合で１×１０のレンズアレイにより全ての光学構造にそれぞれ集光した場合のシミュレーション結果は、集光レンズ１０に入射する光が光軸ＬＡに平行、すなわち入射角度０度の場合には９２．８％、入射角度±０．２６度の場合には９１．２％、入射角度±０．５度の場合には８８．１％であった。
実施例３と実施例４を比較すると、入射角度が太陽の視直径に相当する±０．２６度の範囲では、反射面が曲面の場合の方が平面の場合に比べて集光効率が高いことがわかる。
以上、集光光学素子について種々の構成例について説明したが、以下では他の構成例について簡潔に説明する。図１６（ａ）、図１６（ｂ）は、図１４（ａ）、図１４（ｂ）及び図１５（ａ）、図１５（ｂ）に対応する他の構成例の集光光学素子２０Ｚの側面視及び平面視における光線追跡シミュレーション結果である。共通条件については次に示す通りである。
・集光レンズ１０の焦点距離：ｆ＝３０mm、集光レンズ１０の直径：Ｒ＝１０mm
・集光反射面３５を形成する球面の曲率半径：ｒ＝２５．１mm
・集光反射面３５を形成する球面の球心座標位置（ｘ、ｙ、ｚ）：（18.3，0，-15.9）
・厚さｄ＝１０mm
集光光学素子２０Ｚは、Ａ１列の第１の光学構造３０により反射された反射光を、Ａ１列の第１の光学構造に隣接して出射面２５側に形成されたＡ２列の第２の光学構造３０の背面３６（図３を参照）に入射させた後、第２の光学構造３０の集光反射面３５において屈折させて基材２１にび入射させ、他の光学構造３０の上方を通って出射面２５側に伝播させるように構成される。このような構成の集光光学素子２０Ｚにおいて集光効率は９８．９％（角度幅±０．５度のとき９２．１％）であった。
これまで説明した集光光学素子２０の光学構造３０は、背面３６がｙ−ｚ平面に沿った鉛直面であった。これに対して、図１７に示す光学構造１３０においては、背面１３６がｙ軸回りに傾斜した傾斜面として形成される。図１７（ａ）はこの構成例の光学構造の部分拡大図、図１７（ｂ）はこの構成例の光学構造の側面図である。このような構成によれば、上流側から背面１３６に入射する光を背面１３６により全反射して下流側に導光することができ、光学構造から外部に出射する損失を低減することができる。
［集光光学素子の端部における光エネルギーの取り出し手法］
以上説明した集光装置１において、集光レンズ１０及び集光光学素子２０（２０Ｓ，２０Ｖ，２０Ｚ）により集光されて出射面２５から出射する光のエネルギー取り出し手法について、幾つかの代表的な概念を例示する図１８(ａ)〜(ｅ)を参照しながら簡明に説明する。
図１８(ａ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光を出射面２５からそのまま取り出し、光として利用する構成例の概念図である。この場合において、集光光学素子２０の出射面２５から出射する光をシリンドリカルレンズ９１や集光ロッド９２等を介して集光し、集光された光を光ファイバー９３により所望位置に導光するような構成が例示される。
図１８(ｂ)は、集光光学素子２０の端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の第１構成例の概念図である。この図は、光電変換素子５を集光光学素子２０の出射端部に結合し、電気エネルギーとして取り出す構成例を示す。集光された光を熱エネルギーとして取り出す光熱変換装置とする場合には、集光された光を熱エネルギーに光熱変換する光熱変換素子として、光吸収体付きのヒートパイプ等が好適に用いられる。
図１８(ｃ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の第２構成例の概念図である。本構成例は、集光光学素子２０の端部を斜めにカットして出射面２５にミラー９４を配設し（あるいは出射面２５に反射膜を形成し）、集光光学素子２０の上面側（または下面側）に設けた光電変換素子５に集光させる構成例である。これにより、集光光学素子２０が薄いシート状の場合であっても、所定面積の光電変換素子５を安定的に取り付けることができる。集光された光を熱エネルギーとして取り出す場合には、上記同様に光吸収体付きのヒートパイプ等が好適に用いられる。
図１８(ｄ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の第３構成例の概念図である。本構成例は、集光光学素子２０の出射面２５を斜めにカットしてダイクロイックミラー９５を配設し（あるいは出射面２５に波長選択性のある反射膜を形成し）、集光光学素子２０の上面側（または下面側）と、集光光学素子２０の側方とに設けた光電変換素子５，５′に分割して集光させる構成例である。このような構成によれば、分割された各波長帯域について高効率な光電変換素子を用いるこができるため、比較的低コストで変換効率の高い光発電装置を構成することが可能となる。
分割した光のうち一方（例えば赤外領域の光）を光吸収体付きのヒートパイプ等に入射して熱エネルギーとして利用し、他方（例えば可視領域及び紫外領域の光）を光電変換素子５に入射して電気エネルギーとして利用するような構成も好適な適用例である。
図１８(ｅ)は、端部に集光された光を、さらに厚さ方向に集光して取り出す構成例の概念図である。本構成の集光光学素子２０は、出射面２５の近傍領域で厚さが徐々に薄くなるパラボリック状に形成されており、素子内部をｘ軸方向に進む光が、上面あるいは下面で全反射されて厚さ方向に集光されるようになっている。これにより、例えば光をそのまま利用する場合にシリンドリカルレンズ等を用いずに構成することができ、また光電変換素子５やヒートパイプに入射させる場合に、簡明な構成で入射光のパワー密度を高めることができる。
以上説明したように、集光装置１においては、集光レンズ１０，１０…により集光されつつ集光光学素子２０の上面２２から入射した入射光が、集光光学素子２０内に入射して以降、出射面２５を除く全ての界面（集光反射面３５、上面２２、下面２３及び側面）で全反射され、出射面２５から出射される。従って、以上説明した集光装置１によれば、比較的薄型かつ簡明な構成で、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することができる。
集光装置１においては、光学構造が下面に凹設されているので、熱可塑性樹脂の射出成形や光学ガラスのプレス成形等により安価に製造できる。また、このような集光装置１を光発電装置ＰＶＳや光熱変換装置は光軸方向の厚さが薄く小型軽量であり、新たな太陽光発電手段または光熱変換手段として好適に適用することができる。
太陽光を集光する場合は、太陽光のスペクトルのうち少なくとも特定の波長範囲の光が集光されるように集光装置１を構成してもよい。波長範囲は光電変換素子５の分光感度特性に応じて決定することができる。例えば、光電変換素子５の変換効率が実質的に０でない波長範囲の光が集光されるように、集光装置１を構成することができる。また、少なくとも光電変換効率が最大となる波長の光が集光されるように集光装置１を構成してもよい。集光装置１で集光レンズ１０により集光される光の具体的な波長範囲としては、例えば、３５０〜１８００ｎｍであってもよいし、実施の形態の説明にあるように３５０ｎｍ〜１１００ｎｍであってもよい。前者の波長範囲の光を集光する集光装置は多接合型の光電変換素子に適用することができ、後者の波長範囲の光を集光する集光装置は結晶シリコンの光電変換素子に適用することができる。
上記の通り、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国出願２０１０年第２００２２８号（２０１０年９月７日）

Claims (15)

  1. 集光装置であって、
    集光レンズと、
    透明部材により形成され前記集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く集光光学素子とからなり、
    前記集光光学素子は、前記入射光を透過する上面及び前記上面と対向して延びる下面と、前記下面に凹設されて前記上面に向けて延びる反射面を有し前記入射光を反射する光学構造と、
    前記上面及び前記下面の間を繋ぎ前記反射面に対向する出射面とを有し、
    前記集光レンズを介して前記上面から入射し前記反射面により反射した反射光が前記出射面に導かれるように構成した集光装置。
  2. 請求項１に記載の集光装置において、前記反射面は、前記集光レンズにより所定の収束角度または発散角度で入射した前記入射光の反射後の拡がり角を抑制する曲面状に形成された集光装置。
  3. 請求項１または２に記載の集光装置において、前記反射面は、前記集光レンズにより所定の集束角度または発散角度で入射する光線の最小入射角が、前記反射面における全反射臨界角以上となるように設定された集光装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光装置において、前記集光レンズの開口数は、前記集光レンズにより所定の集束角度または発散角度で入射する光線の最小入射角が、前記反射面における全反射臨界角以上となるように設定された集光装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光装置において、前記集光光学素子の屈折率は、前記集光レンズにより所定の集束角度または発散角度で入射する光線の最小入射角が、前記反射面における全反射臨界角以上となるように設定された集光装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光装置において、前記集光レンズ及び前記集光光学素子は、前記集光レンズにより集光される入射光が前記反射面近傍の下方または上方に焦点を結ぶように配設された集光装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の集光装置にいて、前記集光レンズが複数設けられ、前記集光光学素子は、前記各集光レンズに対応して設けられた複数の前記光学構造を有して一体に形成された集光装置。
  8. 請求項７に記載の集光装置において、前記集光光学素子は、第１の光学構造の前記反射面により反射された前記反射光が、前記第１の光学構造に隣接して前記出射面側に形成された第２の光学構造により遮光されずに前記出射面に向かうように構成された集光装置。
  9. 請求項８に記載の集光装置において、前記集光光学素子は、前記第１の光学構造の前記反射面により反射された前記反射光が、前記第１の光学構造に隣接して前記出射面側に形成された前記第２の光学構造の側方を通って伝播するように構成された集光装置。
  10. 請求項９に記載の集光装置において、前記集光光学素子は、前記第１の光学構造の反射面により反射された反射光と、前記第２の光学構造の反射面により反射された反射光とが、前記第２の光学構造に隣接して前記出射面側に形成された第３の光学構造の同じ側の側方を通って伝播するように構成された集光装置。
  11. 請求項９に記載の集光装置において、前記集光光学素子は、前記第１の光学構造の反射面により反射された反射光と、前記第２の光学構造の反射面により反射された反射光とが、前記第２の光学構造に隣接して前記出射面側に形成された第３の光学構造を挟んで反対側の側方を通って伝播するように構成された集光装置。
  12. 請求項８〜１１のいずれか一項に記載の集光装置において、前記集光光学素子は、前記第１の光学構造の反射面により反射された反射光が、前記第１の光学構造に隣接して前記出射面側に形成された前記第２の光学構造の上方を通って伝播するように構成された集光装置。
  13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の集光装置において、前記反射面と前記出射面とを結ぶ方向の大きさが前記上面および前記下面を結ぶ厚さ方向の大きさに対して充分に大きいプレート状またはシート状に形成された集光装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の集光装置と、
    前記集光装置により前記出射面に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
  15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の集光装置と、
    前記集光装置により前記出射面に導かれた光を光熱変換する光熱変換素子とを備えた光熱変換装置。
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