JPWO2020115855A1 - Daylighting device - Google Patents
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Abstract
採光装置(100)は光学部品(1)を備える。光学部品(1)は板形状であり、1つの面にシリンドリカル凹レンズのレンズ面が形成され、他の面に平面形状が形成される。レンズ面は複数のプリズムで形成されるフレネル形状を含む。レンズ面に対応する面をプリズム面(1cL)とし、他の面をプリズム面(1cF)とする。複数のプリズムは第1のプリズムおよび第2のプリズムを含む。第1のプリズムは第2のプリズムよりもシリンドリカル凹レンズの光軸(C)の側に位置している。平面側から入射する光軸(C)に平行な光線(Lc)がプリズム面(1cL)で反射をした後にプリズム面(1cF)で屈折して出射される領域(1c)において、プリズムの配列を変更することによって、光軸(C)に平行な光線(Lc)がプリズム面(1cL)に入射する入射角(E1)は、第1のプリズムの方が第2のプリズムよりも大きい。The daylighting device (100) includes an optical component (1). The optical component (1) has a plate shape, and a lens surface of a cylindrical concave lens is formed on one surface, and a planar shape is formed on the other surface. The lens surface includes a Fresnel shape formed by a plurality of prisms. The surface corresponding to the lens surface is a prism surface (1 c L ), and the other surface is a prism surface (1 c F ). The plurality of prisms includes a first prism and a second prism. The first prism is located closer to the optical axis (C) of the cylindrical concave lens than the second prism. In the region (1c) where a light ray (Lc) parallel to the optical axis (C) incident from the plane side is reflected by the prism surface (1c L ) and then refracted by the prism surface (1c F) and emitted, the prism By changing the arrangement, the incident angle (E 1 ) at which the light ray (Lc) parallel to the optical axis (C) is incident on the prism surface (1c L ) is higher in the first prism than in the second prism. large.
Description
この発明は、採光装置に関するものである。 The present invention relates to a daylighting apparatus.
特許文献1には、一次反射鏡、二次反射鏡、光ダクトを含んで構成される光搬送装置が記載されている。一次反射鏡は太陽の位置に従って向きを変化させながら太陽光を直接受光するので太陽光を日中安定して受光できる。一次反射鏡で反射された光は平行光なので拡散しない。従って二次反射鏡に光ダクトを用いずに直接受光させることができる。二次反射鏡で反射された平行光は、光ダクトの採光口に出射される。
しかしながら、特許文献1に記載される光搬送装置は、太陽の位置に従って一次反射鏡の向きを変化させている。
However, the light carrier described in
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、太陽の動きを追尾することなく太陽光を採光することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to collect sunlight without tracking the movement of the sun.
採光装置は、第1の面、前記第1の面と対向する第2の面および側面を含む板形状であって、前記第1の面にシリンドリカル凹レンズのレンズ面が形成され、前記第2の面の前記レンズ面と対向する領域に平面が形成される光学部品を備え、前記レンズ面は、複数のプリズムで形成されるフレネル形状を含み、前記レンズ面に対応する前記プリズムの面を第1のプリズム面とし、前記プリズムの他の面を第2のプリズム面とし、前記複数のプリズムは第1のプリズムおよび第2のプリズムを含み、前記第1のプリズムは前記第2のプリズムよりも前記シリンドリカル凹レンズの光軸の側に位置しているとすると、前記第2の面の側から入射する前記光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面で反射をした後に前記第2のプリズム面で屈折して出射される第1の領域において、前記複数のプリズムの配列を変更することによって、前記光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面に入射する入射角は、前記第2のプリズムよりも前記第1のプリズムの方が大きい。 The light collector has a plate shape including a first surface, a second surface facing the first surface, and a side surface, and a lens surface of a cylindrical concave lens is formed on the first surface, and the second surface is formed. The lens surface includes an optical component in which a plane is formed in a region of the surface facing the lens surface, the lens surface includes a Frenel shape formed by a plurality of prisms, and the surface of the prism corresponding to the lens surface is first. The other surface of the prism is a second prism surface, the plurality of prisms include a first prism and a second prism, and the first prism is more than the second prism. Assuming that the lens is located on the optical axis side of the cylindrical concave lens, a light beam parallel to the optical axis incident from the side of the second surface is reflected by the first prism surface and then the second prism surface. By changing the arrangement of the plurality of prisms in the first region that is refracted and emitted by, the incident angle at which a light beam parallel to the optical axis is incident on the first prism surface is the second The first prism is larger than the prism.
本発明によれば、太陽の動きを追尾することなく太陽光を採光することができる。 According to the present invention, sunlight can be collected without tracking the movement of the sun.
以下に示す実施の形態では、フレネル形状を含む凹レンズを用いて太陽光を採光している。 In the embodiment shown below, sunlight is collected by using a concave lens including a Fresnel shape.
しかしながら、凹レンズがフレネルレンズで形成された場合には、全反射と屈折とによって、一部の領域で集光する光が発生する。そして、採光された光が導光部分において集光した場合には、導光部分が損傷してしまう可能性がある。光の導光部としては、例えば、建築物の吹き抜けなどが挙げられる。また、窓から太陽光を取り込む場合には、採光された光が天井などで集光して、建築物が損傷してしまう可能性がある。「吹き抜け」とは、下階部分の天井と上階部分の床とを設けないことで、建築物の上下方向を連続させた空間のことである。 However, when the concave lens is formed of a Fresnel lens, light that is focused in a part of the region is generated by total reflection and refraction. Then, when the collected light is condensed in the light guide portion, the light guide portion may be damaged. Examples of the light guide portion for light include a stairwell in a building. In addition, when sunlight is taken in from a window, the collected light may be condensed on the ceiling or the like, and the building may be damaged. The "atrium" is a space in which the ceiling of the lower floor and the floor of the upper floor are not provided so that the vertical direction of the building is continuous.
以下に示す実施の形態では、フレネル形状の凹レンズの一部の領域で発生する集光を低減している。フレネルレンズで形成された凹レンズのプリズム形状を変更することで、昼光を採光する際の光の集光を低減している。フレネル形状は、複数のプリズムで形成されている。集光の発生する領域において、プリズムの配列を逆にすることで集光される光を発散する光に変更する。特に、以下に示す実施の形態は、太陽が南中した際の光の集光を低減している。太陽の南中時では、光の強度が最も高くなる。 In the embodiment shown below, the light collection generated in a part of the Fresnel-shaped concave lens is reduced. By changing the prism shape of the concave lens formed by the Fresnel lens, the light condensing when daylight is taken is reduced. The Fresnel shape is formed by a plurality of prisms. In the region where condensing occurs, the focused light is changed to diverging light by reversing the arrangement of the prisms. In particular, the embodiments shown below reduce the concentration of light when the sun is in the south. At mid-south of the sun, the intensity of light is highest.
<座標の設定>
説明を容易にするために、以下に示す図においてXYZ座標を用いる。XYZ座標は、採光装置が設置された状態の座標である。X軸は、南北方向に平行な軸である。+X軸方向が南(S)であり、−X軸方向が北(N)である。Y軸は、東西方向に平行な軸である。+Y軸方向が東(E)であり、−Y軸方向が西(W)である。Z軸は、上下方向に平行な軸である。日中の太陽は+Z軸方向に位置する。つまり、+Z軸方向が空(天頂)の方向である。<Coordinate setting>
For ease of explanation, XYZ coordinates are used in the figures shown below. The XYZ coordinates are the coordinates when the daylighting device is installed. The X-axis is an axis parallel to the north-south direction. The + X-axis direction is south (S) and the -X-axis direction is north (N). The Y-axis is an axis parallel to the east-west direction. The + Y-axis direction is east (E) and the -Y-axis direction is west (W). The Z axis is an axis parallel to the vertical direction. The sun during the day is located in the + Z axis direction. That is, the + Z axis direction is the direction of the sky (zenith).
「天頂」とは、天球上において観測者の真上に当たる点を指す。つまり、地平座標で高度が+90度の極をなす点である。地上から天頂の方向は、観測地点の垂直方向である。つまり、天頂方向は、観測地点の重力方向である。天頂方向は、観測地点の鉛直線方向である。 The "zenith" refers to a point on the celestial sphere that is directly above the observer. In other words, it is a point where the altitude is a pole of +90 degrees in horizontal coordinates. The direction from the ground to the zenith is the vertical direction of the observation point. That is, the zenith direction is the direction of gravity at the observation point. The zenith direction is the vertical direction of the observation point.
図2では、採光装置100は壁に設けられた窓に設置されている。そのため、X軸方向は光線が採光装置100に入射する方向である。昼光は、+X軸方向から−X軸方向に向かって採光装置100に入射する。Y軸方向は、光学部品1のフレネルレンズのプリズムが並んでいる方向である。Z軸方向は、光学部品1のフレネルレンズのプリズムが延びている方向である。光学部品1のフレネルレンズは直線状に延びている。
In FIG. 2, the
図15では、採光装置200は天井に設けられた窓に設置されている。そのため、Z軸方向は光線が採光装置に入射する方向である。昼光は、+Z軸方向から−Z軸方向に向かって入射する。X軸方向は、光学部品1NSのフレネルレンズのプリズムが並んでいる方向である。Y軸方向は、光学部品1NSのフレネルレンズのプリズムが延びている方向である。Y軸方向は、光学部品1EWのフレネルレンズのプリズムが並んでいる方向である。X軸方向は、光学部品1EWのフレネルレンズのプリズムが延びている方向である。光学部品1NS,1EWのフレネルレンズは直線状に延びている。In FIG. 15, the
−X軸方向側から+X軸方向を見て、X軸を中心軸として、時計回りを+RX方向とし、反時計回りを−RX方向とする。また、−Y軸方向側から+Y軸方向を見て、Y軸を中心軸として、時計回りを+RY方向とし、反時計回りを−RY方向とする。また、−Z軸方向側から+Z軸方向を見て、Z軸を中心軸として、時計回りを+RZ方向とし、反時計回りを−RZ方向とする。角度の正方向は、説明をしない限り、+RX方向、+RY方向または+RZ方向である。 Looking at the + X-axis direction from the −X-axis direction side, the X-axis is the central axis, the clockwise direction is the + RX direction, and the counterclockwise direction is the −RX direction. Further, when looking at the + Y-axis direction from the −Y-axis direction side, the Y-axis is the central axis, the clockwise direction is the + RY direction, and the counterclockwise direction is the −RY direction. Further, when the + Z axis direction is viewed from the −Z axis direction side, the Z axis is the central axis, the clockwise direction is the + RZ direction, and the counterclockwise direction is the −RZ direction. Unless otherwise explained, the positive direction of the angle is the + RX direction, the + RY direction, or the + RZ direction.
<フレネルレンズ>
フレネルレンズは、光学レンズが持つ曲面を一連の溝に置き換えたものである。これらの溝が屈折面として個々に働き、例えば、平行光線の光路を曲げて焦点位置に光を集める。以下において、この溝によって形成される山の形状をプリズムと呼ぶ。また、プリズムを形成する面をプリズム面とも呼ぶ。<Fresnel lens>
A Fresnel lens replaces the curved surface of an optical lens with a series of grooves. These grooves act individually as refracting surfaces, for example, bending the optical path of parallel rays to collect light at the focal position. Hereinafter, the shape of the mountain formed by this groove is referred to as a prism. The surface on which the prism is formed is also referred to as a prism surface.
プリズムは、フレネルレンズの光軸側のプリズム面とフレネルレンズの周辺側のプリズム面とを備えている。つまり、プリズムは2つの面で形成されている。プリズムの光軸側の面は、光軸に近い側のプリズム面である。プリズムの周辺側の面は、光軸から遠い側のプリズム面である。それぞれのプリズム面が小さな屈曲面として働くことによって、全体としては一枚の大きなレンズとして機能する。 The prism includes a prism surface on the optical axis side of the Fresnel lens and a prism surface on the peripheral side of the Fresnel lens. That is, the prism is formed by two surfaces. The surface of the prism on the optical axis side is the surface of the prism on the side close to the optical axis. The surface on the peripheral side of the prism is the surface of the prism far from the optical axis. By acting as a small bent surface, each prism surface functions as one large lens as a whole.
凸レンズの場合には、凸レンズの光軸に対して周辺側の面が凸レンズのレンズ面に対応する。また、凸レンズの光軸側の面は、通常、光軸に平行な面である。凹レンズの場合には、凹レンズの光軸側の面が凹レンズのレンズ面に対応する。また、凹レンズの光軸に対して凹レンズの周辺側の面は、通常、光軸に平行な面である。なお、光軸に平行な面は、例えば、平面である。光軸に平行な面は、例えば、平面形状をしている。また、光軸に平行な面は、例えば、作製上の理由などによって、光軸に対して傾斜する場合がある。 In the case of a convex lens, the surface on the peripheral side with respect to the optical axis of the convex lens corresponds to the lens surface of the convex lens. The surface of the convex lens on the optical axis side is usually a surface parallel to the optical axis. In the case of a concave lens, the surface of the concave lens on the optical axis side corresponds to the lens surface of the concave lens. Further, the surface on the peripheral side of the concave lens with respect to the optical axis of the concave lens is usually a surface parallel to the optical axis. The plane parallel to the optical axis is, for example, a plane. The surface parallel to the optical axis has, for example, a planar shape. Further, the surface parallel to the optical axis may be inclined with respect to the optical axis, for example, due to manufacturing reasons.
以下の実施の形態で示すプリズムは、レンズ形状のプリズム面を、そのレンズ形状のプリズム面に接する平面に平行な面で置き換えた形状を含む。つまり、フレネルレンズのプリズムは、光軸側のプリズム面と周辺側のプリズム面との両方が平面で形成されたプリズムを含む。フレネルレンズのプリズムは、2つの面が平面形状のプリズムを含む。 The prism shown in the following embodiment includes a shape in which a prism surface having a lens shape is replaced with a surface parallel to a plane in contact with the prism surface of the lens shape. That is, the prism of the Fresnel lens includes a prism in which both the prism surface on the optical axis side and the prism surface on the peripheral side are formed in a plane. The prism of a Fresnel lens includes a prism having a planar shape on two surfaces.
<太陽光の採光>
採光装置に関して、昼光を採光することを例として説明する。昼光は、太陽光による昼間の光のことである。昼光は、太陽からの直接光と間接光とを含む。太陽は、1日の内で東から西へと移動する。また、1日の内で高度が変化する。また、太陽光は平行光として扱える。つまり、昼光は平行光として扱える。<Sunlighting>
The daylighting device will be described by taking daylight as an example. Daylight is the daylight of sunlight. Daylight includes direct and indirect light from the sun. The sun moves from east to west within a day. Also, the altitude changes within a day. In addition, sunlight can be treated as parallel light. That is, daylight can be treated as parallel light.
実施の形態に示す採光装置は、採光装置に入射する平行光の入射方向が変化する場合に、採光装置から出射される光の出射方向の変化を抑えることができる。 The daylighting apparatus shown in the embodiment can suppress a change in the emission direction of the light emitted from the daylighting apparatus when the incident direction of the parallel light incident on the daylighting apparatus changes.
図1は、太陽光線の採光を説明する模式図である。図1(A)は、凹形状のレンズ81を用いて太陽光線LA,LB,LCを採光している図である。図1(B)は、凸形状のレンズ82を用いて太陽光線LA,LB,LCを採光している図である。太陽9Aは太陽光線LAを発する。太陽9Bは太陽光線LBを発する。太陽9Cは太陽光線LCを発する。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating daylighting of the sun's rays. 1 (A) is a diagram that lighting sunlight L A, L B, the L C using a
太陽9は、例えば、太陽9Aから太陽9Bへと移動する。また、太陽9は、例えば、太陽9Bから太陽9Cへと移動する。図1において、例えば、Y軸方向は太陽9の移動方向である。+Y軸方向は東の方向であり、−Y軸方向は西の方向である。+X軸方向は南の方向であり、−X軸方向は北の方向である。天頂は+Z軸方向に位置する。なお、図1は北半球の場合で示されている。The
図1(A)に示すレンズ81は、凹レンズである。レンズ81は、レンズ81の光軸Cを中心として、Y軸方向に8つの領域を含んでいる。光軸Cから+Y軸方向に向けて、レンズ81の領域は、領域81ap、領域81bp、領域81cpそして領域81dpの順に配置されている。光軸Cから−Y軸方向に向けて、レンズ81の領域は、領域81am、領域81bm、領域81cmそして領域81dmの順に配置されている。The
図1(B)に示すレンズ82は、凸レンズである。レンズ82は、レンズ82の光軸Cを中心として、Y軸方向に8つの領域を含んでいる。光軸Cから+Y軸方向に向けて、レンズ82の領域は、領域82ap、領域82bp、領域82cpそして領域82dpの順に配置されている。光軸Cから−Y軸方向に向けて、レンズ82の領域は、領域82am、領域82bm、領域82cmそして領域82dmの順に配置されている。The
図1(A)の太陽9Aからレンズ81に入射する光線LAの入射角は、図1(B)の太陽9Aからレンズ82に入射する光線LAの入射角に等しい。同様に、図1(A)の太陽9Bからレンズ81に入射する光線LBの入射角は、図1(B)の太陽9Bからレンズ82に入射する光線LBの入射角に等しい。図1(A)の太陽9Cからレンズ81に入射する光線LCの入射角は、図1(B)の太陽9Cからレンズ82に入射する光線LCの入射角に等しい。The angle of incidence of the light rays L A incident from the sun 9 A lens 81 of FIG. 1 (A) is equal to the incident angle of the light beam L A is incident on the
レンズ81の焦点F81は、レンズ81の出射面側に位置している。レンズ82の焦点F82は、レンズ82の入射面側に位置している。The focal point F 81 of the
図1(A)の太陽9Aから出射された光線LAは、レンズ81の焦点F81に向かって進行する。光線LAは、レンズ81の領域81dpから出射される。図1(A)の太陽9Bから出射された光線LBは、レンズ81の焦点F81に向かって進行する。光線LBは、レンズ81の領域81apと領域81amとの間から出射される。領域81apと領域81amとの間は、レンズ81の光軸Cの位置である。図1(A)の太陽9Cから出射された光線LCは、レンズ81の焦点F81に向かって進行する。光線LCは、レンズ81の領域81dmから出射される。Light L A emitted from the sun 9 A in FIG. 1 (A), traveling toward the focal point F 81 of the
レンズ81に入射した光線LA,LB,LCは、レンズ81の光軸Cに平行な光線として出射される。Light incident on the
図1(B)の太陽9Aから出射された光線LAは、レンズ82の焦点F82に向かって進行する。光線LAは、レンズ82の領域82dmから出射される。図1(B)の太陽9Bから出射された光線LBは、レンズ82の焦点F82に向かって進行する。光線LBは、レンズ82の領域82apと領域82amとの間から出射される。領域82apと領域82amとの間は、レンズ82の光軸Cの位置である。図1(B)の太陽9Cから出射された光線LCは、レンズ82の焦点F82に向かって進行する。光線LCは、レンズ82の領域82dpから出射される。Light L A emitted from the sun 9 A in FIG. 1 (B), traveling toward the focal point F 82 of the
レンズ82に入射した光線LA,LB,LCは、レンズ82の光軸Cに平行な光線として出射される。Light incident on the
以上のように、レンズ81,82を用いて、移動する太陽9からの光線LA,LB,LCをレンズ81,82の光軸Cに平行な光線に変換することができる。これによって、採光装置は、移動する太陽9からの光線LA,LB,LCの出射方向の変化を抑えることができる。As described above, by using the
また、例えば、凹レンズに平行光が入射した場合には、凹レンズから出射される光は発散光となる。そして、太陽9の位置が変化した場合でも、その発散光は光軸Cに平行な光線を含んでいる。そのため、凹レンズは、太陽9の位置の変化に対して、凹レンズから出射される発散光の出射方向の変化を抑えることができる。
Further, for example, when parallel light is incident on the concave lens, the light emitted from the concave lens becomes divergent light. Then, even when the position of the
太陽9からの光線LA,LB,LCは、平行光線としてレンズ81,82に入射する。そのため、例えば、レンズ81の領域81dpをレンズ82の領域82dmと入れ替えることができる。レンズ81は凹レンズである。レンズ82は凸レンズである。つまり、+Y軸側の領域81dpは、−Y軸側の領域82dmと置き換えられる。Light L A, L B, L C from the
同様に、例えば、レンズ81の領域81dmをレンズ82の領域82dpと入れ替えることができる。つまり、−Y軸側の領域81dmは、+Y軸側の領域82dpと置き換えられる。Similarly, for example, it is possible to replace the region 81d m of the
つまり、同じ入射角の光線LA,LB,LCを光軸Cに対して平行な光にする変換する領域であれば、凹形状のレンズ81の領域と凸形状のレンズ82の領域とを入れ替えても、同様の効果を得ることができる。That is, light rays L A of the same angle of incidence, L B, if an area for conversion into light parallel to L C with respect to the optical axis C, a region of the
実施の形態1.
図2は実施の形態1に係る採光装置100の構成を示す図である。図2(A)は、採光装置100を+Z軸方向側から見た構成図である。図2(B)は、採光装置100を−Y軸方向側から見た構成図である。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the
図3は、採光装置100の光学部品1の光線追跡の結果の一例を示す図である。図3は、光学部品1の平面部1e側から平行光線(光線L)を入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。平行光線(光線L)は、光学部品1の光軸Cに平行である。領域1b、領域1cおよび領域1dに関しては、部分詳細図を付している。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the result of ray tracing of the
図4は、光学部品1の光学面部1f側から平行光線(光線L)を入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。平行光線(光線L)は、光学部品1の光軸Cに平行である。各図2、3、4において、平行光線(光線L)は、+X軸方向側から光学部品1に入射している。
FIG. 4 is a diagram showing the behavior of a light ray when a parallel light ray (light ray L) is incident from the
採光装置100は、光学部品1を備えている。採光装置100は、光偏向部品2を備えることができる。なお、光学部品1の平面部1e側の面上に光偏向部品2を一体として設けることができる。この場合には、光偏向部品2は光偏向部となる。
The
採光装置100は、例えば、窓に設置されて、太陽光を屋内に導く装置として説明する。光偏向部品2は、太陽の高度変化に対して、屋内に入射する光の入射角の変化を抑制する機能を有している。光偏向部品2は、例えば、太陽光を屋内の天井に向けて出射する。光偏向部品2は、太陽の高度が変化した場合でも、窓から太陽光が照射される天井の位置までの距離の変化を抑制する。これによって、高度に関わらず、天井に照射される太陽光の位置の移動は抑えられる。そして、天井で反射された太陽光は、屋内の照明光として利用される。
The
例えば、光偏向部品2によって、太陽光が天井に照射される領域の窓からの距離の変化は低減される。しかし、太陽は1日の内で、東から西へと移動する。これに伴って、太陽光が天井に照射される領域も西から東へと移動する。光学部品1は、入射する太陽光を1つの方向に向かう光を含んで発散させることができる。ここで、1つの方向は、例えば、窓に垂直な方向である。1つの方向は、例えば、光学部品1に垂直な方向である。ここで、光学部品1は板形状をしている。つまり、光学部品1は、窓に平行な方向において、太陽光が天井に照射される位置の移動を低減する。採光装置100は、太陽の位置が移動した場合でも、太陽光が照射される位置の移動を低減することができる。
For example, the
<採光装置100の構成>
≪光学部品1≫
光学部品1は、シリンドリカルレンズのレンズ面を備えている。シリンドリカルレンズのレンズ面は、フレネル形状のレンズ面を含んでいる。シリンドリカルレンズは、フレネル形状の領域を含んでいる。<Configuration of
The
光学部品1は、例えば、板形状をしている。板形状は、2つの対向する面を側面でつないだ形状である。光学部品1は、一方の面(光学面部1f)にシリンドリカルレンズが形成されている。光学部品1は、他方の面に平面(平面部1e)が形成されている。光学部品1の他方の面は、平面形状を含んでいる。他方の面の平面(平面部1e)は、シリンドリカルレンズと対向する領域に形成されている。シリンドリカルレンズと対向する領域は平面形状をしている。
The
光学部品1は、一面が平面である。平面側の面を平面部1eと呼ぶ。光学部品1は、一面がシリンドリカルレンズの形成された面である。シリンドリカルレンズの形成された側の面を光学面部1fと呼ぶ。図2では、光学部品1の+X軸方向側の面は、例えば、平面部1eである。光学部品1の−X軸方向側の面は、例えば、光学面部1fである。光学面部1fは、平面部1eと対向している。
One side of the
光学部品1は、フレネルレンズの領域1a,1b,1c,1dを備えている。光学部品1は、光学面部1fにフレネルレンズの領域1a,1b,1c,1dを備えている。光学面部1fには、シリンドリカルレンズの領域1a,1b,1c,1dが形成されている。光学面部1fは、光学部品1のシリンドリカルレンズの領域1a,1b,1c,1dが形成されている面である。
The
以下の説明では、光学部品1をフレネルレンズとして説明する。つまり、光学面部1fをフレネルレンズが形成された面として説明する。通常、フレネルレンズのプリズムは、1つの面が曲面で形成されたレンズ面で形成されている。しかし、フレネルレンズのプリズムのレンズ面は、レンズ面に接する平面に平行な平面とすることができる。また、光学面部1fの一部の領域をレンズ面で形成されプリズムとして、他の領域を2つの平面で形成されるプリズムとすることができる。
In the following description, the
例えば、領域1aをレンズ面で形成されるプリズムとして、領域1b,1c,1dを2つの平面で形成されるプリズムとすることができる。領域1aは、光学部品1のレンズ形状の中心部の領域である。領域1b,1c,1dは、光学部品1のレンズ形状の周辺部の領域である。
For example, the region 1a can be a prism formed on the lens surface, and the
図2に示すように、光学部品1の曲率を有する方向はY軸方向である。光学部品1は光軸Cに対して対称である。このため、光軸Cに対して+Y軸方向側の光学部品1の光線追跡に関して説明し、光軸Cに対して−Y軸方向側の説明は省略する。
As shown in FIG. 2, the direction having the curvature of the
光線Lは、光学部品1に入射する光線である。光線Lは、光軸Cに平行な平行光線である。光線Lは、光線La,Lb,Lc,Ldを含む。光線Laは、領域1aに入射する光線Lである。光線Lbは、領域1bに入射する光線Lである。光線Lcは、領域1cに入射する光線Lである。光線Ldは、領域1dに入射する光線Lである。
The light ray L is a light ray incident on the
<フレネル形状の凹レンズの光学部品12>
次に、フレネル形状のシリンドリカル凹レンズが形成された光学部品12について説明する。つまり、光学部品12は、通常のフレネル形状のシリンドリカル凹レンズである。光学部品12は、フレネル形状の凹レンズである。光学部品12は、例えば、凹部のみで形成されている。<
Next, the
図5に光学部品12の光線追跡の結果の一例を示す。図5は、光学部品12の平面部12eの側から平行光線(光線L)を入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。平行光線(光線L)は、光学部品12の光軸C12に平行である。領域12cに関しては、部分詳細図を付している。FIG. 5 shows an example of the result of ray tracing of the
図6及び図7は、光学部品12の光学面部12fの側から平行光線(光線L)を入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。平行光線(光線L)は、光学部品12の光軸C12に平行である。図6と図7とでは、入射する光線のY軸方向の位置が異なる。そのため、実際の光線は、図6と図7とを重ねた状態の振る舞いをする。6 and 7 are diagrams showing the behavior of light rays when a parallel light ray (light ray L) is incident from the side of the
《平面部12eおよび光学面部12f》
図5に示す光学部品12は、一方の面が平面(平面部12e)で他方の面(光学面部12f)にフレネル形状のシリンドリカル凹レンズが形成されている。光学部品12は、一つの面が平面である。光学部品12の一つの面は、平面形状を含んでいる。平面側の面を平面部12eと呼ぶ。光学部品12は、他の面がシリンドリカルレンズの形成された面である。シリンドリカルレンズの形成された側の面を光学面部12fと呼ぶ。光学面部12fは、平面部12eと対向している。シリンドリカルレンズと対向する領域は平面形状をしている。<<
In the
光学面部12fは、例えば、シリンドリカル凹レンズ面の形状を含んでいる。シリンドリカル凹レンズ面は、フレネル形状を含んでいる。光学面部12fは、例えば、4つのシリンドリカル凹レンズ面の領域12a,12b,12c,12dを含んでいる。各領域12a,12b,12c,12dのプリズムは、プリズム12aP,12bP,12cP,12dPである。The
《プリズム形状》
各プリズムのレンズ面に対応する面は、面12aL,12bL,12cL,12dLである。各プリズムの面12aL,12bL,12cL,12dLは、光軸C12に対して傾斜している。各溝の傾斜した面12aL,12bL,12cL,12dLはレンズ面である。《Prism shape》
The surfaces corresponding to the lens surfaces of each prism are
各プリズムの他の面は、面12aF,12bF,12cF,12dFである。各プリズムの他の面12aF,12bF,12cF,12dFは、説明を簡単にするために、平面部12eに垂直な面としている。面12aF,12bF,12cF,12dFは、例えば、平面である。また、面12aF,12bF,12cF,12dFは、例えば、成型時の生産性を考慮して抜き勾配の範囲で傾斜してもよい。The other surfaces of each prism are
光学部品12は凹レンズである。そのため、各プリズムの光軸C12側の面は、面12aL,12bL,12cL,12dLである。各プリズムの周辺側の面は、面12aF,12bF,12cF,12dFである。The
光軸C12から+Y軸方向に向けて、光学部品12の領域は、領域12a、領域12b、領域12cそして領域12dの順に配置されている。光学部品12は、Y軸方向において、光軸C12に対して対称であるため、光軸C12から−Y軸方向の説明は省略する。The regions of the
《領域12a》
領域12aは、シリンドリカル凹レンズの光軸C12を含む領域である。領域12aは、シリンドリカル凹レンズの光軸C12に接する領域である。<<
The
図5に示すように、領域12aでは、平面部12eから入射した光線Laは1回の屈折で出射される。領域12aでは、平面部12eから入射した光線Laは面12aLで屈折して出射される。領域12aから出射される光は発散された光である。領域12aから出射される光は発散光である。領域12aから出射される発散光は、光学部品12の周辺側に進行する。As shown in FIG. 5, in the
図6および図7に示すように、領域12aでは、光学面部12fから入射した光線Laは1回の屈折で出射される。領域12aでは、光学面部12fから入射した光線Laは面12aLで屈折して出射される。領域12aから出射される光は発散光である。領域12aから出射される発散光は、光学部品12の周辺側に進行する。As shown in FIGS. 6 and 7, in the
《領域12b》
領域12bは、領域12aよりも光軸C12に対して周辺側に位置する領域である。<<
The
図5に示すように、領域12bでは、平面部12eから入射した光線Lbは1回の反射で+Y軸方向に出射される。領域12bでは、平面部12eから入射した光線Lbは面12bLで反射されて面12bFから+Y軸方向に出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。面12bFから出射された光線Lbは、周辺側のプリズムに入射する。そのため、採光装置100では、利用されない光となる。As shown in FIG. 5, in the
図6および図7に示すように、領域12bでは、光学面部12fから入射した光線Lbは1回の屈折で出射される。領域12bでは、光学面部12fから入射した光線Lbは面12bLで屈折して出射される。領域12bから出射される光は発散光である。領域12bから出射される発散光は、光学部品12の周辺側に進行する。As shown in FIGS. 6 and 7, in the
《領域12c》
領域12cは、領域12bよりも光軸C12に対して周辺側に位置する領域である。<<
The
図5に示すように、領域12cでは、平面部12eから入射した光線Lcは1回の反射をした後に1回の屈折で出射される。領域12cでは、平面部12eから入射した光線Lcは面12cLで反射をした後に面12cFで屈折して出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。領域12cから出射される光は集光された光である。集光された光を集光光と呼ぶ。領域12cから出射される光は集光点A12cに集光する。集光点A12cは、領域12cに対して光学部品12の周辺側に位置する。集光点A12cは、領域12cよりも周辺側に位置する。As shown in FIG. 5, in the
図6に示すように、領域12cでは、光学面部12fから入射した光線Lcは1回の屈折で出射される。領域12cでは、光学面部12fから入射した光線Lcは面12cLで屈折して出射される。領域12cから出射される光は発散光である。領域12cから出射される発散光は、光学部品12の周辺側に進行する。As shown in FIG. 6, in the
図7に示すように、領域12cでは、光学面部12fから入射した光線Lcは1回の屈折をした後に1回の反射をして出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。領域12cでは、光学面部12fから入射した光線Lcは面12cLで屈折をした後に面12cFで反射をして出射される。領域12cから出射される光は集光光である。領域12cから出射される光は集光点A12dに集光する。集光点A12dは、光軸C12上に位置している。As shown in FIG. 7, in the
図6および図7に示すように、領域12cでは、光学面部12fから入射した光線は発散光と集光光とに変換される。つまり、実際の光線は、発散光と集光光とを重ねた状態の振る舞いをする。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the
《領域12d》
領域12dは、領域12cよりも光軸C12に対して周辺側に位置する領域である。<<
The
図5に示すように、領域12dでは、平面部12eから入射した光線Ldは2回の反射をした後に1回の屈折で出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。領域12dでは、平面部12eから入射した光線Ldは面12dLで反射をして面12dFで反射をした後に面12dLで屈折して出射される。領域12dから出射される光は発散光である。領域12dから出射される発散光は、光学部品12の光軸C12側に進行する。As shown in FIG. 5, in the
図6に示すように、領域12dでは、光学面部12fから入射した光線Ldは1回の屈折で出射される。領域12dでは、光学面部12fから入射した光線Ldは面12dLで屈折して出射される。領域12dから出射される光は発散光である。領域12dから出射される発散光は、光学部品12の周辺側に進行する。As shown in FIG. 6, in the
図7に示すように、領域12dでは、光学面部12fから入射した光線Ldは1回の屈折をした後に1回の反射で出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。領域12dでは、光学面部12fから入射した光線Ldは面12dL屈折をした後に面12dFで反射をして出射される。領域12dから出射される光は集光光である。領域12dから出射される光は集光点A12dに集光する。As shown in FIG. 7, in the
図6および図7に示すように、領域12dでは、光学面部12fから入射した光線は発散光と集光光とに変換される。つまり、実際の光線は、発散光と集光光とを重ねた状態の振る舞いをする。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the
<光学部品1の構成>
図3を用いて光学部品1の構成を説明する。<Structure of
The configuration of the
≪領域1a≫
領域1aは、光学部品12の領域12aと同様である。プリズム1aP,1bP,1cP,1dPは、プリズム12aP,12bP,12cP,12dPに対応する。面1aLは、面12aLに対応する。面1aFは、面12aFに対応する。光軸Cは、光軸C12に対応する。領域1aの構成および領域1aでの光線Laの振る舞いに関しては、光学部品12の説明で代用する。≪Area 1a≫
The region 1a is the same as the
光学部品1では、例えば、領域1aをフレネルレンズとしている。しかし、領域1aは、フレネルレンズでなくても良い。領域1aは、通常の凹レンズでも良い。
In the
≪領域1b≫
領域1bは、光学部品12の領域12bと同様である。面1bLは、面12bLに対応する。面1bFは、面12bFに対応する。光軸Cは、光軸C12に対応する。領域1bの構成および領域1bでの光線Lbの振る舞いに関しては、光学部品12の説明で代用する。<<
The
本実施の形態1では、例えば、領域1bをフレネルレンズとしている。しかし、領域1bは、フレネルレンズでなくても良い。領域1bは、通常の凹レンズでも良い。領域1bを通常の凹レンズとすることで、光線Lbが不要な光となることを防ぐことができる。
In the first embodiment, for example, the
なお、光学部品1の光軸Cに対して傾斜して入射する光線の場合には、光線Lbは有効な光となる場合がある。光軸Cに対して傾斜して入射する光線は、例えば、図1に示した光線LA,LCなどである。In the case of a light ray that is inclined and incident on the optical axis C of the
≪領域1c≫
図8は、光学部品12の領域12cに平面部12eから光Lcが入射した場合の光の挙動を示した図である。図9は、光学部品1の領域1cに平面部1eから光Lcが入射した場合の光の挙動を示した図である。≪Area 1c≫
FIG. 8 is a diagram showing the behavior of light when light Lc is incident on the
図8および図9において、領域12cのプリズムの符号を12cPとする。また、プリズム12cPの2つの面を、面12cLおよび面12cFとする。In FIGS. 8 and 9, the reference numeral of the prism in the
光学部品1の領域1cのプリズム1cPは、光軸C側からプリズム1c1P、プリズム1c2P、プリズム1c3P、プリズム1c4Pそしてプリズム1c5Pの順番に配置されている。 The prism 1c P of the region 1c of the
なお、プリズム12cPの配列が分かりやすいように、光学部品1のプリズムを示す図9においても、図8の符号12c1P,12c2P,12c3P,12c4P,12c5Pを用いている。図9において、プリズム12c5Pは、光学部品1のプリズム1c1Pに対応する。プリズム12c4Pは、光学部品1のプリズム1c2Pに対応する。プリズム12c3Pは、光学部品1のプリズム1c3Pに対応する。プリズム12c2Pは、光学部品1のプリズム1c4Pに対応する。プリズム12c1Pは、光学部品1のプリズム1c5Pに対応する。In addition, in order to make the arrangement of the prisms 12c P easy to understand, the reference numerals 12c 1P , 12c 2P , 12c 3P , 12c 4P , and 12c 5P of FIG. 8 are also used in FIG. 9 showing the prism of the
プリズム12c1pの光軸C12側の面は面12c1Lであり、光軸C12に対して周辺側の面は面12c1Fである。プリズム12c2Pの光軸C12側の面は面12c2Lであり、光軸C12に対して周辺側の面は面12c2Fである。プリズム12c3Pの光軸C12側の面は面12c3Lであり、光軸C12に対して周辺側の面は面12c3Fである。プリズム12c4Pの光軸C12側の面は面12c4Lであり、光軸C12に対して周辺側の面は面12c4Fである。プリズム12c5Pの光軸C12側の面は面12c5Lであり、光軸C12に対して周辺側の面は面12c5Fである。ここで、面12c1L,12c2L,12c3L,12c4L,12c5Lはレンズ面である。The surface of the
まず、図8に示す領域12cついて説明する。光Lcは光軸C12に平行な光である。領域12cでは、シリンドリカル凹レンズはフレネル形状である。領域12cのプリズム12cPは、光軸C12側からプリズム12c1P、プリズム12c2P、プリズム12c3P、プリズム12c4Pそしてプリズム12c5Pの順番に配置されている。First, the
次に、図9に示す領域1cについて説明する。光Lcは光軸Cに平行な光である。領域1cのプリズムは、図8に示す領域12cのプリズム12c1P,12c2P,12c3P,12c4P,12c5Pの配列を逆にしている。領域1cのプリズムは、光軸C側からプリズム12c5P、プリズム12c4P、プリズム12c3P、プリズム12c2Pそしてプリズム12c1Pの順番に配置されている。Next, the region 1c shown in FIG. 9 will be described. The light Lc is light parallel to the optical axis C. The prism of the region 1c reverses the arrangement of the prisms 12c 1P , 12c 2P , 12c 3P , 12c 4P , 12c 5P of the region 12c shown in FIG. The prisms in the region 1c are arranged in the order of the prism 12c 5P , the
図8の1つのプリズム12cPに、一例として、入射角E1、出射角E2および出射角E3を示している。入射角E1は、光線Lcが面12cLに入射する際の入射角である。出射角E2は、面12cLで反射された光線Lcが面12cFから出射する際の出射角である。ここでの反射は、例えば、全反射である。出射角E3は、光線Lcが光学部品12から出射する際の出射角である。つまり、出射角E3は、光軸C12に対する光学部品12から出射する光線Lcの傾斜角である。出射角E3は、XY平面上における光学部品12から出射する光線Lcと光軸C12とのなす角である。ここでの角は鋭角である。As an example, one prism 12c P in FIG. 8 shows an incident angle E 1 , an exit angle E 2, and an exit angle E 3 . The incident angle E 1 is an incident angle when the light ray Lc is incident on the surface 12 c L. The emission angle E 2 is an emission angle when the light ray Lc reflected by the
面12c2Lに入射する光線Lcの入射角E12は、面12c1Lに入射する光線Lcの入射角E11よりも大きい。面12c3Lに入射する光線Lcの入射角E13は、面12c2Lに入射する光線Lcの入射角E12よりも大きい。面12c4Lに入射する光線Lcの入射角E14は、面12c3Lに入射する光線Lcの入射角E13よりも大きい。面12c5Lに入射する光線Lcの入射角E15は、面12c4Lに入射する光線Lcの入射角E14よりも大きい。 The incident angle E 12 of the light ray Lc incident on the
入射角E1が大きくなると、出射角E2は大きくなる。出射角E2が大きくなると、出射角E3は小さくなる。つまり、入射角E1が大きくなると、出射角E3は小さくなる。例えば、プリズム12c5Pに入射する光線Lcの入射角E15は、プリズム12c1Pに入射する光線Lcの入射角E11よりも大きい。そのため、プリズム12c5Pから出射される光線Lcの出射角E35は、プリズム12c1Pから出射される光線Lcの出射角E31よりも小さい。As the incident angle E 1 increases, the exit angle E 2 increases. As the exit angle E 2 increases, the exit angle E 3 decreases. That is, as the incident angle E 1 increases, the exit angle E 3 decreases. For example, the incident angle E 15 of the light ray Lc incident on the prism 12c 5P is larger than the incident angle E 11 of the light ray Lc incident on the
図8に示すように、プリズム12c5Pがプリズム12c1Pよりも外周側に配置される場合には、光学部品12から出射される光線Lcは集光する。つまり、集光点A12cが発生する。図9に示すように、プリズム12c5Pがプリズム12c1Pよりも光軸C側に配置される場合には、光学部品1から出射される光線Lcは発散する。As shown in FIG. 8, when the
複数のプリズムが第1のプリズムおよび第2のプリズムを含むとする。そして、第1のプリズムは第2のプリズムよりもシリンドリカル凹レンズの光軸C12側に位置しているとする。It is assumed that a plurality of prisms include a first prism and a second prism. Then, the first prism is located on the optical axis C 12 side of the cylindrical concave lens than the second prism.
図8に示す領域12cでは、光軸C12に平行な光線Lcが面12cLに入射する入射角E1は、第2のプリズムよりも第1のプリズムの方が小さい。そのため、第1のプリズムから出射される光線Lcの出射角E3は、第2のプリズムから出射される光線Lcの出射角E3よりも大きい。In the
図9に示す領域1cでは、光軸Cに平行な光線Lcが面1cLに入射する入射角は、第2のプリズムよりも第1のプリズムの方が大きい。そのため、第1のプリズムから出射される光線Lcの出射角E3は、第2のプリズムから出射される光線Lcの出射角E3よりも小さい。In the region 1c shown in FIG. 9, the incident angle at which the light ray Lc parallel to the optical axis C is incident on the surface 1c L is larger in the first prism than in the second prism. Therefore, emission angle E 3 of the light beam Lc emitted from the first prism is smaller than the output angle E 3 of the light beam Lc emitted from the second prism.
図8に示す領域12cでは、光軸C12側のプリズムの光の出射角E3は、周辺側のプリズムの光の出射角E3よりも大きい。つまり、光軸C12側のプリズムの光の偏向量は、周辺側のプリズムの光の偏向量よりも大きい。プリズムの光の偏向量は、入射する光Lcと出射される光とがなす鋭角である。そのため、領域12cから出射される光は、集光点A12cを有する。In the
一方、図9に示す領域1cでは、光軸C側のプリズムの光の出射角E3は、周辺側のプリズムの光の出射角E3よりも小さい。つまり、光軸C側のプリズムの光の偏向量は、周辺側のプリズムの光の偏向量よりも小さい。そのため、領域1cから出射される光は発散される、そして、領域1cから出射される光は、領域12cの集光点A12cに相当する集光点を有さない。On the other hand, in the region 1c shown in FIG. 9, emission angle E 3 of the prism optical optical axis C side is smaller than the output angle E 3 of the light near the side of the prism. That is, the amount of light deflection of the prism on the optical axis C side is smaller than the amount of light deflection of the prism on the peripheral side. Therefore, the light emitted from the region 1c is diverged, and the light emitted from the region 1c does not have a focusing point corresponding to the focusing point A 12c of the region 12c.
≪領域1d≫
領域1dは、光学部品12の領域12dと同様である。面1dLは、面12dLに対応する。面1dFは、面12dFに対応する。光軸Cは、光軸C12に対応する。領域1dの構成および領域1dでの光線Ldの振る舞いに関しては、光学部品12の説明で代用する。<<
The
<太陽の挙動>
図10は、太陽の高度θと方位φとの一例を示す図である。表1には、東京における高度θの値と方位φの値とが示されている。方位φの0度は北に対応する。方位φの90度は東に対応する。方位φの180度は南に対応する。方位φの270度は西に対応する。<Behavior of the sun>
FIG. 10 is a diagram showing an example of the altitude θ and the direction φ of the sun. Table 1 shows the value of altitude θ and the value of azimuth φ in Tokyo. The 0 degree of the azimuth φ corresponds to the north. 90 degrees of azimuth φ corresponds to the east. 180 degrees of azimuth φ corresponds to the south. The 270 degree azimuth φ corresponds to the west.
以下に表1および表2を示す。単位は度である。表1および表2では、季節としては春分、夏至、秋分および冬至の値が示されている。また、時間としては10時、12時および14時の値が示されている。 Tables 1 and 2 are shown below. The unit is degrees. In Tables 1 and 2, the values of the spring equinox, the summer solstice, the autumn equinox, and the winter solstice are shown as the seasons. In addition, the values of 10 o'clock, 12 o'clock and 14 o'clock are shown as the time.
表1は、太陽の高度θと方位φとを示している。表1では、例えば、10時から14時までの値を示している。この時間帯は、太陽光(昼光)を建築物の内部に取り込むことを考慮した場合に、効果的な時間帯である。特に、太陽の高度θが低い場合には、建築物に取り込むことが可能な単位面積当たりのエネルギーが小さくなる。このため、例えば、10時から14時までが適切である。 Table 1 shows the altitude θ and the direction φ of the sun. In Table 1, for example, the values from 10:00 to 14:00 are shown. This time zone is an effective time zone when considering the intake of sunlight (daylight) into the interior of the building. In particular, when the solar zenith angle θ is low, the energy per unit area that can be taken into the building becomes small. Therefore, for example, from 10:00 to 14:00 is appropriate.
表2は、表1に示した高度θおよび方位φに位置する太陽9からの光の入射角をYZ平面とZX平面とに投影した値を示している。角度Vは、表1の太陽9の高度θおよび方位φをYZ平面に投影した場合の光の入射角である。YZ平面上の入射角は、角度Vである。角度Vの正方向は、+RX方向である。角度Hは、表1の太陽9の高度θおよび方位φをZX平面に投影した場合の光の入射角である。ZX平面上の入射角は、角度Hである。角度Hの正方向は、−RY方向である。
Table 2 shows the values obtained by projecting the incident angles of the light from the
YZ平面は、東西方向に平行な直線を含み水平面に垂直な平面である。ZX平面は、南北方向に平行な直線を含み水平面に垂直な平面である。XY平面は、水平面に平行な面である。水平面に垂直な平面は、例えば、重力方向に平行な直線を含む面である。 The YZ plane is a plane perpendicular to the horizontal plane including straight lines parallel to the east-west direction. The ZX plane is a plane perpendicular to the horizontal plane including straight lines parallel to the north-south direction. The XY plane is a plane parallel to the horizontal plane. A plane perpendicular to a horizontal plane is, for example, a plane containing a straight line parallel to the direction of gravity.
入射角は、光線が入射するときの入射方向と境界面の法線とがなす角度である。ここでは、境界面はXY平面に対応している。境界面の法線は、Z軸に対応している。そのため、+Z軸方向が0度となる。 The incident angle is the angle formed by the incident direction when the light beam is incident and the normal of the boundary surface. Here, the interface corresponds to the XY plane. The normal of the interface corresponds to the Z axis. Therefore, the + Z axis direction is 0 degrees.
YZ平面上において、角度Vの0度は+Z軸方向(空の方向)である。YZ平面上において、角度Vの−90度は+Y軸方向(東方向)である。YZ平面上において、角度Vの+90度は−Y軸方向(西方向)である。ZX平面上において、角度Hの0度は+Z軸方向(空の方向)である。ZX平面上において、角度Hの−90度は+X軸方向(南方向)である。 On the YZ plane, 0 degree of the angle V is the + Z axis direction (empty direction). On the YZ plane, −90 degrees of the angle V is in the + Y axis direction (eastward direction). On the YZ plane, +90 degrees of the angle V is the −Y axis direction (westward direction). On the ZX plane, 0 degree of the angle H is the + Z axis direction (empty direction). On the ZX plane, −90 degrees of the angle H is in the + X axis direction (south direction).
図2の採光装置100に入射する光の角度Vの成分は、光学部品1によって偏向された成分である。採光装置100に入射する光の角度Hの成分は、光偏向部品2によって偏向された成分である。
The component of the angle V of the light incident on the
表2より、光学部品1は、角度Vで−41度から+54.4度までの範囲の光を取り込めることが好ましい。また、角度Hは、1日の変化が小さいことが確認される。季節に応じて、角度Hをブラインド等で調整する。そして、ブラインド等で反射された光を光学部品1に入射させる。
From Table 2, it is preferable that the
また、窓採光用のプリズムシート(光偏向部品2)は入射した光を+Z軸方向に出射する。ここで、+Z軸方向は屋内の天井の方向である。そして、季節に関わらず、光学部品1は、+Z軸方向に偏向された光を入射する。なお、太陽光は、例えば、平行光として扱っている。
Further, the prism sheet (light deflection component 2) for window lighting emits incident light in the + Z axis direction. Here, the + Z-axis direction is the direction of the indoor ceiling. Then, regardless of the season, the
ブラインドは、通常、窓の内側に付けられる窓のための覆いのこと。ブラインドは、スラットと呼ばれる細長い板を糸で繋いでいる。そして、チルトポール(棒)またはコード(紐)によってスラットの角度は調節される。スラットはルーバーとも呼ばれる。スラットは金属またはプラスチックで作製されている。ここでは、スラットは太陽9からの光を屋内の天井の方向に反射している。
Blinds are usually covers for windows that are placed inside the windows. Blinds connect elongated boards called slats with threads. Then, the angle of the slats is adjusted by the tilt pole (rod) or the cord (string). Slats are also called louvers. The slats are made of metal or plastic. Here, the slats reflect the light from the
<採光装置100の設置例>
図11は、採光装置100を用いて建築物400の窓から昼光を採光した一例を示す図である。昼光は光線Lである。建築物400は、例えば、7階建てである。採光装置100は、建築物400の+X軸側(南側)に面した窓に設置されている。採光装置100は、例えば、窓の上側(+Z軸側)に設置されている。<Installation example of
FIG. 11 is a diagram showing an example in which daylight is taken from the window of the
採光装置100は、入射した昼光をY軸方向(東西方向)に発散させる。また、採光装置100は、集光点の発生を抑制する。昼光を発散させることによって、例えば、グレアを軽減することができる。グレアは、不快感や物の見えづらさを生じさせるような「まぶしさ」のことである。採光装置100は、反射グレアを軽減することができる。反射グレアは、例えば、天井で太陽9からの強い光が反射して生じる。
The
<光学部品1のシミュレーション条件>
図12は、光学部品1のシミュレーションを行う条件を示す図である。<Simulation conditions for
FIG. 12 is a diagram showing conditions for simulating the
光学部品1は、例えば、正方形の板形状をしている。光学部品1は、YZ平面に平行に配置されている。光学部品1の一辺の長さWoは、例えば、100mmである。また、光学部品1の入射面から評価面Pまでの距離Dは21mである。ここで、光学部品1の入射面は平面部1eである。光学部品1の材質はPMMA(Polymethyl methacrylate)である。なお、光学部品1の材質はポリカーボネート(PC)でも構わない。その場合には、ポリカーボネートの屈折率はPMMAの屈折率と異なる。そのため、ポリカーボネートの場合のレンズ形状はPMMAの場合のレンズ形状と異なる。
The
光学部品1のシリンドリカルレンズは、Y軸方向に曲率を有している。光学部品1の焦点距離は、領域1cを除いて35mmである。なお、領域1cにおいては、プリズムの配列を凹レンズの配列に対して逆にしている。そのため、領域1cの焦点距離は35mmとはならない。光学部品1の領域1a,1b,1dは、偶数次非球面のプリズムを有するフレネルレンズである。光学部品1は、入射角が−55度から+55度までの光線を取り込むように設計されている。なお、領域1a,1b,1dの形状に関して、曲率、コーニック定数および非球面係数の各々の絶対値は等しい。
The cylindrical lens of the
評価面Pは、例えば、正方形の形状をしている。評価面Pは、YZ平面に平行に配置されている。評価面Pの一辺の長さWpは、例えば、35.24mである。評価面Pの大きさは、角度βが40度となるように決定した。角度βは、下記式(1)で示される。角度βの正方向は、−RZ方向である。なお、「/」は除算を表す。
β=arctan((Wp/2)/D) ・・・(1)The evaluation surface P has, for example, a square shape. The evaluation surface P is arranged parallel to the YZ plane. The length Wp of one side of the evaluation surface P is, for example, 35.24 m. The size of the evaluation surface P was determined so that the angle β was 40 degrees. The angle β is represented by the following equation (1). The positive direction of the angle β is the −RZ direction. In addition, "/" represents division.
β = arctan ((Wp / 2) / D) ・ ・ ・ (1)
光源Sは、平行光線を出射する。矩形形状の平行光線が光学部品1に入射する。光源Sの大きさは、平行光線が光学部品1に入射する際の入射角αに応じて変更される。
The light source S emits parallel rays. A rectangular parallel ray is incident on the
入射角αは、XY平面上の角度である。入射角αの正方向は、+RZ方向である。入射角αは、+Z軸方向側から見て、+X軸方向に対して反時計回りで正の値を取る。例えば、入射角αが0度の場合には、平行光線はX軸に平行である。そして、平行光線は+X軸方向から光学部品1に入射する。例えば、入射角αが90度の場合には、平行光線はY軸に平行である。そして、平行光線は+Y軸方向から光学部品1に入射する。
The incident angle α is an angle on the XY plane. The positive direction of the incident angle α is the + RZ direction. The incident angle α takes a positive value counterclockwise with respect to the + X axis direction when viewed from the + Z axis direction side. For example, when the incident angle α is 0 degrees, the parallel rays are parallel to the X axis. Then, the parallel light beam is incident on the
例えば、入射角αが0度の場合には、光源Sは正方形の形状をしている。そして、光源Sの一辺の長さWsは、例えば、99mmである。入射角αが30度の場合には、光源Sは長方形の形状をしている。そして、光源Sの短辺の長さWs1は、例えば、86mmである(99mm×cos((30°×π)/180°)≒86mm)。短辺の長さWs1は、光源SのYZ平面上のY方向の長さである。そして、光源Sの長辺の長さWs2は、例えば、99mmである。長辺の長さWs2は、光源SのYZ平面上のZ方向の長さである。なお、「×」は乗算を表す。「°」は角度の単位の「度」を表す。また、「≒」は近似的に等しいことを表す。For example, when the incident angle α is 0 degrees, the light source S has a square shape. The length Ws of one side of the light source S is, for example, 99 mm. When the incident angle α is 30 degrees, the light source S has a rectangular shape. The length Ws 1 of the short side of the light source S is, for example, 86 mm (99 mm × cos ((30 ° × π) / 180 °) ≈86 mm). The length Ws 1 of the short side is the length of the light source S in the Y direction on the YZ plane. The length Ws 2 of the long side of the light source S is, for example, 99 mm. The length Ws 2 of the long side is the length of the light source S in the Z direction on the YZ plane. In addition, "x" represents multiplication. "°" represents the unit of angle "degree". Further, "≈" indicates that they are approximately equal.
シミュレーションでは、評価面P上におけるY軸方向の光の強度分布を求めている。入射角αの条件は、0度、15度、30度、45度および55度である。 In the simulation, the light intensity distribution in the Y-axis direction on the evaluation surface P is obtained. The conditions of the incident angle α are 0 degree, 15 degree, 30 degree, 45 degree and 55 degree.
<光学部品1のシミュレーション結果>
図13は、光学部品1のシミュレーション結果を示す図である。縦軸は、入射角αを変化させた場合の最大の光強度で正規化した相対光強度[a.u.]である。横軸は、評価面PのY軸方向の位置[mm]である。なお、横軸は、評価面Pと光軸Cとの交点を中心としている。<Simulation result of
FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of the
図13(A)では、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが15度の場合を破線で示している。入射角αが30度の場合を点線で示している。 In FIG. 13A, the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 15 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by the dotted line.
図13(B)では、入射角αが45度の場合を実線で示している。入射角αが55度の場合を破線で示している。 In FIG. 13B, the case where the incident angle α is 45 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by a broken line.
図13(A)に示すように、入射角αが30度(点線)の場合には、+Y軸方向側の光強度が減少している。また、図13(B)に示すように、入射角αが55度(破線)の場合には、−Y軸方向側の光強度が減少している。入射角αの変化に関わらず、光強度の強い箇所は評価面Pの中心付近に位置する。 As shown in FIG. 13A, when the incident angle α is 30 degrees (dotted line), the light intensity on the + Y axis direction side is reduced. Further, as shown in FIG. 13B, when the incident angle α is 55 degrees (broken line), the light intensity on the −Y axis direction side is reduced. Regardless of the change in the incident angle α, the portion having strong light intensity is located near the center of the evaluation surface P.
光の発散によってグレアは軽減している。そして、光学部品1によって、入射角αの依存性を低減した光強度分布が得られる。
Glare is reduced by the divergence of light. Then, the
<光学部品12との比較>
<Comparison with
図14は、光学部品12のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションの条件は、図12に示す光学部品1の条件と同様である。光学部品12は、フレネル形状の凹レンズである。光学部品12の曲率、コーニック定数および非球面係数の各々の絶対値は、図13の光学部品1の領域1a,1b,1dの形状の値と等しい。
FIG. 14 is a diagram showing a simulation result of the
縦軸は、入射角αを変化させた場合の最大の光強度で正規化した相対光強度[a.u.]である。横軸は、評価面PのY軸方向の位置[mm]である。なお、横軸は、評価面Pと光軸C12の交点を中心としている。The vertical axis is the relative light intensity normalized by the maximum light intensity when the incident angle α is changed [a. u. ]. The horizontal axis is the position [mm] of the evaluation surface P in the Y-axis direction. The horizontal axis is centered on the intersection of the evaluation surface P and the optical axis C 12.
図14(A)では、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが15度の場合を破線で示している。入射角αが30度の場合を点線で示している。 In FIG. 14A, the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 15 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by the dotted line.
図14(B)では、入射角αが45度の場合を実線で示している。入射角αが55度の場合を破線で示している。 In FIG. 14B, the case where the incident angle α is 45 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by a broken line.
入射角αが0度、15度および30度の場合には、図13に示す光学部品1の結果は、光学部品12の結果と比較してほぼ同等である。また、入射角αが45度と55度の場合も同様に、図13に示す光学部品1の結果は、光学部品12の結果と比較してほぼ同等である。従って、光学部品1は、光学部品12と同等の発散の効果を得ている。
When the incident angles α are 0 degrees, 15 degrees, and 30 degrees, the result of the
<変形例1>
図15は変形例1に係る採光装置200の構成を示す構成図である。採光装置200は、光学部品1を2つ備えている。また、採光装置200は、光偏向部品2を備えていない。採光装置200は、これらの点において採光装置100と相違する。光学部品1に関する説明は、採光装置100での説明で代用する。2つの光学部品1を区別するために、光学部品1NSと光学部品1EWとして説明する。<Modification example 1>
FIG. 15 is a configuration diagram showing the configuration of the
板形状の光学部品1NSおよび光学部品1EWは、XY平面に平行に配置されている。光学部品1NSの平面部1eと光学部品1EWの平面部1eとは、XY平面に平行である。光学部品1NSは、光学部品1EWよりも+Z軸方向側に配置されている。光学部品1NSと光学部品1EWとは、Z軸方向に重ねて配置されている。光学部品1NSの平面部1eと光学部品1EWの平面部1eとは、+Z軸方向側に位置している。日中の太陽は+Z軸方向側に位置する。つまり、+Z軸方向側が空(天頂)の方向である。そのため、光は平面部1e側から光学部品1NS,1EWに入射する。The plate-shaped
光学部品1NS,1EWは、シリンドリカルレンズの曲率を有する方向において、光軸Cに対して対称な形状をしている。光学部品1NSと光学部品1EWとは、曲率を有する方向が互いに直交して配置されている。図15において、光学部品1NSの曲率を有する方向は、X軸(南北方向)に平行である。光学部品1EWの曲率を有する方向は、Y軸(東西方向)に平行である。The
≪吹き抜け40を用いた建築物の採光例≫
図16は、採光装置200が設置された構成を示す構成図である。採光装置200は、例えば、建築物410の屋上に設置されている。採光装置200は、例えば、建築物410の吹き抜け40を通して昼光を採光する。≪Example of lighting of a
FIG. 16 is a configuration diagram showing a configuration in which the
建築物410は、例えば、7階建てである。建築物410の1つの階の高さHaは、例えば、3mである。建築物410の高さHbは、例えば、22.5mである。
The
吹き抜け40の断面は、例えば、正方形の形状をしている。吹き抜け40の断面は、XY平面に平行な断面である。吹き抜け40の一辺の長さWcは、例えば、4mである。高さHa,Hbと長さWcとから、取り込む昼光の発散角γ1は下式(2)で表される。なお、発散角γ1は半角である。
γ1=arctan((Wc/2)/(Hb−7×Ha))・・・(2)The cross section of the
γ 1 = arctan ((Wc / 2) / (Hb-7 × Ha)) ... (2)
式(2)より、建築物410の上層階から下層階までに光を導く場合には、採光装置200から出射される光の発散角γ1は約53度である。採光装置200から出射される光の発散角は、全角で約106度である。From the equation (2), when the light is guided from the upper floor to the lower floor of the
また、採光装置200の出射面に光を発散させる構造などを設けることによって、建築物410の上層階に光を到達させることは容易である。このため、光の発散角γ1を約53度よりも狭くした場合でも、上層階から下層階まで昼光を到達させることができる。Further, it is easy to allow the light to reach the upper floors of the
建築物410の各階に光を到達させるためには、建築物410の最上階から1階までに到達する光が存在することが好ましい。建築物410の1階の床面に到達する光は、下式(3)の発散角γ2で出射された光である。なお、発散角γ2は半角である。
γ2=arctan((Wc/2)/Hb)・・・(3)In order for the light to reach each floor of the
γ 2 = arctan ((Wc / 2) / Hb) ... (3)
式(3)に建築物410の値を代入すると、発散角γ2は約5度となる。従って、建築物410の1階で採光する場合には、半角が5度以上の発散角γ2の光が存在することが好ましい。Substituting the value of the
図15に示す採光装置200を図16の建築物410に適用する。これによって、建築物410の内部に昼光を導光することが可能となる。また、採光装置200は、例えば、太陽9の動きに追尾するための駆動部を必要としない。また、例えば、室内に昼光を導光するためには、吹き抜け40に面した窓面に窓採光用のフィルムなどを貼ることができる。
The
窓採光用のフィルムは、例えば、光偏向部品2である。各階の窓に設けられた光偏向部品2は、吹き抜け40から各階に入射する光の入射角の違いを低減して、太陽光を屋内に導くことができる。これによって、昼光を屋内に導くことが可能となる。なお、採光量は、吹き抜け40の一辺の長さWcに大きく依存する。
The film for window lighting is, for example, a
変形例1では、採光装置200を吹き抜け40に設置する場合を示している。しかし、採光装置200の設置は吹き抜け40でなくともかまわない。近接する建築物の間に採光装置200を取り付けて、建築物の間の暗部を軽減しても良い。
≪採光装置200の設置例≫
採光装置200を建築物410に設置した場合の詳細を説明する。図15は、採光装置200の構成図である。ここで、採光装置200を建築物410に設置する場合には、図15に示す+Y軸方向は東である。−Y軸方向は西である。+X軸方向は南である。−X軸方向は北である。つまり、光学部品1NSの曲率を有する方向は、南北方向(X軸方向)である。光学部品1EWの曲率を有する方向は、東西方向(Y軸方向)である。<< Installation example of
Details of the case where the
光学部品1NSは、+Z軸方向から光を入射する。ここで、入射する光は、屋外の昼光である。光学部品1NSは、−Z軸方向に光を出射する。光学部品1NSは、光学部品1EWに向けて光を出射する。光学部品1NSは、南北方向(X軸方向)に光を発散させる。
光学部品1EWは、+Z軸方向から光を入射する。ここで、入射する光は、光学部品1NSが出射した光である。光学部品1EWは、−Z軸方向に光を出射する。光学部品1EWは、例えば、吹き抜け40に向けて光を出射する。光学部品1EWは、東西方向(Y軸方向)に光を発散させる。
採光装置200は、光学部品1NSと光学部品1EWとの2枚の光学部品1を備えている。そして、採光装置200は、南北方向と東西方向とに光を発散させる。採光装置200によって発散された光は、−Z軸方向に進行する光線を含んでいる。採光装置200は、太陽9が移動した場合でも、−Z軸方向に進行する光線を含む発散光を出射する。これによって、採光装置200は、太陽を追尾することなく、屋上から昼光を採光して、建築物410の各階に導光することができる。図16に示す建築物410に採光装置200を設置した場合には、吹き抜け40に面する各階に昼光を導光することが可能となる。The
平行光線(昼光)の入射角αに対する光強度の分布は、図13に示した光強度の分布と同じである。図15(A)に示すように、YZ平面上の入射角は入射角αEWである。図15(B)に示すように、ZX平面上の入射角は入射角αNSである。入射角αEWの正方向は、+RX方向である。入射角αNSの正方向は、+RY方向である。光学部品1NS,1EWから出射される光は、例えば、−Z軸方向に対して±40度の角度で発散している。The distribution of light intensity with respect to the incident angle α of parallel light rays (daylight) is the same as the distribution of light intensity shown in FIG. As shown in FIG. 15A, the incident angle on the YZ plane is the incident angle α EW . As shown in FIG. 15B, the incident angle on the ZX plane is the incident angle α NS . The positive direction of the incident angle α EW is the + RX direction. The positive direction of the incident angle α NS is the + RY direction. The light emitted from the
なお、北半球の日本では、太陽は北側に位置することはない。そのため、光軸Cに対して光学部品1NSの−X軸側の部分を削除することができる。そして、光軸Cに対して光学部品1NSの+X軸側の部分を2つ並べて配置することができる。南半球では、光軸Cに対して光学部品1NSの+X軸側の部分を削除することができる。そして、光軸Cに対して光学部品1NSの−X軸側の部分を2つ並べて配置することができる。In Japan in the Northern Hemisphere, the sun is never located on the north side. Therefore, the portion of the optical component 1 NS on the −X axis side with respect to the optical axis C can be deleted. Then, two portions of the optical component 1 NS on the + X axis side can be arranged side by side with respect to the optical axis C. In the Southern Hemisphere, the + X-axis side portion of the optical component 1 NS with respect to the optical axis C can be deleted. Then, two portions of the optical component 1 NS on the −X axis side can be arranged side by side with respect to the optical axis C.
≪採光装置200のシミュレーション条件≫
図17は採光装置200のシミュレーションの条件を示す図である。図17に示された光学部品1NS,1EWの配置は、図15(B)と同様である。<< Simulation conditions for
FIG. 17 is a diagram showing the simulation conditions of the
光学部品1NS及び光学部品1EWは、例えば、正方形の板形状をしている。光学部品1NS,1EWは、XY平面に平行に配置されている。光学部品1NS,1EWの一辺の長さWoは、例えば、100mmである。光学部品1NSは光学部品1EWの+Z軸方向に配置されている。光学部品1NSと光学部品1EWとのZ方向の間隔は1mmである。光学部品1NSの入射面から評価面Pまでの距離Dは21mである。ここで、光学部品1NS,1EWの入射面は平面部1eである。光学部品1NS,1EWの材質はPMMAである。なお、光学部品1の材質はポリカーボネート(PC)でも構わない。その場合には、ポリカーボネートの屈折率はPMMAの屈折率と異なる。そのため、ポリカーボネートの場合のレンズ形状はPMMAの場合のレンズ形状と異なる。The
光学部品1NSのシリンドリカルレンズは、X軸方向に曲率を有している。光学部品1EWのシリンドリカルレンズは、Y軸方向に曲率を有している。光学部品1NS,1EWの焦点距離は、領域1cを除いて35mmである。光学部品1NS,1EWの領域1a,1b,1dは、偶数次非球面のプリズムを有するフレネルレンズである。光学部品1NS,1EWは、入射角が−55度から+55度までの光線を取り込むように設計されている。なお、領域1a,1b,1dの形状に関して、曲率、コーニック定数および非球面係数の各々の絶対値は等しい。
評価面Pは、例えば、正方形の形状をしている。評価面Pは、XY平面に平行に配置されている。評価面Pの一辺の長さWpは、例えば、35.24mである。評価面Pの大きさは、角度βが40度となるように決定されている。角度βは、式(1)で表される。角度βの正方向は、+RY方向である。 The evaluation surface P has, for example, a square shape. The evaluation surface P is arranged parallel to the XY plane. The length Wp of one side of the evaluation surface P is, for example, 35.24 m. The size of the evaluation surface P is determined so that the angle β is 40 degrees. The angle β is represented by the equation (1). The positive direction of the angle β is the + RY direction.
光源Sは、平行光線を出射する。矩形形状の平行光線が光学部品1NSに入射する。光源Sの大きさは、平行光線が光学部品1NSに入射する際の入射角αに応じて変更される。The light source S emits parallel rays. A rectangular parallel ray is incident on the optical component 1 NS. The size of the light source S is changed according to the incident angle α when the parallel light beam is incident on the optical component 1 NS.
入射角αは、ZX平面上の角度である。+X軸方向は南の方向である。入射角αの正方向は、+RY方向である。入射角αは、+Y軸方向側から見て、+Z軸方向に対して反時計回りで正の値を取る。例えば、入射角αが0度の場合には、平行光線はZ軸に平行である。そして、平行光線は+Z軸方向から光学部品1NSに入射する。例えば、入射角αが90度の場合には、平行光線はX軸に平行である。そして、平行光は+X軸方向から光学部品1NSに入射する。入射角αに対する光源Sの大きさは、座標は異なるが、図12の説明と同様である。The incident angle α is an angle on the ZX plane. The + X-axis direction is the south direction. The positive direction of the incident angle α is the + RY direction. The incident angle α takes a positive value counterclockwise with respect to the + Z axis direction when viewed from the + Y axis direction side. For example, when the incident angle α is 0 degrees, the parallel rays are parallel to the Z axis. Then, the parallel light beam is incident on the optical component 1 NS from the + Z axis direction. For example, when the incident angle α is 90 degrees, the parallel rays are parallel to the X axis. Then, the parallel light is incident on the optical component 1 NS from the + X axis direction. The magnitude of the light source S with respect to the incident angle α is the same as the description of FIG. 12, although the coordinates are different.
≪採光装置200のシミュレーション結果≫
図18は、図17に示す構成のシミュレーション結果を示す図である。<< Simulation result of
FIG. 18 is a diagram showing a simulation result of the configuration shown in FIG.
図19は、図17に示す構成において、光学部品1NSと光学部品1EWとのZ軸方向の配置を逆にした場合のシミュレーション結果を示す図である。つまり、光学部品1EWが光学部品1NSの+Z軸側に配置されている。なお、図17では、光学部品1NSが光学部品1EWの+Z軸側に配置されている。FIG. 19 is a diagram showing a simulation result when the arrangement of the optical component 1 NS and the
縦軸は、入射角αを変化させた場合の最大の光強度で正規化した相対光強度[a.u.]である。横軸は、評価面PのX軸方向またはY軸方向の位置[mm]である。なお、横軸は、評価面Pと光軸Cとの交点を中心としている。 The vertical axis is the relative light intensity normalized by the maximum light intensity when the incident angle α is changed [a. u. ]. The horizontal axis is the position [mm] of the evaluation surface P in the X-axis direction or the Y-axis direction. The horizontal axis is centered on the intersection of the evaluation surface P and the optical axis C.
図18(A)では、横軸は、評価面PのX軸方向の位置[mm]である。また、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが30度の場合を破線で示している。入射角αが55度の場合を点線で示している。 In FIG. 18A, the horizontal axis is the position [mm] of the evaluation surface P in the X-axis direction. Further, the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by the dotted line.
図18(B)では、横軸は、評価面PのY軸方向の位置[mm]である。また、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが30度の場合を破線で示している。入射角αが55度の場合を点線で示している。 In FIG. 18B, the horizontal axis is the position [mm] of the evaluation surface P in the Y-axis direction. Further, the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by the dotted line.
図18(A)に示すように、入射角αが30度(破線)の場合には、+X軸方向側の光強度が減少している。また、入射角αが55度(点線)の場合には、−X軸方向側の光強度が減少している。入射角αの変化に関わらず、光強度の強い箇所は評価面Pの中心付近に位置する。 As shown in FIG. 18A, when the incident angle α is 30 degrees (broken line), the light intensity on the + X axis direction side is reduced. Further, when the incident angle α is 55 degrees (dotted line), the light intensity on the −X axis direction side is reduced. Regardless of the change in the incident angle α, the portion having strong light intensity is located near the center of the evaluation surface P.
図18(B)に示すように、評価面PのY軸方向の位置においては、入射角αの変化に関わらず、出射光は均一に発散している。0度、30度および55度の各入射角αの傾向が同様であることが確認できる。 As shown in FIG. 18B, at the position of the evaluation surface P in the Y-axis direction, the emitted light is uniformly diverged regardless of the change in the incident angle α. It can be confirmed that the tendency of each incident angle α of 0 degree, 30 degree and 55 degree is the same.
図19(A)では、横軸は、評価面PのX軸方向の位置[mm]である。また、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが30度の場合を破線で示している。入射角αが55度の場合を点線で示している。 In FIG. 19A, the horizontal axis is the position [mm] of the evaluation surface P in the X-axis direction. Further, the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by the dotted line.
図19(B)では、横軸は、評価面PのY軸方向の位置[mm]である。また、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが30度の場合を破線で示している。入射角αが55度の場合を点線で示している。 In FIG. 19B, the horizontal axis is the position [mm] of the evaluation surface P in the Y-axis direction. Further, the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by the dotted line.
図19(A)に示すように、入射角αが30度(破線)の場合には、+X軸方向側の光強度が減少している。また、入射角αが55度(点線)の場合には、−X軸方向側の光強度が減少している。入射角αの変化に関わらず、光強度の強い箇所は評価面Pの中心付近に位置する。図19(A)は、図18(A)と同様の傾向を示している。 As shown in FIG. 19A, when the incident angle α is 30 degrees (broken line), the light intensity on the + X axis direction side is reduced. Further, when the incident angle α is 55 degrees (dotted line), the light intensity on the −X axis direction side is reduced. Regardless of the change in the incident angle α, the portion having strong light intensity is located near the center of the evaluation surface P. FIG. 19 (A) shows the same tendency as that of FIG. 18 (A).
図19(B)に示すように、評価面PのY軸方向の位置においては、入射角αが55度(点線)の場合には、Y軸の中心から1.55×104[mm]よりも外側の領域では光がほとんど到達していない。つまり、相対光強度は0.01[a.u.]以下である。そして、光がほとんど到達していない領域は、Y軸方向の正側および負側で発生している。As shown in FIG. 19B, at the position of the evaluation surface P in the Y-axis direction, when the incident angle α is 55 degrees (dotted line), 1.55 × 10 4 [mm] from the center of the Y-axis. Little light reaches the area outside. That is, the relative light intensity is 0.01 [a. u. ] It is as follows. The regions where the light hardly reaches are generated on the positive side and the negative side in the Y-axis direction.
採光装置200では、X軸方向及びY軸方向に光を発散させることが好ましい。図19(B)では、Y軸方向の発散幅が狭くなっている。図19の構成は、光の発散の幅が狭い点で、図18の構成より劣る。
In the
光学部品1EWは、X軸方向にプリズムの溝が延在した形状である。このため、図17に示すように、X軸方向に角度を有した平行光線Lが入射する場合には、平行光線Lの入射角αが0度の場合と比較して異なってくる。図17では、平行光線LはZX平面上で傾斜して光学部品1NSに入射している。The
例えば、光学部品1に直線状の光を入射させる。直線状の光は、光学部品1の曲率を有する方向に平行である。例えば、図17の光学部品1NSでは、X軸方向に延びた直線状の光が光学部品1NSに入射する。直線状の光が光学部品1に対して垂直に入射する場合には、光学部品1から出射される光は発散している。そして、光学部品1から出射される光の直線状の形状は維持される。つまり、評価面P上の光は直線状である。For example, linear light is incident on the
しかし、直線状の光が光学部品1の曲率を有する方向に直角な方向に傾斜して入射する場合には、光学部品1から出射される光は発散している。ここで、「直線状の光が傾斜して入射する」とは、光学部品1に対して垂直に入射する直線状の光が光学部品1の曲率を有する方向に平行な軸を中心に回転した状態で入射することである。上述の図17の光学部品1NSの例では、直線状の光はRX方向に傾斜した状態で光学部品1NSに入射する。そして、光学部品1から出射される光の直線状の形状は歪曲される。つまり、評価面P上の光は歪曲している。「歪曲」とは、ゆがみまがることである。However, when the linear light is inclined in a direction perpendicular to the direction having the curvature of the
また、光軸Cを中心とした凹面形状の周辺部分において、歪曲の度合いは大きい。つまり、光学部品1の周辺部分の光の出射角は、光軸C付近の出射角よりも大きい。図17の光学部品1NSの例では、光軸Cと交差してX軸に平行な直線状の光はRX方向に傾斜した状態で光学部品1NSに入射している。この場合には、XY平面(評価面P)上の光は、−Y軸方向に凸形状でY軸に対称に曲がった形状をしている。Further, the degree of distortion is large in the peripheral portion of the concave surface shape centered on the optical axis C. That is, the emission angle of the light in the peripheral portion of the
光学部品1に入射する光は平行光であることが望ましい。また、上述のように、一日の内の10時から14時までの採光で採光装置を設計すると、東西方向の入射角の最大値は、冬至の14時で約54度となる。一方、一年を通しての南北方向の南中時の入射角は、夏至で約10度となり、冬至で約60度となる。南北方向の入射角の最大値は、冬至の14時で約65度となる。そのため、光学部品1から出射される光の歪曲の度合いは、東西方向よりも南北方向の方が大きくなる。
It is desirable that the light incident on the
例えば、光学部品1NSに太陽光Lが入射した後に光学部品1EWに入射する場合には、冬至の時期に、光学部品1NSは60度の入射角の光を入射する。そして、光学部品1NSから出射される光は、光軸Cに平行な光線を含む発散光に変換される。そして、光学部品1EWは光軸Cに平行な光線を含む発散光を入射する。そのため、入射角が60度の光の影響を緩和することができる。そして、評価面P上において出射光が到達する領域が狭くなることは低減される。For example, when sunlight L is incident on the optical component 1 NS and then is incident on the
一方、光学部品1EWに太陽光Lが入射した後に光学部品1NSに入射する場合には、冬至の時期に、光学部品1EWは60度の入射角の光を入射する。そして、光学部品1EWから出射される光は歪曲した光となる。つまり、光学部品1EWから出射される光の平行性は低下する。そのため、入射角が60度の光の影響を緩和することができない。そして、評価面P上において出射光が到達する領域は狭くなる。On the other hand, when the sunlight L is incident on the optical component 1 EW and then is incident on the
図15では、光学部品1NSは、光学部品1EWの+Z軸側に配置されている。採光装置200は、太陽光を+Z軸側から受ける。太陽光は、採光装置200の+Z軸側から入射する。光学部品1NSは、入射した光をX軸方向(南北方向)に発散する。光学部品1EWは、入射した光をY軸方向(東西方向)に発散する。図15に示す採光装置200は、出射光が到達する領域が狭くなることを低減する。
<変形例2>
図20は変形例2に係る採光装置300の構成を示す構成図である。図20(A)は、採光装置300を+Z軸方向側から見た構成図である。図20(B)は、採光装置300を−Y軸方向側から見た構成図である。In FIG. 15, the
<
FIG. 20 is a configuration diagram showing the configuration of the
図21は、採光装置300の光学部品10の光線追跡の結果の一例を示す図である。図21は、光学部品10の平面部1e側から平行光線(光線L)を入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。境界部10bc、領域10cおよび領域10dに関しては、部分詳細図を付している。
FIG. 21 is a diagram showing an example of the result of ray tracing of the
図22は、光学部品10の光学面部10f側から平行光線(光線L)を入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。図20、21、22において、平行光線(光線L)は、+X軸方向側から光学部品10に入射している。
FIG. 22 is a diagram showing the behavior of light rays when parallel light rays (light rays L) are incident from the
光学部品10は、領域10cをフレネル形状のシリンドリカル凸レンズで置き換えている点で光学部品1と相違する。その他の点に関しては、光学部品1の説明で光学部品10の説明を代用する。
The
<フレネル形状の凸レンズの光学部品11>
まず、フレネル形状のシリンドリカル凸レンズが形成された光学部品11について説明する。つまり、光学部品11は、通常のフレネル形状のシリンドリカル凸レンズである。光学部品11は、フレネル形状の凸レンズである。光学部品11は、例えば、凸部のみで形成されている。<
First, the
図23および図24に光学部品11の光線追跡の結果の一例を示す。図23は、光学部品11の平面部11eの側から平行光Lを入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。図24は、光学部品11の光学面部11fの側から平行光Lを入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。
23 and 24 show an example of the result of ray tracing of the
《平面部11eおよび光学面部11f》
図23に示す光学部品11は、一方の面が平面(平面部11e)で他方の面(光学面部11f)にフレネル形状のシリンドリカル凸レンズが形成されている。光学部品11は、一つの面が平面である。光学部品11の一つの面は、平面形状を含んでいる。平面側の面を平面部11eと呼ぶ。光学部品11は、他の面がシリンドリカルレンズの形成された面である。シリンドリカルレンズの形成された側の面を光学面部11fと呼ぶ。光学面部11fは、平面部11eと対向している。シリンドリカルレンズと対向する領域は平面形状をしている。<<
In the
光学面部11fは、例えば、シリンドリカル凸レンズ面の形状を含んでいる。シリンドリカル凸レンズ面は、フレネル形状を含んでいる。光学面部11fは、例えば、4つのシリンドリカル凸レンズ面の領域11a,11b,11c,11dを含んでいる。各領域11a,11b,11c,11dのプリズムは、プリズム11aP,11bP,11cP,11dPである。The
《プリズム形状》
各プリズムのレンズ面に対応する面は、面11aL,11bL,11cL,11dLである。各プリズムの面11aL,11bL,11cL,11dLは、光軸C11に対して傾斜している。各溝の傾斜した面11aL,11bL,11cL,11dLはレンズ面である。《Prism shape》
The surfaces corresponding to the lens surfaces of each prism are
各プリズムの他の面は、面11aF,11bF,11cF,11dFである。各プリズムの他の面11aF,11bF,11cF,11dFは、説明を簡単にするために、平面部11eに垂直な面としている。面11aF,11bF,11cF,11dFは、例えば、平面である。また、面11aF,11bF,11cF,11dFは、例えば、成型時の生産性を考慮して抜き勾配の範囲で傾斜してもよい。The other surfaces of each prism are
光学部品11は凸レンズである。そのため、各プリズムの光軸C11側の面は、面11aF,11bF,11cF,11dFである。各プリズムの周辺側の面は、面11aL,11bL,11cL,11dLである。The
光軸C11から+Y軸方向に向けて、光学部品11の領域は、領域11a、領域11b、領域11cそして領域11dの順に配置されている。光学部品11は、Y軸方向において、光軸C11に対して対称であるため、光軸C11から−Y軸方向の説明は省略する。The regions of the
《領域11a》
領域11aは、シリンドリカル凸レンズの光軸C11を含む領域である。領域11aは、シリンドリカル凸レンズの光軸C11に接する領域である。<<
The
図23に示すように、領域11aでは、平面部11eから入射した光線Laは1回の屈折で出射される。領域11aでは、平面部11eから入射した光線Laは面11aLで屈折して出射される。領域11aから出射される光は集光光である。領域11aから出射される光は集光点A11aに集光する。集光点A11aは、光軸C11上に位置する。As shown in FIG. 23, in the
図24に示すように、領域11aでは、光学面部11fから入射した光線Laは1回の屈折で出射される。領域11aでは、光学面部11fから入射した光線Laは面11aLで屈折して出射される。領域11aから出射される光は集光光である。領域11aから出射される光は焦点F11に集光する。As shown in FIG. 24, in the
《領域11b》
領域11bは、領域11aよりも光軸C11に対して周辺側に位置する領域である。<<
The
図23に示すように、領域11bでは、平面部11eから入射した光線Lbは1回の反射で−Y軸方向に出射される。領域11bでは、平面部11eから入射した光線Lbは面11bLで反射されて面11bFから−Y軸方向に出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。面11bFから出射された光線Lbは、光軸C11側のプリズムに入射する。そのため、採光装置100では、利用されない光となる。As shown in FIG. 23, in the
図24に示すように、領域11bでは、光学面部11fから入射した光線Lbは1回の屈折で出射される。領域11bでは、光学面部11fから入射した光線Lbは面11bLで屈折して出射される。領域11bから出射される光は集光光である。領域11bから出射される光は焦点F11に集光する。As shown in FIG. 24, in the
《領域11c》
領域11cは、領域11bよりも光軸C11に対して周辺側に位置する領域である。<<
The
図23に示すように、領域11cでは、平面部11eから入射した光線Lcは1回の反射をした後に1回の屈折で出射される。領域11cでは、平面部11eから入射した光線Lcは面11cLで反射をした後に面11cFで屈折して出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。領域11cから出射される光は発散された光である。発散された光を発散光と呼ぶ。領域11cから出射される発散光は、光学部品11の光軸C11側に進行する。As shown in FIG. 23, in the
図24に示すように、領域11cでは、光学面部11fから入射した光線Lcは1回の屈折で出射される。領域11cでは、光学面部11fから入射した光線Lcは面11cLで屈折して出射される。領域11cから出射される光は集光光である。領域11cから出射される光は焦点F11に集光する。As shown in FIG. 24, in the
《領域11d》
領域11dは、領域11cよりも光軸C11に対して周辺側に位置する領域である。<<
The
図23に示すように、領域11dでは、平面部11eから入射した光線Ldは2回の反射をした後に1回の屈折で出射される。領域11dでは、平面部11eから入射した光線Ldは面11dLで反射をして面11dFで反射をした後に面11dLで屈折して出射される。ここでの反射は、例えば、全反射である。領域11dから出射される光は集光光である。領域11dから出射される光は集光点A11dに集光する。集光点A11dは、光学部品11の周辺側に位置する。集光点A11dは、領域11dよりも周辺側に位置する。As shown in FIG. 23, in the
図24に示すように、領域11dでは、光学面部11fから入射した光線Ldは1回の屈折で出射される。領域11dでは、光学面部11fから入射した光線Ldは面11dLで屈折して出射される。領域11dから出射される光は集光光である。領域11dから出射される光は焦点F11に集光する。As shown in FIG. 24, in the
光学部品11の凸レンズ面と光学部品12の凹レンズ面との曲率半径、非球面係数およびコーニック定数の絶対値を等しくする。そして、光学部品11,12のプリズムの溝深さを一定とする場合には、光学部品11の凸レンズ面の厚みを増す必要がある。特に、周辺部分のプリズムで光学部品11の凸レンズ面の厚みを増す必要がある。周辺部分のプリズムは、例えば、領域11cおよび領域11dのプリズムである。領域11cおよび領域11dは、光学部品11の周辺部分の領域である。
The absolute values of the radius of curvature, the aspherical coefficient, and the conic constant of the convex lens surface of the
しかし、光学部品11,12の厚みの差によって、光学部品11の焦点距離と光学部品12の焦点距離とは異なる。つまり、焦点距離が光学部品11と光学部品12とで異なる。そのため、領域11cの焦点距離と領域12cの焦点距離とは異なる。
However, the focal length of the
光学部品10では、光学部品12の領域12cのプリズム形状を光学部品11の領域11cのプリズム形状に変更している。領域10a,10b,10dのプリズム形状は、領域12a,12b,12dのプリズム形状と同じである。領域10cのプリズム形状は、領域11cのプリズム形状と同じである。そのため、光学部品10では、領域10c以外の領域10a,10b,10dの焦点距離と領域10cの焦点距離とが異なる。
In the
焦点距離を合わせるために、プリズムの溝の深さを異ならせることも可能である。しかし、光学部品10の製造上、領域10a,10b,10dのプリズムの溝の深さと領域10cのプリズムの溝の深さとを同一とすることが好ましい。光学部品10から光軸Cに平行な光として出射される光線Lcの光学部品10への入射角は、光学部品10の焦点距離によって異なる。しかし、領域11cと領域12cとの焦点距離の差による光線Lcの入射角の差は、例えば、周辺部分の領域で約0.1度である。そのため、実際に使用する上では問題ない。
It is also possible to make the depth of the prism groove different in order to match the focal length. However, in manufacturing the
ここで、入射角の差△αの0.1度は、光学部品のY方向の寸法Woを100[mm]とし、焦点距離Fdを35[mm]とし、厚さTの変化量△Tを0.12[mm]として下記の式(4)を用いて計算した。
△α=arctan((Wo/2)/Fd)−arctan((Wo/2)/(Fd+△T))・・・(4)Here, for the incident angle difference Δα of 0.1 degrees, the dimension W in the Y direction of the optical component is 100 [mm], the focal length Fd is 35 [mm], and the amount of change in the thickness T ΔT It was calculated using the following formula (4) as 0.12 [mm].
Δα = arctan ((Wo / 2) / Fd) -arctan ((Wo / 2) / (Fd + ΔT)) ... (4)
<光学部品10の構成>
≪領域10a,10b,10d≫
領域10a,10b,10dは、光学部品1の領域1a,1b,1dと同様である。つまり、領域10a,10b,10dは、光学部品12の領域12a,12b,12dと同様である。領域10a,10b,10dの構成および領域10a,10b,10dでの光線Laの振る舞いに関しては、光学部品1および光学部品12の説明で代用する。<Structure of
<<
The
≪領域10c≫
領域10cを光学部品11の領域11cと置き換えることができる。図21に示す領域10cは、光学部品11の光軸C11に対して同じ側の領域11cと置き換えられている。そのため、領域10cのプリズムの外周側の面は、面10cLである。面10cLはレンズ面である。
The
図1で説明したように、例えば、凹形状のレンズ81の領域81dpは、凸形状のレンズ82の領域82dmと置き換えられる。また、凹形状のレンズ81の領域81dmは、凸形状のレンズ82の領域82dpと置き換えられる。つまり、+Y軸側の領域10cは、−Y軸側の領域11cと置き換えられる。また、−Y軸側の領域10cは、+Y軸側の領域11cと置き換えられる。As described in FIG. 1, for example, regions 81d p
変形例2では、光学部品10が光軸C10を中心として対称の形状をしている。そのため、+Y軸側の領域10cを+Y軸側の領域11cと置き換えている。また、−Y軸側の領域10cを−Y軸側の領域11cと置き換えている。In the second modification, the
しかし、領域10cは、光学部品11の光軸C11に対して反対側の領域11cと置き換えられる。つまり、領域10cが+Y軸側の領域の場合には、対応する領域11cは−Y軸側の領域である。また、領域10cが−Y軸側の領域の場合には、対応する領域11cは+Y軸側の領域である。面10cLは、面11cLに対応する。面10cFは、面11cFに対応する。光軸Cは、光軸C11に対応する。領域10cの構成および領域10cでの光線Lcの振る舞いに関しては、光学部品11の説明で代用する。However,
なお、「+Y軸側」および「−Y軸側」の説明では、光軸C10,C11がX軸上に位置しているとして説明している。In the description of "+ Y-axis side" and "-Y-axis side", it is assumed that the optical axes C 10 and C 11 are located on the X-axis.
≪光偏向部品2≫
採光装置300の光偏向部品2は、採光装置100の光偏向部品2と同様である。採光装置300の光偏向部品2の説明は、採光装置100の光偏向部品2の説明で代用する。≪
The
<光学部品10のシミュレーション結果>
図25は、光学部品10のシミュレーション結果を示す図である。縦軸は、入射角αを変化させた場合の最大の光強度で正規化した相対光強度[a.u.]である。横軸は、評価面PのY軸方向の位置[mm]である。なお、横軸は、評価面Pと光軸Cの交点を中心としている。また、光学部品10の作用を説明するためのシミュレーションを行う条件を示す図は、図12で代用する。<Simulation result of
FIG. 25 is a diagram showing a simulation result of the
図25(A)では、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが15度の場合を破線で示している。入射角αが30度の場合を点線で示している。 In FIG. 25 (A), the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 15 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by the dotted line.
図25(B)では、入射角αが45度の場合を実線で示している。入射角αが55度の場合を破線で示している。 In FIG. 25B, the case where the incident angle α is 45 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by a broken line.
図25(A)に示すように、入射角αが30度(点線)の場合には、+Y軸方向側の光強度が減少している。また、図25(B)に示すように、入射角αが55度(破線)の場合には、−Y軸方向側の光強度が減少している。入射角αの変化に関わらず、光強度の強い箇所は評価面Pの中心付近に位置する。 As shown in FIG. 25 (A), when the incident angle α is 30 degrees (dotted line), the light intensity on the + Y axis direction side is reduced. Further, as shown in FIG. 25 (B), when the incident angle α is 55 degrees (broken line), the light intensity on the −Y axis direction side is reduced. Regardless of the change in the incident angle α, the portion having strong light intensity is located near the center of the evaluation surface P.
光の発散によってグレアは軽減している。そして、光学部品10によって、入射角αの依存性を低減した光強度分布が得られる。なお、入射角αが55度(図25(B)の破線)の場合には、局所的に光強度の強い箇所(領域Pa,Pb)が発生する。この光強度の強い箇所の発生要因は、光学部品10の領域10bと領域10cとの境界部10bcを通過する光線と、領域10cと領域10dとの境界部10cdを通過する光線とである。
Glare is reduced by the divergence of light. Then, the
入射角αが0度、15度および30度の場合には、図25に示す光学部品10の結果は、光学部品1および光学部品12の結果と比較してほぼ同等である。また、入射角αが45度と55度との場合には、光学部品12の結果は、光学部品10の結果と比較して、光強度分布の曲線が滑らかである。しかし、光学部品10は、光学部品1および光学部品12と同等の発散の効果を得ている。
When the incident angles α are 0 degrees, 15 degrees, and 30 degrees, the results of the
<変形例3>
図25に示すように、入射角αが55度(図25(B)の破線)の平行光線が入射した場合には、光学部品10では、局所的に光強度の強い箇所が発生している。そこで、光学部品10の領域10bと領域10cとの境界部10bcを工夫した形状とする。また、領域10cと領域10dとの境界部10cdを工夫した形状とする。これらによって、局所的に光強度の強い箇所の発生を抑制することが可能である。<Modification example 3>
As shown in FIG. 25, when a parallel ray having an incident angle α of 55 degrees (broken line in FIG. 25 (B)) is incident, a portion having a strong light intensity is locally generated in the
図26は、変形例3に係る光学部品13の構成を示す構成図である。図26は、光学部品13の平面部13e側から平行光Lを入射した場合の光線の振る舞いを示す図である。光線Lbcは、光学部品13の領域13bと領域13cとの境界部13bcに入射する光線である。光線Lbcは、図26中では点線で示されている。光線Lcdは、光学部品13の領域13cと領域13dとの境界部13cdに入射する光線である。光線Lcdは、図26中では二点鎖線で示されている。光線Lbc,Lcdは、光軸C13に平行である。FIG. 26 is a configuration diagram showing the configuration of the
領域13a,13b,13c,13dは、光学部品10の領域10a,10b,10c,10dと同じ形状をしている。領域13a,13b,13c,13dを透過する光は、光学部品10と同様の振る舞いを示す。そのため、その説明を省略する。
The
≪境界部13bc≫
光学部品10の領域10bと領域10cとの境界部10bcでは、頂点は1つである。図21の部分詳細図(境界部10bc)に示すように、境界部10bcでは、面10bLおよび面10cLで形成されるプリズムは1つの頂点V10bcを備える。つまり、境界部10bcは、1つの頂点V10bcを備える。≪Boundary part 13bc≫
At the boundary portion 10bc between the
一方、光学部品13の領域13bと領域13cとの境界部13bcでは、頂点は2つである。図26の部分詳細図(境界部13bc)に示すように、境界部13bcでは、面13bLおよび面13bFで形成されるプリズムは頂点V13bc1を有する。また、境界部13bcでは、面13cLおよび面13cFで形成されるプリズムは頂点V13bc2を有する。つまり、境界部13bcは、2つの頂点V13bc1,V13bc2を備える。On the other hand, the boundary portion 13bc between the
また、境界部13bcでのプリズムの高さは、領域13b,13cのプリズムの高さよりも低い。つまり、X軸方向において、境界部13bcでのプリズムの頂点V13bc1,V13bc2は、領域13b,13cのプリズムの頂点V13b,V13cよりも+X軸側に位置している。Further, the height of the prism at the boundary portion 13bc is lower than the height of the prism in the
これは、境界部13bcでの面13bLの傾きと面13cLの傾きとを領域13b,13cと同様に維持するためである。境界部13bcでの面13bLの傾きは、例えば、領域13bでの面13bLの傾きと等しい。また、境界部13bcでの面13cLの傾きは、例えば、領域13cでの面13cLの傾きと等しい。 This is because the inclination of the surface 13b L and the inclination of the
光学部品13の境界部13bcでは、面13bLで反射された光線Lbcは、面13bFで屈折されて、光学部品13から出射されている。同様に、面13cLで反射された光線Lbcは、面13cFで屈折されて、光学部品13から出射されている。そして、光学部品13の境界部13bcから出射された光は、利用されている。At the boundary portion 13bc of the
一方、光学部品10の境界部10bcでは、入射した光線Lbcが不要光となっている。つまり、光学部品10の境界部10bcでは、利用される光量が減少している。
On the other hand, at the boundary portion 10bc of the
図27(A)は、図21に示す境界部10bcを採用した場合に、図25(B)に示す局所的な光強度の強い領域Paから逆光線追跡を行った図である。図27(B)は、図26に示す境界部13bcを採用した場合に、光線追跡を行った図である。
FIG. 27 (A) is a diagram in which back light tracing is performed from the local region Pa having a strong light intensity shown in FIG. 25 (B) when the
図27(A)において、局所的な光強度の強い領域Paに関して、光線の到達位置から光源の方向に逆光線追跡を行うことによって、原因を確認した。ここで、光線の到達位置は領域Paである。その結果、図27(A)に示すように、領域Paに到達する光線は、光学部品10の境界部10bcのプリズムで屈折されて出射されている。領域Paに到達する光線は、面10bLで屈折されて出射されている。つまり、領域Paの発生は、境界部10bcのプリズムが原因である。In FIG. 27 (A), the cause of the local region Pa having a strong light intensity was confirmed by tracing the back light in the direction of the light source from the arrival position of the light. Here, the arrival position of the light ray is the area Pa. As a result, as shown in FIG. 27 (A), the light beam reaching the region Pa is refracted by the prism at the
一方、図27(B)では、境界部13bcを透過する光は、面13bLと面13cFとに分かれて屈折される。そして、各々の面13bL,13cFで屈折された光は、異なる方向に進行する。つまり、境界部13bcに入射した光は発散される。そのため、領域Paでの局所的な光強度は低下する。On the other hand, in FIG. 27B, the light transmitted through the boundary portion 13bc is divided into a surface 13b L and a
≪境界部1cd≫
光学部品13の領域13cと領域13dとの境界部13cdは底部B13cdを備える。底部B13cdは、例えば、平面である。底部B13cdは、例えば、平面形状をしている。底部B13cdは、例えば、平面部13eに対して平行である。≪Boundary part 1cd≫
The boundary portion 13cd between the
図28(A)は、境界部10cdを採用した場合に、局所的な光強度の強い領域Pbから逆光線追跡を行った図である。境界部10cdは、領域10cと領域10dとの境界の部分である。境界部10cdでは、底部B10cdは面10cLと面10dLとの溝の底側の端部が接続された形状をしている。図28(B)は、境界部13cdを採用した場合に、光線追跡を行った図である。FIG. 28 (A) is a diagram in which back light tracing is performed from a local region Pb having a strong light intensity when the
図25において、局所的な光強度の強い領域Pbに関して、光線の到達位置から光源の方向に逆光線追跡を行うことによって、原因を確認した。ここで、光線の到達位置は領域Pbである。その結果、図28(A)に示すように、領域Pbに到達する光線は光学部品10の境界部10cdのプリズムで屈折されて出射されている。領域Pbに到達する光線は、面10dLで屈折されて出射されている。つまり、領域Pbの発生は、境界部10cdのプリズムが原因である。In FIG. 25, the cause of the local region Pb having a strong light intensity was confirmed by tracing the back light in the direction of the light source from the arrival position of the light. Here, the arrival position of the light ray is the region Pb. As a result, as shown in FIG. 28 (A), the light beam reaching the region Pb is refracted by the prism at the boundary portion 10cd of the
一方、図28(B)では、境界部13cdを透過する光は、面13dLと境界部13cdの底部B13cdの面とに分かれて屈折される。そして、各々の面13dLおよび底部B13cdの面で屈折された光は、異なる方向に進行する。つまり、境界部13cdに入射した光は発散される。そのため、領域Pbでの局所的な光強度は低下する。On the other hand, in FIG. 28 (B), the light transmitted through the
X軸方向において、底部B13cdの面は、領域13cの溝の底の部分(底部B13c)および領域13dの溝の底の部分(底部B13d)よりも−X軸側に配置されている。つまり、底部B13cdの面は、底部B13cおよび底部B13dよりも−X軸側に配置されている。−X軸側は、光学部品13の光が出射される側である。また、境界部13cdの底部B13cdは、XY面上で凹面形状でもよい。In the X-axis direction, the surface of the bottom B 13cd is arranged on the −X-axis side with respect to the bottom portion of the groove in the
<光学部品13のシミュレーション結果>
図29は、光学部品13のシミュレーション結果を示す図である。縦軸は、入射角αを変化させた場合の最大の光強度で正規化した相対光強度[a.u.]である。横軸は、評価面PのY軸方向の位置[mm]である。なお、横軸は、評価面Pと光軸C13の交点を中心としている。また、光学部品13の作用を説明するためのシミュレーションを行う条件を示す図は、図12で代用する。<Simulation result of
FIG. 29 is a diagram showing a simulation result of the
図29(A)では、入射角αが0度の場合を実線で示している。入射角αが15度の場合を破線で示している。入射角αが30度の場合を点線で示している。 In FIG. 29 (A), the case where the incident angle α is 0 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 15 degrees is shown by a broken line. The case where the incident angle α is 30 degrees is shown by the dotted line.
図29(B)では、入射角αが45度の場合を実線で示している。入射角αが55度の場合を破線で示している。 In FIG. 29B, the case where the incident angle α is 45 degrees is shown by a solid line. The case where the incident angle α is 55 degrees is shown by a broken line.
入射角αが45度と55度との場合では、光学部品13の結果は、光学部品10の結果と比較して、局所的に光強度が強い箇所が軽減して、比較的滑らかな曲線となっている。これによって、光学部品13は、一部の領域において集光する光の発生を軽減することができる。そして、光学部品13は、入射する光を滑らかに発散させて、グレアを軽減することができる。
When the incident angles α are 45 degrees and 55 degrees, the result of the
上述の実施の形態では、光学部品を成型の際の抜き勾配を0度として説明した。しかし、抜き勾配を考慮しても同様の効果が得られる。その際には、凹レンズ部と凸レンズ部の境界部のプリズムの形状を工夫することによって、局所的に光強度の高い領域の発生を抑制することが好ましい。 In the above-described embodiment, the draft when the optical component is molded has been described as 0 degree. However, the same effect can be obtained even if the draft is taken into consideration. In that case, it is preferable to locally suppress the generation of a region having high light intensity by devising the shape of the prism at the boundary between the concave lens portion and the convex lens portion.
なお、上述の各実施の形態においては、「平行」または「垂直」などの部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す用語を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。 In each of the above-described embodiments, terms such as "parallel" or "vertical" that indicate the positional relationship between the parts or the shape of the parts may be used. These indicate that they include a range that takes into account manufacturing tolerances and assembly variations. For this reason, when a statement indicating the positional relationship between parts or the shape of a part is described in the claims, it is indicated that the range including the manufacturing tolerance or the variation in assembly is included.
また、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。 Moreover, although the embodiment of the present invention has been described as described above, the present invention is not limited to these embodiments.
100,200,300 採光装置、 1,1ns,1ew,10,11,12,13 光学部品、 1a,1b,1c,1d,10a,10b,10c,10d,11a,11b,11c,11d,12a,12b,12c,12d,13a,13b,13c,13d 領域、 1bc,10bc,10cd, 境界部、 1e,10e,11e,12e,13e 平面部、 1f,10f,11f,12f,13f 光学面部、 1bc,1cd,13bc,13cd 境界部、 1bL,1cL,1dL,1bF,1cF,1dF,10bL,10cL,10dL,10bF,10cF,10dF,11aL,11bL,11cL,11dL,11aF,11bF,11cF,11dF,12aL,12bL,12cL,12dL,12aF,12bF,12cF,12dF,13bL,13cL,13bF,13cF 面、 1bP,1cP,1dP,10bP,10cP,10dP,12aP,12bP,12cP,12dP プリズム、 2 光偏向部品(光偏向部)、 400,410 建築物、 40 吹き抜け、 81,82 レンズ、 81a1,81b1,81c1,81d1,81a2,81b2,81c2,81d2,82a1,82b1,82c1,82d1,82a2,82b2,82c2,82d2 領域、 9,9A,9B,9C 太陽、 A11a,A11d,A12c,A12d 集光点、 B13cd,B10cd 底部、 C,C11,C12 光軸、 D 距離、 E1,E2,E3 角度、 F81,F82,F11,F12,F1c 焦点、 Fd 焦点距離、 Ha,Hb 高さ、 L,La,Lb,Lc 光線、 P 評価面、 R 領域、 S 光源、 T 厚さ、 V10bc 頂点、 Wo,Wp,Ws1,Ws2,Wc 長さ、 α 入射角、 β 角度、 γ1,γ2 発散角、 δ 出射角、 θ 高度、 φ 方位。100,200,300 Luminometer, 1,1ns, 1ew, 10,11,12,13 Optical parts, 1a, 1b, 1c, 1d, 10a, 10b, 10c, 10d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b, 12c, 12d, 13a, 13b, 13c, 13d region, 1bc, 10bc, 10cd, boundary part, 1e, 10e, 11e, 12e, 13e plane part, 1f, 10f, 11f, 12f, 13f optical surface part, 1bc, 1cd, 13bc, 13cd boundary portion, 1b L, 1c L, 1d L, 1b F, 1c F, 1d F, 10b L, 10c L, 10d L, 10b F, 10c F, 10d F, 11a L, 11b L, 11c L, 11d L, 11a F , 11b F, 11c F, 11d F, 12a L, 12b L, 12c L, 12d L, 12a F, 12b F, 12c F, 12d F, 13b L, 13c L, 13b F , 13c F plane, 1b P , 1c P , 1d P , 10b P , 10c P , 10d P , 12a P , 12b P , 12c P , 12d P prism, 2 optical deflection parts (optical deflection part), 400, 410 Object, 40 stairwell, 81,82 lens, 81a1,81b1,81c1,81d1,81a2,81b2,81c2,81d2,82a1,82b1,82c1,82d1,82a2,82b2,82c2,82d2 region, 9,9 A , 9 B , 9 C sun, A11a, A11d, A12c, A12d focal point, B13cd, B10cd bottom, C, C11, C12 optical axis, D distance, E1, E2, E3 angle, F81, F82, F11, F12 , F1c focus, Fd focal length, Ha, Hb height, L, La, Lb, Lc ray, P evaluation surface, R region, S light source, T thickness, V10bc peak, Wo, Wp, Ws 1 , Ws 2 , Wc length, α incident angle, β angle, γ 1 , γ 2 divergence angle, δ exit angle, θ altitude, φ azimuth.
Claims (12)
前記レンズ面は、複数のプリズムで形成されるフレネル形状を含み、
前記レンズ面に対応する前記プリズムの面を第1のプリズム面とし、前記プリズムの他の面を第2のプリズム面とし、
前記複数のプリズムは第1のプリズムおよび第2のプリズムを含み、前記第1のプリズムは前記第2のプリズムよりも前記シリンドリカル凹レンズの光軸の側に位置しているとすると、
前記第2の面の側から入射する前記光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面で反射をした後に前記第2のプリズム面で屈折して出射される第1の領域において、前記複数のプリズムの配列を変更することによって、前記光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面に入射する入射角は、前記第1のプリズムの方が前記第2のプリズムよりも大きい採光装置。It has a plate shape including a first surface, a second surface facing the first surface, and a side surface, and a lens surface of a cylindrical concave lens is formed on the first surface, and the lens on the second surface. Equipped with optical components that form a planar shape in the area facing the surface,
The lens surface includes a Fresnel shape formed by a plurality of prisms.
The surface of the prism corresponding to the lens surface is designated as the first prism surface, and the other surface of the prism is designated as the second prism surface.
Assuming that the plurality of prisms include a first prism and a second prism, and the first prism is located closer to the optical axis of the cylindrical concave lens than the second prism.
In the first region, in which light rays parallel to the optical axis incident from the side of the second surface are reflected by the first prism surface and then refracted by the second prism surface and emitted, the plurality of light rays are emitted. By changing the arrangement of the prisms, the angle of incidence at which the light rays parallel to the optical axis are incident on the first prism surface is larger in the first prism than in the second prism.
前記レンズ面は、複数のプリズムで形成されるフレネル形状を含み、
前記レンズ面に対応する前記プリズムの面を第1のプリズム面とし、前記プリズムの他の面を第2のプリズム面とし、
前記第2の面の側から入射する前記シリンドリカル凹レンズの光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面で反射をした後に前記第2のプリズム面で屈折して出射される領域を第1の領域とすると、
前記第1の領域は、前記シリンドリカル凹レンズと曲率、コーニック定数および非球面係数の各々の絶対値が等しいシリンドリカル凸レンズのフレネル形状である採光装置。It has a plate shape including a first surface, a second surface facing the first surface, and a side surface, and a lens surface of a cylindrical concave lens is formed on the first surface, and the lens on the second surface. Equipped with optical components that form a planar shape in the area facing the surface,
The lens surface includes a Fresnel shape formed by a plurality of prisms.
The surface of the prism corresponding to the lens surface is designated as the first prism surface, and the other surface of the prism is designated as the second prism surface.
The first region is a region in which a light beam parallel to the optical axis of the cylindrical concave lens incident from the side of the second surface is reflected by the first prism surface and then refracted by the second prism surface and emitted. As an area,
The first region is a daylighting device having a Fresnel shape of a cylindrical convex lens having the same absolute values of curvature, conic constant, and aspherical coefficient as the cylindrical concave lens.
前記第1の領域において、前記光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面に入射する入射角は、前記第1のプリズムの方が前記第2のプリズムよりも大きい請求項4に記載の採光装置。Assuming that the plurality of prisms include a first prism and a second prism, and the first prism is located closer to the optical axis than the second prism.
The fourth aspect of claim 4, wherein in the first region, the incident angle at which a light ray parallel to the optical axis is incident on the first prism surface is larger in the first prism than in the second prism. Daylighting device.
前記第1の領域において、前記光軸に平行な光線が前記第1のプリズム面に入射する入射角は、前記第1のプリズムの方が前記第2のプリズムよりも小さい請求項4に記載の採光装置。Assuming that the plurality of prisms include a first prism and a second prism, and the first prism is located closer to the optical axis than the second prism.
The fourth aspect of claim 4, wherein in the first region, the incident angle at which a light ray parallel to the optical axis is incident on the first prism surface is smaller in the first prism than in the second prism. Daylighting device.
前記第1の領域と前記第2の領域との境界部は、前記第1の領域の第1のプリズム面の頂点と前記第2の領域の第1のプリズム面の頂点とが接続される請求項6に記載の採光装置。Assuming that the region on the optical axis side of the first region is the second region,
A claim in which the apex of the first prism surface of the first region and the apex of the first prism surface of the second region are connected to the boundary portion between the first region and the second region. Item 6. The lighting apparatus according to item 6.
前記第1の領域と前記第2の領域との境界部における前記第1の領域のプリズムを第1のプリズムとし、前記第2の領域のプリズムを第2のプリズムとすると、
前記第1のプリズムの高さと前記第2のプリズムの高さとは、前記第1の領域のプリズムの高さおよび前記第2の領域のプリズムの高さよりも低い請求項6に記載の採光装置。The region on the optical axis side of the first region is defined as the second region.
Assuming that the prism of the first region at the boundary between the first region and the second region is the first prism and the prism of the second region is the second prism, it is assumed.
The daylighting apparatus according to claim 6, wherein the height of the first prism and the height of the second prism are lower than the height of the prism in the first region and the height of the prism in the second region.
前記第1の領域と前記第3の領域との境界部は、前記平面に平行な平面形状または凹面形状である請求項6から8のいずれか1項に記載の採光装置。Assuming that the region on the peripheral side of the first region with the optical axis as the center is the third region,
The lighting device according to any one of claims 6 to 8, wherein the boundary portion between the first region and the third region has a planar shape or a concave shape parallel to the plane.
前記光学部品は、前記光偏向部品に対して重ねて配置され、
前記シリンドリカル凹レンズの曲率を有する方向は、前記太陽の方位が変化する方向に平行である請求項1から9のいずれか1項に記載の採光装置。It is equipped with a plate-shaped light deflection component that injects light from the sun and suppresses changes in the emission angle in the direction corresponding to the change in altitude with respect to the change in altitude of the sun.
The optical component is arranged so as to be overlapped with respect to the light deflection component.
The daylighting apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the direction having the curvature of the cylindrical concave lens is parallel to the direction in which the direction of the sun changes.
前記一組の光学部品は、第1の光学部品および第2の光学部品を含み、
前記第1の光学部品および前記第2の光学部品は重ねて配置され、
前記第1の光学部品の曲率を有する方向は、前記第2の光学部品の曲率を有する方向に対して直角である請求項1から9のいずれか1項に記載の採光装置。With a set of the optics
The set of optical components includes a first optical component and a second optical component.
The first optical component and the second optical component are arranged so as to be overlapped with each other.
The daylighting apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the direction having the curvature of the first optical component is perpendicular to the direction having the curvature of the second optical component.
前記第2の光学部品は前記第1の光学部品から出射された光を入射し、
前記第1の光学部品の曲率を有する方向は南北方向に平行であり、
前記第2の光学部品の曲率を有する方向は東西方向に平行である請求項11に記載の採光装置。The first optical component receives light from the sun and
The second optical component receives the light emitted from the first optical component and receives light.
The direction having the curvature of the first optical component is parallel to the north-south direction.
The daylighting apparatus according to claim 11, wherein the direction having the curvature of the second optical component is parallel to the east-west direction.
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