(57)【要約】集光装置は、第１の集光レンズ，第２の集光レンズ、第１の集光レンズにより集光入射する入射光を導く第１の集光光学素子、第２の集光レンズにより集光入射する入射光を導く第２の集光光学素子とを備えて構成される。集光光学素子は、各々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、上面と下面の間に入射光の光軸と交差して設けられた反射面と、反射面の反対側に設けられた出射面とを有する。第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子の反射面が上下に重複せず第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子の出射面が上下に並ぶように第１の集光光学素子と第２の集光光学素子が上下に重ねて配設され、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズにより集光されそれぞれ反射面により反射された光が、出射面に導かれるように構成される。
2012067082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の集光レンズ、及び透明材料により形成され前記第１の集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く第１の集光光学素子と、第２の集光レンズ、及び透明材料により形成され前記第２の集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く第２の集光光学素子とを備え、
前記第１の集光光学素子及び前記第２の集光光学素子は、各々、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、前記上面と下面の間に前記入射光の光軸と交差して設けられ前記入射光を反射する反射面と、前記反射面の反対側に設けられた出射面とを有し、
前記第１の集光光学素子の反射面と前記第２の集光光学素子の反射面とが上下に重複せず前記第１の集光光学素子の出射面と前記第２の集光光学素子の出射面とが上下に並ぶように前記第１の集光光学素子と前記第２の集光光学素子とが上下に重ねて配設され、
前記第１の集光レンズ及び前記第２の集光レンズにより集光され各々前記反射面により反射された光が、前記第１の集光光学素子及び前記第２の集光光学素子の前記出射面に導かれるように構成した集光装置。
【請求項２】
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前記反射面に入射する光線の最小入射角が、前記反射面と空気との界面における全反射角以上となるように設定される請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
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る請求項１または２に記載の集光装置。
【請求項４】
前記反射面は、当該反射面で反射されて前記下面及び／または前記上面に入射する光線の最小入射角が、これらの面と空気との界面における全反射角以上となるように設定される請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項５】
前記第１の集光光学素子及び前記第２の集光光学素子は、前記上面と下面の間を繋ぎ前記出射面を挟んで相互に対向する第１側面及び第２側面を有し、
前記上面から入射して前記反射面により反射された光が、前記上面、前記下面、前記第１側面及び前記第２側面により全反射されて、前記出射面に導かれるように構成した請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項６】
前記上下に重ねて配設される前記第１の集光光学素子と前記第２の集光光学素子とは上下に密着して配設され、密着する上面と下面がマッチングにより一体的に結合される請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項７】
前記第１の集光レンズ及び前記第２の集光レンズは、各々光を集光する複数の単位集光レンズからなり、
前記第１の集光光学素子及び前記第２の集光光学素子は、各前記単位集光レンズにより集光されて入射する各入射光に対応して設けられた複数の前記反射面を有して一体に形成される請求項１〜６のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項８】
前記第１側面は、個々の前記反射面に対応して複数設けられ、
前記第２側面は、複数の前記反射面に共通して一体に設けられる請求項７に記載の集光装置。
【請求項９】
前記第１の集光光学素子と前記第２の集光光学素子とは、
前記第１側面及び前記第２側面が、出射方向に延びる軸に対して軸対称に形成される請求項８に記載の集光装置。
【請求項１０】
前記第１の集光レンズ及び前記第２の集光レンズは、各々複数の単位集光レンズがマトリクス状に配設されてレンズアレイが形成され、
前記第１の集光光学素子及び前記第２の集光光学素子は、各行の前記単位集光レンズに対応して前記反射面及び前記第１側面及び前記第２側面が形成された素子ユニットが複数列設けられて一体に形成される請求項７〜９のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項１１】
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と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る請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１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。
【請求項１３】
請求項１〜１１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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を集光する装置に関し、より詳細には、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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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）、蛍光粒子が分散された蛍光プレートに太陽光を入射させ、プレート内で発生した蛍光をプレート側方に取り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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特表２００５−１４２３７３号公報
【特許文献２】日本国特開２００５−２１７２２４号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０１０７９９３号明細書
【特許文献４】米国特許第６２７４８６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記各集光方式には長所がある反面、次のような課題もがある。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、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。【０００７】
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装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明を例示する第１の態様は、集光装置である。この集光装置は、第１の集光レンズ及び透明材料により形成され第１の集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く第１の集光光学素子と、第２の集光レンズ、及び透明材料により形成され第２の集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く第２の集光光学素子とを備えて構成される。第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子は、各々、入射光を透過する上面及びこの上面と対向して延びる下面と、上面と下面の間に入射光の光軸と交差して設けられ入射光を反射する反射面（例えば、実施形態における集光反射面２５，３５）と、反射面の反対側に設けられた出射面とを有し、第１の集光光学素子の反射面と第２の集光光学素子の反射面とが上下に重複せず第１の集光光学素子の出射面と第２の集光光学素子の出射面とが上下に並ぶように第１の集光光学素子と第２の集光光学素子とが上下に重ねて配設されて、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズにより集光され各々反射面により反射された光が、第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子の出射面に導かれるように構成される。なお、便宜的に、入射光が透過する面を「上面」とし、この上面に対向する面を「下面」と表記するが、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。【０００９】
この場合において、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反射面に入射する光線の最小入射角が、反射面と空気との界面における全反射角以上となるように設定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。さらに、反射面は、当該反射面で反射されて下面及び／または上面に入射する光線の最小入射角が、これらの面と空気との界面における全反射角以上となるように設定することが好ましい。【００１０】
第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子は、上面と下面の間を繋ぎ出射面を挟んで相互に対向する第１側面及び第２側面を有し、上面から入射して反射面により反射された光が、上面、下面、第１側面及び第２側面により全反射されて、出射面に導かれるように構成することが好ましい。【００１１】
以上の本発明の態様において、上下に重ねて配設される第１の集光光学素子と第２の集光光学素子とは上下に密着して配設され、密着する上面と下面がマッチングにより一体的に結合されるように構成することが好ましい。【００１２】
なお、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズは、各々光を集光する複数の単位集光レンズからなり、第１の集光光学素子、第２の集光光学素子は、各単位集光レンズにより集光されて入射する各入射光に対応して設けられた複数の反射面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。【００１３】
また、第１側面は個々の反射面に対応して複数設けられ、第２側面は複数の前記反射面に共通して一体に設けられるように構成することが好ましい。この場合、第１の集光光学素子と第２の集光光学素子とは、第１側面及び第２側面が、出射方向に延びる軸（例えば、実施形態におけるｘ軸）に対して軸対称になるように形成することが好ましい。【００１４】
さらに、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズは、各々複数の単位集光レンズがマトリクス状に配設されてレンズアレイが形成され、第１の集光光学素子及び第２の集光光学素子は、各行の単位集光レンズに対応して反射面及び第１側面及び第２側面が形成された素子ユニットが複数列設けられて一体に形成されるように構成することが好ましい。また、反射面と出射面とを結ぶ方向の大きさが上面と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るように構成することが好ましい。【００１５】
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。【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１の態様の集光装置は、第１の集光光学素子、第２の集光光学素子における反射面が上下に重複せず出射面が上下に並ぶように第１の集光光学素子、第２の集光光学素子が上下に重ねて配設されて、第１の集光レンズ、第２の集光レンズにより集光されて各反射面により反射された光が上下に並ぶ出射面に導かれるように構成される。従って、本発明の第１の態様の集光装置によれば、集光効率を向上して太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光装置を提供することができる。【００１８】
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。【００１９】
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熱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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の態様を例示する光発電装置ＰＶＳの外観斜視図である。
【図２】図２は、光発電装置ＰＶＳにおける第１構成形態の集光装置１の基本構成を説明するための概念図である。
【図３】図３は、集光装置１において、集光レンズにより集光光学素子に集光入射する光の伝播状態を光線追跡したシミュレーション結果を例示する側面視の概念図である。
【図４】図４は、図３における集光反射面の近傍部分を拡大した画像である。
【図５】図５は、集光装置１における第１構成例の集光装置１ａの斜視図である。
【図６】図６は集光装置１ａの側面図である。
【図７】図７は、集光装置１ａを構成する集光光学素子２０Ｉ（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）の平面図及び側面図である。
【図８】図８は、集光光学素子２０Ｉにおける集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの平面図及び側面図である。
【図９】図９は、集光光学素子２０Ｉにおける集光光学素子２０Ｃ（集光部２０ｓ）の平面図及び側面図である。
【図１０】図１０は、集光光学素子２０Ｉの素子ユニットを斜め上方から見た斜視図である。
【図１１】図１１は、集光装置１における第２構成例の集光装置１ｂの斜視図である。
【図１２】図１２は、集光装置１ｂの側面図である。
【図１３】図１３は、集光装置１における第３構成例の集光装置１ｃを構成する集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの平面図である。
【図１４】図１４は、集光装置１ｃの側面図である。
【図１５】図１５は、第２構成形態の集光装置２における集光光学素子２０IIの基本構成を説明するための模式図である。
【図１６】図１６は、集光光学素子２０II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集光反射面との関係を説明するための説明図である。
【図１７】図１７は、集光光学素子２０IIの集光光学素子２０Ｃ（集光部２０ｓ）を斜め上方から見た斜視図である。
【図１８】図１８（ａ）は、集光光学素子２０IIの光学構造の拡大斜視図、図１８（ｂ）は、集光装置２における第１構成例の集光光学素子２０Ｃ（集光部２０ｓ1）の反射光の配向構成を示す概念図、図１８（ｃ）は、集光装置２における第２構成例の集光光学素子２０Ｃ（集光部２０2）の反射光の配向構成を示す概念図である。
【図１９】図１９は、集光装置２における第３構成例の集光装置の概念図である。
【図２０】図２０は、ＰＭＭＡにおける波長と屈折率との関係を示す表である。
【図２１】図２１は、太陽光の放射スペクトル分布を表すグラフである。
【図２２】図２２は、第１構成形態の集光装置１に太陽光を入射したときのシミュレーション結果を例示する側面視の概念図である。
【図２３】図２３は、第１構成形態の集光装置１に太陽光を入射したときのシミュレーション結果を例示する斜め上方から見た概念図である。
【図２４】図２４（ａ）は、集光装置１ａに太陽光を入射したときのシミュレーション結果を側方から見た拡大図、図２４（ｂ）は、集光装置１ａに太陽光を入射したときのシミュレーション結果を集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃの上方から見た拡大図である。
【図２５】図２５（ａ）,（ｂ）,及び（ｃ）は、それぞれ上記集光装置１ａのシミュレーション結果を、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，及び２０Ｃの側方から見た場合の部分拡大図である。
【図２６】図２６は、上記集光装置１ａの出力部から出射する光の照度分布を表す説明図である。
【図２７】図２７（ａ）は、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃを接着した集光装置１ａに太陽光を入射したときのシミュレーション結果を側方から見た拡大図、図２７（ｂ）は、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃを接着した集光装置１ａに太陽光を入射したときのシミュレーション結果を、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃを上方から見た拡大図である。
【図２８】図２８（ａ）,（ｂ）,及び（ｃ）は、それぞれ上記集光装置１ａのシミュレーション結果を、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，及び２０Ｃの側方から見た場合の部分拡大図である。
【図２９】図２９は、上記集光装置１ａの出力部から出射する光の照度分布を表す説明図である。
【図３０】図３０（ａ）は、集光装置１ｃに太陽光を入射したときのシミュレーション結果を側方から見た拡大図、図３０（ｂ）は、集光装置１ｃに太陽光を入射したときのシミュレーション結果を、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃの上方から見た拡大図である。
【図３１】図３１（ａ）,（ｂ）,及び（ｃ）は、それぞれ上記集光装置１ｃのシミュレーション結果を、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，及び２０Ｃの側方から見た場合の部分拡大図である。
【図３２】図３２は、上記集光装置１ｃの出力部から出射する光の照度分布を表す説明図である。
【図３３】図３３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。
【図３４】図３４（ａ）は集光装置１ｄの斜視図、図３４（ｂ）は集光装置１ｄを構成する集光光学素子２０Ｉ（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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における第１構成形態の集光装置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により集光されて取り出される光の取り出し方向に延びる軸、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、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。
【００２２】
［光発電装置及び集光装置の概要］
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、２と、集光装置１、２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。図１及び図２に示す集光装置１、２は、上方から入射する光（例えば太陽光）を集光する第１の集光レンズ１０Ａ，第２の集光レンズ１０Ｂと、透明材料により形成され第１の集光レンズ及び第２の集光レンズにより集光されて入射する入射光を導く第１の集光光学素子２０Ａ，第２の集光光学素子２０Ｂとを備えて構成される。
【００２３】
第１の集光レンズ１０Ａ，第２集光レンズ１０Ｂ、第１の集光光学素子２０Ａ，第２の集光光学素子２０Ｂはそれぞれ、基本的に同じ構造の複数の集光レンズまたは集光光学素子を組み合わせて構成される。集光レンズ１０（１０Ａ，１０Ｂ）、集光光学素子２０（２０Ａ，２０Ｂ）は、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は、集光レンズと集光光学素子からなる集光構造を二組設けた例を示しているが、集光レンズと集光光学素子の組数は三組以上であっても良い。
【００２４】
図１に示す集光レンズ１０（１０Ａ，１０Ｂ）は、下添え字を付して示す複数の単位集光レンズを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たレンズアレイにより構成した例を示す。レンズアレイは、複数の単位集光レンズをマトリクス状に一体成型して構成してもよいし、あるいは、個々に形成した単位集光レンズを枠体等にマトリクス状に配置固定して構成してもよい。
【００２５】
集光光学素子２０（２０Ａ，２０Ｂ）は、各々の集光レンズである単位集光レンズにより集光されて入射する入射光を反射する集光反射面を有し、上面２２で入射した光をｘ軸方向に導くように構成される。図１に示す集光光学素子２０は、複数の単位集光レンズ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）の集光反射面を有し、一体のプレート状に形成した構成例である。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。
【００２６】
ここで、第１構成形態の集光装置１と、後述する第２構成形態の集光装置２とは、集光光学素子２０の構成が相違する。そこで、両者を区別する際には、第１構成形態の集光光学素子２０を集光光学素子２０Ｉ、第２構成形態の集光光学素子２０を集光光学素子２０IIと表記する。
【００２７】
［第１構成形態の集光装置］
図２は、第１構成形態の集光装置１における集光光学素子２０Ｉ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２０Ｉに入射した光が、集光反射面２５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た図である。
【００２８】
集光光学素子２０Ｉは、集光レンズ１０により集光され基材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、上面２２，下面２３の間に入射光の光軸ＬＡと交差して設けられ入射光を反射する集光反射面２５と、集光反射面２５の反対側に設けられた出射面２６とを有して構成される。図示する形態は、集光反射面２５を上面と下面を繋ぐ傾斜平面とした構成を示す。
【００２９】
図３及び図４に、集光レンズ１０により集光されて集光光学素子２０Ｉに入射した光が集光光学素子２０の内部をどのように伝播するか、光線追跡（Ray-trace）したシミュレーション結果を示す。図４は、図３における集光反射面２５の近傍部分を拡大したシミュレーション結果であり、図４（ａ）は集光反射面２５の近傍をｙ軸方向に見た図、図４（ｂ）は集光反射面２５の近傍を斜め下方から見た図である。
【００３０】
図４（ｂ）に示すように、集光光学素子２０Ｉは、上面２２と下面２３間において集光反射面２５と出射面２６との間を繋ぎ、相互に対向して平行に延びる第１側面２４ａ及び第２側面２４ｂを有してｙ−ｚ断面が方形となるように形成される。
【００３１】
集光レンズ１０により集光されつつ上面２２から入射し、集光反射面２５により反射された光は、集光レンズ１０の形状に応じて円錐状または角錐状に拡がって集光光学素子２０内を伝播する。集光光学素子２０は、上面２２から入射した光が、集光反射面２５、上面２２、下面２３、第１側面２４ａ、第２側面２４ｂにおいて全反射されてｘ軸方向（図２における右方）に導かれ、出射面２６に取り出されるように構成される。
【００３２】
集光レンズ１０により集光されて集光反射面２５に入射する光に関して、図２中の集光反射面近傍の部分拡大図に示されるように、集光レンズ１０の中心を通って光軸ＬＡに沿って集光反射面２５に入射する光線の入射角（便宜的に「光軸入射角」という）θ１LAと、位置集光レンズ１０の外周部を通って光軸ＬＡとは角度をなして集光反射面２５に入射する光線の入射角とは異なる。この部分拡大図から明らかなように、集光反射面２５による反射方向側のレンズ外周部を通って集光反射面２５に入射する光線の入射角が最小入射角θ１minとなる。
【００３３】
集光光学素子２０では、集光反射面２５に集光入射する光線の最小入射角θ１minが、集光反射面２５における全反射角以上となるように設定される。具体的には、集光光学素子の基材２１の屈折率ｎ及び集光レンズ１０の開口数ＮＡ（ＮＡ＝ｎsinθNA：θNAは集光レンズを出射する光線の光軸ＬＡに対する最大角）を所定値としたときに、上記最小入射角θ１minが集光反射面２５における全反射角以上になるように、集光反射面２５の傾斜角θ25を設定することができる。
【００３４】
集光光学素子の基材２１の屈折率ｎ及び集光反射面２５の傾斜角θ25を所定値とし、最小入射角θ１minが集光反射面２５における全反射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）を設定しても良い。あるいは、集光レンズ１０の開口数ＮＡ及び集光反射面２５の傾斜角θ25を所定値とし、最小入射角θ１minが集光反射面２５における全反射角以上となるように、集光光学素子の基材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もできる。
【００３５】
集光反射面２５で全反射した光全体を下面２３に入射する際には、集光反射面２５に最小入射角θ１minで入射し反射された光線が下面２３（及び上面２２）において最大入射角で入する。一方、集光反射面２５に最大入射角で入射し反射された光線が下面２３（及び上面２２）において最小入射角θ２minで入する。従って、集光反射面２５、上面２２，下面２３及び第１側面２４ａ，第２側面２４ｂのそれぞれが、空気との界面において全反射の条件を満たすように、集光反射面２５の傾斜角θ25、集光レンズ１０の開口数ＮＡ、集光光学素子２０の屈折率ｎは設定される。
【００３６】
このような構成によれば、集光レンズ１０により集光されて集光光学素子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、空気との全ての界面（集光反射面２５、上面２２，下面２３、第１側面２４ａ，第２側面２４ｂ）で全反射され、出射面２６に導かれる。そのため、集光光学素子２０に入射した光の波長依存性は低く、閉じ込め効率は高くすることができるので、集光した光を高効率で出射面２６に導くことができる。
【００３７】
なお、上記いずれかの面、例えば下面２３に、基材２１と屈折率が異なる保護膜等の膜を形成した場合には、基材２１と膜との界面において膜の屈折率に応じた光の屈折が生じる。しかしながら、基材２１と膜との界面、及び膜と空気との界面においてスネルの法則が成立し、下面２３に入射する光の傾斜角が基材２１と空気との界面における全反射角以上になっていれば、少なくとも膜と空気との界面において全反射条件が満たされされ、入射光が集光光学素子２０の内部に閉じ込められる。
【００３８】
また、上記の保護膜等を有する構成において、下面に入射する光の傾斜角が基材２１と膜との界面における全反射角以上になっている場合は、基材２１と膜との界面において全反射条件が満たされ、下面に入射した光は膜中に進入することなく基材中へ全反射される。そのため、膜の外側表面が平滑でない等の理由により膜と空気の界面で全反射条件を維持できない場合でも、集光光学素子２０に入射した光が集光光学素子２０内に閉じ込められ、出射面２６に取り出される。
【００３９】
集光装置１においては、集光レンズ１０及び集光光学素子２０Ｉは、集光レンズ１０により集光されて素子内に入射する入射光が、集光反射面２５の面上またはその近傍に焦点を結ぶように構成される。なお、物質の屈折率は透過する光の波長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として色収差の少ないレンズを用いるとともに、集光反射面２５上でビームスポット径が最小となるように設定している。
【００４０】
このような構成により、集光反射面２５の投影面積を最小化することができ、これにより集光光学素子２０Ｉの厚さを最小化することができる。なお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２５上に合わせて設定することができる。一方、焦点位置における入射光のパワー密度等に応じて、僅かにデフォーカスするように構成しても良い。
【００４１】
集光反射面２５で全反射された光は、上面２２、下面２３、第１側面２４ａ、第２側面２４ｂの各面で全反射されて光学素子２０内をｘ軸方向に伝播し、出射面２６から取り出される。図示する構成形態において、出射面２６はｙ−ｚ平面に沿って形成されるとともに端面が研磨されて反射防止コーティングが施されており、光学素子２０内を伝播して出射面２６に入射した光が、出射面２６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。
【００４２】
以上、集光光学素子２０Ｉの基本構成（単位構成）について説明した。説明では、集光反射面２５について、屈折率差を利用した全反射とする構成を説明したが、集光反射面２５に、例えばＡｕ，Ａｇ，Ａｌ等の金属を蒸着したミラーを形成して、それにより入射光を反射させる構成とすることもできる。この場合、集光反射面２５において反射損失が発生するが、光軸入射角θ１LAを小さく（集光反射面２５の傾斜角θ25を小さく）することができる。例えば、光軸入射角θ25を４５度にすれば、集光反射面２５で反射された光の、上面２２、下面２３、第１側面２４ａ、第２側面２４ｂへの最小入射角が大きくなるため、より開口数が大きい短焦点の集光レンズを用いることができ、これにより集光装置１の厚さを低減することができる。なお、説明簡明化のため、集光反射面２５を平面とした場合を例示したが、後述する第２構成形態の集光光学素子２０IIの集光反射面３５のように所定形状の凸面または凹面等としても良い。
【００４３】
次に、第１構成形態の集光装置１の具体的な構成例について、３組の集光レンズ１０及び集光光学素子２０により集光装置を構成した場合について説明する。まず、本構成形態における第１構成例の集光装置１ａについて図５〜図１０を参照して説明する。図５は集光装置１ａの斜視図、図６は集光装置１ａの側面図、図７は集光装置１ａを構成する集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの平面図及び側面図、図８は集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの平面図及び側面図、図９は集光光学素子２０Ｃの平面図及び側面図、図１０は集光光学素子２０Ｃの素子ユニットを斜め上方から見た斜視図である。
【００４４】
各図では、集光光学素子を上方から見たときに透視される集光反射面２５を実線で表している。また、図６〜図８中に集光レンズ光軸に対応させて示した１〜３０の数値は、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおける単位集光レンズ及び集光反射面２５の列数を、上流側（２０Ａ側）から順に付与したときの列番号であり、１〜１０が集光光学素子２０Ａ、１１〜２０が集光光学素子２０Ｂ、２１〜３０集光光学素子２０Ｃの単位集光レンズまたは集光反射面に該当する。
【００４５】
集光装置１ａは、３つの集光レンズ（レンズアレイ）１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、３つの集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃとからなり、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ及び集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、各々ｍ行×ｎ列の単位集光レンズ及びこれに対応する集光反射面２５を有して構成される。
【００４６】
集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、図７〜図９に示すように、ｍ行×ｎ列の集光反射面２５を備えた櫛歯状の集光部２０ｓを主体として構成される。集光部２０ｓは、図１０に示すように、１行×ｎ列分の集光反射面２５が形成された素子ユニット２００（２０１，２０２，２０３…）を単位とし、これをｍ個（ｍ行分）並列に合体して構成される。各図には、ｍ＝ｎ＝１０、すなわち１０行×１０列とした構成形態を例示する。
【００４７】
各素子ユニット２００には、１０か所の集光反射面２５，２５，２５…がｘ軸に沿って所定間隔で並んで形成されている。これらの集光反射面２５，２５，２５…は、各集光反射面で反射された光が他の集光反射面にかからないように、すなわち他の集光反射面により遮られないように、集光反射面２５、及び第１側面２４ａ，第２側面２４ｂがｘ軸から僅かに傾斜して（図９において数度程度左右方向に傾斜して）形成されている。第２側面２４ｂは連続する１枚の平面で形成され、第１側面２４ａは集光反射面２５を挟んで階段状ないし鋸刃状に形成される。
【００４８】
すなわち、素子ユニット２００は、個々に上面２２，下面２３、集光反射面２５、第１側面２４ａ，第２側面２４ｂ、及び出射面２６を有する角柱状の単位集光素子を１０個並列に束ね、相互に接する第１側面２４ａ及び第２側面２４ｂを排して側面を共有化し、これにより１０個の単位集光素子を一体に集積したものである。各集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの集光部２０ｓは、この素子ユニット２００を１０枚並列に並べて一体のプレート状に形成したものであり、１００個の単位集光素子を一体に集積した機能素子に相当する。
【００４９】
そして、集光装置１においては、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの集光反射面２５，２５，２５…が上下に重複せず、各集光光学素子の出射面２６が上下に並ぶように構成される。具体的には、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂは、図８に示すように、基材２１がｘ軸方向に延設されて平板状の導光部２０ｔが形成される。そして集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｂが載置され、集光光学素子２０Ｂの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｃが載置されて、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６が上下に並んで配置されるようになっている。
【００５０】
このとき、集光光学素子２０Ａの集光反射面２５と、集光光学素子２０Ｂの集光反射面２５と、集光光学素子２０Ｃの集光反射面２５とは、ｚ軸方向の高さ位置が導光部２０ｔの厚さ分異なっている。一方、第１構成例の集光装置１ａの集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、いずれも同じ焦点距離（例えば焦点距離ｆ＝２０ｍｍ）の単位集光レンズをマトリクス状に配設した同一のレンズアレイである。そのため、第１構成例の集光装置１ａでは、集光反射面の高さ位置の差異に対応して集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの高さ位置を異ならせ（図６を参照）、集光レンズを介して各集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに入射する入射光が、各集光部２０ｓの集光反射面２５に同じ条件で入射するように設定している。
【００５１】
その結果、各集光光学素子の集光部２０ｓに入射した光が、集光部の各素子ユニット２００（２０１〜２１０）において集光反射面２５、上面２２，下面２３，第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射されて素子ユニット２００ごとに１行分（１０か所）の光が集光され、各素子ユニットで集光された光が集合されて各集光光学素子の出射面２６から取り出される。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６は上下に並んで配設されており、３組の集光レンズ及び集光光学素子により集光された光が、このように１か所にまとめられた出力部２７から出射される。
【００５２】
いま、集光レンズ１０Ａ,１０Ｂ，１０Ｃについて、各々１０×１０ｍｍの単位集光レンズを１０行×１０列設けた１００×１００ｍｍのレンズアレイとし、各集光光学素子の出射面２６を厚さ１ｍｍ×幅１００ｍｍとすると、３００００ｍｍ2の集光面に入射した光を集光効率１００倍に集光し、厚さ３ｍｍ×幅１００ｍｍの１か所の出力部２７から取り出すことができる。
【００５３】
このような構成の集光装置１ａによれば、簡明かつ薄型の構成で、殆ど損失がなく集光効率を高くすることができる。また、複数の集光光学素子２０により集光された光を１か所の出力部２７から取り出せるため、光電変換素子５や光熱変換装置等を集約して配置することができ、装置の小型化及び装置設計の自由度を向上させることができる。
【００５４】
なお、集光光学素子２０及び集光レンズ１０のレンズアレイは、例えば、低融点ガラスを用いたホットプレス成型や、ＰＭＭＡ等の樹脂を射出成型して構成することができ、良好な生産性で低価格に生産することができる。また、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、集光光学素子２０Ｃを集光部２０ｓとして共通に用いることができ、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂについては、集光光学素子２０Ｃの出射面２６に適宜な長さの平板状の導光部２０ｔを接着等により一体的に結合して構成することができる。また、上下に重なる集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの重複部に、マッチングオイルや光学接着材等を滴下して３枚の集光光学素子を一体的に結合しても良い。
【００５５】
次に、第１構成形態における第２構成例の集光装置１ｂについて、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は図５に対応する集光装置１ｂの斜視図、図１２は図６に対応する集光装置１ｂの側面図である。集光装置１ｂは、集光光学素子２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）について、既述した第１構成例の集光装置１ａと同一構成である一方、集光レンズ１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）の構成が異なっている。
【００５６】
既述したように、集光装置１ａでは、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、集光反射面２５が設けられた集光部２０ｓが上下に重複しないように、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｂが配設され、集光光学素子２０Ｂの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｃが配設される。このため、集光光学素子２０Ａの集光反射面２５と、集光光学素子２０Ｂの集光反射面２５と、集光光学素子２０Ｃの集光反射面２５とは、ｚ軸方向の高さ位置が導光部２０ｔの厚さ分異なっている。
【００５７】
これに対して、第２構成例の集光装置１ｂでは、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃについて、各集光レンズ（レンズアレイ）を構成する単位集光レンズの焦点距離ｆを、集光反射面２５の高さ位置に対応して異なるものとしている。例えば、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの厚さを１ｍｍとしたときに、集光レンズ１０Ａを構成する単位集光レンズとしてｆ＝２１ｍｍのレンズ、集光レンズ１０Ｂを構成する単位集光レンズとしてｆ＝２０ｍｍのレンズ、集光レンズ１０Ｃを構成する単位集光レンズとしてｆ＝１９ｍｍのレンズを用いる。
【００５８】
このため、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを介して各集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに入射する入射光は、各集光光学素子の集光部２０ｓに同じ焦点位置関係で入射する。そして、集光部２０ｓの素子ユニット２００において集光反射面２５、上面２２，下面２３及び第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射され、各素子ユニットで集光された光が集合されて各集光光学素子の出射面２６から取り出される。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６は上下に並んで配設されており、３組の集光レンズ及び集光光学素子により集光された光が、このように１か所にまとめられた出力部２７から出射される。
【００５９】
従って、本構成の集光装置１ｂにおいても、簡明かつ薄型の構成で、殆ど損失がなく集光効率を高くすることができる。また、複数の集光光学素子２０により集光された光を１か所の出力部２７から取り出せるため、光電変換素子５や光熱変換装置等を集約して配置することができ、装置の小型化及び装置設計の自由度を向上させることができる。さらに、集光レンズ上面に段差が生じないため、雨水や塵挨等の停留や段差による影の影響を排除することができる。なお、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの焦点距離に応じて、集光反射面の傾斜角等が異なる（最適化した）集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて構成しても良い。
【００６０】
次に、第１構成形態における第３構成例の集光装置１ｃについて、図１３及び図１４を参照して説明する。ここで、図１３は、図７に対応する集光光学素子の平面図、図１４は図６に対応する集光装置１ｃの側面図である。集光装置１ｃは、集光レンズ１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）について、既述した第１構成例の集光装置１ａと同一構成である一方、集光光学素子２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）の構成が異なっている。
【００６１】
すなわち、第１構成例の集光装置１ａでは、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの集光部２０ｓは同一の集光部が用いられている。一方、第３構成例の集光装置１ｃでは、図７と図１３とを対比して分かるように、集光光学素子２０Ａ，２０Ｃと、集光光学素子２０Ｂとで異なる集光部が用いられている。
【００６２】
具体的には、集光光学素子２０Ａ，２０Ｃの集光部と、集光光学素子２０Ｂの集光部とは、ｘ軸に対して左右方向に対称となるように形成されている。既述したように、集光部２０ｓを形成する素子ユニット２００には、１０か所の集光反射面２５，２５，２５…がｘ軸に沿って所定間隔で並んで形成されるが、これらの集光反射面２５，２５，２５…は、各集光反射面で反射された光が他の集光反射面により遮られないように、集光反射面２５、及び第１側面２４ａ，第２側面２４ｂがｘ軸から僅かに傾斜して（ｘ軸に対して数度程度左右方向に傾斜して）形成される。
【００６３】
集光装置１ｃでは、集光光学素子２０Ａ，２０Ｃの集光部と、集光光学素子２０Ｂの集光部とは、ｘ軸に対して傾斜して形成される素子ユニット２００の集光反射面２５及び第１側面２４ａ，第２側面２４ｂの傾斜方向がｘ軸方向に左右逆方向になっており、集光光学素子２０Ａ，２０Ｃの集光反射面２５，２５，２５…で反射された光の進行方向と、集光光学素子２０Ｂの集光反射面２５，２５，２５…で反射された光の進行方向とがｘ軸方向に左右対称になるように構成される。
【００６４】
このような構成の集光装置１ｃにおいても、簡明かつ薄型の構成で、殆ど損失がなく集光効率を高くすることができる。また、複数の集光光学素子２０により集光された光を１か所の出力部２７から取り出せるため、光電変換素子５や光熱変換装置等を集約して配置することができ、装置の小型化及び装置設計の自由度を向上させることができる。さらに、複数の集光光学素子からなる集光装置において、各集光光学素子により集光されて出射面２６に向かう光の進行方向がｘ軸方向に左右対称になり、複数の集光光学素子の出射面２６，２６，…がまとめられた出力部２７における集光光の照度分布を均一化することができる。これにより、光電変換素子５による電力への変換効率を高めることも可能になる。なお、傾斜方向が異なる集光光学素子の組数や配設順序等は任意である。
【００６５】
次に、第１構成形態における第３構成例の集光装置１ｄについて、図３４を参照して説明する。図３４（ａ）は集光装置１ａの斜視図、図３４（ｂ）は集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの平面図である。図３４（ａ）は、この集光装置が、２行分の集光レンズとそれに対応する集光光学素子１個を一組として構成されていることを示している。図３４（ａ）に示したように、集光部２０ｓには両側に各１０個ずつ、合計２０個の集光反射面が設けられている。即ち、集光部２０ｓの両側には、片側あたり１０個、合計２０個の集光反射面が形成されている。
【００６６】
集光光学素子２０Ａの集光反射面２５と、集光光学素子２０Ｂの集光反射面２５と、集光光学素子２０Ｃの集光反射面２５とは、ｚ軸方向の高さ位置が導光部２０ｔの厚さ分異なっている。集光装置１ａの集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、いずれも同じ焦点距離（例えば焦点距離ｆ＝２０ｍｍ）の単位集光レンズをマトリクス状に配設した同一のレンズアレイである。このため、集光反射面の高さ位置の差異に対応して集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの高さ位置を異ならせ、集光レンズを介して各集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに入射する入射光が、各集光部２０ｓの集光反射面２５に同じ条件で入射するように設定している。
【００６７】
集光光学素子の集光部２０ｓに入射した光は、集光反射面２５、上面２２，下面２３，第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射されて、出射面２６から取り出される。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６は上下に並んで配設されており、３組の集光レンズ及び集光光学素子により集光された光が、このように１か所にまとめられた出力部２７から出射される。
【００６８】
このように、両側に集光反射面を設けた集光部では、片側に集光反射面を設けた集光部に比べて、その先端部が比較的大きなサイズとなる。その結果、集光反射面の大きさが数ミリメートル程度の小さなサイズのものであっても、集光部の先端部は十分な大きさとすることができるので、集光部の先端形状が成形し易くなり、また、組み立て時の取り扱いも容易になることが期待できる。
【００６９】
［第２構成形態の集光装置］
次に、第２構成形態の集光装置２について、図１５及び図１６を参照して集光光学素子の基本構成から説明する。ここで、図１５は集光装置２における集光光学素子２０IIの基本構成を説明するための模式図、図１６は集光レンズにより集光されて入射する入射光と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。なお、既述した第１構成形態の集光装置１（１ａ，１ｂ，１ｃ）と同様の構成要素には同一番号を付して重複説明を省略する。
【００７０】
図１５には、集光レンズ１０により集光されて集光光学素子２０IIに入射した光が、集光光学素子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が模式的に描かれている。
【００７１】
集光光学素子２０IIは、集光レンズ１０により集光され基材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、上面２２と下面２３の間に入射光の光軸ＬＡと交差して設けられ入射光を反射する集光反射面３５と、集光反射面３５の反対側に設けられた出射面２６とを有して構成される。図示する形態は、透明なプレート状ないしシート状の集光光学素子の下面２３に、基材２１の内方に突出する光学構造３０を設け、その内表面に集光反射面３５を形成した構成を示す。
【００７２】
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。光学構造単体を斜め上方から見た斜視図を図１６中に示したように、光学構造３０は、下面２３から斜め上方に延びる集光反射面３５、下面２３から上方に延びて集光反射面３５と繋がる背面３６、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。
【００７３】
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に入射する入射光の集束角度または発散角度は、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と焦点位置との位置関係などによって定まる。
【００７４】
集光反射面３５に入射する入射光が集束光となるのは、焦点位置が集光反射面３５の下方に位置するとき、入射光が発散光となるのは、焦点位置が集光反射面３５の上方に位置するときである。集光光学素子２０IIの集光反射面３５は、このように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（所定の集束角度または発散角度で入射する入射光をコリメートする）ような曲面状に形成される。
【００７５】
本構成形態においては、図１６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凸の曲面とした構成を示す。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により拡がり角が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２６に導かれる。
【００７６】
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は、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、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。
【００７７】
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、集光レンズの焦点位置に対する球心の位置）などの入射パラメータにより、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。
【００７８】
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。
【００７９】
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角以上となるように設定される。これらについても、上記入射パラメータにより、集光反射面３５から上面及び下面に入射する光線の最小入射角が全反射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。
【００８０】
なお、上面２２または下面２３に、基材２１と屈折率が異なる保護膜等の膜を形成した場合については、既述した第１構成形態の集光装置と同様であり、上面２２及び下面２３に入射する光の傾斜角が基材２１と空気との界面における全反射角以上になっていれば、少なくとも膜と空気との界面において全反射条件が満たされされ、入射光が集光光学素子２０の内部に閉じ込められる。
【００８１】
集光反射面３５で全反射された光は、上面２２，下面２３で全反射されて光学素子２０内をｘ軸方向に伝播し、出射面２６から取り出される。出射面２６はｙ−ｚ平面に沿って形成されるとともに端面が研磨されてＡＲコートが施されており、光学素子２０内を伝播して出射面２６に入射した光が、出射面２６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。
【００８２】
以上、第２構成形態の集光光学素子２０IIの基本構成（単位構成）について説明した。集光光学素子２０II（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）の集光部２０ｓは、ｍ行×ｎ列の単位集光レンズからなる集光レンズ１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）に対応し、ｍ行×ｎ列の集光反射面３５を有して構成される。図１７に集光部２０ｓ（集光光学素子２０Ｃ）を斜め上方から見た斜視図を示す。また、図１８（ａ）に光学構造３０の拡大斜視図、図１８（ｂ）及び図１８（ｃ）に、集光反射面による反射光の配向構成例（ともに平面視の概念図）を示す。なお、図１８（ｂ）及び図１８（ｃ）は、１０行×１０列の集光レンズに対応し、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。
【００８３】
図１７に示すように、集光光学素子２０IIの集光部２０ｓは、基材２１の下面側に１０行×１０列＝１００か所の光学構造３０がマトリクス状に形成されており、１枚の矩形プレート状になっている。集光光学素子２０IIでは、上流側に位置する第１の光学構造３０の集光反射面で反射された光が、下流側に位置する第２の光学構造３０により遮られずに出射面２６に向かうように構成される。
【００８４】
その手段として、第１構成例及び第２構成例の集光部２０ｓ1，２０ｓ2は、第１の光学構造３０の集光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３０の側方を通って伝播するように構成される。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１８（ｂ）及び図１８（ｃ）は、この横パス方式の二つの構成例を示したものである。
【００８５】
図１８（ｂ）に示す第１構成例の集光部２０ｓ1は、Ｂ５行の各光学構造３０，３０，…による反射光の配向方向を矢印で示したように、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２６側に形成されたＡ３列の第３の光学構造３０に対して同じ側（図において上側）側方を通って伝播するように構成される。
【００８６】
具体的には、図１８（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軸に対して微小角度α傾斜して出射面２６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。
【００８７】
なお、図１８（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１８（ｂ）においてＢ１〜Ｂ１０行を微小角度αだけ傾けての右端側が図で下側にずれるように）形成し、各集光反射面３５により反射された反射光がｘ軸に沿って出射面２６から出射するように構成しても良い。
【００８８】
このような構成の集光部２０ｓ1を有する集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対応して設けられる。このとき集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、集光反射面３５，３５，３５…が上下に重複せず、各集光光学素子の出射面２６が上下に並ぶように配設されて第１構成例の集光装置２ａが構成される。
【００８９】
具体的には、図７等に例示したと同様に、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂは、基材２１がｘ軸方向に延設されて平板状の導光部２０ｔが形成され、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｂが載置され、集光光学素子２０Ｂの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｃが載置される。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６は上下に並んで配置され、これらの出射面が集約された出力部２７が形成される（図６，図１２を参照）。
【００９０】
なお、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの各集光反射面３５のｚ軸方向の高さ位置が、導光部２０ｔの厚さ分異なっている点については、既述した第１構成形態の集光装置１ａ，１ｂと同様である。すなわち、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃとして同一焦点距離の集光レンズを用い、集光反射面３５の高さ位置の差異に対応して集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの高さ位置を異ならせる構成（図６を参照）、あるいは、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃとして、集光反射面３５の高さ位置の差異に対応した異なる焦点距離の集光レンズを用いる構成（図１２を参照）の何れをも適用することができる。
【００９１】
図１８（ｃ）に示す第２構成例の集光部２０ｓ2は、Ｂ５行の各光学構造３０，３０，…による反射光の配向方向を矢印で示したように、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２６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。
【００９２】
具体的には、図１８（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軸を挟んで微小角度β傾斜して出射面２６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、本構成例によれば行間のピッチを狭めることができる。
【００９３】
このような構成の集光部２０ｓ2を有する集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対応して設けられる。このとき集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、集光反射面３５，３５，３５…が上下に重複せず、各集光光学素子の出射面２６が上下に並ぶように配設されて第２構成例の集光装置２ｂが構成される。
【００９４】
集光光学素子２０Ａ，２０Ｂは、基材２１がｘ軸方向に延設されて平板状の導光部２０ｔが形成され、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｂが載置され、集光光学素子２０Ｂの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｃが載置される。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６は上下に並んで配置され、これらの出射面が集約された出力部２７が形成される（図６，図１２等を参照）。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの各集光反射面３５のｚ軸方向の高さ位置と、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの焦点距離との関係は、第１構成例の集光装置２ａと同様である。
【００９５】
このような横パス方式の集光部２０ｓ1，２０ｓ2を備えた集光光学素子２０IIによれば、多数の光学構造３０が矩形平板状の基材２１に一体に形成され、各々光学構造の集光反射面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２６に取り出される。このため、このような構成の集光光学素子２０IIを備えた集光装置２ａ，２ｂによれば、簡明かつ薄型の構成で、集光効率を高くすることができる。また、複数の集光光学素子２０により集光された光を１か所の出力部２７から取り出せるため、光電変換素子５や光熱変換装置等を集約して配置することができ、装置の小型化及び装置設計の自由度を向上させることができる。
【００９６】
次に、第３構成例の集光部２０ｓ3について、図１９を参照して説明する。図１９は、基材２１にｍ行×ｎ列の光学構造３０，３０…が設けられた集光部における任意の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。  
【００９７】
第２構成形態の集光光学素子２０IIにおける第３構成例の集光部２０ｓ3は、上流側に位置する第１の光学構造３０により反射された反射光が、第１の光学構造より出射面２６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「縦パス方式」という。
【００９８】
図１９に示すように、縦パス方式の集光部２０ｓ3は、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２６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。
【００９９】
このとき、出射面２６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、適当な構成を採用することができる。例えば図１９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面及び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、基材２１の厚さなどに応じて適宜設定することができる。
【０１００】
このような構成の集光部２０ｓ3を有する集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対応して設けられる。このとき集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、集光反射面３５，３５，３５…が上下に重複せず、各集光光学素子の出射面２６が上下に並ぶように配設されて第３構成例の集光装置２ｃが構成される。
【０１０１】
集光光学素子２０Ａ，２０Ｂは、基材２１がｘ軸方向に延設されて平板状の導光部２０ｔが形成され、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｂが載置され、集光光学素子２０Ｂの導光部２０ｔの上に集光光学素子２０Ｃが載置される。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６は上下に並んで配置され、これらの出射面が集約された出力部２７が形成される（図６，図１２を参照）。集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの各集光反射面３５のｚ軸方向の高さ位置と、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの焦点距離との関係は、第１構成例及び第２構成例の集光装置２ａ，２ｂと同様である。
【０１０２】
このような縦パス方式の集光部２０ｓ3を備えた集光光学素子２０IIによれば、多数の光学構造３０が矩形平板状の基材２１に一体に形成され、各々光学構造の集光反射面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２６に取り出される。このため、このような構成の集光装置２ｃによれば、簡明かつ薄型の構成で、集光効率を高くすることができる。また、複数の集光光学素子２０により集光された光を１か所の出力部２７から取り出せるため、光電変換素子５や光熱変換装置等を集約して配置することができ、装置の小型化及び装置設計の自由度を向上させることができる。
【０１０３】
なお、以上説明した横パス方式の集光光学素子と縦パス方式の集光光学素子とを適宜組み合わせて集光装置を構成しても良い。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。
【０１０４】
［実施例］
次に、太陽光を集光装置によって集光する場合のより具体的な実施例について、図２４〜図３２に示すシミュレーション結果を参照しながら説明する。
【０１０５】
シミュレーションは、第１構成形態の集光装置１について、集光レンズ１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）及び集光光学素子２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）をＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）により構成し、波長３５０ｎｍ〜１１００ｎｍの太陽光を集光する場合について、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て行った。このとき、ＰＭＭＡの屈折率としては図２０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図２１に示す太陽光スペクトルに基づいた。
【０１０６】
また、集光装置１ａ，１ｃについて、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの厚さは１ｍｍ、集光レンズ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成する各単位集光レンズの焦点距離ｆ＝２０ｍｍ、集光反射面２５の傾斜角θ25＝５２度とし、太陽光の視野角を０．５２度とした。
【０１０７】
上記共通条件のもと、一組の集光レンズ１０及び集光光学素子２０Ｉ（集光部２０ｓ）からなる集光装置に太陽光を入射したときの、光線追跡（Ray-trace）シミュレーション結果を図２２，図２３に例示する。図２２は、集光装置をｙ軸方向（側方）から見たシミュレーション結果、図２３は斜め上方から見たシミュレーション結果であり、単位集光レンズと集光部の素子ユニットとの関係を示している。以下、三組の集光レンズ１０及び集光光学素子２０Ｉからなる集光装置１について実施例を説明する。
【０１０８】
［第１実施例］
既述した第１構成例の集光装置１ａ（図５〜図７を参照）に太陽光を入射させたときのシミュレーション結果を図２４〜図２６に示す。このとき、相互に重ね合わされた集光光学素子２０Ａの上面２２と集光光学素子２０Ｂの下面２３との界面、及び集光光学素子２０Ｂの上面２２と集光光学素子２０Ｃの下面２３との界面は共に結合されておらず、各界面に空気層が存在する状態、すなわち集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃは上下に重ね合わせて載置しただけの状態である。
【０１０９】
図２４（ａ）は、集光装置１ａを側方（ｙ軸方向）から見たシミュレーションデータ、図２４（ｂ）は、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃを上方（集光レンズ側）から見たシミュレーション結果である。図２４（ａ）に示した１，１１，２１，３０の数値は、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおける集光反射面２５の列数を、上流側（２０Ａ側）から順に付与したときの列番号であり、１〜１０は集光光学素子２０Ａ、１１〜２０は集光光学素子２０Ｂ、２１〜３０は集光光学素子２０Ｃの集光反射面に該当する。
【０１１０】
図２５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを側方から見たシミュレーション結果の部分拡大図であり、図２５（ａ）は、他の集光光学素子と重複部がない集光光学素子２０Ａの先端部分の部分拡大図、図２５（ｂ）は、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔと重複する集光光学素子２０Ｂの先端部分の部分拡大図、図２５（ｃ）は、集光光学素子２０Ａ及び集光光学素子２０Ｂの導光部２０ｔと重複する集光光学素子２０Ｃの先端部分の部分拡大図である。図２５に示した数値１〜４，１１〜１４，２１〜２４は、それぞれ上記同様に集光反射面２５の列番号である。
【０１１１】
図２６は、集光装置１ａにより集光され出力部２７から出射する光の照度分布を表している。図２６における横軸はｚ軸方向の位置（下面からの距離）であり、３分割された縦長の領域が各集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの出射面２６，２６，２６に対応する。図２６における縦軸はｙ軸方向の位置（図１，図５等を参照）であり、１０行の素子ユニットで幅１００ｍｍとなる出射面を５０分割している。そして、３×５０＝１５０メッシュに分割した領域について、各領域を通る光線本数に応じて１０段階の照度（光線本数／メッシュ）に分類し、図２６に光線本数／メッシュの照度分布として示した濃淡のグレースケールに応じて示したものである。グレースケールに示した※印は、本実施例におけるシミュレーション結果の照度の幅を示す。
【０１１２】
図２４から、各集光光学素子の集光部２０ｓにおいて、集光反射面２５，２５…に集光入射した光線が、各素子ユニット２００の集光反射面２５、上面２２，下面２３、第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射されてｘ軸方向に導かれ、出射面２６側に向かうにつれて光線密度が高くなっていくことがわかる。また、上記各面で全反射条件が満たされ、集光反射面２５で素子内に反射された光線が集光光学素子２０から殆ど漏出することなく出射面２６に取り出されている様子もわかる。
【０１１３】
図２５から、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに入射した光は、各集光光学素子の上面２２，下面２３で全反射されてｘ軸方向に導かれ、出射面２６に向かうこと、各集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが各々独立した集光光学素子として作用していることが分かる。
【０１１４】
図２６から、出力部２７のうち、集光光学素子２０Ｃの出射面２６ではｙ軸方向の位置に応じて照度が異なり、照度の幅が広いこと、集光光学素子２０Ｂの出射面２６ではｙ軸方向の照度の幅が狭くなり、集光光学素子２０Ａの出射面２６ではｙ軸方向の位置によらず中間的な照度でほぼ均一になることが分かる。
【０１１５】
集光光学素子２０Ｃの出射面２６において、照度が高い値となる方向（図２６においてｙ軸方向の数値が小さくなる方向）は、集光反射面２５，第１側面２４ａ，第２側面２４ｂの傾斜方向と一致している。これは、各集光部２０ｓにおいて上記傾斜方向に向かって光線密度が高くなるためと解される（図２４ｂを参照）。一方、集光光学素子２０Ｂの出射面２６でｙ軸方向の照度の幅が狭くなり、集光光学素子２０Ａの出射面２６でｙ軸方向の位置によらず照度がほぼ均一になるのは、傾斜方向に偏向された光線が、各素子ユニットの第１側面２４ａ，第２側面２４ｂ、及び導光部２０ｔの左右の側面で反射を繰り返すことにより、種々の方向に向かう光線密度が均等化されるためと解される。
【０１１６】
［第２実施例］
次に、上述した第１構成例の集光装置１ａにおいて、上下に重なる集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを密着して配置するとともに、重複部にマッチングオイルまたは光学接着材を滴下して３枚の集光光学素子を一体的に接合する。その状態で、集光レンズ１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃを介して太陽光を入射させときのシミュレーション結果を図２７〜図２９に示す。なお、図中に付記する１〜４，１１〜１４，２１〜２４の数値は、前述した実施例と同様に集光反射面２５の列番号である。
【０１１７】
図２７は図２４に対応し、図２７（ａ）は、集光装置１ａを側方から見たシミュレーション結果、図２７（ｂ）は、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃを上方から見たシミュレーション結果である。図２８は図２５に対応し、図２８（ａ）は、他の集光光学素子と重複部がない集光光学素子２０Ａの先端部分の部分拡大図、図２８（ｂ）は、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔと重複する集光光学素子２０Ｂの先端部分の部分拡大図、図２８（ｃ）は、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの導光部２０ｔと重複する集光光学素子２０Ｃの先端部分の部分拡大図である。
【０１１８】
図２９は図２６に対応し、集光装置１ａにより集光され出力部２７から出射する光の照度分布を表している。図２９の縦軸及び横軸は図２６と同様であり、縦軸はｙ軸方向の位置、横軸はｚ軸方向の位置（集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃの出射面２６，２６，２６）である。そして、３×５０＝１５０メッシュに分割した領域について、各領域を通る光線本数に応じて１０段階の照度（光線本数／メッシュ）に分類し、図２９に光線本数／メッシュの照度分布として示した濃淡のグレースケールに応じて示したものである。グレースケールに示した※印は、本実施例におけるシミュレーション結果の照度の幅を示す。
【０１１９】
図２７から、各集光光学素子の集光部２０ｓにおいて、集光反射面２５，２５…に集光入射した光線が、各素子ユニット２００の集光反射面２５、上面２２，下面２３、第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射されてｘ軸方向に導かれ、出射面２６側に向かうにつれて光線密度が高くなっていくことがわかるまた、集光反射面２５で素子内に反射された光線が集光光学素子２０から殆ど漏出することなく出射面２６に取り出されている様子もわかる。
【０１２０】
図２８（ａ）からは、重複部がない集光光学素子２０Ａの集光部２０ｓでは、集光反射面２５で反射された光が当該集光部の上面２２，下面２３で全反射されてｘ軸方向に導かれる様子が分かる。一方、図２８（ｂ）からは、集光光学素子２０Ｂの集光部２０ｓと集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔとが重複する領域では、集光光学素子２０Ｂの集光反射面２５で反射された光の一部が、界面を通って集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔに入射し、集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔを伝播する光の一部が、界面を通って集光光学素子２０Ｂの上面で全反射される状況が認められる。同様に、図２８（ｃ）からは、集光光学素子２０Ｃの集光部２０ｓと集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの導光部２０ｔとが重複する領域では、集光光学素子２０Ｃの集光反射面２５で反射された光の一部が、界面を通って集光光学素子２０Ｂ，２０Ａの導光部２０ｔに入射し、集光光学素子２０Ｂ，２０Ａの導光部２０ｔを伝播する光の一部が、界面を通って集光光学素子２０Ｃの上面で全反射される状況が認められる。
【０１２１】
図２９から、出力部２７において、全体的な傾向として、ｙ軸方向の数値が小さくなる方向に照度が高くなることが分かる。すなわち、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃの何れの出射面２６，２６，２６についても、ｙ軸方向の数値が小さくなる方向に照度が高くなっている。これは、第１実施例において検討したように、照度が高くなる方向が集光反射面２５，第１側面２４ａ，第２側面２４ｂの傾斜方向と一致しており、各集光部２０ｓにおいて上記傾斜方向に向かう光線密度が高くなるためと解される。
【０１２２】
一方、図２９と図２６とを対比して明らかなように、本構成例においては、集光光学素子２０Ａの出射面２６、集光光学素子２０Ｂの出射面２６、及び集光光学素子２０Ｃの出射面２６でｙ軸方向の照度分布がほぼ同一であり、ｚ軸方向の照度は何れの位置でも一定である。また、図２９のグレースケールに※印で示した照度の幅を図２６の照度の幅と対比しても分かるように、照度が高い部分と照度が低い部分の照度の幅（ばらつき）が実施例１よりも小さいことが分かる。これは、上記のように偏向された光線が各素子ユニットの第１側面２４ａ，第２側面２４ｂ、及び導光部２０ｔの左右の側面で反射される効果と、複数の集光光学素子の重複部において光線が界面を通って立体的に伝播する効果とが相乗的に作用し、種々の方向に向かう光線密度が三次元的に均等化されるためと解される。
【０１２３】
［第３実施例］
次に、既述した第３構成例の集光装置１ｃ（図１３，図１４を参照）において、上下に重なる集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを密着して配置するとともに、重複部にマッチングオイルまたは光学接着材を滴下して３枚の集光光学素子を一体的に接合し、集光レンズ１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃを介して太陽光を入射したときのシミュレーションデータを図３０〜図３２に示す。図中に付記する１〜４，１１〜１４，２１〜２４の数値は、前述した各実施例と同様に集光反射面２５の列番号である。
【０１２４】
図３０は、図２４及び図２７に対応し、図３０（ａ）は、集光装置１ｃを側方から見たシミュレーション結果、図３０（ｂ）は、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃを上方から見たシミュレーション結果である。図３１は、図２５及び図２８に対応し、図３１（ａ）は、他の集光光学素子と重複部がない集光光学素子２０Ａの先端部分の部分拡大図、（ｂ）集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔと重複する集光光学素子２０Ｂの先端部分の部分拡大図、（ｃ）集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの導光部２０ｔと重複する集光光学素子２０Ｃの先端部分の部分拡大図である。
【０１２５】
図３２（ａ）は、図２６及び図２９に対応し、集光装置１ｃにより集光され出力部２７から出射する光の照度分布である。図３２（ａ）の縦軸及び横軸は図２６及び図２９と同様であり、グレースケールに示した※印は、本実施例におけるシミュレーション結果の照度の幅を示す。なお、図３２（ｂ）は、集光装置１ｃを二組の集光レンズ１０（１０Ｂ，１０Ｃ）と集光光学素子２０（２０Ｂ，２０Ｃ）とから構成した場合の照度分布である。
【０１２６】
図３０から、各集光光学素子の集光部２０ｓにおいて、集光反射面２５，２５…に集光入射した光線が、各素子ユニット２００の集光反射面２５、上面２２，下面２３、第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射されてｘ軸方向に導かれ、出射面２６側に向かうにつれて光線密度が高くなっていくことがわかる。また、集光反射面２５で素子内に反射された光線が集光光学素子２０から殆ど漏出することなく出射面２６に取り出されている様子もわかる。また、図３０（ｂ）を、図２４（ｂ）及び図２７（ｂ）と対比すると、出力部２７から出射する光線の光線密度及び出射方向が均等化されていることが分かる。
【０１２７】
図３１から図２７と同様の状況が認識される。すなわち図３１（ａ）からは、他の集光光学素子と重複部がない集光光学素子２０Ａの集光部２０ｓでは、集光反射面２５で反射された光が当該集光部の上面２２，下面２３で全反射されてｘ軸方向に導かれる様子が分かる。また、図３１（ｂ）からは、集光光学素子２０Ｂの集光部２０ｓと集光光学素子２０Ａの導光部２０ｔとが重複する領域において、また図３１（ｃ）からは、集光光学素子２０Ｃの集光部２０ｓと集光光学素子２０Ａ，２０Ｂの導光部２０ｔとが重複する領域において、集光反射面２５で反射された光の一部が、界面を通って下層の集光光学素子の導光部２０ｔに入射し、下層の集光光学素子の導光部２０ｔを伝播する光の一部が、界面を通って最上層の集光光学素子の上面で全反射される状況が認められる。
【０１２８】
図３２（ａ）からは、出力部２７における照度分布がほぼ均等になっていることが分かる。すなわち、集光光学素子２０Ａ,２０Ｂ,２０Ｃの何れの出射面２６，２６，２６についても、ｙ軸方向及びｚ軸方向に依存した照度変化の傾向を持たず、グレースケールに※ａ印で示す照度の幅は、図２６及び図２９の照度の幅と対比して明らかなように、照度が高い部分と照度が低い部分の照度の幅（ばらつき）が極めて小さいことが分かる。
【０１２９】
これは、集光反射面２５，第１側面２４ａ，第２側面２４ｂの傾斜方向が集光光学素子２０Ａ,２０Ｃと集光光学素子２０Ｂとでｘ軸に軸対称に形成されることで、光線の偏向方向が互いに逆の光線群が存在することになった効果（図３０（ｂ）を参照）と、各素子ユニットの第１側面２４ａ，第２側面２４ｂ、及び導光部２０ｔの左右の側面で反射される効果と、複数の集光光学素子の重複部において光線が界面を通って立体的に伝播する効果とが相乗的に作用し、種々の方向に向かう光線密度がさらに三次元的に均等化されるためと解される。
【０１３０】
このことは、図３２（ｂ）に示す集光レンズ１０（１０Ｂ，１０Ｃ）と集光光学素子（２０Ｂ，２０Ｃ）とが二組の集光装置においても、照度分布が一定の傾向をもたずに均等となり、かつ※ｂ印で示す照度の幅が、集光レンズと集光光学素子とが三組第２実施例の照度の幅よりも狭いことからも理解される。
【０１３１】
［出力部からの光エネルギーの取り出し手法］
次に、集光装置１，２において、出力部２７から出射する光のエネルギー取り出し手法について、図３３を参照して簡潔に説明する。図３３(ａ)は、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより集光された光を出力部２７からそのまま取り出し、光エネルギーとして利用する構成例の概念図である。ここでは、集光光学素子２０の出射面２６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により所望の位置まで導くような構成が例示される。
【０１３２】
これにより、集光装置１，２により集光された光を、集光装置と離れた所望の場所で利用することができる。例えば、光電変換素子５を当該光電変換素子の過熱を防止するための冷却装置を備えたユニットボックス内に設置し、このユニットボックス内に光ファイバー９３を介して伝送することができる。例えば、集光装置１，２により集光された光を、光ファイバー９３で伝送し、集光装置から遠く離れた野菜工場等で利用することも可能である。集光装置１，２には、集光レンズ１０と集光光学素子２０とが複数組あって、これらにより集光された光が、複数の出射面２６が上下に並ぶ出力部２７から取り出されるため、簡明な装置構成で集光効率を向上させることができ、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用することができる。
【０１３３】
図３３(ｂ)は、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより集光され出力部２７から出射する光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して取り出す場合の概念図である。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。集光装置１，２には、集光レンズ１０と集光光学素子２０とが複数組あって、これらにより集光された光が、複数の出射面２６が上下に並ぶ出力部２７から取り出されるため、簡明な装置構成で光電変換素子５に入射する光のパワーを増大させ、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用することができる。さらに、第２実施例及び第３実施例に示したような構成によれば、光電変換素子５の各部に入射する光のパワー密度（照度分布）を均等化することができ、光電変換素子５による電気エネルギーへの変換効率を大幅に向上させることができる。
【０１３４】
なお、集光光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより集光され出力部２７から出射する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、光エネルギーを熱エネルギーに光熱変換する光熱変換素子として、例えば、光吸収体付きのヒートパイプ等が好適に用いられる。
【０１３５】
なお、実施形態では、説明簡明化のため、集光光学素子をシート状ないしプレート状として二層または三層重ねた形態を例示し、また集光光学素子の作用を説明するため、基材２１に具体的な物質を適用した構成例を説明したが、本発明はこれらの構成形態や構成例に限定されるものではない。例えば、集光光学素子２０は四層以上（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ…）重ね合わせた形態としても良く、基材２１の材質は、種々の樹脂材料や無機材料等を適宜選択して構成することができる。
【０１３６】
以上説明したように、集光装置１，２においては、集光レンズ１０と集光光学素子２０が複数組あって、これらによって集光された光が、集光反射面２５、上面２２、下面２３、第１側面２４ａ，第２側面２４ｂで全反射され、出射面２６が上下に並ぶ出力部２７から取り出される。従って、本発明の態様の集光装置１，２によれば、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、新たな集光装置を提供することができる。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、新たな太陽光発電装置または太陽光集熱装置として好適である。
【０１３７】
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。本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲に含まれる。
【０１３８】
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２５５３５０号（２０１０年１１月１５日）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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