(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽の方位や高度に関係なく太陽光線を集光する方法として光の全反射を応用した太陽レンズが提案されているが、逆円錐台形の主レンズの底面に円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んだ形状の太陽レンズでは、太陽光線の高度に関係なく一部の光線が集光できずに損失する不都合があった。損失光線をより少なくできる太陽レンズを提供すること。【解決手段】補助レンズ３の斜面７をかさ歯車のような鋸歯状に形成することで、補助斜面７に向かって進行する光線を全反射で出光面の主レンズ２側に集光させるように構成することで損失光線を抑制するものである。また、かさ歯車状の補助レンズ３にすることによって、太陽レンズ１を多段に積層した場合の表面反射損失を抑制し前記課題を解決するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆円錐台形の主レンズの底面に、円錐形の補助レンズを突き刺すように同軸で埋め込んで形成した断面がＷ字形の太陽レンズにおいて、補助レンズの補助斜面をかさ歯車のような鋸歯状に形成し、主レンズの入光面から入射する光線を全反射で出光面に集光させるように構成したことを特徴とする太陽レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度と方位が常に移動している太陽光線を、静止したレンズで受光面積よりも狭い一定の範囲に集光することを目的とした太陽レンズの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽の方位や高度に関係なく太陽光線を集光する方法として光の全反射を応用した集光方法が提案されている。
【特許文献１】特願２００７−２４８２８８  太陽レンズ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献１の方法は、逆円錐台形の主レンズの底面に円錐形の補助レンズを同軸で埋め込んだ形状の太陽レンズであり、主レンズの外斜面と補助レンズの斜面がＶ字形に対面した単純な形状であるため、相互間で全反射を繰返した光線が主レンズの外斜面を透過して損失する割合が多く集光性能が低い欠点があった。また、集光倍率を高める場合に多段に積層すると、積層面での表面反射損失も加わって著しく性能が低下する欠点があった。本発明はこの光線損失を低減することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
補助レンズの斜面をかさ歯車のような鋸歯状に形成することで、主レンズから補助レンズに向かって進行する光線をこの鋸歯状の補助斜面で全反射を繰返させ、鋸歯状に分割された主レンズと補助レンズの境界の主レンズ側の出光面に主として集光するように構成することで前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【０００５】
円錐形の補助レンズでは主レンズの外斜面との間で全反射を繰返すのに対して、鋸歯状の補助レンズの補助斜面相互で全反射を繰返すことになるため、殆どの光線を出光面の主レンズ側に集光でき、主レンズの外斜面から透過して損失する光線を阻止することができる。また、太陽レンズを積層した場合に、出光面の主レンズ側と次段の主レンズを一体に形成できるため、円錐形の補助レンズで構成された太陽レンズを積層する方法に比べて段間の表面反射損失がなくなるから、多段に積層しても集光性能の低下を抑制することができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は本発明による太陽レンズ１の縦断面を示すもので、逆円錐台形の主レンズ２の底面に、円錐形の補助レンズ３を突き刺すように同軸で埋め込んで形成した断面がＷ字形の太陽レンズで、補助レンズの補助斜面７はかさ歯車のように鋸歯状の斜面を形成しており、主レンズと補助レンズは微少な空隙９（図示せず）で光学的に分離された構成にある。
【０００７】
太陽レンズは主レンズの上面を入光面４として入射する太陽光線を、主レンズの外斜面６と補助レンズの補助斜面７で全反射をさせて太陽レンズ下面の出光面５に集光させるように構成したもので、主レンズの外斜面６と補助レンズの補助斜面７の傾斜角度α１は進行光線が全反射を繰返した後で外斜面を透過して散逸しないように適切に設定されており、全体は透明な材料で形成されている。なお、以下の説明における主レンズや補助レンズの外斜面や補助斜面の傾斜角度および光線の傾斜角度は、特に断らない限り太陽レンズを水平に設置した状態での鉛直面に対する傾斜角度で示すものとする。
【０００８】
入光面から入射する光線は、直接または主レンズの外斜面で全反射をして補助レンズの補助斜面に向かって進行することになるが、図３、図４は光線の経路を説明するために、地点ｍ１、ｍ２から進入する光線ｐ１、ｐ２の経路を、図３の下向きの成分と図４の円周方向の成分とに分けて表示したものである。
【０００９】
入光面に対する太陽光線の傾斜角度は最大で９０度（日の出日没）であるから入光面が水平の場合、入光面から主レンズに進入する光線の傾斜角度は構成素材の臨界屈折角以下の角度で進行することになる。例えば、臨界屈折角が４２度（屈折率約１．５）のアクリル樹脂を使った太陽レンズで、主レンズ外斜面の傾斜角α１が６度、入光面の傾斜角α２が９０度の水平で、入射光線としては最大に屈折する水平方向からの光線（朝陽）が地点ｍ２から半径方向に進行して外斜面に当たる場合、図３、図４の光線軌跡のように傾斜角４２度で外斜面で全反射したあと反転して５４度の傾斜角で補助斜面に進行する。
【００１０】
補助斜面に当たる位置によって光線は様々な方向に進行するが、補助斜面は鋸歯状に全周で細かく分割されているので斜面の傾斜角度は小さく、そのために全反射を繰返したあとの光線はその殆どが出光面の主レンズ側に到達する。
【００１１】
また、補助斜面を透過して補助レンズ内に進入する一部の光線は補助レンズの内側から補助斜面で全反射を繰返す光線と、補助斜面を再び透過して外斜面に到達する光線に分けられるが、補助レンズが全体として円錐形であるため、内側で全反射を繰返す光線の傾斜角度は次第に縮小して出光面の補助レンズ側に到達して集光される。
【００１２】
補助斜面では円周方向にも全反射するため、補助レンズを再び透過して外斜面に到達する光線もその多くは外斜面で再び全反射して補助斜面に向かうが、一部は外斜面をも透過して損失光線となる。
【００１３】
補助レンズが単なる円錐形の太陽レンズでは、入射光線の傾斜角度に関係なく（太陽の高度に関係なく）光線の一部が損失光線となるのに比べて、かさ歯車状の補助レンズにおいては、朝夕陽などのほぼ水平方向から入射する傾斜角度の大きい光線に限って損失が発生する可能性がある。これらの損失光線を抑制するには、主レンズ外斜面の傾斜角度や補助レンズの傾斜角度を適切に選択することで殆ど調整することができるが、かさ歯車状の補助レンズの鋸歯の形状をより鋭角にすることが有効と考えられる。
【００１４】
本太陽レンズの集光倍率は入光面と出光面の面積比で表すことができるが、集光倍率を高めるためには太陽レンズを複数段に積層すればよい。図５は３段に積層した場合を示している。この場合の集光倍率は単体での集光倍率の３（積層段数）乗倍となる。
【００１５】
また、図６は別の応用例の断面図である。図１における太陽レンズの入光面に主レンズと同じ傾斜角度の円錐筒１０（ｈ２の仕切線より上の部分）を主レンズ並びに補助レンズに連続するようにつなぎ合わせたものである。入射する太陽光線は図中のｐ３、ｐ４で示すような経路を通って図１の場合と同様に集光される。集光倍率は延長して形成されたより広い入光面と出光面との面積比となるが、円錐筒の空間部分９は有効には機能しないので除外する必要がある。
【００１６】
なお、図１における太陽レンズを仕切線ｈで水平に切断してその上側部分を取り除いても太陽レンズとしての機能は変わらない。この場合、補助レンズの先端部分が空洞になるから、集光倍率は切断面の面積から空洞部分の面積を除いた面積と出光面の面積比となる。
【００１７】
以上の説明においては、外斜面から最も漏れやすいレンズの中心から半径方向に最大の傾斜角度で入射する光線ｐ１、ｐ２を例に説明したが、例えば地点ｍ５のように、中心からずれた方向に入射する光線が外斜面で全反射すると、中心から半径方向に向かう光線の場合に比べて傾斜角度が小さくなるから、外斜面を透過して損失する恐れがなく確実に集光できることになる。
【００１８】
図７は入光面を半球状に盛り上げたり、図６で説明した複数の主レンズを微小な空隙を介して同心で積層したり、その円錐筒の斜面を素材の屈折率に対応する曲率半径で湾曲させた別の応用例を示すものである。入射光線は全反射で光線ｐ６やｐ７のような経路で進行し、補助レンズに到達した後は図３、図４における光線ｐ１、ｐ２とほぼ同様の経路で集光される。
【００１９】
主レンズを図７のように半球状に突出した形状にすることで投影面積が拡大するため高度の低い太陽光線を集光しやすくなる。また、主レンズを朝顔のように広がった形状にすることで相対的に太陽レンズの長さを短縮することができる。主レンズを複数に分割して積層することで相対的に主レンズの肉厚を薄くすることができるから、主レンズ斜面の曲率半径をより小さくすることができ、全体として太陽レンズを小型化できることになる。しかし、湾曲した円錐筒を積層するには円錐筒の肉厚を中心部に向かって徐々に薄くする必要があるから、損失なく集光するには外斜面の傾斜には限界がある。
【００２０】
主レンズと補助レンズの空隙（図示せず）や同心で積層される主レンズ相互の空隙は光学的に相互を分離するためのものであるから、空隙の幅は相互の境界で全反射が起こる状態であれば１ミクロン以下の微小な隙間でもよい。空隙を保つためには主レンズと補助レンズの表面に適当な間隔で微小な突起を設けたり、微粉末を荒目の間隔で散布するなどの方法が考えられる。
【００２１】
このように本発明の太陽レンズは補助レンズがかさ歯車のような鋸歯状の斜面で形成されているため、単に円錐形の補助レンズで構成した太陽レンズに比べて殆どの入射光線を損失なく集光できる利点がある。また、集光倍率を高めるために多段に積層しても、相互に連続した主レンズを通して集光ができるため、表面反射損失を抑制できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】太陽レンズの縦断面図である。
【図２】太陽レンズの下面図である。
【図３】軸方向の光線経路を説明するための断面説明図である。
【図４】半径方向の光線経路を説明するための平面説明図である。
【図５】多段に積層した太陽レンズの断面説明図である。
【図６】別の実施例の断面説明図である。
【図７】異なる実施例の断面説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１、太陽レンズ
２、主レンズ
３、補助レンズ
４、入光面
５、出光面
６、外斜面
７、補助斜面
８、空隙
９、空間部分
１０、円錐筒
【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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