(57)【要約】【課題】簡単、低コストで製造することができる集光率の高い集光装置及び光発電装置を提供する。【解決手段】  本発明の集光装置は、光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板と、後側表面に設けられ、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、前側表面又は後側表面の少なくとも一方に設けられ、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を導光基板から出射させる出射窓と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板と、
前記後側表面に設けられ、前記導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、
前記前側表面又は後側表面の少なくとも一方に設けられ、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を前記導光基板から出射させる出射窓と、を備えることを特徴とする集光装置。
【請求項２】
前記出射窓は、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を前記臨界角未満の屈折角で屈折させる透過型ホログラムが形成された出射用透過層を含むことを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記出射窓は、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を前記臨界角未満の反射角で反射する反射型ホログラムが形成された出射用反射層を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の集光装置。
【請求項４】
前記出射窓は、拡散板を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の集光装置。
【請求項５】
前記出射窓は、前記導光基板の前記後側表面又は前記前側表面に対して傾斜を有する出射光学系を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の集光装置。
【請求項６】
前記導光用反射層の反射型ホログラムは、仰角方向又は方位角方向について所定の角度範囲の前記第１の入射角で入射する光を反射するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の集光装置。
【請求項７】
前記導光用反射層は、反射角の異なる複数種類の反射型ホログラムが形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の集光装置。
【請求項８】
前記出射用透過層の透過型ホログラムは、仰角方向又は方位角方向が異なる前記第２の入射角で入射する光を所定の屈折角で一方向に出射するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の集光装置。
【請求項９】
前記出射用透過層の透過型ホログラムは、前記第１の入射角で入射する光を所定の屈折角で一方向に出射するように構成されたことを特徴とする請求項８に記載の集光装置。
【請求項１０】
前記導光用反射層において、複数の円形の前記反射型ホログラムが一部重なり合うようにして形成されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の集光装置。
【請求項１１】
前記導光用反射層において、複数の三日月形の前記反射型ホログラムが形成されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の集光装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１項に記載の集光装置において、前記出射窓によって出射された光を受けて発電する光電池を配置したことを特徴とする光発電装置。
【請求項１３】
前記光電池は、前記集光装置の表面に隣接して配置されることを特徴とする請求項１２に記載の光発電装置。
【請求項１４】
光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬する導光基板に貼付される集光用シートであって、
前記導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、
前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓と、を含むことを特徴とする集光用シート。
【請求項１５】
光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板に貼付される光発電シートであって、
前記導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、
前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓と、
前記出射窓から出射された光を受けて発電する光電池と、を含むことを特徴とする光発電シート。
【請求項１６】
光源からの光を集光する集光装置を製造する方法であって、
光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板の後側表面に、前記導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射シートを貼付し、
前記導光基板の前側表面又は後側表面の少なくとも一方に、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓用シートを貼付することを特徴とする集光装置の製造方法。
【請求項１７】
光源からの光を集光して発電する光発電装置を製造する方法であって、
光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板の後側表面に、前記導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射シートを貼付し、
前記導光基板の前側表面又は後側表面の少なくとも一方に、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓用シートを貼付し、
前記出射窓用シートによって出射された光を受ける位置に光電池を設けることを特徴とする光発電装置の製造方法。
【請求項１８】
光源からの光を集光する集光装置を製造する方法であって、
導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する出射窓とを含むように構成された集光用シートを前記導光基板の表面に貼付する工程を備えることを特徴する集光装置の製造方法。
【請求項１９】
前記集光用シートを前記導光基板の表面に貼付する工程の前に、
前記導光基板に貼付されている集光用シートを剥がす工程、前記導光基板の表面を洗浄する工程及び前記集光用シートを前記導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程の１つまたは複数の工程を備えることを特徴とする請求項１８に記載の集光装置の製造方法。
【請求項２０】
光源からの光を集光して発電する光発電装置を製造する方法であって、
導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を前記臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、前記臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する出射窓と、前記出射窓から出射された光を受けて発電する光電池と、を含むように構成された光発電シートを前記導光基板の表面に貼付する工程を備えることを特徴とする光発電装置の製造方法。
【請求項２１】
前記光発電シートを前記導光基板の表面に貼付する工程の前に、
前記導光基板に貼付されている光発電シートを剥がす工程、前記導光基板の表面を洗浄する工程及び前記光発電シートを前記導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程の１つまたは複数の工程を備えることを特徴とする請求項２０に記載の光発電装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を集光し、集光した光により発電する技術に関し、特に、集光装置、光発電装置、集光用シート、光発電シート及び集光装置又は光発電装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーの有効活用の観点から、ビル、各種施設、住宅などへの太陽光発電装置の設置が進められており、住宅等の窓ガラスを利用した太陽光発電装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発電窓ガラスは、透明基板と、この透明基板の光入射面側に設けられた光制御フィルムと、透明基板の端部に配置された太陽電池とを備える。光制御フィルムでは、所定の角度で光が入射したときのみ散乱が生じ、散乱後の光の一部が、全反射により透明基板内部を伝搬して、その端部に配置された太陽電池において受光される。【０００３】
また、住宅の屋根などに設置される太陽光集光器も提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の太陽光集光器は、ライトガイド層と、ライトガイド層の光源側の前側表面に配置された角度転換層と、ライトガイド層の後側表面上に形成された複数の表面フィーチャと、を備える。光源からの光は、第１の角度で角度転換層に入射し、第２の角度でライトガイド層に向かって転向され、その後、ライトガイドの表面フィーチャにより第３の角度に向け直され、複数の全反射によりライトガイド層を通して誘導される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３０８９号公報
【特許文献２】特開２０１２−５０３２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発電窓ガラス（図１９（Ａ）参照）は、透明基板（窓ガラス）１０の光入射面Ｓ１に光制御フィルム１２を設けたものであり、透明基板１０の内部での全反射などを利用して、光源から照射される光をある程度集光することができる。【０００６】
しかしながら、光制御フィルム１２において発生した入射光Ｌ１に基づく散乱光のうち、臨界角以上となる角度で透明基板１０へ入射した散乱光Ｌ１ａは、透明基板１０内部を端部Ｄに向かって伝播するが、臨界角未満となる角度で窓ガラス１０へ入射した散乱光Ｌ１ｂは、窓ガラス１０を透過して光出射面Ｓ２から出射する。このため、特許文献１に記載の発電窓ガラスは、太陽電池１１への導光に際して、光制御フィルム１２で散乱した光の一部を利用しているに過ぎず、集光効率は低い。【０００７】
また、発電窓ガラスは、太陽電池１１が窓ガラスの端部Ｄ（厚みを規定する断面）に接するように配置されるため、既存の窓ガラス又は窓構造に太陽電池を後付けで設けるのは非常に困難である。加えて、特許文献１に記載の発電窓ガラスでは、光制御フィルム１２が室外側に設けられるので、光制御フィルム１２の屋外側表面が汚れやすく、劣化しやすいので、光の利用効率が悪くなり、寿命も短くなってしまう上、室外側から物理的な力が加わった場合、損傷するおそれもある。さらに、ビル、住宅などに設けられている既存の窓ガラスの室外側に、光制御フィルムを設けることは、通常、高所作業を伴い、危険であるとともに、コストを要する。【０００８】
また、特許文献１には、太陽電池１１が窓ガラスの屋内側の下部の面の設けられる態様も記載されている（図１９（Ｂ）参照）。この場合、太陽電池１１は、窓ガラスの端部Ｄ（厚みを規定する断面）に接するように配置する場合（図１９（Ａ）参照）に比べて、容易に設けることができる。しかしながら、かかる太陽電池は、窓ガラスの内部を全反射により伝搬し、臨界角以上で入射する光を受けるものであるので、太陽電池の受光面に対して光を垂直に受ける場合に比べて、光の利用効率は低下し、発電効率も低下する。さらに、特許文献１に記載の発電窓ガラスは、太陽電池を窓ガラスに密着させて配置する必要があるので、太陽電池の配置に制限がある。【０００９】
一方、特許文献２に記載の太陽光集光器の一態様（図２０参照）では、ライトガイド１０１の後側表面にＶ型グループによって構成されたプリズムフィーチャ１０２が形成されており、これにより、垂直に近い角度範囲（円錐１０６）内で入射した光をライトガイド内に誘導できるとされている。【００１０】
しかしながら、かかる太陽光集光器は、上記円錐１０６の外の範囲から入射する光がライトガイドを透過するため、入射する光の一部を利用しているに過ぎず、特許文献１に記載の装置と同様に、集光効率は低い。また、太陽を光源とする場合、ライトガイドに対する入射角は、時間帯又は季節により変化するが、特許文献２では、光源からの光の入射角の変化に応じて、光を効率的に集光する方法について検討されていない。【００１１】
さらに、特許文献２に記載の太陽光集光器は、ライトガイド（ガラス、アクリルなど）の後側表面に微細構造（プリズム）を形成しなければならないため、既存の窓ガラス又は窓構造に適用することが難しく、コストを要する。何より、窓ガラスに微細構造（プリズム）を適用すれば、景色が歪み、視認性を著しく損ねることになるため、眺望を求める場合には好ましくない。加えて、特許文献２に記載の太陽光集光器は、特許文献１に記載の装置と同様に、ライトガイドの端部に光電池を設けるものであり、光電池の配置に制約がある。【００１２】
本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであって、かかる問題の少なくとも一部を解決することができる集光装置、光発電装置、集光用シート、光発電シート及び集光装置又は光発電装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した課題を解決するため、本発明の集光装置は、光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板と、後側表面に設けられ、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、前側表面又は後側表面の少なくとも一方に設けられ、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を導光基板から出射させる出射窓と、を備えることを特徴とする。【００１４】
上記集光装置において、出射窓は、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を臨界角未満の屈折角で屈折させる透過型ホログラムが形成された出射用透過層を含んでもよい。また、出射窓は、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を臨界角未満の反射角で反射する反射型ホログラムが形成された出射用反射層を含んでもよい。
さらに、出射窓は、拡散板を含んでもよい。出射窓は、導光基板の後側表面又は前側表面に対して傾斜を有する出射光学系を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の集光装置。【００１５】
上記集光装置において、導光用反射層の反射型ホログラムは、仰角方向又は方位角方向について所定の角度範囲の第１の入射角で入射する光を反射するように構成されることが好ましい。導光用反射層は、反射角の異なる複数種類の反射型ホログラムが形成されていることが好ましい。【００１６】
出射用透過層の透過型ホログラムは、仰角方向又は方位角方向が異なる第２の入射角で入射する光を所定の屈折角で一方向に出射するように構成されることが好ましい。また、出射用透過層の透過型ホログラムは、第１の入射角で入射する光を所定の屈折角で一方向に出射するように構成されてもよい。【００１７】
導光用反射層において、複数の円形の反射型ホログラムが一部重なり合うようにして形成されてもよい。また、複数の三日月形の反射型ホログラムが形成されてもよい。【００１８】
本発明の光発電装置は、上記集光装置において、出射窓によって出射された光を受けて発電する光電池を配置したものである。【００１９】
本発明の集光用シートは、光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬する導光基板に貼付される集光用シートであって、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓と、を含むことを特徴とする。【００２０】
本発明の光発電シートは、光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板に貼付される光発電シートであって、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓と、出射窓から出射された光を受けて発電する光電池と、を含むことを特徴とする。【００２１】
本発明の集光装置の製造方法は、光源からの光を集光する集光装置を製造する方法であって、光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板の後側表面に、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射シートを貼付し、導光基板の前側表面又は後側表面の少なくとも一方に、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓用シートを貼付することを特徴とする。【００２２】
本発明の光発電装置の製造方法は、光源からの光を集光して発電する光発電装置を製造する方法であって、光源からの光を受ける前側表面と後側表面との間で光を伝搬させる導光基板の後側表面に、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射シートを貼付し、導光基板の前側表面又は後側表面の少なくとも一方に、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する、透過型ホログラム、反射型ホログラム又は拡散板によって形成された出射窓用シートを貼付し、出射窓用シートによって出射された光を受ける位置に光電池を設けることを特徴とする。【００２３】
本発明の集光装置の製造方法は、光源からの光を集光する集光装置を製造する方法であって、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する出射窓とを含むように構成された集光用シートを導光基板の表面に貼付する工程を備えることを特徴する。上記集光装置の製造方法において、集光用シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、導光基板に貼付されている集光用シートを剥がす工程、導光基板の表面を洗浄する工程及び集光用シートを導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程の１つまたは複数の工程を備えてもよい。【００２４】
本発明の光発電装置の製造方法は、光源からの光を集光して発電する光発電装置を製造する方法であって、導光基板の臨界角未満の第１の入射角で入射する光を臨界角より大きな反射角で反射する反射型ホログラムが形成された導光用反射層と、臨界角以上の第２の入射角で入射する光を出射する出射窓と、出射窓から出射された光を受けて発電する光電池と、を含むように構成された光発電シートを導光基板の表面に貼付する工程を備えることを特徴とする。上記光発電装置の製造方法において、光発電シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、導光基板に貼付されている光発電シートを剥がす工程、導光基板の表面を洗浄する工程及び光発電シートを導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程の１つまたは複数の工程を備えてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の集光装置によれば、採光性及び視認性を確保しつつ、効率よく光を収集することができる。また、収集した光を所望の方向へ到達させることができる。本発明の光発電装置によれば、出射窓により、集光した光を所望の方向へ到達させることができるので、任意の場所に光電池を配置することができ、周囲の環境の制約を受けることが少ない。また、出射窓から出射する光と光電池の受光面との角度を適切に設定することができ、発電効率を向上させることができる。本発明の集光装置又は光発電装置は、既存の窓ガラスを利用して、簡単に構成することができる。本発明のその他の効果については、発明を実施するための形態において述べる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の集光装置及び光発電装置の概略構成図
【図２】本発明の集光装置及び光発電装置の別の例
【図３】本発明の集光装置及び光発電装置の別の例
【図４】出射窓の第１の構成例
【図５】出射窓の第２の構成例
【図６】出射窓の第３の構成例
【図７】出射窓の第４の構成例
【図８】集光用シートの第１の構成例
【図９】集光用シートの第２の構成例
【図１０】集光用シートの第３の構成例
【図１１】光発電シートの構成例
【図１２】季節ごとの太陽の日周運動を示す説明図
【図１３】反射型ホログラムを作製する装置及び方法を示す説明図
【図１４】遮光マスクの例を示す説明図
【図１５】遮光マスクの他の例を示す説明図
【図１６】円形の反射型ホログラムが形成された例
【図１７】遮光マスクを使用した場合の物体光の光束を示す説明図
【図１８】三日月型の反射型ホログラムが形成された例
【図１９】（Ａ）及び（Ｂ）は第１の従来例を示す説明図。本図は、各々、特許文献１の図５（Ａ）及び図１２を引用したものである。
【図２０】第２の従来例を示す説明図。本図は、特許文献２の図１Ａを引用したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定されるものではない。
【００２８】
［集光装置及び光発電装置の構成］
図１は、本発明の集光装置１及び光発電装置１００の概略構成図である。
【００２９】
本発明の集光装置１は、光源２から照射される光２０を集光する装置であり、導光基板３と、導光用反射層４と、出射窓５と、を備える。そして、本発明の光発電装置１００は、集光装置１と、集光装置１によって集光され、集光装置１から出射される光を受けて発電する光電池１０と、を組み合わせたものである。
【００３０】
本発明の集光装置１又は光発電装置１００は、例えば、住宅、ビル、各種施設、乗り物の窓に適用することができる。また、集光装置１又は光発電装置１００は、採光又は換気を目的とする窓以外の構造、例えば、建築物の壁面又は屋根、カーポート、アーケード、温室、高速道路及び鉄道などの防音壁、トンネルの壁面などに適用することもできる。図１では、光源２として太陽を例示しているが、これに限定されない。本発明の集光装置１又は光発電装置１００は、光源２として、月明かり、他の照明（室内照明、街灯、トンネル照明）、自動車のヘッドライトなどの光も利用することができる。
【００３１】
以下、本明細書において、集光装置１（又は光発電装置１００）の光源２側を前側、光源２とは反対の方向を後側という。また、本明細書では、集光装置１の寸法を縦（Ｘ軸方向）、横（Ｙ軸方向）、厚さ（Ｚ軸方向）で表わしたとき、縦（Ｘ軸方向）×横（Ｙ軸方向）によって規定される平面を基準とし、その平面の法線Ｎに対して、後述する光の入射角α、反射角β、屈折角γ、臨界角θcなどの角度を規定する。
【００３２】
導光基板３は、光源２からの光２０を受ける前側表面３１と後側表面３２との間で光を伝搬させるものであり、空気よりも屈折率が高い透明材料から構成される。導光基板３は、平板状であることが好ましいが、曲面を含んでいてもよい。透明材料とは、入射する光に対して透過性を有する材料であればよく、例えば、ガラス、プラスチックなどを採用することができる。また、導光基板３は、ホログラムを記録可能な感光材料から構成されてもよい。
【００３３】
通常、ホログラムは、ホログラム感光材料に記録される。ホログラム感光材料は、一般には、少なくとも、感光物質を含むホログラム記録層と、ホログラム記録層を支持する基材とを含む。ホログラム記録層は、銀塩、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマー、フォトレジストなどが使用され、基剤は、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリフッ化エチレン系フィルムなどの樹脂が使用される。例えば、ホログラム記録材料としてフォトポリマーを用いた場合、ホログラム記録材料は、干渉縞記録のためのモノマー、記録材料の形状を維持するためのマトリックス及び必要に応じて添加される非反応性成分や各種添加剤によって形成されている。このうちマトリックスは、記録材料の形状を維持するための成分であり、高い光線透過率や透明性であることが求められ、屈折率変調を促進するためにモノマーに比してわずかに低屈折率であることが好ましく、一般にウレタン樹脂やエポキシ樹脂が使われている。一方、モノマーは、干渉縞を記録するための成分であり、高い光線透過率や透明性が求められ、マトリックスに比べわずかに高屈折率であることが好ましく、光硬化により干渉縞を記録する。モノマーには、主に光カチオン重合系と光ラジカル重合系があり、光カチオン重合系ではシリコーン系エポキシト゛など脂環式エポキシ化合物が、また、光ラジカル重合系ではビニルカルバゾール、スチレン誘導体、アクリレートやそれらのプレポリマーなどビニル化合物が用いられている。導光基板３自体にホログラム感光材料を用いる場合、例えば、導光基板の大半をマトリックスで構成し、表面近傍にモノマー、非反応性成分や各種添加剤等を分散させてもよい。
【００３４】
導光基板３の内部において全反射が生じる臨界角θcは、空気の屈折率と導光基板３を構成する材料の屈折率の比によって規定される。例えば、導光基板３が一般的に窓ガラスに使用されているフロートガラス（屈折率１．５１）で構成される場合、空気の屈折率が約１．０とすると、臨界角θcは約４２°となる。
【００３５】
導光用反射層４は、導光基板３の後側表面３２の少なくとも一部に設けられ、複数の反射型ホログラム４０を含む。導光用反射層４は、図１に示すように、導光基板３を構成する材料自体（ホログラム感光材料）の一部に構成されてもよい。この場合、導光用反射層４の屈折率は、導光基板３の材料とほぼ同一の値であるので、導光用反射層４が構成された領域と導光用反射層４が構成されていない領域との境界において光の屈折が生じず、ホログラムの回折の設計が容易となる。また、導光用反射層４は、後述する図２などに示すように、導光基板３とは別の材料（ホログラム感光材料）に形成され、導光基板３に接合されてもよい。
【００３６】
導光用反射層４の反射型ホログラム４０は、導光基板３の臨界角θc未満の第１の入射角α１（つまり、０°≦α１＜θcの範囲）で入射する光２１の少なくとも一部を臨界角θcより大きな反射角βで光２２として反射するように構成される。第１の入射角α１で入射する光２１は、かかる角度範囲内の一定の角度で入射する一方向の光を指す場合もあれば、かかる角度範囲のうちの一部の角度範囲で入射する複数の光をまとめた光束を指す場合もあるし、かかる角度範囲を含む広い角度範囲で入射する複数の光をまとめた光束の一部を指す場合もある。反射型ホログラム４０の反射角βは、一つの値に設定してもよいし、導光用反射層４において反射型ホログラム４０が形成される位置に応じて、異なる値を設定してもよい。
【００３７】
例えば、図１に示したように、導光用反射層４において、Ｘ軸上の位置ｘ２、ｘ３、ｘ４・・・の位置に、それぞれ、反射型ホログラム４０が形成されている場合、位置ｘにおける反射型ホログラム４０の反射角β（ｘ）は、β（ｘ２）≠β（ｘ３）≠β（ｘ４）とすることができる。位置に応じて反射角を自由に設定できるので、出射窓５の配置、集光装置１と光源２との位置関係、集光装置１の使用目的などに応じて、余分な回折や吸収による損失を減らすように設計することができる。例えば、反射角βが全て同じ場合、導光用反射層４のホログラム４０は、光源からの臨界角θc未満の角度α１の光と干渉して臨界角θc以上の角度βの光を再生するが、角度βの光とも干渉して損失する可能性がある。このため、反射角βを複数設定するだけでも、ホログラム４０で反射した臨界角θc以上の角度βの光が、再度他のホログラム４０を通過する際の干渉を低減することができ、損失を減らすことができる。また、導光基板内を通過する光の吸収（減衰）を減らすために、出射窓５から離れた位置のホログラム４０については、なるべく反射角を大きく設定し、光路長を短くすることが好ましい。例えば、図１に示す集光装置であれば、反射角β（ｘ）はβ（ｘ２）＜β（ｘ３）＜β（ｘ４）となるように設計するのが好ましい。
【００３８】
出射窓５は、導光基板３の前側表面又は後側表面の少なくとも一方に設けられ、導光基板３の臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を所定の角度γに屈折、回折又は反射させて導光基板３から出射する。出射光２４の角度γは、光電池１０の数量及び配置に応じて、適宜設定することができ、一方向に揃えてもよいし、複数の角度の出射光２４としてもよいし、一定の角度範囲の出射光２４でもよい。
【００３９】
出射窓５は、図１に示したように、導光基板３の後側表面３２（導光用反射層４と同じ側）に設けられることが好ましいが、後述する図２に示すように、導光基板３の前側表面３１に設けてもよい。さらに、出射窓５は、後述する図３に示すように、導光基板３の前側表面及び後側表面の両方に設けてもよい。
【００４０】
また、出射窓５は、図１に示したように、導光基板３を構成する材料自体（ホログラム感光材料）の一部に構成しもよい。この場合、出射窓５の屈折率は、導光基板３の材料とほぼ同一の値になるので、ホログラムの回折の設計が容易となる。また、出射窓５は、導光基板３とは別の部材に形成してもよく、後述する図２及び図３に示すように導光基板３の前側表面３１又は後側表面３２の一部に接合されてもよい。出射窓５の具体的な構成例については、図４〜図７を用いて後述する。
【００４１】
光電池１０は、出射窓５から出射された光２４を受ける位置に配置され、出射された光２４を光電変換して発電する装置である。光電池１０は、薄型であることが好ましく、視界を妨げず、景観を損なわない光透過型のモジュールによって構成されることがさらに好ましい。本発明の集光装置１では、出射窓５を適宜設計することにより、集光した光を適宜の方向に出射することができるので、集光装置１からの光の出射方向に応じて光電池１０を適宜の位置に配置することができる。図１では、光電池１０が、出射窓５に対して間隔を空けて平行に配置された例を示しているが、これに限定されない。例えば、光電池１０は、後述する図２に示すように、出射窓５に対して垂直に配置してもよいし、後述する図３に示すように、出射窓５又は導光基板３の表面に隣接して設けられてもよい。さらに後述する図４（Ａ）に示しように、出射窓５に対して斜めに配置してもよい。
【００４２】
図２及び図３は、本発明の集光装置１及び光発電装置１００の別の例を示す。図２及び図３に示す集光装置１又は光発電装置１００は、導光用反射層４及び出射窓５が、導光基板３とは別に構成されており、導光用反射層４及び出射窓５が構成された部材を導光基板３に接合させた点で、図１に示す例と異なる。この場合、導光用反射層４が構成されるホログラム感光材料として、導光基板３と略同一の屈折率を有する材料を選択すると、導光基板３と導光用反射層４との境界面では、光の屈折が生じないので、導光用反射層４の反射型ホログラム４０の回折の設計が容易となる。
【００４３】
さらに、図２は、導光基板３の前側表面３１に出射窓５を配置し、出射窓５に対して垂直に光電池１０を配置した点でも、図１に示す例と異なる。図３は、導光基板３の後側表面３２に透過型の出射窓５を設け、透過型の出射窓５の表面に隣接して光電池１０を配置すると共に、導光基板３の前側表面３１に反射型の出射窓５を設け、反射型の出射窓５で反射した出射光２４が照射される位置に、導光基板３の後側表面３２に接合して光電池１０を配置した点で、図１に示す例と異なる。図２及び図３において、図１と同一の符号を付した構成については、図１に示した対応する構成と機能的に共通するので、詳細な説明は省略する。
【００４４】
図４〜図７は、各々、本発明の集光装置１又は光発電装置１００における出射窓５の第１〜第４の構成例である。
【００４５】
まず、図４に示す第１の構成例では、出射窓５は、ホログラム感光材料に複数の透過型ホログラム５０Ａが形成された出射用透過層５Ａとして構成される。出射用透過層５Ａの透過型ホログラム５０Ａは、導光基板３の臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を受けると、光２３を所定の角度γに屈折させて、出射光２４として導光基板３から一方向に出射するように構成される。透過型の出射窓５の場合は、角度γは屈折角となる。図４（Ａ）では、出射用透過層５Ａは、導光基板３の後側表面３２の一部に設けられ、図４（Ｂ）では、出射用透過層５Ａは、導光基板３の前側表面３１の一部に設けられる。
【００４６】
透過型ホログラム５０Ａの屈折角γは、光電池１０が配置される位置に基づいて適宜設定することができる。屈折角γは、光電池１０の発電効率を高めるため、光２４が光電池１０の受光面に対して略垂直に入射するように設定されることが好ましい。図４（Ａ）では、光電池１０が出射用透過層５Ａに対して斜めに設けられおり、屈折角γは、光２４が光電池１０の受光面に対して垂直に入射するように設定されている。図４（Ｂ）では、光電池１０が出射用透過層５Ａに隣接して設けられており、屈折角γは、光２４が光電池１０の受光面に対して垂直に入射するように、略０°に設定されている。図１に示したように、光電池１０が一定の間隔を空けて出射用透過層５Ａと平行に設けられる場合も、透過型ホログラム５０Ａの屈折角γは、略０°に設定することが好ましい。ただし、図２に示すように、光電池１０に対して斜めに光２４が入射するように設計してもよい。このように、透過型ホログラム５０Ａは、回折による角度γを適宜設定できるので、集光した光を光電池１０が配置された方向に指向させることができる。
【００４７】
さらに、出射用透過層５Ａの透過型ホログラム５０Ａは、導光基板３の臨界角θc未満の第１の入射角α１で入射する光２１を所定の角度γの出射光２４として導光基板３から一方向に出射するように構成してもよい。これにより、通常であれば、導光基板３の臨界角θc未満の第１の入射角α１で出射用透過層５Ａに入射する光２１は、導光基板３に入射した角度で出射用透過層５Ａから空気中に出射されるが、透過型ホログラム５０Ａの回折により、臨界角θc未満の第１の入射角α１で入射する光２１であっても、所定の角度γの出射光２４として一方向に指向させることができ、光電池１０の受光面に到達する光を増大させることができる。
【００４８】
次いで、図５に示す第２の構成例では、出射窓５は、ホログラム感光材料に複数の反射型ホログラム５０Ｂが形成された出射用反射層５Ｂとして構成される。出射用反射層５Ｂの反射型ホログラム５０Ｂは、導光基板３の臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を受けると、光２３を所定の角度γで反射させて、出射光２４として導光基板３から一方向に出射するように構成される。反射型の出射窓５の場合は、角度γは反射角となる。反射型ホログラム５０Ｂの反射角γは、光電池１０が配置される位置に基づいて適宜設定することができる。
【００４９】
図５（Ａ）では、出射用反射層５Ｂは、導光基板３の後側表面３２の一部に設けられ、導光基板３の前側に配置された光電池１０に向けて光２４を反射させている。図５（Ｂ）では、出射用反射層５Ｂは、図３と同様に、導光基板３の前側表面３１の一部に設けられ、導光基板３の後側表面３２の一部に設けられた光電池１０に向けて光２４を反射している。
【００５０】
図６に示す第３の構成例では、出射窓５として、出射面側に拡散板５Ｃが設けられる。拡散板５Ｃは、導光基板３よりも屈折率が大きいか同等の材料によって形成されることが好ましく、例えば、微小なレンズアレイが配列された構成としてもよい。拡散板５Ｃは、導光基板３の臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を拡散させて外側へ出射することができる。あるいは、拡散板５Ｃに代えて、出射窓５として、単に導光基板３よりも屈折率の大きい材料によって形成された高屈折材料層を備える構成でもよい。高屈折材料層は、導光基板３の臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を受けると、高屈折材料層と導光基板３の後側表面３２との境界で入射する光２３を屈折させ、光２４として導光基板３から出射するように構成される。
【００５１】
図６（Ａ）では、拡散板５Ｃは、導光基板３の後側表面３２の一部に設けられ、導光基板３の後側に配置された光電池１０に向けて光２４を出射させている。図６（Ｂ）では、拡散板５Ｃは、導光基板３の前側表面３１の一部に設けられ、導光基板３の前側に配置された光電池１０に向けて光２４を出射している。
【００５２】
図７に示す第４の構成例では、出射窓５は、出射光学系５Ｄとして構成される。出射光学系５Ｄは、導光基板３の表面に対して傾斜する傾斜部であり、導光基板３の端部に形成される。傾斜部は、平坦であってもよいし、曲面を有していてもよい。出射光学系５Ｄは、臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を受けると、受けた光２３を屈折させ、光２４として導光基板３から出射する。また、出射光学系５Ｄの表面に反射層を設けることで反射型の出射窓とすることもできる。
【００５３】
図７（Ａ）では、出射光学系５Ｄは、導光基板３の端部における後側表面の一部に設けられ、導光基板３の下方に配置された光電池１０に向けて光２４を出射させている。図７（Ｂ）では、出射光学系５Ｄは、導光基板３の端部における前側表面３１と後側表面の一部に設けられ、導光基板３の下方に配置された光電池１０に向けて光２４を出射している。なお、図７においては、導光基板３の端面に傾斜部を設けたが、前側表面又は後側表面に傾斜部を設けてもよい。例えば、傾斜した表面を有する傾斜シートを貼付して、傾斜シートの傾斜した表面を介して光を出射してもよい。
【００５４】
以上説明したとおり、本発明の集光装置によれば、複数の反射型ホログラム４０を含む導光用反射層４の機能によって、導光用反射層４において臨界角θc以上の角度で反射された光２２が、導光基板３の前側表面３１及び後側表面３２において反射を繰り返しながら、導光基板３内部を伝搬するものとなり、光を効率よく一定の方向へ集めることができる。また、導光用反射層４において反射型ホログラム４０の角度選択性を設計することにより、導光用反射層４によって反射角βで反射する光の割合を制御することができ、採光性及び視認性を調整することができる。
【００５５】
また、従来であれば、集光した光は、導光基板３の端部から取り出すほかなかったが、本発明の集光装置１では、導光基板３の表面の適宜の位置に出射窓５を設けたので、導光基板３の臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射する光２３を導光基板３の表面で反射させずに、導光基板の所望の領域から出射することができる。出射窓５として、透過型ホログラムが形成された出射用透過層又は反射型ホログラムが形成された出射用反射層を採用すれば、ホログラムの回折により、収集した光を所望の一方向へ到達させることもできる。
【００５６】
また、従来であれば、集光した光を受けて発電する光電池の配置には制約があったが、ホログラムの回折により、収集した光を所望の一方向へ到達させることができるので、任意の場所に光電池を配置することができ、周囲の環境の制約を受けることが少ない。さらに、出射窓から出射する光と光蓄電池の受光面との角度を適切に設定することができ、発電効率を向上させることができる。また、導光用反射層を導光基板の屋内側に設けることができるため、導光用反射層の入光面は導光基板の表面と当接しているので汚れないし、劣化したり物理的に損傷したりするおそれが少ない。加えて、集光装置１は、住宅、ビルなどの既存の窓ガラスに適用することができ、窓ガラスそのものを導光基板３として利用することもできる（以下、窓ガラス３ともいう）。この場合、導光用反射層４及び出射窓５（出射用透過層５Ａ、出射用反射層５Ｂ）は、窓ガラス３に簡単に貼り付けることができる集光用シートとして構成することが好ましい。
【００５７】
［集光用シートの構成例］
集光用シートは、シート状のホログラム感光材料を含んでいる。ホログラム感光材料は、一般には、少なくとも、感光物質を含むホログラム記録層と、ホログラム記録層を支持する基材とを含む。ホログラム記録層は、銀塩、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマー、フォトレジストなどが使用され、基剤は、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリフッ化エチレン系フィルムなどの樹脂が使用される。ホログラム感光材料において、所定のホログラムが記録されたホログラム記録層は、本発明の導光用反射層４、出射用透過層５Ａ、出射用反射層５Ｂなどに対応するものとなる。
【００５８】
図８〜図１０は、各々、本発明の集光用シート７の第１〜第３の構成例を示す。各図（Ａ）は、集光用シート７をＹ軸方向から観た断面図であり、各図（Ｂ）は、集光用シート７をＺ軸方向から観た断面図である。
【００５９】
図８に示す第１の構成例では、集光用シート７は、ホログラム記録層６１及び基材６２を含むホログラム感光材料６０と、ホログラム感光材料６０の後側（室内側）に設けられる保護層６３と、ホログラム感光材料６０の前側（導光基板との接着側）に設けられる接着材層６４とを備える。ホログラム記録層６１の一部は、反射型ホログラム４０が形成され、導光用反射層４を構成する。ホログラム記録層６１の他の一部は、透過型ホログラム５０Ａ又は反射型ホログラム５０Ｂが形成され、出射窓５として出射用透過層５Ａ又は出射用反射層５Ｂを構成する。保護層６３は、樹脂などによって構成され、ホログラム感光材料６０の損傷を防止する。接着材層６４は、導光基板３の表面に接着可能に構成される。集光用シート７の大きさ又は形状は、導光基板の条件（大きさ、形状、設置場所、日照条件、採光の必要性など）に応じて適宜設定することができる。また、集光用シート７は、導光基板の大きさ及び形状に対応させた汎用サイズのものとして製造してもよいし、過剰な大きさのもの（例えばロール状の長い帯状）として製造し、貼り付け対象である導光基板の大きさ及び形状に合わせて整形、加工できるように構成してもよい。
【００６０】
本例の集光用シート７によれば、例えば、既存の窓ガラス３の後側表面に貼付することができ、既存の窓ガラスを大きく改修する必要がなく、既存の窓ガラス３を利用して簡単に低コストで集光装置を構成することができる。また、集光用シート７は、窓ガラス３の屋内側に設けられるので、作業の危険が少ない。さらに、集光用シート７は、既存の窓ガラス３（導光基板）に貼付した後、必要に応じて簡単に剥がせるように構成されることが好ましい。これにより、集光用シート７が長期間の紫外線の照射等によって劣化した場合又は物理的な衝撃によって損傷した場合でも、容易に貼り替えることができる。
【００６１】
このような集光用シートを導光基板の表面に貼付することで集光装置を製造することができる。また、集光用シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、導光基板の表面を洗浄する工程を有していてもよい。さらに、集光用シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、集光用シートを導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程を有していてもよい。集光装置の集光用シートを交換する場合には、集光用シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、導光基板に貼付されている集光用シートを剥がす工程を有し、必要に応じて、導光基板の表面を洗浄する工程及び集光用シートを導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程を有していてもよい。
【００６２】
また、図８に示す第１の構成例では、導光用反射層４と出射窓５（出射用透過層５Ａ又は出射用反射層５Ｂ）とが一枚のシートに構成されているが、これに限定されない。
【００６３】
図９に示す第２の構成例のように、集光用シート７は、導光用反射層４を含む導光用反射シート７Ａと、出射窓５（出射用透過層５Ａ又は出射用反射層５Ｂ）を含む出射窓用シート７Ｂとの二枚の別々のシートによって構成してもよい。
【００６４】
本例の集光用シート７によって集光装置を構成する場合は、導光用反射シート７Ａ及び射窓用シート７Ｂを既存の窓ガラス３の後側表面３２に貼付してもよいし、導光用反射シート７Ａを窓ガラス３の後側表面３２に貼付し、出射窓用シートシート７Ｂを窓ガラス３の前側表面３１に貼付してもよい。
【００６５】
また、第１又は第２の構成例では、集光用シート７は、一つの導光用反射層４と一つの出射窓５とを含むが、集光用シート７において、導光用反射層４及び出射窓５の数量、大きさ又は配置は、窓ガラスの態様に応じて適宜変更することができる。
【００６６】
図１０に示す第３の構成例では、集光用シート７は、三つのホログラム感光材料６０が間隔を空けて配置され、各ホログラム感光材料６０において一組の導光用反射層４及び出射窓５が形成され、各ホログラム感光材料６０が樹脂の保護層６３によって一体化されている。
【００６７】
以上、本発明の集光用シートについて説明したが、上記は単なる例示であり、目的用途に合わせて、種々変更が可能である。また、かかる集光用シートを導光基板に設けた後に、集光用シートの出射窓から出射される光を受ける位置に光電池を適宜設ければ、光発電装置を構成することができる。また、集光用シートにあらかじめ光電池を組み込んだ光発電シートを構成し、光発電シートを導光基板に設けることによって簡単に光発電装置を構成することもできる。
【００６８】
［光発電シートの構成例］
図１１は、本発明の光発電シート８の構成例を示す。図１１（Ａ）に示す構成例では、光発電シート８は、ホログラム記録層６１及び基材６２を含むホログラム感光材料６０と、光電池１０と、ホログラム感光材料６０の後側（室内側）に設けられる保護層６３と、ホログラム感光材料６０の前側（導光基板との接着側）に設けられる接着材層６４とを備える。
【００６９】
ホログラム記録層６１の一部には、反射型ホログラム４０が形成され、導光用反射層４を構成する。ホログラム記録層６１の他の一部には、透過型ホログラム５０Ａが形成され、出射用透過層５Ａを構成する。ホログラム記録層６１は、ホログラムが形成されていない部分を含んでいてもよい。光電池１０は、出射用透過層５Ａに隣接して配置されている。保護層６３は、ホログラム感光材料６０及び光電池１０を覆ってこれらを一体化し、損傷を防止する。接着材層６４は、導光基板３の表面に接着可能に構成される。
【００７０】
また、図１１（Ａ）に示す構成例では、集光機能を実現する導光用反射層４の部分と、光発電を実現する出射用透過層５Ａ及び光電池１０の部分とを一枚のシートに構成したが、これに限定されない。図１１（Ｂ）に示す構成例のように、光発電シート８は、導光用反射シート７Ａと、出射用透過層５Ａ及び光電池１０を含む光電池付出射窓用シート７Ｃとの二枚の別々のシートによって構成することもできる。
【００７１】
既存の窓ガラス３を利用して光発発電装置を構成する場合は、一枚の光発電シート８を窓ガラス３の後側表面３２に貼付してもよいし、導光用反射シート７Ａを窓ガラス３の後側表面３２に、光電池付出射窓用シート７Ｃを窓ガラス３の前側表面３１又は後側表面３２に貼付してもよい。本発明の光発電シートによれば、既存の窓ガラスを大きく改修することなく、簡単に低コストで光発電装置を構成することができる。
【００７２】
光発電シート８の大きさ又は形状は、導光基板の条件（大きさ、形状、設置場所、日照条件、採光の必要性など）に応じて適宜設定することができる。また、光発電シート８は、導光基板の大きさ及び形状に対応させた汎用サイズのものとして製造してもよいし、過剰な大きさのもの（例えばロール状の長い帯状）として製造し、貼り付け対象である導光基板の大きさ及び形状に合わせて整形、加工できるように構成してもよい。さらに、光発電シート８は、既存の窓ガラス３（導光基板）に貼付した後、必要に応じて簡単に剥がせるように構成されることが好ましい。これにより、光発電シート８が長期間の紫外線の照射等によって劣化した場合又は物理的な衝撃によって損傷した場合でも、容易に貼り替えることができる。
【００７３】
このような光発電シートを導光基板の表面に貼付することで光発電装置を製造することができる。また、光発電シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、導光基板の表面を洗浄する工程を有していてもよい。さらに、光発電シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、光発電シートを導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程を有していてもよい。光発電装置の光発電シートを交換する場合には、光発電シートを導光基板の表面に貼付する工程の前に、導光基板に貼付されている光発電シートを剥がす工程を有し、必要に応じて、導光基板の表面を洗浄する工程及び光発電シートを導光基板の大きさ又は形状に合わせて整形する工程を有していてもよい。
【００７４】
［光の伝搬経路］
次いで、出射窓５として出射用透過層５Ａを採用した場合において、光源２（以下、太陽２ともいう。）からの光２０が導光基板３に入射してから光電池１０で受光されるまでの光路についての光の伝搬経路について、図１及び図４（Ａ）を用いて説明する。
【００７５】
太陽２から照射される光２０は、一日の中で仰角及び方位角が変化するが、ここでは、簡単のため、太陽２からの光２０は、集光装置１の法線Ｎを含み地面に対して垂直な面（以下、垂直基準面という。）において仰角φをもって照射されるものとして取り扱う。また、集光装置１の各構成要素に対する入射、反射、屈折については、簡単のため、上記垂直基準面内について説明する。
【００７６】
はじめに、太陽２からの光２０は、仰角φで導光基板３の前側表面３１に入射する。太陽の南中時の仰角φは、季節及び緯度によって異なるが、例えば、北緯３５°（東京）では、後述する図１２に示すように、冬至では約３２°、春分又は秋分では約５５°、夏至では約７８°である。
【００７７】
入射した光２０は、前側表面３１において屈折し、屈折した光２１は、導光基板３の臨界角θc未満の第１の入射角α１で導光基板３の後側表面３２へ向かう。
【００７８】
ここで、簡単のため、導光基板３の屈折率が１．５、空気の屈折率が１．０とすると、導光基板３の前側表面３１と後側表面３２の間で全反射が生じる臨界角θcは、スネルの法則により、約４２°である。
【００７９】
そして、仰角φが約３２°（冬至）で入射する光２０は、導光基板３の前側表面３１での屈折により、第１の入射角α１が約２１°の光２１となって後側表面３２に進む。同様に、仰角φが約５５°（春分及び秋分）で入射する光２０は、第１の入射角α１が約３３°の光２１となって後側表面３２に進む。仰角φが約７８°（夏至）で入射する光２０は、第１の入射角α１が約４１°の光２１となって後側表面３２に進む。このように、仰角φが約３２°〜７８°の範囲で入射した光２０は、スネルの法則により、導光基板３の前側表面３１において屈折し、屈折した光２１は、２１°〜４１°の範囲（臨界角θc未満）の第１の入射角α１で導光基板３の後側表面３２に到達する。
【００８０】
そして、後側表面３２における導光用反射層４に形成された反射型ホログラム４０に、臨界角θc未満の第１の入射角α１の光２１が入射すると、入射した光２１は、反射型ホログラム４０の回折作用により、臨界角θc以上の反射角βの光２２を反射し、反射した光２２は、前側表面３１に進む。
【００８１】
なお、導光用反射層４において反射型ホログラム４０が形成されていない位置に、臨界角θc未満の第１の入射角α１で光２１が入射すると、入射した光２１は、導光用反射層４を透過し、集光装置１の後側へと出射する。また、反射型ホログラム４０が角度選択性又は波長選択性を有し、所望の角度範囲や波長範囲の光と干渉するよう構成されていた場合に、かかる角度範囲や波長範囲を超えた光は、導光用反射層４を透過し、集光装置１の後側へと出射する。このため、集光装置１は、採光性と視認性も備えている。
【００８２】
さらに、前側表面３１に反射した光２２は、臨界角θc以上の角度βで前側表面３１に入射するため、前側表面３１において反射角βをもって全反射し、反射した光２３は、同様に後側表面３２においても同様に反射角βをもって全反射し、以降、複数の全反射を繰り返して、導光基板３の内部を下向きに伝搬する。
【００８３】
なお、太陽２からの光２０の仰角φは、臨界角θc（例えば、４２°）以上の範囲を含むこともありえるが、前側表面３１で屈折した光２１は、空気と導光基板３との相対屈折率の関係から、導光基板３内では臨界角θc未満の第１の入射角α１で後側表面３２に到達する。このため、後側表面３２に形成された反射型ホログラム４０は、臨界角θc未満で入射する光を回折するように構成されればよい。換言すれば、導光用反射層４の反射型ホログラム４０は、臨界角θcを半角とする円錐状の範囲の光を集光のために利用し、導光基板３内部で全反射が生じるように反射すればよい。加えて、導光基板３の内部で１回以上の反射を経た光は、臨界角θc以上で後側表面３２に入射するため、１回以上の反射を経た光については、反射型ホログラム４０によって反射角を変更しなくてもよい。
【００８４】
次いで、図４（Ａ）も参照して、出射用透過層５Ａに形成された透過型ホログラム５０Ａの位置に、光２３が臨界角θc以上の第２の入射角α２で入射すると、入射した光２３は、透過型ホログラム５０Ａの回折作用により、所定の角度γの出射光２４を再生し、出射光２４は、導光基板３の後側から一方向に出射する。また、出射用透過層５Ａに形成された透過型ホログラム５０Ａの位置に、臨界角θc未満の第１の入射角α１で後側表面３２に到達する光は、特に透過型ホログラム５０Ａの影響を受けずに後側に出射する。ただし、透過型ホログラム５０Ａは、第１の入射角α１で入射する光も、上記角度γで後側から出射するように構成してもよく、この場合には、第１の入射角α１で入射する光も、全反射で伝搬してきた光２２と揃えて出射することができ、光の集光効率を向上させることができる。
【００８５】
以上、図１を用いて、光の伝搬経路を説明したが、図２に示す集光装置１における光の伝搬経路も、光の伝搬の方向が上向きであるほかは図１に示す場合と同様である。また、図３に示す集光装置１では、導光用反射層４の位置ｘ２に形成された反射型ホログラム４０に第１の入射角α１で入射する光２１は、図１に示した例と同様に、下向きに伝搬し、出射窓５に入射した光２３は、屈折して出射窓５の後側に設けられた光電池１０に到達する。一方、導光用反射層４の位置ｘ３に形成された反射型ホログラム４０に第１の入射角α１で入射する光２１は、図２に示した例と同様に、上向きに伝搬し、出射窓５に入射した光２３は、反射され、後側に進み、導光基板３の後側表面３２に設けられた光電池１０に到達する。
【００８６】
ところで、図１では、説明のため、太陽２からの光２０について、垂直基準面内の伝搬のみを扱った。しかしながら、実際は、太陽は日周運動をしているため、集光装置１から観た太陽の位置は時刻によって変化する。さらに、日周運動の軌道は、季節によっても異なる。
【００８７】
図１２は、季節ごとの太陽２の日周運動を示す説明図である。図１２（Ａ）は、天球の垂直座標系において、季節ごとの太陽２の軌道を示したものである。図１２（Ｂ）は、天球の地平座標系において、季節ごとの太陽の軌道を示したものである。
【００８８】
図１２（Ａ）の垂直座標系は、地平線上の観察者（集光装置１、光発電装置１００）を中心として、地平線上の南の点、天頂（観測者の真上の点）、地平線上の北の点、点底（観測者の真下の点）が作る大円の天頂側半分を地平線上の西の点から東の点の方向に観た座標である。図１２（Ａ）において、観察者が天球を見上げる角度が仰角であり、地平線方向を０°、天頂を９０°とする。
【００８９】
図１２（Ｂ）の地平座標系は、地平線上の観察者を中心として、地平線上の東の点、天頂、地平線上の西の点、点底が作る大円の天頂側半分を地平線上の北の点から南の点の方向に観た座標である。図１２（Ｂ）において、観察者が地平面上のある点を観た場合の方向を方位角といい、地平面上の南の点の方向を０°、地平面上の東の点の方向を−９０°、地平面上の西の点の方向を＋９０°、地平面上の北の点の方向を１８０°とする。
【００９０】
図１２（Ａ）及び（Ｂ）の各座標系には、冬至における太陽の日周運動の軌道Ｔ１、春分及び秋分における太陽の日周運動の軌道Ｔ２、夏至における太陽の日周運動の軌道Ｔ３が示されている。
【００９１】
そして、図示のとおり、観測者が、例えば、北緯３５°（東京）に位置する場合、冬至における太陽の南中高度は、一年のうちで最も低く、約３２°（９０°−観測地点の緯度−２３．４°）となる。春分及び秋分における南中高度は、約５５°（「９０°−観測地点の緯度」）となる。夏至における太陽の南中高度は、一年の内で最も高く、約７８°（「９０°−観測地点の緯度＋２３．４°」となる。
【００９２】
また、図示のとおり、冬至において（軌道Ｔ１参照）、太陽は真東の南寄り（北緯３５度の場合、約−６１°）から昇り、真西の南寄り（北緯３５度の場合、約＋６１°）に沈む。春分及び秋分において（軌道Ｔ２参照）、太陽は真東（−９０°）から昇り、真西（＋９０°）に沈む。夏至において（軌道Ｔ３参照）、太陽は真東の北寄り（北緯３５度の場合、約−１１９°）から昇り、真西の北寄り（北緯３５度の場合、約＋１１９°）に沈む。
【００９３】
上記のとおり、光源２を太陽とする場合、太陽の位置は時刻、季節によって変化する。ただし、導光基板３の屈折率が空気に対して高いため、太陽からの光２０は、導光基板３の前側表面３１で屈折し、導光基板３の後側表面３２に対しては臨界角θc未満の第１の入射角α１で入射する。
【００９４】
このため、本発明の集光装置１において、反射型ホログラムは、臨界角θcを半角とする円錐の範囲を最大とする角度選択性を有することが好ましい。さらに、反射型ホログラムは、臨界角θcを半角とする円錐の範囲の一部に対応した角度選択性を有するように構成してもよい。以下、反射型ホログラムの作製装置及び作製方法について説明する。
【００９５】
［反射型ホログラムの作製装置］
図１３は、反射型ホログラム４０を作製する装置及び方法の一例を示す説明図である。作製装置は、レーザー光源２Ａ、レーザー光源２Ｂ、コリメートレンズ１１、遮光マスク１２、対物レンズ１３、載置台１４、参照光入射用光学部材１５、参照光出射用光学部材１６、ホログラム感光材料６０、走査手段（図示省略）、制御手段（図示省略）などを備える。その他、図示しないが、ビームスプリッタ、エクスパンダ、アパーチャなどを適宜設けてもよい。
【００９６】
レーザー光源２Ａは、例えば、半導体レーザーなどであり、物体光Ｌ１を、対物レンズ１３を介して集束させ、ホログラム感光材料６０に照射する。ホログラム感光材料６０は、反射型ホログラム４０が記録される材料であり、導光基板３と同一の屈折率を有することが好ましい。ホログラム感光材料６０は、保護層、接着剤層又は接着保護層の一つ又は複数が積層された構造であってもよい。
【００９７】
コリメートレンズ１１は、レーザー光源２Ａからの光を略平行光に成形する。対物レンズ１３は、略平行光に成形された物体光Ｌ１を屈折させて集束する光としてホログラム感光材料６０の記録対象部分に照射する。ホログラム感光材料６０に照射される集束した物体光Ｌ１は、反射型ホログラム４０によって干渉可能な光に対応し、反射型ホログラム４０は、集束した物体光Ｌ１と同じ方向、同じ角度で入射する光に干渉して反射光を再生することができる。したがって、集束した物体光Ｌ１の照射角度、照射方向に応じて、反射型ホログラム４０の角度選択性及び方向選択性を調節することができる。例えば、後述の遮光マスク１２によって対物レンズ１３に入射する物体光Ｌ１の平面形状を変形させることができ、これによって、反射型ホログラム４０の角度選択性及び方向選択性を調節することが可能である。図１の導光用反射層４を作製する場合は、物体光Ｌ１は、図１に示す導光基板３を介して反射型ホログラム４０に入射する光２１の臨界角θc未満の範囲（０°〜θｃ）の少なくとも一部を含むように設定される。また、物体光Ｌ１の波長に応じて、反射型ホログラム４０の波長選択性も調整することができる。
【００９８】
図１３においては、断面円形の物体光Ｌ１が、対物レンズ１３によって、集束角θfを半角とする円錐状に集束するように照射される。物体光Ｌ１の集束角θfとは、ホログラム感光材料６０に入射した集束した物体光の最大入射角を指し、物体光Ｌ１の断面が円でない場合（遮光マスク１２によって物体光Ｌ１の形状が変形された場合等）は、ＸＹ平面における方位（光軸に平行な断面）によって集束角θfが異なる場合もある。集束角θfは、図１に示す導光基板３を介して反射型ホログラム４０に入射する光２１の臨界角θc以上とすると、臨界角θc未満の範囲（０°〜θc）の入射光を反射することができるようになるので好ましい。
【００９９】
遮光マスク１２は、コリメートレンズ１１と対物レンズ１３との間に配置される部材であり、物体光Ｌ１の一部を遮断する作用を有し、対物レンズ１３の入射面に対して所望の形状の照射領域を生成する際に使用することができる。これによって、反射型ホログラムには、所望の角度範囲が設定される。遮光マスク１２は、図示しない移動手段によって移動可能に構成され、遮光部分の範囲、形状を変更可能とすることが好ましい。遮光マスク１２は、所望の角度範囲を実現するように種々の形状、大きさを採用することができる。また、遮光マスク１２を設けずに、又は使用せずに、円錐状の反射型ホログラムを形成してもよい。
【０１００】
図１４（Ａ）は、遮光マスク１２を配置しない場合の対物レンズ１３の入射面を示し、図１４（Ｂ）は、遮光マスク１２を配置した場合の対物レンズ１３の入射面を示す。図１４（Ｂ）に示す遮光マスク１２は、対物レンズ１３の入射面（円形）の曲率よりも大きい曲線を備えた部材であり、対物レンズの入射面に対して三日月型の照射領域を形成することができる。
【０１０１】
図１５は、遮光マスク１２の形状の他の例を示す説明図である。図１５（Ａ）に示す遮光マスク１２は、矩形の部材であり、対物レンズの入射面に対して半円の照射領域を形成することができる。図１５（Ｂ）に示す遮光マスク１２は、中心に矩形の開口を有する部材であり、対物レンズの入射面に対して矩形の照射領域を形成することができる。図１５（Ｃ）に示す遮光マスク１２は、中心に楕円の開口を有する部材であり、対物レンズの入射面に対して楕円の照射領域を形成することができる。
【０１０２】
載置台１４は、ホログラム感光材料６０を支持する透明部材であり、図１３においては、ホログラム感光材料６０の前側に配置されている。載置台１４は装置の構成に応じて適宜設けられるものであり、例えば、ホログラム感光材料６０の後側に配置されてもよいし、両側に配置されてもよい。載置台１４は、導光基板に対応する構成として同じ屈折率の材料を用いて、使用時における導光基板の配置と同様に配置すれば、使用時における導光基板を介してホログラム感光材料６０に入射する光と同じ光学系を再現できるので、設計が容易になる。また、参照光入射用光学部材１５及び／又は参照光出射用光学部材１６を載置台として利用し、ホログラム感光材料６０を支持させる構成としてもよい。
【０１０３】
レーザー光源２Ｂは、例えば、半導体レーザーなどであり、ホログラム感光材料６０の記録対象部分に対して参照光Ｌ２を入射角θrで照射する。参照光Ｌ２は、図示しない光学系によって平行光とされている。参照光Ｌ２の入射角θrは、記録後の反射型ホログラム４０から出射する再生光（反射光）の出射角となる。図１の導光用反射層４を作製する場合は、入射角θrは、反射する光２２の反射角βに対応し、図１に示す導光基板３を介して反射型ホログラム４０に入射する光２１の臨界角θc以上の範囲とする。
【０１０４】
また、レーザー光源２Ｂは、図示しない移動手段、ミラー又はプリズムなどによって、ホログラム感光材料６０に対する入射角θrを適宜変更可能なように構成されることが好ましい。この場合、入射角θrを変更することによって、同一のホログラム感光材料６０において、反射型ホログラムの記録対象部分（図１の符号ｘ２〜ｘ４）に応じて異なる反射角βを有する反射型ホログラム４０を構成することができる。入射角θrは、仰角方向だけでなく、方位角方向にも変更することができ、反射型ホログラムは、垂直基準面以外の方向にも再生光（図１の光２２）を出射するように構成することができる。
【０１０５】
なお、図１３に示した例では、二つのレーザー光源２Ａ、２Ｂを用いているが、ビームスプリッタなどを介して、一つのレーザー光源からの光を二光束に分離し、一方を物体光Ｌ１として用い、他方を参照光Ｌ２として用いてもよい。
【０１０６】
参照光入射用光学部材１５は、ホログラム感光材料６０の後側に配置され、レーザー光源２Ｂからの参照光Ｌ２に対する入射端面１５Ａを有する透明部材である。さらに、参照光入射用光学部材１５は、ホログラム感光材料６０を通過した物体光Ｌ１を反射させずに出射する後面１５Ｂを有している。
【０１０７】
参照光入射用光学部材１５の入射端面１５Ａは、ホログラム感光材料６０に対する参照光Ｌ２の入射角θrよりも垂直に近い角度で参照光Ｌ２が入射するように傾斜させており、好ましくは参照光Ｌ２の入射角θrに対して略垂直となるように構成する。かかる構成は、参照光入射用光学部材１５を介してホログラム感光材料６０に参照光Ｌ２を臨界角以上の入射角θrで照射するために必要となる。臨界角θcは、空気の屈折率（約１．０）と導光基板３を構成する材料の屈折率（たとえば、フロートガラスは１．５１）の比によって規定されるが、参照光入射用光学部材１５の屈折率は、少なくとも空気よりも大きい必要があり、できるだけ導光基板３の屈折率に近いことが好ましく、導光基板３の屈折率と同じであることが最も好ましい。参照光入射用光学部材１５の屈折率が導光基板３の屈折率と同じだった場合、レーザー光源２Ｂから照射された参照光Ｌ２は、参照光入射用光学部材１５に入射する際に屈折率の違いにより屈折するため、ホログラム感光材料６０と平行な後面１５Ｂに参照光Ｌ２を斜めに照射しても、屈折により、参照光入射用光学部材１５を通過した参照光Ｌ２は、臨界角θc以上の所望の入射角θrでホログラム感光材料６０に照射させることができなかった。このため、参照光入射用光学部材１５における参照光Ｌ２が入射する入射端面１５Ａを傾斜させて、斜めの参照光Ｌ２に対して入射端面１５Ａを垂直に近づけることで屈折を少なくする又は屈折を無くす（垂直の場合）ことにより、参照光入射用光学部材１５を介してホログラム感光材料６０に参照光Ｌ２を臨界角以上の入射角θrで照射することができる。また、参照光入射用光学部材１５の後面１５Ｂは、できるだけ物体光Ｌ１を反射させずに透過するようにホログラム感光材料６０と平行な平面とすることが好ましい。
【０１０８】
参照光出射用光学部材１６は、ホログラム感光材料６０の前側に配置され、ホログラム感光材料６０を通過した参照光Ｌ２に対する出射端面１６Ａを有する透明部材である。さらに、参照光出射用光学部材１６は、対物レンズ１３を通過した集束した物体光Ｌ１が入射する前面１６Ｂを有している。出射端面１６Ａは、ホログラム感光材料６０を通過した参照光Ｌ２をできるだけ反射させずに透過するよう参照光Ｌ２に対して、垂直に近い角度で傾斜させていることが好ましい。また、参照光出射用光学部材１６の前面１６Ｂは、できるだけ物体光Ｌ１を反射させずに透過するようにホログラム感光材料６０と平行な平面とすることが好ましい。
【０１０９】
対物レンズ１３と、参照光出射用光学部材１６と、載置台１４と、参照光入射用光学部材１５とは、屈折率の近い材料で構成されることが好ましく、同一の屈折率を有する材料で構成されることが最も好ましい。さらに、対物レンズ１３と、参照光出射用光学部材１６と、載置台１４と、参照光入射用光学部材１５との間も、屈折率の近い浸液１７で満たすことが好ましく、同一の屈折率を有する浸液１７で満たすことが最も好ましい。これらの部材に同一の屈折率を採用したことによって、レーザー光源２Ａからの物体光Ｌ１及びレーザー光源２Ｂからの参照光Ｌ２は、各光学部材の境界面で屈折することなく直進する。ただし、これらの部材の屈折率が同一でなくても、屈折率の差による屈折が許容範囲内であれば、屈折を含めて光学系を設計することで反射型ホログラム４０を作製することができる。
【０１１０】
さらに、当該作製装置では、参照光入射用光学部材１５の入射端面１５Ａを参照光Ｌ２に対して垂直とし、参照光入射用光学部材１５とホログラム感光材料６０との間を浸液１７で満たすことにより、参照光Ｌ２が境界面（参照光入射用光学部材１５の前側の表面及びホログラム感光材料６０の後側の表面）で屈折せず、臨界角θc以上の角度を維持したまま、ホログラム感光材料６０の記録対象部分に到達させることができる。これにより、図１に示す導光基板３の内部で臨界角θc以上の反射角βをもって全反射により伝搬する光２２を再現することができる。さらに、当該作製装置では、参照光出射用光学部材１６の出射端面１６Ａを参照光Ｌ２に対して垂直とし、ホログラム感光材料６０と参照光出射用光学部材１６との間を浸液１７で満たすことにより、ホログラム感光材料６０の記録対象部分を透過した参照光Ｌ２が出射端面１６Ａで反射せず、外部に向けて出射させることができる。このため、ホログラム感光材料６０への戻り光が発生せず、精度よく、ホログラムを形成することができる。
【０１１１】
また、対物レンズ１３は、浸液１７を介して、ホログラム感光材料６０に接する載置台１４（及び参照光出射用光学部材１６）に物体光Ｌ１を入射させるように構成されることが好ましい。すなわち、対物レンズ１３は、液浸対物レンズとして機能する。
【０１１２】
ここで、太陽（夏至の南中時）からの光は、窓ガラスの法線から最大で８０°近い仰角で入射する。このため、かかる８０°に近いような角度θfまでの物体光を生成するには、入射角８０°、空気の屈折率１．０の場合、必要な開口数は、ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθf＝１．０×ｓｉｎ８０°≒０．９８となり、理論上、開口数ＮＡ≒０．９８のような高解像度で大きな入射角を有する対物レンズを使用する必要がある。しかし、液浸を用いない対物レンズの場合、実現可能な最大の開口数は０．９５程度といわれている。
【０１１３】
しかし、図１３に示すように、液浸対物レンズ１３を用いた場合には、対物レンズ１３と載置台１４（参照光出射用光学部材１６を介すこともある）と浸液の媒質との間で屈折率の差がない状態を作り出せるため、対物レンズ１３によって載置台１４内における角度の光を生成できれば足りる。例えば、８０°の光が空気中から屈折率１．５１の載置台１４に入射すると、載置台１４内ではスネルの法則（ｓｉｎ-1（０．９８／１．５１）≒４０．５°）により約４０．５°に屈折するので、液浸対物レンズの場合、浸液の屈折率をｎ＝１．５１とすると、屈折率の差がないため、対物レンズ１３でθf≒４０．５°の物体光を生成し、浸液を介して載置台１４に入射させればよくなる。すなわち、液浸対物レンズ１３の開口数ＮＡは、最大でもホログラム感光材料６０に接する載置台１４の臨界角θc程度の入射角（屈折率１．５１の載置台１４で臨界角θcは約４２°）を実現できるように設定されればよく、上記のθf＝８０°の対物レンズに比較して、光学系の設計が容易になるという利点がある。
【０１１４】
さらに、作製装置は、図示しない走査手段によって、ホログラム感光材料６０における物体光Ｌ１及び参照光Ｌ２の相対的な照射位置を移動可能に設けられている。走査手段は、ホログラム感光材料６０を移動させずに、光学系の少なくとも一部または光学部材（ミラー又はプリズム）の向きや配置を変更して、物体光Ｌ１及び参照光Ｌ２の照射位置を移動させてもよいし、物体光Ｌ１及び参照光Ｌ２の照射位置を移動させずに、ホログラム感光材料６０を移動させてもよいし、ホログラム感光材料６０も物体光Ｌ１及び参照光Ｌ２の照射位置も移動させてもよい。走査手段は、例えば、図１３のＹ軸方向に相対的な照射位置を移動させて、一行分の反射型ホログラム４０の記録が終わったら、Ｘ軸方向に相対的な照射位置を移動させて、次の行の反射型ホログラム４０を記録するように走査してもよい。また、複数の光学系をＹ軸方向に一行分並べて配置し、一行分の反射型ホログラム４０を一回の照射で記録した後、ホログラム感光材料６０をＸ軸方向に移動させてもよい。
【０１１５】
また、ホログラム感光材料６０の記録対象部分が対物レンズ１３の焦点近傍に合うように図示しない焦点調整手段を有していてもよい。焦点調整手段は、例えば、参照光入射用光学部材１５と参照光出射用光学部材１６との間において、載置台１４及びホログラム感光材料６０をＺ軸方向に移動させる構成でもよいし、対物レンズ１３に対して、参照光出射用光学部材１６、載置台１４、ホログラム感光材料６０及び参照光入射用光学部材１５の全体をＺ軸方向に移動させる構成でもよい。
【０１１６】
制御手段は、レーザー光源２Ａ、レーザー光源２Ｂによるレーザー照射や、遮光マスク１２の配置、走査手段等を制御して、ホログラム感光材料６０に反射型ホログラム４０を記録する。
【０１１７】
［反射型ホログラムの作製方法（遮光マスクを利用しない場合）］
図１３に示すように、反射型ホログラムを作製する際、まず、レーザー光源２Ａから物体光Ｌ１を照射する。照射された物体光Ｌ１は、コリメートレンズ１１を介して略平行光に整形され、対物レンズ１３に入射する。遮光マスク１２を利用しない場合（図１４（Ａ）参照）、物体光Ｌ１の光束の断面は略円形である。対物レンズ１３に入射した物体光Ｌ１は、集束角θfを半角とする円錐形状に集束し、浸液１７を介して、参照光出射用光学部材１６の前面１６Ｂに入射し、さらに参照光出射用光学部材１６を通過し、浸液１７及び載置台１４を介して、物体光Ｌ１の焦点近傍に合わせて配置されたホログラム感光材料６０の記録対象部分に入射する。さらに、ホログラム感光材料６０を通過した物体光Ｌ１は、発散する光として浸液１７を介して、参照光入射用光学部材１５の前面に入射し、参照光入射用光学部材１５を通過して後面１５Ｂから出射する。
【０１１８】
一方、レーザー光源２Ｂからの参照光Ｌ２を平行光として、参照光入射用光学部材１５に照射する。照射された参照光Ｌ２は、参照光入射用光学部材１５の入射端面１５Ａに入射し、参照光入射用光学部材１５内及び浸液１７を介して、ホログラム感光材料６０の記録対象部分に対して入射角θrで照射する。その後、ホログラム感光材料６０を通過した参照光Ｌ２は、参照光出射用光学部材１６の出射端面１６Ａから出射する。入射角θrの値は、レーザー光源２Ｂ（又は図示しないミラーなどの光学部材）の向きを適宜変更することによって適宜設定することができる。
【０１１９】
物体光Ｌ１と参照光Ｌ２がホログラム感光材料６０の記録対象部分において交差すると、集束角θfを半角とする円錐状の光束である物体光Ｌ１と反対側から入射角θrの平行光として照射された参照光Ｌ２とによる干渉縞が形成され、反射型ホログラム４０が記録される。
【０１２０】
図示しない走査手段によって、ホログラム感光材料６０における相対的な照射位置を順次移動させながら、上記のホログラム記録の工程を繰り返せば、ホログラム感光材料上に複数の反射型ホログラム４０が記録される。また、移動量を調整すれば、反射型ホログラム４０の記録間隔を変更することができ、隣接する反射型ホログラム４０が一部重なり合うように記録することもできる。
【０１２１】
図１６（Ａ）は、ホログラム感光材料６０において円形の反射型ホログラム４０を重ねずに形成した例である。同図では、説明のため、反射型ホログラム４０を大きく表示しているが、実際は、反射型ホログラム４０は、縦横が２０〜１０００μｍの微小な大きさであり、反射型ホログラム４０の形状は、顕微鏡によって拡大することによって確認できる。
【０１２２】
図１６（Ａ）に示す反射型ホログラム４０は、遮光マスク１２を使用せずに、集束角θfを半角とする円錐状の光束である物体光Ｌ１によって記録されたものである。このため、反射型ホログラム４０は、図１６（Ｂ）の角度分布に示すように、集束角θfを半角とする円錐に対応する角度範囲、すなわち、Ｘ軸方向（方位角方向）に−θf〜＋θf、Ｙ軸方向（仰角方向）に−θf〜＋θfの角度範囲を有する。これにより、反射型ホログラム４０は、先の狭まる円錐状の光束に相当する角度範囲のうち、集束角θf未満の光が入射すると、回折を生じ、参照光Ｌ２の入射角θrに対応する再生光を出射する。図１の導光用反射層４を作製する場合、集束角θfを導光基板の臨界角θcに、参照光Ｌ２の入射角θrを導光基板の臨界角θc以上に設定し、臨界角θc未満の第１の入射角αを有するいずれかの光（図１の光２１）が入射すると、回折を生じ、参照光Ｌ２の入射角θrに対応する角度（図１の反射角β）の臨界角θc以上の再生光（図１の光２２）を出射するように設計することが好ましい。なお、図１６（Ａ）においては、反射型ホログラム４０を縦横に整列させているが、例えば、奇数行と偶数行で互い違いとなるように配置し、奇数行の隣接する反射型ホログラム４０の中間の位置に偶数行の反射型ホログラム４０が配置されるように形成してもよい。
【０１２３】
図１６（Ｃ）は、ホログラム感光材料６０において一部重なり合う円形の反射型ホログラム４０を形成した例である。図１６（Ｃ）において、多重度の小さいホログラム感光材料を用い、かつ、露光用の光スポットを記録媒体の上方へ順次シフトして露光した場合には、最初に露光するホログラムは円形であるが、その後に形成される個々の反射型ホログラム４０は、主に、新たに記録される光照射領域である三日月状の部分がホログラムとして順次形成されていくことになる。つまり、その後に形成される個々の反射型ホログラム４０は、焦点角度θfを半角とする円錐状の光束の一部によって記録されたものとなる。
【０１２４】
かかる反射型ホログラム４０は、図１６（Ｄ）の角度分布に示すように、点Ａ（０，−θf）、点Ｂ（θf，０）、点Ｃ（０，θf）、点Ｄ（θm，０）で囲まれた三日月形の部分に対応する角度範囲を有する。角度θmは、作製時におけるホログラムの重ねる領域（ホログラム間のピッチ）によって、０°＜θm＜θfの範囲の任意の角度に設定することができ、光源の仰角の下限に対応させることが好ましい。角度θmは、例えば、図１２に示す冬至における太陽の南中高度（東京では約３２°）としてもよい。三日月形の反射型ホログラム４０は、かかる角度範囲内の第１の入射角α１の光が入射すると、回折を生じ、参照光Ｌ２の入射角βに対応する角度の再生光を出射する。
【０１２５】
図１６（Ｃ）においては、縦方向にのみ重ねているが、建築物の緯度や経度および設置される窓の方位や傾きなどに応じて、太陽光を有効に取り込めるように、横方向にも重ねてもよい。さらに、図１６（Ｃ）では、所定の角度範囲外の入射角をもって入射する光が全反射することがなく透過するので、採光性と視認性を大きく損ねることがないという特徴を有する。
【０１２６】
なお、多重度が比較的大きいホログラム感光材料を用いた場合、円形のホログラムが重なり合う部分（三日月以外の部分）についてもホログラムが記録されるため、図１６（Ｂ）に示す角度範囲において入射する光に対して回折可能なホログラムを重ねて記録することができる。
【０１２７】
［反射型ホログラムの作製方法（遮光マスクを利用する場合）］
反射型ホログラムを作製する際、レーザー光源２Ａから照射された物体光Ｌ１は、コリメートレンズ１１を介して略平行光に整形され、コリメートレンズ１１と対物レンズ１３との間に配置された遮光マスク１２によって、一部の略平行光が遮断され、他の一部の略平行光が所望の形状で対物レンズ１３に入射する。例えば、図１４（Ｂ）に示す形状の遮光マスク１２を利用した場合、遮光マスク１２より後側の物体光Ｌ１の光束の断面は三日月形となる。
【０１２８】
図１７は、断面が三日月形の光束となる物体光の例を示す説明図である。図１３も合わせて参照すると、遮光マスク１２より前側の位置ｚ１では、レーザー光源２Ａから照射された物体光Ｌ１の光束Ｓ０の断面形状は略円形となる。遮光マスク１２より後側の位置ｚ２では、物体光Ｌ１の光束Ｓ１の断面形状は三日月形となり、遮光マスク１２の光束の遮断によって非照射部分Ｓ２が生じる。さらに、対物レンズ１３より後側の位置ｚ３では、対物レンズ１３の集束作用により、物体光Ｌ１の光束Ｓ１の断面形状は縮小され、位置Ｚ４のホログラム感光材料６０のホログラム記録対象部分において結像する。そして、物体光Ｌ１と参照光Ｌ２とがホログラム感光材料６０の記録対象部分において交差すると、集束角θfの物体光Ｌ１の光束と入射角βθrの参照光Ｌ２とによる干渉縞が形成され、三日月形の反射型ホログラム４０が記録される。
【０１２９】
図１８（Ａ）は、ホログラム感光材料６０において三日月形の反射型ホログラム４０を重ねずに形成した例である。個々の反射型ホログラム４０は、焦点角度θfを半角とする円錐状の光束の一部によって記録されたものである。かかる反射型ホログラム４０は、図１８（Ｂ）の角度分布に示すように、点Ａ（０，−θf）、点Ｂ（θf，０）、点Ｃ（０，θf）、点Ｄ（θm，０）で囲まれた三日月形の部分に対応する角度範囲を有する。角度θmは、作製装置における遮光マスクの形状及び配置によって、０°＜θm＜θfの範囲の任意の角度に設定することができ、光源の仰角の下限に対応させることが好ましい。角度θmは、例えば、図１２に示す冬至における太陽の南中高度（東京では約３２°）としてもよい。三日月形の反射型ホログラム４０は、かかる角度範囲内の第１の入射角α１の光が入射すると、回折を生じ、参照光Ｌ２の入射角βに対応する角度の再生光を出射する。
【０１３０】
図１８に示す反射型ホログラムの記録態様は、集束角θf、角度θm、遮光マスクの形状及び配置などを適宜設定することにより、仰角方向及び方位角方向において、所望の形状及び角度範囲のホログラムを記録することができ、光源からの照射方向に応じて効率よく光を収集できる。例えば、太陽の季節ごとの日周運動に対応した角度範囲を有する反射型ホログラムを作製することができ、太陽からの光を効率良く収集できる導光用反射層４を作製することができる。
【０１３１】
さらに、図１８では、円形のホログラムを相互に重ねなくても、図１６（Ｃ）及び（Ｄ）に示したように三日月型の反射型ホログラムを形成することができる。加えて、比較的多重度が大きいホログラム感光材料を用いた場合は、記録位置をずらして相互のホログラムを多重記録することで所望の形状及び角度範囲を有する反射型ホログラムを高密度で記録することもできる。この場合、複数のホログラムが重なって記録されるため、集光すべき所定の角度範囲の入射角の光をホログラム感光材料のほぼ全てのエリアで全反射することができるため、集光性を高めることができる。この場合でも、所定の角度範囲外の入射角をもって入射する光は透過するので、視認性を大きく損ねることはない。
【０１３２】
以上のとおり、本明細書では複数の形態について説明したが、本発明の適用範囲は、それぞれの形態に限定されるものではない。例えば、これら複数の形態を組み合せることもできる。
【符号の説明】
【０１３３】
１  集光装置
２  光源
３  導光基板
４  導光用反射層
５  出射窓
５Ａ  出射用透過層
５Ｂ  出射用反射層
７  集光用シート
７Ａ  導光用反射シート
７Ｂ  出射窓用シート
７Ｃ  光電池付出射窓用シート
８  光発電シート
１０  光電池
３１  前側表面
３２  後側表面
４０  反射型ホログラム
５０Ａ  透過型ホログラム
５０Ｂ  反射型ホログラム
６０  ホログラム感光材料
１００  光発電装置
【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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【国際調査報告】
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