(57)【要約】  本開示の導波シートは、入射される入射光を取り込み、内部で入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、低屈折率層と、低屈折率層と積層され、低屈折率層より屈折率の高い透光層と、透光層上に形成され入射光の進行方向を変える回折格子と、を備える。回折格子のパターンは複数の部分パターンに分割され、複数の部分パターンのそれぞれは同心円または同心多角形の形状である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される入射光を取り込み、内部で前記入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、
低屈折率層と、
前記低屈折率層と積層され、前記低屈折率層より屈折率の高い透光層と、
前記透光層上に形成され前記入射光の進行方向を変える回折格子と、を備え、
前記回折格子のパターンが複数の部分パターンに分割され、
前記複数の部分パターンのそれぞれは同心円または同心多角形の形状である、
導波シート。
【請求項２】
前記回折格子のパターンがハニカム状に分割される、
請求項１に記載の導波シート。
【請求項３】
前記回折格子のピッチが前記透光層内で均一である、
請求項１又は２に記載の導波シート。
【請求項４】
前記透光層が、間に前記低屈折率層を挟んで積層される、
請求項１〜３のいずれかに記載の導波シート。
【請求項５】
前記低屈折率層の厚さが、積層順ごとにランダムに異なる、
請求項４に記載の導波シート。
【請求項６】
請求項２に記載の導波シートを２枚備え、
２枚の前記導波シートは、前記透光層同士が対向し、前記回折格子のパターンが互いにずれるように積層されて単色導波シートを構成する、
導波シート。
【請求項７】
複数の前記単色導波シートを備え、
前記複数の単色導波シートは互いに前記回折格子のピッチが異なり、
前記回折格子のピッチの小さい単色導波シートから前記回折格子のピッチの大きい単色導波シートへ、前記入射光の入射側から順に積層される、
請求項６に記載の導波シート。
【請求項８】
前記入射光の入射側とは反対の面に反射シートが配置される、
請求項７に記載の導波シート。
【請求項９】
前記複数の単色導波シートの間、又は、
前記複数の単色導波シートと前記入射光の入射側とは反対の面に配置された反射シートとの間にビーズスペーサが配置される、
請求項７に記載の導波シート。
【請求項１０】
請求項１に記載の導波シートと、
光を受光する受光面を有し、前記受光面で受光した光を電力に変換する光電変換素子と、備え、
前記光電変換素子は、前記入射光の前記入射方向と交差する方向に位置する前記導波シートの端面と対向して前記受光面が位置するように、前記導波シートの周囲に配置される、
光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回折を利用して光の閉じ込みを行う導波シート及び当該導波シートを用いた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、光の回折を利用して光の閉じ込みを行う導波シートを開示する。特許文献１に記載の導波シートは、透光シートと、当該透光シート内に光結合構造とを備える。光結合構造は、第１の透光層と、第２の透光層と、これらに挟まれた第３の透光層とを含む。また、第１及び第２の透光層の屈折率は、透光シートの屈折率よりも小さく、第３の透光層の屈折率は、第１及び第２の透光層の屈折率よりも大きい。また、第３の透光層は、回折格子を有する。これにより、広い波長範囲の光を、広い入射角度で取り込むことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０４６４１４号
【発明の概要】
【０００４】
本開示では、入射される入射光を取り込み、内部で当該入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、当該導波シート内部に取り込んだ光を、内部に保持しやすい導波シートを提供する。また、本開示は、当該導波シートを用いた光電変換装置を提供する。
【０００５】
本開示の導波シートは、入射される入射光を取り込み、内部で入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、低屈折率層と、低屈折率層と積層され、低屈折率層より屈折率の高い透光層と、透光層上に形成され入射光の進行方向を変える回折格子と、を備える。回折格子のパターンは複数の部分パターンに分割され、複数の部分パターンのそれぞれは同心円または同心多角形の形状である。
【０００６】
また、本開示の光電変換装置は、上述した導波シートと、光を受光する受光面を有し、受光面で受光した光を電力に変換する光電変換素子と、備える。光電変換素子は、入射光の入射方向と交差する方向に位置する導波シートの端面と対向して受光面が位置するように、導波シートの周囲に配置される。
【０００７】
本開示の導波シートによれば、当該導波シート内部に取り込んだ光を、内部に保持しやすい。
【０００８】
また、本開示の光電変換装置によれば、導波シートによって広い面積で外部からの入射光を取り込み、取り込んだ入射光を効率よく当該導波シートの端面側に配置された光電変換素子へと導くことができるため、入射光を効率よく光電変換できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示に係る光電変換装置を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す光電変換装置の一部に対する平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示す光電変換装置の断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、シートの幅と集光率の関係を示す説明図である。
【図２】図２の（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係る導波シートの構造を説明するための模式的な斜視図であり、図２の（ｃ）は、実施の形態１に係る導波シートと光の伝播路を説明するための模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造と光の伝播路を説明するための模式的な斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造と光の結合方位の関係を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、入射ベクトルと導波ベクトルと格子ベクトルと放射ベクトルの関係を示す、３次元のベクトルダイアグラムによる説明図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、入射ベクトルと導波ベクトルと格子ベクトルと放射ベクトルの関係を示す２次元のベクトルダイアグラムによる説明図である。
【図５】図５の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ電磁解析で使った実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造の平面図および断面図であり、図５の（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ入力光と導波、放射の様子を示す平面図および断面図で、電磁解析結果による光強度分布を重ねた図である。
【図６】図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、いずれも光の遠方界の指向性を示す強度分布図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造と光の入射路を説明するための模式的な断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、光結合構造と結合領域の関係を示す平面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、半周期ずらしでアライメントして重ね合わせた場合の、上下の光結合構造と結合領域の関係を示す平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施の形態１に係る光入力効率の角度依存性を説明するための、６層の光結合層に入射する光の様子を示す２次元解析モデルの断面説明図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、波長をパラメータにして光結合層への光入力効率の角度依存性を示す説明図である。
【図９】図９は、実施の形態１に係る単一の光結合層と、光結合層への入射光のコヒーレンス長を説明するための説明図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９に示す光結合層に対する、光入力効率の波長依存性を示す説明図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図９に示す光結合層に対する、光入力効率の角度依存性を示す説明図である。
【図１１】図１１の（ａ）は、図８Ｂの結果に基づき見積もられる、波長と入射角度に対する結合範囲を示す説明図であり、図１１の（ｂ）は、インコヒーレント光の場合の、波長と入射角度に対する結合範囲を示す説明図である。
【図１２】図１２は、実施の形態１に於いて、単色の入射光が光結合層で結合し、広角化して放射されて閉じ込め光となるまでの過程を説明する斜視図である。
【図１３】図１３は、実施の形態１に於いて、多色の入射光が光結合層で結合し、広角化して放射されて閉じ込め光となるまでの過程を説明する断面図である。
【図１４】図１４は、実施の形態１に係る導波シートを製造する手順の一例を示す模式的な説明図である。
【図１５】図１５は、実施の形態２に係る導波シート内の光結合構造と光の伝播路を説明するための模式的な斜視図である。
【図１６】図１６は、電磁解析で使った実施の形態２に係る導波シート内の光結合構造の平面図であり、（ａ）は同心正１８角形のグレーティングのパターンの平面図、（ｂ）は同心正１２角形のグレーティングのパターンの平面図である。
【図１７】図１７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はいずれも光の遠方界の指向性を示す強度分布図であり、図１７の（ａ）、（ｂ）は図１６の（ａ）に対する放射光の遠方界分布図、図１７の（ｃ）、（ｄ）は図１６の（ｂ）に対する放射光の遠方界分布図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、グレーティング結合法の原理を説明するための光結合層の断面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、グレーティング結合法の原理を説明するための２次元のベクトルダイアグラムによる図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、グレーティング結合法の原理を説明するための３次元のベクトルダイアグラムによる図である。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、グレーティング結合法の原理を説明するための光結合層の実効的な膜厚と実効屈折率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
まず、発明者らの着眼点が、下記に説明される。
【００１１】
光は、光速で伝播し続ける素粒子である。光を単一の光伝播媒質に移すこと、及び光を当該光伝播媒質の内部で保持することは、一般的に難しい。従来、空気等の環境媒質から、透明なシート内部に光を取り込む技術として、例えば、グレーティング結合法がある。
【００１２】
図１８Ａ〜Ｄは、グレーティング結合法の原理を説明するための図である。
【００１３】
具体的には、図１８Ａは、表面に回折格子ピッチΛの直線グレーティング（回折格子２２ｇ）が設けられた透光層２０のｘｚ軸断面図である。透光層２０の表面はｘｙ面に平行であり、グレーティングの方位はｙ軸方向に伸び、その格子ベクトルはｘ軸に平行である。
【００１４】
回折格子２２ｇが設けられた透光層２０は、グレーティングカプラと呼ばれ、ここでは光結合層２２と呼ぶことにする。図１８Ａに示すように、波長λの入射光２３ａを光結合層２２の面の法線に対して所定の入射角度θ傾けて入射させると、入射光２３ａは、光結合層２２内を伝播する導波光２３ｂに結合させることができる。
【００１５】
図１８Ｂは、図１８Ａにおける入射光２３ａの２次元ベクトルダイアグラムを示す説明図である。図１８Ｂにおいて、円２４ｃ及び円２５は、それぞれ点Ｏを中心とし屈折率ｎ０と実効屈折率ｎｅｆｆを半径とした円であり、点Ｒ０は円２５とｘ軸の交点である。ここで、屈折率ｎ０は透光層２０の周囲に位置する環境媒質２１の屈折率であり、実効屈折率ｎｅｆｆは導波光２３ｂの実効屈折率である。点Ｐ０’は、点Ｏから入射角度θ（ｚ軸に対する傾き角）に沿って線を引き、当該線と円２４ｃとが交わる点である。点Ｐ０は、点Ｐからｘｙ平面へ引いた垂線の足（当該垂線とｘ軸との交点）である。
【００１６】
図１８Ｄは、導波光２３ｂがＴＥモードで伝播する場合の、実効的な膜厚ｔｅｆｆと実効屈折率ｎｅｆｆとの関係（分散特性）を示す。実効屈折率ｎｅｆｆは、光結合層２２の実効的な膜厚に依存し、光結合層２２内を伝播する伝播光の導波モードに応じて、環境媒質２１の屈折率ｎ０から透光層２０の屈折率ｎ１までの間の特定の値をとる。ここで、実効的な膜厚とは、回折格子２２ｇがない場合には、透光層２０の膜厚そのものであり、回折格子２２ｇがある場合には、透光層２０の膜厚に回折格子２２ｇの平均高さを加えたものである。
【００１７】
なお、図１８Ｄは、透光層２０の周囲を覆う環境媒質２１をＳｉＯ２、透光層２０をＴａ２Ｏ５とした場合の関係である。図１８Ｄに示すように、光結合層２２内を伝播する導波光には、０次、１次、２次等の複数の導波モードが存在し、それぞれ特性カーブが異なる。
【００１８】
ここで、図１８Ｂに示すように、ｘ軸正方向への光の結合条件は、Ｐ０Ｒ０の長さが格子ベクトルの大きさ（λ／Λ）の整数倍に等しいことである。具体的には、ｘ軸正方向への光の結合条件は、下記の式（１）で表される。ただし、ｑは整数で表わされる回折次数である。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
光の結合は波長λ、入射角度θ等が式（１）を満たす場合にのみに起こる。
【００２１】
上記は、入射光２３ａの入射方向が、ｘｚ平面に平行な場合についての説明であったが、ｘｚ平面に非平行な場合について考察する。図１８Ｃは、図１８Ａにおける入射光２３ａの３次元ベクトルダイアグラムを示す説明図である。
【００２２】
図１８Ｃにおいて、球面２４ｓ及び円２５は、それぞれ点Ｏを中心とし屈折率ｎ０と実効屈折率ｎｅｆｆを半径とした球面と円であり、点Ｒ０は円２５とｘ軸の交点である。
【００２３】
点Ｐ０’は、点Ｏから入射角度θ（ｚ軸に対する傾き角）に沿って線を引き、当該線と球面２４ｓとが交わる点である。点Ｐ０は、点Ｐ０’からｘｙ平面へ引いた垂線の足（当該垂線とｘｙ平面との交点）である。
【００２４】
これらの関係は入射光２３ａの入射方向がｘｚ平面に平行な場合であり、点Ｐ０’、Ｐ０、Ｒ０はいずれもｘｚ平面上にある。入射光２３ａがｘｚ平面に非平行な場合には、点Ｏから入射光線の方位に沿って線を引き、当該線と球面２４ｓとが交わる点Ｐ’を求める。点Ｐ’からｘｙ平面へ引いた垂線の足（当該垂線とｘｙ平面との交点）が点Ｐである。点Ｐからｘ軸に平行に線を引き、円２５と交わる点Ｒを求める。光の結合条件は、ベクトルＰＲが格子ベクトルの整数倍に等しいことである。円２５をｘ軸に沿って格子ベクトルの整数倍だけずらした円を円２５’とすると、光の結合条件は点Ｐが円２５’上にあれば成り立ち、円２５’から外れると成り立たない。
【００２５】
従って、入射光２３ａがｘｚ平面に非平行な場合、導波光への結合角度は変化するが、入射角度及び波長が限定されることには変わりない。
【００２６】
また、導波光２３ｂは、光結合層２２の領域を伝播する間に、入射角と同じ角度で光２３Ｂ、２３Ｂ’を放射する。従って、光結合層２２のグレーティング端部２２ｅに近い位置で入射する入射光２３ａ’は、導波光２３ｂ’として透光層２０内での伝播を続けられるが、端部２２ｅから離れた位置で入射する光は、端部２２ｅまで到達するまでに減衰する。すなわち導波光への結合条件を満たしても、透光層２０を伝播できる光は、その入射位置がグレーティング端部２２ｅに近接した光に限定されるといった問題がある。
【００２７】
以上の問題点を鑑み、発明者らは本開示を創作するに至った。
【００２８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００２９】
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００３０】
また、各図におけるｘ軸及びｙ軸は、ｚ軸に直交する方向であるとする。また、ｘ軸は、ｙ軸と直交する方向であるとする。また、本明細書において、ｚ軸の正方向を上方と定義する。また、ｚ軸方向を積層方向として記載する場合がある。
【００３１】
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではない。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
【００３２】
また、本明細書において、平行とは、略平行すなわち製造上の誤差を含む。
【００３３】
（実施の形態１）
以下、図１Ａ〜図１３を用いて、実施の形態１を説明する。
【００３４】
［導波シートの構造］
図１Ａは、本開示に係る光電変換装置を示す斜視図であり、図１Ｂは図１Ａに示す光電変換装置の一部に対する平面図、図１Ｃは光電変換装置の断面図である。
【００３５】
図１Ａ〜Ｃに示すように、光電変換装置１００は、導波シート８と、導波シート８の端面位置の下に配置される光電変換素子９とを備える。導波シート８のｘｙ面上の形状は、例えば正６角形であり、光電変換素子９は正６角形の外縁形状をなす。導波シート８はハニカム状に隣接してｘｙ面上に敷き詰められ、光電変換素子９はハニカム境界部の直下に配置される。
【００３６】
光電変換装置１００は、太陽光や照明光等の入射光１１を、導波シート８の内部に取り込み、取り込んだ入射光を電力に変換する装置である。言い換えると、入射光１１は、導波シート８の内部に取り込まれ、導波シート８内部で閉じ込め光１２に変換される。閉じ込め光１２は、導波シート８内部を伝播し、導波シート８の端面８ｅまで到達する。端面８ｅまで到達した閉じ込め光１２は、端面８ｅから放射し、端面位置に近接して配置されたミラー１０で下方に反射され、光電変換素子９で受光され、電力に変換される。
【００３７】
光電変換素子９は、受光した光を電力に変換する。一具体例としては、光電変換素子９は、太陽電池である。光電変換素子９の材料としては、例えば、結晶シリコン、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の半導体が採用される。或いは、光電変換素子９の材料としては、例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ等の化合物系半導体が採用されてもよい。
【００３８】
導波シート８は、入射光１１を内部に取り込む光学シートである。導波シート８は、取り込んだ入射光１１を内部で保持し、閉じ込め光１２に変換して導波シート８の端面８ｅへ伝播させる。具体的には、導波シート８は、入射光１１を内部に取り込み、入射光１１の進行方向を変えて、受光方向と交差する方向に位置する導波シート８の端面へと導波する。より具体的には、導波シート８は、入射光１１を内部に取り込み、入射光１１の進行方向とは異なる方向に導波シート８内部を進行（導波）する閉じ込め光１２に変換する。また、導波シート８は、閉じ込め光１２を、導波シート８外部（具体的には図１Ａ〜Ｃに示すｚ軸方向側）への放射を抑制しながら端面８ｅへと導く機能を有する。
【００３９】
導波シート８のｘｙ面上の形状を一辺の長さが２ａの正６角形とすると、正６角形の幅Ｗは式（２）、面積Ｓは式（３）で与えられる。
【００４０】
【数２】
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【００４１】
【数３】
2019078081.tif 000005
【００４２】
光電変換素子９の幅を素子幅ｗとすると、集光率Ｃｒ（光電変換素子面積に対する導波シート面積の比）は式（４）で与えられ、ｗ＝０．５ｍｍとして集光率Ｃｒとシート幅Ｗとの関係を示したのが図１Ｄである。
【００４３】
【数４】
2019078081.tif 000006
【００４４】
図１Ｄより、シート幅Ｗを１００ｍｍ以上にすると集光率Ｃｒを１００倍以上にできることが分かる。
【００４５】
図２の（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係る導波シートの構造を説明するための模式的な斜視図であり、図２の（ｃ）は、実施の形態１に係る導波シートと光の伝播路を説明するための模式的な断面図である。
【００４６】
導波シート８は複数の単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、・・・、８ｊなどを、ビーズなどの透明スペーサを介して空気層の隙間を挟み、重ね合わせて構成される。ビーズの代わりに単色導波シートの表面が緩やかにうねり、空気層の隙間を挟み、うねりの頂点で接しながら重ね合わされてもよい。単色導波シート８ａを例に取ると、単色導波シート８ａは同じ構造体である積層シート７ａ、７ａ’を、透明の接着層６ａを挟んで張り合わせて構成される。積層シート７ａは透明なシート基板１ａとその上に積層された光結合層５ａからなる。光結合層５ａは回折格子が設けられた高屈折率の透光層（高屈折率層３ａ）が間に低屈折率のバッファー層（低屈折率層４ａ）を挟んで交互に積層された構造であり、入射光を導波光に結合させる働きがある。
【００４７】
シート基板１ａ（１ａ’）は積層側の表面２ａ（２ａ’）にグレーティング５ｇ（回折格子）が形成され、その反対側の表面１ａｓ（１ａｓ’）は平滑な平面である。グレーティング５ｇのパターンはハニカム状で分割され、一つ一つの正６角形内には正６角形内の中心に同心する円形のグレーティング５ｇが形成されている。分割された一つ一つのグレーティングパターンを部分パターンと称する。積層側の表面２ａ（２ａ’）にはＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５等の高屈折率の透明層である高屈折率層３ａ（３ａ’）とＳｉＯ２等の低屈折率の透明層である低屈折率層４ａ（４ａ’）がグレーティング５ｇの形状を維持しながら交互に積層され、光結合層５ａ（５ａ’）として機能する。前述の接着層６ａは光結合層５ａと５ａ’の張り合わせを行っている。グレーティング５ｇのピッチは単色導波シート８ａが最も小さく、下層側（８ｂ、８ｃの順）に向かうに従い大きくなる。なお、高屈折率層３ａ、３ａ’、低屈折率層４ａ、４ａ’、光結合層５ａ、５ａ’を、それぞれ総称して高屈折率層３、低屈折率層４、光結合層５という。
【００４８】
導波シート８に入射する入射光１１は最上面の単色導波シート８ａに入射して、光結合層５ａ、５ａ’で入射光１１ｉａとなる。入射光１１ｉａの一部は光結合層５ａ、５ａ’で結合して導波光１１ｇａに変換され、光結合層内を伝播する。導波光１１ｇａは入力位置に近接する正６角形内の光結合層５ａ、５ａ’まで伝播すると、その位置で上下に放射し、放射光１１ｒａとなる。放射光１１ｒａの放射角（光結合層の面法線に対する角度）は入射光１１ｉａの入射角（光結合層の面法線に対する角度）よりも大きく、放射光１１ｒａの一部はシート基板１ａ、１ａ’の表面１ａｓ、１ａｓ’で全反射光となって閉じ込め光１２ａになる。一度、閉じ込め光１２ａになれば光の伝播角度が小さくなることがないので、単色導波シート８ａ内を損失なく安定して伝播し、シート内に閉じ込められる。
【００４９】
光結合層５ａ、５ａ’に入射する入射光１１ｉａの内、光結合層５ａ、５ａ’で結合しない成分や、放射光１１ｒａの内、伝播角は大きくなったが全反射光（閉じ込め光１２ａ）とは成らなかった成分は、単色導波シート８ａを透過して下層にある単色導波シート８ｂに入射し、ここで上述の現象を繰り返す。
【００５０】
最上層の単色導波シート８ａでは、青などの短波長側の光が閉じ込められ、下層に向かうに従って長波長側の光が閉じ込められる。導波シート８全体で可視光から近赤外光までの光が閉じ込められる。
【００５１】
図３は、実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造と光の伝播路を説明するための模式的な斜視図である。
【００５２】
入射光１１ｉの一部は正６角形の光結合層５Ｌで結合して導波光１１ｇに変換され、光結合層内を伝播する。導波光１１ｇは入力位置に近接する正６角形の光結合層５Ｒで上下に放射し、放射光１１ｒとなる。放射光１１ｒの放射角（光結合層の面法線に対する角度）は入射光１１ｉの入射角（光結合層の面法線に対する角度）よりも必ず大きくなる。例えば、入射光１１ｉの広がりをＳＩで示すと、放射光１１ｒの広がりはＳＲのようになり、広角側に広がっている。この原理は全ての入射角の光に対し成立する。
【００５３】
図４Ａは、実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造と光の結合方位の関係を示す平面図である。
【００５４】
光結合構造５の内、一つの正６角形の中心を中心Ａ、隣接する正６角形の中心を中心Ｂ、さらに隣接する正６角形の中心を中心Ｃとし、グレーティング５ｇのピッチをピッチΛとする。中心Ａの正６角形に入射し、入力結合して中心Ｂ側に導波する光の伝播ベクトルをベクトルＢ１とし、ベクトルＢ１がベクトルＡＢとなす角をφとする。ベクトルＢ１の方向に伝播する導波光が中心Ｂの正６角形内に入射すると、その位置での格子ベクトルＢ２となす角φｂは２φに等しくなる。一方、中心Ａの正６角形に入射し、入力結合して中心Ｃ側に導波する光の伝播ベクトルをベクトルＣ１とし、ベクトルＣ１がベクトルＡＣとのなす角をφとする。ベクトルＣ１の方向に伝播する導波光が中心Ｃの正６角形内に入射すると、その位置での格子ベクトルＣ２となす角φｃは２φより大きくなる。
【００５５】
図４Ｂ、図４Ｃは入射ベクトルと導波ベクトルと格子ベクトルと放射ベクトルの関係を示す、３次元のベクトルダイアグラムによる説明図と２次元のベクトルダイアグラムによる説明図である。
【００５６】
図４Ｂにおいて、ｘｙｚ座標上に原点Ｏを中心とし、屈折率１、ｎ、ｎｅｆｆをそれぞれ半径とする球面を考える。
【００５７】
屈折率ｎはシート基材（１ａ、１ａ’等）の屈折率、屈折率ｎｅｆｆは導波光に対する透光層の実効屈折率である。点Ｒは半径が屈折率ｎｅｆｆの球面上にあり、点Ｐ’、Ｑ’は半径が屈折率ｎの球面上にあり、点Ｐ”は半径が屈折率１の球面上にあり、点Ｐ、Ｑ、Ｒはｘｙ平面上にあり、直線ＰＲは原点Ｏを通る。点Ｐを通る円１４ｐ、１４ｑはいずれもｘｙ平面上にある。点Ｐ、Ｐ’、Ｐ”は一直線上にあり、点Ｐは点Ｐ’及びＰ”のｘｙ面への垂線の足、点Ｑは点Ｑ’のｘｙ面への垂線の足である。シート基材（１ａ、１ａ’等）内での入射角θの入射ベクトルはベクトルＰ’Ｏであり、空気からの入射に換算するとベクトルＰ”Ｏに相当する。点Ｐは点Ｏを中心にした半径がｎ×ｓｉｎθである円１４ｐ上にある。円１４ｐの半径は入射光の開口数（ＮＡ）に相当する。正６角形内のグレーティング５ｇが点Ｏを中心にした同心円であることから、格子ベクトルの方位は動径方向に一致する。
【００５８】
従って、ベクトルＰＲの大きさが格子ベクトル（大きさΛ／λ、Λはグレーティング５ｇのピッチ、λは波長）の整数倍に等しいことが、入射光がＰＲ方向に導波することの条件であり（式（１）参照）、導波ベクトルはＯＲになる。ベクトルＯＲは図４ＡのベクトルＢ１に相当し、ｘ軸となす角がφである。
【００５９】
ベクトルＯＲに沿って伝播する導波光が近接する正６角形内に入射すると、その位置での格子ベクトルＲＱはベクトルＯＲに対し角φ’をなす（図４Ａにおける格子ベクトルＢ２、Ｃ２に対応）。格子ベクトルＲＱの終点Ｑは点Ｒを中心にした半径がΛ／λである円１４ｑ上にある。点Ｑに於ける垂線と半径ｎ（屈折率ｎ）の球面との交点をＱ’とすると、ベクトルＯＱ’が近接する正６角形内のグレーティングカプラから放射される光の伝播ベクトル（放射ベクトル）である。線ＱＱ’が半径１（屈折率１）の球面と交わらなければ、放射光はシート基材（１ａ、１ａ’等）の空気に面した表面（１ａｓ、１ａｓ’等）で全反射し、シート内に閉じ込められる。円１４ｑは点Ｐで円１４ｐに外接するので、放射光のＮＡは入射光のＮＡより必ず大きくなる（これを広角化効果とよぶ）。点Ｑが半径ｎ（屈折率ｎ）の円外に出ると、放射光は発生せず導波光は損失なく伝播を続けるが、最終的にはどこかの正６角形内に入射して光を放射する（図４Ａにおける角度φｂ、φｃが中心Ｂの正６角形と中心Ｃの正６角形とで異なるように、どこかで必ず放射条件を満たす）。その放射光のＮＡも入射光のＮＡより必ず大きい。
【００６０】
図４Ａ〜Ｃで説明した広角化効果を検証するために、ＦＤＴＤによる電磁解析を行なった。
【００６１】
図５はＦＤＴＤによる電磁解析の解析モデルであり、図５の（ａ）と（ｂ）は、電磁解析で使った実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造の平面図と断面図、図５の（ｃ）と（ｄ）は入力光と導波、放射の様子を示す平面図と断面図で、電磁解析結果による光強度分布を重ねている。
【００６２】
図５の（ａ）、（ｂ）において、光結合層５Ｌ、５Ｒの正６角形の幅（ｘ軸方向）を１０μｍとし、グレーティング５ｇをピッチΛ＝０．２４μｍ、深さ０．０９μｍの３角断面形状とし、高屈折率層３を厚さ０．１５μｍのＴａ２Ｏ５膜とし、低屈折率層４をＳｉＯ２膜とした。解析の境界条件はｘ、ｙ、ｚ方向ともＰＭＬ（吸収境界条件）とした。図５の（ｃ）、（ｄ）において、入射光１１として１０μｍ角の光源をｘｙ座標の右半分に（図５の（ｃ）の破線）、低屈折率層４内で高屈折率層３に近接して（図５の（ｄ）の破線）配置する。光源の波長は０．６０μｍ、入射角はｘｚ面内でｚ軸に対して２５度（ＮＡ＝０．４２）、偏光はＳ偏光（電気ベクトルがｙ軸方向）である。
【００６３】
図５の（ｃ）はｘｙ座標の右半分を占める光結合層５Ｒで入力結合し、光結合層５Ｌ側に伝播する導波光のｘｙ断面の強度分布を示す。
【００６４】
図５の（ｄ）はｘｚ断面の強度分布図であり、光結合層５Ｌ、５Ｒからの光の放射の様子（放射光１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）を矢印で示す（ただし、放射光１５ｃは反射成分が殆どであり、放射光１５ｄは透過成分が殆どである）。
【００６５】
図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はいずれも光の遠方界の指向性を示す強度分布図であり、それぞれ図５の（ｄ）に於ける放射光１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄに対応する。
【００６６】
ただし、入射光１１の低屈折率層４内での入射角を、ｘ方向成分θｘ、ｙ方向成分θｙとし、横軸をｘ方向ＮＡ（＝ｓｉｎθｘ）、縦軸をｙ方向ＮＡ（＝ｓｉｎθｙ）とした。
【００６７】
図６の（ｃ）、（ｄ）では入射光の（ｓｉｎθｘ、ｓｉｎθｙ）＝（０．４２、０．００）に対応する位置に強度（矢印Ａ）が集中し、高屈折率層３での反射光、透過光を反映したものである。
【００６８】
これに対し、図６の（ａ）、（ｂ）ではＮＡ＝０．４２の円に外接するように強度分布（矢印Ｂ）が広がり、空気に対する全反射条件（ＮＡ＝１／ｎ＝０．６９、ｎ（低屈折率層４の屈折率）＝１．４５）の外側まで延びる。矢印Ｃの強度分布は解析誤差（グリッド間隔の限界でグレーティングの形状表現にランダム性が残り、導波光の一部が散乱するため）である。
【００６９】
図６での解析結果から、図４Ａ〜Ｃで説明した広角化効果（放射光のＮＡが入射光のＮＡより必ず大きくなること）が成り立つことが分かる。
【００７０】
図７Ａは、実施の形態１に係る導波シート内の光結合構造と光の入射路を説明するための模式的な断面図である。
【００７１】
光結合層５ａ、５ａ’は接着層６ａにより張り合わせられている。光結合層５ａ、５ａ’の厚さｔは例えば１０μｍの大きさ、正６角形の幅Ｗは例えば１０μｍ程度の大きさ、接着層６ａの厚さｓは数ミクロン程度の大きさである。
【００７２】
単色導波シート８ａに入射しシート基板１ａ’を透過する入射光１６ａは光結合層５ａ’に斜めに入射し、領域１７ａ、１７ｂ（ｚ軸方向に異なる位置で異なる正６角形領域）で入力結合する。結合から漏れた入射光１６ａは下層にある光結合層５ａに入射し、領域１７ｃ、１７ｄ（ｚ軸方向に異なる位置で異なる正６角形領域）で入力結合する。シート基板１ａ’を透過する入射光１６Ａは光結合層５ａ’に斜めに入射し、領域１７Ａ、１７Ｂ（ｚ軸方向に異なる位置で異なる正６角形領域）で入力結合する。結合から漏れた入射光１６Ａは下層にある光結合層５ａに入射し、領域１７Ｃ、１７Ｄ（ｚ軸方向に異なる位置で異なる正６角形領域）で入力結合する。
【００７３】
図７Ｂは、光結合構造と結合領域の関係を示す平面図であり、図７Ｃは、半周期ずらしでアライメントして重ね合わせた場合の、上下の光結合構造と結合領域の関係を示す平面図である。
【００７４】
図７Ｂにおいて、入射光１６ａが光結合層５ａ’で入力結合できる領域を平面図上で描いたのが１８ａ’であり、入射光１６Ａが入力結合できる領域を描いたのが１８Ａ’である。
【００７５】
入射光１６ａ、１６Ａに対応する光束は全ての正６角形の領域に存在し、結合領域１８ａ’、１８Ａ’に対応する領域も全ての正６角形の領域に存在する。さらに入射光を入射光１６ａから入射光１６Ａに連続的に移動させると、結合領域１８ａ’、１８Ａ’も連続して繋がり、最終的に結合領域は１８’のようになる。光結合層５ａで入力結合できる領域もこれと同じである。
【００７６】
従って、図７Ｃに示すように、光結合層５ａ’（実線で表示）と光結合層５ａ（破線で表示）とをｘ方向及びｙ方向に半周期ずらしでアライメントして重ね合わせた場合、光結合層５ａ’による結合領域１８’と光結合層５ａによる結合領域１８は、それぞれ隙間を埋めあう位置にあり、殆どの領域を結合領域で覆うことができる。
【００７７】
図８Ａは、実施の形態１に係る光結合層５の光入力効率の角度依存性を説明するために、６層の光結合層に入射する光の様子を示す２次元解析モデルの断面説明図であり、図８Ｂは、波長をパラメータにして光結合層５への光入力効率の角度依存性を示す説明図である。
【００７８】
図８Ａにおいて、光結合層５はＴａ２Ｏ５の高屈折率層３（膜厚０．１９μｍ）がＳｉＯ２の低屈折率層４（膜厚０．２７μｍ）を挟んで６層積層して構成されており、最上面のＳｉＯ２層は空気に接している。入射光１１は最上層のＳｉＯ２層内部をＳ偏光で発光（入射）し、入射角θはＳｉＯ２層内での角度で見積もり、θ＝４３．６度がＳｉＯ２層最表面で全反射する条件である。グレーティング５ｇのピッチは０．２４μｍ、幅は５μｍであり、入射光１１の幅もこれに揃える。解析境界は全てＰＭＬである。
【００７９】
図８Ｂにおいて、波長は０．５０〜０．６５μｍの範囲を０．０５μｍ刻みで振っている。短波長から長波長になるに従って、結合効率最大となる入射角度は大きい側にシフトする。また単一波長で結合効率の極大値は２度現れ、入射角度の小さい側は０次導波モードでの結合、大きい側は１次導波モードでの結合に相当する（図１８Ｄ参照）。グレーティングの幅が狭いので、入射角が大きい場合に入射光の伝播範囲とグレーティング領域の重なる範囲は狭くなり、入力結合に寄与するのは上側の２、３層までに限られるが、いずれの条件でも最大５０％以上のピークをなす結合効率が得られている。各ピークをそれぞれの強度半値幅で比較すると、１次導波モードでの幅は０次導波モードでの幅より大きく、長波長での幅は短波長での幅より大きい。
【００８０】
図９は、実施の形態１に係る単一の光結合層５と、光結合層５への入射光のコヒーレンス長を説明するための説明図である。
【００８１】
図９において、光結合層５はＴａ２Ｏ５の高屈折率層３（膜厚０．３４μｍ）がＳｉＯ２の低屈折率層４に挟まれて構成される。コヒーレンス長Ｌの入射光１１は上層のＳｉＯ２層側からＳ偏光で入射し、入射角θはＳｉＯ２層内での角度で見積もる。グレーティングのピッチは０．４５μｍ、幅Ｗは５．６μｍであり、入射光１１の幅もこれに揃える。解析は２次元であり、解析境界は全てＰＭＬである。
【００８２】
図１０Ａは、図９に示す光結合層５に対する、光入力効率の波長依存性を示す説明図である。
【００８３】
図１０Ａは、図９において入射光１１をｘｙ面上の光結合層５に対して垂直に入射させ、導波光を結合させた場合のシミュレーション結果を示す光強度分布図である。ここで、波長依存性とは、入射光１１の波長を変えた場合の、入射光１１が光結合層５に取り込まれて導波光に結合される効率（カップリング効率）である。
【００８４】
図１０Ｂは、図９に示す光結合層５に対する、光入力効率の角度依存性を示す説明図である。
【００８５】
ここで、角度依存性とは、図９において入射光１１の入射角度θを変えた場合の、入射光１１が光結合層５に取り込まれて導波光に結合される効率（カップリング効率）である。
【００８６】
なお、光結合層５に入射する入射光１１には、パルス光を用いた。すなわち、当該解析に用いた入射光１１は、コヒーレンス長Ｌの光であり、光速をＣとした場合にＬ／Ｃで定義される時間幅の範囲で、波長λの均質な電磁波を形成する光とした。また、解析に用いた入射光１１の、電磁波が形成されるコヒーレンス長Ｌの範囲外での電磁波振幅は、ゼロとなるように設定した。図１０Ａおよび図１０Ｂに示す解析結果は、コヒーレンス長Ｌをパラメータとしてプロットしている。
【００８７】
図１０Ａに示すように、コヒーレンス長Ｌが長い場合（いわゆる可干渉な光の場合）には、波長に対するカップリング効率は、波長が０．８３μｍ（図１８ＤのＰ１に対応）の場合と、波長が０．７１μｍ（図１８ＤのＰ２に対応）の場合とにカップリング効率の高い２つのピーク（導波光の０次モードと１次モードとに対応）を有する、ピーク幅の狭い先鋭なカーブをなす。コヒーレンス長Ｌが短くなるにつれて（いわゆる非干渉な光になるにしたがって）、複数確認されたピークは、幅が広がったカーブになる。
【００８８】
図１０Ｂに示すように、コヒーレンス長Ｌが長い場合には、入射角度が０度（図１８ＤのＰ１に対応）と２１度（図１８ＤのＰ２に対応）とにカップリング効率の高い２つのピーク（導波光の０次モードと１次モードとに対応）を有する。また、当該２つのピークは、ピーク幅の狭い先鋭なカーブをなす。コヒーレンス長Ｌが短くなるにつれて、２つのピークは、ピーク幅が広がったカーブになる。
【００８９】
ここで、光源を太陽として考えた場合、太陽光のコヒーレンス長Ｌは数μｍである。つまり太陽光が入射される場合には、実施の形態１に係る導波シートの光結合層５で、光は広い波長範囲、且つ広い入射角度範囲で入力結合し、導波光となる。
【００９０】
図１１の（ａ）は、図８Ｂの結果に基づき見積もられる、波長と入射角度に対する結合範囲を示す説明図である。
【００９１】
図１１の（ａ）において白矢印は０次導波モードによる結合効率の極大値範囲を示し、網目矢印は１次導波モードによる結合効率の極大値範囲を示す。矢印中心が極大値位置で、矢印終端は強度半値位置に相当する。白矢印、網目矢印とも図を左上（短波長、低角度）から右下（長波長、高角度）に流れることが分かる。
【００９２】
図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）及び図９の結果に基づき見積もられる、インコヒーレント光の場合の、波長と入射角度に対する結合範囲を示す説明図である。図９の（ｂ）より、コヒーレンス長Ｌ＝７．１５μｍ（インコヒーレント光）の結果がＬ＝１４３μｍ（コヒーレント光）の結果より角度幅で３倍程度に広がっている。この結果から、図１１の（ｂ）では図１１の（ａ）における白矢印、網目矢印の長さを３倍に広げている。白矢印、網目矢印が隙間なく重なり、単一のグレーティングのピッチであっても、広い波長範囲、且つ広い入射角度範囲で入力結合することが分かる。なお図１０Ａ、図１０Ｂで分かるように、インコヒーレント光にすることで波長範囲、入射角度範囲は広がるが、結合効率の最大値は小さくなる。しかし、実施の形態１の導波シート８では図２の（ｃ）に示すように光結合層５ａ等を積層構造で形成しており、積層数を十分大きくすることで結合効率は１００％近くまで改善できる。従って、実施の形態１の導波シート８では高い結合効率のまま、波長範囲、入射角度範囲を広げることができる。
【００９３】
図１２は、実施の形態１に於いて、単色の入射光が光結合層で結合し、広角化して放射され、閉じ込め光となるまでの過程を説明する斜視図である。
【００９４】
導波シート８への入射光１１を波長λ＝０．４μｍとし、ＮＡの大きい側から小さい側に輪帯開口数領域（入射光１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）に分割する。導波シート８は、光結合層５のグレーティング５ｇのピッチの小さい側から大きい側に、単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを、光の入射側から順次重ねる（図１２中、Λはグレーティング５ｇのピッチ、Ｎは実効屈折率）。図１２は、光の入射、放射の様子を、ベクトルダイアグラムに於ける入射ベクトル始点位置（図４Ｂの点Ｐ）と放射ベクトル終点位置（図４Ｂの点Ｑ）で説明している。波長λ＝０．４μｍの場合、単色導波シート８ａではＮＡの大きな光しか結合できない。
【００９５】
従って、入射光１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは単色導波シート８ａを透過するが、入射光１１ａは単色導波シート８ａで入力結合し（図１２の（ａ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ａ’として放射する（図１２の（Ａ））。放射光１１ａ’のベクトル終点Ｑは半径が屈折率１の球の外側にあるので、単色導波シート８ａ内に閉じ込められる。
【００９６】
入射光１１ｃ、１１ｄは単色導波シート８ｂを透過するが、入射光１１ｂは単色導波シート８ｂで入力結合し（図１２の（ｂ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ｂ’として放射する（図１２の（Ｂ））。放射光１１ｂ’の一部は単色導波シート８ｂ内に閉じ込められ、残りは上下に放射されるが、上側に放射される成分は、単色導波シート８ａで入力結合し（図１２の（ａ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ａ’として放射する（図１２の（Ａ））。放射光１１ａ’のベクトル終点Ｑは半径が屈折率１の球の外側にあるので、単色導波シート８ａ内に閉じ込められる。下側に放射される成分は、下側に存在する単色導波シートのいずれもグレーティング５ｇのピッチが大きいため回折してＮＡが変化する可能性があるが、最下層の反射（図１３で説明）を経て広角化効果を繰り返す結果、最終的にＮＡが大きい状態で単色導波シート８ａまで戻り、ここでシート内に閉じ込められる。
【００９７】
入射光１１ｄは単色導波シート８ｃを透過するが、入射光１１ｃは単色導波シート８ｃで入力結合し（図１２の（ｃ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ｃ’として放射する（図１２の（Ｃ））。放射光１１ｃ’の一部は単色導波シート８ｃ内に閉じ込められ、残りは上下に放射されるが、いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ｂまで戻って入力結合し（図１２の（ｂ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ｂ’として放射する（図１２の（Ｂ））。放射光１１ｂ’の一部は単色導波シート８ｂ内に閉じ込められ、残りは上下に放射されるが、いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ａまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、単色導波シート８ａ内に閉じ込められる。
【００９８】
入射光１１ｄは単色導波シート８ｄで入力結合し（図１２の（ｄ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ｄ’として放射する（図１２の（Ｄ））。放射光１１ｄ’の一部は単色導波シート８ｄ内に閉じ込められ、残りは上下に放射されるが、いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ｃまで戻って入力結合し（図１２の（ｃ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ｃ’として放射する（図１２の（Ｃ））。放射光１１ｃ’の一部は単色導波シート８ｃ内に閉じ込められ、残りは上下に放射されるが、いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ｂまで戻って入力結合し（図１２の（ｂ））、広角化効果でＮＡが大きくなり、放射光１１ｂ’として放射する（図１２の（Ｂ））。放射光１１ｂ’の一部は単色導波シート８ｂ内に閉じ込められ、残りは上下に放射されるが、いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ａまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、単色導波シート８ａ内に閉じ込められる。
【００９９】
従って、単色（波長λ＝０．４μｍ）の光は、全てのＮＡの成分が単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに閉じ込められる。
【０１００】
図１３は、実施の形態１に於いて、多色の入射光が光結合層で結合し、広角化して放射され、閉じ込め光となるまでの過程を説明する断面図である。導波シート８への入射光１１を波長λ＝０．４０μｍとし、ＮＡの大きい側から小さい側に円開口数領域（入射光１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）に分類する。導波シート８は、光結合層５のグレーティング５ｇのピッチの小さい側から大きい側に単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅを、光の入射側から順次重ねる。単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅの最表面側には保護シート１９ａ、最下面側には反射ミラーである反射シート１９ｂが隙間を介して設置される。
【０１０１】
波長λ＝０．４μｍの場合、単色導波シート８ａではＮＡの大きな光しか結合できない。入射光１１Ａの内、ＮＡの小さい成分である入射光１１Ｂは単色導波シート８ａを透過するが、ＮＡの大きい成分は単色導波シート８ａで入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、閉じ込め光１２ａとなる。
【０１０２】
入射光１１Ｂの内、ＮＡの小さい成分である入射光１１Ｃは単色導波シート８ｂを透過するが、ＮＡの大きい成分は単色導波シート８ｂで入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、一部は閉じ込め光１２ｂとなり、残りは上下に放射される。上側に放射される成分である放射光１１ｂ’は単色導波シート８ａで入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、閉じ込め光１２ａとなる。
【０１０３】
下側に放射される成分は、下側に存在する単色導波シートのいずれもグレーティング５ｇのピッチが大きいため回折してＮＡが変化する可能性があるが、最下層の反射シート１９ｂでの反射を経て広角化効果を繰り返す結果、最終的にＮＡが大きい状態で単色導波シート８ａまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、閉じ込め光１２ａとなる。
【０１０４】
入射光１１Ｃの内、ＮＡの小さい成分である入射光１１Ｄは単色導波シート８ｃを透過するが、ＮＡの大きい成分は単色導波シート８ｃで入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、一部は閉じ込め光１２ｃとなり、残りは上下に放射される。いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ｂまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、一部は閉じ込め光１２ｂとなり、残りは上下に放射される。いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ａまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、閉じ込め光１２ａとなる。
【０１０５】
ＮＡの小さい成分である入射光１１Ｄは単色導波シート８ｄで入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、一部は閉じ込め光１２ｄとなり、残りは上下に放射される。いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ｃまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、一部は閉じ込め光１２ｃとなり、残りは上下に放射される。いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ｂまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、一部は閉じ込め光１２ｂとなり、残りは上下に放射される。いずれの放射成分も最終的には単色導波シート８ａまで戻って入力結合し、広角化効果でＮＡが大きくなり、閉じ込め光１２ａとなる。すなわち、波長λ＝０．４０μｍの全てのＮＡの光が単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄによって閉じ込められる。
【０１０６】
一方、図１３に示すように導波シート８への入射光１１’を長波長側のλ＝０．５５μｍとすると、光の結合、放射、閉じ込めの関係が、単色導波シート一枚分繰り下がってなされる。すなわち、入射光１１’は単色導波シート８ａを透過して、単色導波シート８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅの間で光の結合、放射、閉じ込めが行なわれ、全てのＮＡの光が閉じ込められる。光の結合、放射、閉じ込めの関係は、λ＝０．４０μｍに於ける単色導波シート８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ及び入射光１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄが、λ＝０．５５μｍに於ける単色導波シート８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ及び入射光１１Ｂ’、１１Ｃ’、１１Ｄ’、１１Ｅ’にそれぞれ対応する。
【０１０７】
従って、単色導波シート８ｂ、８ｃ、８ｄはλ＝０．４０μｍだけでなくλ＝０．５５μｍの光にも閉じ込めに貢献している。このように、単色導波シートをグレーティング５ｇのピッチの小さい側から大きい側に並べることで、それぞれのシートがある範囲の波長の閉じ込めに協力して貢献し、これらの連鎖作用により、少ない枚数のシートであっても、広い範囲（例えば青から近赤外まで）の光の閉じ込めを可能にする。
【０１０８】
［導波シートの製造方法］
次に、実施の形態１に係る導波シート８の製造方法について説明する。
【０１０９】
図１４は、実施の形態１に係る導波シートを製造する手順の一例を示す模式的な説明図である。
【０１１０】
平坦表面の金型３０とグレーティング表面をもつ金型３１とで射出成型し、同心円のグレーティング５ｇがハニカム状の各領域で形成されたシート基板１ａを作製する。シート基板１ａのグレーティング形成面に自己クローニング法による成膜で、Ｔａ２Ｏ５やＳｉＮ等の高屈折率膜（高屈折率層３ａ）とＳｉＯ２等の低屈折率膜（低屈折率層４ａ）を交互に積層する。自己クローニングの成膜条件を満たせば、１０μｍ以上の厚さ範囲でＶ字のグレーティング断面形状を維持しながら積層が進み、光結合層５ａが形成される。２枚の光結合層付きシート基板１ａ、１ａ’（積層シート７ａ、７ａ‘）の光結合層５ａ、５ａ’を対向させ、ｘ方向及びｙ方向にハニカム状の領域を半周期ずらしでアライメントして重ね合わせ、接着層６ａでＵＶ硬化、固定し、単色導波シート８ａが完成する。グレーティング５ｇのピッチの異なる単色導波シートをピッチの小さいものから大きいものへ下に重ね合わせ最表面に保護シート１９ａ、最下面に反射シート１９ｂを配置し、各シート間にはビーズスペーサ３２を薄く拡散させて均一な空気隙間を確保し、全体を固定して、導波シート８が完成する。ビーズスペーサ３２と各シート基板との接点で光は漏れるが、ビーズスペーサ３２の密度が小さければ問題にならない。
【０１１１】
［効果等］
以上説明したように、実施の形態１の導波シート８は、入射される入射光を取り込み、内部で当該入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シート８である。
【０１１２】
導波シート８は、光結合層５が微細な同心円状のグレーティング５ｇの部分パターンを周期的に備えることで、放射角が入射角より大きくなる広角化効果が備わり、これに光の非干渉性が加わって広い波長範囲、広い角度範囲の入射光１１を閉じ込めることができる。また、数十層の透光層を積層して光結合層５を形成することで、十分な結合効率、閉じ込み効率を確保できる。そのため、例えば入射光１１が太陽光であれば、導波シート８は、広い面積にわたり、広い波長範囲、広い角度範囲で太陽光を取り込み、取り込んだ光を導波シート８内部に効果的に閉じ込め、端面８ｅから放出させることができる。
【０１１３】
また、光電変換装置１００は、導波シート８と、光を受光する光電変換素子９と、を備える。光電変換素子９は、受光方向と交差する方向に位置する導波シート８の端面８ｅの近傍に配置される。
【０１１４】
これにより、導波シート８は、取り込んだ入射光１１を閉じ込め光１２として効果的に光電変換素子９へと導くことができる。そのため、光電変換装置１００によれば、例えば、光電変換素子９で直接入射光１１を受光する場合と比較して、光電変換素子９は、多くの光を受光することが可能となる。つまり、光電変換装置１００によれば、例えば、光電変換素子９で直接入射光１１を受光する場合と比較して、小さい面積でも多くの電力を発生させることができる。言い換えると、光電変換装置１００によれば、導波シート８によって広い面積で外部からの入射光１１を取り込み、取り込んだ入射光１１を効率よく光電変換素子９へと導くことができるため、入射光１１を効率よく光電変換できる。
【０１１５】
（実施の形態２）
以下、図１５〜図１７を用いて、実施の形態２を説明する。
【０１１６】
実施の形態２は、グレーティングの部分パターンが異なる以外は全て実施の形態１と同一であり、重複する説明は省略する。
【０１１７】
図１５は、実施の形態２に係る導波シート内の光結合構造と光の伝播路を説明するための模式的な斜視図である。光結合層５のグレーティング５ｇ２の部分パターンは同心円ではなく同心多角形であり、同心の中心は正６角形の中心である、図１５では同心１２角形の例を示している。
【０１１８】
入射光１１ｉの一部は光結合層５Ｌ２で結合して導波光１１ｇに変換され、光結合層内を伝播する。導波光１１ｇは入力位置に近接する正６角形内の光結合層５Ｒ２で上下に放射し、放射光１１ｒとなる。放射光１１ｒの放射角（光結合層の面法線に対する角度）は入射光１１ｉの入射角（光結合層の面法線に対する角度）よりも必ず大きくなる。例えば、入射光１１ｉの広がりをＳＩで示すと、放射光１１ｒの広がりはＳＲのようになり、広角側に広がっている。この原理は全ての入射角の光に対し成立する。実施の形態１では入射角と同じ角度も存在する連続的な広がりであったが（図３参照）、実施の形態２では同じ角度は存在せず、全て広角となる離散的な分布である。
【０１１９】
図１５で説明した広角化効果を検証するために、ＦＤＴＤによる電磁解析を行なった。
【０１２０】
図１６はＦＤＴＤによる電磁解析の解析モデルであり、図１６の（ａ）は同心正１８角形のグレーティング５ｇ８の部分パターン、（ｂ）は同心正１２角形のグレーティング５ｇ２の部分パターンの平面図である。
【０１２１】
図１６において、グレーティングの部分パターン以外の解析条件や光源の配置は図５と同じであり、光の入射は光結合層５Ｒ２、５Ｒ８で行われ、放射光１５ａ、１５ｂは光結合層５Ｌ２からの放射である。
【０１２２】
図１７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はいずれも光の遠方界の指向性を示す強度分布図であり、図１７の（ａ）、（ｂ）は図１６の（ａ）に於ける光結合層５Ｌ８からの放射光１５ａ、１５ｂに対する分布図、図１７の（ｃ）、（ｄ）は図１６の（ｂ）に於ける光結合層５Ｌ２からの放射光１５ａ、１５ｂに対する分布図であり、横軸、縦軸の定義は図６と同じである。
【０１２３】
図１７の（ａ）、（ｂ）ではＮＡ＝０．４２の円に外接するように強度分布（矢印Ｂ）が広がり、空気に対する全反射条件（ＮＡ＝１／ｎ＝０．６９、ｎ（低屈折率層４の屈折率）＝１．４５）の外側まで延びる。強度分布の広がりは図６のような連続的ではなく、広角化の効果がより強い離散的な分布である。なお、矢印Ｃの強度分布は解析誤差（グリッド間隔の限界でグレーティングの形状表現にランダム性が残り、導波光の一部が散乱するため）である。図１７の（ｃ）、（ｄ）では、離散間隔がより広がり、殆どの分布が全反射条件の外側に存在する。
【０１２４】
図１７での解析結果から、本実施の形態は実施の形態１以上に広角化効果（放射光のＮＡが入射光のＮＡより必ず大きくなること）が強いことが分かる。従って、実施の形態１よりも少ないシート数で同等の光閉じ込め効果を期待できる。
【０１２５】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を説明する。
【０１２６】
実施の形態３は、光結合層５の膜厚条件が異なる以外は全て実施の形態１、２と同一であり、重複する説明は省略する。
【０１２７】
図２の（ｃ）に示されるように、光結合層５ａはＴａ２Ｏ５やＳｉＮ等の高屈折率層３ａとＳｉＯ２等の低屈折率層４ａを交互に積層して形成される。導波光１１ｇａの実効屈折率を揃えるために高屈折率層３ａの膜厚は積層順位にかかわらず一定であるほうが好ましいが、低屈折率層４ａの膜厚には制限条件がない。低屈折率層４ａの膜厚を積層順位にかかわらず一定にすると、積層構造全体は分散特性の大きい光学フィルターとして作用する。例えば特定の波長の光を反射する特性を持てば、その波長の光を結合させることができず、光の閉じ込め性能が劣化する。実施の形態３では、低屈折率層４ａの膜厚を（閉じ込め中心波長）／（低屈折率層の屈折率の４倍）から（閉じ込め中心波長）／（低屈折率層の屈折率の２倍）の範囲でランダムに設定する。こうすることで各積層面からの反射光は位相がπから２πの間でランダムに変化するので、合成された反射光の反射率を小さくできる。したがって、積層構造全体の分散特性は小さく、特定の波長での閉じ込め性能の劣化を防止できる。
【０１２８】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１、２、３を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１、２、３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【０１２９】
例えば、以上の実施の形態で、グレーティングは透光層の表面の凹凸形状であるとして説明したが、これに限定されない。例えば、グレーティングは当該透光層内部に形成された屈折率差のある周期構造であってもよい。
【０１３０】
また、以上の実施の形態を任意に組み合わせた構成も考えられ、実施の形態１と同様の光閉じ込め効果を持つとともに、導波シート端面に太陽電池等の光電変換素子を設置し、取り込まれた光を受光する場合、シートの厚さを薄く構成することで光電変換素子の面積を大幅に少なくしても、光電変換装置の低コスト化が可能である。
【０１３１】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
【０１３２】
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０１３３】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本開示の導波シートは、広い面積で光を取り込むことが可能な光学シートに有用である。また、本開示の導波シートを用いた光電変換装置は、例えば広い面積で、広い角度、広い波長の範囲（例えば可視光全域）に渡って太陽光と取り込むことができるため、太陽光発電装置等に有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１００  光電変換装置
１ａ、１ａ’  シート基板
１ａｓ、１ａｓ’  反対側の表面
２ａ、２ａ’  シート基板積層側の表面
３、３ａ、３ａ’  高屈折率層（透光層）
４、４ａ、４ａ’  低屈折率層（バッファー層）
５、５ａ、５ａ’、５Ｌ、５Ｒ、５Ｌ２、５Ｒ２  光結合層
５ｇ、５ｇ２、５ｇ８  グレーティング（回折格子）
６ａ  接着層
７ａ、７ａ’  積層シート
８  導波シート
８ｅ  導波シートの端面
８ａ、８ｂ、８ｃ、・・・、８ｊ  単色導波シート
９  光電変換素子
１０  ミラー
１１、１１’、１１ｉ、１１ｉａ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ａ’、１１Ｂ’、１１Ｃ’、１１Ｄ’  入射光
１１ｒ、１１ｒａ、１１ａ’、１１ｂ’、１１ｃ’  放射光
１１ｇ、１１ｇａ  導波光
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  閉じ込め光
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  放射光
１６ａ、１６Ａ  入射光
１８ａ、１８Ａ、１８ａ’、１８Ａ’  結合領域
１９ａ  保護シート
１９ｂ  反射シート
２０  透光層
２１  環境媒質
２２ｇ  回折格子
２３ａ、２３ａ’  入射光
２３ｂ、２３ｂ’  導波光
３２  ビーズスペーサ
【図１Ａ】
2019078081.tif 000007
【図１Ｂ】
2019078081.tif 000008
【図１Ｃ】
2019078081.tif 000009
【図１Ｄ】
2019078081.tif 000010
【図２】
2019078081.tif 000011
【図３】
2019078081.tif 000012
【図４Ａ】
2019078081.tif 000013
【図４Ｂ】
2019078081.tif 000014
【図４Ｃ】
2019078081.tif 000015
【図５】
2019078081.tif 000016
【図６】
2019078081.tif 000017
【図７Ａ】
2019078081.tif 000018
【図７Ｂ】
2019078081.tif 000019
【図７Ｃ】
2019078081.tif 000020
【図８Ａ】
2019078081.tif 000021
【図８Ｂ】
2019078081.tif 000022
【図９】
2019078081.tif 000023
【図１０Ａ】
2019078081.tif 000024
【図１０Ｂ】
2019078081.tif 000025
【図１１】
2019078081.tif 000026
【図１２】
2019078081.tif 000027
【図１３】
2019078081.tif 000028
【図１４】
2019078081.tif 000029
【図１５】
2019078081.tif 000030
【図１６】
2019078081.tif 000031
【図１７】
2019078081.tif 000032
【図１８Ａ】
2019078081.tif 000033
【図１８Ｂ】
2019078081.tif 000034
【図１８Ｃ】
2019078081.tif 000035
【図１８Ｄ】
2019078081.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月23日(2020.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
屈折率ｎはシート基板（１ａ、１ａ’等）の屈折率、屈折率ｎｅｆｆは導波光に対する透光層の実効屈折率である。点Ｒは半径が屈折率ｎｅｆｆの球面上にあり、点Ｐ’、Ｑ’は半径が屈折率ｎの球面上にあり、点Ｐ”は半径が屈折率１の球面上にあり、点Ｐ、Ｑ、Ｒはｘｙ平面上にあり、直線ＰＲは原点Ｏを通る。点Ｐを通る円１４ｐ、１４ｑはいずれもｘｙ平面上にある。点Ｐ、Ｐ’、Ｐ”は一直線上にあり、点Ｐは点Ｐ’及びＰ”のｘｙ面への垂線の足、点Ｑは点Ｑ’のｘｙ面への垂線の足である。シート基板（１ａ、１ａ’等）内での入射角θの入射ベクトルはベクトルＰ’Ｏであり、空気からの入射に換算するとベクトルＰ”Ｏに相当する。点Ｐは点Ｏを中心にした半径がｎ×ｓｉｎθである円１４ｐ上にある。円１４ｐの半径は入射光の開口数（ＮＡ）に相当する。正６角形内のグレーティング５ｇが点Ｏを中心にした同心円であることから、格子ベクトルの方位は動径方向に一致する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
ベクトルＯＲに沿って伝播する導波光が近接する正６角形内に入射すると、その位置での格子ベクトルＲＱはベクトルＯＲに対し角φ’をなす（図４Ａにおける格子ベクトルＢ２、Ｃ２に対応）。格子ベクトルＲＱの終点Ｑは点Ｒを中心にした半径がΛ／λである円１４ｑ上にある。点Ｑに於ける垂線と半径ｎ（屈折率ｎ）の球面との交点をＱ’とすると、ベクトルＯＱ’が近接する正６角形内のグレーティングカプラから放射される光の伝播ベクトル（放射ベクトル）である。線ＱＱ’が半径１（屈折率１）の球面と交わらなければ、放射光はシート基板（１ａ、１ａ’等）の空気に面した表面（１ａｓ、１ａｓ’等）で全反射し、シート内に閉じ込められる。円１４ｑは点Ｐで円１４ｐに外接するので、放射光のＮＡは入射光のＮＡより必ず大きくなる（これを広角化効果とよぶ）。点Ｑが半径ｎ（屈折率ｎ）の円外に出ると、放射光は発生せず導波光は損失なく伝播を続けるが、最終的にはどこかの正６角形内に入射して光を放射する（図４Ａにおける角度φｂ、φｃが中心Ｂの正６角形と中心Ｃの正６角形とで異なるように、どこかで必ず放射条件を満たす）。その放射光のＮＡも入射光のＮＡより必ず大きい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９２】
図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）、図１０Ａ及び図１０Ｂの結果に基づき見積もられる、インコヒーレント光の場合の、波長と入射角度に対する結合範囲を示す説明図である。図１０Ａ及び図１０Ｂより、コヒーレンス長Ｌ＝７．１５μｍ（インコヒーレント光）の結果がＬ＝１４３μｍ（コヒーレント光）の結果より角度幅で３倍程度に広がっている。この結果から、図１１の（ｂ）では図１１の（ａ）における白矢印、網目矢印の長さを３倍に広げている。白矢印、網目矢印が隙間なく重なり、単一のグレーティングのピッチであっても、広い波長範囲、且つ広い入射角度範囲で入力結合することが分かる。なお図１０Ａ、図１０Ｂで分かるように、インコヒーレント光にすることで波長範囲、入射角度範囲は広がるが、結合効率の最大値は小さくなる。しかし、実施の形態１の導波シート８では図２の（ｃ）に示すように光結合層５ａ等を積層構造で形成しており、積層数を十分大きくすることで結合効率は１００％近くまで改善できる。従って、実施の形態１の導波シート８では高い結合効率のまま、波長範囲、入射角度範囲を広げることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される入射光を取り込み、内部で前記入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、
低屈折率層と、
前記低屈折率層に連続的に積層され、前記低屈折率層より屈折率の高い透光層と、
前記透光層上に形成され前記入射光の進行方向を変える回折格子と、を備え、
前記透光層上で前記回折格子のパターンが複数の部分パターンに分割され、
前記複数の部分パターンのそれぞれは同心円または同心多角形の形状である、
導波シート。
【請求項２】
前記回折格子のパターンがハニカム状に分割される、
請求項１に記載の導波シート。
【請求項３】
前記回折格子のピッチが前記透光層内で均一である、
請求項１又は２に記載の導波シート。
【請求項４】
前記透光層が、間に前記低屈折率層を挟んで積層される、
請求項１〜３のいずれかに記載の導波シート。
【請求項５】
前記低屈折率層の厚さが、積層順ごとにランダムに異なる、
請求項４に記載の導波シート。
【請求項６】
請求項２に記載の導波シートを２枚備え、
２枚の前記導波シートは、前記透光層同士が対向し、前記回折格子のパターンが互いにずれるように積層されて単色導波シートを構成する、
導波シート。
【請求項７】
複数の前記単色導波シートを備え、
前記複数の単色導波シートは互いに前記回折格子のピッチが異なり、
前記回折格子のピッチの小さい単色導波シートから前記回折格子のピッチの大きい単色導波シートへ、前記入射光の入射側から順に積層される、
請求項６に記載の導波シート。
【請求項８】
前記入射光の入射側とは反対の面に反射シートが配置される、
請求項７に記載の導波シート。
【請求項９】
前記複数の単色導波シートの間、又は、
前記複数の単色導波シートと前記入射光の入射側とは反対の面に配置された反射シートとの間にビーズスペーサが配置される、
請求項７に記載の導波シート。
【請求項１０】
請求項１に記載の導波シートと、
光を受光する受光面を有し、前記受光面で受光した光を電力に変換する光電変換素子と、を備え、
前記光電変換素子は、前記入射光の前記入射方向と交差する方向に位置する前記導波シートの端面と対向して前記受光面が位置するように、前記導波シートの周囲に配置される、
光電変換装置。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2019078081.tif 000037
【国際調査報告】
2019078081.tif 000038
2019078081.tif 000039
2019078081.tif 000040
2019078081.tif 000041