(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る変向素子とを含んでおり、
前記複数の光学素子の各々は、前記集中素子と１対１に関連すると共に、前記集中素子とは別体の、前記集中素子からの光を受け取る前記変向素子を含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る段付き導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記段付き導波路中に再位置決めするよう構成され、前記段付き導波路の平面は前記集中素子の平面と実質的に平行であり、更に、前記段付き導波路はその長さに沿って実質的に一様な断面厚さを有し、更に、
前記段付き導波路に結合されていて、前記導波路からの前記光を光レシーバに向かって変向する二次光学素子を有し、
前記段付き導波路から光を受け取る光レシーバを更に有する、光学集中装置。
【請求項２】
前記段付き導波路は、平坦なファセット、湾曲面及び特注形状から成る群から選択された表面を有する、請求項１記載の光学集中装置。
【請求項３】
前記段付き導波路は、前記関連変向素子と関連した光入口素子を有し、前記光入口素子は、前記段付き導波路の本体から物理的に不連続に配置され、それにより別々の部品の状態の前記段付き導波路の組み立てを可能にする、請求項１記載の光学集中装置。
【請求項４】
前記集中素子は、前記導波路の頂面に光学的に結合されている、請求項１記載の光学集中装置。
【請求項５】
前記変向素子は、前記導波路の頂面に光学的に結合されている、請求項１記載の光学集中装置。
【請求項６】
前記光学素子は、前記段付き導波路中に光を挿入するよう構造的に位置決めされており、光は、前記段付き導波路内で２方向に伝搬するようになっている、請求項１記載の光学集中装置。
【請求項７】
前記集中素子は、光学素子をガラスシート中にパターニングすることにより作られている、請求項１記載の光学集中装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギー、熱エネルギー及び放射エネルギーを生じさせる光学集中装置並びにこの構造を採用した光学照明器及び以下に説明する方法に関する。本発明は、特に、太陽光を収集すると共に集中させる光学素子の組み合わせを用いる太陽熱集中装置に関する。他の用途としては、コンパクトな光学部品又は光学系を用いた照明及びイルミネーションが挙げられる。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１０年１１月４日に出願された米国特許出願第１２／９３９，３４８号の優先権主張出願であり、この米国特許出願第１２／９３９，３４８号は、２０１０年２月１２日に出願された米国特許第７，９２５，１２９号の一部継続出願であり、前記米国特許第７，９２５，１２９号は、２００８年９月９日に出願された米国特許第７，６６４，３５０号の継続出願であり、この米国特許第７，６６４，３５０号は、２００７年９月１０日に出願された米国特許第７，６７２，５４９号の一部継続出願であり、これら全ての特許文献を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
太陽光収集装置は、太陽光の収集（集光）及び集中（集熱）のために長年にわたり開発されてきた。周囲太陽光のエネルギー密度を高めることにより、有用なエネルギー形態へのより効率的な変換が可能になる。お得の幾何学的形状及びシステムが開発されたが、かかるシステムの平凡な性能及び高いコストにより普及しなかった。適当な性能と製造性を達成するために太陽エネルギー集中装置が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
集熱装置システムは、集中素子、例えば屈折及び／又は反射コンポーネント、レシーバ（熱吸収器）ユニット（熱及び／又は光起電力）及び他の従来型エネルギー変換システム中への効率的な集光及び集中のための複数の段付き反射面を備えた光導波路中に太陽光を変向する（太陽光の向きを変える）反射及び／又は屈折素子の組み合わせを含む。光導波路のアスペクト比と共に反射面の幾何学的形状を制御することにより、好ましくは種々の商業用途のための連続領域上への太陽光の容易な操作、収集及び集中が可能になり、かかる商業用途としては、太陽電池セル装置、ライトパイプ用途、熱交換器、燃料生産システム、スペクトルスプリッタ及び種々の光学用途向きの光の他の二次操作が挙げられる。
【０００５】
本発明のこれらの及び他の目的、利点、及び応用例は、その動作の構成及び方法と共に添付の図面と関連して考慮すれば、以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】全体的に本発明の実施形態に基づいて作られた太陽エネルギー集中装置を例示する図である。
【図２】図１に概略的に示された光導波路の１つの実施形態の断面図である。
【図３】図１に概略的に示されている光導波路の直線形実施形態の別の断面図である。
【図４】図１に概略的に示されている光導波路の回転形の実施形態の別の断面図である。
【図５】図５Ａは、導波路の第１のエッジ形状の反射素子を示す図、図５Ｂは、導波路の反射素子用の第２のエッジ形状を示す図、図５Ｃは、段付き導波路の一部として光を変向するための第１の別個の素子を示す図、図５Ｄは、段付き導波路の一部として光を変向するための第２の別個の素子を示す図、図５Ｅは、段付き導波路に結合された複数のライトパイプを有するシステムを示す図、図５Ｆは、埋め込まれた変向コンポーネントが埋め込まれた導波路を示す図である。
【図６】導波路に連結された湾曲集中素子及び曲面反射器を示す図である。
【図７】導波路に連結された湾曲集中素子及び２つのプレーナ形反射器を示す図である。
【図８】図８Ａは、導波路に連結された閉鎖形光学素子を示す図、図８Ｂは、図８Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図９】図９Ａは、導波路に連結された別の閉鎖形光学素子を示す図、図９Ｂは、図９Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図１０】図１０Ａは、導波路に連結された別の閉鎖形光学素子を示す図、図１０Ｂは、図１０Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図１１】図１１Ａは、導波路に連結された更に別の閉鎖形素子を示す図、図１１Ｂは、図１１Ａの光学素子と導波路の接合部の部分の拡大図である。
【図１２】図２及び図６〜１１の光学系の光線トレーシング結果を示す図である。
【図１３】太陽エネルギー集中装置又は発光体の実施形態の別の図である。
【図１４】従来のシステムに対する屈折集中装置コンポーネントを例示する図である。
【図１５】別の従来のシステムに対する反射集中装置コンポーネントを例示する図である。
【図１６】一次及び二次反射光学部品を有するカセグレン式集中装置を例示する図である。
【図１７】図１３と同様なシステムの光透過率と受光角の関係を示すグラフ図である。
【図１８】導波路が光をベース面に向けて変向するための反射器コンポーネントで終端している実施形態を例示する図である。
【図１９】集中装置が対称軸に関して鏡映関係にある図１８の変形例を例示する図である。
【図２０】集中装置に対して傾斜した導波路及び変向素子を有する、図１３の実施形態の形状を例示する図である。
【図２１】集中装置及び／又は変向素子の大きさを変えた実施形態を例示する図である。
【図２２】レシーバに代えて光源を用いて光を拡散するための実施形態を例示する図である。
【図２３】２本の軸線を横切って光の集中を達成するための図４の実施形態の別の変形例を例示する図である。
【図２４】２本の軸線を横切って光の集中を達成するための更に別の実施形態を例示する図である。
【図２５】本発明の太陽熱集中装置の別の実施形態を例示する図である。
【図２６】本発明の太陽熱集中装置の更に別の実施形態を例示する図である。
【図２７】本発明の太陽熱集中装置の更に別の実施形態を例示する図である。
【図２８】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図２９】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３０】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３１】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３２】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３３】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３４】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３５】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３６】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３７】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図３８】入口素子を備えた導波路を示す図である。
【図３９】入口素子を備えた導波路の別の実施形態を示す図である。
【図４０】本発明の太陽熱集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４１】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４２】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４３】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４４】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４５】本発明の光学集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４６】中心軸線に関して対称性を有する本発明の太陽熱集中装置の別の実施形態を示す図である。
【図４７】位置決め素子を備えた図４６の斜視図である。
【図４８】横方向光学素子及び位置決め素子の例を示す図である。
【図４９】横方向光学素子を備えた図４６の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態に基づいて構成された太陽エネルギー集中装置システムは、図１では概略的に番号１０で示されている。この太陽エネルギー集中装置システム１０は、光学集中素子１２を備えている。この光学集中素子１２は、対物レンズ、フレネルレンズ、及び／又は放物線又は複合形反射器のような反射表面素子などの任意の従来の光学集中装置とすることができる。この光学集中素子１２は、光１４を小さな焦点領域１６に集中させるように入射光１４に対して動作する。好ましい実施形態では、この小さい焦点領域１６は、反射部品又は変向部品１８、又は全反射を生じさせる他の従来の光変向素子の中に配置される。この変向部品１８は、集中光２０を導波路２２の中に変向する。導波路２２は、スネルの法則に基づいて導波路２２に沿って伝搬する光２０が全反射するように構成される。ここで、全反射は、導波路２２の表面２４に入射する光２０の角度が臨界角Φｃよりも大きい場合に発生する。
Φｃ＝ｓｉｎ（ηwaveguide／ηcladding）
上式において、Φｃ＝全反射に対する臨界角
ηwaveguide＝導波路材料の屈折率
ηcladding＝クラッド層の屈折率又は周囲／導波路インターフェースにおける指数
【０００８】
レシーバ２６が導波路２２の端部に配置され、光２０を受け入れて有用なエネルギー又は他の光学用途のために処理する。
【０００９】
図１３は、この仕組みの詳細を備えたシステム１０の好ましい形態を例示している。複数のＮ個の集中素子１２と変向素子１８が示されている。集中素子１２の各々は、領域Ａから半分の角度（以下、本明細書では「半角度度」という）θ1で入射光１４を取り込み、この光１４を集中度＝Ａ／Ｂとなるように半角度度θ2でより小さい領域Ｂに集中させる。変向素子１８のそれぞれは、集中素子１２の関連する１つからの集中光を受け取り、それをある角度ψで回転させ、かつそれを領域Ｂと半分の角度θ2によって画定された集中レベルを維持しながら、導波路２２の部分に挿入する。導波路２２は、長さＡだけ互いに隔てられた高さＢのインクレメンタル段部（incremental step）を有する複数の部分である。導波路２２の各部分は変向素子１８の関連する１つからの光を受け取り、導波路２２が複数の集中素子１４や変向素子１８からの光を全体として集合して、その光１４をレシーバ２３が収集するように長さ方向に沿って伝搬させる。導波路２２は与えられた集中レベルを変えないため、導波路２２のアスペクト比は、
＝導波路の高さ／導波路の長さ
＝ＮｘＢ／ＮｘＡ
＝Ｂ／Ａ
＝１／各素子内の集中比
【００１０】
コンパクトであることは、太陽熱集中装置（及び他の装置、例えば照明器）に関して大きな実用的利点である。特に、使用される材料が少ないこと、難しいシールが必要な光学部品とレシーバ２３との間の大きな空隙がなくなること、安価な輸送や設置のために装置がかさばらないこと、高価で危険を伴う慣例の製造方法とは対照的に、従来の平坦なモジュール製造方法を利用できるという利点を有する。
【００１１】
導波路２２に関するコンパクトさの限度は、レシーバ２３によって決まる。かくして、導波路２２は、導波路が光を送るレシーバ２３と同程度のコンパクトさであるに過ぎない。たいていの集中装置の場合、集中装置１２をコンパクト化することは、レシーバ２３の幅よりも影響が遙かに大きい。しかしながら、この装置は導波路２２をそれぞれが送られた集中光の領域で決まる高さを有する部分から構成するため、集合された導波路２２の高さはレシーバ２３の高さに等しい。換言すると、導波路２２のコンパクトさには限度がある。
【００１２】
従って、本発明の構成に鑑みて、集中装置システム１０によって実現される光の集中度は、アスペクト比Ａ／Ｂの関数であり、極めてコンパクトな集中装置システム１０をもたらすことになる。この装置は比較的広い領域からの光を集めて、それを連続した領域を有するが高いコンパクト性を維持している比較的小さいレシーバに集中させることができる。これにより、必要な材料の体積を減らすことによって製造が単純化され、１つのモールドから複数のユニットを作ることが可能にされ、また組立ての複雑さが低減される。
【００１３】
図１２は、図２及び図６〜１１に示された設計に対して実行された光線トレーシング結果を示している。各設計は、Ａ／Ｂの比率で示されるように、光を長さ寸法に集中させる能力に関して特定の性能を例示している。このデータは、±１°の入射した円錐状の半角°、±２０°の出射した円錐状の半分の角度、初期の屈折率がｎ＝１、そして最終的な屈折率がｎ＝１．５の光に対するものである。これらの入力パラメータを有する理論的な最大許容集中度は長さ寸法では３０ｘであるが、例えば図９では、２５ｘの集光係数が達成されている。長さ寸法の集光係数がアスペクト比に比例するため、図９に示されている設計は、長さ（Ａ）が２５０ミリメートルで厚さ（Ｂ）がわずか１０ミリメートルの集中装置、又は長さ（Ａ）が５００ミリメートルで厚さ（Ｂ）がわずか２０ミリメートルの集中装置を与えることができる。これは比較的広い領域から集中光を効率的に集めて、それを１つのレシーバに与えることができる極めてコンパクトな集中装置システム１０を示している。
【００１４】
集中素子１２と変向素子１８の寸法と数は、集中装置１２の任意の入力開口に対して変えることができる。例えば、図１３に示されているシステム１０は、寸法が半分（Ａ／２及びＢ／２）の２倍の数（２ｘＮ）の素子で実現することができる。集中素子１２と変向素子１８がより小さく且つ数が多くなるにつれて、集中装置１２の全体のアスペクト比は、１／集中度で与えられる導波路２２のアスペクト比に近付く。言い換えると、集中度が１０の場合、集中装置１２のアスペクト比を０．１にすることができる。
【００１５】
集中装置１２に対する代表的なアスペクト比は、１のオーダーである。図１４は屈折式集中装置１２を示しており、これは、例えば、対物レンズ又はフレネルレンズとすることができる。対物レンズの焦点距離が高さ２５を画定する。集中度がＡ／Ｂで与えられるのに対して、アスペクト比は高さ／Ａで与えられる。この値は、集中度よりも大きい。図１５は、反射形式の集中装置１２に対する同様の状況を示している。
【００１６】
１つの集中素子に対する小型化の限界に到達することを目指した試みがなされてきた。図１６は、一次及び二次反射光学部品を有するカセグレン式集中装置を示している。高さ／Ａによって与えられたアスペクト比は０．２５である。ウインストン（Winston）は、「プラナー・コンセントレーターズ・ニア・ザ・エタンジュー・リミット（Planar Concentrators Near the Etendue Limit）」、２００５年、の中で、「１／４アスペクト比に関する基本的なコンパクトさの限界」について記載している。本発明との関連では、この小型化の限界は、集中素子１２の個々の１つに適用される。複数の集中素子１２から光を集める導波路２２を使用することにより、１／４よりも小さくするように、また１／集中度に近付くようにシステム１０を小型化することが可能にされる。
【００１７】
本発明は、入力部からレシーバ２３への送出しへの光エネルギーの透過効率にも利点がある。図１３では、θ2は集中素子１２によって制御される。θ2は導波路２２の表面に当たる光によって作られる角度になり、また９０−θ2は、導波路表面の法線に対して作られる角度である。上記のように、導波路２２の中で全反射が生じるようにθ2を設定して、表面吸収損失をゼロまで減少することができる。
【００１８】
加うるに、下記の特定の実施形態に示されているように、全反射を用いて光１４を操作するように、集中素子１２と変向素子１８を設計することができる。また、固体誘導性媒体の中に光１４のための連続した経路を設けるように、集中素子１２、変向素子１８及び導波路２２を設計することができる。言い換えると、入力領域からレシーバ２３に向かう光線は、反射膜や屈折率の変化のいずれにも遭遇しないことが必要である。反射膜は、約８％の吸収損失を引き起こす可能性がある。空気に対する屈折率１．５の光学材料（プラスチック又はガラス）の屈折率の変化は、約４％のフレネル反射による損失を発生する可能性がある。その結果、これらの損失の仕組みに対する透過効率は、１００％に達することができる。
【００１９】
このことは、従来の集中装置用光学部品とは著しく違っている。反射光学部品は、反射当たり８％の損失がある。このため、透過効率は光学部品が１つの場合は約９２％であり、二次反射光学部品が使用される場合は、約８５％になる。屈折光学部品は、少なくとも１回の屈折率の変化が必要である。このため、透過効率は光学部品が１つの場合は約９６％であり、二次屈折光学部品が使用される場合は、約９２％になる。
【００２０】
図１７は、図１３に示されている本発明の実施形態を通して、入射半角度θ1の関数としての透過効率を示している。この計算は、光線トレーシング用ソフトウェアに基づいている。この実施形態は、入射半角度が±３°内で機能するように設計された。この効率は、フレネル反射とハード反射（hard reflection）による損失を考慮している。図示されているように、装置の効率は、θ1＝０°では１００％に近付き、±３°内ではほぼ１００％に留まるが、その後急速に落ち込む。
【００２１】
図２に示されている集中装置システム１０の別の好ましい形態では、入射光１４は、第１の段部では、前述された素子１２を用いて集中し又は集束される。集中光２０は、集中装置システム１０の区分を反射器／導波路区分２８に関連付けることによって更に処理される。それぞれの反射器／導波路区分２８は反射区分２８を備えている。この反射区分２８は集中光２０を受け取り、光３０を関連する導波路区分２８の中に変向する。ここで、光３０は全導波路２２の長さに沿って全反射（ＴＩＲ）される。複数の反射器／導波路区分２８は、階段状の構造の導波路２２を有している。
【００２２】
図１８は、システム１０の別の実施形態を示している。この実施形態では、導波路２２はレシーバ２３が配置されている、導波路２２のベース表面の方へ光１４を変向する反射器２７で終端する。集中装置の光学部品を、レシーバ２３を組み入れる従来のレシーバ素子の面上に平坦に配置することは、製造上の利点がある。
【００２３】
この構成では、図１９に示されるように、集中装置１２が対称軸に関して鏡映関係をなすようにして、いずれかの端からの２つのレシーバ２３が１つの単一レシーバ２３を配置できる連続領域を形成するようにするのが良い。この場合、開口領域が２倍になるが集中装置１２の厚さは変わらないため、コンパクトさの限度は、１／（２ｘ集中度）で与えられる。
【００２４】
変向素子１８は、光の経路を角度φだけ回転させる。図１３では、φが９０°であるように示されている。図２０は、φ＜９０°であるように示している。これにより、１つの利点として、集中素子１２を同じ面上に配置し、また変向素子１８を同様に自身の面上に配置することができるため、製造を容易にすることができる。
【００２５】
集中素子１２、変向素子１８、及び関連する導波路２２は大きさを変えることができ、図２１はこの実施例を示している。ここで、Ａ１、Ａ２、及びＡ３は、Ｂ１、Ｂ２、及びＢ３と同様に長さが異なっている。しかしながら、集中度は、Ａ１／Ｂ１＝Ａ２／Ｂ２などなどというように、各区分で同じ状態のままである。導波路２２のアスペクト比は、このため、下記の式によって与えられる。
＝（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３）／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３）
＝１／集中度
【００２６】
図２２に示されている別の実施形態では、光３１を逆に通過させることによって、システム１０を光ディフューザとして使用することもできる。図２２では、当初はレシーバ２３であった光源３３からの入射光は、導波路２２を通って導かれ、変向素子１８によって集中素子１２に変向される。この集中素子１２は、出射光をシステム１０の上方に送る。応用例には、照明、バックライト、及び他の光拡散装置が含まれる。全体を通して、光を集中させるために例示された光学部品は、光源に置き換えられる「レシーバ２３」を用いる照明用にも使用できることは理解されたい。
【００２７】
種々の反射器／導波路区分２８の断面図は、集中装置システム１０の様々な構成に対して基本的な構成単位を提供する。１つの代表的な市販用の実施形態が図３に示されている。そのアスペクト比はＮｘＢ／ＮｘＡ、Ａ／Ｂであり、Ａ／Ｂに比例する領域集光係数（area concentration factor）又はエネルギー密度△Φを有している。ここで、ＮｘＡは導波路２２の長さであり、ＮｘＢは最大厚さ（図２及び図３を参照のこと）である。最も好ましい実施形態では、厚さＮｘＢは複数のインクレメンタル部分高さＢから構成されており、これはそれぞれの反射器／導波路区分３２からのＴＩＲ光に対してクリアな光経路を提供する。
【００２８】
図４は、集中装置システム１０′を有する回転（又は軸方向）対称形状の集中装置システム１０の別の実施例を例示している。この集中装置システム１０′は、導波路２２の反射器／導波路区分２８に関連した集中素子１２を有している。集中装置システム１０′（すなわち、システム１０）のこの回転対称形状は、円全体の任意の部分とすることができ、入射光１４に対して三次元の径方向集中を可能にして、△Φにおいて（Ａ／Ｂ）２に比例する集中度を生じるため、収集及び集中装置の効率が著しく高められる。図４の最も好ましい実施形態では、図３の実施形態に関する１軸追跡とは異なり２軸の太陽追跡が使用されている。
【００２９】
図４は、２本の軸線を横切る集中を達成する１つのやり方を示しており、図２３は別のやり方を示している。ここで、線対称の一次集中装置又は素子１２は、１本の軸線に沿って集中した光を集中装置１２の側部にあるレシーバ２３に送る。そこでは、第２の線対称集中装置３７が、垂直軸線に沿って配置されている。この二次集中装置又は素子３７は、第２の軸線に沿って光を集中させてこの光を最終のレシーバ２３に送る。
【００３０】
図２４は、２本の軸線を横切る集中を達成する第３のやり方を示している。ここで、示されている集中装置１２は、図１９で説明されたようにミラー対称である。この場合も前と同様に、直線対称の一次集中装置１２は１本の軸線に沿って集中した光１４を、集中装置１２のベースにあるレシーバ２３に送る。そこでは、第２の直線対称集中装置３７が、垂直軸に沿って配置されている。この二次集中装置３７は、第２の軸線に沿って光１４を集中させて、この光を最終のレシーバ２３に送る。
【００３１】
図３及び図４の直線形及び回転形の実施形態に加えて、集中装置システム１０′は、入射光１４の方向に関連して導波路２２の上及び／又は下に配置可能である。かかる実施形態では、光１４のうちの何割かは、導波路２２を通過し、集中装置システム１０′によって導波路２２の後方に変向される。これらのシステムの形態により、光の再循環が可能になるので最終的な効率が向上し、また本明細書で説明した集中用反射システムを使用することにより、従来の屈折形システムに対して光を集中させる効率が増加される。
【００３２】
別の実施形態では、ＴＩＲを生じさせるために、反射素子１８を導波路２２に関して角度的に調整することができる。反射素子１８は、種々の角度形状を有する導波路２２の一体部分とすることができる（図５Ａ及び図５Ｂを参照されたい）。素子１８は、別個の素子３８及び３９とすることもできる（図５Ｃ及び図５Ｄを参照されたい）。さらに、反射素子１８と関連する導波路２２は、それぞれ図５Ｅと図５Ｆに示されているように、入り組んだ光コレクタ・パイプ４２及び光変向部品４３の形態を取ることもできる。
【００３３】
前述された集中装置システム１０及び１０′の形態は、節領域（nodal area）ではなく連続領域に集中光２０を提供するため、太陽電池、更に処理するためのライトパイプ、熱交換器、二次集中装置及び光スペクトルスプリッタなどの、様々な下流のレシーバ２６に集中した太陽エネルギーを送ることが可能にされる。
【００３４】
図６〜図１１Ｂに示されている更に別の一連の実施形態では、集熱及び集光効率を更に著しく高めるために、種々の構成部品を組み合わせて使用することができる。図６は、最も好ましい実施形態の中で、光５２を湾曲反射器５４に向ける湾曲集中素子５０を示している。この曲面反射器５４は、光５２を導波路２２に送る。図７は、別の最も好ましい実施形態の中で、別の湾曲集中素子５６を示している。この湾曲集中素子５６は、光５２をＴＩＲによって導波路２２の中に向ける２つのプレーナ面５９及び６０を有している。図８Ａは、インターフェース６６で光５２を変向し、曲面反射器６８で光５２を反射し、光５２を光学部品６４の下側反射面７２間のインターフェース７０に集中させる、部分的に閉じた光学部品６４を示している。図８Ｂの拡大図で最も良く分かるように、導波路２２は、反射面７２に対して実質的に相補する角度的合致を呈している。
【００３５】
別の最も好ましい実施形態の中の図９Ａは、図８Ａと同様のシステムであるが、光学部品６５が閉じており、（ライトパイプの形式で）拡張導波路７４に接続されている。この拡張導波路７４は、光５２を集めて、それを導波路２２の中に変向する（図９Ｂに最も良く示されている）。
【００３６】
図１０Ａでは、光学部品７６は閉じており、図１０Ｂに最も良く示されているように、入射光５２は個別の角断面を有する反射面７７から全反射で反射される。この角断面は、全反射した光を収集し、面８０、８１及び８２で反射させて導波路２２に入射させることができる。
【００３７】
図１１Ａでは、光学部品８２は別の反射器８４と協働して光５２を２つの異なる光源８２及び８４から導波路２２に差し向け、それにより光学部品８２の面８６に入射する全ての光を更に確実に収集できるようにする。この実施形態では、光学部品８２及び８４は、集中素子と反射素子の両方の役割を演じる。
【００３８】
図２５では、湾曲集中素子１２は、光１４を変向コンポーネント１８に向け、この変向コンポーネント１８は光１４を導波路２２に送る。集中素子１２と変向コンポーネント１８は同じ物理的部分の２つの異なる構造体として示されているが、導波路２２は、第１の部分に結合された第２の物理的部分として示されている。図２６では、湾曲集中素子１２は、光１４を次々に動作する２つの反射器（変向コンポーネント１８）に向け、これらの反射器は光１４を導波路２２に送る。集中素子１２、変向コンポーネント１８、及び導波路２２は、一緒に連結された別個の物理的部分として示されている。図２７は、光１４を図２６と同様に導波路２２に向ける。しかしながら、変向コンポーネント１８と導波路２２は１つの構成の中に組み合わされている。
【００３９】
図２８では、屈折集中素子１２が光１４を変向素子１８上に差し向け、変向素子１８は、光１４を導波路２２中に反射させる。変向素子１８は、好ましくは、インクレメンタルステップ特徴部として導波路構造体中に一体化されている。図２９では、集中素子１２及び変向素子１８は、図２８に示されている素子とほぼ同じであるが、導波路２２の頂面は、導波路２２がその長さに沿って実質的に一様な断面厚さを有するよう傾けられている。
【００４０】
図３０は、変向素子１８及び導波路２２を回転させて導波路が集中素子１２の平面に実質的に平行になるようになっていることを除き図２９とほぼ同じである。図３１は、変向素子１８上への光の入射角が図３０の比較できる対象の入射角よりも大きいように集中素子からの光を屈折させる追加の組をなす変向素子８７を備えている点を除き図３０とほぼ同じである。これにより、例えば、変向素子１８のための変向の仕組みとしての全反射が容易になる。図３２は、導波路２２の頂面が特注形状８８である点を除き図３１とほぼ同じである。特注形状８８は、例えば、導波路を通って伝搬している光を導波路２２の端のところの規定されたスポット又は場所Ｌに送る際に有用である。
【００４１】
図３３では、変向素子１８は、集中素子１２及び導波路２２を備えた部分とは別体である単一の部分中に組み込まれている。変向素子１８は、本願において上述した任意形式のものであって良く、この変向素子は、図６の素子と同様湾曲した反射素子として示されている。導波路２２は、変向素子１８から光を受け取るよう位置決めされたインクレメンタルステップ特徴部８９で構成されている。図３４は、導波路がその長さに沿って実質的に一様な断面厚さを有するよう導波路２２の底面９０が傾けられている点を除き図３３とほぼ同じである。図３５及び図３６は、それぞれ平坦なファセット８８及び湾曲素子８８として示された特注形状８８の導波路２２の底面を示している。図３２の場合と同様、特注形状８８は、例えば、導波路を通って伝搬している光を導波路２２の端のところの規定されたスポット又は場所Ｌに送る際に有用である。
【００４２】
図３７は、集中素子１２がフレネルレンズである点を除き図３０とほぼ同じである。フレネルレンズは、ポリマー材料の射出成形、ホットエンボス加工若しくは微小複製又はこれらのプロセスに適した他の材料で作られるのが良い。
【００４３】
図３８は、図３３〜図３６の素子とほぼ同じ入口素子９１が頂面に設けられた導波路２２を示している。図３９は、入口素子９１が別個の部分として組み込まれ、この別個の部分がバルク導波路素子２２の平坦な頂面に光学結合層９２を介して光学的に取り付けられている点を除き、ほぼ同じ導波路２２を示している。したがって、光入口素子は、導波路の本体から物理的に不連続に配置されている。これにより、入口素子特徴部を製作するよう薄膜基材を利用する製造プロセスの使用が可能である。図４０は、完全光設計の一例内で動作する図３９に示されている導波路２２を示している。集中素子１２が光１４を変向素子１８上に集中させ、変向素子１８は、この光１４を入口素子９１を介して導波路２２中に挿入可能に変向する。
【００４４】
図４１は、集中素子１２を含む部分が低屈折率接着剤９３を用いて導波路２２に光学的に結合されている点を除き、図３０とほぼ同じである。この構成により、集中素子１２と導波路２２との間の空隙がなくなり、従って、光が集中素子１２から導波路２２に進んでいるときのフレネル反射効果に起因する光学的損失が減少する。低屈折率接着剤９３は、全反射を用いた導波路２２内の光の伝搬を可能にするために、適当な屈折率のものである必要があり、即ち、導波路２２の屈折率よりも小さいことが必要である。低屈折率接着剤９３は、例えば、シリコーンエラストマであるのが良く、例えば、Dow Corning Sylgard 184である。図４２は、集中素子１２が非対称バルクレンズではなくフレネルレンズである点を除き図４１とほぼ同じである。
【００４５】
図４３では、集中素子１２は、光１４を第１の変向素子８７に差し向け、第１の変向素子８７は、光１４を屈折させて光１４を第２の変向素子１８に当たるよう差し向け、第２の変向素子１８は、この光を伝搬のために導波路２２中に変向する。図４３では、第１の変向素子８７は、平坦なファセットである。図４４は、第１の変向素子８７が集中素子１２に先立って光１４と相互作用する点を除き、図４３とほぼ同じである。図４５では、導波路２２は、光１４をその長さを横切って２方向に又は多数の方向に伝搬させる。集中素子１２は、光を変向素子１８，９４上に集中させ、２つの変向素子１８，９４は、光を互いに逆の方向から導波路２２中に変向する。この構成により、光を導波路２２の両端のところに集中させると共に収集させることができる。
【００４６】
図４６では、集中素子１２は、光１４を変向素子１８上に集中させる。変向素子１８は、２つの部分、即ち、光をバルク光学部品中に屈折させる平坦なファセット９５及び光を導波路２２中に反射させる別の平坦なファセット９６を有する。変向ファセット９５，９６及び導波路２２は、単一部品中に組み込まれる。導波路の端は、段落〔００１０〕で上述したように光をレシーバ２３に向かって下方に変向するファセット９９を有する。この実施形態では、導波路２２は、軸線９８に関してその鏡像として導波路９７を有している。導波路２２の端のところの二次光学部品の配置及び導波路２２の対称レイアウトは、本明細書に示されている全ての実施形態に関して達成でき、段落〔００４９〕で上述されている。
【００４７】
図１〜図４６に示されている変向素子１８は、対応の集中素子１２と関連しており、反射、全反射及び屈折の光学的仕組みのうちの少なくとも１つを利用して光を導波路２２中に移送する。変向素子は、集中素子に光学的に結合されるのが良いが、集中素子に光学的に結合される必要はなく、物理的に別体であって良い。
【００４８】
本明細書において上述した種々の実施形態では、集中素子１２は、層によって関連の変向素子１８の少なくとも一部分から隔てられている。光１４は、この層内では再位置決めのための方向の変化をなんら受けない。層それ自体は、関連の変向素子１８の各々の少なくとも一部分相互間に隣接している。この分離層により、集中素子１２及び変向素子１８を物理的に別々のコンポーネントの垂直スタック内に配置することができる。これにより、全体的太陽熱集中装置を形成するための別々の部品の直接的組み立てが可能である。
【００４９】
コストを最小限に抑えると共に設計を単純化するため、１つの実用的な課題は、頑丈な材料でできるだけ少ない部品で上述の全ての機能を達成することである。一般的に言って、これには、多数の機能をほんの数個の部品中に組み込むことが必要である。例えば、光学的特徴部をカバーガラス中にパターニングすることにより、ガラスは、モジュールを保護すると共に集中素子１２として働くことができ、他方種々の光学的被膜のための基材として働くその能力を保つことが達成可能である。機械加工された同心特徴部を備える円筒形金属ロールを軟化ガラスに利用することによって、大規模なガラス製造施設がマイルドレンズ特徴部をシートの一方の面上に日常的に形成することができる。光学的特徴部を型押しするのに適切なロール設計が与えられると、直線レンズをカバーガラス上にパターニングして一次光学（集中）素子１２を形成することができる。集中素子１２は、機能を保ちながら外向きの方向と内向きの方向の両方向に差し向けられるのが良い。外向き特徴部は、ソイリング（soiling）とも呼ばれる粒子の集積の恐れがあり、これは、光透過にとって有害である。操作カバーガラス方式に加えて、これ又集中機能を提供するプロセス、例えばシリコーン被着を用いて平べったいカバーガラスに特徴部を追加するのが良い。
【００５０】
さらに、カバーガラス層からの集中光１４のための変向素子１８として役立つ相補二次光学部品を構成し、変向光１４をレシーバ２３（図４６）に送るための導波路２２として働くようにすることが可能である。注目されるように、この実施形態では、一次光学部品は、保護カバーガラスと集中層の両方として役立つ一方で、変向及び導波路機能を二次光学部品に組み合わせることができる。同様に、点焦点設計の場合、ホットエンボス加工又はモールド型プロセスを用いて軸対称レンズパターンをガラスに施すのが良い。
【００５１】
光学的機能をカバーガラスに組み込むと共に変向及び導波路‐集束領域機能を一部品に組み合わせることにより、光路全体を２つの部品だけで管理し又は達成することができる。ＡＴＩＲ光学部品のこの２部品クラスの重要な一観点は、導波路又は二次光学部品の垂直位置と水平位置の両方が一次光学部品層（カバーガラス）に対して良好に維持されなければならないということである。他の点に関し、分離層の幾何学的形状を維持することは、堅牢な機能を保証する上で重要である。これを達成するための一手法は、更に別の機能を一次又は二次／導波路光学部品のいずれか内に組み込むことである。例えば、図４７に示されているように、位置決め素子又はリブ特徴部１００を二次光学部品中に組み込むことによって、一次光学部品と二次光学部品を機械的にインターロックすることが可能であり、それによりこれら光学部品を垂直寸法と水平寸法の両寸法に関して制約し、それにより安定性のある分離を保証することができる。したがって、位置決め素子１００は、複数の光学素子と導波路との間の幾何学的関係を水平平面、垂直平面及び回転平面において維持する。
【００５２】
別の製造のオプションでは、別個の支持位置決め素子又はリブ特徴部１００を作ることである。このオプションには、別の別個の部品を製作しなければならないという欠点がある。しかしながら、リブ特徴部は、非常に簡単なのでこの部品を成形する工具費が少なくて済み、組立体は、よりモジュール方式になり、それによりリブと二次光学部品を組み立てる仕方に設計上の融通性を与えることができる。図４８は、相補光学二次及び支持リブ特徴部１００を示す構成を示している。これら部品をモジュール方式で組み立てて設計上の融通性を提供することができる。したがって、位置決め素子１００は、導波路の一体部分であっても良く導波路とは別個の素子であっても良い。
【００５３】
有効なレシーバは、多数の別々の太陽電池セルから成るのが良さそうである。太陽電池セルを互いに一続きにしたとき、はんだ継手周りの応力集中を管理し、セルの破損を最小限に抑えるためにセル相互間に隙間を残すことが推奨される。これら隙間の作用効果は、光エネルギーを集めることができる領域を減少させることにある。隙間は、非光学的活性支持特徴部、例えば位置決め素子又はリブ１００を位置決めするための有用な場所である。また、光学部品は、上述のように構成されていなければ隙間に当たる光の大部分を能動レシーバ（図４９）の方へ差し向けるよう光学変向素子又は切り欠き特徴部１０１を備えるよう構成されるのが良い。切り欠き特徴部１０１は、変向素子に類似しているが、光を隙間から全反射させて能動レシーバに当てるよう導波路２２の別の平面内に差し向けられる。切り欠き又は横方向光学素子１０１は、導波路２２に結合され、光を導波路２２内の光の伝搬方向に対して横方向に変向する。上述したように、導波路に結合され、光を導波路から光レシーバに変向する二次光学素子２７を説明した。上述の横方向光学素子１０１を利用する場合、二次光学素子２７は、光を導波路及び横方向光学素子から光レシーバに変向する。
【００５４】
本発明の実施形態の上記説明は、例示及び開示の目的で提供されている。上記説明は、網羅的ではなく、或いは、本発明を開示した形態そのものに限定するものではなく、改造及び変形が上記教示に照らして可能であり又は本発明の実施から得ることができる。実施形態は、当業者が本発明を種々の実施形態で又、計画する特定の用途に合うよう種々の改造を施した状態で利用することができるように本発明の原理及びその実用的用途を説明するために選択されると共に説明されている。
なお、好ましい構成態様として、本願発明を次のように実施することもできる。
１．光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る関連の変向素子とを含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る段付き導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記段付き導波路中に再位置決めするよう構成され、
前記段付き導波路に結合されていて、前記導波路からの前記光を光レシーバに向かって変向する二次光学素子を有し、
前記段付き導波路から光を受け取る光レシーバを更に有する、光学集中装置。
２．  前記段付き導波路は、実質的に互いに平行な上面及び下面を有する、請求項１記載の光学集中装置。
３．  前記段付き導波路は、その長さに沿って実質的に一様な厚さを有する、請求項１記載の光学集中装置。
４．  前記段付き導波路は、平坦なファセット、湾曲面及び特注形状から成る群から選択された表面を有する、請求項１記載の光学集中装置。
５．  前記段付き導波路は、前記関連変向素子と関連した光入口素子を有し、前記光入口素子は、前記段付き導波路の本体から物理的に不連続に配置され、それにより別々の部品の状態の前記段付き導波路の組み立てを可能にする、請求項１記載の光学集中装置。
６．  前記集中素子は、前記導波路の頂面に光学的に結合されている、請求項１記載の光学集中装置。
７．  前記変向素子は、前記導波路の頂面に光学的に結合されている、請求項１記載の光学集中装置。
８．  前記光学素子は、前記段付き導波路中に光を挿入するよう構造的に位置決めされており、光は、前記段付き導波路内で２方向に伝搬するようになっている、請求項１記載の光学集中装置。
９．  前記集中素子は、光学素子をガラスシート中にパターニングすることにより作られている、請求項１記載の光学集中装置。
１０．  前記関連変向素子は、前記集中素子に光学的に結合されると共にこれとは物理的に別体である、請求項１記載の光学集中装置。
１１．  光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）１）前記集中素子からの前記再位置決め光を受け取って該光を第２の変向素子上に屈折させる第１の変向素子及び、２）前記第１の変向素子から光を受け取り、該光を反射により再位置決めする第２の変向素子で構成された変向素子とを有し、
前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る段付き導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記段付き導波路中に再位置決めするよう構成されている、光学集中装置。
１２．  光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る関連の変向素子とを含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記導波路中に再位置決めするよう構成され、前記変向素子は、前記導波路の一体部分であり、前記導波路は、実質的に互いに平行な頂面及び底面を有し、前記導波路は、その長さに沿って実質的に一様な厚さを有し、前記光学素子は、前記光を前記導波路中に挿入するよう構造的に位置決めされていて、前記光は、前記導波路内で多方向に伝搬するようになっている、光学集中装置。
１３．  光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る関連の変向素子とを含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る段付き導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記段付き導波路中に再位置決めするよう構成され、前記素子は、前記光学集中装置を形成するよう押し出された断面の状態に構成されている、光学集中装置。
１４．  光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る関連の変向素子とを含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る段付き導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記段付き導波路中に再位置決めするよう構成されている、光学集中装置。
１５．  光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る関連の変向素子とを含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記導波路中に再位置決めするよう構成され、
前記複数の光学素子と前記導波路との間の幾何学的関係を水平平面、垂直平面及び回転平面内で維持する位置決め素子を更に有する、光学集中装置。
１６．  前記位置決め素子は、前記導波路の一体部分である、請求項１５記載の光学集中装置。
１７．  前記位置決め素子は、前記導波路とは別体の素子である、請求項１５記載の光学集中装置。
１８．  光学集中装置であって、
互いに隣接して配置された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子の各々は、
ａ）光を収集して再位置決めする集中素子と、
ｂ）前記集中素子と関連すると共にこれとは別体であり、前記集中素子から光を受け取る関連の変向素子とを含み、前記複数の光学素子の各々の前記集中素子は、前記光が再位置決めのための方向の変化を受けない層によって前記関連変向素子の少なくとも一部分から隔てられており、前記層は、前記関連変向素子の各々の少なくとも一部分相互間に隣接して位置し、
前記関連変向素子の前記少なくとも一部分から光を受け取る段付き導波路を有し、前記関連変向素子は、前記光を集積のために前記段付き導波路中に再位置決めするよう構成され、前記段付き導波路は、前記複数の光学素子からの光を集め、該光を前記光レシーバに向かって伝搬させ、
前記段付き導波路に結合されていて、前記光を前記導波路内の光の伝搬方向に対して横方向に変向する横方向光学素子を更に有し、
前記段付き導波路に結合されていて、前記導波路及び前記横方向光学素子からの前記光を光レシーバに向かって変向する二次光学素子を有し、
前記段付き導波路から光を受け取る光レシーバを更に有する、光学集中装置。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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