(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学集中システムであって、
入射光を集めて集中させる光導波路を有し、前記光導波路は上面及び下面を備え、これにより、入射した光が少なくとも１回前記上面から反射した後、前記光導波路を出るように案内することを可能にし、さらに、
前記光導波路に隣接して配置され、固体光学要素を介することなく前記光導波路から直接前記集中光を受け取るレシーバと、
前記光導波路の一部と一体となった上面を備え、前記光導波路からの光を前記レシーバの方に変向する変向光学部品と、
前記光導波路の上方に離れて配置され、光を集めて再位置決めする集中要素と、
前記集中要素及び前記光導波路の中央部分と前記変向光学部品からなる中央変向領域と、上方に位置する前記中央変向領域内において前記集中要素から延び、前記変向光学部品に光学的に結合され、前記導波路から分離された少なくとも２つの中央変向領域歯と、を有する、光学集中システム。
【請求項２】
前記変向光学部品は、前記光導波路により提供される集中レベルを変化させる、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項３】
前記変向光学部品は、放物面、楕円面、双曲面、円弧、平坦な反射面、特注形状反射面、全反射面、合成二次曲面集光器型光学部品、ライトパイプ及び屈折コンポーネントから成る群から選択される、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項４】
前記光導波路と前記変向光学部品は、少なくとも２つのシステムを形成するよう中心軸線に関し互いに鏡映関係をなし、前記少なくとも２つのシステムからの前記レシーバは、１つの連続したレシーバを形成するよう組み合わさっており、これにより前記光導波路の高さを維持しながら光の集中を２倍にする、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項５】
前記変向光学部品により、前記光導波路からの光のうちの何割かが屈折して鏡映変向光学部品の方へ進み、前記レシーバによる集光のために前記鏡映変向光学部品を通って伝搬する、請求項４記載の光学集中システム。
【請求項６】
前記光導波路は、前記レシーバの上方の領域の入射光を前記変向光学部品の外側フェースの方へ差し向けて前記変向光学部品を通って前記レシーバの方へ伝搬させる光学素子を有する、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項７】
前記光集中システムは、回転軸線に関して軸対称である、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項８】
前記回転軸線は、前記変向光学部品のエッジから間隔を置いて位置し、それにより前記光導波路からの軸外し光が前記レシーバに移送されるようにする、請求項７記載の光学集中システム。
【請求項９】
前記変向光学部品は、前記光導波路から物理的に分離した部分を含み、前記分離した部分は前記光導波路に隣接した空気の単一の垂直スリット、低屈折材料又は反射材料を有し、それにより、前記光導波路からの軸外し光が垂直スリットで反射されて前記レシーバに向けられるようになる、請求項７記載の光学集中システム。
【請求項１０】
前記変向光学部品と前記レシーバとの間に設けられた被覆材を更に有する、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項１１】
前記光導波路は、傾斜型光導波路である、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項１２】
前記中央変向領域内に支持光学部品を更に有する、請求項１記載の光学集中システム。
【請求項１３】
光学システムであって、
光を集め、集中させると共に、光導波路と光学的に連通した集中要素を有し、
前記光導波路は中心軸線から軸方向に延び、
前記光導波路の下に位置決めされていて、前記中心軸線から延びる中央レシーバを有し、
前記光導波路は、前記中心軸線回りに且つ前記中央レシーバの上方に位置決めされた中央変向領域を有し、前記中央変向領域は、前記集中要素及び前記光導波路の中央部分と前記変向光学部品からなり、さらに、上方に位置する前記中央変向領域内において前記集中要素から延び、前記変向光学部品に光学的に結合され、前記導波路から分離された少なくとも２つの中央変向領域歯を有する、光学システム。
【請求項１４】
さらに、スリットを有する、請求項１３記載の光学システム。
【請求項１５】
さらに、反射案内壁を有する、請求項１３記載の光学システム。
【請求項１６】
前記中央変向領域は、複数の変向光学部品を更に有する、請求項１３記載の光学システム。
【請求項１７】
前記複数の特徴部のうちの１つは、前記複数の変向光学部品の各々相互間に設けられている、請求項１３記載の光学システム。
【請求項１８】
入射光を集めて集中させる光導波路と、前記集中光を受け取るレシーバと、を有する光学集中システムにおいて、
改良は、中央変向領域を含む集中層が前記レシーバの上方に位置決めされ、前記光導波路の前記中央変向領域は、前記光導波路からの光を前記レシーバの方へ変向する変向光学部品を含み、前記変向光学部品は、中心軸線に関して鏡映関係をなすと共にＴＩＲ漏れを可能にする傾斜面を有し、前記変向光学部品は、前記光導波路から前記中央レシーバへ光を変向させ、前記光導波路の中央変向領域上方且つ前記レシーバの反対側の前記中央変向領域からの光を、前記光導波路の中へ、そして前記レシーバへ変向させることを特徴とする、光学集中システム。
【請求項１９】
前記変向光学部品が、前記光導波路の一体部分、及び前記光導波路とは別個のコンポーネント、からなる群から選択される、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２０】
前記変向光学部品は、前記光導波路により提供される集中レベルを選択的に増加させ又は減少させる、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２１】
前記変向光学部品は、放物面、楕円面、双曲面、円弧、平坦な反射面、特注形状反射面、全反射面、合成二次曲面集光器型光学部品、ライトパイプ及び屈折コンポーネントから成る群から選択される、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２２】
前記光導波路と前記変向光学部品は、少なくとも２つのシステムを形成するよう中心軸線に関し互いに鏡映関係をなし、前記少なくとも２つのシステムからの前記レシーバは、１つの連続したレシーバを形成するよう組み合わさっている、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２３】
前記変向光学部品により、前記光導波路からの光のうちの何割かが屈折して鏡映変向光学部品の方へ進み、前記レシーバによる集光のために前記鏡映変向光学部品を通って伝搬する、請求項２２記載の光学集中システム。
【請求項２４】
前記光導波路は、前記レシーバの上方の領域の入射光を前記変向光学部品の外側フェースの方へ差し向けて前記変向光学部品を通って前記レシーバの方へ伝搬させる光学素子を有する、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２５】
前記光集中システムは、回転軸線に関して軸対称である、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２６】
前記回転軸線は、前記変向光学部品のエッジから間隔を置いて位置し、それにより前記光導波路からの軸外し光が前記レシーバに移送されるようにする、請求項２５記載の光学集中システム。
【請求項２７】
前記変向光学部品は、空気の垂直スリット、低屈折材料又は反射材料を有し、それにより、前記光導波路からの軸外し光が垂直スリットで反射されて前記レシーバに向けられるようになる、請求項２５記載の光学集中システム。
【請求項２８】
前記変向光学部品と前記レシーバとの間に設けられた被覆材層を更に有する、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項２９】
前記光導波路は中心軸線から延び、前記光導波路は前記中心軸線回りに且つ中心軸線から延びる前記中央レシーバの上方に位置決めされた変向領域を有し、前記変向領域は、光を前記中央レシーバに変向する複数の特徴部を有する、請求項１８記載の光学集中システム。
【請求項３０】
前記複数の特徴部は、反射案内壁及びスリットからなる群から選択される、請求項２９記載の光学集中システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の収集及び送り出しのための光学部品の分野に関する。利用分野としては、太陽電池又はレシーバ（熱吸収器）上への太陽光の集中（太陽熱集中又は集熱）及び照明用途用の光の拡散が挙げられる。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本願は、２０１０年１０月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／４０７，７７２号の優先権主張出願である。本願は又、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る。なお、これら出願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】
エッジ集光器又は光導波路は、光、特に太陽光の集光（収集）及び集熱（集中）のために用いられている。エッジ集光器又は光導波路は、この用途に関し、光学デバイスとして構成され、この光学デバイスは、光を頂面から受け取り、そして集中エネルギーを光学装置のエッジに送り出す。図１ａは、光導波路１０の簡単な断面図である。図１ｂは、同一の光導波路１０の３Ｄ図である。
【０００４】
実際、これら形式の光導波路１０は、一般に、米国特許第７，６６４，３５０号明細書及び同第７，６７２，５４９号明細書に記載されている形式のものである。他形式の光導波路としては、ルミネッセント太陽熱集中装置又は色素ルミネッセント太陽熱集中装置が挙げられる。図１ｃは、フォーマ型の光学システムを示している。入射光２０は、孔を横切って多数の集中ユニット４０に当たり、光導波路１０は、ユニットの全てから集中光を集め、そしてこれを光導波路１０のエッジ３０に送る。
【０００５】
しかしながら、光２０を望ましい仕方で変向する（光の方向を変える）ためにエッジ３０のところに二次的な組をなす光学部品５０（図２及び図３ａ参照）を設けると多くの利点が得られる。図２では、光２０は、導波路１０のエッジ３０に送られ、そして約９０°変向されて導波路１０のベースに平行に配置されたレシーバ６０に差し向けられる。本明細書において説明する本発明は、これら二次的変向光学部品５０を設計する様々な方法を提供する。本発明は、光導波路１０をより有用にするのを助ける。光導波路型集中システムに関する重要な商業上の判断基準としては、コンパクトさ、効率、集中レベル及び製造性が挙げられる。種々の変向方法は、これら判断基準に様々な仕方で影響を及ぼす。
【０００６】
また、この光導波路１０又はデバイス向きの用途は幾つかあることに注目されるべきである。光エネルギーを種々のレシーバに送り出すことができる。図３ａ〜図３ｄは、レシーバ６０の幾つかの例を示しており、かかる例としては、更に、集中又は拡散光学部品、例えばレンズ、複合二次曲線集中光学部品、太陽電池セル又は熱交換器が挙げられ、これらについては以下において詳細に説明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，６６４，３５０号明細書
【特許文献２】米国特許第７，６７２，５４９号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、光学集中システムであって、入射光を集めて集中させる光導波路と、集中光を受け取るレシーバと、光を光導波路からレシーバの方へ変向する変向光学部品とを有することを特徴とする光学集中システムを提供する。
【０００９】
本発明は又、光学照明システムであって、入射光を提供する光源と、入射光を照明のために拡散させる光導波路と、レシーバからの光を光学導波路の方へ変向する変向光学部品とを有することを特徴とする光学照明システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】概念としての光導波路の断面図である。
【図１ｂ】概念としての光導波路の立体図である。
【図１ｃ】太陽光集中に用いられる光導波路を示す図である。
【図２】光学システムの実施形態を示す図である。
【図３ａ】レンズ型レシーバを備えた実施形態を示す図である。
【図３ｂ】ＣＰＣ型レシーバを備えた実施形態を示す図である。
【図３ｃ】太陽電池型レシーバを備えた実施形態を示す図である。
【図３ｄ】熱交換器型レシーバを備えた実施形態を示す図である。
【図４ａ】光学システムの別の実施形態を示す図である。
【図４ｂ】光学システムの別の実施形態を示す図である。
【図４ｃ】互いに隣接して位置していて、変向光学部品を備えた多数の光学システムを示す図である。
【図４ｄ】互いに隣接して位置していて、変向光学部品を備えていない多数の光学システムを示す図である。
【図５ａ】変向光学部品が光導波路中に組み込まれた実施形態を示す図である。
【図５ｂ】変向光学部品が光導波路とは分離された実施形態を示す図である。
【図６ａ】光学システムが中心軸線に関して鏡映関係にある実施形態を示す図である。
【図６ｂ】光学システムが中心軸線に関して鏡映関係にある実施形態を示す図である。
【図７ａ】変向光学部品が集中レベル（集中度）を変更する実施形態を示す図である。
【図７ｂ】変向光学部品が集中レベルを変更する実施形態を示す図である。
【図７ｃ】変向光学部品が集中レベルを変更する実施形態を示す図である。
【図８ａ】全反射方式を採用した変向光学部品を示す図である。
【図８ｂ】部分屈折方式を採用した変向光学部品を示す図である。
【図９】反射方式を採用した変向光学部品を示す図である。
【図１０ａ】放物曲線で構成された変向光学部品を示す図である。
【図１０ｂ】部分屈折方式を備えた放物曲線で構成された変向光学部品を示す図である。
【図１０ｃ】部分反射材料を備えた放物曲線で構成された変向光学部品を示す図である。
【図１０ｄ】放物曲線及び平坦なファセットで構成された変向光学部品を示す図である。
【図１１ａ】ＴＩＲ漏れを示している変向光学部品の実施形態を示す図である。
【図１１ｂ】ＴＩＲ漏れを示している変向光学部品の別の実施形態を示す図である。
【図１１ｃ】ＴＩＲ漏れを示している変向光学部品の別の実施形態を示す図である。
【図１２ａ】変向光学部品とレシーバとの間に空気が含まれている変向光学部品の実施形態を示す図である。
【図１２ｂ】変向光学部品とレシーバとの間に被覆材料が設けられている変向光学部品の実施形態を示す図である。
【図１３ａ】光学システムの実施形態を示す図である。
【図１３ｂ】傾斜型光導波路を備えた光学システムの実施形態を示す図である。
【図１３ｃ】変向光学部品とレシーバとの間に被覆材料を備えた変向光学部品の実施形態を示す図である。
【図１４ａ】ライトパイプ型変向光学部品の種々の実施形態を示す図である。
【図１４ｂ】ライトパイプ型変向光学部品の種々の実施形態を示す図である。
【図１４ｃ】ライトパイプ型変向光学部品の種々の実施形態を示す図である。
【図１５ａ】変向光学部品とレシーバとの間に被覆材料を備えた変向光学部品の実施形態を示す図である。
【図１５ｂ】変向光学部品とレシーバとの間に被覆材及びガラスを備えた変向光学部品の実施形態を示す図である。
【図１６ａ】光学システムの一実施形態を示す図である。
【図１６ｂ】光学システムの別の実施形態を示す図である。
【図１６ｃ】光学システムの別の実施形態を示す図である。
【図１６ｄ】光学システムの別の実施形態を示す図である。
【図１６ｅ】光学システムの別の実施形態を示す図である。
【図１７ａ】線対称光学システムを示す図である。
【図１７ｂ】軸対称光学システムを示す図である。図である。
【図１７ｃ】軸方向対称光学システム及び関連の変向光学部品の一実施形態を示す図である。
【図１７ｄ】軸方向対称光学システム及び関連の変向光学部品の別の実施形態を示す図である。
【図１７ｅ】軸方向対称光学システム及び関連の変向光学部品の別の実施形態を示す図である。
【図１７ｆ】軸方向対称光学システム及び関連の変向光学部品の別の実施形態を示す図である。
【図１８】照明用途向きに構成された光学システムの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図４ａに示されている好ましい実施形態では、光導波路１０からの光は、集光平面にほぼ垂直に進む。変向光学部品５０は、この光２０をレシーバ６０に変向して光２０の円錐伝搬角度を変化させる。
【００１２】
好ましい実施形態では、光導波路１０は、図４ｂに示されているように光２０を導波路１０内のその伝搬角度に実質的に垂直に変向する。これにより、レシーバ６０は、図４ｃに示されているように集光平面に垂直に位置することができる。図４ｄは、光導波路１０がこれと関連した変向光学部品を備えていない場合に光導波路１０とレシーバ６０が互いにどのように干渉するかを示している。「光学部品層」（変向光学部品５０）及び「レシーバ層」（レシーバ６０）は、それにより、容易に組み立てて互いに結合することができる水平スラブ区分を形成する。２つの層は、頑丈且つ耐久性のある積層構造体を形成することができる。レシーバ６０相互間の接続を容易に行うことができ、例えば、太陽電池セルレシーバ相互間の電気的相互接続を容易に行うことができる。レシーバ６０（例えば、太陽電池セル）が昇温すると、別個のレシーバ層が設けられていることにより、バックプレーンヒートシンクからの効果的な熱伝達が可能である。
【００１３】
以下のセクション（１〜１２）の各々は、変向光学部品５０によって取り込まれている特定の課題及びこの課題を解決する幾つかの好ましい方法の概要を記載している。
【００１４】
１．同一又は別個の部分としてのリダイレクタ
【００１５】
変向光学部品５０は、図５ａに示されているように光導波路１０と同じ製造部品の特徴を備えるよう構成されるのが良い。変向光学部品は又、図５ｂに示されている別の実施形態では別個の部品であっても良い。
【００１６】
同一部品の状態に作られるということは、導波路１０に関し製造ステップが少なくても済み、部品相互間のアライメントが不要であり、インターフェース相互間の損失がないことにより効率が潜在的に高いという利点を有する。
【００１７】
光導波路１０及び変向光学部品５０のコンポーネントについて別個の部品として構成することは、光集中レベルを保ち又はこれを促進するのに役立ち得る。インターフェース７０は、全反射（ＴＩＲ）表面として働くことができ、かくして、光２０を導波路１０内に良好に封じ込めることができる。
【００１８】
２．鏡像
【００１９】
図６ａは、上述の光導波路１０及び変向光学部品５０を示しており、入射光２０の集光領域及び光学部品コンポーネントの高さが注目されている。
【００２０】
図６ｂでは、光導波路１０、変向光学部品５０及びレシーバ６０の組み合わせは、中心軸線に関して鏡映関係をなしている。この場合、レシーバ６０は、一連続部品として構成されるのが良い。光を単一のレシーバ６０に送り出す集光領域は、かくして、２倍になっており、他方、全構造体の高さは変わらず、従って、この構造体は、レシーバ６０の所与の領域に関してコンパクトさが２倍になっている。
【００２１】
加うるに、鏡映関係にある光導波路及び変向光学部品の組み合わせ全体は、一部品として製造可能であり、それにより、製造が単純化される。
【００２２】
３．二次集中又は集熱
【００２３】
光導波路１０は、図７ａの実施形態にＣ１として示されていて、集光面積Ａ１をエッジＡ２の面積で除算して得られる或る特定の集中レベルを送り出す。変向光学部品５０は、光２０をこの集中レベルで受け取り、そしてこの集中レベルをレシーバ６０への送り出し時に変化させることができる。
【００２４】
変向光学部品５０により生じる二次集中がＣ２として示されており、これは、変向光学部品５０の入射面積Ａ２と変向光学部品５０の出射面積Ａ３の比として定義される。最終の集中レベルは、Ｃｆｉｎａｌとして示され、Ａ１／Ａ３として定義される。
【００２５】
図７ａでは、変向光学部品５０は、光導波路１０からの集中レベルを増大させる。したがって、Ｃｆｉｎａｌは、Ｃ１よりも大きい。集中係数がソーラーパネルのコストを減少させるために太陽電池セル材料の面積を減少させる上で重要なパラメータである場合、変向光学部品５０からの二次集中が有益な場合がある。
【００２６】
図７ｂの実施形態では、変向光学部品５０は、光導波路１０からの集中レベルを減少させる（Ｃｆｉｎａｌ＜Ｃ１）。図７ｂの特定の実施形態では、簡単で平坦なファセット８０が光導波路１０の水平ベース又はエッジに対して適当に浅い角度をなして設けられており、かかるファセット８０は、集中レベルを減少させることができる。図７ｃでは、この実施形態は、別の実施例を提供する。光導波路１０が相当大きな集中レベルを送り出した場合であっても、変向光学部品５０は、最終の集中係数を約１／２に減少させる。これは、例えば、太陽電池セル材料を１／２に減らすと共に連続した太陽電池セルの広い領域を有する一方で光学システム全体を極めてコンパクトにすることが望ましい場合に有益な場合がある。
【００２７】
４．全反射の制約
【００２８】
光２０を反射させて変向するために全反射（ＴＩＲ）を採用することができる。全反射は、これには損失がほぼないので反射膜よりも優れており、他方、膜は、これに当たったエネルギーの何割かを吸収する。全反射は又、これにより余分な製造ステップがなくなると共に反射膜の材料費がないので安価である。
【００２９】
しかしながら、光学部品及び周りの材料の屈折率により形成される臨界角よりも大きな入射角を提供する光線の場合にのみ全反射が生じる。
【００３０】
図８ａの実施形態では、扁平な変向光学部品５０がＴＩＲ限度で示されている。光線９０とインターフェースの垂線とのなす角度シータは、臨界角よりも少し大きいだけである。図１４ａ〜図１４ｃは、光線９０の角度が臨界角よりも小さい場合、即ち、光線が変向光学部品５０の表面によって屈折されてレシーバ６０に送り出されない場合に起こる状態を示している。かくして、ＴＩＲを採用するための要件により、効率を保ちながら追加の二次集中がどれほど多く生じることができるかに関して制約が生じる。
【００３１】
５．反射膜
【００３２】
別の実施形態では、光をＴＩＲ限度の許容するレベルよりも一層集中するために反射膜を採用することができる。図９は、この実施形態を示している。この場合、入射角は、図８ｂの入射角とほぼ同じであり、この図８ｂでは、光９０は、本質的に失われる。この場合、これとは異なり、光線９０は、下方に反射されてレシーバ６０に差し向けられる。かくして、反射器１００により、変向光学部品５０は、光導波路１０に対して急な傾斜を提供する型を有することができ、それによりインターフェースを介して光線を失わないで二次集中度を促進させることができる。（しかしながら、以下のセクション４で説明するように、効率に関するトレードオフの関係として、反射器がこれに当たったエネルギーのうちの何割かを吸収する）。
【００３３】
６．湾曲変向光学部品
【００３４】
図１０ａに示されている湾曲区分、例えば放物線区分１１０は、二次集中を送り出す場合に平坦な表面よりも効率が高いと言える。曲線、例えば放物線は、集束光学面であり、従って、光導波路１０から光コーン（円錐形状）を取り出すことができ、そしてレシーバ６０に送り出される二次集中レベルをこれに対して実施することができる。
【００３５】
しかしながら、曲線１１０は、光９０の入射角が図１０ｂに示されているように全反射を行うために臨界角を超えるのに十分急峻な場合がある。２つの手段が可能である。第１に、図１０ｃに示されているように反射膜１２０を曲線１１０の区分に被着させるのが良く、もしそうしなければ、曲線１１０の区分からは光が漏れ出るのが見える。第２として、放物線１１０をＴＩＲ限度のところで切頭するのが良く、平坦なファセット１３０を曲線の端とまさに同一の角度で用いるのが良く、その結果、ＴＩＲは、変向光学部品に沿って常時達成されるようになる。この特徴は、図１０ｄに示されている。
【００３６】
７．ＴＩＲ“漏れ”
【００３７】
光導波路１０と変向光学部品５０は、鏡映関係にある更に別の実施形態では、変向光学部品５０の表面からの光１４０の幾分かの漏れを許容することができる。というのは、かかる光は、図１１ａに示されているように反対側の変向表面によって集められてレシーバ６０に送られるからである。これにより、達成できる二次集中を増大させることができる。というのは、変向光学部品５０の表面は、急峻な角度で配置することができ、従って、レシーバ６０の所要の領域を縮小させることができるからである。
【００３８】
別の実施形態では、この作用効果を利用するカスケード配置状態のファセット１６０が可能であり、この場合、ファセット１６０のうちの急峻なファセットは、図１１ｂに示されているように底面の近くに配置される。各ファセット１６０は、このファセットに入射する光線の角度範囲が所与の場合、集中レベルと効率の両方を最大にするよう適当な角度で配置されるのが良い。変形例として、カスケード配置のファセット１６０に近似した湾曲面１７０を利用して図１１ｃの実施形態に示されているように同一の結果を達成しても良い。変向光学部品５０は又、図１１ｃに示されているように多数の曲線、例えば放物線区分１７０及び円弧１８０で構成されても良い。
【００３９】
８．ベースに被着された被覆材
【００４０】
別の実施形態では、空気１９０が光学部品５０のベースとレシーバ６０の頂部との間に用いられる場合、変向光学部品５０から出た光２１０は、屈折して図１２ａに示されているように円錐角度を増大させる。
【００４１】
被覆材２００を図１２ｂに示されているように導波路変向光学部品構造体のベースに被着させるのが良い。被覆材２００は、変向光学部品５０の媒体よりも低い屈折率のものである。これにより、レシーバ６０のところの光２１０のコーンを細くすることができる。というのは、光学システムのベースからの屈折度が軽減されるからである（光線２１０は、光学部品から別の材料に進むのに対して光学部品から屈折率の考えられる限り最も低い空気に進む方がより大きな角度で屈折することになるからである）。変向光学部品５０からの円錐角を減少させることは、全体的光学システムにより達成される集中レベルを保つのを助けることができる。
【００４２】
被覆材は又、効率上の利点をもたらす。フレネル反射が互いに異なる屈折率のインターフェースのところで生じ、損失は、屈折率の差が大きい場合に大きくなる。光学部品とレシーバ１６０との間に空気を設けた結果として、最も大きなフレネル反射損失が生じることになる。
【００４３】
被覆材は又、構造上及び信頼上の利点をもたらすことができる。被覆材は、光電池セルのように環境保護を必要とする慎重な取り扱いを要する材料を封入することができる。被覆材は又、例えば温度上昇下における互いに異なる屈折率の結果として生じる光学部品とレシーバ１６０との間の応力を切り離すことができる。
【００４４】
９．傾斜光ガイド
【００４５】
変形実施形態では、導波路１０中の光コーンの伝搬方向は、図１３ａに示されているように入射光と正確に垂直である必要はない。変形例では、導波路２２０は、図１３ｂに示されているように水平に対して角度をなして構成されても良い。
【００４６】
導波路１０の傾斜形態は、変向光学部品５０にとって有利である。というのは、これにより、大きな二次集中がＴＩＲ限度で残ることができるからである。この理由は、光が小さな所要の変向角度を有するからである。図１３ｂは、この利点を示しており、即ち、光線９０を図１３ａに示されている場合よりも大きな角度にわたって全反射により反射して戻すことができる。
【００４７】
図１３ｃは、傾斜導波路２２０がベースに被着された被覆材２００と組み合わされた場合に必要なファセット２３０の角度の変化を示している。集束領域２５から反射した極端な光線に対処するため、最終のファセット２４（「ファセット２」）は、先のファセット２３（「ファセット１」）よりも浅い角度で生じる必要があり、もしそうでなければ、集束領域で反射した光線２３５は、屈折してファセットを通って上方に逃げ出ることになる。
【００４８】
１０．変向ライトパイプ
【００４９】
別の実施形態では、より大きな二次集中を得るためにアスペクト比を増大させる。図１４ａは、光２６５を変向するための湾曲ライトパイプ２６０の使用を示している。光導波路１０と変向光学部品２６０のアスペクト比は、著しく大きく設定されている。図１４ｂは、同じ内容を示しているが、変向光学部品の湾曲面を改造することによって二次集中度（レベル）を達成し又はテーパする変向光学部品２６０のパイプ特徴形式を達成している。図１４ｃは、同様な方式を示しているが、湾曲区分ではなく変向光学部品２６０のための平坦なファセットを備えた状態で示している。
【００５０】
パイプ特徴部２６０は、原理的には、上述した変向光学部品よりも大きな二次集中度を達成することができる。というのは、パイプ特徴部２６０は、光導波路１０により与えられる集中度を保ち、レシーバ６０に直接向くよう光コーンを差し向け、そして最大二次集中レベルを達成することができるからである。先の変向光学部品は、最大許容二次集中レベルを達成するのを妨げる全反射制約に直面していた。
【００５１】
しかしながら、先の変向光学部品２６０は、光導波路のコンパクトさを保つ。それ故、以下のトレードオフの関係が見られる。
・最も高いコンパクトさ及び最も高い効率を達成するが、最も高い集中レベルを達成することがないＴＩＲ非パイプ方式
・最も高いコンパクトさ及び最も高い集中レベルを達成するが、最も高い効率を達成することがない反射器非パイプ方式
・最も高い集中レベル及び最も高い効率を達成するが、最も高いコンパクトさを達成することがないＴＩＲパイプ方式
【００５２】
１１．ベースガラス
【００５３】
別の実施形態も又、大きな集中レベルを得るためにアスペクト比を幾分増大させる。図１５ａは、上述の設計例、即ち、被覆材層２００を備えた変向光学部品５０を示している。図１５ｂは、ガラス２７０のような光学材料のシートを導波路‐変向光学部品構造体のベースのところにどのように配置すれば良いかを示している。追加の高さにより、大きな二次集中が可能になる。というのは、光２７５は、移動する距離が長くなり、しかもエッジ光線の角度は、長い移動距離が最終の集束領域を収縮させるようなものである。
【００５４】
ベースガラス２７０は、レシーバ６０（例えば、太陽電池）を光学コンポーネント内のボイドに入る場合のある汚れ及び水分並びに熱膨張及び熱収縮並びに他の膨張及び収縮に起因して生じる機械的応力から保護する機械的且つ環境的バリヤとしても働くことができる。
【００５５】
１２．中央変向のための支持光学部品
【００５６】
全体的な導波路‐変向光学部品構造体は、光２０を頂面から効率的に集めるよう設計されているので、この構造体の中央領域（変向光学部品の上方）に当たった光２０も又、最適効率が得られるよう集められなければならない。
【００５７】
図１６ａは、中央変向のための支持光学部品を含む導波路１０‐変向光学部品５０の完全な組み合わせを収めた実施形態を示している。この実施形態は、光導波路１０の前面全体にわたって当たった入射光２０がレシーバ６０に送られるように設計されている。
【００５８】
図１６ｂは、中央変向領域の拡大図である。光導波路１０からの光線２８０が示されており、上述したレシーバ６０への経路が記載されている。
【００５９】
問題は、中央変向領域５０からの光線２０がレシーバ６０までどのように進むことができるかということにある。３つの方式が好ましくは組み合わせ状態で考えられる。第１に、光導波路１０の区分の設計は、変向光学部品５０上の互いに異なる傾斜面に対応するよう変更されるのが良い。図１６ｃでは、光線２８０が通過するシステムは、レシーバ６０に向かう変向光学部品表面３１０のテーパに対応するよう大きなレンズ２９０及びファセット３００特徴部を備えている。したがって、光線２８０は、光導波路１０システムにおいて上述した他の実施形態からの光線２０とは異なる経路を辿って伝搬する。
【００６０】
第２に、光２８０を変向光学部品５０上の適当な場所に差し向けてこれがレシーバ６０に送られるようにする特徴部を頂部要素に配置するのが良い。図１６ｄでは、頂部要素のベースに設けられた歯形特徴部３２０が光線２８０を変向してこれがレシーバ６０の真上の領域で変向光学部品表面３１０と交差するようにする。歯形特徴部３２０が設けられていない場合、光線２８０は、レシーバ６０に当たらず、効率が制限され、又はレシーバ６０は、光線２８０を受け取るよう幅が広くなければならず、それにより集中レベルが制限される。
【００６１】
第３に、光学コンポーネントのシステムの中央の十分近くに位置する光線は、方向が変化することなく通過するようになる。これら光線は、変向光学部品表面３１０に当たった際に幾分かの屈折を生じるが、これら光線が最終的にはレシーバ６０に当たるようにするようシステムの中央の十分近くに位置する。
【００６２】
上述のオプションとしての第２及び第３では、変向光学部品３１０全体が反射器なしで構成される必要があり、即ち、純粋なＴＩＲが採用される。変向光学部品３１０に施された反射膜は、中央変向領域からの到来光線を遮断し、効率が制限される。
【００６３】
図１６ａ〜図１６ｅは、上述のセクションにおいて好ましい実施形態として説明した多くの要素を組み合わせている。
・セクション１から、変向光学部品３１０は、製造を単純化するために光導波路１０と一体に作られる。
・セクション２から、光導波路１０‐変向光学部品５０は、中心軸線に関して鏡映関係にあり、集光面積が増大すると共に全体的装置のコンパクトさが高められている。
・セクション３から、光導波路１０は、Ｃｆｉｎａｌ＞Ｃ１であるように二次集中を達成し、それによりレシーバ６０が縮小され、それによりレシーバコストが減少する。
・セクション４から、変向光学部品３１０は、効率を最大限にするために、全反射を採用する。
・セクション６から、変向光学部品３１０は、二次集中を増大させるよう放物曲線を採用し、次に、ＴＩＲ限度に達したときに平坦なファセットが変向光学部品に取り付けられた状態で放物曲線を切頭する。（放物曲線は、同等な結果を達成するよう幾つかの平坦なファセットにより近似されても良い。）
・セクション７から、変向光学部品３１０は、「ＴＩＲ漏れ」を可能にし、即ち、幾分かの光線が臨界角から外れ、屈折して鏡映面に至り、ここで、これら光線は、それにもかかわらず、レシーバ６０によって集められる。これにより、変向表面３１０は、急峻な角度を有することができ、それによりそれ以上の二次集中が可能になる。
・セクション８から、被覆材２００が集中度、効率、構造的支持作用及び信頼性を高めるよう変向光学部品とレシーバとの間に用いられる。
・セクション９から、光導波路１０は、傾斜導波路であり、即ち、導波路１０は、入射光２０に完全に垂直ではない。これにより、変向光学部品３１０は、達成可能な二次集中度を増大させる急峻な角度を有することができる。
・セクション１２から、支持光学部品２９０，３００，３２０は、変向光学部品３１０の上方の中央変向領域内で光導波路１０内に構成される。これら支持光学部品は、中央領域に入射した光が変向光学部品３１０を通ってレシーバ６０に送られるようにし、それにより効率及び集中度が最大になる。上述したように、変向光学部品５０は、放物面、楕円面、双曲面、円弧、平坦な反射面、特注形状反射面、全反射面、合成二次曲面集光器型光学部品、ライトパイプ及び屈折コンポーネントの任意の組み合わせで構成できる。
【００６４】
上記セクションは、変向光学部品５０の種々の実施形態を設計する仕方を記載している。以下の説明は、変向光学部品５０に関する２つの別の具体化例に関する。上述の実施例における説明の全ては、以下の２つの具体化例に当てはまる。
【００６５】
軸方向対称光学部品に対する線対称光学部品
【００６６】
設計例が断面で表されているので、光学コンポーネントは、図１７ａに示されているように直線押し出し品の状態になり又は図１７ｂに示されているように回転押し出し品の状態になっているのが良い。本願において説明する要素の全ては、いずれの押し出し品にも利用できる。
【００６７】
しかしながら、回転押し出し品の軸方向対称光学部品は、追加の課題に直面する。図１７ｃは、同様な場合を示しており、即ち、光導波路３２０からの光線２０は、中央レシーバ６０に向かって下方に変向される。しかしながら、回転押し出し品では、光線２０は、設計されたように変向のために変向光学部品３３０に当たるためにディスクのアールと完全な位置合わせ状態になければならない（注目されるように、変向光学部品３３０の先端部は、回転押し出し品では一点に向かって細まっている）。図１７ｄでは、僅かに軸外し状態にある光線３４０は、変向光学部品３３０に当たらず、レシーバ６０に到達しない。
【００６８】
図１７ｅでは、これは、回転軸線を変向光学部品３３０の先端部からずらして遠ざけることによって改善される。かくして、光線３４０は、一点には向かず、壁３５０に向かう。光学部品３６０の先端部からの回転軸線の距離は、導波路光２０の実質的に全てが捕捉されるよう調整されるのが良く、それにより効率が最大になる。欠点は、同一断面の設計例の直線押し出し品と比較して二次集中度が弱いことである。
【００６９】
図１７ｆは、この課題を解決する別の方式の実施例を示している。変向光学部品先端部３６０は、回転軸線として取り扱われる。しかしながら、回転軸線回りに定期的な間隔を置いて変向領域５０には直線スリット３８０が設けられている。これらスリット３８０は、空気又は低屈折率被覆材で満たされるのが良く又は変向領域５０の壁は、反射器で被覆されるのが良い。オフセンタ状態にある光線３４０は、壁３８０のうちの１つに当たり、反射されて中心に向かって戻る。「案内壁」の１回又は数回の反射後、光線３４０は、最終的に、変向光学部品３７０の変向表面と相互作用し、受信機６０に向かって下方に変向される。この方式は、同一断面の直線押し出し品で達成できる二次集中度を保つことができる。反射膜が用いられていない場合、即ち、全反射が唯一の仕組みである場合、この方式は、効率をも最大にする。
【００７０】
光拡散又は照明のための逆の光路
【００７１】
さらに別の実施形態では、本願において説明する光学部品は、ここまでは光収集及び集中のためのものである。しかしながら、光学システムは、逆にすると、光の効果的なディフーザである。
【００７２】
図１８は、光４００が光源２９０から装置に入り、この場合、レシーバ６０は、これまではベースのところの中央領域を有している。光４００は、変向されて変向光学部品５０を経て光導波路１０中に差し向けられ、光導波路１０は、実質的に水平に伝搬している光を受け取り、そしてこれを拡散させて導波路１０の表面に実質的に垂直な光線４１０を出射する。導波路１０の頂面は、任意の角度範囲で光を放出するようレンズ又は他の光学素子で調製されるのが良い。かくして、装置は、極めてコンパクトであり且つ効果的な光ディフューザである。用途としては、ＬＥＤ光学部品、ルミナリエ、スポットライト及び自動車用ヘッドライト及びテールライトが挙げられるが、これらには限定されない。
【００７３】
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。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
0005944398.tif 000040
【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【図１６ｄ】
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【図１６ｅ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１７ｄ】
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【図１７ｅ】
0005944398.tif 000050
【図１７ｆ】
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【図１８】
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