(57)【要約】【課題】従来の再帰反射シートは、宇宙空間から到来する太陽光のような、特定の方向から入射する入射光のみを対象として再帰反射性を発揮することができなかった。【解決手段】上記課題を解決する再帰反射部材は、板状のベース部材の両面に対で設けられる入射側レンズと射出側レンズを有する集光レンズを配列してなる集光レンズアレイと、集光レンズの各々に対応して、集光レンズの光軸に沿った特定の方向から入射する入射光の焦点面をそれぞれ鏡面とする凹面反射鏡を有する凹面反射鏡アレイとを備え、特定の方向から入射される入射光は、集光レンズアレイを透過して、凹面反射鏡アレイで反射されることにより、特定の方向へ再帰反射される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のベース部材の両面にそれぞれ対で設けられる入射側レンズと射出側レンズとを有する集光レンズを配列してなる集光レンズアレイと、
前記集光レンズの各々に対応して、前記集光レンズの光軸に沿った特定の方向から入射する入射光の焦点面をそれぞれ鏡面とする凹面反射鏡を有する凹面反射鏡アレイと
を備え、
前記特定の方向から入射される入射光は、前記集光レンズアレイを透過して、前記凹面反射鏡アレイで反射されることにより、前記特定の方向へ再帰反射される再帰反射部材。
【請求項２】
各々の前記集光レンズを構成する前記入射側レンズと前記射出側レンズのそれぞれの半径は異なる請求項１に記載の再帰反射部材。
【請求項３】
前記特定の方向は、前記ベース部材の法線に対して斜交する請求項１または２に記載の再帰反射部材。
【請求項４】
前記凹面反射鏡は、前記入射光を受光する有効面を含む球面の一部として形成され、
前記再帰反射部材は、前記凹面反射鏡の各々を接続し、前記特定の方向とは異なる方向を向く接続面を有する請求項３に記載の再帰反射部材。
【請求項５】
前記接続面は塗装されている請求項４に記載の再帰反射部材。
【請求項６】
前記接続面は光拡散加工されている請求項４または５に記載の再帰反射部材。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の再帰反射部材を表面に備える壁材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再帰反射部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コーナーキューブ、ビーズ等を平面的に配列して、入射する光線を入射方向へ反射させる再帰反射シートが知られている。再帰反射シートは、例えば道路標識などの保安用品に活用されている。一方、再帰反射部材をビルの壁材に用い、太陽光線を地面方向へ反射させることなく入射方向へ反射することにより、地球の温暖化を防ぐ提案もなされている（例えば特許文献１）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００６−３１７６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の再帰反射シートは、さまざまな方向から入射する入射光をその方向へ反射するので、例えばビルの壁材として用いた場合、照り返しなど地面方向からビルの壁面へ入射する光を再び地面方向へ反射してしまい、かえって地表温度を上昇させてしまう。すなわち、従来の再帰反射シートは、宇宙空間から到来する太陽光のような、特定の方向から入射する入射光のみを対象として再帰反射性を発揮することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様における再帰反射部材は、板状のベース部材の両面に対で設けられる入射側レンズと射出側レンズを有する集光レンズを配列してなる集光レンズアレイと、集光レンズの各々に対応して、集光レンズの光軸に沿った特定の方向から入射する入射光の焦点面をそれぞれ鏡面とする凹面反射鏡を有する凹面反射鏡アレイとを備え、特定の方向から入射される入射光は、集光レンズアレイを透過して、凹面反射鏡アレイで反射されることにより、特定の方向へ再帰反射される。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る再帰反射部材を、ビルの壁面に適用した場合を示す図である。
【図２】本実施形態に係る再帰反射部材が入射光線を再帰反射する方向を示す説明図である。
【図３】本実施形態に係る再帰反射部材の一部を示す外観斜視図である。
【図４】本実施形態に係る再帰反射部材を、図２における平面Ｐで切断した場合の断面図である。
【図５】本実施形態に係る再帰反射部材の、光学的関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本実施形態に係る再帰反射部材１０を、ビル２０の壁面に適用した場合を示す図である。再帰反射部材１０は、ビル２０の外壁材の一部として利用される。
【０００９】
本実施形態に係る再帰反射部材１０は、特定の方向から入射する光線についてはその特定の方向に向けて反射し、他の方向から入射する光線については拡散させる性質を備える。再帰反射部材１０をビルの外壁材として利用する目的のひとつは、照射される太陽光を地面方向へ反射させることを防ぐことである。
【００１０】
近時のビルの外壁は、ガラスなどの反射部材で覆われることが多くなってきており、太陽光が反射部材で正反射されることにより、強烈な光と熱が地面方向へ照射されることが社会問題化している。特に、地面に蓄積された熱エネルギーがヒートアイランド現象を引き起こし、さらには地球温暖化の原因のひとつとなっていることは周知の事実である。そこで、本実施形態に係る再帰反射部材１０では、ビルに照射される太陽光を地面方向へ反射させず、再帰反射して宇宙空間に太陽光エネルギーを放出させる。
【００１１】
具体的には、太陽光である入射光１０１がビル２０の壁面に敷き詰められた再帰反射部材１０に入射すると、反射光１０２として、入射方向に沿って太陽に向けて反射される。反射された反射光１０２のエネルギーは、一部が大気に吸収されながら、やがて宇宙空間へ放出される。
【００１２】
一方で、地面による太陽光の照り返しもヒートアイランド現象の原因のひとつとなっている。したがって、再帰反射部材が入射方向に関わらず入射方向へ入射光を反射させると、地面による照り返しを再び地面方向へ反射させることになり、地面による蓄熱をより加速する結果となる。
【００１３】
そこで、本実施形態に係る再帰反射部材１０は、地面に照射される入射光１０３の照り返し光１０４が入射した場合は、その表面で乱反射させて拡散する性質を有する。つまり再帰反射部材１０は、太陽光が直接入射する方向からの入射光に対しては再帰反射性を備え、その他の方向から入射する入射光に対しては再帰反射させずに拡散する。
【００１４】
入射する太陽光は、季節、時間によってその方向が変化する。再帰反射部材１０は、後述するように、ある特定の方向から入射する光線を最も効率よく反射するように設定されている。しかしながら、その特定の入射角に準ずる入射光線に対しても、再帰反射性を発揮する。つまり、特定の入射角に対して円錐形に広がる入射角で入射する光線は、所定の再帰反射率以上の反射率で再帰反射し、また、特定の入射角に近い入射光線ほど高い再帰反射率が得られる。
【００１５】
図２は、本実施形態に係る再帰反射部材１０が入射光線を再帰反射する方向を示す説明図である。再帰反射部材１０は、ビル２０の南側壁面に敷き詰められているが、最も効率よく再帰反射する特定の方向が夏至の南中高度となるように設置されることが好ましい。この場合、所定の再帰反射率の得られる太陽の方角は、夏至の太陽行路１１１と冬至の太陽行路１１２に挟まれた、南方の一定の方角に含まれる実効方角１１０である。つまり、夏至の南中時刻で最も強く再帰反射され、これに準ずる一定の方角に太陽が位置する場合も所定の再帰反射効果が得られる。
【００１６】
次に、再帰反射部材１０の構造について説明する。図３は、本実施形態に係る再帰反射部材１０の一部を示す外観斜視図である。再帰反射部材１０は、所定の大きさでユニット化されており、上述のようにビル２０の壁面に敷き詰める場合には、複数のユニットを並べて取り付ける。
【００１７】
第１ベース部材５０の表面は、平面部５１と、平面部５１に沿ってアレイ状に配列された複数の第１球面レンズ５２から構成される。第１球面レンズ５２は、入射光に対して入射側レンズとして設けられた集光レンズである。第１球面レンズ５２は第１ベース部材５０に対して一体的に形成されており、その素材として、透明性が高くて屈折率の大きい、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの有機ガラスが用いられる。なお、再帰反射部材１０の用途によっても異なるが、壁材として利用する場合における第１球面レンズ５２の半径は２ｍｍ程度に設定される。
【００１８】
本実施形態における再帰反射部材１０においては、第１球面レンズ５２のレンズ面で入射光が効果的に屈折するように、第１球面レンズ５２のレンズ面は第１空気層４０の空気と接するように構成されている。一方、第１球面レンズ５２が外界に対して露出していると、その凹凸性から、汚れが付着しやすく清掃がしにくいという不都合を招く。そこで、第１球面レンズ５２が配列されていない平面部５１の所々に支柱３１を複数設置し、保護板ガラス３０を表面に配置して支持する。これにより第１球面レンズ５２を保護することができ、清掃も容易となる。保護板ガラス３０は、石英ガラスの他に、耐久性の高いポリカーボネートなどの有機ガラスを用いることもできる。
【００１９】
第１ベース部材５０の裏面の構造については後に詳述するが、第１ベース部材５０の裏面は、第２空気層６０を介して第２ベース部材７０と対向する。第２ベース部材７０の裏面は、再帰反射部材１０としての取り扱い性、設置性などを考慮して、平坦に加工されている。
【００２０】
また、再帰反射部材１０には、図示はしていないが、保護板ガラス３０と第１ベース部材５０の周縁部、および、第１ベース部材５０と第２ベース部材の周縁部において、第１空気層４０および第２空気層６０を外界から密封する封止材が設けられている。さらに、再帰反射部材１０は、壁材等として利用できるように、ビス穴等の取付け部を周辺部に備える。
【００２１】
図４は、本実施形態に係る再帰反射部材１０を、図３における平面Ｐで切断した場合の断面図である。ここで、図示する入射光１０１は、平面部５１の法線に対して斜交する、最も再帰反射率の高い特定の方向からの入射光を表す。
【００２２】
上述のように、第１ベース部材５０の表面側には第１球面レンズ５２がアレイ状に一体形成されているが、裏面側にも各々の第１球面レンズ５２に対応して、射出側レンズとしての第２球面レンズ５３がアレイ状に一体形成されている。対応するそれぞれの第１球面レンズ５２と第２球面レンズ５３は、対となって集光レンズを構成し、アレイ状に形成された集光レンズは集光レンズアレイを構成する。
【００２３】
集光レンズの光軸に沿って入射する入射光は、集光レンズによって集光され、第２ベース部材７０に形成された凹面反射鏡７１の表面で結像する。凹面反射鏡７１は、第１ベース部材５０に対して第２球面レンズ５３の凸方向と同じ向きとなるように第２ベース部材７０に成形された球形状の一部をなす凹面に、高反射塗料が塗布されて、集光レンズ側から見たときに鏡面として機能するように形成されている。凹面反射鏡７１は、集光レンズに対して特定の入射角およびこれに準ずる入射角で入射する入射光を再帰反射させる面であるので、これらの入射角に対応する有効面を含むように、球面の一部が第２ベース部材７０に成形される。集光レンズおよび凹面反射鏡７１の光軸は、最も効率よく反射させたい特定の方向の入射光に沿うように設定される。なお、凹面反射鏡７１は、対応する集光レンズと対となって機能するので、凹面反射鏡７１も、第２ベース部材７０に対してアレイ状に配列される。
【００２４】
第２ベース部材７０には、凹面反射鏡７１の各々を接続する接続面７２が形成されている。また、接続面７２の一部には平面部７３が形成されている。平面部７３は、第１ベース部材５０の裏面側に形成された第２球面レンズ５３のアレイ間を接続する平面部５９と互いに平行に対向している。なお、共に第１ベース部材５０に設けられた平面部５１と平面部５９も互いに平行な面である。
【００２５】
対向する平面部５９と平面部７３の間の所々には複数のスペーサ６１が設けられており、これらのスペーサ６１は、第１ベース部材５０と第２ベース部材７０を接着により一体化すると共に、入射光１０１が凹面反射鏡７１の表面で結像するように、第１ベース部材５０と第２ベース部材７０の間隔を定める。第１ベース部材５０と第２ベース部材７０の間には、第２空気層６０が形成される。
【００２６】
本実施形態に係る再帰反射部材１０は、特定の方向から入射する太陽光を再帰反射させることを目的としているので、入射光は平行光と考えることができる。したがって、対となる第１球面レンズ５２、第２球面レンズ５３および凹面反射鏡７１が、その相対関係を維持しながら繰り返し構造を採ることで、それぞれ集光レンズアレイと凹面反射鏡アレイが形成される。再帰反射させる対象光が平行光ではなく、第１球面レンズ５２ごとに入射光の入射角が異なる場合は、それぞれの入射光に対応するように、対となる第１球面レンズ５２、第２球面レンズ５３および凹面反射鏡７１の相対関係を修正しながらアレイを形成すれば良い。
【００２７】
球面の一部として成形された凹面反射鏡７１のそれぞれを接続する接続面７２は、入射光が入射する特定の方向とは異なる方向を向く、連続面として成形されている。特定の方向以外の方向から入射する入射光は、第１ベース部材５０を透過して、直接にまたは凹面反射鏡７１で反射して、接続面７２に到達する。接続面７２は光拡散加工が施されており、接続面７２に到達する入射光は拡散される。つまり、このように入射された入射光は、再帰反射されることなく拡散される。光拡散加工は、凹面反射鏡７１をマスクした上で、例えばブラスト処理により接続面７２を粗化する加工である。
【００２８】
なお、接続面７２に光拡散加工を施すことに代えて、第２ベース部材７０の裏面に光拡散加工を施しても良い。このように構成すれば、凹面反射鏡７１で再帰反射されずに第２ベース部材に入射した入射光を拡散させることができる。また、凹面反射鏡７１を個別にマスクする必要がないので、光拡散加工が容易である。
【００２９】
接続面７２には、光拡散加工を施した上に、色彩塗装を施しても良い。接続面７２は入射光が入射する特定の方向とは異なる方向を向いており、例えばビル２０付近を歩く歩行者は、再帰反射部材１０を見上げたときに、塗装が施された色彩を視認する。したがって、再帰反射部材１０は、特定の方向から入射する入射光については効率的な再帰反射性を発揮しつつ、他の方向から観察者により観察されるときには、任意の色彩、模様を視認させることができる。なお、接続面７２に色彩塗装を施すことに代えて、第２ベース部材７０の裏面に色彩塗装を施すことにより、観察者に色彩、模様を視認させることもできる。凹面反射鏡７１の領域に高反射塗料が塗布できる素材であれば、第２ベース部材７０自体を有色とすることもできる。
【００３０】
図５は、本実施形態に係る再帰反射部材１０の、光学的関係を示す説明図である。特に、対となる第１球面レンズ５２、第２球面レンズ５３および凹面反射鏡７１の関係を示す。図において、入射点ｂは入射光１０１が第１球面レンズ５２の境界と交わる点であり、射出点ｅは入射光１０１が第２球面レンズ５３の境界と交わる点である。焦点ｇは、第１球面レンズ５２と第２球面レンズ５３からなる集光レンズの入射光１０１に対する焦点である。また、中心ｃは第１球面レンズ５２のレンズ面曲率中心であり、半径ｒ１は第１球面レンズ５２の半径である。同様に、中心ｄは第２球面レンズ５３のレンズ面曲率中心であり、半径ｒ２は第２球面レンズ５３の半径である。
【００３１】
焦点距離ｆは、集光レンズの焦点距離であり、点線で示す焦点面７７は、後側主点ｈを中心とする半径ｆの曲面を表す。屈折率ｎ１は入射光１０１が入射点ｂに入射する手前の媒質における屈折率であり、本実施形態においては第１空気層４０の屈折率であるのでｎ１＝１．０である。屈折率ｎ２は入射光１０１が入射点ｂに入射してからの媒質における屈折率であり、本実施形態においては、第１球面レンズ５２が一体的に形成される第１ベース部材５０の屈折率である。第１ベース部材５０としてポリカーボネートを用いた場合の屈折率は、ｎ２＝１．５８５である。屈折率ｎ３は入射光１０１が射出点ｅから射出した後の媒質における屈折率であり、本実施形態においては第２空気層６０の屈折率であるのでｎ３＝１．０である。入射点ｂ、中心ｃ、中心ｄ、射出点ｅおよび焦点ｇを結ぶ直線は、第１球面レンズ５２、第２球面レンズ５３および凹面反射鏡７１の光軸であり、本実施形態において入射光１０１は、この光軸に沿った特定の方向から入射する太陽光を想定している。
【００３２】
大気中に置かれたレンズにおいて近軸領域の範囲で成立するレンズ・メーカーの式によれば、各面の曲率半径をｒ１、ｒ２、レンズの屈折率をｎ、レンズの面間隔をＤとすると、焦点距離ｆは、
ｆ＝ｎｒ１ｒ２／｛（ｎ−１）２Ｄ＋ｎ（ｎ−１）（ｒ２−ｒ１）｝            （１）
が成立する。
【００３３】
したがって、後側主点ｈを中心とする半径ｆの曲面である焦点面７７のうち、焦点ｇの近傍を鏡面とすれば、入射光１０１とその近傍の光線は、いずれもこの鏡面に対して直交して入射するので、入射する方向にそのまま反射させることができる。すなわち、再起反射させることができる。そこで本実施形態においては、この後側主点ｈを中心とする半径ｆの曲面に沿って凹面反射鏡７１を設けている。なお、レンズの面間隔Ｄは、入射点ｂと射出点ｅの距離である。
【００３４】
第１球面レンズ５２の半径ｒ１および第２球面レンズ５３の半径ｒ２を変更すれば焦点距離ｆを変更することができるので、再帰反射部材１０の厚さ、再帰反射率、有効入射角等のパラメータに応じて適宜設定することができる。半径ｒ１およびｒ２は、異なる値であっても同じ値であっても良い。また、凹面反射鏡７１の鏡面として焦点面７７に沿って設ける有効面の大きさを変更することによっても、再帰反射率、有効入射角等を適宜設定することができる。
【００３５】
上述のように、第１球面レンズ５２、第２球面レンズ５３および凹面反射鏡７１はそれぞれアレイ状に配列される。再帰反射部材１０全体としての再帰反射率を調整したい場合は、配列させるアレイの密度を変更しても良い。この場合、各々の大きさを小さくして密に配列させることもできる。
【００３６】
また、上述の実施形態においては、集光レンズの例として球面レンズを採用したが、集光レンズは球面に限らない。所定の再帰反射率を得る入射角の範囲を調整する、入射光の波長依存性を軽減する等を目的として、非球面レンズを採用することもできる。さらには、フレネルレンズ、回折光学素子、ゾーンプレート等の薄いレンズを採用することで、再帰反射部材全体の厚さを薄くすることもできる。また、反射鏡についても、球面に限らず、同様に様々なレンズ形状を採用して反射面とすることができる。
【００３７】
以上の実施形態においては、ビル２０に適用する壁材として、太陽光を再帰反射させる再帰反射部材を例に説明したが、適用事例は壁材に限らない。例えば、衛星の外装部材に用いて、特定の地域からのみ光通信を可能とするような適用事例も考えられる。あるいは、シート状など小型薄型に形成して、キャラクターシールなどの装飾材に用いることもできる。
【００３８】
また、自動車、鉄道車両、船舶、航空機などの外装、ガスタンク、燃料タンクなどの外装にも再帰反射部材を利用することができる。例えば、自動車の屋根に再帰反射部材を取り付ける場合、たとえ特定の時間の太陽を想定しても太陽の方向は自動車の姿勢により変化するので、最も効果が得られる再帰反射させる特定の方向として、屋根に垂直な方向を設定すると良い。このとき、それぞれ対応する集光レンズと凹面反射鏡の光軸は、ベース部材の平面に対する法線と平行になる。
【００３９】
また、以上の実施形態においては、取扱い性を考慮して、表面を保護板ガラスで覆い、第２ベース部材の裏面を平面とする構成を採用した。しかし、このような形態に限らず、集光レンズアレイおよび球面反射鏡アレイが形成された各々のベース部材を２枚のガラスの間に配置、封入する構成であっても良い。このように構成すれば、再帰反射部材の一部の領域に透過性を持たせることができ、再帰反射部材を設置する設置面の装飾を視認させたり、設置面からの照明を実現することができる。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４１】
１０  再帰反射部材、２０  ビル、３０  保護板ガラス、３１  支柱、４０  第１空気層、５０  ベース部材、５１  平面部、５２  第１球面レンズ、５３  第２球面レンズ、５９  平面部、６０  第２空気層、６１  スペーサ、７０  第２ベース部材、７１  凹面反射鏡、７２  接続面、７３  平面部、７７  焦点面、１０１  入射光、１０２  反射光、１０３  入射光、１０４  照り返し光、１１０  実効方角、１１１  夏至の太陽行路、１１２  冬至の太陽行路
【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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