(57)【要約】  ソーラシミュレータは、発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射するレンズユニットとを備えている。
2014188746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、該反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に該入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、該ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射する集光レンズユニットとを備えていることを特徴とするソーラシミュレータ。
【請求項２】
前記集光レンズユニットが、前記ライトガイド素子からの入射光を平行光に変換して出射する第１のコリメーションレンズと、該第１のコリメーションレンズからの平行光を集光して前記照射面に集光光を照射する集光レンズとを備えていることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
【請求項３】
前記集光レンズユニットから集光光が入射するインテグレータと、該インテグレータからの入射光を平行光に変換して出射する第２のコリメーションレンズとをさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載のソーラシミュレータ。
【請求項４】
前記反射鏡一体型キセノンアークランプユニット自体が前記ライトガイド素子の前記一方の端面に向かって集光する集光光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のソーラシミュレータ。
【請求項５】
前記反射鏡一体型キセノンアークランプユニットの前記反射鏡は、キセノンショートアークによる前記発光部が楕円焦点に配置された、放射方向断面が楕円形状の反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、擬似太陽光を例えば太陽電池パネル等の被照射体に照射してこの被照射体の光電変換特性（Ｉ／Ｖ特性）を計測するソーラシミュレータに関し、特に、集光した光を被照射体の照射面に照射可能にしたソーラシミュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のソーラシミュレータの一般的構成は、例えば特許文献１に示されているように、キセノンランプによる光源を楕円面集光鏡の第１の焦点に配置し、その反射光を楕円面集光鏡の第２の焦点近傍に配置されたインテグレータに入射させて均一光とし、さらにコリメータレンズに入射させて平行光とした後この平行光を照射面に照射するように構成されているか、又はこの平行光を集光レンズで集光した集光光を照射面に照射するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４７１３２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来のソーラシミュレータでは、照射光束を均一化するためのインテグレータ（ロッドレンズの集合体）を使用していることから集光点にこのインテグレータのイメージが結像し、照射面の面内分布が極端に悪化する。このような面内分布の悪化を防止するために、集光点の手前の位置（インテグレータのイメージが出ない位置）を集光光の照射位置とする必要があった。しかしながら、集光点ではなくこのようにインテグレータのイメージが結像しない位置を照射面とすると、その照射面積が５０ｍｍ角（５０ｍｍ×５０ｍｍ）以上となり、１６ＳＵＮ（１ＳＵＮは１００ｍＷ/ｃｍ２）程度の照度しか得ることができなかった。【０００５】
即ち、従来の一般的なインテグレータにおいては、５ｍｍ角のロッドレンズが例えば縦５枚及び横５枚で配置されていることから、全体の大きさが２５ｍｍ角となり、インテグレータのイメージを結ばない照射位置における面積は、５０ｍｍ角（＝２５００ｍｍ２）以上となってしまう。光源として１ｋｗのキセノンランプを使用した場合、出射した平行光束（２００ｍｍ角）をレンズにて集光させて得られる５０ｍｍ角の照射面では、面内分布が均一であると仮定しても１６ＳＵＮ程度の照度しか得られない。【０００６】
ソーラシミュレータとしては、照射光強度が１ＳＵＮの光源光を、１００〜２００ＳＵＮの照度となるように集光することが要求されており、最近では、５００〜１０００ＳＵＮ、さらには、１５００ＳＵＮの照度となるように集光することも要求されてきている。従って、従来のソーラシミュレータでは、均一な面内分布かつ要求される照度となるように光照射を行うことは不可能であった。【０００７】
さらに、従来のソーラシミュレータでは、１０ｍｍ角程度の集光面積に十分な照度で光照射を行うことが不可能であった。例えば、３００Ｗ（電極間距離３ｍｍ）のキセノンランプからの光を１０ｍｍφの光ファイバの入射端面に入射させるとその出射端面での照度（２０ｍｍφ）は１００００ｌｕｘとなるが、その３倍の照度を必要とするために１ｋｗ（電極間距離４.５ｍｍ）のキセノンランプからの光を入射させても、出射端面での照度は同じとなってしまう。その理由は、電極の大きさ及び電極間の距離の違いにより、キセノンランプの出射光のほんの一部しか１０ｍｍφの光ファイバに入射できないためである。これは２．５ｋｗ（電極間距離７ｍｍ）のキセノンランプを用いた場合にも同様であり、電極間距離もより長くなり電極もより大きくなるため、１０ｍｍ角の大きさ内に効率良く集光できないためである。即ち、照度を上げるためにランプ電力の大きなキセノンランプを使用しても、計算通りの照度を確保することは不可能であった。【０００８】
従って本発明の目的は、均一な面内分布かつ要求される照度となるように光照射を行うことが可能なソーラシミュレータを提供することにある。【０００９】
本発明の他の目的は、５ｍｍ角〜１５ｍｍ角程度の狭い照射面に対して十分な照度を与えることが可能なソーラシミュレータを提供することにある。【００１０】
本発明のさらに他の目的は、狭い照射面に対して十分な照度を与えることが可能であると共に広い照射面に対して均一な面内分布かつ要求される照度を与えることも可能なソーラシミュレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射する集光レンズユニットとを備えているソーラシミュレータが提供される。【００１２】
発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されている反射鏡一体型キセノンアークランプユニットを光源部に用いているので、発光部（ランプ）と反射鏡とが一体化されて軸出し調整済みであることから、発光部の軸出し作業が不要となる。このため、ランプ交換時等に煩雑な軸出し作業を行う必要がないので手間が掛からない。特に本発明では、このような集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットを用いているため、集光効率が高く、スポット径を極めて小さくすることができる。このため、入射面の面積が小さなライトガイド素子（例えば外径が１０ｍｍ）に集光光を有効に入射でき、その出射面が二次光源と見なすように構成されているため、小さなランプ電力にて５ｍｍ角〜１５ｍｍ角の照射面を高照度（５００〜１０００ＳＵＮ）で均一に照射することが可能となる。もちろん、連続点灯から任意のパルス幅又はデューティ比のパルス点灯も可能である。【００１３】
集光レンズユニットが、ライトガイド素子からの入射光を平行光に変換して出射する第１のコリメーションレンズと、第１のコリメーションレンズからの平行光を集光して照射面に集光光を照射する集光レンズとを備えていることが好ましい。【００１４】
集光レンズユニットから集光光が入射するインテグレータと、インテグレータからの入射光を平行光に変換して出射する第２のコリメーションレンズとをさらに備えていることも好ましい。【００１５】
反射鏡一体型キセノンアークランプユニット自体がライトガイド素子の一方の端面に向かって集光する集光光を出射するように構成されていることも好ましい。【００１６】
反射鏡一体型キセノンアークランプユニットの反射鏡は、キセノンショートアークによる発光部が楕円焦点に配置された、放射方向断面が楕円形状の反射鏡であることも好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発光部（ランプ）と反射鏡とが一体化されて軸出し調整済みであることから、発光部の軸出し作業が不要となる。このため、ランプ交換時等に煩雑な軸出し作業を行う必要がないので手間が掛からない。特に本発明では、このような集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットを用いているため、集光効率が高く、スポット径を極めて小さくすることができる。このため、入射面の面積が小さなライトガイド素子（例えば外径が１０ｍｍ）に集光光を有効に入射でき、その出射面が二次光源と見なすように構成されているため、小さなランプ電力にて５ｍｍ角〜１５ｍｍ角の照射面を高照度（５００〜１０００ＳＵＮ）で均一に照射することが可能となる。もちろん、連続点灯から任意のパルス幅又はデューティ比のパルス点灯も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のソーラシミュレータの一実施形態における構成を概略的に示す図であり、（Ａ）は全体構成を示す図、（Ｂ）はライトガイド素子を示す図である。
【図２】図１のソーラシミュレータにおけるライトガイド素子の構造例を概略的に示す側面図及び立面図であり、（Ａ）は角柱型のライトガイド素子、（Ｂ）は円柱型のライトガイド素子、（Ｃ）は六角柱型のライトガイド素子の例である。
【図３】図１のソーラシミュレータにおけるランプユニットの内部構造の一例を概略的に示す軸を含む断面図である。
【図４】図１のソーラシミュレータにおける移動機構の構造の一例を概略的に示す図であり、（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）はアオリ調整ネジ部分のみを示す側面図である。
【図５】図１のソーラシミュレータにおけるランプユニットから出射される集光ビームの配光特性を示す図である。
【図６】本発明のソーラシミュレータの他の実施形態における全体構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００  ランプユニット
１００ａ  反射鏡部材
１００ｂ  透明窓部材
１００ｃ  ランプ室
１００ｄ  アノード
１００ｅ  カソード
１００ｆ  カソード支持部材
１００ｇ  発光部
１００ｈ  反射鏡
１０１  ランプユニットベース
１０２  固定ネジ
１０３  アオリ調整ネジ
１０４  方向
１１０  移動機構
１１１  ベース
１１２  光学ベンチ用キャリア
１１３  光学ベンチ
１１４  クランプ用つまみ
１２０  光軸
１２１  焦点
１３０  ライトガイド素子
１３０ａ  入射面
１３０ｂ  出射面
１４０  第１のコリメーションレンズ素子
１５０  集光レンズ素子
１６０  インテグレータ
１７０  第２のコリメーションレンズ素子
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は本発明のソーラシミュレータの一実施形態における構成を概略的に示しており、（Ａ）は全体構成を、（Ｂ）はライトガイド素子をそれぞれ示している。図２は本実施形態のソーラシミュレータにおけるライトガイド素子の構造例を概略的に示しており、（Ａ）は角柱型のライトガイド素子の例、（Ｂ）は円柱型のライトガイド素子の例、（Ｃ）は六角柱型のライトガイド素子の例をそれぞれ示している。図３は本実施形態のソーラシミュレータにおけるランプユニットの内部構造の一例を概略的に示している。図４は本実施形態のソーラシミュレータにおける移動機構の構造の一例を概略的に示しており、（Ａ）は全体、（Ｂ）はアオリ調整ネジ部分のみをそれぞれ示している。本実施形態は、本発明のソーラシミュレータを、狭い照射面に対して十分な照度を与えることが可能な集光型ソーラシミュレータとして構成した場合である。即ち、比較的小面積の太陽電池セルに擬似太陽光を集光して照射する場合に適用される。
【００２１】
図１（Ａ）において、１００は本実施形態の光源部を構成する反射鏡一体型キセノンショートアークランプユニットである。このランプユニット１００は、移動機構１１０上に取り付けられており、光軸１２０と平行に機械的に移動可能に構成されている。
【００２２】
ランプユニット１００の光出射面側（図にて左側）の光軸１２０上には、このランプユニット１００から出射された集光光が合焦される焦点１２１が位置しており、この焦点１２１の近傍の光軸１２０上には、本実施形態では角柱型のライトガイド素子１３０が光軸１２０と同軸に固定配置されている。ライトガイド素子１３０の光出射側の光軸１２０上には、凸レンズからなる第１のコリメーションレンズ素子１４０と、凸レンズからなる集光レンズ素子１５０とが同軸に順次に固定配置されている。集光レンズ素子１５０の光出射側の光軸１２０上には、図示されていないが、例えば太陽電池セル表面である照射面が配置される。
【００２３】
なお、図１（Ａ）においては、光軸１２０が直線状に示されているが、光軸１２０の途中に、（例えば、ライトガイド素子１３０の後に）反射ミラーを設けることにより、光軸１２０の方向を９０度変換させた、よりコンパクトなソーラシミュレータを提供することも可能である。例えば、ランプユニット１００を水平に配置し、光軸１２０の方向を下方に９０度変換して太陽電池セルに上方から照射するように構成することも可能である。
【００２４】
図１（Ｂ）に示すように、ライトガイド素子１３０は、一方の端面（入射面）１３０ａから入射された光を内面反射を繰り返して他方の端面（出射面）１３０ｂへ効率良く導く透明な柱状導光部材であり、例えば合成石英、石英又はアクリル樹脂等で形成され、全ての外面が研磨されている。ライトガイド素子１３０は、その入射面１３０ａがランプユニット１００の出射集光光が合焦される焦点１２１上に又はその前後の近傍に位置することができるように構成されており、この入射面１３０ａが焦点１２１上又はその近傍に位置した際にランプユニット１００から出射される集光光のほとんどがこのライトガイド素子１３０内に入射し出射面１３０ｂへ導かれるように構成されている。ライトガイド素子１３０のこの出射面１３０ｂが二次光源として作用する。
【００２５】
図２（Ａ）に示すように、ライトガイド素子１３０は、本実施形態では、その軸に垂直な断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形であり、軸方向長さＬがＬ＝５０ｍｍ〜６０ｍｍの任意の長さである角柱型のライトガイド素子から形成されている。本実施形態では、ライトガイド素子１３０として、合成石英による１０ｍｍ角の角柱の６面を精密に研磨した独自設計仕様のものを使用している。
【００２６】
また、図２（Ｂ）に示すように、ライトガイド素子を軸に垂直な断面が１０ｍｍφの円形であり、軸方向長さＬがＬ＝５０ｍｍ〜６０ｍｍの任意の長さである円柱型としても良いし、図２（Ｃ）に示すように、ライトガイド素子を軸に垂直な断面が１０ｍｍ径の六角形であり、軸方向長さＬがＬ＝５０ｍｍ〜６０ｍｍの任意の長さである六角柱型としても良いし、その他の軸に垂直な断面形状を有する柱状としても良い。
【００２７】
ランプユニット１００は、図３に示すように、セラミック材料による反射鏡部材１００ａと、この反射鏡部材１００ａの前面に設けられた例えばサファイア材料による透明窓部材１００ｂと、反射鏡部材１００ａ及び透明窓部材１００ｂによって囲まれて密封形成されており、数気圧の高圧キセノンガスが封入されているランプ室１００ｃと、ランプ室１００ｃ内に先端が設けられたタングステン材料によるアノード１００ｄと、ランプ室１００ｃ内に設けられた先鋭端がアノード１００ｄの先端に対向しているカソード１００ｅと、カソード１００ｅを固定支持するカソード支持部材１００ｆとを備えている。
【００２８】
アノード１００ｄ及びカソード１００ｅは、光軸１２０上において短い間隙（例えば、約１．５ｍｍ）で先端が互いに対向するように配置され、反射鏡部材１００ａに一体化されている。これらアノード１００ｄ及びカソード１００ｅ間に電圧が印加され、キセノンショートアークが生成されることにより、このショートアーク部分が発光部１００ｇとなる。
【００２９】
反射鏡部材１００ａの内側表面は軸を含む断面が楕円形状である反射鏡１００ｈとなっており、この軸を含む断面形状が楕円の反射鏡１００ｈの楕円焦点にショートアークによる発光部１００ｇが位置するように構成されている。このように、このランプユニット１００においては、発光部１００ｇ及び反射鏡１００ｈ間の位置関係が固定されているため、発光部１００ｇの軸出し作業が不要となる。さらに、反射鏡１００ｈの楕円焦点に発光部１００ｇが配置されているため、反射鏡１００ｈによって反射され、前面に出射される光は、焦点１２１に集光することとなる。
【００３０】
なお、このような集光型のランプユニット１００は、エクセリタス社より、ＣＥＲＭＡＸ（登録商標）ランプとして市販されている。
【００３１】
移動機構１１０は、図４（Ａ）に示すように、ランプユニット１００の底面に固着されて形成されたランプユニットベース１０１が複数の固定ネジ１０２によって固定されているベース１１１と、このベース１１１が上面に固着されている１つ又は複数の光学ベンチ用キャリア１１２と、この光学ベンチ用キャリア１１２が光軸方向にスライド移動可能に係合している光学ベンチ１１３と、光学ベンチ１１３に対する光学ベンチ用キャリア１１２の移動をロック可能なクランプ用つまみ１１４と、ベース１１１に対するランプユニットベース１０１の距離を調整してランプユニット１００の光軸１２０の方向を微調整するための複数のアオリ調整ネジ１０３とを備えている。
【００３２】
ランプユニットベース１０１及びベース１１１は厚さが約１０ｍｍ程度の例えばアルミニウム材料による平板から構成されている。光学ベンチ１１３は大型かつ薄型の例えばアルミニウム材料製の光学ベンチであり、本実施形態では、シグマ光機株式会社のアルミ光学ベンチＯＢＴ-５００ＬＨを用いている。光学ベンチ用キャリア１１２は、光学ベンチ１１３上を光軸１２０と平行な方向１０４にスライド可能に装着された例えばアルミニウム材料製のキャリアであり、本実施形態では、シグマ光機株式会社のアルミ光学ベンチ用キャリアＣＡＡ-１２０Ｌを２つ直列に並べて用いており、方向１０４への光学ベンチ用キャリア１１２の移動可能距離は約±１００ｍｍである。クランプ用つまみ１１４は、これら２つの光学ベンチ用キャリア１１２のスライド移動をそれぞれロックするためのものである。
【００３３】
図４（Ａ）に示すように、本実施形態では、ランプユニット１００の前面側に２つ、後面側に１つ、計３つのアオリ調整ネジ１０３が設けられている。図４（Ｂ）に示すように、これらアオリ調整ネジ１０３を回すことによりその先端をベース１１１の上面に当接及び押圧させてベース１１１とランプユニットベース１０１と間の距離を調整する。調整が完了した状態で固定ネジ１０２を回すことにより、その状態が固定保持され、これによりランプユニット１００のアオリが微調整されて光軸１２０の方向が修正される。
【００３４】
第１のコリメーションレンズ素子１４０は、凸レンズから構成されており、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂから出射する光を光軸１２０に略平行な均一光に変換するように構成されている。
【００３５】
集光レンズ素子１５０は、凸レンズから構成されており、第１のコリメーションレンズ素子１４０から入射される略平行光を光軸１２０上の照射面（例えば太陽電池セル表面）の近傍に均一分布で集光するように構成されている。
【００３６】
次に、本実施形態におけるソーラシミュレータの集光動作について説明する。
【００３７】
ランプユニット１００からの出射光は、光軸１２０上の焦点１２１に合焦する。この焦点１２１の近傍には、光軸１２０と同軸に配置されたライトガイド素子１３０の入射面１３０ａが位置しており、従って、このライトガイド素子１３０には、ランプユニット１００の移動位置にもよるが、このランプユニット１００から出射される集光光のほとんど全てが入射される。以下、この点について、従来技術と比較して詳細に説明する。
【００３８】
本実施形態で用いているランプユニット１００はエクセリタス社製のＣＥＲＭＡＸ（登録商標）におけるＸＥ１０００−１３Ｆ（１ｋｗ）であり、そのアノード及びカソード間距離（電極間距離）は１．５７ｍｍである。図５はこのランプユニット１００から出射される集光ビームの配光特性を示している。ただし、同図において、横軸は光軸からの距離（ｍｍ）、縦軸は相対光出力強度（％）を示している。
【００３９】
同図から分かるように、光出力強度５０％〜１００％の光束を含む集光ビーム径は約３．４０ｍｍφ、光出力強度１０％〜１００％の光束を含む集光ビーム径は約８．８４ｍｍφ、光出力強度５％〜１００％の光束を含む集光ビーム径は約１２．７ｍｍφとなる。従って、本実施形態によれば、電極間で発光した出射光のほぼ全てを１０ｍｍ角の入射面１３０ａを有するライトガイド素子１３０に効率良く入射させることができ、このライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂからの出射により、５ｍｍ角〜１５ｍｍ角の照射面に高照度（５００〜１０００ＳＵＮ）の均一な光照射を行うことができる。
【００４０】
これに比較して、１ｋＷのショートアークキセノンランプを楕円面集光鏡の焦点に配置した従来のソーラシミュレータによれば、電極間距離は４．５ｍｍ程度であり、楕円鏡倍率（Ｆ１を楕円面集光鏡の光軸上の反射面から第１の焦点までの距離、Ｆ２を楕円面集光鏡の光軸上の反射面から第２の焦点までの距離とした場合にＦ２／Ｆ１）を１６とした場合、光出力強度５０％〜１００％の光束を含む集光ビーム径は約９．６ｍｍφ、光出力強度１０％〜１００％の光束を含む集光ビーム径は約６４ｍｍφ、光出力強度５％〜１００％の光束を含む集光ビーム径は約７２ｍｍφとなる。このように、光出力強度５％〜１００％の光束を含む集光ビーム径が約７２ｍｍφとなってしまうため、１０ｍｍ角の端面を有するライトガイド素子にはその光の１／５〜１／６程度しか入射できず、５ｍｍ角〜１５ｍｍ角の照射面に対して、低照度の光照射しかできないのである。１ｋＷより大きな出力のキセノンランプ、例えば２．５ｋｗのキセノンランプを用いればより高い照度を提供できるように思われるが、実際には、大出力のキセノンランプを用いても高照度とはならない。その理由は、２．５ｋｗのキセノンランプによると、電極間距離が７ｍｍと長くなり、また、２．５ｋｗクラスのキセノンランプを使用するための楕円面集光鏡の倍率は約１８倍程度と大きくなるため、１０ｍｍ角の大きさの照射面に効率良く集光することはできないためである。
【００４１】
本実施形態のソーラシミュレータ（ただし、ランプユニット１００のキセノンランプは容量が１．６ｋＷ）を用いて、１０ｍｍ角の大きさの照射面に実際に光照射した。
【００４２】
ランプユニット１００からの集光した出射光をライトガイド素子１３０の入射面１３０ａに入射させると、図１（Ｂ）に示すように、この光はライトガイド素子１３０の内面にて反射を繰り返し、軸方向に伝搬し、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂではガウシアン分布に近い分布となる。このライトガイド素子１３０の軸方向長さＬを変えると、反射回数が増えることから、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂでのガウシアン分布が良好となる。ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂが二次光源となり、この二次光源からの出射光が焦点距離Ｆ１４０の凸レンズからなる第１のコリメーションレンズ素子１４０と、焦点距離Ｆ１５０の凸レンズからなる集光レンズ素子１５０とを介して照射面に均一に照射されることにより、１０００ＳＵＮの照度を得ることができた。具体的には、１ＳＵＮ時の照度でＩ／Ｖ測定を行い、その時の短絡電流Ｉｓｃの値が０．０１４Ａであるとすると、その１０００倍の短絡電流Ｉｓｃ（１４Ａ）となるよう照度を調節し、電力が１．４ｋｗで１０００ＳＵＮの照度を確認できた。
【００４３】
なお、第１のコリメーションレンズ素子１４０の焦点距離Ｆ１４０、及び集光レンズ素子１５０の焦点距離Ｆ１５０を変えることで、集光照射面の大きさを変えることもできる。例えば、１０ｍｍ角のライトガイド素子１３０で焦点距離Ｆ１４０と焦点距離Ｆ１５０とが等しい場合、１０ｍｍ角の集光面積となる。集光レンズ素子１５０の焦点距離Ｆ１５０を大きくすれば１０ｍｍ角より大きくなり、集光レンズ素子１５０の焦点距離Ｆ１５０を小さくすれば１０ｍｍ角より小さな集光面積となる。
【００４４】
次に、本実施形態におけるソーラシミュレータの光量調整動作について説明する。
【００４５】
本実施形態では、出射光が焦点１２１に合焦するように構成された集光型のランプユニット１００を光軸１２０に沿って無段階に平行移動することにより、ライトガイド素子１３０の入射面１３０ａに入射される光量を無段階調整する構成となっている。ランプ電流は一定に維持され、変化させていない。
【００４６】
即ち、ランプユニット１００を光軸１２０と平行に後方へ所定距離だけ移動させると、焦点１２１も同じ所定距離だけ後退する。これにより、ランプユニット１００から出射される光のライトガイド素子１３０の入射面１３０ａの位置におけるビーム面積は移動前のビーム面積から拡がり、ライトガイド素子１３０に入射される光量は移動量に応じて減少する。
【００４７】
このように本実施形態では、ランプユニット１００の光軸１２０方向の直線移動距離に応じて光量を調整することができる。ランプユニット１００の直線移動距離は、微小にかつ無段階で精度良く制御可能であるため、光量調整も微小に、しかも無段階に、精度良く調整することができる。また、ライトガイド素子１３０に入射される光の角度が大きく変化しないため、面内分布に変化が生じない。さらに、このような光量調整を行うための構成も直線移動のみの制御であるため、非常に簡易である。さらにまた、光量調整を行う際にランプに印加される電力を変化させていないため、スペクトル変化を起こすこともない。
【００４８】
光源部としては、軸出し機構及び別個の反射鏡が不要となるため、その意味からも大幅なコストダウンが可能である。さらに、発光部と反射鏡とが一体化されて軸出し調整済みであることから、発光部の軸出し作業が不要となる。このため、ランプ交換時等に煩雑な軸出し作業を行う必要がないので手間が掛からない。
【００４９】
もちろん、絞り及びリングのような機械的減光フィルタを使用していないので、構成を簡略化でき、均一性の悪化や光の干渉による色ムラ発生に基づくスペクトル変化も全く生じない。
【００５０】
さらに、本実施形態では、ランプユニット１００へ連続電流を流して連続点灯させることができるが、任意のパルス幅又はデューティ比のパルス電流を流してパルス点灯させることにより高照度を短時間印加して、太陽電池セルの温度上昇による電圧変化を防止したり、太陽電池セルが熱的ダメージを受けないようにすることもできる。
【００５１】
図６は本発明のソーラシミュレータの他の実施形態における全体構成を概略的に示している。本実施形態は、本発明のソーラシミュレータを、広い照射面に対して十分な照度を与えることが可能なソーラシミュレータとして構成した場合である。
【００５２】
図６において、１００は本実施形態の光源部を構成する反射鏡一体型キセノンショートアークランプユニットである。このランプユニット１００は、移動機構１１０上に取り付けられており、光軸１２０と平行に機械的に移動可能に構成されている。
【００５３】
ランプユニット１００の光出射面側（図にて左側）の光軸１２０上には、このランプユニット１００から出射された集光光が合焦される焦点１２１が位置しており、この焦点１２１の近傍の光軸１２０上には、本実施形態では角柱型のライトガイド素子１３０が光軸１２０と同軸に固定配置されている。ライトガイド素子１３０の光出射側の光軸１２０上には、凸レンズからなる第１のコリメーションレンズ素子１４０と、凸レンズからなる集光レンズ素子１５０とが同軸に順次に固定配置されている。集光レンズ素子１５０の光出射側の光軸１２０上には、インテグレータ１６０と、凸レンズからなる第２のコリメーションレンズ素子１７０とが同軸に順次に固定配置されている。第２のコリメーションレンズ素子１７０の光出射側の光軸１２０上には、図示されていないが、例えば太陽電池セル表面である照射面が配置される。
【００５４】
本実施形態は、図１〜図５の実施形態におけるソーラシミュレータに、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ素子１７０を一体化した脱着可能ユニット（図示なし）を装着したものである。本実施形態におけるランプユニット１００、ライトガイド素子１３０、第１のコリメーションレンズ素子１４０及び集光レンズ素子１５０の構成、機能及び作用効果は、図１〜図５の実施形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００５５】
インテグレータ１６０は、ロッドレンズの集合体からなり、照射光束を均一化するための光学素子である。本実施形態では、このインテグレータ１６０を、集光レンズ素子１５０の光軸１２０上の集光点（照射面）に位置するように配置し、インテグレータ１６０の出射光を第２のコリメーションレンズ素子１７０によって平行光に変換して光軸１２０上の照射面（例えば太陽電池セル表面）の近傍に均一分布で照射するように構成されている。なお、本実施形態におけるインテグレータ１６０より光源側の動作は図１〜図５の実施形態の場合と同様である。
【００５６】
このように、本実施形態においては、図１〜図５の実施形態の光学系において、集光レンズ素子１５０の集光点にインテグレータ１６０が位置するように、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ素子１７０を一体化した脱着可能ユニットを装着することで、集光型ではなく、従来の標準的な（１ＳＵＮ用）ソーラシミュレータのように低照度の均一分布機能を有する光学系を構成している。なお、従来のこの種の標準的なソーラシミュレータでは、楕円鏡の２次焦点にインテグレータを配置しているが、これはその２次焦点（集光点）にランプのイメージが結像するので、インテグレータを配置することによってムラの無い均一な分布を得るために行っている。本実施形態では、ライトガイド素子１３０の出射面１３０ｂをランプイメージの無い良好なガウシアン分布の２次光源とし、その２次光源の集光点にインテグレータ１６０を配置しているので、従来の標準的なソーラシミュレータと同じ機能を有しつつ面内の均一性を大幅に改善したソーラシミュレータを提供できる。しかも、照射面積を任意に決めることによって、１ＳＵＮ〜１０ＳＵＮの照度を自由に選択可能となる。
【００５７】
本実施形態の一例を説明すると、集光点の１５ｍｍ角において１０００ＳＵＮの照度の場合、この集光点にインテグレータ１６０を配置し、第２のコリメーションレンズ１７０にて平行光束とし、その照射面積を２００ｍｍ角（有効１５０ｍｍ角）とした場合、
面積比：１５ｍｍ角及び２００ｍｍ角の面積比＝約１７７．８
照度  ：１０００ＳＵＮ／１７７．８＝約５．６ＳＵＮ×２０％（インテグレータ１６０における損失）＝約４．５ＳＵＮ、
可変照度：４．５ＳＵＮ〜１ＳＵＮ（ランプユニット１００を光軸１２０で移動することにより、電力を変化させずに照度を変化させることができる）、
また、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ１７０を一体化した脱着ユニットを集光点から光源より遠ざかる方向（図６にて右方向）に移動することによっても照射面における照度を変化させることができる。ただし、この場合、照射面も移動した距離だけずれることとなる。
【００５８】
また、図１〜図５の実施形態においては、集光点（照射面）の照度が規格照度の１０００ＳＵＮと高照度となるように設定されている。一般的な標準のソーラシミュレータの場合、規格照度１ＳＵＮの決定は、産業技術総合研究所で校正された１次基準セルを用いて行うことができる。しかしながら、１０００ＳＵＮ時の照度決定においては、基準となるセルが存在しないため、現状ではＣＰＶ（集光型セル）の１ＳＵＮ時の短絡電流（Ｉｓｃ）を測定し、そのＩｓｃの１０００倍を１０００ＳＵＮ時のＩｓｃと仮定しＩ／Ｖ測定を行っている。仮に１ＳＵＮ時のＩｓｃが０．０１Ａの場合、１０００倍のＩｓｃは、Ｉｓｃ＝０．０１Ａ×１０００＝１０Ａとなる。ただし、この方法によると、集光型のソーラシミュレータと標準的な（１ＳＵＮ用）ソーラシミュレータとの２つのソーラシミュレータが必要となる。しかも、２つのソーラシミュレータそれぞれのスペクトル分布の相違も考慮する必要がある。しかしながら、本実施形態のように、インテグレータ１６０及び第２のコリメーションレンズ素子１７０を有する脱着可能ユニットを集光型ソーラシミュレータに装着するのみで、標準的なソーラシミュレータの機能を得ることができるため、本発明は、集光型ソーラシミュレータと標準的なソーラシミュレータとの２つの機能を有するソーラシミュレータということができ、同じスペクトル分布において、１ＳＵＮ〜１０００ＳＵＮの特性評価を可能としている。
【００５９】
なお、図６においては、光軸１２０が直線状に示されているが、光軸１２０の途中に、（例えば、ライトガイド素子１３０の後に）反射ミラーを設けることにより、光軸１２０の方向を９０度変換させた、よりコンパクトなソーラシミュレータを提供することも可能である。例えば、ランプユニット１００を水平に配置し、光軸１２０の方向を下方に９０度変換して太陽電池セルに上方から照射するように構成することも可能である。
【００６０】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【図１】
2014188746.tif 000003
【図２】
2014188746.tif 000004
【図３】
2014188746.tif 000005
【図４】
2014188746.tif 000006
【図５】
2014188746.tif 000007
【図６】
2014188746.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月23日(2014.5.23)
【手続補正１】
【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】
発光部及び反射鏡間の位置関係が固定されており集光光を出射する反射鏡一体型キセノンアークランプユニットと、該反射鏡一体型キセノンアークランプユニットから出射された集光光が軸方向の一方の端面に入射されると共に該入射された光が内面において反射を繰り返して軸方向に進むように構成されたライトガイド素子と、該ライトガイド素子からの入射光を平行光に変換して出射する第１のコリメーションレンズ、及び該第１のコリメーションレンズからの平行光を集光して前記照射面に集光光を照射する集光レンズを有し、前記ライトガイド素子の軸方向の他方の端面から出射される光が入射すると共に照射面に集光光を均一に照射する集光レンズユニットと、該集光レンズユニットから集光光が入射するインテグレータと、該インテグレータからの入射光を平行光に変換して出射する第２のコリメーションレンズとを備えていることを特徴とするソーラシミュレータ。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記反射鏡一体型キセノンアークランプユニット自体が前記ライトガイド素子の前記一方の端面に向かって集光する集光光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のソーラシミュレータ。
【請求項５】
前記反射鏡一体型キセノンアークランプユニットの前記反射鏡は、キセノンショートアークによる前記発光部が楕円焦点に配置された、放射方向断面が楕円形状の反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
【国際調査報告】
2014188746.tif 000009
2014188746.tif 000010
2014188746.tif 000011
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