(57)【要約】  集光装置は、受光部材と集光部材を含むことができる。集光部材は、受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含むことができる。第１集光レンズの第１側面が、第１集光レンズの第２側面よりも第１焦点に近いようにすることができる。【選択図】  図７
2021530753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料を備える集光レンズであって、
前記透明材料が、
前記透明材料の受光面と、
前記受光面の反対側の前記透明材料の出光面と、
前記受光面と前記出光面とのうちの少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面と、
前記受光面と前記出光面とをつなぐ第１側面と、
前記第１側面の反対側で前記第１側面に整合し、前記受光面と前記出光面とをつなぐ第２側面と、
を有し、
前記複数の屈折面が、前記透明材料を透過する光を集光焦点に向けるようにされ、
前記透明材料の前記第１側面が前記透明材料の前記第２側面よりも前記集光焦点に近い、集光レンズ。
【請求項２】
前記透明材料が少なくとも半透明である、請求項１に記載の集光レンズ。
【請求項３】
前記受光面に垂直な光が前記集光焦点に向かう屈折しない方向に維持されるようにする前記複数の屈折面の中立屈折面をさらに備える、請求項１に記載の集光レンズ。
【請求項４】
前記複数の屈折面のうちの少なくともいくつかが、前記集光レンズの前記第１側面から前記集光レンズの前記第２側面に向かって漸進的に異なる屈折角を含む、請求項３に記載の集光レンズ。
【請求項５】
前記複数の屈折面が同心状である、請求項１に記載の集光レンズ。
【請求項６】
前記複数の屈折面が前記透明材料の第１側面と前記第２側面とのうちの少なくとも一方に整合している、請求項１に記載の集光レンズ。
【請求項７】
受光部材と、
前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含む集光部材と、を備え、
前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近い、集光装置。
【請求項８】
前記集光部材と前記受光部材との間の部分真空スペースをさらに含む、請求項７に記載の集光装置。
【請求項９】
前記受光部材が前記受光部材内に熱を保つようにされた断熱部分を含む、請求項７に記載の集光装置。
【請求項１０】
前記受光部材がソーラーパネルを備える、請求項７に記載の集光装置。
【請求項１１】
前記受光部材が調理器具を備える、請求項７に記載の集光装置。
【請求項１２】
前記受光部材が、流体容器、衣料品、建築部材、及び乗り物のうちの１つを備える、請求項７に記載の集光装置。
【請求項１３】
前記受光部材がパイプを備える、請求項７に記載の集光装置。
【請求項１４】
前記パイプが流体を搬送するようにされた、請求項１３に記載の集光装置。
【請求項１５】
前記パイプが真空部分を備える、請求項１４に記載の集光装置。
【請求項１６】
前記パイプが前記パイプ内に熱を保つようにされた断熱層を備える、請求項１３に記載の集光装置。
【請求項１７】
前記断熱層の中に組み込まれた熱交換器をさらに備える、請求項１６に記載の集光装置。
【請求項１８】
前記受光部材の中に組み込まれたヒートスプレッダをさらに備える、請求項７に記載の集光装置。
【請求項１９】
前記第１集光レンズに近接した第２集光レンズをさらに備え、
前記第１集光レンズは前記第２集光レンズからオフセットしており、
前記第２集光レンズは前記受光部材上に第２焦点を有する、請求項７に記載の集光装置。
【請求項２０】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材の異なる場所である、請求項１９に記載の集光装置。
【請求項２１】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材上の同じ場所である、請求項１９に記載の集光装置。
【請求項２２】
前記第２集光レンズが、前記第２集光レンズの第２側面に比べて前記第２焦点により近い第１側面を有する、請求項１９に記載の集光装置。
【請求項２３】
受光部材と、
前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含み、前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも焦点に近い、集光部材と、
前記第１集光レンズに近接して位置し、前記受光部材上の第２焦点を有する第２集光レンズと、
を備える、集光装置。
【請求項２４】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材の異なる場所である、請求項２３に記載の集光装置。
【請求項２５】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材上の同じ場所である、請求項２３に記載の集光装置。
【請求項２６】
前記第２集光レンズが前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近い第１側面を有し、
前記複数の屈折面がメタオプティックアレイ（ｍｅｔａ−ｏｐｔｉｃ  ａｒｒａｙ）を備える、請求項２３に記載の集光装置。
【請求項２７】
受光部材と、
前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含む集光部材と、
を備え、
前記第１集光レンズが、光を前記第１焦点に向けるようにされ、前記第１焦点の上側で非対称に配置されている、集光装置。
【請求項２８】
前記集光部材と前記受光部材との間に配置された部分真空スペースをさらに備える、請求項２７に記載の集光装置。
【請求項２９】
前記受光部材が前記受光部材内に熱を保つようにされた断熱部分を含む、請求項２７に記載の集光装置。
【請求項３０】
前記受光部材がソーラーパネルを備える、請求項２７に記載の集光装置。
【請求項３１】
前記受光部材がパイプを備える、請求項２７に記載の集光装置。
【請求項３２】
前記パイプが前記パイプ内に熱を保つようにされた断熱部分を備える、請求項３１に記載の集光装置。
【請求項３３】
前記第１集光レンズに近接した第２集光レンズをさらに備え、
前記第２集光レンズが、光を第２焦点に向けるようにされ、前記受光部材上の前記第２焦点の上側で非対称に配置されている、請求項２７に記載の集光装置。
【請求項３４】
第１焦点を有する第１集光レンズを含む集光部材を備え、
前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近い、集光装置。
【請求項３５】
受光部材をさらに備え、
前記第１焦点が前記受光部材上にある、請求項３４に記載の集光装置。
【請求項３６】
第２集光部材をさらに備え、
前記第２集光部材が第２焦点を有する第２集光レンズを含む、請求項３５に記載の集光装置。
【請求項３７】
前記第２集光レンズの前記第１側面が、前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近い、請求項３６に記載の集光装置。
【請求項３８】
前記第２焦点が前記受光部材上にある、請求項３７に記載の集光装置。
【請求項３９】
前記第１焦点と前記第２焦点とが距離をあけて位置する、請求項３８に記載の集光装置。
【請求項４０】
透明材料を備える集光レンズであって、
前記透明材料が、
受光面と、
前記受光面の反対側の出光面と、
中点を含む少なくとも１つの集光平面を画定する、前記受光面と前記出光面との間のエリアと、
前記受光面と前記出光面との少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面と、
を含み、
前記複数の屈折面が前記透明材料を通過する光を集光焦点に向け、
前記集光焦点から前記中点への焦点軸が、前記少なくとも１つの集光平面に対して直角でない角度を形成する、集光レンズ。
【請求項４１】
前記直角でない角度が６０度から８９度の間である、請求項４０に記載の集光レンズ。
【請求項４２】
受光部材と、
集光部材と、を備え、
前記集光部材が、
第１透明材料と、
前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズと、
前記第１透明材料と前記第１集光レンズとの間の第２透明材料と、
を含み、
前記第１集光レンズが、光を前記第１焦点に向けるようにされ、前記第１焦点の上側で非対称に配置されている、集光装置。
【請求項４３】
前記第２透明材料が流体を備える、請求項４２に記載の集光装置。
【請求項４４】
前記受光部材に画定されて流体の流れを受け入れるようにされた通路をさらに備える、請求項４２に記載の集光装置。
【請求項４５】
前記通路がさらに、
前記受光部材に画定された第１部分と、
前記第１透明材料及び前記第１集光レンズによって部分的に画定された第２部分と、
を備える、請求項４４に記載の集光装置。
【請求項４６】
前記第２透明材料が前記通路を通って流れるようにされた、請求項４５に記載の集光装置。
【請求項４７】
当該集光装置は、前記第２透明材料が前記通路の前記第１部分に位置するときに太陽熱を前記第２透明材料に伝達し、且つ前記第２透明材料が前記通路の前記第２部分に位置するときに太陽熱を前記第２透明材料に伝達するようにされ、
前記第１太陽熱の伝達は前記第２太陽熱の伝達よりもより大きな温度上昇を示す、請求項４６に記載の集光装置。
【請求項４８】
前記複数の屈折面のそれぞれがメタオプティックアレイを備える、請求項１に記載の集光レンズ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
太陽集光器は、広い範囲の太陽光を特定の集光スポットに向けて集めるために、レンズ、大抵はフレネルレンズを使用する。これは、フレネルレンズを通過する光線を曲げて、各光線がおおよそ同じ焦点に向けられるようにすることによってなされる。いくつかのフレネルレンズは、光線を集めるプリズムの集光リングを有する形状とされている。これらの特徴により、フレネルレンズは、太陽又は他の光源からの散乱光をタイトなビームに集光する。太陽熱の集中により焦点での温度が上昇し、これは物体を加熱したり食べ物を調理したりするために使用することができる。他の例では、フレネルレンズは、太陽電池上での光を増加させて電気に変換される光の量を増加させるために使用される。
【０００２】
フレネルレンズの例は、ルイジ・サルバトーレ・フォルナリ（Ｌｕｉｇｉ  Ｓａｌｖａｔｏｒｅ  Ｆｏｒｎａｒｉ）に発行された米国特許第９、０９７、８４１号公報に開示されている。この参照文献において、フレネルレンズのアレイが提供されており、このフレネルレンズのアレイにおいては、レンズ素子の垂直部分が傾斜した面に置き換えられていて、傾斜した面はそこに当たる光がアレイの隣接するレンズ素子の焦点に集光するように設計されている。その新たな面は垂直な段よりも浅いレンズ平面に対して角度を形成しているので、そのようなレンズ素子の構成はガラス系材料にレンズアレイを成型することを容易する。なぜならば、第１のレンズアレイに対して垂直なレンズ素子を有する別のアレイをレンズシートのもう一方の側に成形して、点集束レンズ（ｐｏｉｎｔ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｌｅｎｓｅｓ）のアレイとすることができるので、その構成は円筒状のアレイに限定されない。また、レンズアレイの端（又はその単一のレンズの端）にレンズ平面に垂直な面を備えるミラーを配置することによって、端の光線が焦点に向け直されるようにできる。特に、上述のものと同様なレンズ素子の断面とその端の垂直ミラーとを有する単一の円筒状レンズはまた、コリメート光を焦点に集光することができる。
【０００３】
フレネルレンズの別の例が、ヒロム・ナカムラに発行された米国特許第５、４１０、５６３号公報に開示されている。この文献において、レーザービームの光源装置が開示されており、この装置は、不均等な間隔のグレーティングを有していてレーザーダイオードに向いているフレネルレンズと、樹脂製のコンデンサレンズとを備えている。コンデンサレンズの焦点距離は、温度変化にともなうレーザーダイオードの発振波長の変動や温度変化にともなうフレネルレンズの焦点距離の変化によって誘発されるフレネルレンズの焦点距離の変化を無効にする値に設定される。また、偏向装置及び光学素子を利用して、画像情報に基づいてレーザー光源から放射されたレーザービームで走査線上をスキャンするためのレーザービームスキャニング光学システムが開示されている。このレーザースキャニング光学システムにおいては、一対のアナモルフィック・レンズが、偏向装置の前方及び後方に配置され、偏向装置の面の傾きを修正する。なお、一方のアナモルフィック・レンズはフレネルレンズであり、他方のアナモルフィック・レンズは樹脂でできている。
【０００４】
フレネルレンズのさらに別の例が、シルビア・ボーイ（Ｓｉｌｖｉａ  Ｂｏｏｉｊ）に発行された米国特許出願第２０１６０２６５７４０号公報に開示されている。この文献では、光学ビーム整形配列が開示されている。一例において、光学ビーム整形配列は、光源からの光を受光してよりコリメートした出力を提供するためのコリメータと、よりコリメートした出力を受光するための光学プレートとを備え、光学プレートは入力側のレンズの二次元配列とその反対の出力側の対応するレンズの二次元配列とを含む。少なくとも１つの実施形態においては、入力側のレンズのそれぞれが出力側の対応するレンズに焦点を有し、出力側のレンズのそれぞれが入力側の対応するレンズに焦点を有し、出力側のレンズの少なくとも幾つかが光学プレートの全体平面に対して傾いている。これら文献の全てが、その開示の全てに対して参照により個々に組み込まれる。
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態においては、集光レンズは透明材料を含む。前記透明材料は、前記透明材料の受光面と、前記受光面の反対側の前記透明材料の出光面と、前記受光面と前記出光面とのうちの少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面と、前記受光面と前記出光面とをつなぐ第１側面と、前記第１側面の反対側で前記第１側面に整合し、前記受光面と前記出光面とをつなぐ第２側面と、を有する。前記複数の屈折面は、前記透明材料を透過する光を集光焦点に向けるようにされ、前記透明材料の前記第１側面が前記透明材料の前記第２側面よりも前記集光焦点に近い。
【０００６】
前記透明材料が少なくとも半透明であるようにすることができる。
【０００７】
前記集光レンズが、前記受光面に垂直な光が前記集光焦点に向かう屈折しない方向に維持されるようにする前記複数の屈折面の中立屈折面を含むようにすることができる。
【０００８】
前記複数の屈折面のうちの少なくともいくつかが、前記中立屈折面に向かって漸進的に異なる屈折角を含むようにすることができる。
【０００９】
前記複数の屈折面が同心状であるようにすることができる.
【００１０】
前記複数の屈折面が前記透明材料の第１側面と前記第２側面とのうちの少なくとも一方に整合しているようにすることができる。
【００１１】
一実施形態においては、集光装置は受光部材と集光部材を含むことができる。前記集光部材は、前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含むことができる。前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近いようにすることができる。
【００１２】
前記集光装置は、前記集光部材と前記受光部材との間の部分真空スペースを含むようにすることができる。
【００１３】
前記受光部材が前記受光部材内に熱を保つようにされた断熱部分を含むようにすることができる。
【００１４】
前記受光部材がソーラーパネルであるようにすることができる。
【００１５】
前記受光部材が衣料品であるようにすることができる。
【００１６】
前記受光部材が建築部材であるようにすることができる。
【００１７】
前記受光部材が調理器具であるようにすることができる。
【００１８】
前記受光部材が流体容器であるようにすることができる。
【００１９】
前記受光部材がパイプであるようにすることができる。
【００２０】
前記パイプが流体を搬送するようにすることができる。
【００２１】
前記パイプが真空部分を備えるようにすることができる。
【００２２】
前記パイプが前記パイプ内に熱を保つようにされた断熱層を含むようにすることができる。
【００２３】
前記集光装置は、前記断熱層の中に組み込まれた熱交換器を含むことができる。
【００２４】
前記集光装置は、前記受光部材の中に組み込まれたヒートスプレッダを含むことができる。
【００２５】
前記集光装置は、前記第１集光レンズに近接した第２集光レンズを備えることができる。前記第１集光レンズは前記第２集光レンズからオフセットしており、前記第２集光レンズは前記受光部材上に第２焦点を有することができる。
【００２６】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材の異なる場所であるようにすることができる。
【００２７】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材上の同じ場所であるようにすることができる。
【００２８】
前記第２集光レンズが、前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近い第１側面を有するようにすることができる。
【００２９】
一実施形態においては、集光装置は受光部材と集光部材を含むことができ、前記集光部材は、受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含むことができる。前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも焦点に近いようにすることができる。第２集光レンズは、前記第１集光レンズに近接して位置するようにすることができる。前記第２集光レンズは受光部材上に第２焦点を有することができる。
【００３０】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材の異なる場所であるようにすることができる。
【００３１】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材上の同じ場所であるようにすることができる。
【００３２】
前記第２集光レンズが前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近い第１側面を有するようにすることができる。
【００３３】
一実施形態においては、集光装置は受光部材と集光部材を含む。前記集光部材が、前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含むようにすることができる。前記第１集光レンズは、光を前記第１焦点に向けるようにされ、前記第１焦点の上側で非対称に配置されているようにすることができる。
【００３４】
前記集光装置が、前記集光部材と前記受光部材との間に部分真空スペースを含むようにすることができる。
【００３５】
前記受光部材が、前記受光部材内に熱を保つようにされた断熱部分を含むようにすることができる。
【００３６】
前記受光部材がソーラーパネルであるようにすることができる。
【００３７】
前記受光部材がパイプであるようにすることができる。
【００３８】
前記パイプが前記パイプ内に熱を保つようにされた断熱部分を含むようにすることができる。
【００３９】
前記集光装置が、前記第１集光レンズに近接した第２集光レンズを含むようにすることができる。前記第２集光レンズが、光を第２焦点に向けるようにされ、前記受光部材上の前記第２焦点の上側で非対称に配置されているようにすることができる。
【００４０】
一実施形態においては、集光装置が集光部材を含むようにすることができる。前記集光部材が、第１焦点を有する第１集光レンズを含むようにすることができる。前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近いようにすることができる。
【００４１】
前記集光装置が受光部材を含むようにすることができる。前記焦点が前記受光部材上にあるようにすることができる。
【００４２】
前記集光装置が第２集光部材を含むようにすることができる。前記第２集光部材が第２焦点を有する第２集光レンズを含むようにすることができる。
【００４３】
前記第２集光レンズの前記第１側面が、前記第２集光レンズの第２側面よりも前記第２焦点に近いようにすることができる。
【００４４】
前記第２焦点が前記受光部材上にあるようにすることができる。
【００４５】
前記第１焦点と前記第２焦点とが距離をあけて位置するようにすることができる。
【００４６】
一実施形態においては、集光レンズが透明材料を含むようにすることができる。前記透明材料が、前記透明材料の受光面と、前記受光面の反対側の前記透明材料の出光面と、少なくとも１つの集光平面を画定する、前記受光面と前記出光面との間のエリアとを含むようにすることができる。前記少なくとも１つの集光平面は中点を含むようにすることができる。前記集光レンズはまた、前記受光面と前記出光面とのうちの少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面を含むことができる。前記複数の屈折面が前記透明材料を通過する光を集光焦点に向けるようにすることができる。前記集光焦点から前記中点への焦点軸が、前記集光平面に対して直角でない角度を形成するようにすることができる。
【００４７】
前記直角でない角度が６０度から８９度の間であるようにすることができる。
【００４８】
一実施形態においては、集光装置は受光部材と集光部材を含む。前記集光部材が、第１透明材料と、前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズと、前記第１透明材料と前記第１集光レンズとの間の第２透明材料とを含むようにすることができる。前記第１集光レンズは、光を前記第１焦点に向けるようにされ、前記第１焦点の上側で非対称に配置されている。
【００４９】
前記第２透明材料は、限定するわけではないが、カーギル（Ｃａｒｇｉｌｌｅ）光学オイル（較正液、浸液、光学ジェル、又は屈折率が調整されたデザイナーオイル）を含む、オイルのような流体とすることができる。
【００５０】
前記集光装置が、前記受光部材に画定されて流体の流れを受け入れるようにされた通路を含むようにすることができる。
【００５１】
前記通路が、前記受光部材に画定された第１部分と、前記第１透明材料及び前記第１集光レンズによって部分的に画定された第２部分とを含むようにすることができる。
【００５２】
前記第２透明材料が前記通路を通って流れるようにすることができる。
【００５３】
前記集光装置が、前記第２透明材料が前記通路の前記第１部分に位置するときに前記第２透明材料への太陽熱の伝達を示すようにすることができる。
【００５４】
前記集光装置が、前記第２透明材料が前記通路の前記第２部分に位置するときに前記第２透明材料への太陽熱の伝達を示すようにすることができる。
【００５５】
前記集光装置が、前記第２透明材料が前記通路の前記第１部分に位置するときに前記第２透明材料への太陽熱の伝達を示す第１特性と、前記第２透明材料が前記通路の前記第２部分に位置するときに前記第２透明材料への太陽熱の伝達を示す第２特性とを含むようにすることができる。前記第１熱の伝達が、前記第２太陽熱の伝達よりも大きな温度上昇を示すようにすることができる。
【００５６】
前記集光装置が、受光した光を選択的に集めるための、その上に形成されたメタオプティクスを有する表面を含むようにすることができる。
【００５７】
前記集光装置が、脂肪族のコーティングのような保護コーティングを含むようにすることができる。前記集光装置は、如何なるサイズを想定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
添付の図面は、本装置の様々な実施形態を例示しており、本願明細書の一部である。図示の実施形態は、本装置の単なる例であり、本装置の範囲を限定するものではない。
【００５９】
【図１】従来技術のフレネルレンズの平面図を示している。
【００６０】
【図２】本開示に係る集光レンズの一例の側面図を示している。
【００６１】
【図３】本開示に係る集光装置の一例の側面図を示している。
【００６２】
【図４】本開示に係る集光装置の一例の側面図を示している。
【００６３】
【図５】本開示に係る集光装置の一例の側面図を示している。
【００６４】
【図６】本開示に係る集光レンズの一例の側面図を示している。
【００６５】
【図７】本開示に係る集光レンズ装置の一例の側面図を示している。
【００６６】
【図８】そこに形成されたメタオプティクスを有する表面の走査電子顕微鏡画像の例を示している。
【００６７】
図面全体を通して、同一の符号は、同様ではあるが必ずしも同一とは限らない要素を指している。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
本開示の目的として、用語「整合」は、平行、実質的に平行、又は３５．０度未満の角度を形成することを意味している。本開示の目的として、用語「横断」は、垂直、実質的に垂直、又は５５．０と１２５．０度の間の角度を形成することを意味している。また、本開示の目的として、用語「長さ」は物体の最も長い寸法を意味する。また、本開示の目的として、用語「幅」は、物体の左右の寸法を意味する。大抵の場合、物体の幅は物体の長さを横断する。本明細書の目的として、集光平面は、概して、軸に平行な光線が焦点に集束するように偏向する平面をいう。本明細書の目的として、焦点軸は集光平面の中点と集光焦点とを通る軸である。
【００６９】
フレネルレンズは、太陽熱収集器において、屈折によって光を集めるために使用される。従来のフレネルレンズは、おおよそ湾曲レンズに近似するが、材料がより少ない。よって、フレネルレンズは、相当する湾曲レンズよりも軽い。場合によっては、フレネルレンズは平行光を焦点に集中させる。概して、フレネルレンズは平らな側と傾斜した側とを含む。傾斜した側は屈折面を形成する傾斜したファセット（小平面）を含み、屈折面はレンズの湾曲を近似する。典型的には、ファセットが多いほど、湾曲レンズにより良く近似する。
【００７０】
概して、フレネルレンズを通過する光の全てが一点に集光される。よって、フレネルレンズの表面積が大きいほど、より多くの光が一点に集光される。フレネルレンズの側部を通過する光線はフレネルレンズの中央部分を通過する光線が通る同じ焦点に集められるが、側部を通過する光線は中央を通過する光線よりも長い距離を伝搬しなければならないので、より大きな表面積を有するフレネルレンズは、大抵はより長い焦点距離を有することになる。よって、一般に、フレネルレンズの表面積が大きいほど、焦点までの焦点距離はより長くなる。これは、フレネルレンズの対称性のせいでもある。この原則に基づいて、表面積が増加すると、フレネルレンズは焦点からより遠くに配置されて、より多くのスペースを取る。
【００７１】
図１は、従来のフレネルレンズ１００の例を示している。ここで、フレネルレンズ１００は概して平らな受光面１０２を含む。フレネルレンズ１００の出光面１０４は、受光面１０２の反対側にあり受光面１０２に整合している。出光面１０４は、屈折面を形成する複数の傾斜面１０６を含む。平らな受光面１０２に概して垂直な光は、たとえあったとしても大きな屈折はなしに受光面に入る。出光面１０４上の屈折面は、光を焦点１１０に向かって屈折させる。フレネルレンズ１００は、焦点１１０まで実質的に同距離であるレンズの第１側面１１２及び第２側面１１４に対して概して対称である。フレネルレンズの側部領域１１６を通って伝搬する屈折した光は、フレネルレンズ１１０の中央領域１１８で屈折しない光よりも、焦点１１０に届くまでにより遠い距離を有する。
【００７２】
フレネルレンズ１００の表面積は、フレネルレンズ１００の長さ及び幅によって決まる。従来のフレネルレンズのこの描写では、フレネルレンズ１００の幅１２０だけが描かれている。
【００７３】
図２は、一実施形態にかかる集光レンズ２００を示している。いくつかの例では、集光レンズはフレネルレンズであるが、図２に描画された原理は他のタイプの集光レンズにも適用可能である。
【００７４】
集光レンズ２００は、受光面２０２及び出光面２０４を含む。受光面２０２は概して平らであり、出光面２０４は、レンズ２００から出ていく光線の方向に影響を与える屈折面を形成する複数の傾斜面２０６を含む。屈折面のそれぞれは、光を単一の焦点２１０に向けることに重点を置いている。
【００７５】
集光レンズ２００の第１側面２１２は、受光面２０２を出光面２０４に接続する。集光レンズ２００の第２側面２１４は、第１側面２１２の反対側にあり、受光面２０２を出光面２０４に接続する。この例では、第１側面２１２は、第２側面２１４よりも焦点２１０に近い。この例では、集光レンズ２００は実質的に平らな受光面２０２を有する。よって、集光レンズ２００は、ある角度で傾いている。また、第１側面２１２は、集光レンズ２００の第２側面２１４よりも、焦点からより大きな垂直距離又はより上に離れて配置されている。
【００７６】
集光レンズ２００は、水平に対して適切な如何なる角度で傾いているようにすることもできる。例えば、集光レンズ２００は、少なくとも５度、少なくとも１０度、少なくとも１５度、少なくとも２０度、少なくとも２５度、少なくとも３０度、少なくとも３５度、少なくとも４０度、少なくとも４５度、少なくとも５０度、少なくとも５５度、少なくとも６０度、少なくとも６５度、少なくとも７０度、少なくとも７５度、少なくとも８０度、少なくとも８５度、少なくとも他の適切な角度、又はそれらの組み合わせの角度で傾いていてもよい。
【００７７】
集光レンズ２００は、少なくとも部分的に透明な材料から形成することができる。いくつかの例では、集光レンズ２００の材料は、少なくとも２０パーセントの全透過率、少なくとも３０パーセントの全透過率、少なくとも４０パーセントの全透過率、少なくとも５０パーセントの全透過率、少なくとも６０パーセントの全透過率、少なくとも７０パーセントの全透過率、少なくとも８０パーセントの全透過率、少なくとも８５パーセントの全透過率、少なくとも９０パーセントの全透過率、少なくとも９５パーセントの全透過率、他の適切な全透過率、又はこれらの組み合わせの特性を有することができる。いくつかの例では、集光材料は、ガラス、プラスチック、樹脂、ダイアモンド、サファイア、セラミックス、他のタイプの材料、又はこれらの組み合わせとすることができる。
【００７８】
光が受光面２０２に入ると、入った又は受けた光が受光面２０４に対して垂直でないときにはその光は屈折し得る。この場合には、概して焦点に向かって進んではいるが焦点に集中しない実質的に平行な光線は、入ってくる光と受光面２０２との間の相対角度のために屈折する。受光面２０２で生じるこの屈折は、自然の光線２１８を部分的に屈折した光線２２０へと曲げる、光線の第１屈折角２１６でありうる。部分的に屈折した光線２２０に対する傾斜面２０６の相対角度により、部分的に屈折した光線２２０は焦点上に集光する光線２２２へと曲げられる。よって、光はおおむね焦点に向かう方向に進みながら複数の点で屈折される。
【００７９】
概して平行な光線が平らな受光面２０２に入るので、光は同じ角度で屈折して部分的に屈折した光線を形成する。部分的に屈折した光線は、透明材料を通って進み、透明材料内に含まれる。部分的に屈折した光線は、透明材料を出るときに、焦点に向けられる収束する光線へと屈折される。部分的に屈折した光線から収束する光線への移行が第２屈折角２２４を形成する。第２屈折角２２４は、透明材料の出光面上の傾斜面の角度に基づいて形成される。光透明材料の第１側面から光透明材料の第２側面にまで傾斜面は漸進的に角度が増加して、光線のそれぞれを集光レンズの長さに沿って焦点にまで集光する。よって、屈折角は、集光レンズの断面長さに対する光線の位置によって異なる。幾つかの傾斜面２０６では、第２屈折角２２４は概して部分的に屈折した光線２２０に垂直であり、ほんの僅かな屈折だけが生じて収束する光線２２２を形成するようになる。しかしながら、出光面２０４の他の部分では、傾斜面２０６と部分的に屈折した光線２２０との間の相対角度は、鋭角又は鈍角であり、より大きな屈折補正を引き起こして収束する光線２２２を形成する。加えて、水平に対する受光面２０２の全体的な所望角度位置に対して傾斜面２０６の相対角度を調整して、受光した光を所望の焦点２１０に向けるようにすることができる。
【００８０】
図示の例では、集光レンズ２００の第１側面２１２に近接した第１傾斜面２２６は、小さい屈折調整をもたらして、収束する光線２２２を形成する。傾斜面２０６のそれぞれは第１側面２１２から第２側面２１４に向かう方向で漸進的に顕著になっていく角度を形成し、それにより部分的に屈折した光線２２０と収束する光線２２２との間の角度変化が大きくなっていく。例えば、集光レンズ２００の第２側面２１４に近接した最も遠い傾斜面２２８は、部分的に屈折した光線２２０に対して急な鋭角２３０を形成し、より大きな第２屈折角２２４をもたらす。いくつかの例では、集光レンズの第１側面に近接した傾斜面は、集光レンズの第２側面の傾斜面とは異なる屈折面の角度を有するが、傾斜面のそれぞれが収束する光線を焦点２１０に向ける。
【００８１】
第１屈折角２１６は、適当な如何なる角度にすることもできる。例えば、第１屈折角に対して互換性のある角度の包括的でないリストには、９０度未満、６０度未満、５０度未満、４５度未満、４０度未満、３５度未満、３０度未満、２５度未満、２０度未満、１５度未満、１０度未満、５度未満、又は他の適当な角度未満の角度が含まれうる。
【００８２】
何れの個々の傾斜面の第２屈折角２２４も適当な如何なる角度にすることができる。例えば、傾斜面の屈折角に対して互換性のある角度の包括的でないリストには、９０度未満、６０度未満、５０度未満、４５度未満、４０度未満、３５度未満、３０度未満、２５度未満、２０度未満、１５度未満、１０度未満、５度未満、又は他の適当な角度未満の角度が含まれうる。
【００８３】
第２屈折角２２４は第１屈折角２１６の影響を受け、傾斜面２０６のそれぞれの相対的な横方向長さは焦点に関係することが見込まれる。例えば、傾斜面の多くは部分的に屈折した光線２２０と収束する光線２２２との間に負の角度を形成し得る。一方で、他の傾斜面は部分的に屈折した光線２２０と収束する光線２２２との間に正の角度を形成するように向けられ得る。
【００８４】
。
図示の例では、集光レンズ２００の第１側面２１２は、集光レンズ２００の第２側面２１４よりも、焦点２１０に近い。結果として、集光レンズ２００は、焦点の周りでオフセットしているか又は非対称に向けられている。よって、傾斜面２０６のそれぞれは、光線のそれぞれを中心からずれた焦点２１０に非対称に集光するように角度付けられている。
【００８５】
焦点に対してある角度に向けられた集光レンズ２００を有することの一つの利点は、同じ表面積を有する集光レンズを同じ設置面積の中により多く収めることが可能になることである。例えば、傾斜した集光レンズは、追加の集光レンズを同じ設置面積の中に含めることができるので、集光するために使用される全体的な表面積を増加させることができる。増加した表面積を有することにより、より多くの光をより小さなエリアに集めることができ、それによりレンズの熱効率が向上する。
【００８６】
図２において、線２３２は、線２３４によって表わされた図１のフレネルレンズの幅に対する集光レンズ２００の幅を表わしている。図に示すように、線２３４は２３２よりも短く、正味の幅の差分（Δ）をもたらす。この追加のスペースは追加の集光レンズを提供するために使うことができる。例えば、もし同じ量の収束した光をもたらす傾斜した集光レンズが結果として２０パーセントのスペースを削減するのであれば、従来は４つの集光レンズだけが収まっていた設置面積に５つめの集光レンズを収めることが可能となる。
【００８７】
図２の例において、出光面２０４は傾斜面２０６を含み、受光面２０２は概して平らである。しかしながら、代替例においては、出光面が概して平らであり、受光面が傾斜面を含むようにすることができる。さらに別の代替例においては、受光面と出光面のそれぞれに傾斜面と概して平らな領域とが混在している。
【００８８】
図３は集光装置３００の例を示している。この例では、集光装置３００は、受光部材３０２と、複数の集光レンズを備える集光部材３０４とを含む。明確にすることを目的として、各集光レンズの具体的なレンズの幾何学的細部は図３には示されていない。集光部材３０４は、受光部材３０２上の第１焦点３０８を有する第１集光レンズ３０６を含む。第１集光レンズ３０６の第１側面３１０は、第１集光レンズ３０６の第２側面３１２よりも第１焦点３０８に近い。よって、第１集光レンズ３０６は、オフセットされていて、光線を中心から外れた焦点に集光する。第１集光レンズ３０６は第１焦点３０８の周りで非対称に配置されているため、第１集光レンズの設置面積は焦点の周りで対称に向けられた従来のフレネルレンズよりも小さい。
【００８９】
集光装置３００はまた、第２集光レンズ３１４を含む。この例では、第２集光レンズ３１４も第２焦点３１６の周りで非対称に向けられている。よって、第２集光レンズ３１４の第１側面３１８は、集光レンズ３１４の第２側面３２０よりも第２焦点３１６に近い。この例では、第２集光レンズ３１４は第１集光レンズ３０６に対して横断方向に向けられている。よって、第１及び第２集光レンズ３０６、３１４は１８０度でない角度を形成する。
【００９０】
第１及び第２集光レンズ３０６、３１４の間に形成される角度は適当な如何なる角度とすることもできる。いくつかの例では、その角度は、５度よりも大きい、１０度よりも大きい、１５度よりも大きい、２０度よりも大きい、２５度よりも大きい、３０度よりも大きい、４０度よりも大きい、４５度よりも大きい、５０度よりも大きい、６０度よりも大きい、７０度よりも大きい、８０度よりも大きい、９０度よりも大きい、１００度よりも大きい、１０５度よりも大きい、１１０度よりも大きい、１２０度よりも大きい、１３０度よりも大きい、１４０度よりも大きい、１５０度よりも大きい、１６０度よりも大きい、１７０度よりも大きい、別の適当な角度よりも大きい、又はそれらの組み合わせの角度である。
【００９１】
図３に示す例において、第１焦点３０８と第２焦点３１６は互いに距離をあけて離れている。第１焦点３０８と第２焦点３１６は、適当な如何なる距離をあけて離れていても良い。いくつかの例では、第１焦点３０８と第２焦点３１６は、１．０インチ（２．５４センチ）未満、２．０インチ（５．０８センチ）未満、３インチ（７．６２センチ）未満、５インチ（１２．７センチ）未満、７インチ（１７．７８センチ）未満、１０インチ（２５．４センチ）未満、１５インチ（３８．１センチ）未満、２０インチ（５０．８センチ）未満、２５インチ（６３．５センチ）未満、別の適当は距離、又はそれらの組み合わせの距離をあけて離れている。いくつかの例では、第１及び第２集光レンズ３０６、３１４は、受光部材３０２上の全く同じ点に光を集める。
【００９２】
第１及び第２集光レンズ３０６、３１４の両方がオフセットしているこれらの例では、傾斜したレンズの設置面積の低減は加算的である。よって、より多くの量の光の恩恵が、受光部材３０２により小さなエリアで集められる。追加の集光レンズを受光部材３０２の周りの利用可能な空いたスペースに加えることができ、これにより受光部材３０２に集められる光の全体量が増加する。
【００９３】
図示の例では、複数の集光レンズがジグザグの断面を形成する。図３の例は集光レンズのそれぞれが対称な断面を形成するように向けられて示されているが、少なくとも１つの集光レンズが複数の集光レンズのうちの少なくとも２つの他のレンズとは異なるオフセット角度で向けられていてもよい。また、図３の例は集光レンズのそれぞれが同じ長さ又は寸法を有するように示されているが、代替例においては、少なくとも１つ集光レンズが少なくとも１つの他の集光レンズとは異なる長さを有する。
【００９４】
受光部材３０２は、適当は如何なる物体又は流体とすることもできる。一例では、受光部材３０２は光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池である。より多くの光をある面積内の太陽電池上に集めることによって、太陽電池は同じ面積でより多くの電気に変換することができる。よって、太陽電池や集光装置の設置面積を増加させることなく、太陽電池の生産性を増加させることが可能となる。集光装置がソーラーファームの一部であるこれらの例では、ソーラーファームはソーラーファームの設置面積を増加させることなく生産性をより高くすることが可能となる。
【００９５】
別の例では、受光部材３０２は、気体もしくは流体を保持したり搬送したりすることができるパイプ又は他のタイプの管とすることができる。いくつかの例では、流体は気体である。他の例では、流体は水性液及び／又は油性液である。個人の家、建物、又は地域社会で、水を温めるために集光装置を使用することができる。そのような温められた水は、シャワー、食器洗い機、洗濯機、又は他の家庭用もしくは工業用の機器で使用することができる。さらに別の例では、水は、発電のためのタービンに動力を供給するために使用することが可能な蒸気に変換することができる。さらに別の例では、温められた水は、建物の冷暖房、発電、プールの温め、歩道の温め、道路の温め、建物内の環境の調整、他の物体の温め、他の物体の温度の調整、又はこれらの組み合わせ、に使用される熱交換器において使用することができる。
【００９６】
別の実施形態においては、受光部材３０２は、そこでの熱エネルギーの変換が望まれる如何なる物品とすることもできる。例えば、受光部材は、衣料品；屋根、窓、又は壁のような建物の要素；テントの表面；自動車の表面；ボートの表面；又は他の構造要素とすることができる。加えて、集光装置は、熱エネルギーを所望の物品に効果的且つ効率的に伝達するために適当な如何なる大きさを想定することもできる。一実施形態においては、集光装置は複数の又はアレイ状の集光レンズを含む。集光レンズは、衣料品のような環境内に組み込むことが可能なレンズのマイクロアレイとすることができる。
【００９７】
図４は、集光装置４００の例を示している。この例では、集光装置４００はオフセット角度が互いに交互になる集光レンズ４０２を含む。この例では、交互にオフセットしたレンズ４０２のそれぞれが、光を受光部材４０６上のオフセット焦点４０４に向ける。しかしながら、代替例においては、集光レンズ４０２は、少なくとも２つの焦点を同じ場所に向けることができる。
【００９８】
図示の例では、集光レンズ４０２と受光部材４０６との間のスペースは囲まれている。いくつかの例では、この囲まれたスペース４０７は、光伝達環境を制御する不活性物質または他の気体で満たされている。これらの例では、囲いは、ほこり、破片、又は他の光干渉粒子によって集光レンズ４０２から受光部材４０６への光伝達の効率が低下することを防止することができる。この例は囲みとともに説明されているが、代替の実施形態では、集光装置は囲みを含んでおらず、空気又は他の気体が集光レンズと受光部材との間のスペースを通過するようにすることができる。
【００９９】
別の例では、集光レンズ４０２と受光部材４０６との間のスペースは部分真空とすることができる。この例では、部分真空は、光の伝達に干渉し得る気体分子でできる限り妨げられない環境、又は少なくとも周囲条件の気体の量よりも低減された気体の量を有する環境を維持することができる。光は、固体、液体、又は気体透明媒質中よりも、真空中を速く伝搬する。透明媒質を通る光の減速は、エネルギー輸送の一つ形態であり、物質の原子による光エネルギーの吸収及び再放出を含む。光のエネルギーのいくらかは、透明物質の分子による吸収及び再放出で失われる。場合によっては、このエネルギー損失は透明材料の温度上昇によって明らかにされる。
【０１００】
完全な真空は、地球上で達成することが難しい。よって、場合によっては部分真空が使用される。少なくとも部分真空を作り出すために、少なくとも部分的に集光レンズと受光部材とによって形成された囲いの中の空気が、真空ポンプを使用して取り除かれて、外圧よりも小さい、一例においては１気圧未満の、減圧環境が得られる。囲いは、適切な如何なるタイプの材料からでも作ることができる。使用され得る材料の包括的でないリストには、ステンレス鋼、アルミニウム、軟鋼、真ちゅう、高密度セラミックス、ガラス、アクリル、他のタイプの材料、又はそれらの組み合わせが含まれる。
【０１０１】
集光装置４００はまた、破片や集光レンズの透明性を低下させうる他の少なくとも部分的に不透明な材料から集光レンズ４０２を保護する保護透明バリア４０８を含む。一実施形態によると、保護透明バリア４０８は、ここに開示のシステムの何れにおいても含まれうるし、また対化学性、柔軟性、天候及びＵＶ安定性を追加するコーティングを含み得る。一実施形態においては、透明バリアは、脂肪族のコーティング、より詳細には、脂肪族ウレタンのコーティング又は脂肪族ポリウレタンのコーティングである。このコーティングは、集光装置４００の表面の耐候性能を増加させ、かすみ又は他の集光装置の効率及び光伝達性を減少させうる他の光を遮る要因を防止する。光は、屈折変化を伴うか又は伴うこと無く、保護透明バリア４０８を通過することができる。図４に示された例は実質的に平らなバリアであるが、バリアは適当な如何なる形状又は幾何学的配置を含むこともできる。
【０１０２】
図示の例において、受光部材４０６は動的な又は静的な流体を搬送するパイプとすることもできる。場合によっては、受光部材４０６は熱を保持する高い熱容量を有する材料とすることができる。受光部材４０６が流れる動的流体に熱を伝達するこれらの例では、流体はパイプの中を通って流れるときに温められる。温められた流体は、受光部材４０６を出た後に有用な用途のために使用することができる。場合によっては、受光部材は流体が通過できる多孔質材料である。多孔質材料は流体の表面積を増加させて熱伝達を向上させる。さらに別の実施形態においては、受光部材４０６は、熱伝達を向上させるために、受光部材４０６内に複数のパイプ及び／又は複数の流体通路を含む。
【０１０３】
受光部材４０６は適当な如何なる色とすることもできる。いくつかの例では、受光部材４０６は、光を吸収ように黒色又は少なくとも暗い色の表面を含む。代わりに、受光部材４０６は、集光レンズによって集められた熱エネルギーの全てがその中に収められた流体に送られるように透明とすることができる。
【０１０４】
受光部材４０６内にヒートスプレッダを組み込むことができる。ヒートスプレッダは、受光部材４０６上のホットスポットが最小となるように熱伝導材から作ることができる。熱が材料全体に広がるので、一般にヒートスプレッダ全体の温度は比較的に均一になる。場合によっては、ヒートスプレッダは金属又は熱伝達セラミックから作られる。さらに別の例では、受光部材４０６の全体が、熱エネルギーが焦点から受光部材の材料全体に広がることによってホットスポットを最小にする熱伝導材から作られる。
【０１０５】
受光部材を断熱層４１０で囲んで、熱を受光部材４０２に閉じ込めるようにすることができる。断熱層４１０は、適当な如何なる材料からでも作ることができ、また適当な如何なる厚さを有するようにすることもできる。場合によっては、断熱層は、熱を受光部材４０６内に戻すための反射表面を含む。
【０１０６】
場合によっては、断熱層４１０の中に熱交換器４１２及び／又は吸熱体を組み込むことができる。熱交換器４１２は、受光部材４０６の中の熱を生産的用途に伝達するために使用される。いくつかの例では、熱交換器４１２は、熱を伝導によって伝達する伝導熱交換器である。これらのタイプの熱交換器は、断熱層４１０の中に組み込まれた金属とすることができる。他の例では、熱交換器は熱を対流によって伝達する。
【０１０７】
図示の例は１つの受光部材を参照して説明されているが、集光レンズは集光装置内の複数の受光部材の上に焦点を映すようにできる。
【０１０８】
図５は、第１集光レンズ５０４と第２集光レンズ５０６の上側に透明な保護バリア５０２を有する集光装置５００の例を示している。第１及び第２集光レンズ５０４、５０６のそれぞれが、それらの各自の焦点を受光部材５１０上の同じ場所５０８に向けている。この例では、受光部材５１０は調理なべである。光からの熱は、調理鍋の中の食べ物を調理するために使用される。この例では、集光レンズ５０４、５０６と受光部材５１０との間に閉じた囲いはない。
【０１０９】
図６は、集光レンズ６００の代替例を示している。この例では、集光レンズ６００は受光面６０２と出光面６０４を含む。集光レンズ６００の第１側面６０６は、受光面６０２と出光面６０４を接続する。集光レンズ６００の第２側面６０８は、第１側面の反対側にあり、同様に受光面６０２と出光面６０４を接続する。出光面６０４は、屈折面を形成する傾斜面６１０を含む。
【０１１０】
受光面６０２は、隣接する第１平面６１２と第２平面６１４を分ける屈曲部６１１含むが、それでも一体の材料である。第１平面６１２は第１焦点面を部分的に画定し、第２平面６１４は第２焦点面を部分的に画定する。屈曲部６１１はある角度を形成する。結果として、平行な光線が受光面６０２に入ったときに、第１平面６１２に入った光線は第２平面６１４に入った光線とは異なる屈折変化を受ける。よって、全ての光線を単一の焦点に集めるように、第１平面６１２の反対側の傾斜面は、第２平面６１４の反対側の傾斜面とは異なるセットの屈折角を有する。
【０１１１】
屈曲部６１１は、適当な如何なる角度を形成することもできる。例えば屈曲部は、５度未満、１０度未満、１５度未満、２０度未満、２５度未満、３０度未満、３５度未満、４０度未満、４５度未満、５５度未満、６５度未満、７５度未満、９０度未満、他の適当な角度未満、又はそれらの組み合わせ、の角度を形成することができる。
【０１１２】
この実施形態は第１及び第２平面だけを備えるように描かれているが、ここに記載の原理に従って如何なる数の平面を使用することもできる。例えば、受光面は、受光面の相対的傾斜が徐々に急になるようにする第１屈曲部と第２屈曲部を含むことができる。
【０１１３】
図７は、別の集光装置７００の例を示している。この例では、集光装置７００は、上述のように、互いに対してオフセット角度が交互になる集光レンズ７０２を含む。この例では、交互オフセットレンズ７０２のそれぞれが、光を受光部材７０６上のオフセット焦点７０４に向ける。
【０１１４】
受光部材７０６は、光電池、衣料品、容器、建築部材などとすることができる。しかしながら、図７に示されるように、受光部材７０６は、流体の流れを収容するようにされた通路の一部を形成するパイプとすることができる。受光部材７０６は、オイル、水、気体、又は他のタイプの流体のような流体を適当な如何なる供給源から受けることもできる。通路は、流体を適当な如何なる通路を通して送ることもできる。図示の例では、通路の第１部分７０８は受光部材７０６に形成されている。通路の第２部分７１０は交互の集光レンズ７０２によって部分的に画定されている。通路の第２部分７１０は、透明材料によっても部分的に画定され、共同で流体通路を画定している。
【０１１５】
透明材料７１２と集光レンズ７０２は通路の第２部分７１０を構成するスペースを画定する。第１バルブ７１４は通路の第２部分７１０に入る流体の流れを制御し、第２バルブ７１６は通路の第２部分７１０から出ていく流体の流れを制御する。第２部分７１０内の流体圧は第２部分７１０内の満たされていないスペースを減らすのに適切にされ、集光装置７００の効率に影響し得る気泡や他の不純物を無くすことを目的とした排気口（図示しない）又は他の機構を含むことができる。第２部分７１０内の各光学的境界は少なくとも小さな屈折を生じさせうる。また、第２部分７１０に入ることによる液体の慣性によって表面角度が動的に変化するので、液体表面が通路の第２部分７１０に入った時に屈折が生じうる。満たされていない隙間がないように第２部分７１０内の流体圧を制御することによって、光学的境界の数を低減させ、それらの角度を制御して、液体が第２部分７１０内でレンズの一体となっている部分を形成する。
【０１１６】
透明材料７１２を通して送られた太陽エネルギーは、流体が通路の第２部分７１４内にある間に、その流体を温めることができる。太陽エネルギーは受光部材７０６の上に集められるので、流体が通路の第１部分７０８に到達したときにその流体の温度はさらにいっそう上昇する。このようにして、流体は少なくとも二段階で温められる。
【０１１７】
上述の例は傾斜面が集光レンズの出光面にあるものとして説明されているが、いくつかの例では、傾斜面が受光面に組み込まれる。このようなタイプの例では、傾斜面は受光面と出光面の両方に組み込まれる。他の例では、傾斜面は受光面だけに組み込まれる。
【０１１８】
代わりに、上述の例は傾斜した屈折面を使用して光をレンズを通して所望の物体上に制御して向けるという文脈で説明しているが、如何なる数の光屈折又は変更した幾何学的形状若しくは表面を、受光面で受けた光を予想どおりに向けるために使用することができる。１つの例示的な実施形態によると、メタオプティクスは、ここでの例示的なシステムによると、ソーラーパネルとともに使用するため、加熱のため、又は他の集光目的のために、制御可能に光を向けるために使用可能である。メタオプティクスは、それを通過するときに少なくとも可視光を曲げるメタサーフェス（ｍｅｔａ−ｓｕｒｆａｃｅｓ）として知られる１つ以上の微小導波路の極小アレイ（ｕｌｔｒａｔｈｉｎ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｔｉｎｙ  ｗａｖｅｇｕｉｄｉｅｓ）を含むことができる。図８は、例示的なメタオプティクスの走査電子顕微鏡画像を示している。図８に示されるように、メタオプティクスのレンズ８００は、上述のように、複数段階での加熱のためのチャンバーの構造を有するか又は有さないフラットパネルに形成することができる。導波路のメタサーフェスは、高い屈折率によって光を強く閉じ込めることができるさまざまな材料で作ることもでき、その材料には、これらに限定するわけではないが、二酸化チタン、二酸化銀、又はグラフェンが含まれる。加えて、メタサーフェスは、受光した光を所望の表面上に選択的にかつ精確に集光するように、形成、構造化、及び調整することができる。メタサーフェスは、これらに限定するわけではないが、パターニング、ドライエッチング、ウェットエッチング、電子ビームリソグラフィー、及び／又は３Ｄプリンティングを含むさまざまな相加法又減法を使用して形成することができる。したがって、従来のレンズシステムに比べて、効率を向上させながら、重量及び厚さを低減することが可能である。
【０１１９】
当該システムのさまざまな使用及び形態を個々に説明してきたが、システム及び形態のそれぞれはハイブリッドシステムを作り出すように組み合わせることができる。例えば、図７に示される流体で満たされた第２部分７１０は、単一システムにおいて、光電池の受光部材７０６に組み込むことができる。このシステムによれば、流体は、効率的に光を光電池の受光部材７０６に伝達及び集光しながら、流体が満たされた第２部分７１０の中で温められる。加えて、上述のコンポーネントは、限定するわけではないが、衣料品、建物及び建築部材、窓、乗り物、調理器具、ヒートポンプ、殺菌システム、並びに他の熱エネルギー消費システムの加熱を含むさまざまな環境及びターゲットに適用するために、さまざまな形態及び（マクロレベルからマイクロスケールまでの）サイズで組み合わせることができる。
【０１２０】
他の例及び実施が、明細書及び添付の請求項の範囲及び精神の中にある。例えば、機能を実現するための特徴は、機能部が異なる物理的位置で実装されるように分散することを含む、さまざまな位置で物理的に配置することもできる。また、特許請求の範囲を含むここでの使用において、「少なくとも１つの」で始まるアイテムのリストにおける「又は」は、例えば、「Ａ、Ｂ、又はＣの少なくとも１つ」が、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ（すなわちＡとＢとＣ）を意味するように、選言的なリストを示している。さらに、「例示」との用語は、説明した例が好ましいか又は他の例よりも良いことを意味するわけではない。
【０１２１】
説明目的のための上述の記載は、説明した実施形態の完全な理解を提供するために具体的な名称を使用している。しかしながら、説明した実施形態を実施するために具体的詳細が要求されないことは当業者にとって明らかである。よって、ここに説明した具体的な実施形態の上記説明は、例示および説明の目的で提示されている。それらは、網羅的であることや、実施形態を説明した正確な形態に限定することを目的とはしていない。上記教示を考慮して多くの変更や変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。
【図１】
2021530753.tif 000003
【図２】
2021530753.tif 000004
【図３】
2021530753.tif 000005
【図４】
2021530753.tif 000006
【図５】
2021530753.tif 000007
【図６】
2021530753.tif 000008
【図７】
2021530753.tif 000009
【図８】
2021530753.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和3年4月30日(2021.4.30)
【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】
受光部材と、
前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズを含む集光部材と、を備え、
前記第１集光レンズの第１側面が前記第１集光レンズの第２側面よりも前記第１焦点に近い、集光装置。
【請求項２】
前記集光部材と前記受光部材との間の部分真空スペースをさらに含む、請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記受光部材が前記受光部材内に熱を保つようにされた断熱部分を含む、請求項１に記載の集光装置。
【請求項４】
前記受光部材がパイプを備える、請求項１に記載の集光装置。
【請求項５】
前記パイプが流体を搬送するようにされた、請求項４に記載の集光装置。
【請求項６】
前記パイプが真空部分を備える、請求項５に記載の集光装置。
【請求項７】
前記パイプが前記パイプ内に熱を保つようにされた断熱層を備える、請求項４に記載の集光装置。
【請求項８】
前記断熱層の中に組み込まれた熱交換器をさらに備える、請求項７に記載の集光装置。
【請求項９】
前記受光部材の中に組み込まれたヒートスプレッダをさらに備える、請求項１に記載の集光装置。
【請求項１０】
前記第１集光レンズに近接した第２集光レンズをさらに備え、
前記第１集光レンズは前記第２集光レンズからオフセットしており、
前記第２集光レンズは前記受光部材上に第２焦点を有する、請求項１に記載の集光装置。
【請求項１１】
前記第１焦点と前記第２焦点とが前記受光部材上の同じ場所である、請求項１０に記載の集光装置。
【請求項１２】
透明材料を備える集光レンズであって、
前記透明材料が、
受光面と、
前記受光面の反対側の出光面と、
中点を含む少なくとも１つの集光平面を画定する、前記受光面と前記出光面との間のエリアと、
前記受光面と前記出光面との少なくとも一方に組み込まれた複数の屈折面と、
を含み、
前記複数の屈折面が前記透明材料を通過する光を集光焦点に向け、
前記集光焦点から前記中点への焦点軸が、前記少なくとも１つの集光平面に対して直角でない角度を形成する、集光レンズ。
【請求項１３】
前記直角でない角度が６０度から８９度の間である、請求項１２に記載の集光レンズ。
【請求項１４】
受光部材と、
集光部材と、を備え、
前記集光部材が、
第１透明材料と、
前記受光部材上の第１焦点を有する第１集光レンズと、
前記第１透明材料と前記第１集光レンズとの間の第２透明材料と、
を含み、
前記第１集光レンズが、光を前記第１焦点に向けるようにされ、前記第１焦点の上側で非対称に配置されている、集光装置。
【請求項１５】
前記第２透明材料が流体を備える、請求項１４に記載の集光装置。
【請求項１６】
前記受光部材に画定されて流体の流れを受け入れるようにされた通路をさらに備える、請求項１４に記載の集光装置。
【請求項１７】
前記通路がさらに、
前記受光部材に画定された第１部分と、
前記第１透明材料及び前記第１集光レンズによって部分的に画定された第２部分と、
を備える、請求項１６に記載の集光装置。
【請求項１８】
前記第２透明材料が前記通路を通って流れるようにされた、請求項１７に記載の集光装置。
【請求項１９】
当該集光装置は、前記第２透明材料が前記通路の前記第１部分に位置するときに太陽熱を前記第２透明材料に伝達し、且つ前記第２透明材料が前記通路の前記第２部分に位置するときに太陽熱を前記第２透明材料に伝達するようにされ、
前記第１部分で伝達された太陽熱は前記第２部分で伝達された太陽熱よりもより大きな温度上昇をもたらす、請求項１８に記載の集光装置。
【請求項２０】
前記複数の屈折面のそれぞれがメタオプティックアレイを備える、請求項１２に記載の集光レンズ。
【国際調査報告】
2021530753.tif 000011
2021530753.tif 000012