(57)【要約】【課題】光源の光を効率よく集光し、光照射領域が小さい場合でも効率よく照射可能な集光・光出射部材を提供する。【解決手段】三角プリズムの形状をした光屈折媒体（１０）と、傾斜面（１２）に形成された傾斜面反射膜（１７）とを有し、光入射面（１１）から光屈折媒体（１０）に入射した光が光入射面（１１）において全反射するように構成することにより、入射した光が全て光放射面（１５）から出射する。【選択図】図１
2008026753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の比屈折率を持ち、光入射面と、該光入射面に対して第１内角で傾斜している傾斜面と、前記光入射面と前記傾斜面とが離隔する側に位置する光放射面とを有する光屈折媒体と、
前記傾斜面に形成された傾斜面反射膜、または前記傾斜面に被着された傾斜面反射部材と、
を有する、
集光・光出射部材であって、
前記第１内角および前記光入射面への入射光の入射角度が、前記光入射面に入射した前記入射光が前記光屈折媒体内で第１屈折角で屈折して前記傾斜面反射部材に進み、前記傾斜面反射部材において反射されて前記光入射面に進み、そこで全反射する値に規定されている、
集光・光出射部材。
【請求項２】
前記光入射面の長さおよび前記傾斜反射膜または傾斜反射部材の長さが、
前記光入射面から前記光屈折媒体内に入射した光が屈折し、
前記光屈折媒体内を前記傾斜面反射膜または傾斜面反射部材に向かって進み、前記傾斜面反射膜または傾斜面反射部材において反射されて前記光入射面に向かって進み、前記光入射面において全反射されて前記傾斜面反射膜または傾斜面反射部材に向かって進むことを繰り返して、前記光放射面から所定の出射角度で出射されるように、
規定されている、
請求項１に記載の集光・光出射部材。
【請求項３】
前記光屈折媒体は、第１および第２側面を有し、
当該集光・光出射部材は、前記第１および第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１および第２側面に被着された第１および第２側面反射部材を有する、
請求項１または２に記載の集光・光出射部材。
【請求項４】
第１集光・光出射部材と、
第２集光・光出射部材と、
光学結合部と
を具備する、集光・光出射装置であって、
前記第１集光・光出射部材は、
第１の比屈折率を持ち、第１光入射面と、該第１光入射面に対して当該第１集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第１傾斜面と、前記第１光入射面と前記第１傾斜面とが離隔する側に位置する第１光放射面とを有する第１光屈折媒体と、前記第１傾斜面に形成された第１傾斜面反射膜または前記第１傾斜面に被着された第１傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第１屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有しており、
前記第１内角および前記第１光入射面への第１入射光の入射角度が、前記第１光入射面に入射した前記第１入射光が前記第１光屈折媒体内で第１屈折角で屈折して前記第１傾斜面反射膜または第１傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第１光入射面に進み、前記第１光入射面で全反射する値に規定されており、
前記第２集光・光出射部材は、
第２の比屈折率を持ち、第２光入射面と、該第２光入射面に対して当該第２集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第２傾斜面と、前記第２光入射面と前記第２傾斜面とが離隔する側に位置する第２光放射面とを有する第２光屈折媒体と、前記第２傾斜面に形成された第２傾斜面反射膜または前記第２傾斜面に被着された第２傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第２屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有しており、
前記第２集光・光出射部材の前記第１内角および前記第２光入射面への第２入射光の入射角度が、前記第２光入射面に入射した前記第２入射光が前記第２光屈折媒体内で第２屈折角で屈折して前記第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第２光入射面に進み、前記第２光入射面で全反射する値に規定されており、
前記光学結合部は、第３の比屈折率を持つ透光性媒体を有し、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面から出射した光を、前記透光性媒体を介して前記第２集光・光出射部材の前記第２光入射面に導くように、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面と前記第２集光・光出射部材の光入射面との間に配置されており、
前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材とは、前記第２集光・光出射部材における全反射条件を満足する範囲で配置されており、
前記第２集光・光出射部材の前記第２光放射面から光が出射される、
集光・光出射装置。
【請求項５】
前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材とは、両者の光放射面が平行で、かつ、両者の光入射面が直交して配置されている、
請求項４に記載の集光・光出射装置。
【請求項６】
１個の第１集光・光出射部材と、
複数の第２集光・光出射部材と、
前記第１集光・光出射部材と前記複数の第２集光・光出射部材との間に配置された複数の光学結合部と
を具備する、集光・光出射装置であって、
前記第１集光・光出射部材は、
第１の比屈折率を持ち、第１光入射面と、該第１光入射面に対して当該第１集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第１傾斜面と、前記第１光入射面と前記第１傾斜面とが離隔する側に位置する第１光放射面とを有する第１光屈折媒体と、前記第１傾斜面に形成された第１傾斜面反射膜または前記第１傾斜面に被着された第１傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第１屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有しており、
前記第１内角および前記第１光入射面への第１入射光の入射角度が、前記第１光入射面に入射した前記第１入射光が前記第１光屈折媒体内で第１屈折角で屈折して前記第１傾斜面反射膜または第１傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第１光入射面に進み、前記第１光入射面で全反射する値に規定されており、
前記第２集光・光出射部材の各々は、
前記第１の比屈折率と同じまたは異なる第２の比屈折率を持ち、第２光入射面と、該第２光入射面に対して当該第２集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第２傾斜面と、前記第２光入射面と前記第２傾斜面とが離隔する側に位置する第２光放射面とを有する第２光屈折媒体と、前記第２傾斜面に形成された第２傾斜面反射膜または前記第２傾斜面に被着された第２傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第２屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有しており、
前記第２集光・光出射部材における第１内角および前記第２光入射面への第２入射光の入射角度が、前記第２光入射面に入射した前記第２入射光が前記第２光屈折媒体内で第２屈折角で屈折して前記第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第２光入射面に進み、前記第２光入射面で全反射する値に規定されており、
前記光学結合部の各々は、第３の比屈折率を持つ透光性媒体を有し、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面から出射した光を前記透光性媒体を介して対応する前記第２集光・光出射部材の前記第２光入射面に導くように、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面と対応する前記第２集光・光出射部材の光入射面との間に配置されており、
前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材の各々とは、前記第２集光・光出射部材各々における全反射条件を満足する範囲で配置されており、
前記第２集光・光出射部材の各々の前記第２光放射面から光が出射される、
集光・光出射装置。
【請求項７】
前記第１集光・光出射部材の前記第１光入射面と、前記第２集光・光出射部材の各々の前記第２光入射面とが直交し、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面が前記第２集光・光出射部材の各々の前記第２光入射面と直交するように、前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材の各々とが配置されている、
請求項６に記載の集光・光出射装置。
【請求項８】
集光・光出射部材において、
光入射面から光屈折部材に入射した入射光が前記光入射面に入射されたとき、傾斜面で反射されて前記光入射面に進み、前記光入射面で少なくとも１回全反射を受けて角度変換を受けた後に前記光放射面から出射させる、
集光・光出射方法。
【請求項９】
第１集光・光出射部材において、第１光入射面から第１光屈折媒体に入射した第１入射光が前記第１光入射面に入射されたとき、第１傾斜面で反射されて前記第１光入射面に進み、前記光入射面で少なくとも１回全反射を受けて角度変換を受けた後に第１光放射面から出射させ、
第２集光・光出射部材において、前記第１光入射面と所定の向きの第２光入射面から第２光屈折媒体に入射した第２入射光が前記第２光入射面に入射されたとき、第２傾斜面で反射されて前記第２光入射面に進み、前記第２光入射面で少なくとも１回全反射を受けて角度変換を受けた後に前記第２光放射面から出射させる、
集光・光出射方法。
【請求項１０】
第１集光・光出射部材において、第１光入射面から第１光屈折媒体に入射した第１入射光が前記第１光入射面に入射されたとき、第１傾斜面で反射されて前記第１光入射面に進み、前記光入射面で少なくとも１回全反射を受けて角度変換を受けた後に第１光放射面から出射させ、
複数の第２集光・光出射部材それぞれにおいて、前記第１光入射面と所定の向きの第２光入射面から第２光屈折媒体に入射した第２入射光が前記第２光入射面に入射されたとき、第２傾斜面で反射されて前記第２光入射面に進み、前記第２光入射面で少なくとも１回全反射を受けて角度変換を受けた後に前記第２光放射面から出射させる、
集光・光出射方法。
【請求項１１】
第１光入射面から第１光屈折媒体に入射した第１入射光が第１傾斜面で反射されて前記第１光入射面に達したとき、この光を全反射可能な第１集光・光出射部材と、
第２光入射面から第２光屈折媒体に入射した第２入射光が第２傾斜面で反射されて前記第２光入射面に達したとき、この光を全反射可能な第２集光・光出射部材と、
前記第１集光・光出射部材から出射された光を前記第２集光・光出射部材の前記第２光入射面に導く光学結合部と
を具備し、
前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材とは、前記第２集光・光出射部材における全反射条件を満足する範囲で配置されている、
集光・光出射装置。
【請求項１２】
第１光入射面から第１光屈折媒体に入射した第１入射光が第１傾斜面で反射されて前記第１光入射面に達したとき、この光を全反射可能な、１個の第１集光・光出射部材と、
それぞれ、第２光入射面から第２光屈折媒体に入射した第２入射光が第２傾斜面で反射されて前記第２光入射面に達したとき、この光を全反射可能な、複数の第２集光・光出射部材と、
前記第１集光・光出射部材の前記第１光入射面から出射された光を前記複数の第２集光・光出射部材の各々の第２光入射面に導く、複数の光学結合部と
を具備し、
前記第１集光・光出射部材と前記複数の第２集光・光出射部材とは、前記複数の第２集光・光出射部材各々における全反射条件を満足する範囲で配置されている、
集光・光出射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率よく光を集光し、かつ、集光した光を光照射領域が小さな部分にも効率良く照射（出射）可能な集光・光出射部材に関する。
また本発明は、多数の照射領域に集光した光を照射（出射）可能な集光・光出射装置に関する。さらに本発明は集光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光照射領域が小さな例として、照明用の光ファイバのコアを例示して述べる。光ファイバの光伝搬能力を活用して、たとえば、太陽光などの光を光ファイバ内を伝搬させて室内の照明に適用することが試みられている。
たとえば、コアの屈折率をクラッドの屈折率より高くしておく。コアに入射した光は、コアとクラッドとの屈折率の相違に起因してコアとクラッドとの界面において全反射を繰り返してコア内を伝搬して出射端から出射される。このような光ファイバに太陽光を入射させ光ファイバ内を伝搬させて室内に導き、室内の照明に利用することができる。
そのためには、太陽光を効率よく集光すること、そして、集光した光を直径が、たとえば、２ｍｍ程度と小さなコアに効率良く入射させることが要求される。
もちろん、小さな光照射領域は光ファイバのコアに限らない。たとえば、導波路なども比較的小さな光照射領域を持つ。
そのような小さな光照射領域に集光した光を照射させる従来技術を下記に例示する。
【０００３】
たとえば、既存の集光手段としては、入射光を焦点に集光する性質を持つレンズのような光学素子や、パラボラアンテナのような回転放物面状反射鏡などを用いることができる（特許文献１）。
光学素子としてレンズを用いた場合、焦点の位置調節が複雑である。すなわち、光源から発する光を平行にすることや、光源の光軸とレンズおよび光ファイバの軸を一致させることや、レンズなどの焦点位置に光ファイバ端面を一致させること、などの複雑な光学系位置調節が必要となる。これらは、光ファイバのコアの径の大きさにもよるが、相対位置が僅かにずれるだけでも光ファイバへの結合光量が半減する場合もあるなど繊細な調節が必要である。
そのような調節を適切に実現できたとしても、光源の大きさがレンズなどの焦点の像の大きさに影響を与える。このため、像の大きさは光ファイバ通光部（コア部）の範囲内に集光されないと収まらない光は損失となる。レンズなどを使用する場合には、光源の大きさゆえに細径の光ファイバ通光部の範囲内への集光が困難である。
【０００４】
上述した課題を克服するための対策として、たとえば、光源の大きさを所定の大きさ以下にする、あるいは、光ファイバを複数本束ねた光ファイバ束として、この光ファイバ束の径を像の大きさ以上にすることなどが提案されている（特許文献２）。
しかしながら、光ファイバの開口数（ＮＡ）により決まる入射角範囲の制限を考慮する必要がある。仮に光源の光を光ファイバもしくは光ファイバ束の通光部の範囲内に集光できたとしても、光ファイバには開口数により決まる入射角範囲があるため、この入射角範囲から外れる角度の入射光は光ファイバ内を伝送することができない。たとえば、照明光用途などの光ファイバには開口数が０．３７のものがあるが、これを入射角に換算すると、光ファイバ軸に対して±約２２°の入射角範囲の光しか入射して伝送することができない。
【０００５】
この課題を克服するため、レンズなどの径と焦点距離で決まる集光光学系の円錐状光経路が光ファイバの入射角範囲で決まる受光光学系の円錐状光経路に収まるように、光学系を設計することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、上述した全ての対策を施したと仮定しても、空気の散乱などの影響を受ける。すなわち、光源から光ファイバ入射端までの距離によってはその間にある空気の散乱の影響を受ける場合がある。
また、レンズの収差の影響などを受けることにより像の焦点ボケが生じる場合があるため、光源の像の直径が細径の光ファイバの通光部（コア）の直径以下にできない。あるいは、集光した光の一部が入射角範囲に入らないこともある。
光ファイバのコアに入射できない光や、光ファイバのコアへの入射角範囲を超えた光は、光ファイバのコアの入射部で損失となり、結合する光量の低下や、不要な熱の発生などの問題を引き起こしていた。
【０００７】
他の集光の手段としては、無結像反射集束装置が知られている（特許文献３、４）。しかしながら、この発明は集光面積が光ファイバのコアの断面積ほど小さくない領域での集光技術として用いられており、広範囲な入射角の光線を集光可能であるメリットはあるが、レンズなどの集光に対する際立った差別化が困難である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３６５４８８号公報
【特許文献２】特開平８−５４５１４号公報
【特許文献３】特開平６−２７５８５９号公報
【特許文献４】特開昭５４−１８７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように従来技術は種々の面で課題がある。
本発明は上述した課題を克服することを目的とする。
【００１０】
本発明の目的は、光を効率よく集光し、集光した光を小さな光照射領域についても効率良く照射可能な集光・光出射部材を提供することにある。
【００１１】
また本発明の目的は、小型で、構造が簡単で、調整なしで使用可能な集光・光出射部材を提供することにある。
【００１２】
さらに本発明の目的は、集光した光を小さな光照射領域についてもその光照射領域入射角範囲に極力収まる光線角度にすることを可能とし、かつ、出射端と光照射領域との間に存在しうる空気の散乱、収差などによる結合効率の低下を極力生じないことを可能とする、集光・光出射部材を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、複数の光照射領域に対して集光した光を効率よく照射するため、光を効率よく集光し、集光した光を複数の小さな光照射領域についても効率良く照射可能なように、集光・光出射部材を組み合わせて構成した集光・光出射装置を提供することにある。
また本発明は、集光した光を出射端から放射する際の光線の向きを、全反射条件を満足する範囲で組み合わせて配置した集光・光出射部材の出射端の向きを変えることで制御可能な集光・光出射部材を提供することにある。
【００１４】
また本発明は、上述した効率のよい集光、さらに集光した光を効率よく光照射領域に照射可能な方法を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願発明者は、小さな光照射領域、たとえば、光ファイバのコア直径と同程度またはそれ以下の厚さの光透過性部材、たとえば、集光・光出射部材を、複数個組み合わせて、空間内の平行でない２つの軸方向に２段階の集光を行うことにより、前述の課題を克服することを見出した。
【００１６】
本発明によれば、所定の比屈折率を持ち、光入射面と、該光入射面に対して第１内角で傾斜している傾斜面と、前記光入射面と前記傾斜面とが離隔する側に位置する光放射面とを有する光屈折媒体と、前記傾斜面に形成された傾斜面反射膜、または前記傾斜面に被着された傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記光屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有する集光・光出射部材であって、
前記第１内角および前記光入射面への入射光の入射角度が、前記光入射面に入射した前記入射光が前記光屈折媒体内で第１屈折角で屈折して前記傾斜面反射部材に進み、前記傾斜面反射部材において反射されて前記光入射面に進み、そこで全反射する値に規定されている、集光・光出射部材が提供される。
【００１７】
また本発明によれば、第１集光・光出射部材と、第２集光・光出射部材と、光学結合部とを具備する、集光・光出射装置であって、
前記第１集光・光出射部材は、
第１の比屈折率を持ち、第１光入射面と、該第１光入射面に対して当該第１集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第１傾斜面と、前記第１光入射面と前記第１傾斜面とが離隔する側に位置する第１光放射面とを有する第１光屈折媒体と、前記第１傾斜面に形成された第１傾斜面反射膜または前記第１傾斜面に被着された第１傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第１光屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有し、
前記第１内角および前記第１光入射面への第１入射光の入射角度が、前記第１光入射面に入射した前記第１入射光が前記第１光屈折媒体内で第１屈折角で屈折して前記第１傾斜面反射膜または第１傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第１光入射面に進み、前記第１光入射面で全反射する値に規定されており、
前記第２集光・光出射部材は、
第２の比屈折率を持ち、第２光入射面と、該第２光入射面に対して当該第２集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第２傾斜面と、前記第２光入射面と前記第２傾斜面とが離隔する側に位置する第２光放射面とを有する第２光屈折媒体と、前記第２傾斜面に形成された第２傾斜面反射膜または前記第２傾斜面に被着された第２傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第２光屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有し、
前記第２集光・光出射部材の前記第１内角および前記第２光入射面への第２入射光の入射角度が、前記第２光入射面に入射した前記第２入射光が前記第２光屈折媒体内で第２屈折角で屈折して前記第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第２光入射面に進み、前記第２光入射面で全反射する値に規定されており、
前記光学結合部は、第３の比屈折率を持つ透光性媒体を有し、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面から出射した光を、前記透光性媒体を介して前記第２集光・光出射部材の前記第２光入射面に導くように、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面と前記第２集光・光出射部材の光入射面との間に配置されており、
前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材とは、前記第２集光・光出射部材における全反射条件を満足する範囲で配置されており、
前記第２集光・光出射部材の前記第２光放射面から光が出射される、
集光・光出射装置が提供される。
好ましくは、前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材とは、両者の光放射面が平行で、かつ、両者の光入射面が直交して配置されている。
【００１８】
さらに本発明によれば、１個の第１集光・光出射部材と、複数の第２集光・光出射部材と、前記第１集光・光出射部材と前記複数の第２集光・光出射部材との間に配置された複数の光学結合部とを具備する、集光・光出射装置であって、
前記第１集光・光出射部材は、
第１の比屈折率を持ち、第１光入射面と、該第１光入射面に対して当該第１集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第１傾斜面と、前記第１光入射面と前記第１傾斜面とが離隔する側に位置する第１光放射面とを有する第１光屈折媒体と、前記第１傾斜面に形成された第１傾斜面反射膜または前記第１傾斜面に被着された第１傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第１光屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有し、
前記第１内角および前記第１光入射面への第１入射光の入射角度が、前記第１光入射面に入射した前記第１入射光が前記第１光屈折媒体内で第１屈折角で屈折して前記第１傾斜面反射膜または第１傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第１光入射面に進み、前記第１光入射面で全反射する値に規定されており、
前記第２集光・光出射部材の各々は、
前記第１の比屈折率と同じまたは異なる第２の比屈折率を持ち、第２光入射面と、該第２光入射面に対して当該第２集光・光出射部材における第１内角で傾斜している第２傾斜面と、前記第２光入射面と前記第２傾斜面とが離隔する側に位置する第２光放射面とを有する第２光屈折媒体と、前記第２傾斜面に形成された第２傾斜面反射膜または前記第２傾斜面に被着された第２傾斜面反射部材とを有し、
さらに、前記第１光屈折媒体が第１側面及び第２側面にそれぞれ形成された第１および第２側面反射膜、または、前記第１及び第２側面に被着された第１及び第２側面反射部材を有し、
前記第２内角および前記第２光入射面への第２入射光の入射角度が、前記第２光入射面に入射した前記第２入射光が前記第２光屈折媒体内で第２屈折角で屈折して前記第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材に進み、そこで反射されて前記第２光入射面に進み、前記第２光入射面で全反射する値に規定されており、
前記光学結合部の各々は、第３の比屈折率を持つ透光性媒体を有し、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面から出射した光を前記透光性媒体を介して対応する前記第２集光・光出射部材の前記第２光入射面に導くように、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面と対応する前記第２集光・光出射部材の光入射面との間に配置されており、
前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材の各々とは、前記第２集光・光出射部材各々における全反射条件を満足する範囲で配置されており、
前記第２集光・光出射部材の各々の前記第２光放射面から光が出射される、
集光・光出射装置が提供される。
好ましくは、前記第１集光・光出射部材の前記第１光入射面と、前記第２集光・光出射部材の各々の前記第２光入射面とが直交し、前記第１集光・光出射部材の前記第１光放射面が前記第２集光・光出射部材の各々の前記第２光入射面と直交するように、前記第１集光・光出射部材と前記第２集光・光出射部材の各々とが配置されている。
【００１９】
また本発明によれば、上述した集光・光出射部材、集光・光出射装置における集光・光出射方法が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の集光・光出射部材によれば、効率よく光を集光でき、集光した光を、小さな光照射領域に対しても、出射できる。
本発明の集光・光出射部材は小型であり、光学系の調整も不要である。
【００２１】
本発明の集光・光出射装置は、多数の光照射領域（または光受容対象物）に対して、効率よく集光し、集光した光を効率よく出射できる。
本発明の集光・光出射装置は小型であり、光学系の調整も不要である。
本発明の集光・光出射装置は、複数の光照射領域に対して集光した光を効率よく照射することができる。
本発明の集光・光出射装置は、集光した光を出射端から放射する際の光線の向きを、全反射条件を満足させる範囲で組み合わせて配置した集光・光出射部材の出射端の向きを変えることで制御できる。
【００２２】
本発明の集光・光出射部材および集光・光出射装置は、集光した光を小さな光照射領域についても、その光照射領域入射角範囲に極力収まる光線角度にすることを可能とし、かつ、出射端と光照射領域との間に存在しうる空気の散乱、収差などによる結合効率の低下を極力生じない。
【００２３】
本発明の集光・光出射方法によれば、効率よく集光でき、集光した光を光照射領域に照射できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の集光・光出射部材、集光・光出射装置、および、集光・光出射方法の好適な実施の形態を添付図面を参照して述べる。
【００２５】
第１実施の形態
図１および図２を参照して本発明の第１実施の形態の集光・光出射部材（集光部材）について述べる。
【００２６】
集光・光出射部材の構造
図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１実施の形態の集光・光出射部材（集光部材）の構成図であり、図１（Ａ）は集光・光出射部材の断面図、図１（Ｂ）は光入射面から見た集光・光出射部材１の平面図、図１（Ｃ）は光放射面から見た側面図である。
集光・光出射部材１は、光屈折媒体１０と、傾斜面反射部材１７と、第１側面反射部材１８および第２側面反射部材１９とを有する。
【００２７】
光屈折媒体１０は、図１（Ａ）に図解したように断面が楔型の形状をしており、空気の屈折率ｎ0 に対する屈折率の比率、すなわち、比屈折率ｎ1 を持つ、三角プリズムである。その形状の詳細を述べる。
光屈折媒体１０は、断面については、光入射面（または受光面）１１と、この光入射面１１に第１内角φ１で傾斜している傾斜面１２と、光入射面１１と傾斜面１２とが離隔した部分で光入射面１１と傾斜面１２とがそれぞれ第２内角φ２、第３内角φ３で交差する光放射面１５とを有している。
図１（Ｂ）に図解したように、光入射面１１の平面は平坦で、矩形をしている。
図１（Ｂ）および（Ｃ）に図解したように、光屈折媒体１０は、第１側面１３と第２側面１４とを有する。
傾斜面１２の長さをＬとして、傾斜面１２および光放射面１５の幅をｗとして、光放射面１５の高さ（または厚さ）をｔとする。
長さＬの方向を光入射面１１の長手方向と呼び、幅ｗの方向を幅方向と呼ぶ。光放射面１５の高さ（または厚さ）ｔの方向を高さ（または厚さ）方向と呼ぶ。
【００２８】
傾斜面１２には反射膜が被着されるか、反射部材が面着されている。傾斜面１２に入射した光がそこで反射されればよく、反射膜を被着してもいいし、も反射部材を面着させてもよい。この反射膜または反射部材を、傾斜反射膜または傾斜面反射部材という。以下、傾斜反射膜１７を例示して述べる。
第１側面１３および第２側面１４にもそれぞれ、反射膜が被着されるか、反射部材が面着されている。第１側面１３および第２側面１４に入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。これらの反射膜または反射部材を、第１および第２側面反射膜または第１および第２側面反射部材という。以下、第１および第２側面反射膜１８、１９を例示して述べる。
【００２９】
図２は、図１（Ａ）〜（Ｃ）に図解した集光・光出射部材１を用いて光を集光し、集光した光を光ファイバのコアに照射する例を示す図である。
集光・光出射部材１の光放射面１５の前方に、光ファイバ４０が位置している。光ファイバ４０は、コア４１と、このコア４１の周囲に設けられたクラッド４２と、クラッド４２の外周に設けられた図示しない被覆とを有する。
光ファイバ４０のコア４１の軸中心Ｏ−Ｏを集光・光出射部材１のＹ軸と一致させて配置する。集光・光出射部材１と光ファイバ４０の周囲は空気で包囲されている。空気の屈折率はｎ0 とする。
このように、本例示においては、光放射面１５と光ファイバ４０のコア４１との間には空気が光結合手段として存在している。しかしながら、光放射面１５とコア４１の端面における光の散逸を防止するため、光放射面１５とコア４１とを面着させて、空気がこれらの間に存在しないようにすることが望ましい。本例では、光放射面１５とコア４１とを面着させて、空気がこれらの間に存在しない場合について述べる。
【００３０】
光放射面１５側から見たコア４１の断面は円形であるから、集光・光出射部材１の光放射面１５から出射した光が全てコア４１に入射するためには、光放射面１５の幅ｗと高さｔとは、それぞれ、コア４１の直径より小さくする。コア４１の直径は、たとえば、１ｍｍである。
【００３１】
図２における光線軌跡を分析する。
本発明の集光・光出射部材に対する入射光Ｌi は任意の波長を持つ光が対象となるが、照明を例示している本例では、たとえば、可視光を想定している。
集光・光出射部材１の周囲の大気（空気）から光入射面（受光面）１１に、光入射面１１の法線に対して入射角θで入射した入射光Ｌi は、空気の屈折率ｎ0 と光屈折媒体１０の屈折率ｎ1 （本発明における所定の非屈折率）との相違に起因して、スネルの法則に従い、第１屈折角θ1 で光屈折媒体１０内で屈折されて、光屈折媒体１０内を透過・伝搬し、傾斜反射膜１７に向かう。
傾斜反射膜１７に到達した光は、傾斜反射膜１７で反射されて、光屈折媒体１０内を透過・伝搬して受光面１１に向かう。傾斜反射膜１７で反射されて受光面１１に向かう光は、傾斜反射膜１７または傾斜面１２における法線に対して第１反射角θ2 で反射する。第１反射角θ2 は、第１内角φ１と第１屈折角θ1 との和である。すなわち、θ2 ＝φ１＋θ1 となる。
【００３２】
傾斜反射膜１７から光入射面１１に向かった光は、一般的には、光入射面１１から大気中に出射する成分と、光入射面１１で反射されて光屈折媒体１０内に再び戻る成分とに分離される。
しかしながら、本実施の形態においては、傾斜反射膜１７で反射されて光入射面１１に向かった光を光入射面１１で全反射させて、光屈折媒体１０の外部には出射させない。したがって、光入射面１１で全反射されて再び光屈折媒体１０を伝搬させる。
【００３３】
傾斜反射膜１７で反射した光入射面１１に入射した光が光入射面１１で全反射させるための臨界角θc は、光入射面１１と傾斜面１２とのなす第１内角φ１と、入射角θと、空気の屈折率に対する光屈折媒体１０の比屈折率ｎ1 とで規定される。
空気に対する光屈折媒体１０の非屈折率ｎ1 は、光屈折媒体１０の材料を選択することにより決定されるから、光屈折媒体１０の材料を選択して非屈折率ｎ1 が決定されると、臨界角θc は、光屈折媒体１０の屈折率ｎ1 第１内角φ１と入射光Ｌi の入射角θとで規定できる。この場合、本例では傾斜反射膜１７で反射した光が光入射面１１で全反射させるための臨界角θc となるように、第１内角φ１と入射角θとを規定する。さらに、全反射させるための入射角θは、入射光Ｌi に対して集光・光出射部材の光入射面１１の角度を調整することにより、決定できる。
【００３４】
傾斜反射膜１７で反射されて光入射面１１に向かって光を光入射面１１で全反射させた場合、光入射面１１で全反射を受けて再び傾斜反射膜１７に向かう光の、光入射面１１の法線に対する第２反射角θ3は、θ3＝θ2＋φ１＝θ1＋２・φ１となる。すなわち、第２反射角θ3は、第１反射角θ1よりも２・φ１だけ大きくなる。
【００３５】
このように、第２反射角θ3が第１反射角θ1よりも大きいことから、光入射面１１における全反射条件を満足し、光屈折媒体１０に入射した光Ｌi が光屈折媒体１０の光入射面１１の内面でさらに全反射されていく。
【００３６】
光入射面１１において、光入射面１１の法線に対して第２反射角θ3で全反射された光は、再び光屈折媒体１０内を透過・伝搬して傾斜反射膜１７に向かう。
そして、傾斜反射膜１７で３回目の反射を受ける。３回目の反射光は、再び光屈折媒体１０内を透過・伝搬して光入射面１１に向かう。
上述した傾斜反射膜１７における反射、光屈折媒体１０内での透過・伝搬、および、光入射面１１における全反射を必要なだけ繰り返して、光は光放射面１５に向かって進行し、最終的に、光放射面１５から出射される。
光放射面１５の前方にはコア４１が位置しており、光放射面１５から出射された光がコア４１に入射する。
上述した傾斜反射膜１７における反射、光屈折媒体１０内での透過・伝搬、および、光入射面１１における全反射を繰り返す回数が増加するほど、光入射面１１における全反射角度および傾斜反射膜１７における反射角度が大きくなるから、光放射面１５から出射されてコア４１に入射する光の光軸Ｏ−Ｏに対する角度は小さくなり、コア４１内を伝搬する入射角度条件を満足する。
【００３７】
このように、入射光Ｌi が一旦、光屈折媒体１０内に入ると、光屈折媒体１０から出射されることなく、光放射面１５まで伝搬されて出射される。したがって、集光・光出射部材１の集光の効率は高い。
【００３８】
その詳細について述べる。
光入射面１１の内面における反射角は、傾斜反射膜１７における反射、光入射面１１における全反射を繰り返すたびに大きくなる。入射光Ｌi が光入射面１１から光屈折媒体１０に入射して屈折されたときの第１屈折角θ1 と、光入射面１１の内面においてｘ回目の全反射光の反射角をθ2x+1とすると、θ2x+1＝θ1＋２ｘ・φ１という関係が成り立つ。ここで反射角θ2x+1が大きいほど、光ファイバ４０のコア４１の軸と成す角度が小さくなる。
このように、入射光Ｌi は、傾斜反射膜１７において反射し、光屈折媒体１０の光入射面１１で全反射を繰り返す回数が多いほど、光ファイバ４０のコア４１の軸と成す角度が小さくなり、光ファイバ４０のコア４１内を光が伝搬していくための、コア４１への入射条件を満足しやすい状態となる。つまり、光ファイバ４０のコア４１への入射角よりも小さい角度をもつ光はコア４１に入射されるとコア４１内を伝搬される。
【００３９】
そのため、傾斜反射膜１７における反射と光入射面１１における全反射が所定回数繰り返すことが可能なように、光屈折媒体１０の長手方向の長さＬと、傾斜面１２および傾斜反射膜１７の長さを設定する。
すなわち、光屈折媒体１０の長手方向の長さ（光入射面の長さ）Ｌと、傾斜面１２および傾斜反射膜１７の長さをそのように設定することにより、集光・光出射部材１で集光した光を、光ファイバ４０のコア４１に有効に入射できることになる。
【００４０】
光屈折媒体１０内を伝搬した光が光放射面１５に到達して空気中に放射されると、屈折されて光屈折媒体１０の光放射面１５の面から放射状に出射するが、光放射面１５とコア４１との間の距離が非常に短いか、光放射面１５とコア４１の端面を密着させることにより、光放射面１５から放射状に散逸する前に光ファイバ４０のコア４１に入射する。
【００４１】
ここで、好ましくは、光放射面１５の厚さｔと、幅ｄとを、それぞれ、光ファイバ４０のコア４１の直径の１／√２倍以下にする。たとえば、コア４１の直径が１ｍｍのとき、光放射面１５の幅ｗと高さｔは、約０．７ｍｍとなる。
このように設定することにより、光屈折媒体１０の光放射面１５から出射した光が光ファイバ４０のコア４１に内接する正方形の範囲内に集光された状態となる。
【００４２】
このように、入射光Ｌi の入射角θが傾斜面１２における全反射条件を満たすとき、本実施の形態の集光・光出射部材１の集光性能は、光放射面１５の厚さｔと、光放射面１５の幅ｗにより、ほぼ決定される。
したがって、全反射条件、つまり、臨界角θc が、傾斜面１２（傾斜反射膜１７）と光入射面１１とのなす第１内角φ１と、空気に対する光屈折媒体１７の比屈折率ｎ1 により決まることを合わせて考慮すると、第１内角φ１と比屈折率ｎ1 などを適切に設定することで、全反射条件を満たし光入射面１１から光屈折媒体１０に入射した光の全ては、小さな光照射領域、たとえば、光ファイバ４０のコア４１に内接する正方形の範囲内に集光された、極めて集光性のよい光となる。
【００４３】
なお、光入射面１１から入射光Ｌi のうち、第１側面１３および／または第２側面１４に向かう光の成分（斜め光成分または横光成分）が存在する場合もある。これらの斜め光成分は、上述した光入射面１１の長手方向に沿って伝搬する光線軌跡とは異なり、光入射面１１の長手方向に対して傾きを持って光屈折媒体１０内を斜めに伝搬していく。
たとえば、光入射面１１から光屈折媒体１０に入射して屈折した第１側面１３に入射した光は、第１側面反射膜１８で、光入射面１１の長手方向と直交方向との間の光放射面１５に向かう方向に反射されて傾斜反射膜１７に向かう。傾斜反射膜１７において反射されるが、その反射光の向きは光入射面１１の長手方向と直交方向との間の光放射面１５に向かう斜め下方の向きである。傾斜反射膜１７で反射された光は光入射面１１に入射し、そこで、反射される。このとき、光入射面１１において全反射条件が満たされていれば、光入射面１１に入射した光が全反射されて傾斜反射膜１７に向かう。このときの光の向きも、光入射面１１の長手方向と直交方向との間の斜め下方の光放射面１５に向かう向きである。
このように、光入射面１１から第１側面１３に入射された光は、傾斜反射膜１７と光入射面１１との間で反射を繰り返して光放射面１５に向かって斜めに進行しながら、対向する第２側面１４に到達する。第２側面１４に到達した光は、第１側面１３に向かって、上記傾斜反射膜１７と光入射面１１との間で反射を繰り返す。
そして、最終的に、光放射面１５から出射される。
このように、第１側面１３または第２側面１４に入射した光も光屈折媒体１０内を斜めに横切って伝搬されて光放射面１５から出射されるので、本実施の形態の集光・光出射部材１は、第１側面１３および／または第２側面１４に向かう光の成分も有効に集光して光放射面１５から出射させている。その結果、本実施の形態の集光・光出射部材１は集光効率を一段と向上させることができる。
【００４４】
本実施の形態の集光・光出射部材１の特徴と利点について整理して述べる。
（１）入射光Ｌi の入射角θが光入射面１１における全反射の臨界条件（臨界角θc ）を満足する一定値以上の範囲であれば、集光・光出射部材１に入射した光は、光屈折媒体１０の光放射面１５から、光ファイバ４０のコア４１に内接する正方形の範囲内に集光された状態で、出射する。このことは、レンズなどを用いた従来の集光光学系を用いた場合に非常に繊細な光学系の調整を必要としていたことに対して、大きな利点となる。すなわち、光源の軸の調節自由度のうち１自由度の調節がほぼ不要となる。
【００４５】
（２）さらにこの利点により、光源の光の平行度が悪い場合であっても、全反射の臨界条件を満足する範囲内にある光であれば、容易に光ファイバ４０のコア４１に入射することが可能となる。
また上述したように、傾斜面１２、第１側面１３に入射した斜め光成分（横光）も、光放射面１５から出射されるようになっている。
【００４６】
（３）前述の通り、光屈折媒体１０内に入射した光は、光屈折媒体１０内で反射と全反
射を繰り返すごとに、光ファイバ４０のコア４１との平行性がよい光になる。従って、光屈折媒体１０内を反射、全反射して光屈折媒体１０内を伝搬した光は光放射面１５から出射したときに仮に空気により屈折を受けたとしても、その光の角度は光ファイバ４０のコア４１に入射しやすい角度になっており、コア４１への集光効率が上がることになる。
【００４７】
（４）さらに、光ファイバ４０のコア４１の端部が、光屈折媒体１０の光放射面１５に接触して、もしくは、光ファイバ４０のコア４１の直径に対して無視しうる長さの空間などの光学的結合手段を介して設置されていれば、この出射光は、光放射面１５から出射時点の放射角による光の散逸の影響を受ける前に、かつ、空気の散乱の影響を受けることなく、かつ、収差による焦点ボケの影響を受けることなく、あるいは、ほとんどこれらの影響を受けずに、光ファイバ４０のコア４１に入射することが可能となる。
【００４８】
以上より、集光・光出射部材１の光入射面１１の長さＬ、その幅ｗ、光放射面の厚さｔ
と、これらにより決まる光入射面１１と傾斜面１２とのなす第１内角φ１と、空気に対する光屈折媒体１７の比屈折率ｎ1 、入射光Ｌi の入射角θ、光放射面１５から光ファイバ４０のコア４１端面までの距離ｘ（好ましくは、ｘ＝０）、コア４１の半径ｒを適切に設定した集光光学系を構成することで、光屈折媒体１０の光入射面１１に入射した入射光Ｌi を全て光屈折媒体１０内に取り込んで、光屈折媒体１０の外部に散逸させることなく、光屈折媒体１０内を傾斜反射膜１７において反射、光入射面１１において全反射を反復させながら、光放射面１５に導き、光ファイバ４０のコア４１に入射させることが可能となる。
また、斜め光成分（横光成分）が存在したとしても、光放射面１５に案内されて上記直進成分とともに、光放射面１５から出射される。
【００４９】
本実施の形態の集光・光出射部材１は、光ファイバ４０のコア４１に入射しやすい光線角度に平行化することを可能とし、かつ、光源と光ファイバ４０のコア４１の端面との間の空気の散乱や収差などによる焦点ボケの影響をほとんど受けずに集光することができる。
【００５０】
実施例
集光・光出射部材１の具体的な数値の例を以下に示す。
たとえば、光屈折媒体１０の光入射面１１の長さＬ＝１０ｍｍ、幅ｗ＝０．７ｍｍとした。光放射面１５を規定する光入射面１１と傾斜面１２との間の第２内角φ２を９０度として、光入射面１１と傾斜面１２との間の第１内角φ１を約４°とした。空気の屈折率ｎ0 に対する光屈折媒体１０の比屈折率ｎ1 を１．６４の材料で、図１（Ａ）の断面形状を持つ光屈折媒体１０を製造した。
以上の条件で、第１内角φ１と光屈折媒体１０の比屈折率ｎ1 とにより、傾斜反射膜１７から光入射面１１に向かって光入射面１１において全反射されるための臨界角θc は、θc＝約５４°となる。
このとき、光放射面１５から光ファイバ４０のコア４１の端面までの距離ｘ＝０ｍｍ、コア４１の半径ｒ＝０．５ｍｍとして、入射角θ≧約５４°の条件で光を入射すると、光屈折媒体１０の光入射面１１に入射した光Ｌi は、ほぼ全てがコア４１に入射する。すなわち、コア４１に対する集光効率が非常に高いものとなった。
【００５１】
空気に対する光屈折媒体１７の比屈折率ｎ1 ＝１．６４は、光学ガラスＳＦ−２の典型値であるが、このように比屈折率ｎ1 が高い材料を選定することで、第１反射角θ2が全反射を起こす臨界角θcを小さくすることが可能となる。
光屈折媒体１０の比屈折率ｎ1 を２．７１として、その他を前述実施例の通りとすると、臨界角θcは約４０°となり、光入射面１１が受ける光の量が増えることになる。
【００５２】
以上、集光・光出射部材１から出射された光が照射される光受容対象物を光ファイバ４０として例示したが、集光・光出射部材１の光受容対象物は、光ファイバ４０に限らず、その他種々のものがある。
たとえば、本実施の形態の集光・光出射部材１で集光した光を太陽電池などに効率よく照射させることができる。
【００５３】
第２実施の形態
図３および図４を参照して本発明の第２実施の形態を述べる。
図３（Ａ）は第２実施の形態の集光・光出射装置の第１の形態を示す図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の側面からみ第２形態を示す図である。
本発明の第２実施の形態の集光・光出射装置は、第１実施の形態の集光・光出射部材を少なくとも２個を組み合わせたものをいう。
第２実施の形態の集光・光出射装置５０は、２個の集光・光出射部材１ａ、１ｂと、光学結合部２とを有する。
第１集光・光出射部材１ａおよび第２集光・光出射部材１ｂは共に、第１実施の形態の集光・光出射部材１と同様、光屈折媒体に入った光を光入射面で全反射するように構成されている。
ただし、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとは向きが異なる。基本的には、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとは、第２集光・光出射部材１ｂにおける全反射条件を満足する範囲で配置されていればよい。その１例として、図解したように、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとが、これらの光入射面の法線ベトクルが９０度で直交、または、ほぼ直交するように、向きを変えて配置した場合について述べる。
光学結合部２は、第１集光・光出射部材１ａの光放射面１５ａから出射された光を第２集光・光出射部材１ｂの光入射面に偏向させて、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとを光学的に結合する。
第２集光・光出射部材１ｂの光放射面１５ｂの前方には、光受容対象物３０が配置されている。光受容対象物３０は、たとえば、第１実施の形態で適用した、光ファイバ４０のコア４１、または、太陽電池の光受光部などである。
【００５４】
第１集光・光出射部材１ａ
第１集光・光出射部材１ａは、第１光屈折媒体１０ａと、第１傾斜面反射膜または第１傾斜面反射部材１７ａと、第１側面反射膜または第１側面反射部材１８ａおよび第２側面反射膜または第２側面反射部材１９ａとを有する。
【００５５】
第１光屈折媒体１０ａは、図３（Ｂ）に図解したように断面が楔型の形状をしており、空気の屈折率ｎ0 に対する屈折率の比率、すなわち、比屈折率ｎ1a（本発明の第１の比屈折率）を持つ、三角プリズムである。その形状の詳細を以下に述べる。
第１光屈折媒体１０ａは、断面については、光入射面（または受光面）１１ａと、この光入射面１１ａに第１内角φ１ａで傾斜している傾斜面１２ａと、光入射面１１ａと傾斜面１２ａとが離隔した部分で光入射面１１ａと傾斜面１２ａとがそれぞれ第２内角φ２ａ、第３内角φ３ａで交差する第１光放射面１５ａとを有している。
図３（Ａ）に図解したように、光入射面１１ａの面は平坦で、矩形をしている。
図３（Ａ）に図解したように、第１光屈折媒体１０ａは、第１側面１３ａと第２側面１４ａとを有する。
光入射面１１ａの長さをＬ１として、傾斜面１２ａおよび第１光放射面１５ａの幅をｗ１として、第１光放射面１５ａの高さ（または厚さ）をｔ１とする。
長さＬ１の方向を光入射面１１ａの長手方向と呼び、幅ｗ１の方向を幅方向と呼ぶ。光放射面１５の高さ（または厚さ）ｔ１の方向を高さ（または厚さ）方向と呼ぶ。
【００５６】
傾斜面１２ａには反射膜が被着されるか、反射部材が面着されている。傾斜面１２ａに入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。この反射膜または反射部材を傾斜反射膜または傾斜面反射部材という。以下、傾斜反射膜１７ａを例示して述べる。
第１側面１３ａおよび第２側面１４ａにもそれぞれ、反射膜が被着されるか、反射部材が面着されている。第１側面１３ａおよび第２側面１４ａに入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。これらの反射膜または反射部材を第１および第２側面反射膜または第１および第２側面反射部材という。以下、第１および第２側面反射膜１８ａ、１９ａを例示して述べる。
【００５７】
第２集光・光出射部材１ｂ
第２集光・光出射部材１ｂは、第２光屈折媒体１０ｂと、第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材１７ｂと、第１側面反射膜または第１側面反射部材１８ｂおよび第２側面反射膜または第２側面反射部材１９ｂとを有する。
【００５８】
第２光屈折媒体１０ｂは、図３（Ａ）に図解したように断面が楔型の形状をしており、空気の屈折率ｎ0 に対する屈折率の比率、すなわち、比屈折率ｎ1b（本発明の第２の比屈折率）を持つ、三角プリズムである。第２光屈折媒体１０ｂの比屈折率ｎ1b（本発明の第１の比屈折率）は、第１光屈折媒体１０ａの比屈折率ｎ1a（本発明の第１の比屈折率）と同じでも、異なっていてもよい。
その形状の詳細を以下に述べる。
第２光屈折媒体１０ｂは、断面については、光入射面（または受光面）１１ｂと、この光入射面１１ｂに第１内角φ１ｂで傾斜している傾斜面１２ｂと、光入射面１１ｂと傾斜面１２ｂとが離隔した部分で光入射面１１ｂと傾斜面１２ｂとがそれぞれ第２内角φ２ｂ、第３内角φ３ｂで交差する第２光放射面１５ｂとを有している。
光入射面１１ｂの面は平坦で、矩形をしている。
図３（Ｂ）に図解したように、第２光屈折媒体１０ｂは、第１側面１３ｂと第２側面１４ｂとを有する。
光入射面１１ｂの長さをＬ２として、傾斜面１２ｂおよび第２光放射面１５ｂの幅をｗ２として、第２光放射面１５ｂの高さ（または厚さ）をｔ２とする。
長さＬ２の方向を光入射面１１ｂの長手方向と呼び、幅ｗ２の方向を幅方向と呼ぶ。第２光放射面１５の高さ（または厚さ）ｔ２の方向を高さ（または厚さ）方向と呼ぶ。
【００５９】
傾斜面１２ｂには反射膜が被着されるか、反射部材が面着されている。傾斜面１２ｂに入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。この反射膜または反射部材を、第２傾斜反射膜または第２傾斜面反射部材という。以下、第２傾斜反射膜１７ｂを例示して述べる。
第１側面１３ｂおよび第２側面１４ｂにもそれぞれ、反射膜が被着されるか反射部材が面着されている。第１側面１３ｂおよび第２側面１４ｂに入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。これらの反射膜または反射部材を、第１および第２側面反射膜または第１および第２側面反射部材という。以下、第１および第２側面反射膜１８ｂ、１９ｂを例示して述べる。
【００６０】
図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して光線軌跡について述べる。
図４（Ａ）、（Ｂ）は図３（Ａ）、（Ｂ）と同じ図であり、光線軌跡の説明のために参照する図である。
第１集光・光出射部材１ａの光入射面１１ａには、図４（Ａ）においては紙面の上部から紙面に向かって、図４（Ｂ）に図解した断面では第１入射光Ｌi1が入射角度θa で入射する。この第１入射光Ｌi1は、第１実施の形態の集光・光出射部材１について述べたと同じように、傾斜反射膜１７ａで反射され、光入射面１１ａで全反射されることを繰り返して第１光放射面１５ａから光学結合部２の反射膜２１に向かう出射光Ｌ15a として出射される。
このように、集光・光出射部材１ａも、図１および図２を参照して述べた集光・光出射部材１と同じように、入射光Ｌi1が光入射面１１ａにおける全反射するように構成されている。
【００６１】
光学結合部
集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとの間に、光学結合部２が位置している。
光学結合部２は、集光・光出射部材１ａの第１光放射面１５ａから出射された出射光Ｌ15a を第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂに向けて反射させる反射膜２１を有する。
光学結合部２の反射膜２１の両側には、第２集光・光出射部材１ｂの第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材１７ｂと、第２側面反射膜または第１側面反射部材１８ｂおよび第２側面反射膜または第２側面反射部材１９ｂに連続する、第１側面反射膜（または反射部材）２２と第２側面反射膜（または反射部材）２３が設けられている。
すなわち、光学結合部２は第２集光・光出射部材１ｂとともに、上部斜め面を反射膜２１とし、下部下面を第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂとし、両側面を第１側面反射膜（または反射部材）２２と第２側面反射膜（または反射部材）２３とする空間を規定し、集光・光出射部材１ａの第１光放射面１５ａから出射された出射光Ｌ15a が、この空間に入射したとき、この空間から漏洩させずに、第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂに入射させるように構成されている。
上記空間に封入されている光学媒体２０は、本例では空気であり、その非屈折率ｎ20（本発明の第３の非屈折率）は１．０である。
【００６２】
反射膜２１と第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂとのなす角度をξとする。
角度ξは、第１集光・光出射部材１ａの光放射面１５ａを出射した光Ｌ15a が光学結合部２の反射膜２１で反射したときに、第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂに入射する第２入射光Ｌi2の入射角度θb が、第１実施の形態の集光・光出射部材１について述べた入射角θのように、第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂにおける全反射条件を満足するように規定されている。
なお、角度ξを小さくすると反射膜２１で反射させて光入射面１１ｂに入射させる光の入射角度を大きくとることができる。その結果、第２集光・光出射部材１ｂにおける臨界角θc が大きくできるという利点があるが、一般的に言えば、角度ξを小さくするほど反射膜２１が長くなり、第２集光・光出射部材１ｂの長さＬ２も長くなる傾向があり、集光・光出射装置５０の小型化の観点からは好ましくない。
以上から、角度ξは上記一長一短を考慮して、適切な角度に設定する。たとえば、角度ξは全反射条件を満たすために可能な限り大きくしつつも、反射膜２１および第２集光・光出射部材１ｂを小型にすることが望ましい。
【００６３】
図４（Ａ）に図解したように、第１集光・光出射部材１ａの第１光放射面１５ａから出射された光Ｌ15a は、光学媒体２０で反射されて、第２集光・光出射部材１ｂの第２光入射面１１ｂに向かう第２入射光Ｌi2となる。
【００６４】
第２集光・光出射部材１ｂの光入射面１１ｂに、図４（Ａ）に図示したように、第２入射光Ｌi2が入射する。第２入射光Ｌi2は入射角度θb で光入射面１１ｂに入射する。第２入射光Ｌi2は、第１実施の形態の集光・光出射部材１について述べたと同様に、傾斜反射膜１７ｂで反射され、光入射面１１ｂで全反射されることを繰り返して、第２光放射面１５ｂから出射光Ｌ15b として出射される。
第２集光・光出射部材１ｂも、図１および図２を参照して述べたように、第２入射光Ｌi2が光入射面１１ｂにおいて全反射するように構成されている。
【００６５】
第２集光・光出射部材１ｂの光放射面１５ｂの前方には、光受容対象物３０、たとえば、第１実施の形態で適用した光ファイバ４０のコア４１が配置することができるから、光ファイバ４０を配置した場合、第１実施の形態において述べたように、第２集光・光出射部材１ｂの光放射面１５ｂから出射された光Ｌ15b がコア４１に入射されて、光ファイバ４０のコア４１内を伝搬されていく。
【００６６】
本発明の第２実施の形態の集光・光出射装置５０によれば、第１集光・光出射部材１ａ
による第１軸方向の集光と、第２集光・光出射部材１ｂによる第１軸方向と直交する第２軸方向の集光という、異なる光軸について２段階の集光を行い、２つの集光・光出射部材で集光した光を光受容対象物３０、たとえば、光ファイバ４０のコア４１に光学的結合させることができる。
【００６７】
なお、第１実施の形態の集光・光出射部材１では光放射面１５の幅ｗが、光受容対象物３０、たとえば、光ファイバ４０のコア４１（通光部）の直径によって制約を受けた。
これに対して、第２実施の形態においては、第１実施の形態の集光・光出射部材１と同様の集光・光出射部材を２個、すなわち、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとを設けることにより、上述した制約が解消できる。その結果、第１集光・光出射部材１ａの光放射面１５ａの幅ｗ１を広げ、第２集光・光出射部材１ｂの長手方向の長さを長くすることにより第１集光・光出射部材１ａの光入射面１１ａの面積を増加させて、集光する光の総量を増加させることが可能となる。
このように、第２実施の形態の集光・光出射装置５０は、第１実施の形態の集光・光出射部材１に比較して、集光量を増大させながら、光受容対象物３０に集光した光を照射することができるという利点を有する。
【００６８】
第１集光・光出射部材１ａと、第２集光・光出射部材１ｂとの向きを変化させる光学結合部２を用いることにより、第１集光・光出射部材１ａにＹ−Ｚ平面内と異なる平面内から入射光に対しても、光学結合部２の反射膜２１による反射方向を制御することが可能となる。その結果、この反射光を第２集光・光出射部材１ｂに入射することが可能となり、長手方向と直交する向きの集光効果を与えることが可能となる。
【００６９】
なお、光受容対象物３０として、光ファイバ４０を適用した場合、第２集光・光出射部材１ｂの光放射面１５ｂの高さｔ２と、幅ｗ２とを、光ファイバ４０のコア４１の直径の１／√２以下とすることにより、２段階の集光後の光の放射範囲を光ファイバ通光部の範囲に内接する正方形より小さくしたものである。同時に、第１集光・光出射部材１ａの光放射面１５ａの高さｔ１を、コア４１の直径の１／√２以下とすることが望ましい。
【００７０】
変形態様
上述した第２実施の形態は、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとを直交させて配置した例を述べたが、第２実施の形態の変形態様としては、下記のように、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとを必ずしも直交させなくてもよい。
すなわち、第１集光・光出射部材１ａと第２集光・光出射部材１ｂとを光学的結合部２を用いて結合することで、焦点距離のような光学的光線軸の距離を考慮することなく、全反射条件を満足する範囲で第２集光・光出射部材１ｂの向きを変えることにより、第２集光・光出射部材１ｂの光放射面の向きを変えることが可能となる。これにより、第２集光・光出射部材１ｂから放射される光線の向きを変えることが可能となる。
【００７１】
第３実施の形態
図５を参照して本発明の第３実施の形態として集光・光出射装置を述べる。
図５に図解した集光・光出射装置１００は、１個の第１集光・光出射部材１Ａと、複数（ｎ）個の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎと、複数（ｎ）個の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎに対応する複数（ｎ）個の光学結合部２Ａ１〜２Ａｎとを有する。
【００７２】
第１集光・光出射部材１Ａ
第１集光・光出射部材１Ａは、図３および図４を参照して述べた第２実施の形態の第１集光・光出射部材１ａに類似しているが、複数（ｎ）個の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎに集光した光を照射可能なように、光入射面と光放射面の幅ｗ３が広い。
集光・光出射部材１Ａは、第１光屈折媒体１０Ａと、第１傾斜面反射膜または第１傾斜面反射部材１７Ａと、第１側面反射膜または第１側面反射部材１８Ａおよび第２側面反射膜または第２側面反射部材１９Ａとを有する。
【００７３】
第１光屈折媒体１０Ａは、図５（Ｂ）に図解したように断面が楔型の形状をしており、空気の屈折率ｎ0 に対する屈折率の比率、すなわち、比屈折率ｎ1A（本発明の第１の屈折率）を持つ、三角プリズムである。
第１光屈折媒体１０ａは、断面については、光入射面（または受光面）１１Ａと、この光入射面１１Ａに第１内角φ１Ａで傾斜している傾斜面１２Ａと、光入射面１１Ａと傾斜面１２Ａとが離隔した部分で光入射面１１Ａと傾斜面１２Ａとがそれぞれ第２内角、第３内角で交差する第１光放射面１５Ａとを有している。
光入射面１１Ａの面は平坦で、上述したように、幅ｗ３の広い矩形をしている。
【００７４】
傾斜面１２Ａには反射膜が被着されるか、反射部材が面着されている。傾斜面１２Ａに入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。この反射膜または反射部材を、傾斜反射膜または傾斜面反射部材という。以下、傾斜反射膜１７Ａを例示して述べる。
光屈折媒体１０Ａの両側面にもそれぞれ、反射膜が被着されるか反射部材が面着されている。両側面に入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。これらの反射膜または反射部材を、第１および第２側面反射膜または第１および第２側面反射部材１８Ａ、１９Ａとして例示する。
【００７５】
第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎ
ｎ個の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎはそれぞれ、基本的に同じ構造をしている。
以下、第２集光・光出射部材１Ｂ１を代表して述べる。
第２集光・光出射部材１Ｂ１は、基本的に、図３および図４を参照して述べた第２実施の形態の第２集光・光出射部材１ｂと同じ構成をしている。
第２集光・光出射部材１Ｂ１は、第２光屈折媒体１０Ｂと、第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材１７Ｂと、第１側面反射膜または第１側面反射部材１８Ｂおよび第２側面反射膜または第２側面反射部材１９Ｂとを有する。
【００７６】
第２光屈折媒体１０Ｂは、図５（Ａ）に図解したように断面が楔型の形状をしており、空気の屈折率ｎ0 に対する屈折率の比率、すなわち、比屈折率ｎ1B（本発明の第２の屈折率）を持つ、三角プリズムである。第２光屈折媒体１０Ｂの比屈折率ｎ1B（本発明の第２の屈折率）は、第１光屈折媒体１０Ａの比屈折率ｎ1A（本発明の第１の屈折率）と同じなよいし、異なっていてもよい。本例では、第２光屈折媒体１０Ｂの比屈折率ｎ1Bと第１光屈折媒体１０Ａの比屈折率ｎ1Aとが同じ場合について述べる。
第２光屈折媒体１０Ｂは、断面については、光入射面（または受光面）１１Ｂと、この光入射面１１Ｂに第１内角φ１Ｂで傾斜している傾斜面１２Ｂと、光入射面１１Ｂと傾斜面１２Ｂとが離隔した部分で光入射面１１Ｂと傾斜面１２Ｂとがそれぞれ第２内角、第３内角で交差する第２光放射面１５Ｂとを有している。
傾斜面１２Ｂの長さＬ２と、傾斜面１２Ｂおよび第２光放射面１５Ｂの幅ｗ２と、第２光放射面１５ｂの高さ（または厚さ）ｔ２は、光受容対象物３０として光ファイバ４０とした場合、第２実施の形態の第２集光・光出射部材１ｂにおけるこれらの長さと同じである。
【００７７】
傾斜面１２Ｂには反射膜が被着されるか反射部材が面着されている。傾斜面１２Ｂに入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。この反射膜または反射部材を第２傾斜反射膜または第２傾斜面反射部材という。以下、第２傾斜反射膜１７Ｂを例示して述べる。
光屈折媒体１０Ｂの両側面にもそれぞれ、反射膜が被着されるか反射部材が面着されている。両側面に入射した光がそこで反射されればよく、反射膜でも反射部材でもよい。これらの反射膜または反射部材を第１および第２側面反射膜または第１および第２側面反射部材１８Ｂ、１９Ｂとして例示する。
【００７８】
光学結合部２Ａ１〜２Ａｎ
第１集光・光出射部材１Ａと、複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎとの間に、複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎに対応して複数の光学結合部２Ａ１〜２Ａｎが配置されている。複数の光学結合部２Ａ１〜２Ａｎは基本的に同じ構成をしている。代表して光学結合部２Ａ１について述べる。
光学結合部２Ａ１は、第１集光・光出射部材１Ａの第１光放射面１５Ａから出射された出射光Ｌ15A を第２集光・光出射部材１Ｂ１の光入射面１１Ｂに向けて反射させる反射膜２１Ａを有する。
光学結合部２Ａ１はさらに、第２実施の形態の光学結合部２と同様、反射膜２１Ａの両側に、第２集光・光出射部材１Ｂ１の第２傾斜面反射膜または第２傾斜面反射部材１７Ｂと、第１側面反射膜または第１側面反射部材１８Ｂおよび第２側面反射膜または第２側面反射部材１９Ｂに連続する、第１側面反射膜（または反射部材）２２Ａと第２側面反射膜（または反射部材）２３Ａが設けられている。
すなわち、光学結合部２Ａ１は第２集光・光出射部材１Ｂ１とともに、上部斜め面を反射膜２１Ａと、下部下面を第２集光・光出射部材１Ｂ１の光入射面１１Ｂと、両側面を第１側面反射膜（または反射部材）２２Ａと第２側面反射膜（または反射部材）２３Ａとで空間を規定し、集光・光出射部材１Ａの第１光放射面１５Ａから出射された出射光が、この空間に入射したとき、この空間から漏洩させずに、第２集光・光出射部材１Ｂ１の光入射面１１Ｂに入射させるように構成されている。
上記空間に封入されている非屈折率ｎ20（本発明の第３屈折率）の光学媒体２０は、本例では空気である（ｎ20＝１．０）。
【００７９】
反射膜２１Ａと第２集光・光出射部材１Ｂ１の光入射面１１Ｂとのなす角度ξは、基本的に、第２実施の形態において述べた角度条件と同じであるから説明を割愛する。
【００８０】
第１集光・光出射部材１Ａの光放射面１５Ａの幅ｗ３は、たとえば、第２実施の形態の第２集光・光出射部材１ｂの光放射面１５の幅ｗ１のｎ倍の広さである。
【００８１】
第３実施の形態は、１個の第１集光・光出射部材１Ａで集光した光を、複数の光学結合部２Ａ１〜２Ａｎを介して、複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎに提供することができる。
多数の光受容対象物３０、たとえば、ｎ個の光ファイバ４０に集光した光を照射する場合を想定すると、第２実施の形態ではｎ個の第１の集光・光出射部材とｎ個の第２の集光・光出射部材とをｎ個の光結合部を介して組み合わせたものが必要となるが、第３実施の形態では、１個の第１集光・光出射部材１Ａとｎ個の第２の集光・光出射部材とを光結合部で結合した構成で済むので、第３実施の形態の集光・光出射装置は、装置全体が小型になり、集光効率が高いなどの利点がある。
たとえば、多数の光ファイバを束ねてケーブル化したものを、第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎの光放射面１５Ｂの端面に接近させてケーブル内の１本１本の光ファイバそれぞれに第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎを光学的に結合させることにより、第１集光・光出射部材１Ａで集光した太陽光を上記光ファイバケーブルで室内に導き、室内の照明に使用する場合などに好適である。
またもちろん、第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎにより集光された光は、光カプラなどの合波器を用いて１本の光ファイバに集光して室内に導光してもよく、第３実施の形態はこのような用途に好適である。
【００８２】
もちろん、本発明の第３実施の形態は、光受容対象物３０として光ファイバには限定されず、その他の光受容対象物、たとえば、多数の太陽電池に太陽光を集光して照射させる場合などにおいても好適である。
【００８３】
なお、多数の太陽電池に太陽光を集光して照射させる場合、多数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎと多数の太陽電池との間に、図５に図解した多数の光ファイバを中間光伝達媒体として介在させて、多数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎからの光を光ファイバを経由して太陽電池に照射させることができる。
【００８４】
多数の太陽電池に太陽光を集光して照射させる場合、あるいは、多数の光ファイバに太陽光を集光して照射させる場合に、レンズを用いた場合は、光学系の種々の調整が、非常に煩雑であったが、本発明の第３実施の形態の集光・光出射装置１００は、そのような調整が不要である。
【００８５】
変形態様
上述した第３実施の形態は、第１集光・光出射部材１Ａと複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎのそれぞれを直交させて配置した例を述べたが、第２実施の形態について述べたと同様、第３実施の形態の変形態様として、第１集光・光出射部材１Ａと複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎのそれぞれとを必ずしも直交させなくてもよい。
すなわち、第１集光・光出射部材１Ａと複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎのそれぞれとを対応する複数の光学的結合部２Ｂ１〜２Ｂｎを用いて結合することで、焦点距離のような光学的光線軸の距離を考慮することなく、全反射条件を満足する範囲で複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎそれぞれの向きを変えることにより、複数の第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎそれぞれの光放射面の向きを変えることが可能となる。これにより、第２集光・光出射部材１Ｂ１〜１Ｂｎそれぞれから放射される光線の向きを変えることが可能となる。
【００８６】
第４実施の形態
第１〜第３実施の形態において、光源として太陽光を適用する場合、入射光Ｌi が、たとえば、第３実施の形態の第１集光・光出射部材１Ａの光入射面１１Ａに対して、光入射面１１Ａにおいて全反射するような入射角度に維持することが必要になる。
そのためには、公知の太陽追尾装置を用いて、たとえば、第３実施の形態の光入射面１１Ａの光入射面１１Ａを太陽光に対して追尾することができる。
【００８７】
太陽電池に太陽光を照射するとき、光入射面１１Ａの向きを変化させるとき、上述したように、可撓性のある光ファイバを介して太陽電池に光を照射することが望ましい。
【００８８】
本発明の例示的な実施の形態について述べたが、本発明は上述した実施の形態の記述には限定されず、種々の態様をとることができる。
たとえば、本発明の集光・光出射部材および／または集光・光出射装置は、光受容対象物として、光ファイバ、太陽電池などへの適用が限定されるわけではなく、その他種々の光受容対象物に適用できる。
【００８９】
上記実施の形態は、小さな光照射領域にも適用可能な集光・光出射部材と集光・光出射装置について述べたが、光ファイバなどより大きな光照射領域に対しても、容易に適用可能であることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１実施の形態の集光・光出射部材の構成図である。
【図２】図２は、図１（Ａ）〜（Ｃ）に図解した集光・光出射部材を用いて光を集光し、集光した光を光ファイバのコアに照射する例を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は第２実施の形態の集光・光出射装置の第１の形態を示す図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の側面からみ第２形態を示す図である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）は図３（Ａ）、（Ｂ）と同じ図において光線軌跡の概要を示す図である。
【図５】図５は本発明の第３実施の形態として集光・光出射装置を図解した図である。
【符号の説明】
【００９１】
１…集光・光出射部材
１０…光屈折媒体
１１…光入射面（受光面）、１２…傾斜面、１３、１４…側面
１５…光放射面
１７…傾斜面反射膜または傾斜面反射部材、
１７ａ…第１傾斜面反射膜（または反射部材）、
１７ｂ…第２傾斜面反射膜（または反射部材）、
１８、２２…第１側面反射膜（または反射部材）、
１９、２３…第２側面反射膜（または反射部材）
２、２Ａ１〜２Ａｎ…光学結合部、２０…光学媒体、２１，２１Ａ…反射膜
３０…光受容対象物、
４０…光ファイバ、４１…コア、４２…クラッド
５０、１００…集光・光出射装置
【図１】
2008026753.tif 000003
【図２】
2008026753.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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