(57)【要約】【課題】色収差による集光効率の低下を抑制し、太陽光発電装置に用いた場合に発電効率を高めることが可能な集光レンズを提供する。【解決手段】波長が短い光線ほど光線の屈折角度が大きくなる屈折構造と、波長が短い光線ほど光線の回折角度が小さくなる回折構造とを備え、屈折構造によって生じる光の分散と、回折構造によって生じる光の分散とが、互いに打ち消しあうことを特徴とする集光レンズ。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光する集光レンズであって、
前記集光レンズが、波長が短い光線ほど光線の屈折角度が大きくなる屈折構造と、波長が短い光線ほど光線の回折角度が小さくなる回折構造とを備え、
前記屈折構造によって生じる、光の波長の違いによる波長の分散と、前記回折構造によって生じる、光の波長の違いによる波長の分散とが、互いに打ち消しあうことを特徴とする、集光レンズ。
【請求項２】
前記屈折構造が設けられた屈折領域と、前記屈折領域の一部に重なって設けられた前記回折構造が設けられた回折領域と、を有し、
前記回折領域は、前記屈折領域の周辺部に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の集光レンズ。
【請求項３】
前記回折構造は、前記集光レンズの入射面側に設けられ、前記屈折構造は、前記集光レンズの出射面側に設けられていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の集光レンズ。
【請求項４】
前記屈折領域が、前記屈折領域の一部に重なって設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光レンズ。
【請求項５】
前記屈折構造がフレネルレンズであり、前記回折構造のピッチをｄとしたとき、当該回折構造を透過する光線の軌跡上に位置するフレネルレンズのピッチｐと当該回折構造のピッチｄとの関係が、ｄ／ｐ  ＜  １／５である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光レンズ。
【請求項６】
前記回折構造がブレーズ型である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光レンズ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光が照射される照射面を有する太陽光発電素子と、を備える太陽光発電装置であって、
前記集光レンズと、前記太陽光発電素子の前記照射面とは、距離ｆだけ離間して配置されており、
前記集光レンズの、光入射面における中心から距離ｆの０．３倍以上外側の領域に、前記回折構造が設けられていることを特徴とする、
太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電装置において太陽光を集光するレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置のなかには、小さく発電効率のよいセルに集光レンズを用いて太陽光を集光させて発電をするタイプの装置がある。このタイプの太陽光発電装置においては、発電量を向上させるため、集光された光をセルに照射させるための太陽光の追尾システム、より高効率のセル、より集光倍率の高い集光レンズが用いられている。
【０００３】
このような集光式太陽光発電装置の問題として、色収差の問題がある。すなわち、太陽光には各種の波長の光線が含まれており、集光レンズで集光した場合に色収差の発生のために波長により集光される焦点の位置が異なってしまい、効率よくセルに集光することができないという問題である。特に集光倍率の高い集光レンズを用いた場合には、この問題が顕著となっている。以下、図を用いて説明する。
【０００４】
図１は、従来の太陽光を集光する集光レンズの概要を示した概念図である。通常、集光レンズは大面積であり、一般にフレネルレンズを用いて集光レンズの薄型化、軽量化が図られている。集光レンズ１の入射面２から入射した入射光３は、集光レンズ１の出射面４から出射した出射光５となって集光され、太陽光発電セルなどの受光部６に照射される。
【０００５】
図２は、図１に示した従来の集光レンズの入射面２と出射面４付近を拡大した拡大図である。集光レンズ材料の屈折率は光線の波長により異なるため、光線の波長により光線の出射角度に差が生じる。例えば、集光レンズ材料として、ポリメチルメタクリレート（PMMA）を用いた場合、波長４８６．１３ｎｍでは屈折率１．４９７８、波長５８７．５６ｎｍでは屈折率１．４９１８、波長６５６．２７ｎｍでは屈折率１．４８９２、波長１０００ｎｍでは屈折率１．４８３３である。そして、図２に描かれているように、一般に短波長の光線５ａがより大きく屈折し、中波長の光線５ｂが中程度に屈折し、長波長の光線５ｃがより小さく屈折する。
【０００６】
図３は、図２のように出射角度に差が生じた光が受光部に照射される様子を示した説明図である。光線の波長により出射角度に差が生じているので、受光部と集光レンズの距離、波長による光線の角度差、受光範囲のサイズの関係によっては受光部に到達しない光が生じる。図３においては、中波長の光線５ｂは受光部６に到達するが、短波長の光線５ａおよび長波長の光線５ｃは受光部６に到達していない。
【０００７】
一般に集光レンズのサイズ（Ａ）と発電セルのサイズ（Ｂ）との比（Ａ／Ｂ）を幾何倍率という。近年では発電効率を向上させるために、幾何倍率を高めることが行われている。しかしながら、発電セルを小型化して幾何倍率を高めると、発電セルの受光部が狭くなり、上述したような受光部に到達しない光線が増え集光効率の低下が生じてしまう。
【０００８】
他方、集光レンズを大型化して幾何倍率を高めると、フレネルレンズはレンズの中心から遠くなるほどフレネルレンズの傾斜角度を大きくし屈折を強くする設計とするため、集光レンズ外周部ほど波長による光線の出射角度の差が大きくなる。また、集光レンズの傾斜角度を小さくするためフレネルレンズと受光部の距離を長くすると、光線の出射角度の差が同じでも受光部におけるずれ量は大きくなり、集光効率の低下が生じてしまう。
【０００９】
このように、幾何倍率を高めて発電効率を向上させようとしても、色収差による集光効率の低下が生じるため、発電効率の向上には限界が生じていた。
【００１０】
この色収差の防止に関しては、背面投射型ディスプレイの分野において、回折構造とフレネルレンズを組み合わせ、回折角度の波長依存性とフレネルレンズの屈折角度の波長依存性を補償させて色収差による着色を防止する技術が知られている（特許文献１）。また、液晶プロジェクタ分野でも同様の技術が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２５８８４５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７１５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、集光効率の低下を防止しつつ、太陽光発電装置に用いた場合に発電効率を高めることが可能な集光レンズの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、屈折構造と回折構造を組み合わせて設けることにより、集光レンズの色収差による太陽光の集光効率の低下を防止できることを見出し本発明を完成させた。
【００１４】
即ち、太陽光を集光する集光レンズであって、前記集光レンズが、波長が短い光線ほど光線の屈折角度が大きくなる屈折構造と、波長が短い光線ほど光線の回折角度が小さくなる回折構造とを備え、前記屈折構造によって生じる、光の波長の違いによる波長の分散と、前記回折構造によって生じる、光の波長の違いによる波長の分散とが、互いに打ち消しあい、前記集光レンズから出射する光の波長の分散が低減されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、色収差による集光効率の低下を防止できる太陽光発電装置用の集光レンズが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、従来の太陽光を集光する集光レンズの概要を示した概念図である。
【図２】図２は、図１の入射面２と出射面４付近を拡大した拡大図である。
【図３】図３は、図２のように出射角度に差が生じた光が受光部に照射する様子を示した説明図である。
【図４】図４は、本発明の太陽光を集光する集光レンズの一例について概要を示した概念図である。
【図５】図５は、図４の入射面２と出射面４付近を拡大した拡大図である。
【図６】図６は、図５のように出射角度の差が低減されて光が受光部に照射される様子を示した説明図である。
【図７】図７は、屈折構造と回折構造を設けた集光レンズと屈折構造のみを設けた集光レンズについて、集光レンズ中心からの距離と集光レンズの集光率の関係を示した比較図である。
【図８】図８は、本発明の太陽光を集光する集光レンズの好適な一例として外周部のみ回折構造を設けたものについての斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜集光レンズの概要＞
以下、本発明の太陽光を集光する集光レンズの概要について図を用いて説明する。
【００１８】
図４は、本発明の太陽光を集光する集光レンズの概要を示した概念図である。集光レンズ１の入射面２には回折構造７が設けられており、入射面２から入射した入射光３は、屈折構造としてフレネルレンズが形成された集光レンズ１の出射面４から出射した出射光５となって、光線の波長毎の出射角度の違い（分散・色収差）が低減された状態で集光され、太陽光発電セルなどの受光部６に照射される。
【００１９】
図５は、図４の入射面２と出射面４付近を拡大し説明のため模式的に示した拡大図である。入射面２に設けられた回折構造７により光線の波長の違いによる分散が生じた後、出射面４に設けられた屈折構造（フレネルレンズ）によって屈折するとともに光線の波長毎の分散が打ち消されている。
【００２０】
図６は、図５のように光線の波長の違いによる分散（色収差）が打ち消されて低減した光が受光部に照射する様子を示した説明図である。図３の従来の集光レンズと異なり波長の異なる光も受光部６に到達している。
＜屈折構造＞
本発明において、屈折構造は光を屈折させて集光させるレンズを意味し、特に、薄型、軽量化の実現のためフレネルレンズとすることが好ましい。
【００２１】
レンズ面での光線の波長と角度は次式の関係がある。なお、式中における各記号は下記のものを表している。入射光波長λ、フレネルレンズ面への入射側媒体の波長λの屈折率ｎ（λ）、出射側媒体の波長λの屈折率ｎ’（λ）、フレネルレンズ面に対する光線の入射角θｆ、出射角θｆ’。
【００２２】
【数１】
2012042926.tif 000003
【００２３】
そして、前述のPMMAにおける光の各波長における屈折率のように、一般的には、波長が短い光ほど屈折率が大きいので、フレネルレンズなどの屈折構造では、波長が短い光線ほど光線の屈折角度が大きなものとなる。
＜回折構造＞
一方、回折構造ないし回折格子での光線の波長と角度は次式の関係がある。なお、式中における各記号は下記のものを表している。入射光波長λ、回折次数m、回折構造ピッチｄ、回折構造への入射側媒体の波長λの屈折率ｎ（λ）、出射側媒体の波長λの屈折率ｎ’（λ）、回折構造への入射角θｄ、出射角θｄ’。
【００２４】
【数２】
2012042926.tif 000004
【００２５】
したがって回折構造においては、波長が短い光線ほど光線の回折角度が小さなものとなる。
【００２６】
回折構造には幾つかのタイプがあるが、矩形やスリットなどの回折構造は複数の次数の回折光が発生することが知られているため、本発明においては、回折構造としてブレーズ型回折構造が好適に用いられる。ここで、ブレーズ型とは、特定の次数の回折光へエネルギーを集中させるため回折構造の断面を鋸歯形状にすることをいい、ブレーズ型回折構造とは、回折構造を鋸歯形状としたものである。
＜屈折構造と回折構造の組み合わせ＞
本発明においては、屈折構造において発生する光の波長ごとの屈折角度の違いと、回折構造において発生する光の波長ごと回折角度の違いとが、互いに打ち消しあい（即ち屈折構造の分散と回折構造の分散とが、互いに打ち消しあい）、集光レンズからの出射光における光の分散が低減されるように、屈折構造と回折構造が設けられている。
【００２７】
回折構造と屈折構造は、集光レンズの入射側と出射側どちらにあってもよく、同じ面にあってもよい。回折構造が集光レンズの入射側で屈折構造が出射側であるとすると、回折構造の入射側と屈折構造の出射側が空気であり、式（１）のｎ’（λ）と式（２）のn（λ）は１である。そして、式（１）と（２）の関係から、波長による屈折角度の差が回折構造の１次光の波長による角度差と等しくなるような回折構造のピッチと鋸歯の傾斜角を決めることで、集光レンズの出射光の分散を打ち消すことができる。
【００２８】
屈折構造の光の分散を打ち消すための回折構造の構造について、以下に説明する。一般的な回折格子のピッチｄと回折角θoutの関係はsinθout-sinθin＝mλ/dという関係が成り立つ。回折格子に垂直に入射した場合の1次光はsinθout＝λ/dであるので回折角sinθoutが小さくなると、ピッチｄは大きくなる。屈折構造として設けられるフレネルレンズのレンズ傾斜角が小さいと、フレネルレンズから出射する光の屈折角度差が小さく、光の波長ごとの屈折角度差も小さいため、回折構造により光を大きく屈折させる必要がない。従って、屈折構造のレンズ傾斜角が小さい領域では、回折構造のピッチは大きく設定される。
【００２９】
集光レンズは、集光レンズの中心から遠くなるほどフレネルレンズのレンズ傾斜角を大きくし屈折を強くする設計となるため、集光レンズの中心から遠くなる部分ほど、光の波長ごとの屈折角度差が大きくなる。したがって、集光レンズの周辺部においては、フレネルレンズにより発生した屈折角度差を打ち消すために、回折構造により逆方向に光を大きく回折させる必要があるために、周辺部分に設けられる回折構造のピッチは小さくなる。一方で、集光レンズの中心に近い部分では、光を大きく屈折させる必要がなく、フレネルレンズのレンズ傾斜角が小さく設計されるために、回折構造のピッチが大きくなる。
【００３０】
回折構造のピッチｄが大きすぎると回折効果が得られなくなり、フレネルレンズのピッチｐが小さすぎるとフレネル面で回折効果が出てしまうため、回折構造のピッチをｄとしたとき、当該の回折構造を透過する光線の軌跡上に存在するフレネルレンズのピッチｐは、ｄ／ｐ  ＜  １／５を満たすことが好ましく、ｄ／ｐ  ＜  １／１０を見たすことが更に好ましい。また、
フレネルレンズのピッチｐとしては０．１以上であることが好ましい。ピッチｐの上限としては、太陽光発電セルなどの受光部６として設けられる部材の１辺サイズより小さいのが好ましい。
【００３１】
回折効率ηは波長により差が生じるが、次式のような関係があることがわかっている。なお、式中における各記号は下記のものを表している。回折効率η、入射光波長λ、回折次数m、波長λにおける屈折率ｎλ。
【００３２】
【数３】
2012042926.tif 000005
【００３３】
光の波長のうち５８７．５６ｎｍ（波長２）を基準波長としたとき、４８６．１３ｎｍ（波長１）の光線は式（３−１）と式（３−２）から回折効率８５%、６５６．２７ｎｍ（波長３）の光線は回折効率９６％となる。このように、基準波長との波長の差が大きくなるほど回折効率が低下する。また、式（３−２）から、１次の回折光以外の多次回折光は、光線の角度がずれ受光範囲へ到達しないことがわかる。この観点からも、本発明において好適に用いられる回折構造は、複数の次数の回折光が発生するスリット型や矩形型ではなく、１次回折光など特定の次数の回折光にエネルギーを集中させて出射することができるブリーズ型回折構造を用いることが好ましい。
【００３４】
太陽光発電装置用の集光レンズにおいては、集光レンズを透過した後の光線が太陽光発電セルなどの受光部に達すれば足り、必ずしも出射した光線を結像させる必要がない。従って、集光レンズを透過した後の光線が受光部の範囲内に到達しているかぎり、出射光の波長に応じて、ある程度の出射角度差が発生していてもよい。他方、回折構造を設けると、式（３−１）と式（３−２）で関係が示されるように多次回折光が受光範囲に到達せず回折効率が低下するので（１−η）の割合で光線のロスが生じる。図７は集光レンズの中心からの距離と、集光レンズの集光率との関係を模式的に示したグラフである。横軸が集光レンズ中心からの距離、縦軸がレンズの集光率であり、図中の集光レンズＡは集光レンズの片面に屈折構造を反対面に回折構造を設けた集光レンズであり、図中の集光レンズＢは集光レンズの片面に屈折構造を設けた集光レンズのそれぞれの集光率である。図中の集光レンズＢのように屈折構造のみのレンズは集光レンズ中心からの距離が離れると集光率が低下する。一方図中の集光レンズＡのように回折構造と屈折構造を設けた集光レンズは、集光レンズ中心からの距離が離れても集光率の低下する比率が小さい。このように、集光レンズＡと集光レンズＢとを比較すると、集光レンズ中心からの距離によって集光率の大小が逆転する位置（即ち、多次回折光による光のロスよりも、フレネルレンズの光の分散によるロスが大きくなる位置）がある。
【００３５】
本発明に基づく集光レンズでは、屈折のみでも受光範囲へ光が到達し、屈折構造と回折構造との両方を設けるよりも集光効率の高い集光レンズの中心付近では、回折構造を設けずに屈折構造のみが設けられる。また、屈折構造として設けられるフレネルレンズのレンズ傾斜角が大きくなり、分散により受光部の外に到達する光が多くなる集光レンズの周辺部に、回折構造と屈折構造とを設ける。このように、周辺部において屈折構造と回折構造との両方を設け分散を打ち消すことで、集光レンズの集光効率を向上させることができる。回折構造を設ける周辺部の範囲としては、集光レンズ入射面において、集光レンズから太陽光発電セルなどの受光部までの距離、即ちレンズ面と照射面の距離ｆの０．３倍以上集光レンズ中心から半径方向に外側の領域であることが好ましい。回折構造を設ける周辺部は、より好ましくは０．３５倍以上外側の領域、更に好ましくは０．４倍以上外側の領域である。集光レンズと受光部との距離０．３倍よりも半径方向内側の領域に回折構造を設けた場合、屈折構造のみを設けた場合よりも集光効率が低下する恐れがある。０．４倍以上外側の領域に回折構造を設けない場合、周辺部での集光効率が低下する傾向があるためである。図８は、このような集光レンズとしてフレネルレンズ４とレンズと対になる面の外周部のみ回折構造７を設けた集光レンズの例の斜視図である。
＜集光レンズの材料＞
集光レンズの材料としては、ガラスや合成樹脂等の透明材質を使用することができる。合成樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン、または、メチルメタクリレ−ト（ＭＭＡ）とスチレン（Ｓｔ）との共重合体等の高透明性の種々の合成樹脂を用いることができる。これらの樹脂は、金型を用いて、平面板を加熱しプレス成形する、または、加熱溶融した樹脂を射出成形する等の方法で、所望の集光レンズ形状に成形加工することができる。特に、ポリメチルメタクリレ−ト（ＰＭＭＡ）等のメタクリル樹脂が、その光線透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性にも優れており、導光体用材料として最適である。このようなメタクリル樹脂とは、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが８０重量％以上であることが好ましい。回折構造はフレネルレンズよりサイズがかなり小さいため、フィルム上に加工したものを集光レンズ本体に貼付けてもよい。
【実施例】
【００３６】
以下に、計算により求めた屈折構造および回折構造を有する集光レンズの実施例、屈折構造のみを有する集光レンズの比較例を示す。
＜実施例１＞  
集光レンズとして、板厚３．０mm、一辺が２２５mmの正方形（正方形の中心から角までの距離は約１５９ｍｍ、辺までの最短距離は約１１３ｍｍ）のPMMA板の片面に同心円状のフレネルレンズを設けたものを用いた。フレネルレンズのピッチは1mmとした。回折構造は集光レンズ中心から７０ｍｍより大きい部分に設けた。回折構造が集光レンズの入射側、フレネルレンズが出射側となるように配置した。
【００３７】
受光部として、一辺５mmの正方形である太陽光発電セルを用いた。集光レンズと受光部の距離は２００mmとし、集光レンズの中心と受光部の中心とが同一軸線上となるように配置した。即ち、本実施例においては、集光レンズと受光部との距離ｆの０．３５倍以上半径方向外側の領域に、回折構造を設けた。集光レンズの中心からの距離とフレネルレンズの傾斜角度（フレネルレンズ角度）、回折構造のピッチ、ブレーズ角度は表１のとおりである。これは、波長２の５８７．５６ｎｍの光線を基準に、集光レンズから出射した光が受光部の中心に集光するように設計したものである。受光部における波長４８６．１３ｎｍ（波長１）の光線、波長５８７．５６ｎｍ（波長２）の光線、波長６５６．２７ｎｍ（波長３）の光線の受光部での照射位置のずれは表１のとおりとなった。照射位置のずれは計算により求めた。表１に示されたように、中心からレンズの周辺部の全領域において、波長１、波長２、波長３のいずれの光も受光部（一辺５ｍｍの正方形）へ到達した。
【００３８】
【表１】
2012042926.tif 000006
【００３９】
＜実施例２＞
集光レンズとして、板厚３．０mm、一辺が２００mmの正方形（正方形の中心から角までの距離は約１４２ｍｍ、辺までの最短距離は約１００ｍｍ）のPMMA板の片面に同心円状のフレネルレンズを設けたものを用いた。フレネルレンズのピッチは1mmとした。回折構造は集光レンズ中心から９７ｍｍより大きい部分に設けた（即ち、集光レンズと太陽光発電セルとの距離ｆの０．９７倍以上半径方向外側の領域に回折領域を設けた）。回折構造が集光レンズの入射側、フレネルレンズが出射側となるように配置した。
【００４０】
受光部は実施例１と同様とした。集光レンズの中心からの距離とフレネルレンズの傾斜角度（フレネルレンズ角度）、回折構造のピッチ、ブレーズ角度は表２のとおりである。受光部での照射位置のずれは表３のとおりとなった。照射位置のずれは計算により求めた。波長１０００ｎｍ（波長４）についても同様に計算から照射位置を求めた。
表３に示されたように、中心からレンズの周辺部の全領域において、波長１、波長２、波長３のいずれの光も受光部（一辺５mmの正方形）へ到達した。
【００４１】
【表２】
2012042926.tif 000007
【００４２】
【表３】
2012042926.tif 000008
【００４３】
＜比較例１＞
集光レンズとして、板厚３．０mm、一辺が２２５mmの正方形（正方形の中心から角までの距離は約１５９ｍｍ、辺までの最短距離は約１１３ｍｍ）のPMMA板の片面に同心円状のフレネルレンズを設けたものを用いた。フレネルレンズのピッチは1mmとした。回折構造は設けなかった。その他の構成は実施例１と同様とした。受光部での照射位置のずれは表４のとおりとなった。
【００４４】
波長２を基準としてフレネルレンズを構成しているために、基準波長である波長２は集光レンズの全域に渡って受光部に集光されていた。しなしながら、中心からの距離が１３０ｍｍよりも周辺部では、波長４が受光部に照射されておらず、中心から１５９ｍｍの場所では波長１も受光部に照射されていなかった。このように、基準波長以外の波長では周辺部にいくに従って、照射位置のずれが大きくなり、受光部へ到達しない光線も生じた。
【００４５】
このように、実施例１および実施例２においては、集光レンズの全域において波長の分散が抑制され、ほぼ広い波長帯の光が受光部に到達する。一方で、比較例の集光レンズは、一部波長の光が受光部に到達せず、比較例のような集光レンズを太陽光発電装置に用いた場合には、実施例１および２の集光レンズを用いた場合と比較して発電量が低下する。
【００４６】
【表４】
2012042926.tif 000009
【符号の説明】
【００４７】
１  集光レンズ
２  入射面
３  入射光
４  出射面
５  出射光
５ａ  短波長の光線
５ｂ  中波長の光線
５ｃ  長波長の光線
６  受光部
７  回折構造
A  回折構造と屈折構造を設けたレンズの集光率
B  屈折構造のみの集光レンズの集光率
【図１】
2012042926.tif 000010
【図２】
2012042926.tif 000011
【図３】
2012042926.tif 000012
【図４】
2012042926.tif 000013
【図５】
2012042926.tif 000014
【図６】
2012042926.tif 000015
【図７】
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【図８】
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