(57)【要約】【課題】光伝送ロスを低減できる光伝送装置を提供する。【解決手段】太陽集光用ファイバ２は、光を波長変換して散乱する蛍光物質散乱体８を含むコア部６と、このコア部６の周囲に設けられて、所望の波長領域の光を選択的に透過すし、かつ、かつ、上記所望の波長領域以外の光を反射する波長選択性透過膜７とを有する。蛍光物質散乱体８で波長変換されて散乱された光は、上記所望の波長領域以外の波長領域に主発光ピークを有する。これにより、コア部６の周面から太陽集光用ファイバ２外に出る光を波長選択性透過膜７で防ぐことができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を波長変換して散乱する蛍光物質散乱体を含むコア部と、このコア部の周囲に設けられて、所望の波長領域の光を選択的に透過し、かつ、上記所望の波長領域以外の光を反射する波長選択性透過膜とを有する集光用ファイバを備え、
上記蛍光物質散乱体で波長変換されて散乱された光は、上記所望の波長領域以外の波長領域に主発光ピークを有することを特徴とする光伝送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光伝送装置において、
上記集光用ファイバのコア部からの光が入射するコア部を有する光伝送用ファイバを備え、
上記光伝送用ファイバのコア部は、光を波長変換して散乱する蛍光物質散乱体を含んでいないことを特徴とする光伝送装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光伝送装置において、
上記光伝送用ファイバのコア部の屈折率は、上記集光用ファイバのコア部の屈折率に比べて大きいことを特徴とする光伝送装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光伝送装置において、
上記光伝送用ファイバのコア部の周囲にクラッド部が設けられ、
上記光伝送用ファイバのコア部と、上記光伝送用ファイバのクラッド部との間には、上記光伝送用ファイバのコア部内を伝搬する光を反射可能な反射層を設けていることを特徴とする光伝送装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光伝送装置において、
上記反射層は金属または誘電体から成っていることを特徴とする光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自然光や人工光を集光して所望箇所まで光伝送するための光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバの側面で太陽光を受けて集光する装置がある。例えば、特開平３−５９９０１号公報(特許文献１)や特開平７−５７５２５号公報(特許文献２)では、ファイバのコア内に蛍光物質散乱体を添加した集光用ファイバが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−５９９０１号公報
【特許文献２】特開平７−５７５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１，２では、光ファイバ内は全反射条件を満たす角度以下の光だけが高効率で伝搬されるため、幾何光学的には蛍光物質散乱体で伝搬方向がランダムとなった光は、その一部だけしか光ファイバ内を伝搬しなくなる。このため、光伝送ロスが大きいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、光伝送ロスを低減できる光伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の光伝送装置は、
光を波長変換して散乱する蛍光物質散乱体を含むコア部と、このコア部の周囲に設けられて、所望の波長領域の光を選択的に透過し、かつ、上記所望の波長領域以外の光を反射する波長選択性透過膜とを有する集光用ファイバを備え、
上記蛍光物質散乱体で波長変換されて散乱された光は、上記所望の波長領域以外の波長領域に主発光ピークを有することを特徴としている。
【０００７】
上記構成によれば、上記集光用ファイバに光を入射させた場合、その光のうち所望の波長領域の光が波長選択性透過膜を透過して集光用ファイバのコア部に入る。そして、上記集光用ファイバのコア部に入った光は蛍光物質散乱体で波長変換されて散乱する。この散乱された光の主発光ピークは上記所望の波長領域以外の波長領域にあるので、上記散乱された光がコア部の周面から集光用ファイバ外に出るのを波長選択性透過膜で防ぐことができる。その結果、上記集光用ファイバを伝搬する光の量が増やすことができ、光伝送効率を高くすることができる。
【０００８】
したがって、光伝送ロスを低減できる光伝送装置を提供することができる。
【０００９】
一実施形態の光伝送装置は、
上記集光用ファイバのコア部からの光が入射するコア部を有する光伝送用ファイバを備え、
上記光伝送用ファイバのコア部は、光を波長変換して散乱する蛍光物質散乱体を含んでいない。
【００１０】
上記実施形態によれば、上記光伝送用ファイバのコア部には集光用ファイバのコア部からの光が入射するが、光伝送用ファイバのコア部は上記蛍光物質散乱を含んでいないので、光伝送用ファイバのコア部における光伝送効率の低下を防ぐことができる。
【００１１】
一実施形態の光伝送装置では、
上記光伝送用ファイバのコア部の屈折率は、上記集光用ファイバのコア部の屈折率に比べて大きい。
【００１２】
上記実施形態によれば、上記光伝送用ファイバのコア部の屈折率が、集光用ファイバのコア部の屈折率よりも大きいことにより、光伝送用ファイバのコア部の集光用ファイバ側の端面の法線に対する光の出射角が、光伝送用ファイバのコア部の集光用ファイバ側の端面の法線に対する光の入射角よりも小さくなる。その結果、上記光伝送用ファイバのコア部の周面の法線に対する光の入射角が大きくなるので、この周面で全反射する光の量を増やすことができる。
【００１３】
一実施形態の光伝送装置では、
上記光伝送用ファイバのコア部の周囲にクラッド部が設けられ、
上記光伝送用ファイバのコア部と、上記光伝送用ファイバのクラッド部との間には、上記光伝送用ファイバのコア部内を伝搬する光を反射可能な反射層を設けている。
【００１４】
上記実施形態によれば、上記光伝送用ファイバのコア部と、上記光伝送用ファイバのクラッド部との間に、光伝送用ファイバのコア部内を伝搬する光を反射可能な反射層を設けているので、光伝送用ファイバのコア部の周面において全反射の条件を満たさない光を反射層で反射可能である。したがって、上記光伝送用ファイバの光伝送ロスを低減できる。
【００１５】
一実施形態の光伝送装置では、
上記反射層は金属または誘電体から成っている。
【００１６】
上記実施形態によれば、上記反射層は金属または誘電体から成っているので、反射層の反射効率を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光伝送装置によれば、光を波長変換して散乱する蛍光物質散乱体を含むコア部と、このコア部の周囲に設けられて、所望の波長領域の光を選択的に透過し、かつ、上記所望の波長領域以外の光を反射する波長選択性透過膜とを有する集光用ファイバを備え、蛍光物質散乱体で波長変換されて散乱された光は、上記所望の波長領域以外の波長領域に主発光ピークを有することによって、コア部の周面から集光用ファイバに出る光を波長選択性透過膜で防ぐことができるので、光伝送ロスを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の太陽光伝送装置の概略斜視図である。
【図２】図２は従来のガラスファイバの集光動作を説明するための模式図である。
【図３】図３は太陽光の強度と波長選択性透過膜の反射率とに関するグラフである。
【図４】図４は上記第１実施形態の太陽集光用ファイバの集光動作を説明するための模式図である。
【図５】図５は上記太陽集光用ファイバと第１光伝送用光ファイバとの接続状態を説明するための模式図である。
【図６】図６は図５のVI−VI線矢視の模式断面図である。
【図７】図７は本発明の第２実施形態の太陽集光用ファイバと光伝送用中空光ファイバとの接続状態を説明するための模式図である。
【図８】図８は図７のVIII−VIII線矢視の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の光伝送装置を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００２０】
〔第１実施形態〕
図１に、本発明の第１実施形態の太陽光伝送装置の概略斜視図を示す。
【００２１】
上記太陽光伝送装置は、台座１に保持された太陽集光用ファイバ２と、この太陽集光用ファイバ２の一方の端部に接続部４で接続された第１光伝送用光ファイバ３Ａと、太陽集光用ファイバ２の他方の端部に接続部４で接続された第２光伝送用光ファイバ３Ｂとを備えている。なお、太陽集光用ファイバ２は集光用ファイバの一例であり、第１，第２光伝送用光ファイバ３Ａ，３Ｂは光伝送用ファイバの一例である。
【００２２】
上記台座１は、屋外に設定され、水平方向に対して傾斜した搭載面１ａを有している。この搭載面１ａ上には太陽集光用ファイバ２を搭載している。
【００２３】
上記太陽集光用ファイバ２は、搭載面１ａの一端から他端までの間を複数回往復するように引き回して、より多くの部分が搭載面１ａ上に乗るようにしている。この太陽集光用ファイバ２の側面から太陽集光用ファイバ２内に太陽光５を入射させることにより、第１，第２光伝送用光ファイバ３Ａ，３Ｂを介して所望の場所へ伝送できるようになっている。
【００２４】
従来、上記太陽集光用ファイバ２の代わりに、図２に示すように、光散乱体１０３が添加されたガラスファイバ１０１が用いられていた。太陽光１０２がガラスファイバ１０１の側面からガラスファイバ１０１内に入射した後、光散乱体１０３によって、実線矢印１０４の方向へ散乱されたとする。この実線矢印１０４の方向へ進む光が、空気とガラスファイバ１０１の境界周面の法線となす角をθ１とする。そうすると、実線矢印１０４の方向へ進む光は、一部が上記境界周面を透過して実線矢印１０５の方向へ進み、他の一部が上記境界周面で反射されて実線矢印１０６の方向へ進む。ここで、θ１が臨界角より大きければ、実線矢印１０４の方向へ進む光のほとんどが上記境界周面で反射されるが、θ１が臨界角より小さければ、実線矢印１０４の方向へ進む光は上記境界周面での反射および透過を繰り返して、伝送光が消失してしまう。このガラスファイバ１０１の屈折率を１．４、空気の屈折率を１．０とすると、スネルの法則から臨界角は４６度となる。このため、θ１が４６度以上となるように光散乱体１０３で散乱された光は伝送されるが、それ以外の光はガラスファイバ１０１の端面まで伝送されないことになる。
【００２５】
これに対して、本第１実施形態の太陽集光用ファイバ２は、図４に示すように、波長選択性透過膜７を有するガラスファイバである。この太陽集光用ファイバ２の集光動作について、図３および図４を用いて説明する。
【００２６】
図３に、太陽光の波長−強度分布特性(ＡＭ(エアマス)１．５)を点線で示すと共に、波長選択性透過膜７の波長−反射率特性を実線で示している。
【００２７】
上記波長選択性透過膜７では、７００ｎｍ未満の波長の光のほとんどが上記波長選択性透過膜７を完全に透過し、７００ｎｍ以上の光のほとんどが波長選択性透過膜７で完全に反射される。
【００２８】
このような特性を有する波長選択性透過膜７を、図４に示すように、石英ガラスから成るコア部６の周面にコーティングしている。また、コア部６は、６５０ｎｍ近傍の光を吸収し、７５０ｎｍピークの発光特性を持つ蛍光物質散乱体８を含んでいる。この蛍光物質散乱体８は、図中では１つしか図示していないが、径方向および軸方向にわった均等となるようにコア部６に複数含ませている。太陽集光用ファイバ２の側面である波長選択性透過膜７の周面から太陽光９が入射すると、波長７００ｎｍ以下の光は波長選択性透過膜７を透過する。これにより、蛍光物質散乱体８で散乱された７５０ｎｍ波長光の一部が実線矢印１０の方向へ進む。この実線矢印１０の方向へ進む光が、コア部６と波長選択性透過膜７の境界周面の法線となす角をθ２とする。ここで、波長選択性透過膜７は７００ｎｍ以上の光をほとんど反射するので、θ２の大きさに拘わらず、入射光のほとんどを反射することができる。したがって、図２の従来のガラスファイバ１０１に比べて、蛍光物質散乱体８で散乱されて様々な方向に向かう光を伝送することができる。さらに、蛍光物質散乱体８の波長変換特性や、波長選択性透過膜７の波長特性を調整することによって、ファイバ側面から入射してからファイバ端面へ到達する光量を高めることができる。
【００２９】
しかし、上記太陽集光用ファイバ２内に蛍光物質散乱体８が含まれていると、吸収失活によるエネルギー減衰や進行逆方向への散乱などによって、伝送効率が低下する。その材料コストも発生する。また、波長選択性透過膜７も誘電体の多層コーティングで形成されるため高価である。したがって、太陽集光用ファイバ２を集光動作しない光伝送用途にも使用するのは適切であるとはいえないので、伝送用には通常の光ファイバつまり第１，第２光伝送用光ファイバ３Ａ，３Ｂを用いている。
【００３０】
図５に、太陽集光用ファイバ２と第１光伝送用光ファイバ３Ａとの接続状態を説明するための模式図を示す。また、図６に、図５のVI−VI線から見た模式断面図である。
【００３１】
上記第１光伝送用光ファイバ３Ａは、図５，図６に示すように、石英ガラスから成って太陽集光用ファイバ２のコア部６の屈折率よりも屈折率が大きいコア部１２と、このコア部１２の周面を覆うクラッド部１３とを有する。このクラッド部１３も石英ガラスからなり、クラッド部１３の屈折率をコア部１２の屈折率よりも小さくしている。この第１光伝送用光ファイバ３Ａの一方の端面が太陽集光用ファイバ２の一方の端面に接するように、第１光伝送用光ファイバ３Ａを太陽集光用ファイバ２を接続している。また、太陽集光用ファイバ２の一方の端面と第１光伝送用光ファイバ３Ａの一方の端面との境界端面の法線に対して、太陽集光用ファイバ２で伝送されてきた光１４がなす角をθ３とする。
【００３２】
仮に、上記第１光伝送用光ファイバ３Ａのコア部１２の屈折率が太陽集光用ファイバ２のコア部６の屈折率と等しいとすると、太陽集光用ファイバ２から第１光伝送用光ファイバ３Ａに入った光は点線矢印１５の方向へ進む。この光は、コア部１２とクラッド部１３の境界周面の法線となす角θ４で、上記境界周面に入射する。ここで、コア部１２の屈折率を１．４とし、クラッド部１３の屈折率を１．３とすると、スネルの法則から臨界角は６８度となる。θ３を２４度としたとき、θ４は６６度であるので、全反射はされず、光強度は大幅に減衰していくことになる。このように、太陽集光用ファイバ２で波長選択性透過膜７によって角度に依らず光伝送されても、ファイバ３０へ入射すると一部の光は伝送されないことになる。
【００３３】
これに対して、上記第１光伝送用光ファイバ３Ａのコア部１２の屈折率が太陽集光用ファイバ２のコア部６の屈折率よりも大きい場合として、コア部６の屈折率が１．４で、コア部１２の屈折率が１．６の場合を説明する。このとき、太陽集光用ファイバ２から第１光伝送用光ファイバ３Ａに入った光は、上記境界端面の法線となす角θ５で、実線矢印３５の方向へ進む。この光は、上記境界周面の法線となす角θ６で、上記境界周面に入射する。θ３が同様に２４度であるとき、スネルの法則からθ５は２１度であり、θ６は６９度となる。ここで、クラッド部１３の屈折率を１．５とすると、スネルの法則から臨界角は７０度となるので、全反射されて、高効率で光伝送できることになる。
【００３４】
したがって、上記太陽集光用ファイバ２のコア部６の屈折率に比べて、第１光伝送用光ファイバ３Ａのコア部１２の屈折率が大きいので、これらの屈折率を同じにするよりも光伝送効率を高めることができる。
【００３５】
なお、図示しないが、上記第２光伝送用光ファイバ３Ｂの一方の端面が太陽集光用ファイバ２の他方の端面に接するように、第２光伝送用光ファイバ３Ｂを太陽集光用ファイバ２に接続している。また、第２光伝送用光ファイバ３Ｂの構成は第１光伝送用光ファイバ３Ａの構成と同じである。
【００３６】
以上、上記第１実施形態で太陽光伝送装置の動作について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り、太陽集光用ファイバ２および第１，第２光伝送用光ファイバ３Ａ，３Ｂは、いわゆるグレーディッド型と呼ばれる屈折率分布を持つファイバでも構わない。
【００３７】
また、上記波長選択性透過膜７とは異なる反射特性を有する波長選択性透過膜を用いた場合、７５０ｎｍ以外の波長に主発光ピークを有する蛍光物質散乱体を用いてもよい。この場合、例えば、約４２０ｎｍに主発光ピークを有するＰＯＰＯＰ(Ｐ−ジ(５−フェニル−２−オキサゾリル)ベンゼン)、４２５ｎｍに主発光ピークを有するＰＭＰ(１−フェニル−３−メシチル−２−ビラゾリン)、４４５ｎｍに主発光ピークを有するＴＰＢ(１,１,４,４-テトラフェニル-1,3-ブタジエン)、４５０ｎｍに主発光ピークを有するＤＰＨ(１,６−ジフェニル−1,3,5−ヘキサトリエン)、４８０ｎｍに主発光ピークを有するＢＢＱ(ベンゾイミダゾ−ベンズイソチノリン−７−オン)、５１０ｎｍに主発光ピークを有する３ＨＦ(３−ヒドロオキシフラボン)などいったものを蛍光物質散乱体の一例として使用できる。
【００３８】
また、上記第１実施形態では、太陽集光用ファイバ２で集光した光を第１，第２光伝送用光ファイバ３Ａ，３Ｂで伝送していたが、太陽集光用ファイバ２で集光した光を太陽集光用ファイバ２だけで伝送するようにしてもよい。
【００３９】
〔第２実施形態〕
図７に、本発明の第２実施形態の太陽光伝送装置における太陽集光用ファイバ２と光伝送用中空ファイバ２０１との接続状態を説明するための模式図を示す。また、図８に、図７のVIII−VIII線から見た模式断面図を示す。なお、図７，図８の太陽集光用ファイバ２は図５の太陽集光用ファイバ２と同一であるので、図７，図８の太陽集光用ファイバ２の説明を省略する。
【００４０】
上記太陽光伝送装置は、図７，図８に示すように、太陽集光用ファイバ２からの光を伝送するために、光伝送用中空ファイバ２０１を備えている点が上記第１実施形態とは異なっている。この太陽集光用ファイバ２と光伝送用中空ファイバ２０１とを端面同士が接するように互いに接続している。なお、光伝送用中空ファイバ２０１は光伝送用ファイバの一例である。
【００４１】
上記光伝送用中空ファイバ２０１は、中空コア部２０２と、この中空コア部２０２の周囲に設けられたクラッド部２０４と、クラッド部２０４の内周面に設けられた銀皮膜反射層２０３と、を有している。なお、銀皮膜反射層２０３は反射層の一例である。
【００４２】
上記太陽集光用ファイバ２内の光２０５は、太陽集光用ファイバ２の光伝送用中空ファイバ２０１側の端面つまり境界端面に入射する。このとき、上記光２０５が上記境界端面の法線に対してなす角をθ７とする。また、上記境界端面を透過した光２０６が上記境界端面の法線に対してなす角をθ８とする。そして、太陽集光用ファイバ２のコア部６の屈折率を１．４とし、光伝送用中空ファイバ２０１の中空コア部２０２の屈折率を１．０とする。ここで、上記第１実施形態と同様にθ７が２４度であるとき、スネルの法則からθ８は３５度となる。これから銀皮膜反射層２０３への入射角が求まるが、銀皮膜反射層２０３は角度に依らず光を反射することができる。したがって、コア部１２とクラッド部１３の屈折率差による全反射と比較して、銀皮膜反射層２０３による反射は、反射率が低いが、角度依存性がない。その結果、第１，第２光伝送用光ファイバ３Ａ，３Ｂに比べて、光伝送用中空ファイバ２０１は伝送距離が短いほど光伝送効率が高くなる。
【００４３】
以上、上記第２実施形態で太陽光伝送装置の動作について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り、上記第２実施形態を変更してもよい。
例えば、上記第２実施形態の銀皮膜反射層２０３に換えて、銀以外の金属から成る反射層を用いてもよいし、誘電体から成る反射層を用いてもよい。
【００４４】
また、上記第１，第２実施形態では、太陽光を伝送する装置に本発明を適用していたが、太陽光以外の光(例えばＬＥＤ(発光ダイオード)の出射光)を伝送する装置に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
２…太陽集光用ファイバ
３Ａ…第１光伝送用光ファイバ
３Ｂ…第２光伝送用光ファイバ
６，１２…コア部
７…波長選択性透過膜
８…蛍光物質散乱体
１３…クラッド部
２０１…光伝送用中空ファイバ
２０２…中空コア部
２０３…銀皮膜反射層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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