(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする課題は、太陽エネルギー利用の難しさを抑えることである。そのためには反射・屈折といった光路制御を容易、高分解能、安価にする必要があり、そのために安価で高分解能の光源方向検出方法が必要である。【解決手段】  レンズ１１と、複数の光センサー（図では１と２）を配置することで、光センサーへの入射光量が、レンズ１１への光の入射角θに依存するようになり、入射光量からθを逆算する電子回路部２１をそれら複数の光センサーと接続し、電気量あるいはデジタル値として入射角θを得ることができる光入射角センサーを構成する。本光入射角センサーにより、光源の方向を高分解能で得ることができ、鏡、レンズ、プリズムといった光学素子をより高精度に制御できるようになり、太陽エネルギーの利用を後押しすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光に関する物理量を電気量に変換するための光センサーと、
レンズと、
電子回路部と、
筐体と、
から成る光入射角センサーであって、
２つ以上の前記光センサーを、受光面が同一の方向を向くように並べて配置して光センサー群を成し、
前記光センサー群の受光面への光路に前記レンズを配置することで個々の前記光センサーの受光面に到達する光量に、前記レンズへの入射角依存を作り、
前記光センサー群の個々の前記光センサーの受光面に到達する光量を電気量に変え、さらにそれから入射角を演算する前記電子回路部を前記光センサー群と電気的に接続し、かつ前述の構成で前記光センサー群と前記レンズを保持する前記筐体、
という構成の光入射角センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の入射角を測定する光入射角センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化などの環境問題に対する関心は近年ますます高まっている。地球温暖化対策として、人々が生活や生産活動に使うエネルギーを化石燃料から再生可能エネルギーへ移行していくことが強く望まれている。環境問題に対する人々の理解も深まり、化石燃料から再生可能エネルギーへの移行は着実に進んでいるものの、その移行速度は地球温暖化対策として十分といえるものではない。
【０００３】
再生可能エネルギーの一つである太陽エネルギーは、８７ＰＷ（ペタワット）という凄まじい量が地表に届いている。２００８年の人類のエネルギー消費は、ワット換算で１５ＴＷ（テラワット）程度であり、実に６０００倍近いエネルギーが降り注いでいるのである。しかし、太陽エネルギーはなかなか生活や生産活動に利用されなかった。近年になり、温水器の熱源としての利用、また１９９０年代に入り、太陽光発電が本格的に普及し始めたが、地球温暖化対策という観点からも、さらなる利用形態の拡大、太陽エネルギーの利用率の向上が望まれる。
【０００４】
太陽熱発電において、特にタワー式太陽熱発電と呼ばれる方式では、ヘリオスタットと呼ばれる可動式反射鏡を制御して、集光塔（集光タワー）の頂上付近に設けた集熱板に太陽光を誘導し、太陽を熱源利用して発電している。そのヘリオスタットの向きを制御するために、光センサーを用いた方式なども考えられている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、光の入射角を高分解能で得られるセンサーがあれば、集熱板への集熱率の向上や、より遠方からの集光も可能となり、太陽エネルギーの利用形態の一つである太陽熱発電の効率・コストなどを改善できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−６６４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、太陽エネルギー利用の難しさを抑えることである。そのためには反射、屈折といった光路制御をできるだけ容易、高精度、安価にする必要があり、そのために安価、高分解能の光源方向検出方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために考案された光入射角センサーであって、光に関する物理量を電気量に変換する光センサーと、レンズと、電子回路部と、筐体と、から成る光入射角センサーであって、２つ以上の前記光センサーを、受光面が同一の方向を向くように並べて配置して光センサー群を成し、前記光センサー群の受光面への光路に前記レンズを配置することで個々の前記光センサーの受光面に到達する光量（以下、入射光量という）に前記レンズへの入射角依存を作り、前記光センサー群の個々の前記光センサーの入射光量を電気量に変え、さらにそれから入射角を演算する前記電子回路部を前記光センサー群と電気的に接続し、かつ前述の構成で前記光センサー群と前記レンズを保持する前記筐体、という構成の光入射角センサーである。
【０００８】
このような構成とすることで、前記光センサー群を成す各々の前記光センサーへの入射光量が、前記レンズへの光の入射角に依存するようになる。前記レンズの光軸と、前記レンズへの光の入射角の成す角をθ、φ（光源の方向を１方向に限定するには２つの角度が必要なためθ、φの２変量が必要）とすると、前記レンズと前記光センサー群の幾何的配置により、あるθ、φの変化に対して、ある前記光センサーへの入射光量は増加し、また別のある前記光センサーへの入射光量は減少する、といった特性を自由に持たせることができる。より詳しく述べるならば、前記レンズと前記光センサー群の距離、前記レンズの径、前記光センサーの大きさ、なども、前述した入射光量に影響する。言い換えると、それらをパラメータとして、前記光センサーへの入射光量を自由に設計できる。
【０００９】
このように、前記光センサー群の各々の前記光センサーの入射光量には入射角θ、φへの依存性を持たせることができる。あとは各々の前記光センサーから得られる電気量（光センサーは光量、光束といった光に関する量を、電気的な量に変換する素子である）から入射角θ、φを逆算する。前記電子回路部にθ、φを逆算するためのアナログ回路を構成して、θ、φを示すようなアナログの電気量を本光入射角センサーの出力とすることもできるし、前記電子回路部にＡＤ変換機能とデジタル演算機能、通信機能などを持たせてデジタル値として逆算し、θ、φをデジタル出力する構成も可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、本光入射角センサーへの入射光の入射角θ、φを電気量、あるいはデジタル値として得ることができる。すなわち光源の方向を本光入射角センサーによって知ることができ、鏡やレンズ、プリズムなどの光学素子をより正確に制御できるようになる。それにより、太陽光の利用形態を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、光入射角センサーのもっとも簡単な構成となる、入射角を１軸で検出する場合の構成を示したものである。
【図２】図２は、図１の構成の光入射角センサーの各光センサーの受光量の理論値を説明するための図である。
【図３】図３は、図２と同様受光量の理論値を説明するための図であるが、図２とは入射角θの大きさが異なる。
【図４】図４は、図１の構成の光入射角センサーの、２つの光センサーの入射光量比を示すものである。
【図５】図５は、入射角を２軸で検出する場合の構成を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第一実施形態］
本発明が主張する光入射角センサーの構成の中で、最も簡単な構成となる場合を図１に示す。以降これを第一実施形態とする。
【００１３】
図１に基づいて、第一実施形態の構成を説明する。なお、以下の説明は、図１（Ａ）の左方向に光源があるものと考えるとセンサーの構成を理解しやすい。図１（Ｂ）は図１（Ａ）の（ｂ）−（ｂ）断面を示す。フレネルレンズ１１の光軸AOを対称軸として、光センサー１、２を配置する。ここで、前記光センサー１、２は、光に関する物理量から電気量を得る素子であって、例えばフォトカプラ、光電子増倍管（PMT）、フォトトランジスタ、太陽電池などである。前記光センサーは電子回路部２１にそれぞれ電気的に接続され、筐体３１が前記フレネルレンズ１１、前記光センサー１、２、前記電子回路部２１を保持している。
【００１４】
続いて、図２と図３を用いて光センサー１、２への入射光量の理論値を算出する手順と、その結果得られる光センサー１、２の入射光量Q1、Q2を示す。図２と図３の違いは、フレネルレンズ１１への入射光の入射角θが異なることである。
【００１５】
先に、図２、図３に現れる符号をまとめて記載する。まず、装置を構成するものに対応する３つの符号について記載する。
１ｓ：図１における光センサー１の受光面を示す。上下方向の長さはD/2とする。
２ｓ：図１における光センサー２の受光面を示す。上下方向の長さはD/2とする。
１１：図１におけるフレネルレンズ１１。説明のため、レンズ径はDとする。
以下は当発明の主張する装置の原理について説明するための符号である。
O：フレネルレンズ１１上で、光軸が通る点。レンズの中心。
AO：フレネルレンズ１１の光軸。
ここで説明を容易にするため、上記のOを原点とし、AOをx軸とする平面直交座標系を導入する。図２、図３中の、yと上端に記された破線がy軸である。
LO：フレネルレンズ１１に対して入射角θで入射し、レンズの中心を通る光路。
f：フレネルレンズ１１の焦点距離。
F：入射角θでフレネルレンズ１１に入射した平行光線の焦点。
LOU：LOに平行で、フレネルレンズ１１の上端に入射する光路。
LOL：LOに平行で、フレネルレンズ１１の下端に入射する光路。
LU：LOUが、フレネルレンズ１１を通過して屈折した場合の光路。
LL：LOLが、フレネルレンズ１１を通過して屈折した場合の光路。
s：受光面１ｓ、２ｓの境界。この説明では光軸AO上とし、fよりも原点寄りとする。
D/2：フレネルレンズ１１の上端座標。
-D/2：フレネルレンズ１１の下端座標。
L1：焦点Fからセンサー受光面１ｓの上端を逆に辿った光路。
L2：焦点Fからセンサー受光面２ｓの下端を逆に辿った光路。
LM：焦点Fからセンサー受光面１ｓ、２ｓの境界sを逆に辿った光路。
S1：L1のy切片。
S2：L2のy切片。
SM：LMのy切片。
【００１６】
図２と図３において原理を説明する前に留意点を述べる。１１はフレネルレンズなので、厳密に言えば、Fは図面手前と奥に広がる直線であり、フレネルレンズ１１、光センサー１、２やその他図中に現れる光路なども、図の手前と奥に広がっているが、原理の説明においては図２に示す平面上でのみ考え、また平面として考えても光センサー１、２の入射光量の議論には差し支えない。
【００１７】
まず、図２と図３の各符号の詳細を説明する。フレネルレンズ１１の中心Oを通る入射角θの光路LOの、x=fの点F=(f,f tanθ)が、フレネルレンズ１１に入射角θで入射する光の焦点Fになる。従って、フレネルレンズ１１の上端、下端に入射角θで入射する光路LOU、LOLのフレネルレンズ１１通過後の光路は、焦点Fに向かうLU、LLとなる。
【００１８】
光路L1は焦点Fからセンサー１受光面１ｓの上端を通る光路を逆算したものである。同様に、L2は焦点Fからセンサー２受光面２ｓの下端を通る光路を逆算したものであり、光路LMは焦点Fからセンサー１、２の受光面の境界ｓを通る光路を逆算したものである。
【００１９】
S1、S2、SMは、それぞれ光路L1、L2、LMのy切片である。
【００２０】
光路LMは、入射角θで入射しフレネルレンズ１１を通る光が、受光面１ｓ側、２ｓ側のどちらを通るかの境界線となる。LMのy切片SMより上の位置を通ってフレネルレンズ１１に入射角θで入射する光はLMより上を通って焦点Fに向かうため受光部１ｓ側を通り、SMより下の位置を通ってフレネルレンズ１１に入射角θで入射する光は受光部２ｓ側を通る。
【００２１】
同様に、L1は、受光部１ｓに入射し得る光路の上限を示し、L2は受光部２ｓに入射し得る光路の下限を示す。
【００２２】
S1、S2、SMは、光センサー１、２の入射光量Q1、Q2を考える場合に重要な要素であるため、さらに詳しく説明する。S1、S2、SMは、入射角θから焦点Fを求め、その焦点Fからセンサー受光面１ｓ、２ｓの上端、下端、接点を通る線を求めて逆算したものである。従って、焦点Fは入射角θの関数であり、それが関わったS1、S2、SMも入射角θの関数である。
【００２３】
S1(θ)の意味するところは、この座標より上の位置でフレネルレンズ１１に入射した入射角θの光は受光面１ｓには入射しないということである。同様に、S2(θ)より下の位置でフレネルレンズ１１に入射した入射角θの光は受光面２ｓには入射しない。SM(θ)より上の座標を通ってフレネルレンズ１１に入射する入射角θの光は、受光面１ｓに入るか受光面１ｓより上側を通るか（決して受光面２ｓには入射しない）であり、SM(θ)より下の座標を通ってフレネルレンズ１１に入射する入射角θの光は、受光面２ｓに入るか受光面２ｓより下側を通るか（決して受光面１ｓには入射しない）である。
【００２４】
図３は、図２よりも入射角θの値が大きい状況を示している。ここで、双方の図のLUを見比べると、図２のLUは受光面１ｓを通過している（つまり１ｓに入射している）が、図３のLUは受光面１ｓに入ることなく焦点Fに達している。これは、図３の場合、LOUが、フレネルレンズ１１のS1より上に入射しているからである。
【００２５】
以上を踏まえてS1(θ)、S2(θ)、SM(θ)についてまとめると次のようになる。
【００２６】
入射角θでフレネルレンズ１１に入射する光において、
受光部１ｓに入射する光は、S1(θ)とSM(θ)の間にあるレンズを通過した光である。
受光部２ｓに入射する光は、S2(θ)とSM(θ)の間にあるレンズを通過した光である。
【００２７】
次に、S1(θ)、S2(θ)、SM(θ)を求める手順と結果を示す。
【００２８】
焦点Fの座標は、LOが傾きtanθの直線なので、F(f,f tanθ)である。受光面１ｓ、２ｓのx座標をs（s＜f）とすると、受光面１ｓの上端の座標は(s,D/2)、受光面１ｓと２ｓの境界の座標は(s,0)、受光面２ｓの下端の座標は(s,-D/2)となるので、焦点Fと１ｓの上端座標から光路L1の式が求まり、同様に焦点Fと受光面２ｓの下端の座標から光路L2の式を、焦点Fと受光面１ｓ、２ｓの境界の座標から光路LMの式が求まる。以下に各々の式を示す。
【００２９】
【数１】
2017207415.tif 000003
【００３０】
【数２】
2017207415.tif 000004
【００３１】
【数３】
2017207415.tif 000005
【００３２】
【数４】
2017207415.tif 000006
【００３３】
【数５】
2017207415.tif 000007
【００３４】
【数６】
2017207415.tif 000008
【００３５】
以上から、受光面１ｓ、２ｓの入射光量Q1、Q2を得られる。以下にその式を示す。なお、式の左辺は光量であり、右辺とは物理量として次元が合わないが、これは光入射角センサーとして機能させるためには受光面１ｓ、２ｓの光量比が得られれば良いためである。もし物理量として右辺を光量にしたければ、図２、図３において、フレネルレンズ１１の奥行W、フレネルレンズ１１に入射する単位面積当たり光束LFを規定し、光束の積分時間Δtの３つを規定して、それら３つを右辺にかければよい。
【００３６】
【数７】
2017207415.tif 000009
【００３７】
【数８】
2017207415.tif 000010
【００３８】
以上で、入射角θと２つの光センサー１、２の入射光量との関係が明らかになった。あとは電子回路部２１でθを逆算する回路を構成する。この際、光センサー１、２の入射光量と、光センサー１、２の電気量の間には、必ずしも線形の関係が成り立たないため、電子回路部２１ではそれらも含めてθを逆算する必要がある（光センサーの中でも、例えばフォトトランジスタは、受光量とコレクタエミッタ電流ICEはかなり線形に近いため、本光入射角センサーの光センサー部として扱いやすい）。アナログ回路で前述の逆算も可能であるし、光センサーの電気量をＡＤ変換回路でデジタル化し、マイコンなどのデジタル回路で逆算を行うこともできるため、光センサーの特性や、本光入射角センサーの用途に応じて適宜電子回路部２１の構成を選択すればよい。
【００３９】
図４に、D=20、f=40、s=15とした場合のQ1/(Q1+Q2)を示す。±４５度より少し外側からグラフが途切れているが、それより外側は、Q1もQ2もゼロとなり、したがって本光入射角センサーの不感帯となる。−４５〜ー２０度付近はQ2のみ入射、２０〜４５度付近はQ1のみ入射する。±２０度より内側は、ほぼ直線状に変化している。図４は光量比を示すものだが、前述したようにフォトトランジスタのICE特性を生かしてそのまま電気量の比にできたとすると、10bit(1024段階)の分解能を持つＡＤ変換器で入射角を1度刻みで、12bit(4096段階)の分解能を持つＡＤ変換器で入射角を0.1度刻みで得ることができる。
【００４０】
以上で第一実施形態の説明を終える。なお、第一実施形態では、光センサー１、２の境界をフレネルレンズ１１の光軸上としたが、これは最も有用と思われる構成であることもあるが、説明用の式を単純にするためでもある。光センサー１、２が図１（Ａ）の上下方向にずれた状態なども、これまで述べたような焦点Fから逆算する方法でQ1やQ2を逆算できるし、当発明の構成としても光センサー１、２の境界の位置を光軸上に限定して主張するものではない。
【００４１】
［第二実施形態］
続いて、図４を用いて、光入射角センサーの第二実施形態を説明する。
【００４２】
第二実施形態においても、図４（Ａ）の左方向に光源があるものと考えると構成が理解しやすい。図４（Ｂ）は図４（Ａ）の（ｂ）−（ｂ）断面を示す。４つの光センサー１、２、３、４を、受光面が同じ向きになるように配置して光センサー群を成す。ここで、前記光センサー１、２、３、４は光に関する物理量から電気量を得る素子であって、例えばフォトカプラ、光電子増倍管（PMT）、フォトトランジスタ、太陽電池などである。前記光センサー群の受光面側にレンズ１２を配置し、また前記レンズ１２とは反対側に電子回路部２１を配置して前記光センサー１、２、３、４と電気的に接続し、筐体３１が前記レンズ１２、前記光センサー１、２、３、４、前記電子回路部２１を保持している。
【００４３】
第一実施形態はフレネルレンズと２つの光センサーによる構成のため、光源の向きを示す角度を１軸分（θ）しか得られないが、第二実施形態では通常のレンズ１２と４つの光センサーによる構成のため、光源の向きを示す角度を２軸分（θ、φ）得ることができる。第二実施形態の構成では、第一実施形態のように光量を算出することは難しく、光学シミュレータなどを利用して光量とθ、φとの関係を導出し、それに応じて電子回路部２１を設計する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の光入射角センサーによれば、高分解能で光源方向を得られ、そのデータにより鏡、レンズ、プリズムといった光学素子を今までよりも高精度に制御でき、したがって、光路も今まで以上に、自由に屈折、反射などの制御が高精度でできるようになる。センサー出力は他の電子制御基板なども容易に利用できるので、光路の自動制御なども容易に行えるようになり、様々な太陽熱利用も考えられる。例えば太陽熱発電装置などでは、集光率の向上による発電効率向上などを図ることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１、２、３、４：光センサー
１１：フレネルレンズ
１２：レンズ
２１：電子回路部
３１：筐体
１ｓ、２ｓ：光センサー１、２の受光面
O：フレネルレンズ１１上で、光軸が通る点。レンズの中心。
AO：フレネルレンズ１１の光軸。
LO：フレネルレンズ１１に対して入射角θで入射し、レンズの中心を通る光路。
f：フレネルレンズ１１の焦点距離。
F：入射角θでフレネルレンズ１１に入射した平行光線の焦点。
LOU：LOに平行で、フレネルレンズ１１の上端に入射する光路。
LOL：LOに平行で、フレネルレンズ１１の下端に入射する光路。
LU：LOUが、フレネルレンズ１１を通過して屈折した場合の光路。
LL：LOLが、フレネルレンズ１１を通過して屈折した場合の光路。
s：図１の光センサー１、２の受光面１ｓ、２ｓの境界。
D/2：フレネルレンズ１１の上端。
-D/2：フレネルレンズ１１の下端。
L1：焦点Fからセンサー受光面１ｓの上端を逆に辿った光路。
L2：焦点Fからセンサー受光面２ｓの下端を逆に辿った光路。
LM：焦点Fからセンサー受光面１ｓ、２ｓの境界sを辿った光路。
S1：L1のy切片。
S2：L2のy切片。
SM：LMのy切片。
【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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