(57)【要約】  光ガイドは、（例えば、ＣＰＶの適用例に対し）光ガイドの端面から前方の伝播方向に移動する光の一次出力開口（出口）を形成し、（例えば、照明器の適用例に対し）光ガイドの出口面へと後方の伝播方向に移動する光の一次入力開口（入口）を形成する横向きの側端面を有する光ガイド層と、側端面に平行な線に沿った第１の平面において前方の光の伝播方向にステップ状（ずれて）に配置されている、あるいは第１の平面それぞれにおいてｚ軸の光の伝播方向にｙ軸周りにクロッキングして（傾けられて）いる第１の複数の光入射要素おを具えており、光入射要素は側端面に垂直な並行線に沿って配置されている。光ガイド要素はさらに、少なくとも第２の平面にステップ状に配置された少なくとも第２の複数の光入射要素を具えうる。光ガイドシステムは、光ガイド要素と、光ガイドの上面に近接して配置された小型レンズアレイと、光ガイドの上面および底面の少なくとも一方に直接隣接して配置された光を伝達するＴＩＲ媒質層とを具えている。【選択図】図３
2012531623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と底面を有し、屈折率ｎ１を有しており、光ガイド内におよびそこから光が移動する一次開口を形成する横向きの側端面を有する光ガイドであって、さらに前記一次開口の方へまたはそこから意図した光の伝播方向に長さ次元を有している光ガイドと；
前記上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いて内側に延在している第１の複数の光入射要素であって、前記側端面と平行な線に沿った第１の平面それぞれにおいてｚ軸の光の伝播方向にステップ状である（ずれている）光入射要素と；
小型レンズ平面を規定し、前記光ガイドの上面に隣接して配置される小型レンズアレイであって、各小型レンズは各光入射要素と光学的に位置合わせされている小型レンズアレイと；
屈折率ｎｍｅｄを有する光伝達媒質層であって、ｎｍｅｄはｎ１よりも小さく、前記小型レンズアレイと前記光ガイドの上面の間に配置される光伝達媒質層とを具えることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の光ガイドシステムがさらに、前記第１の複数の光入射要素と同一の前記上面および底面の一方に配置され、この面に対して傾いて内側に延在している少なくとも第２の複数の光入射要素を具えており、当該少なくとも第２の複数の光入射要素は、前記側端面に平行な線に沿った少なくとも第２の平面それぞれにおいて前記ｚ軸の光の伝播方向にステップ状であることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の光ガイドシステムにおいて、前記媒質層が前記小型レンズ平面に対して傾いておらず、さらに前記光ガイドが前記小型レンズ平面に対して傾いておらず、さらに前記少なくとも第２の平面が前記第１の平面から垂直方向に移動していることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項４】
請求項２に記載の光ガイドシステムにおいて、前記媒質層が前記小型レンズ平面に対して傾いており、さらに前記光ガイドが前記媒質層に平行な前記小型レンズ平面に対して傾いており、さらに前記少なくとも第２の平面が前記第１の平面から垂直方向に移動していることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項５】
請求項２に記載の光ガイドシステムにおいて、前記媒質層が前記小型レンズ平面に対して傾いておらず、さらに前記光ガイドが前記小型レンズ平面に対して傾いておらず、さらに前記第１の平面および前記少なくとも第２の平面が前記小型レンズ平面に対して並行して傾いており、互いに垂直方向に移動していないことを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項６】
請求項１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記光入射要素がエアプリズムであることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記光伝達媒質層が空気であることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記光伝達媒質層が固体であることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項９】
請求項１に記載の光ガイドシステムがさらに、前記光ガイドの底面に直接隣接して配置されたＴＩＲ層を具えることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の光ガイドシステムにおいて、前記複数の光入射要素が、前記光ガイドの底面に配置されることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記小型レンズアレイが、屈折性の小型レンズアレイであることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記小型レンズがそれぞれ、２次元の湾曲を有することを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光ガイドシステムにおいて、前記湾曲が等しいことを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１４】
請求項１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記小型レンズアレイがフレネルレンズのアレイであることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載の光ガイドシステムにおいて、前記小型レンズアレイが、実質的に平面波の入力光から前記入射要素に光を集中させる光学的特徴を有することを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１６】
上面と底面を有し、屈折率ｎ１を有しており、光ガイド内におよびそこから光が移動する一次開口を形成する横向きの側端面を有する光ガイドであって、さらに前記一次開口の方へまたはそこから意図した光の伝播方向に長さ次元を有している光ガイドと；
前記上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いて内側に延在している第１の複数の光入射要素であって、第１の平面それぞれにおいてｚ軸の光の伝播方向にｙ軸周りにクロッキングされ（傾けられ）ており、前記側端面に対して垂直な並行線に沿って配置される光入射要素と；
小型レンズ平面を規定し、前記光ガイドの上面に隣接して配置される小型レンズアレイであって、各小型レンズは各光入射要素と光学的に位置合わせされている小型レンズアレイと；
屈折率ｎｍｅｄを有する光伝達媒質層であって、ｎｍｅｄはｎ１よりも小さく、前記小型レンズアレイと前記光ガイドの上面の間に配置される光伝達媒質層とを具えることを特徴とする光ガイドシステム。
【請求項１７】
上面と底面を有し、屈折率ｎ１を有しており、光ガイド内におよびそこから光が移動する一次開口を形成する横向きの側端面を有する光ガイドであって、さらに前記一次開口の方へまたはそこから意図した光の伝播方向に長さ次元を有している光ガイドと；
前記上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いて内側に延在している第１の複数の光入射要素であって、前記側端面に平行な線に沿った第１の平面それぞれにおいてｚ軸の光の伝播方向にステップ状である（ずれている）光入射要素とを具えることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光ガイド装置がさらに、前記第１の複数の光入射要素と同一の前記上面および底面の少なくとも一方に配置され、この面に対して傾いて内側に延在している少なくとも第２の複数の光入射要素を具えており、前記少なくとも第２の複数の光入射要素が、前記側端面に平行な線に沿った少なくとも第２の平面それぞれにおいて前記ｚ軸の光の伝播方向にステップ状であることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光ガイド装置において、前記光ガイドが水平面に対して傾いておらず、さらに前記少なくとも第２の平面が前記第１の平面から垂直方向に移動していることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の光ガイド装置において、前記光ガイドが水平面に対して傾いており、さらに前記少なくとも第２の平面が前記第１の平面から垂直方向に移動していることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項２１】
請求項１８に記載の光ガイド装置において、前記光ガイドが水平面に対して傾いておらず、さらに前記第１の平面および前記少なくとも第２の平面が前記水平面に対して並行して傾いており、互いに垂直方向に移動していないことを特徴とする光ガイド装置。
【請求項２２】
請求項１７に記載の光ガイド装置において、前記光入射要素がエアプリズムであることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項２３】
請求項１７に記載の光ガイド装置がさらに、前記光ガイドの上面に直接隣接して配置されたＴＩＲ層を具えることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の光ガイド装置において、前記複数の光入射要素が、前記光ガイドの底面に配置されることを特徴とする光ガイド装置。
【請求項２５】
上面と底面を有し、屈折率ｎ１を有しており、光ガイド内におよびそこから光が移動する一次開口を形成する横向きの側端面を有する光ガイドであって、さらに前記一次開口の方へまたはそこから意図した光の伝播方向に長さ次元を有している光ガイドと；
前記上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いて内側に延在している第１の複数の光入射要素であって、第１の平面それぞれにおいてｚ軸の光の伝播方向にｙ軸周りにクロッキングされ（傾けられ）ており、前記側端面に対して垂直な並行線に沿って配置される光入射要素とを具えることを特徴とする光ガイド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
共同研究契約
本願は、本出願の譲受人であるロチェスター大学と、Abengoa Solar New Technologies S.A.の間の既存の共同研究契約から派生している。
【０００２】
本発明の実施形態は一般に光学式光ガイドの分野に関し、より具体的には、非結像型の光ガイド集光器および照明器システム、方法および適用に関するものである。さらに具体的には、本発明の実施形態は、集光型太陽光発電（ＣＰＶ）の太陽エネルギの利用に用いられる光収集および集光システム、非結像の照明システム、およびそれらの光ガイド構成要素に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
太陽エネルギは再生可能なエネルギ解決策の重要な一部である。集光型太陽光発電（ＣＰＶ）は、費用効果が高くクリーンなエネルギ源を提供する潜在能力を有している。ＰＶは光学要素と比較して製造するのが高価でエネルギ集約型であるため、光学部品で太陽エネルギを集光することで、光起電性（ＰＶ）が低い材料が使用され、コストを低減している。
【０００４】
同時係属中の出願第１２／３８９，４６６号、名称「LIGHT  COLLECTION  AND  CONCENTRATION  SYSTEM（光収集および集光システム）」の主題は、その全てが参照により本書に組み込まれており、光ガイド装置（「光輸送構造」とも称される）の構成要素を組み込むＣＰＶシステムを開示している。この光ガイド装置は複数の光を誘導する構造（「光入射要素」とも称される）１００−１を具え、非限定な例示により図１に示されている。例示的な関連技術の平面的な光ガイドシステムを示す図２を組み合わせると、一般に（−）ｙ方向に伝播する遠い広範の放射源（例えば、太陽放射）からの入射光はレンズ２０１によって集光され（例えば、光１１３０）、１１０４などの光入射要素を介して光ガイド２０８内に入射される。その後、光は一般に、光ガイドの出口端１１５０の方へとｚ方向に伝播する。個別の光入射要素１１０４は、光ガイドの底面１０２２の領域から延在する部分的な横方向の側切断部によって作られた光ガイド装置の表面部分である。光入射要素のｘ軸傾斜角、光ガイドの屈折率、および入射表面の外側インタフェースの屈折率に応じて、放射を面１１０４から内部全反射させることができる。代替的にあるいはさらに、同様の光入射要素１１０２は、上面部分１０２１の領域から延在している部分的な横方向の側切断部によって作られた光ガイド装置の表面である。光入射要素１１０２について、光入射要素１１０２に光学的に接続された一次集光部（図示せず）からの放射１１３２は光入射要素に遮断される。網掛け領域１１０３は表面１１０２上の反射コーティングを表しており、出口端１１５０の方へ、およびそこから（ｚ方向に）光ガイド装置内のＴＩＲ伝播が続くように入射光１１３２を構造内に反射する。光入射要素の正確な角度方向は、反射プロセス（例えば、反射（ダイレクトまたはＴＩＲ）、屈折、回折）、一次レンズｆ／＃、および光ガイドの屈折率ｎ１の性質による。光入射要素１１０４後方の切り欠き領域は、例えば低屈折率の誘電材料で塞がれて、光輸送構造内へのＴＩＲを容易にしうる。光入射要素の典型的な寸法は、傾斜した反射面について１３０μｍ−１４０μｍ、約１３０μｍの基部寸法、および約１４０μｍの高さ寸法である。光ガイド構造の長さ（ｚ方向）および幅（ｘ方向）に応じて多くの光入射要素（例えば、１１０２、１１０４、その両方）があり、これらは必ず輸送構造内に存在する。
【０００５】
しかしながら、輸送構造を通る光の伝播は光入射要素の下流での干渉により妨げられるため、光入射要素があると非理想的な光ガイドとなってしまう。光の損失は、光入射要素における吸収または拡散、光入射要素における光の外結合、または光入射要素との干渉によるエタンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅ）希釈により起こりうる。
【０００６】
ＣＰＶの適用例では、このシステムの普遍的な目的は、できる限り太陽放射を収集し、出口面またはその近くでＰＶセルに入力するため放射をできる限り集中させることである。更なるシステムの目的は、一次な集光部の受光角を最大限にして、入射の集光を最大限にして、光ガイドの集光を最大限にし、構成要素およびシステムの重量と厚さを最小限にすることを含む。
【０００７】
照明器の適用例では、このシステムの普遍的な目的は、側面端部における集光された光入力から、光ガイドの上面および／または底面で所望出力の照明パターンを生成することである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一実施形態は光ガイド要素である。この光ガイドは、上面と底面を有し、その少なくとも一方は実質的に平坦な面であり、（例えば、ＣＰＶの適用例に対し）光ガイドの端面から前方の伝播方向に移動する光の一次出力開口（出口）を形成し、（例えば、照明器の適用例に対し）光ガイドの出口面へと後方の伝播方向に移動する光の一次入力開口（入口）を形成する横向きの側端面を具え、屈折率ｎ１を有している光ガイド層と、上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いてそこから内側に延在している第１の複数の光入射要素とを具えており、光入射要素は側端面と平行な線に沿った第１の平面それぞれにおいて、前方の光の伝播方向にステップ状に（ずれて）配置される。一態様によると、光ガイド要素はさらに、上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いてそこから内側に延在している少なくとも第２の複数の光入射要素を具えており、これらの光入射要素は、側端面と平行の線に沿った少なくとも第２の平面それぞれにおいて光の伝播方向にステップ状となる。一態様によると、少なくとも第２の平面は第１の平面から垂直方向に移動させられる。一態様によると、光入射要素はエアプリズムである、あるいは反射性の金属コーティングなどがされた低屈折率の材料／ＴＩＲである。
【０００９】
代替的な態様では、光入射要素はｙ軸の周りをクロッキングし、これにより入射要素を側端面に垂直な線に沿って平行な列に配置することができる。
【００１０】
本発明の他の実施形態は光ガイドシステムであり、当該システムは、上面と底面を有し、その少なくとも一方は実質的に平坦な面であり、光ガイドの側端面から前方の伝播方向に移動する光の一次出力開口を形成し、光ガイドの出口面へと後方の伝播方向に移動する光の一次入力開口を形成する横向きの側端面を有し、屈折率ｎ１を有している光ガイド層と；上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いてそこから内側に延在している第１の複数の光入射要素であって、光入射要素は前方の側端面と平行な線に沿った第１の平面それぞれにおいて光の伝播方向にステップ状に（ずれて）配置される光入射要素と；光ガイドの上面に近接して配置される、小型レンズ平面を規定する小型レンズのアレイであって、各小型レンズはそれぞれの光入射要素と光学的に位置合わせされている小型レンズアレイと；屈折率ｎｍｅｄを有する光伝達媒質層であって、ｎｍｅｄはｎ１よりも小さく、光ガイドの上面および底面の少なくとも一方と直接隣接して配置される光伝達媒質層とを具える光ガイドの構成要素を含む。一態様によると、このシステムは更に、上面および底面の少なくとも一方に配置され、その面に対し傾いてそこから内側に延在している少なくとも第２の複数の光入射要素を具えており、この少なくとも第２の複数の光入射要素は、側端面と平行な線に沿って少なくとも第２の平面それぞれにおいて光の伝播方向にステップ状となる。様々な態様によると、媒質層は小型レンズ平面に対して傾斜しているあるいは傾斜していなくともよく、光ガイドは小型レンズ平面に対して傾斜しているあるいは傾斜していなくともよく、少なくとも第２の平面は第１の平面から垂直に動かされるあるいは動かされなくともよい。
【００１１】
ＣＰＶシステムの適用例では、上述の光ガイドシステムは、小型レンズアレイからの集束された光が光輸送構造の出力開口の方へと光ガイドにおける所望の伝播方向に入力されるおよび／または方向付けられる手段を提供する。従って、光入射要素は、大部分が導波路要素内に正常に入射するよう一次の集束光点を捕捉し、出口端の方へと光ガイドの長さ（ｚ方向）に沿って伝播するように、例では９０度に方向付けるよう適宜機能する。
【００１２】
上述の光ガイド層は薄板の導波路の形態をしている。すなわち、構造の一般的な長さＬよりも相当小さい厚さＴを有し、ひいてはＴ／Ｌにより規定される低アスペクト比を有している。ガイド層の出口端を通り、例えば外結合された光を直接受けるよう配置されたＰＶセルへと外結合させるため、本書に開示された光ガイド要素およびシステムに更なる集光もたらすことができる。非限定的な態様によると、光ガイド要素の少なくとも１の側端（ｙ−ｚ面）を出口端の方へと集束するよう湾曲させることにより、副次的な集光が得られる。
【００１３】
本発明の更なる特徴および利点は以下の詳述に説明されており、一部は当該技術分野における当業者には説明から容易に明らかとなり、あるいは特許請求の範囲ならびに添付の図面に付随する詳述を含む本書に記載されるように本発明を実施することで理解されるであろう。
【００１４】
前述の概要および以下の詳述は双方とも単に本発明の例示であり、主張されるような本発明の性質および特徴を理解するための概説または枠組みを提供することを目的としていると理解されたい。添付の図面は本発明を更に理解できるようにするために含まれており、これらは本明細書の一部に組み込まれて、それを構成している。これらの図面は、本発明の原理および動作を説明するのに役立つ記載と共に本発明の様々な実施形態を図示している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、関連技術による２つの例示的な光入射要素を有する例示的な光輸送構造の断面を概略的に図示している。
【図２】図２は、関連技術による図１の例示的な光輸送構造を組み込んだ、例示的な平面の光ガイドの太陽光収集および集光システムの断面を概略的に図示している。
【図３】図３は、本発明の例示的態様による片側の光ガイドシステムの断面を例示的に示している。
【図４】図４は、本発明の一態様による光ガイドの収集／照明システムの断面図である。
【図５】図５Ａは、本発明の例示的態様によるステップ状光ガイドの平面部の概略的な上面図である。図５Ｂは、本発明の代替的な例示的態様によるステップ状光ガイドの平面部の概略的な上面図である。
【図６】図６は、本発明の例示的態様によるシステムの水平方向にステップ状の性質を示す、単一小型レンズの列の光ガイドシステムの概略的な斜視構成図である。
【図７】図７（Ａ）は、本発明の例示的態様による９倍の集光度を与えるステップ状光ガイドシステムの斜視概略図である。図７（Ｂ−Ｄ）は、本発明の例示的態様による３６倍、９倍、および４倍のステップ状光ガイドシステムのそれぞれ概略的な上面図である。
【図８】図８（Ａ、Ｂ）は、本発明の例示的態様による、出力集光度を高めるべく片側および両側に湾曲した側端をそれぞれ有するステップ状光ガイドの概略図である。
【図９】図９は、本発明の例示的態様による２７０倍の集光度を与える高集光度のステップ状光ガイドシステムの概略図を遠近法で図示している。
【図１０】図１０（Ａ−Ｃ）は、本発明の例示的態様によるステップ状光ガイドシステムを遠近法で図示しており、ステップ状の傾斜した小型レンズアレイの上面図、およびステップ状光ガイド要素の底面図をそれぞれ示している。
【図１１】図１１（Ａ−Ｃ）は、本発明の例示的態様による代替的なステップ状光ガイドシステム構造の断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の例示的な実施形態について詳しく記載されており、その例が添付の図面に図示されている。可能な場合はいつでも、同一または同様の部分を示すべく図面全体を通して同一の参照番号が使用されている。
【００１７】
光の収集および集光システム、その構成要素および方法と題された、現在提出されている出願（代理人整理番号第６１０Ｐ０４１）はとりわけ、ディンプル型の光ガイド要素ならびにディンプル型の光ガイド要素を組み込んだ光の収集および集光システムを開示している。その中に記載されているように、様々な構造上の光バイパス要素および光入射要素が光ガイド要素に組み込まれ、光入射要素自体による光損失によって減少するガイド内の光の伝播を最適にしていた。
【００１８】
本書に記載の本発明の実施形態によると、光ガイド要素の異なる構造上の構成が表されており、この構成もまたガイド内の光の伝播を最適にするように機能する。
【００１９】
図３は本発明の態様による光ガイドシステム３００−１の断面を概略的に示しており、同書の出願人の同時係属中の出願に記載された実施形態による光収集および集光システムと共通の要素が図示されている。これらの要素は、小型レンズアレイ３０２と、光ガイド（光輸送）層３０８と、ガイド層の上面と小型レンズアレイに直接隣接して配置された低屈折率のＴＩＲ層３０４と、エアプリズムの形態をした光入射要素３１０とを具えており、エアプリズムの語は本書の上記および同時係属中の出願に使用されている。他の低屈折率のＴＩＲ層（図示せず）がガイド層の底面３２２に直接隣接していてもよい。
【００２０】
図４は、光ガイドシステム４００−１の一部の横断面図を座標軸と共に示している。両矢印は、本書に記載するような適用例（例えば、収集部または照明部）に応じて光が何れの方向にも伝播できることを示している。光収集および集光システムの実施形態について説明すると、入射要素３１０は、光ガイドとほぼ直角の方向（図４の−ｙ方向）から、ガイド層３０８の出口窓３５０の方へと光ガイドの（前方の）伝播方向（ｚ）に入射光３１２の向きを変えるよう機能する。
【００２１】
図５Ａは、横方向にステップ状の光ガイド５００−１の例示的な要素を上面図に示している。このガイド５００−１はガイド層５０８を具えており、ガイド層５０８はさらに、底面に配置され、その面に対して斜めにそこから内側に延在している第１の複数のエアプリズム型の光入射要素５１０−１を有している。この光入射要素は、側端の出口面５５０と平行な線（５１７）に沿って、第１のそれぞれのｚ−ｘ平面においてｚ方向にステップ状に（ずれて）配置されている。図１０（Ｃ）は同様の図を示している。図５Ｂは、代替的な光ガイド要素５００−２を図示している。この態様では、光入射要素５１０−２は出口面５５０と垂直な線５１８に沿って一直線に並べられているが、入射要素はｙ軸についてクロッキングされ（傾けられ）ており、上流の入射要素との干渉を減少させるように光を僅かに軸から逸らして誘導させる。
【００２２】
図６は一列の小型レンズの光ガイドシステムの概略的な透視図を提供しており、図５Ａに示すような、水平方向にステップ状のシステムの性質を図示している。
【００２３】
横方向にステップ状のガイドは、複数の小型レンズからエネルギを収集し、そのエネルギをＰＶセルなどに方向付ける手段を提供する。最小ユニットは、意図する受光角に基づいて、例えば２乃至１５の複数の小型レンズ帯を有する。各小型レンズが入力光を集中させて、焦点またはその近くに位置する入射ファセットにその光を誘導する。ある小型レンズから次へと移動すると、各入射ファセットはガイドの横方法の範囲を広げて、入射ファセットの階段効果を作りだす。この方法では、下流の入射ファセットは既にガイド内を伝播している光を直接的に遮断しない。この設計の「一次集光」測定基準は、入力開口領域と誘導方向に対して垂直な突出した入射ファセット領域の比である。一次集光度および実現ステップの最大数は、受光角と小型レンズの開口数に依存する。一次の性質に基づくステップの上限は、以下の式で与えられる。
2012531623.tif 000003
ここで、ＮＡは横方向次元（ｘ）の小型レンズの開口数であり、θｂは規定された受光角の半分である。ＤＸおよびＤＺはそれぞれ近接する小型レンズ間のｘおよびｚピッチであり、ｆは小型レンズの焦点距離である。矩形小型レンズの一次集光度は以下の式で与えられる。
2012531623.tif 000004
一次に関して、所与の受光角に対し開口部の数はできる限り多くすべきである。球面収差、コマ、非点収差、および色収差は、実際の最小焦点および最大集光度を制限する。さらに、入射ファセットがＴＩＲを支持する場合、全ての入射角に対してＴＩＲ条件を維持するように開口数はさらに制限される。小型レンズの入射開口は、入射ファセットにおけるＴＩＲ条件を維持すべくある次元の開口数を小さくできるが、別の次元の開口数を大きくできるように、矩形またはアナモルフィックであってもよい。
【００２４】
入射ファセットの大きさおよびガイドに対する角度が、入射光が誘導される集光度を決定する。この入射ファセットは、対象の受光角に対し焦点を捕捉する程度に大きくなければならず、光がガイド層内で捕捉されるように斜めに配置されねばならない。さらに、ＴＩＲ入射ファセットについて、この角度は全ての入射光についてＴＩＲを満たさねばならない。浅いファセット角度では高い集光度を得られるが、上記の制約事項は、急なファセット角度を要求している。この２つの競合するファクタは、システムを最適化する際に均衡させることができる。
【００２５】
図７（Ａ）は例示的な非集光の光ガイド要素７０８を遠近法により概略的に図示しており、このガイド要素７０８はｘ−ｚ平面に配置された３つのステップ状光入射ファセット７１０（例えば、５ｍｍ×２ｍｍ）を有している。それぞれ３つの単一の平凸レンズ要素７０２（例えば、３０ｍｍ×３０ｍｍ）が入射放射を受け、この放射を入射ファセットに集束させている。図示のように、これらのレンズは入射要素と同様に横方向にステップ状に並べられる。この入射ファセット７１０は鏡面であってもよく、あるいはＴＩＲによって光を光ガイドに入射させるよう機能しうる。図７（Ｃ）は図７（Ａ）の上面図を示しており、大きい四角形７０２’はそれぞれレンズ開口の領域Ａｌｅｎｓを表し、小さい四角形７１０’はそれぞれ入射ファセットの領域ＡＩＦを表している。この例示的な態様では、Ａｌｅｎｓ／ＡＩＦ＝９であり、９倍に集光した領域を提供する。図７（Ｂ）および図７（Ｄ）はそれぞれ、例示的な３６倍および４倍に集光した領域を示しており、レンズ開口における±１．５°および±１４°の受光角に対応している。
【００２６】
一旦光がガイド内を伝播すると、更なる補助的な集光が２つの方法で得られる。一態様では、図８（Ａ）のガイド８０８−１に示すように、ガイドの片方の外側縁が湾曲している。ここで、ガイド層の全体的な横方向次元が「押しつぶされ」て、さらに集束される。更なる集光の最大量は、小型レンズの横方向の開口数に関係している。小型レンズの横方向の開口数および潜在的な横方向の補助集光は反比例する。ガイドに沿った湾曲の正確な形状は、小型レンズの数およびその開口数による。横方向の最大補助集光度は、以下の式により与えられる。
2012531623.tif 000005
【００２７】
代替的に、補助的な集光を、図８（Ｂ）に示すようにガイドに対して垂直な出口開口およびＰＶセルの直前に適用することができる。この集光の形態は典型的な角度による集光器と類似しており、実現可能な最大集光度はｙ−ｚ平面の最大光線角度に依存する。この最大角度は、一次小型レンズの開口数および入射ファセットの角度に関係している。
ガイドの一次ｙ−ｚ角：
2012531623.tif 000006
最大ｙ−ｚ補助集光度：
2012531623.tif 000007
【００２８】
図９は、図７に示す７００−１よりも比較的高い集光度の光ガイドシステム９００−１を図示している。例示的なシステム９００−１は、一次集光要素として３つの３０ｍｍ×３０ｍｍの小型レンズ９０２を示している。５ｍｍ×２ｍｍの寸法の各入射ファセットに対し、一次集光度は図７（Ｂ）に示すように３６倍である。光ガイド９０８をそれぞれ３倍および２．５倍の集光度をもたらす図８Ａおよび８Ｂに示すようなガイド形状と組み合わせると、＋１．５°受光角で合計２７０倍の集光度となる。
【００２９】
図１０（Ａ−Ｃ）はそれぞれ、ステップ状の光ガイドシステム１０００−１と、ステップ状の傾斜した小型レンズアレイの上面図と、ステップ状の光ガイド要素の底面図を示している。図１０Ａ、Ｂに示すように、小型レンズは、線ｚ’に沿った入射要素と共に、光の伝播方向ｚに対して横方向にステップ状に配置される。従って、上述した様々な性能および構成要素パラメータに応じて、小型レンズの最大数、および単一のｘ−ｚ平面における入射要素を決定することができる。
【００３０】
ステップ状のガイドは、ガイドの下流に既に移動した光を遮断または迂回させないように入射ファセットを配置することにより、ガイド層内の損失を最小限にする。ガイド層の容積を効率的に利用するため、入射ファセットを２以上の垂直方向に移動および／または傾けた平面に水平方向にステップ状に配置することもできる。入射ファセットは最初に、上述のような光ガイド（水平ステップ）と平行な平面にステップ状に配置される。一旦水平方向のステップについて限界に達すると、ガイド層に対して垂直に移動したステップを導入することができる。次いで、他の垂直方向のステップが作られる前に、水平方向のステップがこの平面に繰り返される。垂直方向に一体化させることにより、このシステムは、入射ファセットが如何なる光をも妨害することなく薄型を維持することが可能となる。
【００３１】
本発明の態様によると、個々の要素の機能的なデザインを変化させない垂直ステップを、以下のように図１１（Ａ−Ｃ）に示すように組み込むことができる。
【００３２】
図１１（Ａ−Ｃ）それぞれについて、小型レンズ平面が点線１１４２で図示されている。ＴＩＲ媒質層１１４５は一次レンズ要素１１０２からガイド層１１０８を分離している。図１１Ａでは、ステップ状の光ガイドシステムは、小型レンズとステップの双方を垂直の点線で分離して図示されている同等の大きさのそれぞれ連続した垂直部分（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、．．．）に（スケールファクタ等によって）スケーリングすることで理解される。この態様では、ＴＩＲ媒質層およびステップ状の光ガイド部分のいずれも、小型レンズ平面に対して傾いてはいない。水平方向にステップ状のガイド層は垂直方向に移動している。小型レンズのアレイが同一平面にある状態で、連続したステップのガイド層が上から下まで整列しているようにこのデザインは有利にスケーリングされる。垂直のステップは、製造の制約または材料の吸収によりステップがもはや実用的ではなくなるまで作ることができる。
【００３３】
図１１Ｂに示すように、ＴＩＲ媒質層およびステップ状の光ガイド部分は小型レンズ平面に対して傾けられ、水平方向にステップ状のガイド層は垂直方向に移動している。しかしながら、それぞれ連続したステップではシステム全体は依然として平坦な状態である。ここでも、ガイド層の連続的なステップは上から下まで整列している。ＴＩＲ媒質層はガイド層の底面と平行である。全ての機構を同一のスケールで製造すると便利である。この態様では、垂直ステップの数はステップの高さで割った合計のガイド層厚さによって制限される。
【００３４】
図１１Ｃでは、ＴＩＲ媒質層は小型レンズ平面に対して傾いていない。すなわち、水平方向にステップ状のガイド層が小型レンズ平面に対して傾いており、水平方向にステップ状のガイド層は垂直に移動していない。従って、ガイド層はシステム全体に対して平坦である。この態様は傾斜したステップの角度が非常に小さい場合にのみ適しているため、製造プロセスに都合がよく、合計長さの制約を減少させる。光がガイド層の下方に伝播すると平行でない表面に反射するため角度の角発散が増加し、ガイドが長すぎる場合には最終的に光が漏出してしまう。
【００３５】
確認のため、ステップ状の光ガイド構造がＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（登録商標）に形作られた。＋／−１．２５度の範囲に対しＡＭ１．５ｇの太陽光スペクトルで最適となった。使用された光学材料はＢＫ７であり、このモデルは性能にほとんど影響を与えない（しかし、プラスチックの吸収は、伝達および全体的な耐用年数に顕著な影響を与えうる）吸収データを含んでいた。この低屈折率の層は、ｎ＝１．３８の光学的なテフロン（登録商標）に類似して作られた。以下の表は、傾斜型およびスケール型のステップ状光ガイドシステムの構成を示している。これらの寸法は、光学性能（吸収は除く）に影響を及ぼすことなく製造のために変倍することができる。
光学材料ＢＫ７、ｎ＝１．５；
ＴＩＲ媒質層、ｎ＝１．３８；
ＡＭ１．５ｇスペクトル３５０−１１１０ｎｎ；
受光角：±１．２５度；
全ての寸法はセンチメートル
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【００３６】
光がシステムに入るときのフレネル反射による一次損失は５％までになる。吸収を無視すると、公称システム効率は９４％であり、±１度に対し＞９０％である。保護ガラスを加える、あるいは低屈折率の層の代わりにエアギャップと共にシステムを使用すると、反射防止膜なしでさらに８−１０％の光学損失となる。吸収データがこのモデルに取り込まれた場合、システムの長さと共に損失を増加させる。
【００３７】
補助集光部をこれらのシステムの端部に加えて、集光度を高めることができる。大きい補助集光度はより多くの材料を必要とし、このシステムを長くする。２００倍の集光は平面次元および材料の約１ｃｍ内にのみ集光することを要求するということをモデルは示している。高い集光度は、両方の次元に作用する長い補助集光部を要する。
【００３８】
ＣＰＶ太陽システムなどの光の収集および集光に適用できる前方伝播システムとして光ガイド要素および光ガイドシステムが記載されてきたが、このシステムは光学的に逆方向にも機能しうると理解されたい。この態様では、光の集光源が側端の出口／入口開口でガイド層に入力され、（−）ｚ方向に入射要素へと伝播して小型レンズアレイ（または他の光学的集光システム）へとガイド層から上方に反射され、広範な領域にわたって照明を与えることができる。
【００３９】
発明を記載している文中（特に、以下の特許請求の範囲の文中）の「単数形の表現」、「前記」および同様の指示の使用は、本書に指示されている、あるいは文脈と明らかに矛盾しない限りは、単数形および複数形の双方を包含すると解釈される。「具える」、「有する」、「含む」、および「含有する」という表現は、注記されていない限り、制限のない表現（すなわち、「を含むが、それに限定はされない」ことを意味する）と解釈すべきである。「連結する」という表現は、何かが間に介在している場合でも、取り付けられる、あるいは接続されることを部分的または完全に包含するものとして解釈されたい。
【００４０】
本書の数値範囲の記載は、本書に指示がない限り、その範囲内に該当する各値を個々に参照するための省略方法として機能させることを単に意図しており、各値は本書に個々に記載されたかように明細書に組み込まれる。
【００４１】
本書に記載される全ての方法は、本書に指示されている、あるいは文脈と明らかに矛盾しない限りは、任意の適切な順番で実施することができる。本書で使用するあらゆる例または例示的な表現（例えば、「など」）は、単に本発明の実施形態をより適切に明らかにすることを目的としており、特に主張されていない限りは本発明の範囲を限定するものではない。
【００４２】
本発明の概念および範囲から逸脱することなく、本発明に様々な改変および変更をすることができると当該技術分野における当業者は理解するであろう。本発明を開示された特定の形態に限定することは意図しておらず、それどころか、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の概念および範囲内に収まる全ての改変、代替的な構造、および均等物を包含することを意図している。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内でなされた本発明の改変および変更を包含することを意図している。
【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（Ａ）】
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【図５（Ｂ）】
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【図６】
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【図７（Ａ）】
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【図７（Ｂ）】
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【図７（Ｃ）】
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【図７（Ｄ）】
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【図８（Ａ）】
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【図８（Ｂ）】
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【図９】
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【図１０（Ａ）】
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【図１０（Ｂ）】
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【図１０（Ｃ）】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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