JP4287896B1 - フレネルレンズ及びソーラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 平坦面入射のフレネルレンズにおいて、全体の大きさの制限を受けずに、より短焦点のものが得られるようにする。
【解決手段】 入射側が平坦面２であって出射側が凸面となっている多数のプリズム部１１，１２が同一平面上に並べられ、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を為す。光軸Ａに近い側に位置する第一の群のプリズム部１１における凸面は、第一の面３に達した光が第一の面３で屈折して出射するすることでレンズ作用を為し、光軸Ａから遠い側に位置する第二の群のプリズム部１２における凸面は、第一の面３に達した光が第一の面３で全反射した後、第二の面４で屈折して出射することでレンズ作用を為す。
【選択図】 図１

Description

本願の発明は、フレネルレンズ及びフレネルレンズを備えたソーラーシステムに関するものである。

図８は、一般的なフレネルレンズの構造を示した正面断面概略図である。
フレネルレンズは、通常のレンズを多数のプリズム状のセグメントに分割し、セグメントを平面上に並べることでシート状又はプレート状に変換した光学部品である。したがって、フレネルレンズは、プリズム部１を同一平面上に多数並べて設けたものとなっている。このようなフレネルレンズは、一方の側の面が平坦面２で、他方の側の面がプリズム部１によって形成される凹凸面である場合が多い。

図８には、平凸レンズをフレネルレンズで達成した構成が示されており、（１）は入射側を凸にした配置、（２）は出射側を凸にした配置である。フレネルレンズを構成する各プリズム部１は、図８に拡大して示すように、二つの面１０１，１０２から成る凸面を有している。このうちの一方の面１０１は、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を為すよう形成された面（以下、レンズ面）である。他方の面１０２は、各レンズ面１０１をつなげるための面であり、一義的にはレンズ作用のための面ではない。以下、この面を、非レンズ面と呼ぶ。

このようなフレネルレンズにおいて、図８（１）に示すように、凹凸面を入射側にし、平坦面２を出射側にして配置するのが一般的である。この理由について、平行光を一点に集光する場合を例にして説明する。
フレネルレンズの効率を高くするには、非レンズ面１０２の部分で光の損失がないようにすることが重要である。非レンズ面１０２での損失を無くすには、ドラフト角をゼロにすれば良い。ドラフト角は、非レンズ面１０２が平坦面２の法線に対して成す角である（図８にθｄで示す）。しかしながら、ドラフト角θｄがゼロであると、フレネルレンズを成型法で製作する際の離型が難しいという問題がある。離型とは、成型後に製品を型から引き離すことを指す。このため、多少のドラフト角θｄをつけた設計とされることが多い。

この場合、図８（２）に拡大して示すように、出射側が凹凸面であると、ドラフト角θｄが少しついている場合、非レンズ面１０２に達した光Ｌ１は、非レンズ面１０２で全反射し、集光点から大きく外れた方向に進んでしまう。一方、入射側を凹凸面とした場合では、図８（１）に拡大して示すように、非レンズ面１０２に達した光Ｌ１は、非レンズ面１０２で全反射するものの、集光点から大きく外れることなく進んでいく。このため、ドラフト角θｄを適宜設計すれば、集光点の照度を上げるのに貢献させることができる。
このようなことから、一般的には、凹凸面を出射側にするよりも入射側にした設計や配置の方が、ドラフト角を多少つけても光の利用効率が高くできると言われており、凹凸面を入射側にする方が好ましいとされている。
特開平４−１２７１０１号公報

しかしながら、ソーラーシステム用のフレネルレンズの場合、どうしても入射側を平坦面にしなければならない事情がある。ソーラーシステム用のフレネルレンズの場合、当然のことながら、戸外に配置され、直射日光に晒される。この場合、入射面が凹凸面であると、埃やゴミが溜まってしまい、その結果、透過特性が著しく低下してしまうからである。入射側に透明な板をおいて埃やゴミが付かないようにしてもよいが、どんなに透過率の高い板を使用しても光の吸収等はあり、ロスの発生は避けられない。このようなことから、ソーラーシステム用のフレネルレンズは、入射側を平坦面とした設計が行われる。

一方、ソーラーシステムのような大型のシステムに搭載されるフレネルレンズは、システム全体を少しでもコンパクトにするため、焦点距離をより短くすることが求められる。発明者の研究によると、上記のように入射側を平坦面とした構成において焦点距離の短いものを得ようとすると、従来の考え方では限界があることが判明した。

即ち、焦点距離を短くする場合、レンズ面が平坦面に対して成す角を大きくする必要がある。この角を、以下、「立ち上がり角」と呼び、図８（２）にθｕで示す。集光作用を為させる場合、立ち上がり角θｕは、光軸Ａから遠い位置に位置するプリズム部のレンズ面ほど大きくする。言い換えれば、光軸Ａから遠ざかるに従って立ち上がり角θｕを漸増させれば、計算上は凸レンズと同様の集光作用が得られるということである。しかしながら、立ち上がり角θｕがあまり大きくなると、レンズ面への光の入射角が臨界角に近くなる。臨界角を越えてしまうと、光はレンズ面で全反射し、設計通りの集光作用が得られなくなってしまう。

例えば、フレネルレンズの材質としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂を使用した場合、臨界角は４２度程度であり、これを越えると全反射する。したがって、レンズ面をこの角度以上に立ち上げなければならない場合、従来の考え方では設計ができなくなってしまう。
光軸に近い位置のプリズム部では、立ち上がり角θｕはそれほど大きくしなくて済むので、光軸に近い位置にだけプリズム部を配置し、臨界角を超えないようにすることも考えられる。しかしながら、プリズム部の数が少なくなり、全体として小さいフレネルレンズにならざるを得ず、集光量が少なくなってしまう問題が生ずる。
本願の発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、平坦面入射のフレネルレンズにおいて、全体の大きさの制限を受けずに、より短焦点のものが得られるようにした意義を有するものである。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
各群のプリズム部の出射側の凸面は、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を為すよう形成されているとととに、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
前記第二の群のプリズム部の各凸面は、前記第一の群のプリズム部の各凸面に比べて、前記平坦面までの距離が短いという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
各群のプリズム部の出射側の凸面は、平行光が入射面に垂直に入射した際、出射する光を点集光させるレンズ作用をフレネルレンズ全体として為すよう形成されており、
各プリズム部の出射側の凸面は、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
前記第二の群のプリズム部の各凸面は、前記第一の群のプリズム部の各凸面に比べて、前記平坦面までの距離が短いという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
各群のプリズム部の出射側の凸面は、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を為すよう形成されているとととに、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
前記第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が、前記第一の群のプリズム部に比べて短いという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
各群のプリズム部の出射側の凸面は、平行光が入射面に垂直に入射した際、出射する光を点集光させるレンズ作用をフレネルレンズ全体として為すよう形成されており、
各プリズム部の出射側の凸面は、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
前記第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が、前記第一の群のプリズム部に比べて短いという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が、前記第一の群のプリズム部に比べて短いという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記第二の群のプリズム部では、前記第一の面の先端部分と第二の面の先端部分と間に第三の面が形成されており、第三の面の幅は５μｍ以上５０μｍ以下であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至６いずれかに記載のフレネルレンズを備え、太陽光エネルギーを利用するソーラーシステムであって、太陽光が前記入射面に垂直に入射するよう前記フレネルレンズを配置したという構成を
有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１乃至６いずれかに記載の発明によれば、光軸に近い第一の群のプリズム部では屈折を利用し、光軸から遠い第二の群のプリズム部では全反射を利用しつつ、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を得るので、臨界角によって制限されることなく、フレネルレンズを大型化することが可能である。
また、請求項１又は２記載の発明によれば、上記効果に加え、第二の群のプリズム部の各凸面が第一の群のプリズム部の各凸面に比べて平坦面までの距離が短いので、光の利用効率低下の問題を防止しつつ、全体をコンパクトにできる。
また、請求項３、４又は５記載の発明によれば、上記効果に加え、第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が第一の群のプリズム部に比べて短いので、光の利用効率低下の問題を防止しつつ、全体をコンパクトにできる。
また、請求項６記載の発明によれば、先端部分の欠けを防止することができ、型の製作時に刃先の幅が鋭利なバイトを使用する必要はなく、耐久性の高いバイトを使用して生産コストを低くして型を作ることができる。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果を得つつ、太陽光エネルギーを利用するシステムを得ることができる。

次に、本願発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）について説明する。まず、フレネルレンズの発明の実施形態について説明する。
図１は、第一の実施形態に係るフレネルレンズの断面概略図である。図１に示すフレネルレンズは、入射側が平坦面２であり、出射側が凸面となっているプリズム部１１，１２を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズである。各凸面は、断面が三角形状を成しており、第一の面３と第二の面４とから成っている。第一の面３は、平坦面２が入射した光が最初に到達する面である。各プリズム部１１，１２において、第一の面３は光軸Ａから遠い側にあり、第二の面４は光軸Ａに近い位置にある。
尚、図１は、光軸Ａの右側の部分のみを示しており、且つ説明に必要な部分のみを抜粋して概略的に示している。各プリズム部１１，１２は円周状に延びており、光軸Ａを中心として同心上に配置されている。

これらのプリズム部１１，１２は、光軸Ａに近い側に位置する第一の群のプリズム部１１と、光軸Ａから遠い側に位置する第二の群のプリズム部１２とから成っている。本実施形態のフレネルレンズの大きな特徴点は、屈折系と全反射系を組み合わせて構成した点にある。即ち、第一の群のプリズム部１１は、第一の面３での屈折を利用してレンズ作用を為させるのに対し、第二の群のプリズム部１２は、第一の面３での全反射を利用してレンズ作用を為させるものとなっている。図１において、第一の群と第二の群との境界線を、一点鎖線６で示す。

より具体的に説明すると、本実施形態のフレネルレンズは、図８（１）と同様に、平凸レンズを入射側を凸面にして配置したのと等価な構成となっている。即ち、出射側に位置する凹凸面は、平凸レンズの凸面に光学的に等価な面となるよう構成されている。
このうち、第一の群のプリズム部１１は、第一の面３が、平凸レンズの凸面に等価となっており、各第一の面３をつなげてくと平凸レンズの凸面に近似する面を形成するようになっている。

一方、第二の群の各プリズム部１２では、第一の面３が全反射であって第二の面４が屈折面であり、これらの面により得られる作用が、第一の群の各プリズム部１１で得られる作用と合わせて、フレネルレンズ全体として平凸レンズの作用を為すよう構成されている。即ち、第二の群の各プリズム部１２は、第一の面３で全反射して第二の面４で屈折して出射した光が、第一の群の各プリズム部１１から出射した光と同じ位置（即ち、焦点）に集まるよう構成されている。

上記説明から解るように、第一の群の各プリズム部１１では第一の面３の角度は入射光が全反射しない角度に設定され、第二の群の各プリズム部１２では第一の面３の角度は入射光が全反射する角度に設定される。以下、各プリズム部１１，１２の材質がＰＭＭＡ樹脂である場合を例にし、上記の点をさらに具体的に説明する。

光がＰＭＭＡ樹脂の媒体内から外部（空気中）に出射する場合、臨界角は４２度程度であり、入射角が４２度を超えると全反射する。したがって、第一の群のプリズム部１１は、入射角が４２度を超えないようになっている。各プリズム部１１，１２において、光は平坦面２に垂直に入射するので、第一の面３への光の入射角θｉは、第一の面３が平坦面２と平行な面に対して成す角（立ち上がり角θｕ）に等しい。したがって、第一の群の各プリズム部１１は、立ち上がり角θｕが４２度を超えないようになっている。

第一の群のプリズム部１１は第一の面３での屈折により前記レンズ作用を為すから、最も中央の（光軸Ａ上の）プリズム部１１において第一の面３の立ち上がり角θｕは０度であり、光軸Ａから遠ざかるにしたがって、徐々に立ち上がり角θｕが大きくなっている。そして、４２度を超えない範囲で最も大きな立ち上がり角θｕのプリズム部１１が、第一の群において最外周に位置するものとなる。以下、このプリズム部１１を、第一群最外周部と呼ぶ。第一群最外周部１１における立ち上がり角θｕは、例えば３８度程度に設定される。
尚、第一の群の各プリズム部１１は、本実施形態では、ドラフト角ゼロとなっている。即ち、第二の面４は、平坦面２に対して垂直である。これは、前述したように、ドラフト角をつけると損失が生じるためである。

第二の面４から出射する光が平坦面２に対して成す角（以下、単に「出射角」と呼ぶ）θｅは、光軸Ａ上のプリズム部１１において最も大きい角度（９０度）となり、光軸Ａから遠ざかるに従って徐々に小さくなる。
第二の群の各プリズム部１２では、第二の面４から出射する光が第一の群の各プリズム部１１からの光と同じ位置（焦点）に結ぶことと、第一の面３の立ち上がり角θｕが臨界角より大きいことの二つを条件とする以外、本質的に制限はない。したがって、これら二つの条件を満たすよう第一第二の各面３，４を設計すればよい。

図１に示す第一の実施形態は、第一の面３と第二の面４とが成す角（頂角）を一定にした設計となっている。頂角を一定にすると、成型に用いる型を、同じ刃先のバイトで切削することで製作することができるので、好適である。また、図１に示すように、第一の実施形態では、成型の際の離型を容易にするため、第二の群の各プリズム部１２では、若干のドラフト角を設けている。

第二の群のプリズム部１２から出射する光の出射角θｅは、図１に示すように、最も光軸Ａに近い位置に位置するプリズム部（以下、第二群最内周部）１２において最も大きく、光軸Ａから遠ざかるに従って徐々に小さくなる。そして、第二群最内周部１２における出射角θｅは、第一群最外周部１１における出射角θｅから僅かに小さいのみであり、出射角θｅの漸次減少がシームレスにつながるようになっている。

また、本実施形態では、図１に示すように、第二の群のプリズム部１２において、凸面の高さ（図１にｈで示す）は、光軸Ａから遠ざかるに従って徐々に高くなっている。この点は、内側（光軸Ａに近い側）に隣接するプリズム部１２に出射光が入射してしまう問題（いわゆるケラレ）を避けるためである。ケラレがあると、損失が生じ、光の利用効率が低下してしまう。

第一の群のプリズム部１１においては、第一の面３での屈折を利用してレンズ作用を得るのみであるのでケラレの問題はないが、第二の群のプリズム部１２では、第一の面３で全反射させた後に第二の面４から出射させるので、ケラレが生じやすい。このため、第二の面４から出射する出射光が内側のプリズム部１に入射しないように、凸面の高さｈを漸増させている。

ケラレを防止するには、凸面の高さｈを漸増させるとともに、第二の面４の角度を適宜設定することが効果的である。第二の群の一つのプリズム部１２の第一の面３において、最も光軸Ａから遠い点（以下、最遠点）に入射した光が全反射して第二の面４で屈折して出射した際、内側に隣接するプリズム部１１，１２に達しないように、第一の面３の立ち上がり角θｕ及び第二の面４の角度を決定する。

上述した第一の実施形態のフレネルレンズでは、光軸Ａに近い第一の群のプリズム部１１では屈折を利用し、光軸Ａから遠い第二の群のプリズム部１２では全反射を利用しつつ、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を得ている。したがって、臨界角によって制限されることなく、フレネルレンズを大型化することが可能である。また、第二の群のプリズム部１２において、凸面ｈの高さを漸増させているので、ケラレの問題を防止でき、光の利用効率が低下することもない。

次に、第二の実施形態について説明する。
図２は、第二の実施形態に係るフレネルレンズの断面概略図である。図２に示すフレネルレンズも、図１に示すものと同様、光軸Ａに近い第一の群のプリズム部１１は、第一の面３が屈折によりレンズ作用を為す構成となっており、光軸Ａから遠い第二の群のプリズム部１２では、第一の面３で全反射して第二の面４で屈折することでレンズ作用を為す構成となっている。

この第二の実施形態のフレネルレンズが、第一の実施形態と異なるのは、以下の三つの点である。まず第一の点は、第二の群の各プリズム部１２においても、ドラフト角はゼロとなっている点である。ドラフト角をゼロとすると、前述したように、第二の面４における損失が無くなるので、光の利用効率の点から好適である。
第二の点は、第二の群の各プリズム部１２の凸面が、第一の群の各プリズム部１１の凸面に比べて、平坦面２に近くなっていることである。即ち、平坦面２と各凸面との間の部分を、「肉厚部分」と呼ぶと、第二の群の各プリズム部１２における肉厚部分は、第一の群の各プリズム部１１に比べ薄くなっている。

第二の実施形態においても、ケラレを防止するため、第二の群のプリズム部１２は、高さｈが高くなっている。この際、上記にように第二の群のプリズム部１２において肉厚部分を薄くしておくことは、肉厚部分を含めた全体の高さ（フレネルレンズ全体の厚さ）Ｈが高くなるのを抑えることにつながり、フレネルレンズ全体が厚さの点でコンパクトになり、搭載が容易である等のメリットがもたらされる。

第三の点は、第一の面３と第二の面４の先端部分に、頂角ではなく、小さな面（第三の面）５が形成されている点である。即ち、鋭利な頂角の先端をカットしたような形状となっている。
先端カットの目的はいくつかあるが、まず第一に、先端部分の欠けを防止するためである。第二の群のプリズム部１２では、前述した通り、第一の面３が全反射面となるよう立ち上がり角θｕが大きく設定される。したがって、第二の群のプリズム部１２は、第一の群のプリズム部１１に比べて凸面の頂角がより鋭利なものとなる。頂角が鋭利であると、フレネルレンズの搭載等の際に欠け易く、欠けによって、性能が低下することもあり得る。このため、性能に影響しない範囲で予め先端をカットした形状としている。

先端カットの別の目的は、製作に用いる型の加工の容易さからである。型は、母材をバイトで切削加工することで作られるが、鋭利な頂角を形成する場合には、その分だけ鋭利な溝を形成する必要が生じ、刃先の幅が鋭利に狭まっているバイトを使用する必要がある。そのようなバイトは、強度が弱く、少しの切削を行っただけで欠けてしまう。第二の実施形態のように先端をカットした構成としておけば、刃先の幅が鋭利なバイトを使用する必要はなく、耐久性の高いバイトを使用して生産コストを低くして型を作ることができる。
第三の面５の幅は、５〜５０μｍであることが望ましい。５μｍより小さいと、鋭利なものになってくるので、上記効果が得られなくなる。５０μｍより大きいと、この第三の面５が光学特性に与える影響が無視できなくなり、集光性能が低下したり、光の利用効率が低下したりする問題が生ずる。

図３は、第二の実施形態を変形した実施形態の構成を模式的に示した図である。図３の二点鎖線６１は、各プリズム部１の第一の面３のうち最も平坦面２に近い点と第二の面４のうち最も平坦面２に近い点とを結んだ線を連続させたものである。
図３に示すように、この実施形態では、第二の群のプリズム部１２において、肉厚部分の厚さが、光軸Ａから遠ざかるに従って漸次減少したものととなっている。前述したように、ケラレを防止するには、光軸Ａから遠ざかるに従って徐々に高さｈを高くすることが望ましい。したがって、全体の高さＨを抑えるには、この実施形態のように、肉厚部分を漸次減少させることが好適である。

次に、第三の実施形態について説明する。
図４は、第三の実施形態に係るフレネルレンズの断面概略図である。図４に示すフレネルレンズも、図１に示すものと同様、光軸Ａに近い第一の群のプリズム部１１は、第一の面３が屈折によりレンズ作用を為す構成となっており、第二の群のプリズム部１２では、第一の面３で全反射して第二の面４で屈折することでレンズ作用を為す構成となっている。

この第三の実施形態のフレネルレンズが、第一第二の実施形態と異なるのは、第二の群の各プリズム部１２のピッチ幅が、第一の群の各プリズム部１１のピッチ幅より狭くなっている点である。ピッチ幅とは、各プリズム部１１，１２が並んだ方向で見た各凸面の幅である（図４中にｐで示す）。この実施形態では、第二の群の各プリズム部１２のピッチ幅は、第一の群の各プリズム部１１の半分となっている。

図１に示す第一の実施形態では、第二の群のプリズム部１２のピッチ幅ｐは第一の群のプリズム部１１と同じである。図４には、第一の実施形態における第二の群のプリズム部１２が二点鎖線で描かれている。図４から解るように、第三の実施形態における第二の群のプリズム部１２は、第一第二の面３，４の角度は第一の実施形態と同じで、ピッチ幅ｐのみが半分になっている。即ち、第三の実施形態は、第二の群において、二つのプリズム部１２が第一の実施形態のプリズム部１２一つ分の機能を持つようにした構成となっている。

尚、第二の群において、二つのプリズム部１２が一つの組みとなっている。各組みにおいて、二つのプリズム部１２は互いに同じ構成である。つまり、第一の斜面３の立ち上がり角θｕ、第二の面４の角度及び頂角は同じである。そして、光軸Ａから遠い組みほど、立ち上がり角θｕが大きくなり、出射角θｅが小さくなるようになっている。

第二の実施形態では、ピッチ幅ｐが半分になっているので、凸面の高さｈについても、第一の実施形態に比べて半分になる。従って、第二の群のプリズム部１２における高さの増加を半分に抑えることができる。この第三の実施形態においても、第二の群のプリズム部１２の凸面の高さｈは漸増しているが、その漸増が第一の実施形態に比べて半分となっている。

第二の群のプリズム部１２同士はピッチ幅ｐが同じであるが、変えるようにしてもよい。即ち、第二の群のプリズム部１２において、光軸Ａから遠ざかるに従って徐々にピッチ幅ｐを狭くする構成であっても良い。
また、第二の群の各組みのプリズム部１２は互いに同じ構成でない場合もある。各組みにおいて、光軸Ａから遠い方のプリズム部１２において出射角θｅが小さくなるように設計する場合もある。

上述した第一乃至第三の実施形態の各特徴点は、適宜組み合わせることができる。例えば、先端カットの構成を第一の実施形態や第三の実施形態で採り入れても良い。また、肉厚部分の厚さを変える特徴点を、第三の実施形態に採り入れても良い。
いずれにしても、本願の各実施形態のフレネルレンズによれば、光軸Ａに近い第一の群のプリズム部１１では屈折を利用し、光軸Ａから遠い第二の群のプリズム部１２では全反射を利用しつつ、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を得ているので、臨界角によって制限されることなくフレネルレンズを大型化することが可能である。
尚、フレネルレンズの材料には、ＰＭＭＡ樹脂の他、ＭＳ（アクリル・スチレン共重合）樹脂やＰＣ（ポリカーボネード）樹脂等が使用されることがある。フレネルレンズの製作は、母材を一対の型で挟み込み、加熱加圧する熱間プレス法により行われることが多い。

上述した各実施形態では、フレネルレンズのレンズ作用は平凸レンズの作用であったが、本願発明はこれに限られる訳ではなく、平凹レンズであっても良い。つまり、平坦面から入射する光を拡大させるレンズ作用を為すものであっても良い。
また、各プリズム部１１，１２が光軸に対して同心円周状であることは、本願発明にとって必須の要素ではない。例えば、各プリズム部１１，１２が直線状に延びるものであっても、本願発明は実施可能であり、大型のフレネルレンズが得られる効果は同様である。各プリズム部１１，１２が直線状である場合、集光レンズとして構成すると、光は直線上に集光されることになり、いわゆるリニアフレネルレンズの構成となる。

次に、ソーラーシステムの発明の実施形態について説明する。
実施形態のソーラーシステムは、上述したいずれかの実施形態のフレネルレンズを使用したシステムである。本願において、「ソーラーシステム」とは、太陽光エネルギーを利用したシステムを広く意味する用語である。「利用する」とは、熱エネルギーとして利用する場合や、太陽電池のように光電変換して電気エネルギーとして取り出す場合を含む。但し、実施形態のソーラーシステムは、太陽光を集光してエネルギー密度を高くした上で利用することが想定されており、このような利用の仕方が望ましい分野に用途に好適に適用されるものである。

図５は、実施形態のソーラーシステムの斜視概略図である。
図５に示すソーラーシステムは、同一平面上に並べられた複数のフレネルレンズＦ１〜Ｆ９と、各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９を保持する保持枠７１と、各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９の姿勢を制御する姿勢制御装置とを備えている。
各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９が並べられた平面は、太陽光の入射方向に垂直である。したがって、太陽光は各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９に垂直に入射する。

各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９は、全体として正方形の板状である。この実施形態では、合計で９枚のフレネルレンズが搭載されており、図５に示すように碁盤の升目状に並べてられている。保持枠７１は、これらのフレネルレンズＦ１〜Ｆ９を保持できるよう直角格子状のものである。
各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９は、１１００×１１００ｍｍ程度の大きなものである。保持枠７１全体としては３３００×３３００ｍｍ程度の大きなものであり、受光面の大きさが１０ｍ^２程度のシステムとなっている。

姿勢制御装置は、各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９を一括して姿勢制御するものであって、各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９の入射面が太陽光の入射方向に対して常に垂直になるようにするものである。姿勢制御装置は、太陽光の高度の変化に追従して各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９の傾斜角度を制御する高度追従制御機構７２と、太陽の経度の変化に追従して各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９の水平方向の向きを制御する経度追従制御機構７３とを含んでいる。

上述した保持枠７１は、一対の支柱７４によって支えられている。保持枠７１は、水平な回転軸の周りに所定角度回転可能な状態で支柱７４に取り付けられている。回転軸は、保持枠７１の中心を通る位置となっている。尚、保持枠７１の中心は、九つのフレネルレンズのうち中央に設けられたフレネルレンズＦ１の中心に一致している。「保持枠７１の中心」や「フレネルレンズの中心」は、「保持枠７１の重心」、「フレネルレンズの重心」と言い換えることも可能である。

高度追従制御機構７２は、保持枠７１に取り付けられたアーム７５と、アーム７５を駆動する駆動部７６によって構成されている。アーム７５は、左右一対のものである。アーム７５は、クランクアームと同様の構造であり、駆動部７６は、アーム７５を引っ張ったり押したりすることが可能となっている。この駆動によって保持枠７１の傾斜角度が制御されるようになっている。
また、支柱７４は、回転台７７の上に固定されている。経度追従制御機構７３は、この回転台７７を鉛直な回転軸の周りに回転させる機構となっている。この回転軸も、保持枠７１の中心を通る位置である。

姿勢制御装置は、不図示のコンピュータを備えている。コンピュータには、太陽の軌道に関するデータが入力されており、このデータに従って高度追従制御機構７２と経度追従制御機構７３とを制御するようになっている。
尚、このソーラーシステムは、複数のフレネルレンズによる太陽光の集光位置に、受光部（不図示）を備えている。受光部の構成は、集光された太陽光をどのように利用するかによって異なる。本実施形態では、集光された太陽光の高いエネルギーを利用して試料の加工を行うことが想定されており、試料を入れる容器が受光部として採用されている。

図６は、図５に示すソーラーシステムに搭載された複数のフレネルレンズのプリズム部１の構成について模式的に示した平面概略図である。
実施形態のソーラーシステムは、複数のフレネルレンズＦ１〜Ｆ９が全体として一つのレンズと等価になるような構成である。光軸Ａは、中央のフレネルレンズＦ１の中心を通り、各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９が並べられた平面に対して垂直な方向に設定されている。中央のフレネルレンズＦ１では、各プリズム部は光軸Ａを中心とする同心円周状であり、自身の中心と同心である。一方の周辺のフレネルレンズＦ２〜Ｆ９では、各プリズム部が同じ光軸Ａに対して同心円周状となっており、自身の中心とは同心ではない（いわゆるオフアクシス）。言い換えると、フレネルレンズＦ２〜Ｆ９では、各プリズム部は光軸Ａを中心とする円弧状である。

図７は、図６に示す各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９のプリズム部１１，１２における第一第二の群の区分けについて示した断面概略図である。一例として、フレネルレンズＦ１，Ｆ４，Ｆ８の断面が示されている。
前述したように、第一の群のプリズム部１１は光軸Ａに近い位置に位置するものであり、第二の群のプリズム部１２は光軸Ａから遠い位置に位置するものである。この場合、複数のフレネルレンズにおける区分けは、二つのパターンがある。

第一のパターンは、図７（１）にすように、中央のフレネルレンズＦ１において、第一の群のプリズム部１１と第二の群のプリズム部１２とがあり、周辺のフレネルレンズＦ４，Ｆ８では、全て第二の群のプリズム部１２となっているパターンである。第二のパターンは、中央のフレネルレンズＦ１では、全て第一の群のプリズム部１１であり、周辺のフレネルレンズＦ４，Ｆ８では、第一の群のプリズム部１１と第二の群のプリズム部１２とがあるパターンである。

第一のパターンは、各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９（特に中央のフレネルレンズＦ１）が大きく、全体として大きな領域で太陽光を受光して集光する場合に用いられる。第二のパターンは、逆に各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９（特に中央のフレネルレンズＦ１）が小さく、比較的小さい領域で太陽光を受光して集光する場合に用いられる。いずれにしても、複数のフレネルレンズを用いているので、一枚のフレネルレンズの場合に比べてより大きな領域で太陽光を受光して集光することができ、よりエネルギー密度を高くすることができる。
尚、中央のフレネルレンズＦ１は全て第一の群のプリズム部１１とし、周囲のフレネルレンズＦ４，Ｆ８は全て第二の群のプリズム部１２とすることもあり得る。

上述したソーラーシステムにおいて、姿勢制御装置は、太陽光が各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９に常に垂直に入射するようにするので、光の利用効率を常時高くする意義がある。とはいえ、光の利用効率をそれほど高くする必要がない場合には、姿勢制御装置を設けず、簡略化したシステムとする場合もある。
尚、上述したように複数のフレネルレンズを光軸に垂直な同一平面上に配置する構成は、「フレネルレンズ組立体」の発明として捉えることができる。このようなフレネルレンズ組立体は、上記ソーラーシステムの用途以外にも使用することができる。

次に、本願発明の実施例を説明する。一例として、図１に示す第一の実施形態に属する実施例につて説明する。この実施例は、フレネルレンズの材質としてＰＭＭＡ樹脂を使用し、焦点距離１０００ｍｍの集光レンズを構成した例である。各プリズム部１１，１２のピッチ幅は０．３ｍｍであり、第一の群及び第二の群とも同じである。
この実施例では、光軸Ａから半径約５６０ｍｍの位置が境界線６となっており、５６０ｍｍまでのプリズム部１１については屈折系（第一の群のプリズム部）となっている。５６０ｍｍを超えると、第一の面３において臨界角を超えてしまうので、それより外側は全反射系（第二の群のプリズム部）となっている。つまり、光軸Ａから１８６６個めまでのプリズム部１１は屈折系で構成し、１８６７個め以降を全反射系で構成している。

また、第二の群のプリズム部１２の最も外側のプリズム部（以下、第二群最外周部）１２で光軸Ａから約８８０ｍｍとなっている。したがって、第二の群プリズム部１２は１０６７個設けられた構成であり、全体で２９３３個のプリズム部１１，１２が設けられている。フレネルレンズ全体の入射面の大きさは直径８８０ｍｍであり、直径１ｍに迫る大口径の集光レンズがフレネルレンズで達成されている。

第一群最外周部１１では、第一の面３の立ち上がり角θｕは３８．３５度、ドラフト角はゼロであり、頂角は５１．６５度である。第二群最内周部１２では、立ち上がり角θｕは６４．１度（したがって、入射角は６４．１度）、ドラフト角は４．１度である。頂角は、３０度である（第二の群の各プリズム部１２で共通）。第二群最外周部１２では、立ち上がり角θｕは６０．１７度、ドラフト角は０．０７度である。

第一群最外周部１１での出射角θｅは６１．７５度で、第二群最内周部１２での出射角θｅは６０．７５度である。出射角θｅは、光軸Ａから遠ざかるにしたがって小さくなり、第二群最外周部１２では４８．６５度である。
このようにして出射する光は、距離１０００ｍｍの焦点に集光する。スポット径は直径５０ｍｍ程度である。このようなフレネルレンズを用いて太陽光を集光すると、良く晴れた日の場合、集光点の温度は１５００℃程度以上に達する。

第一の実施形態に係るフレネルレンズの断面概略図である。 第二の実施形態に係るフレネルレンズの断面概略図である。 第二の実施形態を変形した実施形態の構成を模式的に示した図である。 第三の実施形態に係るフレネルレンズの断面概略図である。 実施形態のソーラーシステムの斜視概略図である。 図５に示すソーラーシステムに搭載された複数のフレネルレンズのプリズム部１の構成について模式的に示した平面概略図である。 図６に示す各フレネルレンズＦ１〜Ｆ９のプリズム部１における第一第二の群の区分けについて示した断面概略図である。 一般的なフレネルレンズの構造を示した正面断面概略図である。

符号の説明

１１ 第一の群のプリズム部
１２ 第二の群のプリズム部
２ 平坦面
３ 第一の面
４ 第二の面
５ 第三の面
６ 境界線
７１ 保持枠
７２ 高度追従制御機構
７３ 経度追従制御機構

Claims (7)

1. 入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
   多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
   各群のプリズム部の出射側の凸面は、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を為すよう形成されているとととに、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
   第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   前記第二の群のプリズム部の各凸面は、前記第一の群のプリズム部の各凸面に比べて、前記平坦面までの距離が短いことを特徴とするフレネルレンズ。
2. 入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
   多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
   各群のプリズム部の出射側の凸面は、平行光が入射面に垂直に入射した際、出射する光を点集光させるレンズ作用をフレネルレンズ全体として為すよう形成されており、
   各プリズム部の出射側の凸面は、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
   第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   前記第二の群のプリズム部の各凸面は、前記第一の群のプリズム部の各凸面に比べて、前記平坦面までの距離が短いことを特徴とするフレネルレンズ。
3. 入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
   多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
   各群のプリズム部の出射側の凸面は、フレネルレンズ全体として一つのレンズ作用を為すよう形成されているとととに、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
   第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   前記第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が、前記第一の群のプリズム部に比べて短いことを特徴とするフレネルレンズ。
4. 入射側が平坦面であり、出射側が凸面となっているプリズム部を同一平面上に多数並べた構造のフレネルレンズであって、
   多数のプリズム部は、光軸に近い側に位置する第一の群のプリズム部と、光軸から遠い側に位置する第二の群のプリズム部とから成り、
   各群のプリズム部の出射側の凸面は、平行光が入射面に垂直に入射した際、出射する光を点集光させるレンズ作用をフレネルレンズ全体として為すよう形成されており、
   各プリズム部の出射側の凸面は、平坦面から入射した光が最初に到達する第一の面と、第一の面とは別の第二の面とを有しており、
   第一の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で屈折して出射するすることで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   第二の群の各プリズム部の凸面は、第一の面に達した光が第一の面で全反射した後、第二の面で屈折して出射することで前記レンズ作用を為すよう形成されており、
   前記第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が、前記第一の群のプリズム部に比べて短いことを特徴とするフレネルレンズ。
5. 前記第二の群のプリズム部は、各プリズム部の並設方向の長さであるピッチ幅が、前記第一の群のプリズム部に比べて短いことを特徴とする請求項１又は２記載のフレネルレンズ。
6. 前記第二の群のプリズム部では、前記第一の面の先端部分と第二の面の先端部分と間に第三の面が形成されており、第三の面の幅は５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のフレネルレンズ。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載のフレネルレンズを備え、太陽光エネルギーを利用するソーラーシステムであって、太陽光が前記入射面に垂直に入射するよう前記フレネルレンズを配置したことを特徴とするソーラーシステム。

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