JP7317646B2 - 光学素子、照明装置、及び、太陽電池装置 - Google Patents

光学素子、照明装置、及び、太陽電池装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、光学素子、照明装置、及び、太陽電池装置に関する。
従来の光学素子として例えば広角レンズは、広い視野角からの光線を集光することができる。
特許第３３９６１１８号公報
通常の広角レンズでは、３６０°の視野角、すなわち全方位から集光するのは難しい。
本発明が解決しようとする課題は、全方位から集光可能な光学素子、その光学素子を含む照明装置、及び、その光学素子を含む太陽電池装置を提供することである。
実施形態による光学素子は、中心から動径方向に向かって連続的に減衰する連続屈折率分布領域を有する。光学素子は、中心に第１の媒質を備える。第１の媒質は、その周囲の前記連続屈折率分布領域に比べて複素屈折率の虚部の絶対値が大きく、光を吸収する領域を有する。第１の媒質の屈折率は第１の媒質の周囲の連続屈折率分布領域との境界において連続的に接続する。連続屈折率分布領域の屈折率をＮとし、光学素子の中心からの半径をｒ＞０とし、半径ｒの最大値をｒ ｏ とし、光学素子の外周面の外側の環境の屈折率Ｎ ｏ を定数とし、ｍを１以上の定数としたとき、Ｎ＝Ｎ ｏ （ｒ ｏ ／ｒ） ｍ を満たす。
図１は、第１実施形態に係る球状の光学素子を示す概略図である。 図２は、図１に示す光学素子を、光学素子の中心を含む面で半分に切断した片方の斜視図を示すとともに、中心から動径方向に向かって連続的に減衰する連続屈折率分布領域を示す、概略図である。 図３は、図１に示す光学素子の中心からコアの外縁までの屈折率と、中心から光学素子の外縁の環境の屈折率との間の屈折率分布を示す概略的なグラフである。 図４は、図１に示す光学素子に向けてある方向から光波を入射したときの、ｘｙ平面における光波の光路を示す概略図である。 図５は、第２実施形態に係る、図１に示す光学素子を含む照明装置を示す概略的な斜視図である。 図６は、第３実施形態に係る、図１に示す光学素子を含む太陽電池装置を示す概略図である。
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。図面は模式的または概念的なものである。
［第１実施形態］
第１実施形態に係る光学素子１０について、図１から図４を用いて説明する。
本実施形態に係る光学素子１０は、光波に対して透明な媒質（第１の媒質）で形成されている。図１に示すように、本実施形態に係る光学素子１０は、例えば球状である。ただし、光学素子１０の形状はこれに限らず、軸対称であればよい。このため、光学素子１０は、円柱でもよい。また、光学素子１０は、実質的に軸対称な多角柱でもよい。本実施形態に係る光学素子１０は、例えばメタレンズを用いる。
光波とは、可視光、Ｘ線、ミリ波、電磁波などであり、電場成分と磁場成分とを含む波である。透明とは、わずかでも光を透過すればよく、光波を吸収しても構わない。一例として、光波は可視光であり、媒質はシリコンである。媒質の複素屈折率（ｃｏｍｐｌｅｘ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）ｎを、
とする。Ｎは実部であり、一般的に屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）と呼ばれる。Ｋは虚部であり、一般的に消衰係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）と呼ばれる。
図２は、本実施形態に係る球状の光学素子１０の中心Ｏを通る面で切断した状態の斜視図を示す。本実施形態の光学素子１０の中心Ｏを原点とし、直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）を置く。図２において、光学素子１０は、一例として、ｚ＝０の面で半分に切断されている。ｚ＝０の面（ｘｙ平面）に色等高線（グレースケールの等高線）で屈折率Ｎを示す。本実施形態に係る光学素子１０の屈折率Ｎは、中心Ｏから外側に向かって連続的に変化する。屈折率Ｎは、中心Ｏから径方向外方に向かって急激ではなく徐々に低下する。このため、光学素子１０は、中心Ｏから動径方向に向かって連続的に減衰する連続屈折率分布領域を有する。言い換えると、光学素子１０の屈折率Ｎは、中心Ｏに向かうほど高くなる。
図３には、本実施形態に係る光学素子１０の中心を原点Ｏとし、半径ｒに対して屈折率Ｎをプロットしたものを示す。光学素子１０の中心Ｏから半径ｒｃ内の領域をコアＣと呼ぶ。図３に示す屈折率Ｎの分布は、半径ｒがｒｃからｒｏまでの領域で、
と表せる。ここで、Ｎｏは環境の屈折率である。本実施形態では環境が空気であると仮定すると、環境の屈折率Ｎｏを１とする。環境の屈折率Ｎｏは、環境に応じて変化するが、定数である。
本実施形態において、環境は空気の他、一例として水でもよい。その場合、環境の屈折率Ｎｏを例えば１．３３とする。
ｍは１以上の定数であるとする。図３において、ｍが１．０の場合を実線で示し、ｍが１．５および２．０の場合についてそれぞれ破線で示す。ｍが１．５の場合、ｍが１．０の例と、ｍが２．０の例との間にある。つまり、光学素子１０の連続屈折率分布領域の屈折率Ｎは、光学素子１０の半径ｒがｒｃからｒｏまでの領域で、
を満たす。また、コアＣの媒質（第１の媒質）と、コアＣの外側の連続屈折率分布領域とが接する接領域との屈折率の最大値Ｎｍａｘは、
と表せる。中心Ｏを含むコアＣの内側は、第１の媒質（例えばシリコン）を備える。中心Ｏを含むコアＣの内側は、光学素子１０の屈折率Ｎの最大値Ｎｍａｘに一致する。接領域の半径はｒｃであり、光学素子１０の半径ｒの最大値はｒｏである。
コアＣ（第１の媒質）は、複素屈折率ｎの虚部Ｋの絶対値が０よりも大きい領域を有する。
以上より、本実施形態に係る光学素子１０の屈折率Ｎは、中心Ｏからの半径ｒに対し、式（３）で表せるように、半径ｒが大きくなるにつれて連続的に減衰する領域を備える。光学素子１０は、半径ｒｏにおいて、環境の屈折率Ｎｏと一致する。半径ｒｏは、例えば光学素子１０の外周面に一致する。
本実施形態に係る光学素子１０の動作について説明する。
光波Ｌは、より高い屈折率Ｎを示す領域に向かって曲がる。ラグランジアン光学から導出される光線方程式に基づいた計算によると、式（３）で表せる屈折率Ｎの分布の光学素子１０に入射した光波Ｌは、どの方向から来たとしても必ず光学素子１０の中心Ｏに向かう。
一例として、説明の簡略化のため、図４に示すように、ｚ＝０としたｘｙ平面で考える。ｙ軸に沿ってマイナス側からプラス方向に光波Ｌが向かい、ｘ軸のマイナス軸に交差する光波Ｌは、屈折率Ｎが高い中心Ｏに向かう。これは、ｘｙ平面のような２次元だけでなく、ｘｙｚ直交座標系のような３次元的に拡張できることである。したがって、光学素子１０のいずれの方向から入射された光波Ｌであっても同様に、光波Ｌは中心Ｏに向かう。このため、光波Ｌが光学素子１０に入射されると、中心Ｏを含む半径ｒｃのコアＣに到達する。
式（４）により、屈折率Ｎは、コアＣの境界（接領域）で連続する。このため、光学素子１０は、コアＣの境界（接領域）で屈折率Ｎに飛びがない。したがって、コアＣの境界（接領域）で屈折率の急激な変化がなく、光学素子１０は、フレネル反射によるロスが起こらず、防止されている。
光学素子１０のコアＣにおいて、複素屈折率ｎの虚部Ｋの絶対値は、０よりも大きい値を持つ領域がある。そのため、光波Ｌは、光学素子１０のコアＣの、複素屈折率ｎの虚部Ｋの絶対値が０よりも大きい値を持つ領域で吸収される。一方、虚部Ｋの絶対値が０であると、光波ＬはいったんコアＣに入り、再びコアＣから射出される。つまり、光学素子１０は、全方位の光波ＬをコアＣに集め、吸収する。例えば、吸収された光波Ｌのエネルギーを電気に変換するエリアセンサーを配置することで、全方位の情報を画像として取得することができる。一方、一般的なレンズでは全方位の光波ＬをコアＣに集めることができない。
本実施形態によれば、全方位から集光可能な光学素子１０を提供することができる。
（変形例）
第１実施形態に係る光学素子１０は球状である。光学素子１０の形状は、球状に限らない。本変形例の光学素子１０の形状は、例えば円柱状である。光学素子１０の形状は、式（３）で表せる屈折率Ｎの分布を有する断面を備えるものならば他の形状でもよい。ｚ軸を円柱の中心軸に一致させると、円柱の中心軸に直交する適宜の断面は、ｘｙ平面となる。この場合、図４に示すのと同様に、ｘｙ平面に平行に入射された光波Ｌは、ｘｙ平面に沿って中心Ｏに向かう。
本変形例によれば、全方位から集光可能な光学素子１０を提供することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る照明装置２０について、図５を用いて説明する。第２実施形態に係る照明装置２０は、第１実施形態で説明した光学素子１０を用いる。
本実施形態に係る照明装置２０は、図５に示すように、球状の光学素子１０と、蛍光体２２と、透明なロッド２４と、光源２６とを有する。
ロッド２４は例えば略円柱状に形成されている。ロッド２４は、球状の光学素子１０を支持する。ロッド２４と球状の光学素子１０とは、一体化されていてもよい。ロッド２４と球状の光学素子１０の半径ｒｏでの屈折率（ロッド２４と光学素子１０との境界の屈折率）Ｎは、一致又は略一致していることが好適である。
ロッド２４のうち、例えば光学素子１０とは反対側には、光源２６が配設されている。光源２６は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いる。光源２６は、例えば、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）でもよく、レーザーでもよい。光源２６は、ハロゲンランプなどで用いられるタングステンフィラメントでもよい。光源２６は、種々のものを用いることができる。光源２６から出射する光波Ｌの波長は、例えば４５０ｎｍを含み、これを第１の波長とする。ロッド２４は、光源２６から発した第１の波長の光波Ｌを透過する。
球状の光学素子１０は、第１実施形態で説明した中心Ｏを含むコアＣの部分が蛍光体２２で構成されている。蛍光体２２の形状は球状である。蛍光体２２は、第１の波長を吸収し、長波長側の第２の波長に変換する。例えば、第２の波長を５５０ｎｍとする。
本実施形態の照明装置２０の動作について説明する。
光源２６から射出された第１の波長の光波Ｌは、透明ロッド２４に入射し、ロッド２４内で全反射を繰り返して球状の光学素子１０に到達する。光波Ｌの一部は、ロッド２４の内部の全反射を介さずに直接、球状の光学素子１０に到達する。
球状の光学素子１０に到達した光波Ｌは、第１実施形態で説明したように、光学素子１０のコアＣに向かう。すなわち、光波Ｌは、蛍光体２２に向かう。第１の波長の光波Ｌは、蛍光体２２によって吸収される。蛍光体２２に吸収された第１の波長の光波Ｌは、第２の波長を有する光波として蛍光体２２から射出される。それらの光波は、最終的に球状の光学素子１０の外部へと射出される。
ここで、蛍光体２２から発せられる光波は、第１の波長に比べて広い波長幅を持ったインコヒーレントな光波となる。蛍光体２２から発せられる光波は拡散されて広配光となる。これらの性質は、照明用途として求められるものと一致しており、照明用途としての効果がある。
以上の動作により、光源２６から射出された第１の波長を有する光波Ｌは、光学素子１０のコアＣにある蛍光体２２で、第２の波長を有する光波へと変換されて射出される。その際、光学素子１０は、広い波長幅、インコヒーレント、広配光といった照明用途に求められる性質を生み出せる。すなわち、照明装置２０は、広い波長幅、インコヒーレント、広配光といった照明用途に求められる性質を生み出せる。
本実施形態に係る照明装置２０は、光学素子１０に入射される光をコアＣの蛍光体２２に全て集めることができる。そして、コアＣの蛍光体２２に集められた光波Ｌは、波長を変化させて外部に射出される。このため、本実施形態によれば、例えば１００％であるなど、極めて高効率な照明装置２０が提供される。
なお、ロッド２４は必ずしも必要ではない。すなわち、光源２６からの光が直接光学素子１０に入射されてもよい。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る太陽電池装置３０について、図６を用いて説明する。第３実施形態に係る太陽電池装置３０は、第１実施形態で説明した光学素子１０を用いる。
本実施形態に係る太陽電池装置３０は、図６に示すように、球状の光学素子１０と、太陽電池３２とを有する。
球状の光学素子１０は、第１実施形態と同じものであるが、コアＣに太陽電池３２が配置される。すなわち、中心Ｏを含むコアＣに媒質（第１の媒質）として、太陽電池３２を含む。言い換えると、太陽電池３２は、中心Ｏを含むコアＣの媒質（第１の媒質）にある。太陽電池３２は、太陽光発電に用いられるエネルギー変換素子でもよく、太陽熱発電に用いられる炉でもよい。太陽電池３２は、蓄熱材でもよい。太陽電池３２は、太陽からの光の集光部にあり、太陽からの光が変換された熱エネルギーの集熱部にある。
本実施形態に係る光学素子１０は、あらゆる方向からの太陽光及び太陽光に基づく太陽熱エネルギーをコアＣに配置される太陽電池３２（あるいは蓄熱材）に集めることができる。つまり、本実施形態に係る太陽電池装置３０は、あらゆる方向からの太陽の光を、コアＣにある太陽電池３２に集めることができる。このため、本実施形態に係る太陽電池装置３０を用いることで、太陽の方向を追尾することなく、太陽光発電あるいは太陽熱発電を効率的に行うことができる。
本実施形態に係る太陽電池装置３０は、光学素子１０に入射される光をコアＣに全て集めることができる。このため、太陽光のうち、光学素子１０に入射された光の全てをコアＣに集めることができる。また、太陽光のうち、熱エネルギーとされた全てをコアＣに集めることができる。このため、本実施形態によれば、極めて高効率な太陽電池装置３０が提供される。
本発明のいくつかの実施例を含む実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下、出願時の特許請求の範囲を付記する。
［付記１］
中心から動径方向に向かって連続的に減衰する連続屈折率分布領域を有し、
中心に第１の媒質を備え、
前記第１の媒質は、複素屈折率の虚部の絶対値が０よりも大きい領域を有する、光学素子。
［付記２］
前記連続屈折率分布領域の屈折率をＮとし、前記中心からの半径をｒとし、前記半径ｒの最大値をｒ ｏ とし、Ｎ ｏ を定数としたとき、
を満たす、付記１に記載の光学素子。
［付記３］
前記第１の媒質と前記連続屈折率分布領域が接する接領域との屈折率をＮ ｍａｘ とし、
前記接領域の半径をｒ ｃ とし、
前記光学素子の半径ｒの最大値をｒ ｏ とし、Ｎ ｏ を定数とし、ｍを１よりも大きい定数としたとき、
を満たす、付記１に記載の光学素子。
［付記４］
前記第１の媒質は、太陽電池である、付記１乃至付記３のいずれか１項に記載の光学素子。
［付記５］
付記１乃至付記３のいずれか１項に記載の光学素子と、
光源と
を備え、
前記第１の媒質は蛍光体であり、
前記光源から第１の波長が射出され、
前記蛍光体は、前記第１の波長を吸収し、前記第１の波長よりも波長が長い第２の波長に変換し射出する、照明装置。
［付記６］
付記１乃至付記３のいずれか１項に記載の光学素子と、
太陽電池と
を備え、
前記太陽電池は、前記第１の媒質にある、太陽電池装置。
１０…光学素子、２０…照明装置、２２…蛍光体、２４…ロッド、２６…光源、３０…太陽電池装置、３２…太陽電池、Ｃ…コア、Ｌ…光波。

Claims (6)

  1. 光学素子であって、
    中心から動径方向に向かって連続的に減衰する連続屈折率分布領域を有し、
    中心に第１の媒質を備え、
    前記第１の媒質は、その周囲の前記連続屈折率分布領域に比べて複素屈折率の虚部の絶対値が大きく、光を吸収する領域を有し、
    前記第１の媒質の屈折率は前記第１の媒質の周囲の前記連続屈折率分布領域との境界において連続的に接続し、
    前記連続屈折率分布領域の屈折率をＮとし、
    前記光学素子の前記中心からの半径をｒ＞０とし、
    前記半径ｒの最大値をｒ ｏ とし、
    前記光学素子の外周面の外側の環境の屈折率Ｎ ｏ を定数とし、
    ｍを１以上の定数としたとき、
    を満たす、光学素子。
  2. 前記屈折率Ｎ、前記屈折率Ｎ ｏ 、前記光学素子の前記中心からの半径ｒ＞０、前記半径ｒの最大値ｒｏ は、
    を満たす、請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１の媒質と前記連続屈折率分布領域が接する接領域との屈折率をＮｍａｘとし、
    前記接領域の半径をｒｃ としたとき、
    ｒｃ＜ｒｏであり、
    を満たす、請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記第１の媒質は、太陽電池である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学素子と、
    光源と
    を備え、
    前記第１の媒質は蛍光体であり、
    前記光源から第１の波長が射出され、
    前記蛍光体は、前記第１の波長を吸収し、前記第１の波長よりも波長が長い第２の波長に変換し射出する、照明装置。
  6. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学素子と、
    太陽電池と
    を備え、
    前記太陽電池は、前記第１の媒質にある、太陽電池装置。
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