JPH10239527A - 拡散光再集光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡散光を伝送して、伝送先で再び集光し得る
ようにする。 【解決手段】 光ファイバー５の出口端に、放物線の一
部を、放物線の軸に対して受光許容角だけ角度のずれた
回転軸の廻わりに回転してできる軸ずらし回転放物面鏡
７を利用した非結像光学素子６を取付けるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、拡散光再集光装置
に関するものであり、より詳しくは、拡散光を伝送し
て、伝送先で再び集光し得るようにした拡散光再集光装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】平行光線を集光する機器としては、従来
より凸レンズや凹面鏡などが知られている。しかし、拡
散光を集光できる機器は、現在の所、ほとんど知られて
いない。

【０００３】従って、拡散光を伝送して、伝送先で拡散
光を集光して利用するようなことは、ほとんど行われて
いなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、宇宙空間など
で太陽光を凹面鏡で集め、凹面鏡の焦点位置に物体を置
いて、焦点位置で得られる高密度太陽光の高熱を利用し
て物体を溶かすようにする太陽炉が考えられているが、
この様な太陽炉では、凹面鏡を太陽に追尾させる必要が
あり、その際、凹面鏡の焦点位置が動いてしまうことと
なるため、焦点位置の移動に合わせて物体の位置も動か
さねばならないという問題がある。

【０００５】そこで、凹面鏡の焦点位置に得られる高密
度太陽光を別の場所に有効に伝送することができれば、
凹面鏡と物体とを切り離して配置することが可能とな
り、より実用性の高い太陽炉の開発が期待できるように
なる。

【０００６】しかし、太陽炉の焦点位置に得られる高密
度太陽光は拡散光であり、伝送する時に太陽光は拡散し
てしまうため、単に伝送するだけでは高熱を得られない
こととなる。これを回避するためには、拡散光となった
太陽光を伝送先で再び集光する必要が生じる。

【０００７】しかるに、上記したように、拡散光を有効
に集光できる機器がなかったので、凹面鏡と物体とが切
り離して配置された実用性の高い太陽炉を開発すること
ができなかった。

【０００８】又、拡散光を伝送して、伝送先で再び集光
する技術は、上記以外にも、加熱器や蓄熱器その他の高
温熱機器など、様々な機器への応用が考えられるため、
技術的には要望が高まっている。

【０００９】本発明は、上述の実情に鑑み、拡散光を伝
送して、伝送先で再び集光し得るようにした拡散光再集
光装置を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、光ファイバー
５の出口端に、放物線１０の一部を、放物線１０の軸に
対して受光許容角θだけ角度のずれた回転軸１８の廻わ
りに回転してできる軸ずらし回転放物面鏡７を利用した
非結像光学素子６を取付けたことを特徴とする拡散光再
集光装置にかかるものである。

【００１１】この場合において、非結像光学素子６の出
口部２０に、円錐台部２２を形成しても良い。

【００１２】上記手段によれば、以下のような作用が得
られる。

【００１３】光ファイバー５で伝送した拡散光を、放物
線１０の一部を、放物線１０の軸に対して受光許容角θ
だけ角度のずれた回転軸１８の廻わりに回転してできる
軸ずらし回転放物面鏡７を利用した非結像光学素子６を
用いて、伝送先で集光させるようにする。

【００１４】この場合において、非結像光学素子６の出
口部２０に、円錐台部２２を形成することにより、最大
出射角度を絞ることが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
示例と共に説明する。

【００１６】図１〜図３は、本発明の第一の実施の形態
である。

【００１７】本実施の形態では、一例として太陽炉に適
用した場合について説明する。

【００１８】太陽光１を集光するようにした凹面鏡など
の集光鏡２などを設けて、集光装置３を構成する。

【００１９】そして、集光鏡２の焦点４の位置に、光フ
ァイバー５の入口端を配設し、光ファイバー５を外部へ
と導いて、光ファイバー５の出口端に非結像光学素子６
（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅ
ｎｔｒａｔｏｒ 略してＣＰＣと呼ばれている）を取付
ける。

【００２０】ここで、集光装置３は、集光鏡２に図示し
ない追尾装置などを設けるなどして太陽を追尾させ得る
ようになっている。尚、集光鏡２は一枚の凹面鏡で構成
する場合に限らず、複数枚の反射鏡を組合せて同等の機
能を有するように構成するなどしても良く、要するに任
意の構成とすることができる。

【００２１】又、光ファイバー５は、多数本を束ねて使
用するようにし、その入口端は、図示しない保持部材な
どによって、集光鏡２の焦点４の位置に保持させるよう
にする。

【００２２】非結像光学素子６は、特殊な回転放物面鏡
７（以下、軸ずらし回転放物面鏡７という）で構成され
る。尚、非結像光学素子６は、外周部に冷却液８によっ
て冷却するための冷却ジャケット９が備えられるように
する。

【００２３】上記軸ずらし回転放物面鏡７は、以下のよ
うなものである。

【００２４】先ず、図３に示すように、軸ずらし回転放
物面鏡７を構成する物質の屈折率（例えば、ガラスで構
成するのであればガラスの屈折率、図２のように中空構
造とするのであれば空気の屈折率）を基に所定の放物線
１０を描く。ここで、所定の放物線１０とは、軸１１と
平行な方向から入射された光１２〜１４が、放物線１０
上で反射されて、軸１１上の一点（焦点Ａ）に集光され
るような放物線のことである。

【００２５】上記放物線１０が描けたら、次に、最大入
射角である受光許容角θを設定する。該受光許容角θ
は、集光装置３との関係で決められるものであり、図３
では後述する回転軸１８に対して成す角度で表わされ
る。

【００２６】そして、放物線１０の焦点Ａの位置から、
軸１１に対して受光許容角θの２倍の角度（２θ）を成
す直線１５を描き、直線１５と放物線１０との交点を点
Ｂとする。又、焦点Ａの位置から、軸１１に対して受光
許容角θと等しい角度を成す直線１６を描き、焦点Ａか
ら直線１６と直交する直線１７を描き、直線１７と放物
線１０との交点を点Ｃとする。

【００２７】更に、焦点Ａと点Ｃとの二等分点Ｄから直
線１７と直交する線を描き、該線を回転軸１８として、
放物線部分ＢＣが回転することにより、軸ずらし回転放
物面鏡７を構成する。尚、点Ｂが回転軸１８を中心とし
て１８０度回転した位置を点Ｅとする。

【００２８】尚、１９は軸ずらし回転放物面鏡７の入口
部、２０は軸ずらし回転放物面鏡７の出口部、２１は拡
散光としての太陽光である。

【００２９】次に、作動について説明する。

【００３０】本発明では、太陽光１を凹面鏡などの集光
鏡２などを有する集光装置３を用いて集光し、集光鏡２
の焦点４の位置に入口端を配設された光ファイバー５を
用いて、集光鏡２の焦点４の位置に集光された高密度の
太陽光２１（拡散光）を外部へと導く。

【００３１】そして、光ファイバー５で外部へ導かれた
高密度の太陽光２１（拡散光）を、光ファイバー５の出
口端に取付けられた非結像光学素子６（Ｃｏｍｐｏｕｎ
ｄＰａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ 略
してＣＰＣと呼ばれている）を用いて、非結像光学素子
６の出口部２０にて集光させる。

【００３２】そして、太陽炉では、集光された太陽光２
１により、非結像光学素子６の出口部２０に配置された
図示しない物体を溶融させるようにする。

【００３３】これにより、凹面鏡などの集光鏡２と溶融
しようとする物体とが切り離して配置される、実用性の
高い太陽炉を開発することが可能となる。

【００３４】ここで、非結像光学素子６を構成する軸ず
らし回転放物面鏡７は、以下のようにして拡散光を集光
させるようになっている。

【００３５】即ち、上記軸ずらし回転放物面鏡７は、例
えば、放物線部分ＢＣについて見ると、放物線１０の軸
１１と平行な方向から放物線部分ＢＣへ向けて入射（即
ち、回転軸１８に対して受光許容角θと等しい角度を持
って入射）された光１２〜１４は、放物線１０の性質か
ら、放物線部分ＢＣ上で１回反射されて焦点Ａに集り、
その後拡散されるようになっている。

【００３６】又、受光許容角θよりも小さい角度で放物
線部分ＢＣの方向へ向けて入射された光は、放物線１０
の性質から、放物線部分ＢＣ上で１回反射されて線分Ａ
Ｃの間を通るか、或いは、放物線部分ＢＣ上で１回も反
射されずに線分ＡＣの間を通るかする。

【００３７】そして、受光許容角θよりも大きい角度で
放物線部分ＢＣへ入射される光は、放物線１０の性質か
ら、放物線部分ＢＣ上で１回以上反射されて線分ＢＥ側
へ戻される。但し、受光許容角θは、集光装置３との関
係に基づいて決められる値であり、受光許容角θよりも
大きな角度で光が入射されることのないように、依っ
て、線分ＢＥ側へ光が戻されるようなことが生じないよ
うに、非結像光学素子６や集光装置３が設計されること
になる。

【００３８】従って、放物線部分ＢＣについて見ると、
放物線部分ＢＣに向かって入射される光は、全て線分Ａ
Ｃの間を通るように集光されることとなる。

【００３９】そして、線分ＡＣの垂直二等分線である回
転軸１８を中心として、放物線部分ＢＣを１８０度回転
させた放物線部分ＥＡについ見ると、今度は、点Ｃが放
物線部分ＥＡの焦点となるので、放物線部分ＥＡに向か
って入射された光は、上記と同様に、全て線分ＡＣの間
を通るように集光されることとなる。

【００４０】即ち、放物線部分ＥＡについて見ると、回
転軸１８に対し受光許容角θだけ傾いた直線１５と平行
な方向から放物線部分ＥＡへ入射された光は、放物線の
性質から、放物線部分ＥＡ上で１回反射されて点Ｃ（放
物線部分ＥＡの焦点）に集り、その後拡散されることと
なる。

【００４１】又、受光許容角θよりも小さい角度で放物
線部分ＥＡの方向へ向けて入射された光は、放物線の性
質から、放物線部分ＥＡ上で１回反射されて線分ＡＣの
間を通るか、或いは、放物線部分ＥＡ上で１回も反射さ
れずに線分ＡＣの間を通るかする。

【００４２】そして、受光許容角θよりも大きい角度で
放物線部分ＥＡへ入射される光は、放物線の性質から、
放物線部分ＥＡ上で１回以上反射されて線分ＢＥ側へ戻
されるが、受光許容角θは、集光装置３との関係に基づ
いて決められる値であり、受光許容角θよりも大きな角
度で光が入射されることのないように、依って、線分Ｂ
Ｅ側へ光が戻されるようなことが生じないように、非結
像光学素子６や集光装置３が設計されることになる。

【００４３】従って、放物線部分ＥＡについて見ると、
放物線部分ＥＡに向かって入射される光は、全て線分Ａ
Ｃの間を通るように集光されることがわかる。

【００４４】更に、放物線部分ＢＣを、線分ＡＣの垂直
二等分線である回転軸１８を中心として回転させて成る
軸ずらし回転放物面鏡７は、回転軸１８を中心として焦
点Ａを３６０度回転させたものとも見ることができるの
で、上記と同様の理由から、受光許容角θで入射された
光は、軸ずらし回転放物面鏡７で１回反射されて出口部
２０に集光され、その後拡散されることとなる。

【００４５】又、受光許容角θよりも小さい角度で入射
された光は、軸ずらし回転放物面鏡７上で１回反射され
て出口部２０を通るか、或いは、軸ずらし回転放物面鏡
７上で１回も反射されずに出口部２０を通るかする。

【００４６】そして、受光許容角θよりも大きい角度で
入射される光は、軸ずらし回転放物面鏡７上で１回反射
されて入口部１９側へ戻されるが、受光許容角θは、集
光装置３との関係に基づいて決められる値であり、受光
許容角θよりも大きな角度で光が入射されることのない
ように、依って、軸ずらし回転放物面鏡７側へ光が戻さ
れるようなことは生じないように、非結像光学素子６や
集光装置３が設計されることとなる。

【００４７】従って、上記軸ずらし回転放物面鏡７は、
入射された光を、全て１回か０回反射させた後、線分Ａ
Ｃを直径とする出口部２０に通過させ、その後拡散させ
るよう機能する。

【００４８】以上により、非結像光学素子６の出口部２
０の位置で、拡散光である太陽光２１を集光させること
ができる。

【００４９】ここで、非結像光学素子６の集光率は、線
分ＢＥを直径とする入口部１９と、線分ＡＣを直径とす
る出口部２０との面積比となる。

【００５０】又、光１２は放物線部分ＢＣ上の点Ｃの位
置で反射されると、焦点Ａを通って線分ＣＡの延長方向
へ拡散され、反対に、直線１５に沿って入射された光
は、放物線部分ＥＡ上の点Ａの位置で反射されると、点
Ｃを通って線分ＡＣの延長方向へ拡散されることとなる
ので、軸ずらし回転放物面鏡７の出口部２０における太
陽光２１の最大出射角度φは、回転軸１８を基準として
９０度となる。

【００５１】図４・図５は、本発明の第二の実施の形態
であり、軸ずらし回転放物面鏡７の出口部２０近傍に、
円錐台部２２を形成して、拡散光である太陽光２１の最
大出射角度φを、９０度よりも小さな角度に絞り得るよ
うにしたものである。

【００５２】即ち、図５に示すように、軸ずらし回転放
物面鏡７に受光許容角θで入射された光は、軸ずらし回
転放物面鏡７の出口部２０における対応する焦点Ｆの位
置に必ず集光され、且つ、上記光は、軸ずらし回転放物
面鏡７の出口部２０に近い位置で反射される程、出射角
が大きくなって行くので、軸ずらし回転放物面鏡７の上
で所望の出射角（例えば、７０度）となる点Ｇを探し、
その点以降出口部２０までの間を放物線の接線を母線と
する円錐台部２２に置き換えるようにする。

【００５３】このようにすることにより、上記円錐台部
２２では、どこも出射角度が上記点Ｇにおける出射角と
同じ値となるので、軸ずらし回転放物面鏡７の最大出射
角度φを上記点Ｇにおける出射角と等しくすることが可
能となる。

【００５４】そして、このように拡散光である太陽光２
１の最大出射角度φを、９０度よりも小さな角度に絞り
得るようにすることにより、軸ずらし回転放物面鏡７の
出口部２０から出た太陽光２１が直ちに拡散されてしま
うことを防止することができるので、例えば、太陽炉に
適用した場合には、溶融しようとする物体を軸ずらし回
転放物面鏡７の出口部２０から少し離した位置に配置す
るようなことが可能となる。

【００５５】尚、この場合には、出口部２０の直径が僅
かに大きくなるため、非結像光学素子６の集光率は、若
干低下することになる。

【００５６】上記以外については、前記実施の形態と同
様の構成を備えており、同様の作用・効果を得ることが
できる。

【００５７】尚、本発明は、上述の実施の形態にのみ限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の拡散光再
集光装置によれば、拡散光を伝送して、伝送先で再び集
光することができるという優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の全体概略側面図で
ある。

【図２】図１の部分拡大断面図である。

【図３】軸ずらし回転放物面鏡の形状を説明するための
図である。

【図４】本発明の第二の実施の形態にかかる図２と同様
の図である。

【図５】円錐台部の形状を説明するための図である。

【符号の説明】

５ 光ファイバー ６ 非結像光学素子 ７ 軸ずらし回転放物面鏡 ２０ 出口部 ２２ 円錐台部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバー（５）の出口端に、放物線
   （１０）の一部を、放物線（１０）の軸に対して受光許
   容角（θ）だけ角度のずれた回転軸（１８）の廻わりに
   回転してできる軸ずらし回転放物面鏡（７）を利用した
   非結像光学素子（６）を取付けたことを特徴とする拡散
   光再集光装置。
2. 【請求項２】 非結像光学素子（６）の出口部（２０）
   に、円錐台部（２２）を形成した請求項１記載の拡散光
   再集光装置。