人工太陽光装置
【課題】 放射される混合光について、放射強度の変化のみでなく、分光分布特性が変動するように制御することができる人工太陽光装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の人工太陽光装置は、放電ランプ、放電ランプ用分光分布制御手段、および放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱電球、白熱電球用分光分布制御手段、および白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動されることにより、自然太陽光において観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が放射される。第１の光放射器の放電ランプは、キセノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲンランプであることが好ましい。
【解決手段】 本発明の人工太陽光装置は、放電ランプ、放電ランプ用分光分布制御手段、および放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱電球、白熱電球用分光分布制御手段、および白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動されることにより、自然太陽光において観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が放射される。第１の光放射器の放電ランプは、キセノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲンランプであることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自然太陽光に近似した特性の光が放射される人工太陽光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】概略の波長特性が自然太陽光に近似した光を放射する、ランプよりなる人工光源を具えたソーラーシミュレータなどの人工太陽光装置は、例えば太陽電池の特性試験、植物の育成試験等において必要とされており、更にこのような人工太陽光装置においては、単に光の放射強度のみでなく、分光分布が適切に制御されることが望まれている。しかしながら、単一の種類のランプよりなる人工光源では、特性の異なるフィルターなどを利用しても、自然太陽光に十分に近似した分光分布特性の光を得ることが実際上不可能であるため、複数種類のランプを組合せて用いることが提案されている。
【０００３】例えば特開平９−１４７６０２号公報では、メタルハライドランプとハロゲンランプとを用い、メタルハライドランプより放射される光のうち紫外領域および赤外領域の光をフィルターなどによってカットして可視領域の光を取り出すと共に、ハロゲンランプからは可視領域およびこれより短波長領域の光をフィルターなどによってカットして赤外領域の光を取り出し、これら２つの光を合成して人工太陽光を得ることが提案されている。
【０００４】しかしながら、このような人工太陽光装置においては、可視領域の光源としてメタルハライドランプを用いると共に、赤外領域の光源としてハロゲンランプを用いるものであって、利用する波長領域毎に専用の光源ランプを用いる構成であるため、或る時点における自然太陽光に近似した分光分布特性を有する合成光が得られるとしても、微妙に変化する自然太陽光に対応してその分光分布特性が変化する合成光を得ることはできない。
【０００５】すなわち、自然太陽光は、１年における季節、１日における時刻、天候などによってその光の放射強度が大きく変化するものであるが、単に放射強度が変化するのみでなく、分光分布特性も微妙に変化するものであり、具体的には、その放射波長ピークが波長約５００〜８００ｎｍの領域において変動するように変化する。然るに、従来の人工太陽光装置では、合成光の放射強度の変化を再現することは可能であっても、合成された光における分光分布を微妙に変化させるような制御をすることができず、結局、自然太陽光の再現性が不十分である、という問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、放射される混合光について、放射強度の変化のみでなく、分光分布特性が変動するように制御することができ、従って再現性が非常に高い人工太陽光装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の人工太陽光装置は、放電ランプ、この放電ランプより放射される光の分光分布を制御する放電ランプ用分光分布制御手段、および当該放電ランプより放射される光の強度を制御するための放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱電球、この白熱電球より放射される光の分光分布を制御する白熱電球用分光分布制御手段、および当該白熱電球より放射される光の強度を制御するための白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動されることにより、自然太陽光において観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が放射されることを特徴とする。
【０００８】以上において、第１の光放射器の放電ランプ用分光分布制御手段は、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を取り出す光学装置とされ、第２の光放射器の白熱電球用分光分布制御手段は、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領域の光を取り出す光学装置とされる。
【０００９】また、第１の光放射器の放電ランプは、キセノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲンランプであることが好ましい。更に、第１の光放射器における放電ランプ用分光分布制御手段に係る光学装置が、当該放電ランプの前方に配置された、当該放電ランプより放射される光の輝線をカットするフィルターであり、第２の光放射器の白熱電球が波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピークを有するものであって、かつ、その白熱電球用分光分布制御手段が、当該白熱電球の前方に配置された、当該白熱電球より放射される光の放射強度のピークより長波長領域の光を減衰させる反射鏡または吸収フィルターであることが好ましい。
【００１０】本発明の人工太陽光装置は、放電ランプを光源ランプとする第１の光放射器および白熱電球を光源ランプとする第２の光放射器を同時に動作させると、第１の光放射器からは、投入された入力電力に応じた放射強度で放電ランプより光が放射され、この光が分光分布制御手段によって分光分布制御されたうえで被照射面に向かって放射されると共に、第２の光放射器からは、投入された入力電力に応じた放射強度で白熱電球より光が放射され、この光が分光分布制御手段によって分光分布制御されたうえで被照射面に向かって投射されるので、第１の光放射器および第２の光放射器の分光分布制御手段として適宜の特性を有するものを用いることにより、基本的に、自然太陽光と同様の分光分布特性を有する混合光を被照射面に放射することができる。
【００１１】しかも、第１の光放射器の放電ランプおよび第２の光放射器の白熱電球の点灯状態が、それぞれに専用の互いに独立した入力電力制御手段によって制御されるところ、放電ランプより放射される光は入力電力が変化してもその分光分布には特に大きな変動がないが、白熱電球より放射される光は、入力電力が変化するとその分光分布が変動するので、この現象を利用して、白熱電球における入力電力を制御することにより、分光分布特性が微妙に変動した、異なる光質の混合光を放射することができ、その結果、種々の季節、時刻および天候などによって微妙に変化する分光分布特性を有する自然太陽光に近似した状態の混合光を放射させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の人工太陽光装置について詳細に説明する。本発明の人工太陽光装置は、キセノンランプを光源ランプとする第１の光放射器の複数と、ハロゲンランプを光源ランプとする第２の光放射器の複数とが全体的に均一な分布となる状態で配置されて構成される。図１は、本発明の一実施例に係る人工太陽光装置１０の主要部の構成を、光軸を左右方向として示す説明用正面図、図２は、図１の人工太陽光装置１０の主要部を正面から見た説明図である。
【００１３】図２に示すように、この例の人工太陽光装置１０においては、ハロゲンランプによる第２の光放射器（円形の太線で示されている。）Ｈの９つが、それぞれ、３行３列の格子点上に配置されると共に、キセノンランプによる第１の光放射器（円形の二重線で示されている。）Ｘの４つが、互いに隣接する４つの第２の光放射器Ｈが位置する格子点の中央点に位置するよう、すなわち当該４つの第２の光放射器Ｈに囲まれた状態で配置されている。
【００１４】図において、第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈの記号ＸおよびＨに続く２つのアルファベットの第１字のＬは、図２において左側、Ｃは同中央、Ｒは同右側を示し、第２字のＵは、図２において上段、Ｍは同中段、Ｄは同下段を示す。例えば、ＸＬＵは図２で左側で上段の第１の光放射器を示し、ＨＣＭは中央列で中央段の、全体の中心位置にある第２の光放射器を示す。従って、図１は、図２の右上がり対角線に沿った配列を示すものである。
【００１５】ここに、第１の光放射器Ｘの光源ランプであるキセノンランプとしては、例えば直流点灯型「ＵＸＬ−２５Ｓ」（ウシオ電機社製、定格ランプ電圧２８Ｖ、定格ランプ電流９０Ａ、定格入力電力２．５ｋＷ、色温度６０００Ｋ）を好ましく用いることができ、第１の光放射器Ｘの光源ランプであるハロゲンランプとしては、例えば「ＪＣＤＺ−１００−１０００Ｃ」（ウシオ電機社製、定格ランプ電圧１００Ｖ、定格入力電力１０００Ｗ、色温度３２００Ｋ）を好ましく用いることができる。ただし、第１の光放射器Ｘの光源ランプとしては、他の放電ランプやメタルハライドランプを用いることもできる。
【００１６】第１の光放射器Ｘと、第２の光放射器Ｈとは、互いの大きさは異なるが、同様の基本的構成を有する。図３は、このような光放射器Ｘ（Ｈ）の基本的な構成を模式的に示す説明用断面図である。この光放射器は、前方に光投射窓２０Ａを有するランプハウス２０内に楕円ミラー２１が配置され、この楕円ミラー２１内にハロゲンランプまたはキセノンランプからなる光源ランプ２２が配置され、その発光点が楕円ミラー２１の第１焦点位置に位置した状態とされる。また、ランプハウス２０の光投射窓には拡散フィルター２４が配置されると共に、この拡散フィルター２４と光源ランプ２２との間に吸収フィルター２６が配置されている。Ｐは光軸である。
【００１７】従って、当該光源ランプ２２よりの光は、楕円ミラー２１により第２焦点位置Ｆで集光するよう反射され、吸収フィルター２６により、その吸収特性に応じた波長域の光がカットされあるいは減衰され、更に拡散フィルター２４によって強度分布が調整された状態で、光軸Ｐに沿って放射される。
【００１８】以上のような構成の第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈは、図１に示すように、その各々の光軸Ｐが被照射面Ｓ上の特定の目標点Ｏで一致するようにその光放射方向が規制されて配設されており、これにより、当該目標点Ｏを中心とする特定の光照射領域は、すべての第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈより放射される光の混合光によって照明される状態とされている。
【００１９】以上の第１の光放射器Ｘの各々において、その吸収フィルターは、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を透過すると共に、キセノンランプより放射される光における波長１０００ｎｍ付近の輝線をカットする特性を有するものとされる。
【００２０】図４は、そのような吸収フィルターの一例における分光透過特性を示す曲線図の一部である。この図から、このような吸収フィルターによれば、波長約４１０ｎｍ以下の紫外領域の光がカットされ、可視領域の光は高い効率で透過されることが理解される。図５は、この吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたキセノンランプの分光分布特性を示す曲線図である。この吸収フィルターによれば、紫外領域の光がカットされ、波長６００ｎｍ以上の可視から赤外領域の光の一部が減衰されると共に一部がカットされ、波長１０００ｎｍ付近の輝線がカットされている。
【００２１】また、第２の光放射器Ｈを構成するハロゲンランプは、通常、波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピークを有するものが好適である。そして、当該第２の光放射器Ｈの各々における吸収フィルターは、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領域の光を透過する特性を有するもの、具体的には波長８８０ｎｍより長波長領域の光を減衰させる特性を有するものとされる。
【００２２】図６は、そのようなフィルターの一例における透過特性を示す曲線図である。この図から、このようなフィルターによれば、波長約８８０ｎｍ以上の赤外領域の光が減衰され、可視領域の光は高い効率で透過されることが理解される。図７は、このフィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたハロゲンランプの分光分布特性を示す曲線図である。このフィルターによれば、主として波長８８０ｎｍ以上の赤外領域の光が図６に示すようなフィルターの透過特性に基づいて照射される。
【００２３】そして、第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈには、そのいずれにも、放射される光の強度を制御するための入力電力制御手段が設けられるが、この入力電力制御手段は、第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈに対して互いに独立したものとされる。すなわち、第１の光放射器Ｘにおいては、第２の光放射器Ｈの入力電力制御手段とは無関係に、その光源ランプであるキセノンランプの入力電力を制御し得るものとされると共に、第２の光放射器Ｈにおいては、第１の光放射器Ｘの入力電力制御手段とは無関係に、その光源ランプであるハロゲンランプの入力電力を制御し得るものとされる。
【００２４】ここに、複数の第１の光放射器Ｘは、その各々が個別の条件で制御され得ることが好ましく、また複数の第２の光放射器Ｈも、その各々が個別の条件で制御され得ることが好ましい。また、本発明において、入力電力制御手段は、特に予め設定されたプログラムに従って光源ランプに対する入力電力を調整することのできる従来公知の点灯装置を好適に用いることができる。
【００２５】図８は、上記のキセノンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。この図から明らかなように、キセノンランプなどの放電ランプは、その入力電力を増減した場合であっても、その分光分布特性は基本的に変化せず、単に放射強度が変化するのみである。
【００２６】一方、図９は、上記のハロゲンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。この図から明らかなように、ハロゲンランプなどの白熱電球は、その入力電力を増減した場合には、単にその放射強度が上下するのみでなく、分光分布特性が変化する特性を有する。具体的には、入力電力を増大すると、放射強度が高くなると共に分光分布曲線の放射波長ピークが短波長領域に移行する特性を有する。
【００２７】而して、本発明においては、キセノンランプを光源ランプとする第１の光放射器Ｘと、ハロゲンランプを光源ランプとする第２の光放射器Ｈとを同時に動作させることにより、両者からの光の混合光が被照射面Ｓに投射されるが、第１の光放射器Ｘと第２の光放射器Ｈは、いずれも専用の分光分布制御手段である吸収フィルターが設けられているので、当該混合光を基本的に自然太陽光に近似したものとすることができる。
【００２８】そして、第１の光放射器Ｘのキセノンランプより放射される光と、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプより放射される光の両者は、互いに独立の入力電力制御手段によって放射強度が制御されるところ、キセノンランプの放射強度は、その入力電力によって分光分布特性が基本的に変化せず、一方、ハロゲンランプの放射強度は、その入力電力によって分光分布特性が特定の傾向で変化するものであるため、各ランプの入力電力をそれぞれ適当に調整することにより、両光放射器による混合光の放射強度をきわめて容易に所望の大きさに制御しながら、その分光分布特性を微妙に変化させることができる。
【００２９】具体的には、キセノンランプの入力電力およびハロゲンランプの入力電力を共に増加させると、混合光は、放射強度が大きくなると共に放射波長ピークが短波長領域に移行したものとなり、キセノンランプの入力電力およびハロゲンランプの入力電力を共に低下させると、放射強度が小さくなると共に放射波長ピークが長波長領域に移行する。そして、ハロゲンランプの入力電力を調整して所望の分光分布特性を得ながら、キセノンランプの入力電力を調整して、混合光全体の放射強度を所望の状態とすればよい。このようにして、自然太陽光と同様の変化を含んだ混合光を実現することができる。
【００３０】その結果、季節、時刻、天候などの条件によってその分光分布特性が微妙に変化する自然太陽光に応じて、同様に変化した分光分布特性を有する混合光により被照射面を照射することができるので、きわめて高い再現性が達成される。
【００３１】例えば、曇天時の自然太陽光は、晴天時の自然太陽光に比して、放射強度が通常１／１０乃至１／１００程度に低いが、それのみでなく、分光分布特性は放射波長ピークが短波長領域に移行している。従って、この場合には、第１の光放射器Ｘに係るキセノンランプへの入力電力を大幅に低下させると共に、第２の光放射器Ｈに係るハロゲンランプへの入力電力を大きくすることにより、混合光全体として放射強度が低下されて放射波長ピークが短波長領域に移行した状態とすることができ、これにより、晴天時の自然太陽光の状態から、曇天時の自然太陽光の状態を再現することができる。また、１日の自然太陽光の分光分布特性は、経時的に放射強度が上昇した上で低下すると共に、放射波長ピークが短波長領域に移行するが、この場合にも、キセノンランプおよびハロゲンランプの入力電力を独立に制御することにより、そのような変化を含む自然太陽光に近似した混合光を放射することができる。
【００３２】図１０は、上記の構成を有する人工太陽光装置において、第１の光放射器Ｘのキセノンランプ４灯すべての入力電力を定格の１００％とすると共に、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプ９灯のうち、８灯の入力電力を定格の１００％、他の１灯の入力電力を定格の９５％としたときの分光分布特性を示す曲線図であり、この分光分布特性は、夏晴れの正午における自然太陽光を再現するものである。また、図１１は、第１の光放射器Ｘのキセノンランプ４灯のうち、１灯の入力電力を定格の７０％、他の３灯の入力電力を定格の０％とすると共に、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプ９灯のうち、１灯の入力電力を定格の４３％、他の８灯の入力電力を定格の０％としたときの分光分布特性を示す曲線図であり、この分光分布特性は、曇りの天候における自然太陽光を再現するものである。
【００３３】実際の装置において、各光源ランプの入力電力の制御は、自然太陽光の実際の変化に対応して、第１の光放射器Ｘの光源ランプおよび第２の光放射器Ｈの光源ランプの入力電力を調整する操作を行い、そのデータに基づいて得られるプログラムに従って第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈの各々の光源ランプの入力電力を自動的に制御することが好ましい。
【００３４】以上、本発明の好適な具体例について説明したが、本発明においては、種々の変更を加えることができる。例えば、キセノンランプの代わりにメタルハライドランプなどの他の放電ランプを用いることができ、この場合には、その放射光に応じた分光分布制御手段が用いられる。分光分布制御手段としては、吸収フィルターのみならず、その反射特性に波長依存性を有するミラーを用いることも可能であり、複数の吸収フィルター、複数の波長依存性ミラー、吸収フィルターと波長依存性ミラーとの組合せとすることもできる。第１の光放射器および第２の光放射器の数および配列は、具体的に種々の態様とすることができるが、均一な混合光が得られることが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、放射される混合光について、放射強度の変化のみでなく、分光分布特性が変動するように制御することができ、従って再現性が非常に高い人工太陽光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る人工太陽光装置の主要部の構成を、光軸を左右方向として示す説明用正面図である。
【図２】図１に示す人工太陽光装置の主要部を正面から見た説明図である。
【図３】第１の光放射器または第２の光放射器の基本的な構成を模式的に示す説明用断面図である。
【図４】第１の光放射器に用いられる吸収フィルターの一例における透過特性を示す曲線図である。
【図５】図４の吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたキセノンランプの分光分布特性を示す曲線図である。
【図６】第１の光放射器に用いられるフィルターの一例における透過特性を示す曲線図である。
【図７】図６の吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたハロゲンランプの分光分布特性を示す曲線図である。
【図８】キセノンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。
【図９】ハロゲンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。
【図１０】本発明の人工太陽光装置により、異なった季節における自然太陽光を再現した場合の分光分布特性を示す特性曲線図である。
【図１１】本発明の人工太陽光装置により、他の状態における自然太陽光を再現した場合の分光分布特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１０ 人工太陽光装置
Ｈ 第２の光放射器
Ｘ 第１の光放射器
２０ ランプハウス
２０Ａ 光投射窓
２１ 楕円ミラー
２２ 光源ランプ
２４ 拡散フィルター
２６ 吸収フィルター
Ｐ 光軸
Ｆ 第２焦点
Ｓ 被照射面
Ｏ 目標点
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自然太陽光に近似した特性の光が放射される人工太陽光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】概略の波長特性が自然太陽光に近似した光を放射する、ランプよりなる人工光源を具えたソーラーシミュレータなどの人工太陽光装置は、例えば太陽電池の特性試験、植物の育成試験等において必要とされており、更にこのような人工太陽光装置においては、単に光の放射強度のみでなく、分光分布が適切に制御されることが望まれている。しかしながら、単一の種類のランプよりなる人工光源では、特性の異なるフィルターなどを利用しても、自然太陽光に十分に近似した分光分布特性の光を得ることが実際上不可能であるため、複数種類のランプを組合せて用いることが提案されている。
【０００３】例えば特開平９−１４７６０２号公報では、メタルハライドランプとハロゲンランプとを用い、メタルハライドランプより放射される光のうち紫外領域および赤外領域の光をフィルターなどによってカットして可視領域の光を取り出すと共に、ハロゲンランプからは可視領域およびこれより短波長領域の光をフィルターなどによってカットして赤外領域の光を取り出し、これら２つの光を合成して人工太陽光を得ることが提案されている。
【０００４】しかしながら、このような人工太陽光装置においては、可視領域の光源としてメタルハライドランプを用いると共に、赤外領域の光源としてハロゲンランプを用いるものであって、利用する波長領域毎に専用の光源ランプを用いる構成であるため、或る時点における自然太陽光に近似した分光分布特性を有する合成光が得られるとしても、微妙に変化する自然太陽光に対応してその分光分布特性が変化する合成光を得ることはできない。
【０００５】すなわち、自然太陽光は、１年における季節、１日における時刻、天候などによってその光の放射強度が大きく変化するものであるが、単に放射強度が変化するのみでなく、分光分布特性も微妙に変化するものであり、具体的には、その放射波長ピークが波長約５００〜８００ｎｍの領域において変動するように変化する。然るに、従来の人工太陽光装置では、合成光の放射強度の変化を再現することは可能であっても、合成された光における分光分布を微妙に変化させるような制御をすることができず、結局、自然太陽光の再現性が不十分である、という問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、放射される混合光について、放射強度の変化のみでなく、分光分布特性が変動するように制御することができ、従って再現性が非常に高い人工太陽光装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の人工太陽光装置は、放電ランプ、この放電ランプより放射される光の分光分布を制御する放電ランプ用分光分布制御手段、および当該放電ランプより放射される光の強度を制御するための放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱電球、この白熱電球より放射される光の分光分布を制御する白熱電球用分光分布制御手段、および当該白熱電球より放射される光の強度を制御するための白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動されることにより、自然太陽光において観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が放射されることを特徴とする。
【０００８】以上において、第１の光放射器の放電ランプ用分光分布制御手段は、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を取り出す光学装置とされ、第２の光放射器の白熱電球用分光分布制御手段は、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領域の光を取り出す光学装置とされる。
【０００９】また、第１の光放射器の放電ランプは、キセノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲンランプであることが好ましい。更に、第１の光放射器における放電ランプ用分光分布制御手段に係る光学装置が、当該放電ランプの前方に配置された、当該放電ランプより放射される光の輝線をカットするフィルターであり、第２の光放射器の白熱電球が波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピークを有するものであって、かつ、その白熱電球用分光分布制御手段が、当該白熱電球の前方に配置された、当該白熱電球より放射される光の放射強度のピークより長波長領域の光を減衰させる反射鏡または吸収フィルターであることが好ましい。
【００１０】本発明の人工太陽光装置は、放電ランプを光源ランプとする第１の光放射器および白熱電球を光源ランプとする第２の光放射器を同時に動作させると、第１の光放射器からは、投入された入力電力に応じた放射強度で放電ランプより光が放射され、この光が分光分布制御手段によって分光分布制御されたうえで被照射面に向かって放射されると共に、第２の光放射器からは、投入された入力電力に応じた放射強度で白熱電球より光が放射され、この光が分光分布制御手段によって分光分布制御されたうえで被照射面に向かって投射されるので、第１の光放射器および第２の光放射器の分光分布制御手段として適宜の特性を有するものを用いることにより、基本的に、自然太陽光と同様の分光分布特性を有する混合光を被照射面に放射することができる。
【００１１】しかも、第１の光放射器の放電ランプおよび第２の光放射器の白熱電球の点灯状態が、それぞれに専用の互いに独立した入力電力制御手段によって制御されるところ、放電ランプより放射される光は入力電力が変化してもその分光分布には特に大きな変動がないが、白熱電球より放射される光は、入力電力が変化するとその分光分布が変動するので、この現象を利用して、白熱電球における入力電力を制御することにより、分光分布特性が微妙に変動した、異なる光質の混合光を放射することができ、その結果、種々の季節、時刻および天候などによって微妙に変化する分光分布特性を有する自然太陽光に近似した状態の混合光を放射させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の人工太陽光装置について詳細に説明する。本発明の人工太陽光装置は、キセノンランプを光源ランプとする第１の光放射器の複数と、ハロゲンランプを光源ランプとする第２の光放射器の複数とが全体的に均一な分布となる状態で配置されて構成される。図１は、本発明の一実施例に係る人工太陽光装置１０の主要部の構成を、光軸を左右方向として示す説明用正面図、図２は、図１の人工太陽光装置１０の主要部を正面から見た説明図である。
【００１３】図２に示すように、この例の人工太陽光装置１０においては、ハロゲンランプによる第２の光放射器（円形の太線で示されている。）Ｈの９つが、それぞれ、３行３列の格子点上に配置されると共に、キセノンランプによる第１の光放射器（円形の二重線で示されている。）Ｘの４つが、互いに隣接する４つの第２の光放射器Ｈが位置する格子点の中央点に位置するよう、すなわち当該４つの第２の光放射器Ｈに囲まれた状態で配置されている。
【００１４】図において、第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈの記号ＸおよびＨに続く２つのアルファベットの第１字のＬは、図２において左側、Ｃは同中央、Ｒは同右側を示し、第２字のＵは、図２において上段、Ｍは同中段、Ｄは同下段を示す。例えば、ＸＬＵは図２で左側で上段の第１の光放射器を示し、ＨＣＭは中央列で中央段の、全体の中心位置にある第２の光放射器を示す。従って、図１は、図２の右上がり対角線に沿った配列を示すものである。
【００１５】ここに、第１の光放射器Ｘの光源ランプであるキセノンランプとしては、例えば直流点灯型「ＵＸＬ−２５Ｓ」（ウシオ電機社製、定格ランプ電圧２８Ｖ、定格ランプ電流９０Ａ、定格入力電力２．５ｋＷ、色温度６０００Ｋ）を好ましく用いることができ、第１の光放射器Ｘの光源ランプであるハロゲンランプとしては、例えば「ＪＣＤＺ−１００−１０００Ｃ」（ウシオ電機社製、定格ランプ電圧１００Ｖ、定格入力電力１０００Ｗ、色温度３２００Ｋ）を好ましく用いることができる。ただし、第１の光放射器Ｘの光源ランプとしては、他の放電ランプやメタルハライドランプを用いることもできる。
【００１６】第１の光放射器Ｘと、第２の光放射器Ｈとは、互いの大きさは異なるが、同様の基本的構成を有する。図３は、このような光放射器Ｘ（Ｈ）の基本的な構成を模式的に示す説明用断面図である。この光放射器は、前方に光投射窓２０Ａを有するランプハウス２０内に楕円ミラー２１が配置され、この楕円ミラー２１内にハロゲンランプまたはキセノンランプからなる光源ランプ２２が配置され、その発光点が楕円ミラー２１の第１焦点位置に位置した状態とされる。また、ランプハウス２０の光投射窓には拡散フィルター２４が配置されると共に、この拡散フィルター２４と光源ランプ２２との間に吸収フィルター２６が配置されている。Ｐは光軸である。
【００１７】従って、当該光源ランプ２２よりの光は、楕円ミラー２１により第２焦点位置Ｆで集光するよう反射され、吸収フィルター２６により、その吸収特性に応じた波長域の光がカットされあるいは減衰され、更に拡散フィルター２４によって強度分布が調整された状態で、光軸Ｐに沿って放射される。
【００１８】以上のような構成の第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈは、図１に示すように、その各々の光軸Ｐが被照射面Ｓ上の特定の目標点Ｏで一致するようにその光放射方向が規制されて配設されており、これにより、当該目標点Ｏを中心とする特定の光照射領域は、すべての第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈより放射される光の混合光によって照明される状態とされている。
【００１９】以上の第１の光放射器Ｘの各々において、その吸収フィルターは、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を透過すると共に、キセノンランプより放射される光における波長１０００ｎｍ付近の輝線をカットする特性を有するものとされる。
【００２０】図４は、そのような吸収フィルターの一例における分光透過特性を示す曲線図の一部である。この図から、このような吸収フィルターによれば、波長約４１０ｎｍ以下の紫外領域の光がカットされ、可視領域の光は高い効率で透過されることが理解される。図５は、この吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたキセノンランプの分光分布特性を示す曲線図である。この吸収フィルターによれば、紫外領域の光がカットされ、波長６００ｎｍ以上の可視から赤外領域の光の一部が減衰されると共に一部がカットされ、波長１０００ｎｍ付近の輝線がカットされている。
【００２１】また、第２の光放射器Ｈを構成するハロゲンランプは、通常、波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピークを有するものが好適である。そして、当該第２の光放射器Ｈの各々における吸収フィルターは、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領域の光を透過する特性を有するもの、具体的には波長８８０ｎｍより長波長領域の光を減衰させる特性を有するものとされる。
【００２２】図６は、そのようなフィルターの一例における透過特性を示す曲線図である。この図から、このようなフィルターによれば、波長約８８０ｎｍ以上の赤外領域の光が減衰され、可視領域の光は高い効率で透過されることが理解される。図７は、このフィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたハロゲンランプの分光分布特性を示す曲線図である。このフィルターによれば、主として波長８８０ｎｍ以上の赤外領域の光が図６に示すようなフィルターの透過特性に基づいて照射される。
【００２３】そして、第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈには、そのいずれにも、放射される光の強度を制御するための入力電力制御手段が設けられるが、この入力電力制御手段は、第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈに対して互いに独立したものとされる。すなわち、第１の光放射器Ｘにおいては、第２の光放射器Ｈの入力電力制御手段とは無関係に、その光源ランプであるキセノンランプの入力電力を制御し得るものとされると共に、第２の光放射器Ｈにおいては、第１の光放射器Ｘの入力電力制御手段とは無関係に、その光源ランプであるハロゲンランプの入力電力を制御し得るものとされる。
【００２４】ここに、複数の第１の光放射器Ｘは、その各々が個別の条件で制御され得ることが好ましく、また複数の第２の光放射器Ｈも、その各々が個別の条件で制御され得ることが好ましい。また、本発明において、入力電力制御手段は、特に予め設定されたプログラムに従って光源ランプに対する入力電力を調整することのできる従来公知の点灯装置を好適に用いることができる。
【００２５】図８は、上記のキセノンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。この図から明らかなように、キセノンランプなどの放電ランプは、その入力電力を増減した場合であっても、その分光分布特性は基本的に変化せず、単に放射強度が変化するのみである。
【００２６】一方、図９は、上記のハロゲンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。この図から明らかなように、ハロゲンランプなどの白熱電球は、その入力電力を増減した場合には、単にその放射強度が上下するのみでなく、分光分布特性が変化する特性を有する。具体的には、入力電力を増大すると、放射強度が高くなると共に分光分布曲線の放射波長ピークが短波長領域に移行する特性を有する。
【００２７】而して、本発明においては、キセノンランプを光源ランプとする第１の光放射器Ｘと、ハロゲンランプを光源ランプとする第２の光放射器Ｈとを同時に動作させることにより、両者からの光の混合光が被照射面Ｓに投射されるが、第１の光放射器Ｘと第２の光放射器Ｈは、いずれも専用の分光分布制御手段である吸収フィルターが設けられているので、当該混合光を基本的に自然太陽光に近似したものとすることができる。
【００２８】そして、第１の光放射器Ｘのキセノンランプより放射される光と、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプより放射される光の両者は、互いに独立の入力電力制御手段によって放射強度が制御されるところ、キセノンランプの放射強度は、その入力電力によって分光分布特性が基本的に変化せず、一方、ハロゲンランプの放射強度は、その入力電力によって分光分布特性が特定の傾向で変化するものであるため、各ランプの入力電力をそれぞれ適当に調整することにより、両光放射器による混合光の放射強度をきわめて容易に所望の大きさに制御しながら、その分光分布特性を微妙に変化させることができる。
【００２９】具体的には、キセノンランプの入力電力およびハロゲンランプの入力電力を共に増加させると、混合光は、放射強度が大きくなると共に放射波長ピークが短波長領域に移行したものとなり、キセノンランプの入力電力およびハロゲンランプの入力電力を共に低下させると、放射強度が小さくなると共に放射波長ピークが長波長領域に移行する。そして、ハロゲンランプの入力電力を調整して所望の分光分布特性を得ながら、キセノンランプの入力電力を調整して、混合光全体の放射強度を所望の状態とすればよい。このようにして、自然太陽光と同様の変化を含んだ混合光を実現することができる。
【００３０】その結果、季節、時刻、天候などの条件によってその分光分布特性が微妙に変化する自然太陽光に応じて、同様に変化した分光分布特性を有する混合光により被照射面を照射することができるので、きわめて高い再現性が達成される。
【００３１】例えば、曇天時の自然太陽光は、晴天時の自然太陽光に比して、放射強度が通常１／１０乃至１／１００程度に低いが、それのみでなく、分光分布特性は放射波長ピークが短波長領域に移行している。従って、この場合には、第１の光放射器Ｘに係るキセノンランプへの入力電力を大幅に低下させると共に、第２の光放射器Ｈに係るハロゲンランプへの入力電力を大きくすることにより、混合光全体として放射強度が低下されて放射波長ピークが短波長領域に移行した状態とすることができ、これにより、晴天時の自然太陽光の状態から、曇天時の自然太陽光の状態を再現することができる。また、１日の自然太陽光の分光分布特性は、経時的に放射強度が上昇した上で低下すると共に、放射波長ピークが短波長領域に移行するが、この場合にも、キセノンランプおよびハロゲンランプの入力電力を独立に制御することにより、そのような変化を含む自然太陽光に近似した混合光を放射することができる。
【００３２】図１０は、上記の構成を有する人工太陽光装置において、第１の光放射器Ｘのキセノンランプ４灯すべての入力電力を定格の１００％とすると共に、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプ９灯のうち、８灯の入力電力を定格の１００％、他の１灯の入力電力を定格の９５％としたときの分光分布特性を示す曲線図であり、この分光分布特性は、夏晴れの正午における自然太陽光を再現するものである。また、図１１は、第１の光放射器Ｘのキセノンランプ４灯のうち、１灯の入力電力を定格の７０％、他の３灯の入力電力を定格の０％とすると共に、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプ９灯のうち、１灯の入力電力を定格の４３％、他の８灯の入力電力を定格の０％としたときの分光分布特性を示す曲線図であり、この分光分布特性は、曇りの天候における自然太陽光を再現するものである。
【００３３】実際の装置において、各光源ランプの入力電力の制御は、自然太陽光の実際の変化に対応して、第１の光放射器Ｘの光源ランプおよび第２の光放射器Ｈの光源ランプの入力電力を調整する操作を行い、そのデータに基づいて得られるプログラムに従って第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈの各々の光源ランプの入力電力を自動的に制御することが好ましい。
【００３４】以上、本発明の好適な具体例について説明したが、本発明においては、種々の変更を加えることができる。例えば、キセノンランプの代わりにメタルハライドランプなどの他の放電ランプを用いることができ、この場合には、その放射光に応じた分光分布制御手段が用いられる。分光分布制御手段としては、吸収フィルターのみならず、その反射特性に波長依存性を有するミラーを用いることも可能であり、複数の吸収フィルター、複数の波長依存性ミラー、吸収フィルターと波長依存性ミラーとの組合せとすることもできる。第１の光放射器および第２の光放射器の数および配列は、具体的に種々の態様とすることができるが、均一な混合光が得られることが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、放射される混合光について、放射強度の変化のみでなく、分光分布特性が変動するように制御することができ、従って再現性が非常に高い人工太陽光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る人工太陽光装置の主要部の構成を、光軸を左右方向として示す説明用正面図である。
【図２】図１に示す人工太陽光装置の主要部を正面から見た説明図である。
【図３】第１の光放射器または第２の光放射器の基本的な構成を模式的に示す説明用断面図である。
【図４】第１の光放射器に用いられる吸収フィルターの一例における透過特性を示す曲線図である。
【図５】図４の吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたキセノンランプの分光分布特性を示す曲線図である。
【図６】第１の光放射器に用いられるフィルターの一例における透過特性を示す曲線図である。
【図７】図６の吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射されたハロゲンランプの分光分布特性を示す曲線図である。
【図８】キセノンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。
【図９】ハロゲンランプを、その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図である。
【図１０】本発明の人工太陽光装置により、異なった季節における自然太陽光を再現した場合の分光分布特性を示す特性曲線図である。
【図１１】本発明の人工太陽光装置により、他の状態における自然太陽光を再現した場合の分光分布特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
１０ 人工太陽光装置
Ｈ 第２の光放射器
Ｘ 第１の光放射器
２０ ランプハウス
２０Ａ 光投射窓
２１ 楕円ミラー
２２ 光源ランプ
２４ 拡散フィルター
２６ 吸収フィルター
Ｐ 光軸
Ｆ 第２焦点
Ｓ 被照射面
Ｏ 目標点
【特許請求の範囲】
【請求項１】 放電ランプ、この放電ランプより放射される光の分光分布を制御する放電ランプ用分光分布制御手段、および当該放電ランプより放射される光の強度を制御するための放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱電球、この白熱電球より放射される光の分光分布を制御する白熱電球用分光分布制御手段、および当該白熱電球より放射される光の強度を制御するための白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動されることにより、自然太陽光において観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が放射されることを特徴とする人工太陽光装置。
【請求項２】 第１の光放射器の放電ランプ用分光分布制御手段は、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を取り出す光学装置であり、第２の光放射器の白熱電球用分光分布制御手段は、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領域の光を取り出す光学装置である請求項１に記載の人工太陽光装置。
【請求項３】 第１の光放射器の放電ランプは、キセノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲンランプであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工太陽光装置。
【請求項４】 第１の光放射器における放電ランプ用分光分布制御手段に係る光学装置が、当該放電ランプの前方に配置された、当該放電ランプより放射される光の輝線をカットするフィルターであり、第２の光放射器の白熱電球が波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピークを有するものであって、かつ、その白熱電球用分光分布制御手段が、当該白熱電球の前方に配置された、当該白熱電球より放射される光の放射強度のピークより長波長領域の光を減衰させる反射鏡または吸収フィルターであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の人工太陽光装置。
【請求項１】 放電ランプ、この放電ランプより放射される光の分光分布を制御する放電ランプ用分光分布制御手段、および当該放電ランプより放射される光の強度を制御するための放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱電球、この白熱電球より放射される光の分光分布を制御する白熱電球用分光分布制御手段、および当該白熱電球より放射される光の強度を制御するための白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動されることにより、自然太陽光において観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が放射されることを特徴とする人工太陽光装置。
【請求項２】 第１の光放射器の放電ランプ用分光分布制御手段は、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を取り出す光学装置であり、第２の光放射器の白熱電球用分光分布制御手段は、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領域の光を取り出す光学装置である請求項１に記載の人工太陽光装置。
【請求項３】 第１の光放射器の放電ランプは、キセノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲンランプであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工太陽光装置。
【請求項４】 第１の光放射器における放電ランプ用分光分布制御手段に係る光学装置が、当該放電ランプの前方に配置された、当該放電ランプより放射される光の輝線をカットするフィルターであり、第２の光放射器の白熱電球が波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピークを有するものであって、かつ、その白熱電球用分光分布制御手段が、当該白熱電球の前方に配置された、当該白熱電球より放射される光の放射強度のピークより長波長領域の光を減衰させる反射鏡または吸収フィルターであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の人工太陽光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開平１１−２１４１６５
【公開日】平成１１年（１９９９）８月６日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−１１４９１
【出願日】平成１０年（１９９８）１月２３日
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（３９１０２５５１２）株式会社ウシオユーテック (1)
【公開日】平成１１年（１９９９）８月６日
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年（１９９８）１月２３日
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】（３９１０２５５１２）株式会社ウシオユーテック (1)
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