擬似太陽光照射装置
【課題】 光のスペクトルを高精度に制御可能であり、かつ光の指向性を大きく低下させること無く太陽電池に照射できる擬似太陽光照射装置を提供する。
【解決手段】 光源と、前記光源からの出射光の指向性を高める部材と、前記光源からの出射光の透過率を制御するスペクトル調整部材と、前記スペクトル調整部材透過した光が入射する導光部材と、前記導光部材に配置され、前記導光部材に入射した光を前記導光部材の照射面に取り出す光取り出し手段と、前記導光部材の出射面から射出する光を被照射方向に屈折させる光屈折部材を備えたことを特徴とする。
【解決手段】 光源と、前記光源からの出射光の指向性を高める部材と、前記光源からの出射光の透過率を制御するスペクトル調整部材と、前記スペクトル調整部材透過した光が入射する導光部材と、前記導光部材に配置され、前記導光部材に入射した光を前記導光部材の照射面に取り出す光取り出し手段と、前記導光部材の出射面から射出する光を被照射方向に屈折させる光屈折部材を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギー源として太陽電池の重要性が認められ、その需要が高まりつつある。太陽電池が様々な分野で広く利用されるためには、太陽電池の特性、とりわけ出力特性が正確に測定されなければならない。従って、太陽電池の検査、測定、及び実験に利用可能な、太陽光に近い人工光、いわゆる擬似太陽光を照射できる装置の需要が高まっている。擬似太陽光に求められる主な要素は、その発光スペクトルを基準太陽光（日本工業規格により制定：ＪＩＳ：Ｃ８９４１）に近づけることである。言い換えれば、擬似太陽光照射装置は、擬似太陽光のスペクトルと基準太陽光との近接度を示すスペクトル合致度が高いことが要求される。また、被照射面に対して、均一照度で指向性の高い光を照射することが求められる。
【０００３】
しかしながら、擬似太陽光照射装置に設置される光源ランプは、点状、または線状の光源である。このため、太陽電池における面状の受光面前面に対して均一照度で、擬似太陽光を照射することはきわめて困難である。そこで、擬似太陽光照射装置の照度ムラを調整する技術が種々開発されている。
【０００４】
特許文献１には、面状に照射する光源装置の一例が開示されている。図１０は該文献に示された光源装置の概略断面図である。この装置は、光源３０１から出射された光を複数の開口部３０３を形成した反射箱３０２から取り出し、開口部３０３に配置された複数の指向性制御部材３０４の中を導光させて、指向性を制御して被照射物を照射する。光の指向性は反射箱の開口部３０４から出た光に個々に付与されて、それぞれ独立して面照射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開 ２００３−９８３５４号公報（平成１５年４月３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示された光源装置を用いて、擬似太陽光を照射する場合、人工の光を太陽光に近い発光スペクトルに調整する光学フィルタを指向性制御部材３０４の出射面に配置して、光学系を形成する必要がある。また、被照射面全面に同一の光学性能を得るためには、光学フィルタも出射面全面に配置し、指向性の揃った光を光学フィルタに入射するようにしなければならない。光学フィルタは多層膜フィルタで構成されているため、入射方向が異なると透過特性も変化してしまう。
【０００７】
特許文献１に示された反射箱３０２は、細長い箱形状となっているため、光源３０１からの光が内部であらゆる方向に反射し、開口部３０３の位置によって出射する光の指向性が異なるので、指向性制御部材３０４に入射する光も異なり、それぞれの指向性制御部材３０４から出射する光の特性にばらつきが生じ、そのばらつきのある光が光学フィルタに入射すると、基準太陽光のスペクトル分布とは異なる擬似太陽光を生成してしまう。
【０００８】
さらに、スペクトル合致度の高い擬似太陽光を形成するのに有利なように、例えばキセノンランプとハロゲンランプなどのように種類の異なる光源を用いて擬似太陽光を形成する場合においても、それぞれのランプからの光の進行方向によってキセノン光とハロゲン光の混合の度合いが少しずつ異なる。その結果、照射面全体でスペクトルの合致度を一様にするのが困難である。それゆえ、スペクトル合致度が高い擬似太陽光照射装置を構成することができない。
【０００９】
また、太陽光は光が平行光で、広がり無く進むという性質を持っており、擬似太陽光においても、同様に光の指向性を向上させるということが条件となる。
【００１０】
特許文献１においては、指向性制御部材３０４の効果により、指向性制御部材３０４からの出射光の指向性が上がることは期待できるが、反射箱３０２は、上述のように形状が細長い箱形状となっていることから、開口部３０３の位置によって出射する光の特性が異なるので、指向性の低い光も混じることがある。さらに、開口部３０３と指向性制御部材３０４の空隙からの光も指向性が改善されないまま、出射することになる。このように、太陽電池の発電に寄与しない指向性の低い光も太陽電池に入射されることになり、基準太陽光に近い指向性の高い擬似太陽光を得ることが出来ない。
【００１１】
このように、擬似太陽光照射装置においては、光学フィルタに入射する光の指向性を揃える必要がある上に、光学フィルタを透過した擬似太陽光の指向性も揃える必要があるが、従来技術においてはそれが十分に解決されていない。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光のスペクトルを高精度に制御可能であり、かつ光の指向性を大きく低下させること無く、指向性の揃った光を太陽電池に照射できる擬似太陽光照射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る擬似太陽光照射装置は、前記光源からの出射光の指向性を高める部材と、前記光源からの出射光の透過率を制御するスペクトル調整部材と、前記スペクトル調整部材透過した光が入射する導光部材と、前記導光部材に配置され、前記導光部材に入射した光を前記導光部材の照射面に取り出す光取り出し手段と、前記導光部材の出射面から射出する光を被照射方向に屈折させる光屈折部材を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記光屈折部材は、光を屈折させるプリズム状の光屈折部を備え、前記光屈折部は、光照射方向と反対の導光部材側にあることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部の断面は略正三角形であることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部は互いに隣接し、連続して配置されていることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、前記光屈折部の光の第１回目の屈折方向は、前記導光部材の導光方向であることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部材は、透明カバーと前記導光部材との間に配置されていることを特徴としてもよい。
【００１６】
また、前記光屈折部材と前記透明カバーの間に距離を保持するスペーサが配置されたことを特徴してもよい。また、前記スペーサは、減反射機能を有することを特徴としてもよい。
【００１７】
また、前記導光部材が複数配置され、かつ前記光屈折部材が前記複数の導光部材の少なくとも２つ以上の境界を覆うように配置されることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部材と、被照射物との間を保持する距離保持部材を備えたことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の擬似太陽光照射装置によれば、光のスペクトルを高精度に制御可能であり、かつ光の指向性を大きく低下させること無く、指向性の揃った光を太陽電池に照射できる擬似太陽光照射装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態に係る擬似太陽光照射装置を示す概略構成図である。
【図２】光導入部の一部を示す概略図である。
【図３】（ａ）は光屈折部材近傍を示す図、（ｂ）は光屈折部を拡大した図である。
【図４】光屈折部の向きを変えたときの光の指向性を示した図である。
【図５】距離保持部材を用いた擬似太陽光照射装置の概略構成図である。
【図６】スペーサを用いた擬似太陽光照射装置の概略構成図である。
【図７】擬似太陽光照射装置１００を上部から見た平面図である。
【図８】ユニット連続して並べた擬似太陽光照射装置の概略図である。
【図９】第二の実施形態に係る擬似太陽光照射装置を示す概略構成図である。
【図１０】従来の光源装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２１】
＜第一の実施形態＞
本発明の第一の実施形態について図１〜図８を用いて以下に説明する。なお、各図に示す「ｘ」、「ｙ」、および「ｚ」は、それぞれ擬似太陽光照射装置のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を個別に表す。
【００２２】
図１は、本実施形態における擬似太陽光照射装置１００の概略構成を示す図である。擬似太陽光照射装置１００は、光源１、集光素子２、テーパカプラ３、遮光部材４ａ、４ｂ、スペクトル調整部材５よりなる光導入部１０ａ、１０ｂと、導光部材６、光取り出し手段７、光屈折部材８、透明カバー９より構成される。擬似太陽光照射装置１００は、導光部材６の出射面から擬似太陽光を太陽電池等の被照射体に出射する。以下の説明では、導光部材６の光の出射面側を上面、出射面と逆側を下面とする。
【００２３】
光源１は、擬似太陽光を生成するために必要なスペクトル分布を有する光を照射するもので、例えば、キセノンランプ、あるいはハロゲンランプなどが用いられる。本実施形態では、図１の紙面に垂直方向に棒状である光源を用いているが、この棒形状に限らず、例えば点光源等でも構わない。光源１のテーパカプラ３への出射方向以外は、集光素子２に包囲されている。この集光素子２により、光源１から出射される光のうち、テーパカプラ３に向かわない光が集光素子２で反射し、テーパカプラ３に向かって出射する。集光素子２には、例えば、楕円ミラー、放物面ミラーなどが用いられ、光源１から出力された光を集めて出射させる。したがって光源１からの出力光が有効に利用される。
【００２４】
テーパカプラ３は、光源１とスペクトル調整部材５との間に設けられている。テーパカプラ３の端部は、光源１と近接して配置され、他の端部はスペクトル調整部材５に近接して配置されている。遮光部材４ａ、４ｂは、集光素子２に装着され、テーパカプラ３の入射面を包囲している。これにより、光源１からテーパカプラ３に向かって出射され、入射面に入射されなかった光が遮光部材４ａ、４ｂで反射し、再度テーパカプラ３に向かって出射する。したがって光源１からの出力光が有効に利用される。スペクトル調整部材５は、光源１から出射された光のスペクトルにおいて、特定の波長の透過率を調整することにより、太陽スペクトルとの近似性を高める光学素子であって、通常、エアマスフィルタと呼ばれる。スペクトル調整部材５は、テーパカプラ３の出射面に近接して設けられ、これにより、スペクトル調整された光が、導光部材６に入射する。
【００２５】
導光部材６は、互いに対向して配置された光導入部１０ａ、１０ｂの間に設けられている。光導入部１０ａ、１０ｂから導光部材６の両側面に入射した擬似太陽光は、導光部材６の出射面から被照射物に照射される。光取り出し手段７は、導光部材６の下面に形成されている。光取り出し手段７は、光導入部１０ａ、１０ｂから出射された擬似太陽光を導光部材６の出射面に取り出す。具体的には、光導入部１０ａ、１０ｂから導光部材６に入射した光は、導光部材６の内部を伝播する。このとき、光取り出し手段７に当たった光は導光部材６の出射面へ出射される。これにより、より広い面積の出射面から擬似太陽光を照射することが可能となる。光取り出し手段７は、例えば、散乱体から形成することが出来、導光部材６内部の擬似太陽光を散乱させて、出射面へ導くことができる。また、散乱体のパターンを変更すれば、擬似太陽光の照度ムラを調整することもできる。
【００２６】
光屈折部材８は、光の屈折効果により、導光部材６の照射面に対して垂直な照射光の成分を多く作り出す。詳細は後述するが、光屈折部材８は、光取り出し手段７によって導光部材６から取り出させた光を、導光部材６の出射面に対して垂直な方向に屈折させるための部材である。透明カバー９は、導光部材６の出射面を覆い、導光部材６を保護する。
【００２７】
ここで擬似太陽光照射の原理について図１及び図２を用いて説明する。光源１から出力された光は集光素子２によって、放射指向性が制御され、図１におけるｘ軸方向への指向性を付与される。ここでは、光源１は、ｙ軸方向に伸びる棒状光源を用いているため、ｙ軸方向の光の指向性はあらかじめ付与されている。なお、図１において、紙面の奥行き方向をｙ軸とする。指向性の付与の原理は、集光素子２を例えば、楕円ミラーとしており、その性質として楕円面の焦点に光が集まり、その集光時の集光角の分だけの指向性が得られる。本実施形態では棒状光源を用いているが点状光源を用いる場合は、集光素子２の形状を適宜調整すればよい。さらに、遮光部材４ａ、４ｂでテーパカプラ３に入射しないで、導光部材６に入るような指向性の低い光を除去するとともに、光源１から出射され、テーパカプラ３に入射しなかった光を反射して集光素子２で再び反射してテーパカプラ３に入射させる。
【００２８】
また、光源１から出力された光は、テーパカプラ３によっても放射指向性が制御され、テーパカプラ３を出た光は図１のｘｚ面、つまりｘ軸、ｚ軸双方の方向への指向性が付与される。
【００２９】
図２は、擬似太陽光照射装置１００における光導入部１０の一部を示す図であり、光導入部１０を図１のＺ方向から見た上面図である。テーパカプラ３は、対向する一対の面がテーパ形状になっている。すなわち、テーパカプラ３の入射面から出射面に向かって、テーパカプラ３の断面積が徐々に増加する。このような構造によって、光源１から出力された光は、テーパカプラ３の側面で反射を繰り返し指向性が改善される。例えば、図２において、光源１から出射された光Ｌは、スネルの法則により、テーパカプラ３の臨界角内に集光されるとともに、全反射されることになる。そして、全反射された反射光は、対向面である外壁に到達し、再びここで全反射される。テーパカプラ３は、入射面から出射面に向かって次第に広がっているため、このような反射を繰り返すことによって、反射光は徐々に入射面（あるいは出射面）に鉛直な光へと変化していく。こうして、最終的には出射面から指向性の高い光、すなわち指向性の揃った光が出射される。なお、このとき、テーパカプラ３内に入射した光は全反射を繰り返すだけであることから、入射光のほとんどが出射光となり、高い出射効率を得ることができる。このようにして、テーパカプラ３の出射面に略垂直な方向に指向性が揃った光が、テーパカプラ３の出射面から出射される。
【００３０】
テーパカプラ３によって光の指向性をそろえる利点は、スペクトル調整部材５の構造と関係する。透過率制御を基準太陽光に合うように行う場合、スペクトル調整部材５は光学多層膜をガラス部材に形成して構成することが有効である。このため、スペクトル調整部材５への入射角がスペクトル調整部材５への垂直入射よりずれが大きいほど透過率特性も変化してしまう。つまり、スペクトル調整部材５に指向性の悪い光が入射すると、基準太陽光のスペクトル分布と乖離したスペクトル分布を有する擬似太陽光を生成してしまう。しかし、テーパカプラ３を用いて光の指向性を揃えれば、基準太陽光のスペクトル分布に近い擬似太陽光を生成することが可能である。
【００３１】
具体的には、テーパカプラ３から出射された光は、スペクトル調整部材５に対して、入射角範囲が±３０°以下になる。この光学多層膜は入射角０°、つまり多層膜に対して垂直で入射する場合に所定の透過特性が得られるように設計されるため、入射光の多層膜への垂直方向の位相ずれが、１−ｃｏｓ３０°で約１４％であり、入射角成分が０°から３０°まで広がっていた場合でも、位相ずれ量は、０％から１４％の平均的な値になり、設計入射角０°入射の場合に対しての多層膜入射時の透過率の変動が小さくなる。
【００３２】
このように、スペクトル調整部材５に対して、指向性の高い光が入射するので、スペクトルの制御性が高まり、より基準太陽光に近い擬似太陽光を形成することができる。その結果、スペクトル調整部材５を通過することで得られる光は、より設計に近く、つまり実際の太陽光に近くなり、結果として、擬似太陽光のスペクトル合致度は、基準太陽光からのずれが±５％以内のＪＩＳ ＭＳ級の光にすることができる。
【００３３】
スペクトル調整部材５では、光源１から出力された光のスペクトルを透過率調整して、擬似太陽光と呼ばれる光を形成する。スペクトル調整部材５を透過し、導光部材６に入った光は、導光部材６を伝搬していく間に光取出し手段７によって全反射条件が崩れて、まず、導光部材６から導光部材６の上方に放射される。ここで、導光部材６を石英などの高透過性ガラスで構成することで、導光部材６から放射される前に、スペクトル調整部材５でスペクトル調整された光の発光スペクトルは乱されない。
【００３４】
導光部材６から放射された光は、光屈折部材８を透過する。光屈折部材８のはたらきは次のとおりである。導光部材６への入射指向性が低下した場合、導光部材６から出射する際の光の指向性が、発電性能が維持される太陽電池への入射角度範囲からはずれる光が多くなり、発電量が正確に測定できなくなる要素が増す。さらに、導光部材６から出射される光は、スペクトル合致度が高くなっていても、その光が照射される方向を正しく所定の角度に設定しなければならない。もし、光の指向性が悪くなれば、導光部材６からの出射光が太陽電池へ到達した際に、太陽電池に対して垂直方向からずれた光の成分比率が多くなることになり、この太陽電池への入射角がずれたことによる表面や界面の反射率の変化でも光量低下が発生してしまう。さらに、太陽電池への入射角がずれる際の反射特性の波長依存性により太陽電池へ入射する光のスペクトルも変化することになり、照射光のスペクトルの合致度も低下してしまう。この結果、高いスペクトル合致度を持つ擬似太陽光照射による太陽電池の発電評価も正しく行えない。そこで、光屈折部材８を備えることで、導光部材６から放射された光を、導光部材６の出射面に対してなるべく垂直な方向に屈折させ、導光部材６の出射面に対して垂直な照射光の成分を多く作り出し、基準太陽光の特性に近づけることが可能となる。
【００３５】
図３（ａ）は、光屈折部材８近傍を示す図、図３（ｂ）は、光屈折部材８の部分を拡大した図である。光屈折部材８には、図３（ｂ）に示すような連続した光屈折部８１を備える。光屈折部８１は例えば紫外線透過性のアクリル系樹脂などからなり、図３における紙面奥行き方向に伸びる断面略正三角形の帯形状であって、断面略正三角形の一頂点が導光部材６に対向するように配置されている。すなわち、図面にて着色している部分である。
【００３６】
ここで、光屈折部材８及び光屈折部材８１の材料としては、屈折率１．５程度が得られるＰＣ系、ＰＥＴ系樹脂、さらにはガラス系材料が好適に用いられる。また、導光部材６としては、その屈折率が１．４５から１．５５のものを使用するのが好ましい。
【００３７】
また、光屈折部８１は、図３に示すように、光照射方向と反対の導光部材側にあり、かつ一頂点が導光部材６に対向するように配置されていることが重要であり、このような構成にすることで、出射される光は導光部材６に垂直な方向からさほど大きく広がらずに屈折させることができる。その原理は以下のとおりである。
【００３８】
導光部材６からの出射方向は、図３（ａ）における光線３０ａ、３０ｂのように、導光部材６の表面に平行に近い方向に進む成分が多くなっている。このため、光屈折部での１回目の屈折方向が導光方向に近くなっており、その光が光屈折部８１の内部で全反射される。導光部材６に対して指向性が３０°以下で入射された場合、導光部材の中を伝搬していく光は、導光部材６の中では表面に対して、屈折作用により、０°より大きく、およそ２０°以下の成分の光であり、これらの光が全反射条件からずれて、導光部材６から出て行く場合の角度成分は導光部材６の表面から０°〜３０°離れる角度の範囲であり、その中心である１５°程度、導光部材６の表面を離れる方向を中心とした方向に、光が放射される。
【００３９】
この導光部材６に上記指向性が３０°以下で光が入射される場合、すなわち図３（ｂ）における光線５０ｃに示すように０°から３０°までの角度で導光部材６の表面から離れた方向に向かう光が出射される場合、光屈折部８１の角度は、頂角６０°の三角形状であれば、光屈折部８１での屈折で、導光部材６に垂直な方向を中心とした屈折が可能になる。従って、図３（ａ）に示すように導光部材６の両側から光を入射させる場合、導光部材６から垂直な方向に照射するのに有効な光屈折部８１の形状は頂角６０°の略正三角形形状となる。
【００４０】
さらに、光屈折部８１は、導光部材６において、図３での紙面に垂直な方向に形成されている。これは、もともと図３のｘ方向の照射方向成分を持つ光の成分割合が多いため、光屈折部８１で大きく導光部材６に略垂直な方向に屈折される光が増加し、光屈折部材の表面を通過する際の反射を大幅に低減し、光取り出し効率が高くなるためである。
【００４１】
図４は、光屈折部８１の配置を変えたときの光の指向性を示した図である。図４（ａ）は、図３と同様に、導光部材６側に光屈折部８１を配置した場合、図４（ｂ）は、比較例として、導光部材６と逆側に光屈折部８１を配置した場合の光の指向性を示している。図４（ａ）、（ｂ）での指向性は、導光部材６からの照射される光の出射角を図１のｘｚ面内での照射角度範囲とし、ここでは照射光の９０％以上が含まれる角度時範囲で規定して表している。
【００４２】
ここでは、導光部材６は厚さ１０ｍｍ、光取り出し手段７は、印刷用シリカビーズ配合インクで形成された反射体を用いており、導光部材６の端面から光を導入する。導入される光はテーパカプラ３で０°から３０°までに指向性が制御された光がスペクトル調整部材５を通過したものである。さらに、本実施形態の指向性は、光屈折部材８及び光屈折部８１の材料の屈折率が１．５、屈折部８１単体の形状が一辺２００μｍの正三角形状（頂角６０°）である場合に得られる。光屈折部材８１の材料としては、アクリル系樹脂、または、ＰＥＴ系樹脂、さらにはガラス系材料などが好適に用いられる。
【００４３】
図４（ａ）のように光屈折部８１を導光部材６側に配置して、光を照射した場合、
図４（ｂ）の場合よりも光が発散しない。このため、太陽電池への入射角度が小さくなり、太陽電池の発電領域に到達するまでに反射される光が少なく、擬似太陽光照射時の発電量低下を防ぐことができる。
【００４４】
光屈折部８で光をさらに導光部材５に対して垂直な方向に屈折させる。図３で示すように、本実施例では、光は大きく見れば３０ａ、３０ｂの方向に進んでいくが、両側に同じ光学系を配置しているため、照射光は、照射全面にわたり、類似した指向性を持ったバランスが良い形で照射できる。ただし、光源１は、導光部材６の両側から入射する配置に限らず、片側に光源１が配置される構造でも指向性の揃った擬似太陽光を照射するという性能は維持できる。
【００４５】
このように、光屈折部材と空気界面での光屈折効果のみで光を屈折させるので、導光部材６を伝搬し、導光部材６から出てくるまでの間の発光スペクトルは変化せず、さらに光屈折部材８があることで、仮に光屈折部材８での屈折の際に、屈折方向が波長によってずれても、光が導光部材５からの出射する時は、波長域全体で見れば、光の屈折方向が導光部材６に垂直な角度付近でわずかにずれるだけになり、光の屈折方向の中心角度が導光部材６に垂直な角度である傾向は維持され、被照射体に対しても、垂直な角度を中心とした角度で入射する照射光が形成される。
【００４６】
また、指向性の高い光を導光部材６に入射させているため、太陽電池に対して、光取り出し手段７によって、導光部材６から光が照射される際にも、光取り出し手段７で指向性が乱れても、指向性の低下は＋１５°程度であり、指向性の低下が小さく、スペクトル合致度が高く、指向性の高い、すなわち指向性の揃った光が太陽電池に照射されることになる。
【００４７】
さらに、図５に示すような、擬似太陽光照射装置１００との太陽電池９０との距離を離すための距離保持部材４０ａ、４０ｂを設ける構造にしてもよい。この距離保持部材４０ａ、４０ｂがあることで、光取り出し手段７において発生する指向性が非常に低い光の成分を除去し、指向性が高い光の太陽電池９０への入射比率を相対的に高めることができる。
【００４８】
光屈折部材８を透過した光は、透明カバー９を透過して、太陽電池９０に照射される。透明カバー９の有無は、照射時の指向性に関係はないが、透明カバー９があることで、この透明カバー９と導光部材５の間に光屈折部材８を挟みこんで、光屈折部材８が反らないようにすることができる。光屈折部材８が反らないことで、より正確な指向性をもった擬似太陽光が被測定物に照射されることが可能となる。
【００４９】
なお、図６のように、光屈折部材８と透明カバー９の間にスペーサ５０ａ、５０ｂを配置してもよい。スペーサ５０ａ、５０ｂを通じた透明カバー９の自重で、光屈折部材８の反りを抑え、光屈折部材８と導光部材５との距離を一定に制御して、導光部材５と光屈折部材８との距離が不均一なことによる光の屈折のばらつきを抑えることができる。スペーサ５０ａ、５０ｂと透明カバー９は、その間に一定の高さの空間を形成する。ここで、光屈折部材８の厚さをスペーサ５０ａ、５０ｂのそれに合わせておけば、光屈折部材８は、反ることもなく、結果として光屈折部８と導光部材５との距離を一定に保つことができる。これにより、光照射方向の制御精度を上げることができ、より多くの光を確実に屈折させ、擬似太陽光を太陽電池に照射することができる。
【００５０】
また、スペーサ５０ａ、５０ｂの部分が大きくても使用可能なように、この部材は透明であることが好ましい。透明であることにより照射範囲が狭くなることを防ぐことができる。さらに、その透明のスペーサ５０ａ、５０ｂの表面、すなわち導光部材６の側と照射面の側との両面）に反射光を低減する多層膜コート等の減反射コーティングがなされたものが好ましい。または、光吸収性の部材配置する場合には、照射面全体に対して少ない面積比で配置するのが好ましい。
【００５１】
図７は、擬似太陽光照射装置１００を上部から見た平面図である。ここでは、光導入部１０において、光源１は２つであり、説明のために透明カバー９を省略している。また、図７において、光導入部１０、導光部材６、光取り出し手段７（図示せず）、光屈折部材８、スペーサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを含む構成をユニット６０ａとし、他方をユニット６０ｂとする。ユニット６０ａとユニット６０ｂは、向きが異なる以外はまったく同じ構成である。このように対向して２つのユニット６０ａ、６０ｂが配置された場合、光屈折部材８は、それぞれのユニットにおける導光部材６をまたぐように配置されるのが好ましい。また、図７において、スペーサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄは、ユニット６０ａ、６０ｂのそれぞれの導光部材６の四隅を押さえる位置に配置するとよい。必要最小限のスペーサで光屈折部材８と導光部材６との距離を精度良く保持できる。
【００５２】
図８は、図７に示すユニット６０ａ、６０ｂを導光部材６が隣り合うように連続して並べた擬似太陽光照射装置である。この場合も、上記同様、光屈折部材８は、それぞれのユニットにおける導光部材６をまたぐように配置するのが最も好ましい。このように擬似太陽光照射装置が大型化した場合でも、光屈折部材８は、導光部材６をまたぐことで、導光部材６の継ぎ目などからの照射光の照度ずれの影響を低減することができる。
【００５３】
＜第二の実施形態＞
次に、次に第二の実施形態について説明する。本実施の形態では、２種類の光源と、波長選択ミラーよりなる光導入部１０ｃ、１０ｄを用いた以外は、第一の実施形態と構成は同じである。
【００５４】
図９は、第二の実施形態における擬似太陽光照射装置２００の概略構成を示す図である。擬似太陽光照射装置２００は、光導入部１０ｃ、１０ｄと、導光部材６、光取り出し手段７、光屈折部材８、透明カバー９より構成される。
【００５５】
光導入部１０ｃ、１０ｄは、導光部材６の両側面に配置されている。光導入部１０ｄは、光導入部１０ｃの構成と同一である。具体的には、光導入部１０ｃは、第一の光源としてのキセノン光源１ａ、集光素子２ａ、２ｂ、テーパカプラ３ａ、３ｂ、遮光部材４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、スペクトル調整部材５ａ、５ｂ波長選択ミラー１１、第二の光源としてのハロゲン光源１ｂから構成される。
【００５６】
光導入部１０ｃは、キセノン光源１ａ及びハロゲン光源１ｂからそれぞれ出射された光を波長選択ミラー１１で混合することにより擬似太陽光を生成し、擬似太陽光を走行部材６の端面に照射する。
【００５７】
具体的には、キセノン光源１ａからの光を、波長選択ミラー１１で、その短波長側の光を反射させるとともに、長波長側の光を透過させて導光部材５に導き、一方でハロゲン光源１ｂからの光を波長選択ミラー１１で、その長波長側の光を反射させるとともに、その短波長側の光を透過させて導光部材５に導いている。このような構成にすることで、スペクトル制御が難しいキセノン光源１ａの長波長側にある輝線成分を低減することができるため、スペクトル合致度を低下させる原因をなくすことにもつながる。
【００５８】
また、キセノン光源１ａを出た光は、指向性を付与するための導光部材であるテーパカプラ３ａを出た後、スペクトル調整部材５ａに入射、また、ハロゲン光源１ｂを出た光は、テーパカプラ３ｂを出た後、スペクトル調整部材５ｂに入射、それぞれの光が波長選択ミラー１１において混合され、一つの擬似太陽光が導光部材６に入射する前に形成される。この際には、キセノン光源１ａから擬似太陽光の短波長側の成分が形成され、ハロゲン光源１ｂから擬似太陽光の長波長側の成分が形成され、スペクトル合致度が高くなるよう、透過率調整による発光スペクトルの調整がなされるために、結果として高精度の擬似太陽光を形成することができる。なお、スペクトル調整部材５ａ、５ｂは、例えば、スペクトル調整部材を２枚に分けて、その透過特性の積が１枚分の透過特性に等価になるようにするなどして、２枚以上の構成にすることも出来る。このようにすることで、スペクトル合致度をより高めることができる。
【００５９】
導光部材６に導入された光は光取り出し手段７によって、光屈折部材８によって、導光部材６の外部に光が取り出され、導光部材６の上方に擬似太陽光が照射される。ここで、第一の光源を用いた第一の光源系と第二の光源を用いた第二の光学系とがあることで、よりスペクトル合致度を高くし、擬似太陽光に近づけることができる。本実施形態では、第一の光源としてキセノン光源、第二の光源としてハロゲン光源を用いたがこれに限られるものではなく、擬似太陽光を形成するために適した光源であれば用いることができる。
【００６０】
本発明では、スペクトルを高精度に制御するために指向性の高い光でスペクトル調整を行い、導光部材６に光を入射して、光取り出し手段７で光を導光部材６から出した後も、光屈折部８１の向きが、光照射方向と反対の導光部材側にある光屈折部材８を配置することで、その指向性を大きく低下させることなく、スペクトル調整された光を太陽電池に照射することができる。
【００６１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、１ｂ 光源
２、２ａ、２ｂ、 集光素子
３、３ａ、３ｂ テーパカプラ
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 遮光部材
５、５ａ、５ｂ スペクトル調整部材
６ 導光部材
７ 光取り出し手段
８ 光屈折部材
９ 透明カバー
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 光導入部
１１ 波長選択ミラー
４０ａ、４０ｂ 距離保持部材
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ スペーサ
６０ａ、６０ｂ ユニット
８１ 光屈折部
９０ 太陽電池
１００、２００ 擬似太陽光照射装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギー源として太陽電池の重要性が認められ、その需要が高まりつつある。太陽電池が様々な分野で広く利用されるためには、太陽電池の特性、とりわけ出力特性が正確に測定されなければならない。従って、太陽電池の検査、測定、及び実験に利用可能な、太陽光に近い人工光、いわゆる擬似太陽光を照射できる装置の需要が高まっている。擬似太陽光に求められる主な要素は、その発光スペクトルを基準太陽光（日本工業規格により制定：ＪＩＳ：Ｃ８９４１）に近づけることである。言い換えれば、擬似太陽光照射装置は、擬似太陽光のスペクトルと基準太陽光との近接度を示すスペクトル合致度が高いことが要求される。また、被照射面に対して、均一照度で指向性の高い光を照射することが求められる。
【０００３】
しかしながら、擬似太陽光照射装置に設置される光源ランプは、点状、または線状の光源である。このため、太陽電池における面状の受光面前面に対して均一照度で、擬似太陽光を照射することはきわめて困難である。そこで、擬似太陽光照射装置の照度ムラを調整する技術が種々開発されている。
【０００４】
特許文献１には、面状に照射する光源装置の一例が開示されている。図１０は該文献に示された光源装置の概略断面図である。この装置は、光源３０１から出射された光を複数の開口部３０３を形成した反射箱３０２から取り出し、開口部３０３に配置された複数の指向性制御部材３０４の中を導光させて、指向性を制御して被照射物を照射する。光の指向性は反射箱の開口部３０４から出た光に個々に付与されて、それぞれ独立して面照射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開 ２００３−９８３５４号公報（平成１５年４月３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示された光源装置を用いて、擬似太陽光を照射する場合、人工の光を太陽光に近い発光スペクトルに調整する光学フィルタを指向性制御部材３０４の出射面に配置して、光学系を形成する必要がある。また、被照射面全面に同一の光学性能を得るためには、光学フィルタも出射面全面に配置し、指向性の揃った光を光学フィルタに入射するようにしなければならない。光学フィルタは多層膜フィルタで構成されているため、入射方向が異なると透過特性も変化してしまう。
【０００７】
特許文献１に示された反射箱３０２は、細長い箱形状となっているため、光源３０１からの光が内部であらゆる方向に反射し、開口部３０３の位置によって出射する光の指向性が異なるので、指向性制御部材３０４に入射する光も異なり、それぞれの指向性制御部材３０４から出射する光の特性にばらつきが生じ、そのばらつきのある光が光学フィルタに入射すると、基準太陽光のスペクトル分布とは異なる擬似太陽光を生成してしまう。
【０００８】
さらに、スペクトル合致度の高い擬似太陽光を形成するのに有利なように、例えばキセノンランプとハロゲンランプなどのように種類の異なる光源を用いて擬似太陽光を形成する場合においても、それぞれのランプからの光の進行方向によってキセノン光とハロゲン光の混合の度合いが少しずつ異なる。その結果、照射面全体でスペクトルの合致度を一様にするのが困難である。それゆえ、スペクトル合致度が高い擬似太陽光照射装置を構成することができない。
【０００９】
また、太陽光は光が平行光で、広がり無く進むという性質を持っており、擬似太陽光においても、同様に光の指向性を向上させるということが条件となる。
【００１０】
特許文献１においては、指向性制御部材３０４の効果により、指向性制御部材３０４からの出射光の指向性が上がることは期待できるが、反射箱３０２は、上述のように形状が細長い箱形状となっていることから、開口部３０３の位置によって出射する光の特性が異なるので、指向性の低い光も混じることがある。さらに、開口部３０３と指向性制御部材３０４の空隙からの光も指向性が改善されないまま、出射することになる。このように、太陽電池の発電に寄与しない指向性の低い光も太陽電池に入射されることになり、基準太陽光に近い指向性の高い擬似太陽光を得ることが出来ない。
【００１１】
このように、擬似太陽光照射装置においては、光学フィルタに入射する光の指向性を揃える必要がある上に、光学フィルタを透過した擬似太陽光の指向性も揃える必要があるが、従来技術においてはそれが十分に解決されていない。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光のスペクトルを高精度に制御可能であり、かつ光の指向性を大きく低下させること無く、指向性の揃った光を太陽電池に照射できる擬似太陽光照射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る擬似太陽光照射装置は、前記光源からの出射光の指向性を高める部材と、前記光源からの出射光の透過率を制御するスペクトル調整部材と、前記スペクトル調整部材透過した光が入射する導光部材と、前記導光部材に配置され、前記導光部材に入射した光を前記導光部材の照射面に取り出す光取り出し手段と、前記導光部材の出射面から射出する光を被照射方向に屈折させる光屈折部材を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記光屈折部材は、光を屈折させるプリズム状の光屈折部を備え、前記光屈折部は、光照射方向と反対の導光部材側にあることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部の断面は略正三角形であることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部は互いに隣接し、連続して配置されていることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、前記光屈折部の光の第１回目の屈折方向は、前記導光部材の導光方向であることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部材は、透明カバーと前記導光部材との間に配置されていることを特徴としてもよい。
【００１６】
また、前記光屈折部材と前記透明カバーの間に距離を保持するスペーサが配置されたことを特徴してもよい。また、前記スペーサは、減反射機能を有することを特徴としてもよい。
【００１７】
また、前記導光部材が複数配置され、かつ前記光屈折部材が前記複数の導光部材の少なくとも２つ以上の境界を覆うように配置されることを特徴としてもよい。また、前記光屈折部材と、被照射物との間を保持する距離保持部材を備えたことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の擬似太陽光照射装置によれば、光のスペクトルを高精度に制御可能であり、かつ光の指向性を大きく低下させること無く、指向性の揃った光を太陽電池に照射できる擬似太陽光照射装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態に係る擬似太陽光照射装置を示す概略構成図である。
【図２】光導入部の一部を示す概略図である。
【図３】（ａ）は光屈折部材近傍を示す図、（ｂ）は光屈折部を拡大した図である。
【図４】光屈折部の向きを変えたときの光の指向性を示した図である。
【図５】距離保持部材を用いた擬似太陽光照射装置の概略構成図である。
【図６】スペーサを用いた擬似太陽光照射装置の概略構成図である。
【図７】擬似太陽光照射装置１００を上部から見た平面図である。
【図８】ユニット連続して並べた擬似太陽光照射装置の概略図である。
【図９】第二の実施形態に係る擬似太陽光照射装置を示す概略構成図である。
【図１０】従来の光源装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２１】
＜第一の実施形態＞
本発明の第一の実施形態について図１〜図８を用いて以下に説明する。なお、各図に示す「ｘ」、「ｙ」、および「ｚ」は、それぞれ擬似太陽光照射装置のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を個別に表す。
【００２２】
図１は、本実施形態における擬似太陽光照射装置１００の概略構成を示す図である。擬似太陽光照射装置１００は、光源１、集光素子２、テーパカプラ３、遮光部材４ａ、４ｂ、スペクトル調整部材５よりなる光導入部１０ａ、１０ｂと、導光部材６、光取り出し手段７、光屈折部材８、透明カバー９より構成される。擬似太陽光照射装置１００は、導光部材６の出射面から擬似太陽光を太陽電池等の被照射体に出射する。以下の説明では、導光部材６の光の出射面側を上面、出射面と逆側を下面とする。
【００２３】
光源１は、擬似太陽光を生成するために必要なスペクトル分布を有する光を照射するもので、例えば、キセノンランプ、あるいはハロゲンランプなどが用いられる。本実施形態では、図１の紙面に垂直方向に棒状である光源を用いているが、この棒形状に限らず、例えば点光源等でも構わない。光源１のテーパカプラ３への出射方向以外は、集光素子２に包囲されている。この集光素子２により、光源１から出射される光のうち、テーパカプラ３に向かわない光が集光素子２で反射し、テーパカプラ３に向かって出射する。集光素子２には、例えば、楕円ミラー、放物面ミラーなどが用いられ、光源１から出力された光を集めて出射させる。したがって光源１からの出力光が有効に利用される。
【００２４】
テーパカプラ３は、光源１とスペクトル調整部材５との間に設けられている。テーパカプラ３の端部は、光源１と近接して配置され、他の端部はスペクトル調整部材５に近接して配置されている。遮光部材４ａ、４ｂは、集光素子２に装着され、テーパカプラ３の入射面を包囲している。これにより、光源１からテーパカプラ３に向かって出射され、入射面に入射されなかった光が遮光部材４ａ、４ｂで反射し、再度テーパカプラ３に向かって出射する。したがって光源１からの出力光が有効に利用される。スペクトル調整部材５は、光源１から出射された光のスペクトルにおいて、特定の波長の透過率を調整することにより、太陽スペクトルとの近似性を高める光学素子であって、通常、エアマスフィルタと呼ばれる。スペクトル調整部材５は、テーパカプラ３の出射面に近接して設けられ、これにより、スペクトル調整された光が、導光部材６に入射する。
【００２５】
導光部材６は、互いに対向して配置された光導入部１０ａ、１０ｂの間に設けられている。光導入部１０ａ、１０ｂから導光部材６の両側面に入射した擬似太陽光は、導光部材６の出射面から被照射物に照射される。光取り出し手段７は、導光部材６の下面に形成されている。光取り出し手段７は、光導入部１０ａ、１０ｂから出射された擬似太陽光を導光部材６の出射面に取り出す。具体的には、光導入部１０ａ、１０ｂから導光部材６に入射した光は、導光部材６の内部を伝播する。このとき、光取り出し手段７に当たった光は導光部材６の出射面へ出射される。これにより、より広い面積の出射面から擬似太陽光を照射することが可能となる。光取り出し手段７は、例えば、散乱体から形成することが出来、導光部材６内部の擬似太陽光を散乱させて、出射面へ導くことができる。また、散乱体のパターンを変更すれば、擬似太陽光の照度ムラを調整することもできる。
【００２６】
光屈折部材８は、光の屈折効果により、導光部材６の照射面に対して垂直な照射光の成分を多く作り出す。詳細は後述するが、光屈折部材８は、光取り出し手段７によって導光部材６から取り出させた光を、導光部材６の出射面に対して垂直な方向に屈折させるための部材である。透明カバー９は、導光部材６の出射面を覆い、導光部材６を保護する。
【００２７】
ここで擬似太陽光照射の原理について図１及び図２を用いて説明する。光源１から出力された光は集光素子２によって、放射指向性が制御され、図１におけるｘ軸方向への指向性を付与される。ここでは、光源１は、ｙ軸方向に伸びる棒状光源を用いているため、ｙ軸方向の光の指向性はあらかじめ付与されている。なお、図１において、紙面の奥行き方向をｙ軸とする。指向性の付与の原理は、集光素子２を例えば、楕円ミラーとしており、その性質として楕円面の焦点に光が集まり、その集光時の集光角の分だけの指向性が得られる。本実施形態では棒状光源を用いているが点状光源を用いる場合は、集光素子２の形状を適宜調整すればよい。さらに、遮光部材４ａ、４ｂでテーパカプラ３に入射しないで、導光部材６に入るような指向性の低い光を除去するとともに、光源１から出射され、テーパカプラ３に入射しなかった光を反射して集光素子２で再び反射してテーパカプラ３に入射させる。
【００２８】
また、光源１から出力された光は、テーパカプラ３によっても放射指向性が制御され、テーパカプラ３を出た光は図１のｘｚ面、つまりｘ軸、ｚ軸双方の方向への指向性が付与される。
【００２９】
図２は、擬似太陽光照射装置１００における光導入部１０の一部を示す図であり、光導入部１０を図１のＺ方向から見た上面図である。テーパカプラ３は、対向する一対の面がテーパ形状になっている。すなわち、テーパカプラ３の入射面から出射面に向かって、テーパカプラ３の断面積が徐々に増加する。このような構造によって、光源１から出力された光は、テーパカプラ３の側面で反射を繰り返し指向性が改善される。例えば、図２において、光源１から出射された光Ｌは、スネルの法則により、テーパカプラ３の臨界角内に集光されるとともに、全反射されることになる。そして、全反射された反射光は、対向面である外壁に到達し、再びここで全反射される。テーパカプラ３は、入射面から出射面に向かって次第に広がっているため、このような反射を繰り返すことによって、反射光は徐々に入射面（あるいは出射面）に鉛直な光へと変化していく。こうして、最終的には出射面から指向性の高い光、すなわち指向性の揃った光が出射される。なお、このとき、テーパカプラ３内に入射した光は全反射を繰り返すだけであることから、入射光のほとんどが出射光となり、高い出射効率を得ることができる。このようにして、テーパカプラ３の出射面に略垂直な方向に指向性が揃った光が、テーパカプラ３の出射面から出射される。
【００３０】
テーパカプラ３によって光の指向性をそろえる利点は、スペクトル調整部材５の構造と関係する。透過率制御を基準太陽光に合うように行う場合、スペクトル調整部材５は光学多層膜をガラス部材に形成して構成することが有効である。このため、スペクトル調整部材５への入射角がスペクトル調整部材５への垂直入射よりずれが大きいほど透過率特性も変化してしまう。つまり、スペクトル調整部材５に指向性の悪い光が入射すると、基準太陽光のスペクトル分布と乖離したスペクトル分布を有する擬似太陽光を生成してしまう。しかし、テーパカプラ３を用いて光の指向性を揃えれば、基準太陽光のスペクトル分布に近い擬似太陽光を生成することが可能である。
【００３１】
具体的には、テーパカプラ３から出射された光は、スペクトル調整部材５に対して、入射角範囲が±３０°以下になる。この光学多層膜は入射角０°、つまり多層膜に対して垂直で入射する場合に所定の透過特性が得られるように設計されるため、入射光の多層膜への垂直方向の位相ずれが、１−ｃｏｓ３０°で約１４％であり、入射角成分が０°から３０°まで広がっていた場合でも、位相ずれ量は、０％から１４％の平均的な値になり、設計入射角０°入射の場合に対しての多層膜入射時の透過率の変動が小さくなる。
【００３２】
このように、スペクトル調整部材５に対して、指向性の高い光が入射するので、スペクトルの制御性が高まり、より基準太陽光に近い擬似太陽光を形成することができる。その結果、スペクトル調整部材５を通過することで得られる光は、より設計に近く、つまり実際の太陽光に近くなり、結果として、擬似太陽光のスペクトル合致度は、基準太陽光からのずれが±５％以内のＪＩＳ ＭＳ級の光にすることができる。
【００３３】
スペクトル調整部材５では、光源１から出力された光のスペクトルを透過率調整して、擬似太陽光と呼ばれる光を形成する。スペクトル調整部材５を透過し、導光部材６に入った光は、導光部材６を伝搬していく間に光取出し手段７によって全反射条件が崩れて、まず、導光部材６から導光部材６の上方に放射される。ここで、導光部材６を石英などの高透過性ガラスで構成することで、導光部材６から放射される前に、スペクトル調整部材５でスペクトル調整された光の発光スペクトルは乱されない。
【００３４】
導光部材６から放射された光は、光屈折部材８を透過する。光屈折部材８のはたらきは次のとおりである。導光部材６への入射指向性が低下した場合、導光部材６から出射する際の光の指向性が、発電性能が維持される太陽電池への入射角度範囲からはずれる光が多くなり、発電量が正確に測定できなくなる要素が増す。さらに、導光部材６から出射される光は、スペクトル合致度が高くなっていても、その光が照射される方向を正しく所定の角度に設定しなければならない。もし、光の指向性が悪くなれば、導光部材６からの出射光が太陽電池へ到達した際に、太陽電池に対して垂直方向からずれた光の成分比率が多くなることになり、この太陽電池への入射角がずれたことによる表面や界面の反射率の変化でも光量低下が発生してしまう。さらに、太陽電池への入射角がずれる際の反射特性の波長依存性により太陽電池へ入射する光のスペクトルも変化することになり、照射光のスペクトルの合致度も低下してしまう。この結果、高いスペクトル合致度を持つ擬似太陽光照射による太陽電池の発電評価も正しく行えない。そこで、光屈折部材８を備えることで、導光部材６から放射された光を、導光部材６の出射面に対してなるべく垂直な方向に屈折させ、導光部材６の出射面に対して垂直な照射光の成分を多く作り出し、基準太陽光の特性に近づけることが可能となる。
【００３５】
図３（ａ）は、光屈折部材８近傍を示す図、図３（ｂ）は、光屈折部材８の部分を拡大した図である。光屈折部材８には、図３（ｂ）に示すような連続した光屈折部８１を備える。光屈折部８１は例えば紫外線透過性のアクリル系樹脂などからなり、図３における紙面奥行き方向に伸びる断面略正三角形の帯形状であって、断面略正三角形の一頂点が導光部材６に対向するように配置されている。すなわち、図面にて着色している部分である。
【００３６】
ここで、光屈折部材８及び光屈折部材８１の材料としては、屈折率１．５程度が得られるＰＣ系、ＰＥＴ系樹脂、さらにはガラス系材料が好適に用いられる。また、導光部材６としては、その屈折率が１．４５から１．５５のものを使用するのが好ましい。
【００３７】
また、光屈折部８１は、図３に示すように、光照射方向と反対の導光部材側にあり、かつ一頂点が導光部材６に対向するように配置されていることが重要であり、このような構成にすることで、出射される光は導光部材６に垂直な方向からさほど大きく広がらずに屈折させることができる。その原理は以下のとおりである。
【００３８】
導光部材６からの出射方向は、図３（ａ）における光線３０ａ、３０ｂのように、導光部材６の表面に平行に近い方向に進む成分が多くなっている。このため、光屈折部での１回目の屈折方向が導光方向に近くなっており、その光が光屈折部８１の内部で全反射される。導光部材６に対して指向性が３０°以下で入射された場合、導光部材の中を伝搬していく光は、導光部材６の中では表面に対して、屈折作用により、０°より大きく、およそ２０°以下の成分の光であり、これらの光が全反射条件からずれて、導光部材６から出て行く場合の角度成分は導光部材６の表面から０°〜３０°離れる角度の範囲であり、その中心である１５°程度、導光部材６の表面を離れる方向を中心とした方向に、光が放射される。
【００３９】
この導光部材６に上記指向性が３０°以下で光が入射される場合、すなわち図３（ｂ）における光線５０ｃに示すように０°から３０°までの角度で導光部材６の表面から離れた方向に向かう光が出射される場合、光屈折部８１の角度は、頂角６０°の三角形状であれば、光屈折部８１での屈折で、導光部材６に垂直な方向を中心とした屈折が可能になる。従って、図３（ａ）に示すように導光部材６の両側から光を入射させる場合、導光部材６から垂直な方向に照射するのに有効な光屈折部８１の形状は頂角６０°の略正三角形形状となる。
【００４０】
さらに、光屈折部８１は、導光部材６において、図３での紙面に垂直な方向に形成されている。これは、もともと図３のｘ方向の照射方向成分を持つ光の成分割合が多いため、光屈折部８１で大きく導光部材６に略垂直な方向に屈折される光が増加し、光屈折部材の表面を通過する際の反射を大幅に低減し、光取り出し効率が高くなるためである。
【００４１】
図４は、光屈折部８１の配置を変えたときの光の指向性を示した図である。図４（ａ）は、図３と同様に、導光部材６側に光屈折部８１を配置した場合、図４（ｂ）は、比較例として、導光部材６と逆側に光屈折部８１を配置した場合の光の指向性を示している。図４（ａ）、（ｂ）での指向性は、導光部材６からの照射される光の出射角を図１のｘｚ面内での照射角度範囲とし、ここでは照射光の９０％以上が含まれる角度時範囲で規定して表している。
【００４２】
ここでは、導光部材６は厚さ１０ｍｍ、光取り出し手段７は、印刷用シリカビーズ配合インクで形成された反射体を用いており、導光部材６の端面から光を導入する。導入される光はテーパカプラ３で０°から３０°までに指向性が制御された光がスペクトル調整部材５を通過したものである。さらに、本実施形態の指向性は、光屈折部材８及び光屈折部８１の材料の屈折率が１．５、屈折部８１単体の形状が一辺２００μｍの正三角形状（頂角６０°）である場合に得られる。光屈折部材８１の材料としては、アクリル系樹脂、または、ＰＥＴ系樹脂、さらにはガラス系材料などが好適に用いられる。
【００４３】
図４（ａ）のように光屈折部８１を導光部材６側に配置して、光を照射した場合、
図４（ｂ）の場合よりも光が発散しない。このため、太陽電池への入射角度が小さくなり、太陽電池の発電領域に到達するまでに反射される光が少なく、擬似太陽光照射時の発電量低下を防ぐことができる。
【００４４】
光屈折部８で光をさらに導光部材５に対して垂直な方向に屈折させる。図３で示すように、本実施例では、光は大きく見れば３０ａ、３０ｂの方向に進んでいくが、両側に同じ光学系を配置しているため、照射光は、照射全面にわたり、類似した指向性を持ったバランスが良い形で照射できる。ただし、光源１は、導光部材６の両側から入射する配置に限らず、片側に光源１が配置される構造でも指向性の揃った擬似太陽光を照射するという性能は維持できる。
【００４５】
このように、光屈折部材と空気界面での光屈折効果のみで光を屈折させるので、導光部材６を伝搬し、導光部材６から出てくるまでの間の発光スペクトルは変化せず、さらに光屈折部材８があることで、仮に光屈折部材８での屈折の際に、屈折方向が波長によってずれても、光が導光部材５からの出射する時は、波長域全体で見れば、光の屈折方向が導光部材６に垂直な角度付近でわずかにずれるだけになり、光の屈折方向の中心角度が導光部材６に垂直な角度である傾向は維持され、被照射体に対しても、垂直な角度を中心とした角度で入射する照射光が形成される。
【００４６】
また、指向性の高い光を導光部材６に入射させているため、太陽電池に対して、光取り出し手段７によって、導光部材６から光が照射される際にも、光取り出し手段７で指向性が乱れても、指向性の低下は＋１５°程度であり、指向性の低下が小さく、スペクトル合致度が高く、指向性の高い、すなわち指向性の揃った光が太陽電池に照射されることになる。
【００４７】
さらに、図５に示すような、擬似太陽光照射装置１００との太陽電池９０との距離を離すための距離保持部材４０ａ、４０ｂを設ける構造にしてもよい。この距離保持部材４０ａ、４０ｂがあることで、光取り出し手段７において発生する指向性が非常に低い光の成分を除去し、指向性が高い光の太陽電池９０への入射比率を相対的に高めることができる。
【００４８】
光屈折部材８を透過した光は、透明カバー９を透過して、太陽電池９０に照射される。透明カバー９の有無は、照射時の指向性に関係はないが、透明カバー９があることで、この透明カバー９と導光部材５の間に光屈折部材８を挟みこんで、光屈折部材８が反らないようにすることができる。光屈折部材８が反らないことで、より正確な指向性をもった擬似太陽光が被測定物に照射されることが可能となる。
【００４９】
なお、図６のように、光屈折部材８と透明カバー９の間にスペーサ５０ａ、５０ｂを配置してもよい。スペーサ５０ａ、５０ｂを通じた透明カバー９の自重で、光屈折部材８の反りを抑え、光屈折部材８と導光部材５との距離を一定に制御して、導光部材５と光屈折部材８との距離が不均一なことによる光の屈折のばらつきを抑えることができる。スペーサ５０ａ、５０ｂと透明カバー９は、その間に一定の高さの空間を形成する。ここで、光屈折部材８の厚さをスペーサ５０ａ、５０ｂのそれに合わせておけば、光屈折部材８は、反ることもなく、結果として光屈折部８と導光部材５との距離を一定に保つことができる。これにより、光照射方向の制御精度を上げることができ、より多くの光を確実に屈折させ、擬似太陽光を太陽電池に照射することができる。
【００５０】
また、スペーサ５０ａ、５０ｂの部分が大きくても使用可能なように、この部材は透明であることが好ましい。透明であることにより照射範囲が狭くなることを防ぐことができる。さらに、その透明のスペーサ５０ａ、５０ｂの表面、すなわち導光部材６の側と照射面の側との両面）に反射光を低減する多層膜コート等の減反射コーティングがなされたものが好ましい。または、光吸収性の部材配置する場合には、照射面全体に対して少ない面積比で配置するのが好ましい。
【００５１】
図７は、擬似太陽光照射装置１００を上部から見た平面図である。ここでは、光導入部１０において、光源１は２つであり、説明のために透明カバー９を省略している。また、図７において、光導入部１０、導光部材６、光取り出し手段７（図示せず）、光屈折部材８、スペーサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを含む構成をユニット６０ａとし、他方をユニット６０ｂとする。ユニット６０ａとユニット６０ｂは、向きが異なる以外はまったく同じ構成である。このように対向して２つのユニット６０ａ、６０ｂが配置された場合、光屈折部材８は、それぞれのユニットにおける導光部材６をまたぐように配置されるのが好ましい。また、図７において、スペーサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄは、ユニット６０ａ、６０ｂのそれぞれの導光部材６の四隅を押さえる位置に配置するとよい。必要最小限のスペーサで光屈折部材８と導光部材６との距離を精度良く保持できる。
【００５２】
図８は、図７に示すユニット６０ａ、６０ｂを導光部材６が隣り合うように連続して並べた擬似太陽光照射装置である。この場合も、上記同様、光屈折部材８は、それぞれのユニットにおける導光部材６をまたぐように配置するのが最も好ましい。このように擬似太陽光照射装置が大型化した場合でも、光屈折部材８は、導光部材６をまたぐことで、導光部材６の継ぎ目などからの照射光の照度ずれの影響を低減することができる。
【００５３】
＜第二の実施形態＞
次に、次に第二の実施形態について説明する。本実施の形態では、２種類の光源と、波長選択ミラーよりなる光導入部１０ｃ、１０ｄを用いた以外は、第一の実施形態と構成は同じである。
【００５４】
図９は、第二の実施形態における擬似太陽光照射装置２００の概略構成を示す図である。擬似太陽光照射装置２００は、光導入部１０ｃ、１０ｄと、導光部材６、光取り出し手段７、光屈折部材８、透明カバー９より構成される。
【００５５】
光導入部１０ｃ、１０ｄは、導光部材６の両側面に配置されている。光導入部１０ｄは、光導入部１０ｃの構成と同一である。具体的には、光導入部１０ｃは、第一の光源としてのキセノン光源１ａ、集光素子２ａ、２ｂ、テーパカプラ３ａ、３ｂ、遮光部材４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、スペクトル調整部材５ａ、５ｂ波長選択ミラー１１、第二の光源としてのハロゲン光源１ｂから構成される。
【００５６】
光導入部１０ｃは、キセノン光源１ａ及びハロゲン光源１ｂからそれぞれ出射された光を波長選択ミラー１１で混合することにより擬似太陽光を生成し、擬似太陽光を走行部材６の端面に照射する。
【００５７】
具体的には、キセノン光源１ａからの光を、波長選択ミラー１１で、その短波長側の光を反射させるとともに、長波長側の光を透過させて導光部材５に導き、一方でハロゲン光源１ｂからの光を波長選択ミラー１１で、その長波長側の光を反射させるとともに、その短波長側の光を透過させて導光部材５に導いている。このような構成にすることで、スペクトル制御が難しいキセノン光源１ａの長波長側にある輝線成分を低減することができるため、スペクトル合致度を低下させる原因をなくすことにもつながる。
【００５８】
また、キセノン光源１ａを出た光は、指向性を付与するための導光部材であるテーパカプラ３ａを出た後、スペクトル調整部材５ａに入射、また、ハロゲン光源１ｂを出た光は、テーパカプラ３ｂを出た後、スペクトル調整部材５ｂに入射、それぞれの光が波長選択ミラー１１において混合され、一つの擬似太陽光が導光部材６に入射する前に形成される。この際には、キセノン光源１ａから擬似太陽光の短波長側の成分が形成され、ハロゲン光源１ｂから擬似太陽光の長波長側の成分が形成され、スペクトル合致度が高くなるよう、透過率調整による発光スペクトルの調整がなされるために、結果として高精度の擬似太陽光を形成することができる。なお、スペクトル調整部材５ａ、５ｂは、例えば、スペクトル調整部材を２枚に分けて、その透過特性の積が１枚分の透過特性に等価になるようにするなどして、２枚以上の構成にすることも出来る。このようにすることで、スペクトル合致度をより高めることができる。
【００５９】
導光部材６に導入された光は光取り出し手段７によって、光屈折部材８によって、導光部材６の外部に光が取り出され、導光部材６の上方に擬似太陽光が照射される。ここで、第一の光源を用いた第一の光源系と第二の光源を用いた第二の光学系とがあることで、よりスペクトル合致度を高くし、擬似太陽光に近づけることができる。本実施形態では、第一の光源としてキセノン光源、第二の光源としてハロゲン光源を用いたがこれに限られるものではなく、擬似太陽光を形成するために適した光源であれば用いることができる。
【００６０】
本発明では、スペクトルを高精度に制御するために指向性の高い光でスペクトル調整を行い、導光部材６に光を入射して、光取り出し手段７で光を導光部材６から出した後も、光屈折部８１の向きが、光照射方向と反対の導光部材側にある光屈折部材８を配置することで、その指向性を大きく低下させることなく、スペクトル調整された光を太陽電池に照射することができる。
【００６１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、１ｂ 光源
２、２ａ、２ｂ、 集光素子
３、３ａ、３ｂ テーパカプラ
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 遮光部材
５、５ａ、５ｂ スペクトル調整部材
６ 導光部材
７ 光取り出し手段
８ 光屈折部材
９ 透明カバー
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 光導入部
１１ 波長選択ミラー
４０ａ、４０ｂ 距離保持部材
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ スペーサ
６０ａ、６０ｂ ユニット
８１ 光屈折部
９０ 太陽電池
１００、２００ 擬似太陽光照射装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出射光の指向性を高める部材と、
前記光源からの出射光の透過率を制御するスペクトル調整部材と、
前記スペクトル調整部材透過した光が入射する導光部材と、
前記導光部材に配置され、前記導光部材に入射した光を前記導光部材の照射面に取り出す光取り出し手段と、
前記導光部材の出射面から射出する光を被照射方向に屈折させる光屈折部材を備えたことを特徴とする擬似太陽光照射装置。
【請求項２】
前記光屈折部材は、光を屈折させるプリズム状の光屈折部を備え、
前記光屈折部は、光照射方向と反対の導光部材側にあることを特徴とする請求項１記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項３】
前記光屈折部の断面は略正三角形であることを特徴とする請求項２記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項４】
前記光屈折部は互いに隣接し、連続して配置されていることを特徴とする請求項２または３記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項５】
前記光屈折部の光の第１回目の屈折方向は、前記導光部材の導光方向であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項６】
前記光屈折部材は、透明カバーと前記導光部材との間に配置されていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項７】
前記光屈折部材と前記透明カバーの間に距離を保持するスペーサが配置されたことを特徴とする請求項６記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項８】
前記スペーサは、減反射機能を有することを特徴とする請求項７記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項９】
前記導光部材が複数配置され、かつ前記光屈折部材が前記複数の導光部材の少なくとも２つ以上の境界を覆うように配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項１０】
前記光屈折部材と、被照射物との間を保持する距離保持部材を備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出射光の指向性を高める部材と、
前記光源からの出射光の透過率を制御するスペクトル調整部材と、
前記スペクトル調整部材透過した光が入射する導光部材と、
前記導光部材に配置され、前記導光部材に入射した光を前記導光部材の照射面に取り出す光取り出し手段と、
前記導光部材の出射面から射出する光を被照射方向に屈折させる光屈折部材を備えたことを特徴とする擬似太陽光照射装置。
【請求項２】
前記光屈折部材は、光を屈折させるプリズム状の光屈折部を備え、
前記光屈折部は、光照射方向と反対の導光部材側にあることを特徴とする請求項１記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項３】
前記光屈折部の断面は略正三角形であることを特徴とする請求項２記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項４】
前記光屈折部は互いに隣接し、連続して配置されていることを特徴とする請求項２または３記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項５】
前記光屈折部の光の第１回目の屈折方向は、前記導光部材の導光方向であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項６】
前記光屈折部材は、透明カバーと前記導光部材との間に配置されていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項７】
前記光屈折部材と前記透明カバーの間に距離を保持するスペーサが配置されたことを特徴とする請求項６記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項８】
前記スペーサは、減反射機能を有することを特徴とする請求項７記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項９】
前記導光部材が複数配置され、かつ前記光屈折部材が前記複数の導光部材の少なくとも２つ以上の境界を覆うように配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【請求項１０】
前記光屈折部材と、被照射物との間を保持する距離保持部材を備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−６２０９３（Ｐ２０１３−６２０９３Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８９３５（Ｐ２０１１−１９８９３５）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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