集光光学素子、集光装置及び光発電装置
【課題】縦横比が大きい出射面から出射する太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な新たな集光手段を提供する。
【解決手段】集光光学素子１０は、縦横比が大きな出射面８ａから出射する出射光を長辺方向に集光する光学素子であり、光透過性を有するＡ部材１１と、Ａ部材中に入射光の入射方向(ｙ軸方向)及びこれと直交する第１，第２方向(ｘ軸，ｚ軸方向)に分散されたＢ部材１２とを有して構成される。Ｂ部材１２の粒子径ｄは入射光の波長をλに対して０．１λ〜１０λであり、電界振幅がｘｙ面内の光について、Ａ部材中をｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyxとし、Ｂ部材中をｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyxとしたときに、ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しくなるように構成される。
【解決手段】集光光学素子１０は、縦横比が大きな出射面８ａから出射する出射光を長辺方向に集光する光学素子であり、光透過性を有するＡ部材１１と、Ａ部材中に入射光の入射方向(ｙ軸方向)及びこれと直交する第１，第２方向(ｘ軸，ｚ軸方向)に分散されたＢ部材１２とを有して構成される。Ｂ部材１２の粒子径ｄは入射光の波長をλに対して０．１λ〜１０λであり、電界振幅がｘｙ面内の光について、Ａ部材中をｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyxとし、Ｂ部材中をｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyxとしたときに、ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しくなるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を集光する装置に関し、なお詳細には、縦横比が大きな出射面から出射する出射光を、出射面と対峙して設けられた入射面で受光して入射光を長辺が伸びる方向に集光する集光光学素子、及びこれを用いた集光装置並びに光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2排出量の削減が全世界的に求められ、自然エネルギーの利用が進められている。太陽光のエネルギー利用では、旧来より太陽熱温水器等により太陽光の熱エネルギー利用が用いられてきたほか、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する太陽光発電システムが一般家庭に導入され、大規模な太陽光発電所も各国で実用化段階に入りつつある。
【０００３】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルは、光電変換する材料分類上、シリコン系、化合物系、有機系、色素増感系などに分類される。このような材料により構成される一般的な太陽電池のセルは、電力への変換効率が概ね１０〜２０％程度である。そこで、太陽光の放射スペクトル範囲を複数の波長帯域に分割し、各波長帯域の光を光電変換するのに最適なバンドギャップの半導体層を複数積層して、電力への変換効率を４０％程度まで高めた多接合型（タンデム型、積層型などとも称される）の太陽電池セルが開発されている。
【０００４】
しかし、上記のような高効率の太陽電池セルは極めて高価であり、航空宇宙などの特殊な用途以外では使用することが困難である。そこで、小型のセルに太陽光を集光して入射させることでコストを低減し、高効率で太陽光発電を行う集光型の太陽電池モジュールが考案されている。集光形式として、太陽光をフレネルレンズや反射鏡等により集光して太陽電池セルに入射させるレンズ集光型（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）、蛍光粒子が分散された蛍光プレートに太陽光を入射させ、プレート内で発生した蛍光をプレート側方に導出して集光する蛍光プレート集光型（例えば、特許文献３を参照）、ホログラムフィルム及び太陽電池セルが挟み込まれたプレートに太陽光を入射させ、ホログラムフィルムにより回折した光を太陽電池セルに導く分光集光型（例えば、特許文献４を参照）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−１４２３７３号公報
【特許文献２】特開２００５−２１７２２４号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０１０７９９３号明細書
【特許文献４】米国特許第６２７４８６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記各集光方式には一長一短がある。例えば、レンズ集光型では、光軸方向にレンズの焦点距離に応じた厚さが必要であることや、光軸を太陽の方位に一致させるための追尾装置が必要になる。一方、蛍光プレート集光型や分光集光型のようなプレート形態の集光方式は、モジュールの光軸方向寸法を薄くでき、また必ずしも追尾装置を必要としないものもあるが、プレート側端部に導かれた光の出射面は長辺／短辺の縦横比が大きく、集光効率や太陽電池セルとのマッチング等の面で改善すべき余地がある。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、縦横比が大きい出射面から出射する太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明を例示する第１の態様は集光光学素子である。この集光光学素子は、長辺／短辺の縦横比が大きな出射面（例えば、実施形態における集光パネル８の出射面８ａ）から出射する幅広の出射光を、出射面と対峙して設けられ長辺が伸びる方向（例えば、実施形態におけるｘ軸方向）に集光する集光光学素子であり、光透過性を有するＡ部材と、Ａ部材中に入射光の入射方向及びこれと相互に直交する第１方向、第２方向に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材とを有して構成される。Ｂ部材の粒子径ｄは、入射光の波長をλとしたときに円相当径が０．１λ〜１０λである。いま、入射方向に延びる軸をｙ軸、第１方向に延びる軸をｘ軸、第２方向に延びる軸をｚ軸、ｘ軸及びｙ軸を含む面をｘｙ面とする。そして、Ａ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyxとし、Ｂ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyxとしたときに、ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しいことを特徴として構成される。なお、本明細書において「粒子径」は、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径（直径）で規定し、頻度分布が最大の最頻粒子径（モード径）をもって粒子径ｄとしている。
【０００９】
この場合において、前記屈折率の関係は、ｎａxy＜ｎｂxyでありｎｂxy＞ｎｂyx、あるいはｎａxy＜ｎｂxyでありｎａxy＜ｎａyx、あるいはｎａxy＞ｎｂxyでありｎｂxy＜ｎｂyx、またはｎａxy＞ｎｂxyでありｎａxy＞ｎａyxとなるように構成することができる。
【００１０】
前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、１．５≦α≦４０であることが好適であり、２≦α≦２０とすることができる。また、Ｂ部材の粒子径ｄを２０μｍ以下とすることもできる。
【００１１】
前記Ａ部材中に分散された前記Ｂ部材の密度は、入射面からｙ軸方向に入射し、複数のＢ部材により多重散乱されて集光光学素子の裏面に向かう光が、裏面において全反射されるように設定することができる。
【００１２】
本発明を例示する第２の態様は集光装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、前記出射面と前記入射面との間に設けられて出射光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子（例えば、実施形態における偏光面回転素子６５）とを備えて構成される。
【００１３】
本態様に含まれる第２の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、この集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、集光光学素子と反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子（例えば、実施形態における偏光面回転素子７５）とを備えて構成される。
【００１４】
本態様に含まれる第３の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、第２の集光光学素子は、第１の集光光学素子の裏面側に当該第２の集光光学素子のｘ軸方向が第１の集光光学素子のｘ軸方向と平行になるように配設されるとともに、第１の集光光学素子と第２の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子（例えば、実施形態における偏光面回転素子８５）が設けられることを特徴とする。
【００１５】
本発明を例示する第３の態様は光発電装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の光発電装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、集光光学素子によりｘ軸方向に導かれた光（例えば、実施形態における＋ｘ側及び−ｘ側の少なくともいずれか一方に導かれた光）を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。
【００１６】
本態様に含まれる第２の構成形態の光発電装置は、請求項１２または１３に記載の集光装置と、集光光学素子によりｘ軸方向に導かれた光（例えば、実施形態における＋ｘ側及び−ｘ側の少なくともいずれか一方に導かれた光）を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。
【００１７】
本態様に含まれる第３の構成形態の光発電装置は、請求項１４に記載の集光装置と、第１の集光光学素子におけるｘ軸方向に導かれた光（例えば、実施形態における＋ｘ側及び−ｘ側の少なくともいずれか一方に導かれた光）を光電変換する光電変換素子と、第２の集光光学素子におけるｘ軸方向に導かれた光（同上）を光電変換する第２の光電変換素子とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の態様の集光光学素子は、透明なＡ部材中に粒子状のＢ部材が分散されており、このＢ部材の粒子径は、入射光の波長をλとしたときに円相当径ｄが０．１λ〜１０λとされる。Ａ部材及びＢ部材は、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率を各々ｎａxy及びｎｂxyとし、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率を各々ｎａyx及びｎｂyxとしたときに、ｙ軸方向に進む光についてｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｘ軸方向に進む光についてｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しく構成される。このとき、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光には、Ａ部材の屈折率ｎａxyとＢ部材の屈折率ｎｂxyとが異なることからＢ部材が粒子として見える。
【００１９】
本発明の第１の態様の集光光学素子は、Ａ部材中に分散されたＢ部材の粒子径が入射光の波長λと同程度のオーダーであることから、ミー（Mie）の散乱理論によれば、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光は、Ｂ部材に遭遇するたびに所定角度範囲に散乱され、これを繰り返すことによって＋ｘ側に傾斜して進む光と−ｘ側に傾斜して進む光の割合が多くなる。電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光には、Ａ部材の屈折率ｎａyxとＢ部材の屈折率ｎｂyxとで実質的な屈折率差がないことから、Ｂ部材が粒子として見えず、均質媒質中を伝播するようにＡ部材及びＢ部材を透過して、ｘ軸方向の＋ｘ側または−側に集光される。従って、本発明によれば、ｘ軸方向に幅が広い出射面から出射された光をｘ軸方向に集光して集光効率を高めることができ、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な新たな集光手段を提供することができる。
【００２０】
本発明の第２の態様の集光装置は、集光光学素子を透過した偏光成分の光を再度同一の／または第２の集光光学素子で集光するように構成される。このため、簡明かつコンパクトな構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な集光装置を提供することができる。
【００２１】
本発明の第３の態様の光発電装置は、上記のような集光光学素子または集光装置と、集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。このため、小型の光電変換素子にパワー密度の高い光を入射させることができ、小型かつ低コストの構成で太陽光等の光エネルギーを高効率に電力変換可能な光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の態様を例示する光発電装置１の外観斜視図である。
【図２】図１中に付記するII−II矢視方向に見た模式的な断面図であり、散乱により光の進行方向が変化していく様子を示す説明図である。
【図３】Ｂ部材が複屈折性を有する場合について、Ａ部材とＢ部材のｘｙ面内における屈折率特性及び両者の関係を表した説明図である。
【図４】第１構成形態の集光光学素子１０における屈折率楕円の関係を示す説明図であり、（ａ）はＢ部材がｘ軸方向に正の複屈折性を有する場合、（ｂ）はＢ部材がｘ軸方向に負の複屈折性を有する場合である。
【図５】第２構成形態の集光光学素子２０における屈折率楕円の関係を示す説明図であり、（ａ）はＢ部材がｙ軸方向に負の複屈折性を有する場合、（ｂ）はＢ部材がｙ軸方向に正の複屈折性を有する場合である。
【図６】第１構成形態の集光光学素子１０における光の入射角と散乱との関係を模式的に示す説明図である。
【図７】粒子径が０．１５μｍの場合の光の散乱分布を例示するグラフである。
【図８】粒子径が０．３μｍの場合の光の散乱分布を例示するグラフである。
【図９】図７及び図８の散乱分布を異なる表示形態で示すグラフである。
【図１０】サイズパラメータを変化させたときの光の散乱分布の変化を示すグラフ群である。
【図１１】サイズパラメータと前方散乱に対する後方散乱の割合との関係を示すグラフである。
【図１２】サイズパラメータと散乱角との関係を示すグラフである。
【図１３】体積を一定としたときのサイズパラメータと散乱係数との関係を示すグラフである。
【図１４】第１実施例における、粒子の屈折率と散乱断面積との関係を示すグラフである。
【図１５】第１実施例における、粒子への入射角と各指標との関係をまとめた表である。
【図１６】第１実施例における、垂直入射した光が散乱段階でどの様な角度分布になるかを計算したシミュレーションデータである。
【図１７】第２実施例における、粒子の屈折率と散乱断面積との関係を示すグラフである。
【図１８】第２実施例における、粒子への入射角と各指標との関係をまとめた表である。
【図１９】第２実施例における、垂直入射した光が散乱段階でどの様な角度分布になるかを計算したシミュレーションデータである。
【図２０】比較例における、粒子への入射角と各指標との関係をまとめた表である。
【図２１】比較例における、垂直入射した光が散乱段階でどの様な角度分布になるかを計算したシミュレーションデータである。
【図２２】第１構成例の集光装置の概要構成図である。
【図２３】第２構成例の集光装置６０の概要構成図である。
【図２４】第３構成例の集光装置７０の概要構成図である。
【図２５】第４構成例の集光装置８０の概要構成図である。
【図２６】集光光学素子からの光エネルギーの取り出し手法を例示する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様を例示する光発電装置１の外観斜視図を図１に、図１中に付記するII−II矢視方向に見た模式的な断面図を図２に示す。なお、説明を明瞭化するため、相互に直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し、これを図１中に示す。ｙ軸は集光パネル８から集光光学素子１０に入射する光の入射方向、ｘ軸及びｚ軸は集光光学素子１０の入射面１０ａに沿って直交する二軸であり、図２はｘ軸及びｙ軸を含みｚ軸に垂直な面（ｘｙ面）で切断した模式的な断面図に相当する。なお、説明の便宜上から、図１に示す姿勢をもって上下左右ということがあるが、配設姿勢は任意である。
【００２４】
［光発電装置の概要］
装置全体の概要を把握するため、まず第１構成形態の集光光学素子１０を利用した光発電装置１を主たる例として全体概要を説明する。光発電装置１は、上面から厚さ方向（ｚ軸方向）に入射する光を集光し側端の出射面８ａから出射するプレート状の集光パネル８と、出射面８ａに沿って設けられ長辺／短辺の縦横比が大きな出射面８ａから出射された幅広の出射光を長辺が伸びるｘ軸方向（またはｙ軸方向）に集光する集光光学素子１０（２０）と、集光光学素子により集光されて端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子５０とを備えて構成される。図示する構成形態は、集光光学素子１０（２０）を棒状ないし帯板状に形成した構成例を示す。光電変換素子５０は、公知の種々の素子を用いることができ、例えば、前述した種々の形態の太陽電池セルを用いて構成することができる。
【００２５】
［集光パネルの概要］
集光パネル８は、上面から厚さ方向（ｚ軸方向）に入射する光をプレート内に閉じ込めてｙ軸方向（及び／またはｘ軸方向）に集光し、側端の出射面８ａから出射するプレート状の集光光学素子であり、例えば、前述した蛍光プレート集光型や分光集光型の集光光学素子、後に詳述する集光光学素子１０（２０）と同様の散乱理論を適用した集光光学素子、あるいはレンズアレイにより一次集光された複数の集束光を側端の出射面に導いて集光する導波路型の集光光学素子などを用いることができる。
【００２６】
［集光光学素子の概要］
集光光学素子１０（２０）は、太陽光を透過するＡ部材１１（２１）と、このＡ部材中に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材１２（２２）とを主体として構成される。Ｂ部材の粒子径は、集光光学素子に入射する光の波長をλとしたときに円相当径ｄが０．１λ〜１０λ程度に設定される。ここで、集光光学素子において集光しようとする光の波長λが幅を有する場合には、Ｂ部材の粒子径ｄは、その波長帯域における最短波長λminの１／１０〜最長波長λmaxの１０倍とすることができる。具体的に、太陽光を集光する場合には、太陽光の放射スペクトルは概ね４００ｎｍ〜１８００ｎｍ程度であり、Ｂ部材の粒子径ｄは、４０ｎｍ〜１．８μｍとすることができる。
【００２７】
Ｂ部材は、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に、全体として（マクロ的に見て）均一に分散されるが、図２ではＢ部材１２による散乱の作用を説明するため、散乱された光の光路上にあるＢ部材１２のみを模式的に示している。なお、Ｂ部材の分布密度は、Ａ部材及びＢ部材の材質や形状寸法、使用条件等に応じて適宜設定される。これについては後に詳述する。
【００２８】
集光光学素子１０（２０）は、Ａ部材とＢ部材１１，１２（２１，２２）の屈折率特性が異なり、かつＡ部材及びＢ部材の少なくともいずれか一方が複屈折性を有している。本明細書においては、Ａ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyx、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａzyとする。同様に、Ｂ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyx、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂzyとする。
【００２９】
ここで、電界振幅がｘｙ面内の光（図２において電界振幅が紙面に平行な光）について偏光状態をｐ偏光、電界振幅がｚｙ面内の光（図２において電界振幅が紙面に垂直な光）の偏光状態をｓ偏光とすると、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光はｙ軸方向に進むｐ偏光の光、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光はｘ軸方向に進むｐ偏光の光である。また、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光はｙ軸方向に進むｓ偏光の光である。
【００３０】
このとき、ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しくなるようにＡ部材及びＢ部材が設定される。なお、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しいとは、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ｂ部材により有意な散乱や屈折を受けない屈折率の関係をいい、具体的には、屈折率差が０．０５以下のような場合をいう。
【００３１】
このような集光光学素子１０（２０）では、上方から素子内に入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxyとｎｂxyとが異なることから、Ｂ部材１２（２２）が粒子として認識される。このとき、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光がＢ部材の存在によりどの様な影響を受けるか、その取扱いは、媒質（Ａ部材）中をｙ軸方向に進むｐ偏光の光の波長（λ／ｎａxy）と媒質中に分散された粒子（Ｂ部材）の粒子径ｄとによって異なったものになる。
【００３２】
具体的には、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長よりも充分小さい場合には、レーリー散乱の理論が適用できる。一方、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長と同程度のオーダーの場合には、ミー散乱の理論が適用できる。また、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長よりも充分に大きい場合には、幾何光学の理論が適用される。
【００３３】
本実施形態において、Ｂ部材１２（２２）の粒子径ｄは、円相当径で０．１λ〜１０λ程度に設定されており、媒質であるＡ部材中を伝播する光の波長と同程度のオーダーである。そのため、集光光学素子１０（２０）においてＡ部材中を伝播する光とＢ部材との関係は、基本的にミー散乱の理論が適用できる。
【００３４】
但し、集光光学素子１０（２０）においては、Ａ部材及びＢ部材１１，１２（２１，２２）の少なくとも一方が複屈折性を有しており、その複屈折特性や主軸の方位（光線が異常光となる進相軸または遅相軸の方位）、素子内を進む光の偏光方向及び偏光成分との関係に応じて、散乱の発生状況が変化する。
【００３５】
単純化のため、Ａ部材及びＢ部材のいずれか一方が複屈折性を有し、複屈折の主軸（光学軸）が一軸の場合を考える。この場合において、ｎａxyとｎｂxyとが異なり（ｎａxy≠ｎｂxy）、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しくなる（ｎａyx≒ｎｂyx）構成の端的な例を図３に示す。
【００３６】
図３（ａ）（ｂ）は、Ｂ部材が複屈折性を有する場合について、Ａ部材とＢ部材のｘｙ面内における屈折率特性及び両者の関係を表している。図示するように、Ａ部材の屈折率特性３０は方向によらず屈折率が一定（ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy）の屈折率円、Ｂ部材の屈折率特性４０（４１〜４４）は方向によって屈折率が異なる屈折率楕円になっている。図３（ａ）及び（ｂ）に示す屈折率関係は何れもｎａxy≠ｎｂxyであり、Ａ部材の屈折率円３０とＢ部材の屈折率楕円４０とが交わるｙ軸上でｎａyx＝ｎｂyxになっている。
【００３７】
従って、集光光学素子内をｙ軸方向に進むｐ偏光の光はｎａxy≠ｎｂxyによりＢ部材が粒子として認識される。一方、素子内をｘ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａyx＝ｎｂyxであることから、Ｂ部材が粒子として認識されない。
【００３８】
以上は、説明簡明化のため、ｘｙ面における屈折率の関係で説明した。これを三次元的に表した概念図を図４、図５に示す。図４（ａ）は、Ｂ部材がｘ軸方向に正の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも高くなる複屈折性）４１を有する場合、図４（ｂ）は、Ｂ部材がｘ軸方向に負の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも低くなる複屈折性）４２を有する場合の例である。図５（ａ）は、Ｂ部材がｙ軸方向に負の複屈折性４３を有する場合、図５（ｂ）は、Ｂ部材がｙ軸方向に正の複屈折性４４を有する場合の例である。
【００３９】
図４中にハッチングを付して示すものは、Ａ部材及びＢ部材のｚｙ面内の屈折率円である。両図から分かるように、複屈折の主軸がｘ軸方向に配向する場合には、ｎａyxとｎｂyxのみならずｎａzyとｎｂzyも実質的に等しくなり、ｎａyx＝ｎａzy≒ｎｂyx＝ｎｂzyとなる。これは、Ａ部材とＢ部材の屈折率の関係が逆になっても（Ａ部材が複屈折性を有する場合においても）同様である。このように、一軸異方性の複屈折の主軸がｘ軸方向に配向する場合を第１構成形態の集光光学素子１０として説明する。
【００４０】
また、図５中にハッチングを付して示すものは、各々Ａ部材，Ｂ部材のｘｚ面内の屈折率円である。両図から分かるように、複屈折の主軸がｙ軸方向に配向する場合には、屈折率が実質的に等しいのはｎａyxとｎｂyxのみであり、ｎａxy≠ｎｂxy，ｎａzy≠ｎｂzyとなる。Ａ部材とＢ部材の屈折率の関係が逆になっても同様である。このように、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に配向する場合を第２構成形態の集光光学素子２０として説明する。
【００４１】
［第１構成形態の集光光学素子］
第１構成形態の集光光学素子１０においては、集光パネル８から出射し集光光学素子１０に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光にはｎａxy≠ｎｂxyであることからＢ部材１２が媒質（Ａ部材１１）から識別されて粒子として存在する。一方、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光にはｎａyx≒ｎｂyxであることからＢ部材１２が粒子と識別されず、粒子が存在しない状態（均質媒質）と同じになる。
【００４２】
そのため、集光光学素子１０の上方から入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光（ｐ偏光成分）は、屈折率差に基づいて媒質中に粒子として存在するＢ部材１２により散乱されるが、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光は、粒子と識別されないＢ部材によって散乱されることなくそのままｘ軸方向に進むことになる。
【００４３】
本発明は、上記のような複屈折性に基づく屈折率差を利用するため、Ｂ部材１２に入射する光の入射角に応じて散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。図６（ａ）〜（ｄ）は、Ｂ部材１２に入射する光の入射角と散乱との関係を模式的に示す説明図である。図示のように、ｙ軸を基準としたＢ部材１２への入射角θが０度のときに屈折率差が最大、散乱断面積が最大となって大きな散乱を受け（ａ）、入射角がθ＝９０度のときに屈折率差が無く散乱断面積が無限小になって散乱を受けない（ｄ）。
【００４４】
Ｂ部材への入射角θが０〜９０度の間にあるときは、当該入射角におけるＡ部材１１とＢ部材１２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する（ｂ）（ｃ）。図６（及び図２）では、散乱により拡散する光を、入射光軸に沿って直進する光と、入射光軸から離れて左右に広がる２本の光とに代表させた３本のベクトルで表しており、入射角θが大きくなるほど散乱効率が低下して左右に広がる散乱光のレートが小さくなること、入射角θが９０度では散乱が生じないことを示している。
【００４５】
このような構成の集光光学素子１０では、図２に示すように、集光光学素子の入射面１０ａから入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ａ部材（媒質）１１中に粒子として存在するＢ部材１２により散乱を受け、例えば表面付近のＢ部材１２で入射光の４割が散乱される。Ｂ部材１２の側方を通過した光も厚さ方向に分布する次のＢ部材１２で４割が散乱され、段階が進むといずれ散乱を受ける。またＢ部材１２で散乱された光が厚さ方向に分布する次のＢ部材により散乱され、多重散乱される。
【００４６】
その結果、集光光学素子１０にｙ軸に沿って入射した光は、この素子中を進むにつれてｙ軸に平行に進む光の割合が減少し、ｘｙ面で斜めに傾斜した光の割合が増加する。ｘ軸の＋方向または−方向に傾斜した光は、Ｂ部材１２への入射角が大きくなるほど散乱効率が低下して傾斜角の変化は小さくなるが、ｘ軸方向に大きく傾斜した光（図２及び図６において水平に近くなった光）の割合が大きくなる。ｘ軸に沿って進む光はＢ部材１２によって散乱されず、ｘ軸の＋側または−側の側端に向かって進む。
【００４７】
このとき、ｘ軸方向に傾斜した状態で集光光学素子の裏面１０ｂに到達した光の傾斜角が、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角以上になっていれば、集光光学素子１０に入射した光を素子内に閉じ込めることができる。例えば、Ａ部材１１の屈折率を１．６４としたときに、Ａ部材１１と空気層との界面に入射する入射角が３７．６度以上の光は界面で全反射され、集光光学素子１０内に閉じ込められる。集光光学素子の裏面１０ｂで全反射された光は、裏面側から入射面側に進む過程で再びＢ部材１２により散乱され進行方向がｘ軸方向に偏向される。
【００４８】
なお、集光光学素子の裏面１０ｂに、Ａ部材１１と屈折率が異なる保護膜等を形成した場合には、Ａ部材１１と膜との界面において膜の屈折率に応じた光の屈折が生じる。しかしながら、Ａ部材１１と膜との界面及び膜と空気との界面においてスネルの法則が成立するため、裏面に到達した光の傾斜角がＡ部材と空気との界面における全反射角以上になっていれば、少なくとも膜と空気との界面において全反射条件が満たされされ、集光光学素子１０内に閉じ込められる。
【００４９】
また、上記の保護膜等を有する構成において、裏面に到達した光の傾斜角がＡ部材と膜との界面における全反射角以上になっている場合は、Ａ部材と膜との界面において全反射条件が満たされ、裏面に到達した光は膜中に進入することなくＡ部材中へ全反射される。そのため、膜の外側表面が平滑でない等の理由により膜と空気の界面で全反射条件を維持できない場合でも、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光が集光光学素子１０内に閉じ込められｘ軸方向に偏向される。
【００５０】
このため、集光パネル８から出射して集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光は、ほぼ全体がｘ軸方向の正負いずれかの端面に向かうこととなり、このようにして集光された光がｘ軸方向の端部に配設された光電変換素子５０に集光入射される。この場合、集光光学素子に入射してｙ軸方向に進むｓ偏光成分の光は、集光光学素子１０をそのまま透過することになるが、後述する集光装置の構成により、透過した光を効率的に集光することができる。
【００５１】
このような構成よれば、集光パネル８から出射したｘ軸方向に幅広で縦横比が大きな出射面（例えば、縦横比が５０〜５００程度の出射面）から出射した光が、集光光学素子１０によりｘ軸方向に集光されて縦横比が減少され（例えば、集光光学素子１０の出射面における縦横比が１〜１０程度に減少され）、集光効率を大きく向上させることができる。また、このような構成の集光光学素子によれば、屈折率差のないｚ軸方向に散乱が生じないため、この方向への散乱損失を抑止することができる。
【００５２】
［第２構成形態の集光光学素子］
第２構成形態の集光光学素子２０は、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に沿うように配向して分布させた構成である（図５を参照）。このような集光光学素子２０において、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｐ偏光の光については、前述した第１構成形態の集光光学素子１０と同様である。
【００５３】
すなわち、集光光学素子２０に入射してＡ部材２１中を進む光のうち、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光について、ｎａxy≠ｎｂxyであることからＢ部材２２が媒質から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中をｘ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａyx≒ｎｂyxであることから、Ｂ部材２２が粒子として認識されず、粒子が存在しない状態と同じになる。
【００５４】
集光光学素子２０においては、集光光学素子２０に入射してＡ部材中をｙ軸方向に進むｓ偏光の光についても、上記と同様の作用を持つ。集光光学素子２０においては、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に沿って配向されており、Ａ部材２１とＢ部材２２の屈折率の関係がｙ軸を中心として軸対称になっている。そのため、ｘｙ面と直交するｚｙ面において、上記と同様の作用が生じる。
【００５５】
すなわち、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を進む光のうち、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光（ｚｙ面においてｙ軸方向に進むｐ偏光の光）について、ｎａzy≠ｎｂzyであることからＢ部材２２が媒質（Ａ部材２１）から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中を進む光のうち、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光（ｚｙ面においてｚ軸方向に進むｐ偏光の光）には、ｎａyz≒ｎｂyzであることからＢ部材２２が粒子として認識されず、粒子が存在しない状態と同じになる。
【００５６】
そのため、Ａ部材２１中をｙ軸方向に進む光は、ｐ偏光及びｓ偏向の何れについてもＡ部材とＢ部材の屈折率差に基づき媒質中に粒子として存在するＢ部材２２により散乱を受ける。また、Ａ部材中をｘ軸方向またはｚ軸方向に進む光は、粒子と識別されないＢ部材２２によって散乱されることなく、そのままｘ軸方向またはｚ軸方向に進む。Ｂ部材２２の散乱断面積は光の入射角に応じて変化し、その変化が軸対称に生じることを除いて、図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明した状況と同様である。
【００５７】
具体的には、ｙ軸を基準としたＢ部材２２への入射角θが０度のときに屈折率差が最大、散乱断面積が最大となって大きな散乱を受け（図６（ａ）を参照）、入射角がθ＝９０度のときに屈折率差が無く散乱断面積が無限小になって散乱を受けない（図６（ｄ）を参照）。Ｂ部材への入射角θが０〜９０度の間にあるときは、当該入射角におけるＡ部材１１とＢ部材１２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する（図６（ｂ），（ｃ）を参照）。
【００５８】
このため、集光光学素子２０においては、入射面から入射してｙ軸方向に進む光は、Ａ部材２１中に粒子として存在するＢ部材２２により散乱を受け、厚さ方向に分布する複数のＢ部材２２により多重散乱される。このうち、図２においてｐ偏光（ｐ偏光成分）の光は、素子中を進むにつれてｙ軸に平行に進む光の割合が減少し、ｘｙ面で＋ｘ側または−ｘ側に傾斜した光の割合が増加する。また、図２においてｓ偏光（ｓ偏光成分）の光は、素子中を進むにつれてｙ軸に平行に進む光の割合が減少し、ｚｙ面で＋ｚ側または−ｚ側に傾斜した光の割合が増加する。
【００５９】
傾斜した光の割合は、裏面に向かうほど大きく傾斜した光の割合が増大する。ｘ軸に沿って進むｐ偏光の光はＢ部材２２によって散乱されず、ｘ軸の＋側または−側の端面に向かって進む。ｚ軸に沿って進むｓ偏光の光もＢ部材２２によって散乱されず、ｚ軸の＋側または−側の端面に向かって進む。
【００６０】
このとき、ｘ軸方向またはｚ軸方向に傾斜した光の傾斜角が、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角を超えていれば、集光光学素子２０に入射した光が裏面（ｓ偏光の場合には上面または下面）で全反射され集光光学素子２０内に閉じ込められる。集光光学素子２０の裏面で全反射された光は、裏面側から入射面側に進む過程で再びＢ部材２２により散乱され進行方向がｘ軸方向またはｚ軸方向に偏向される。集光光学素子の下面に、Ａ部材２１と屈折率が異なる保護膜等を形成した場合についても、第１構成形態の集光光学素子１０と同様である。
【００６１】
このため、集光パネル８から集光光学素子２０に入射した光は、ｐ偏光成分のほぼ全体がｘ軸方向の前後いずれかの端面に向かうこととなり、このようにして集光された光がｘ軸方向の端部に配設された光電変換素子５０に集光入射される。一方、集光光学素子に入射してｙ軸方向に進むｓ偏光成分の光は、ほぼ全体がｚ軸方向の上下いずれかの端面に向かうことになるが、後述する集光装置の構成により、これらをｐ偏光成分と同様にｘ軸方向に導いて効率的に集光することができる。
【００６２】
このような構成よれば、集光パネル８から出射したｘ軸方向に幅広で縦横比が大きな出射面から出射した光が、集光光学素子２０によりｘ軸方向に集光されて縦横比が減少され、集光効率を大きく向上させることができる。
【００６３】
［サイズパラメータ］
次に、Ａ部材１１，２１及びＢ部材１２，２２の好適な構成形態について、ミーの散乱理論に基づいてより詳細に説明する。なお、ミーの散乱理論そのものについては詳細説明を省略するが、例えば、1995年発売（McGRAW-HILL, INC)の アメリカの光学学会 OSA（OPTICAL SOCIETY OF AMERICA）監修の「HANDBOOK OF OPTICS」VolumeI Chapter６ にミー理論の散乱理論について記載されている。集光光学素子１０，２０では、Ｂ部材の粒子径ｄを入射光の波長λとほぼ同じオーダーの０．１λ〜１０λとすることで散乱を生じさせ、前方散乱を多重的に行わせて光を側方に導いている。このとき、後方散乱（損失）を抑制して前方散乱を支配的とし、また一定の厚さ内で効率的に集光することが望まれる。ミーの散乱理論では、その指標としてサイズパラメータαを用いる。
【００６４】
サイズパラメータαは、一般的に、下記（１）式で規定される。
α＝（π×ｄ）／（λ／ｎ）＝（π×ｄ×ｎ）／λ・・・・・・・（１）
ここで、ｄは粒子径（直径）であり、本明細書においては、Ｂ部材の粒子径を、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径とし、頻度分布が最大の最頻粒子径（モード径）で規定している。また（λ／ｎ）は媒質中を進む光の波長であり、ｎは媒質（Ａ部材）の屈折率である。例示する集光光学素子１０，２０において、Ａ部材１１は複屈折性を有しておらず、媒質の屈折率はｎ＝ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzyで一定である。
【００６５】
図７及び図８は、ミー散乱の理論に基づいてシュミレーションしたデータであり、円の中心に配設された粒子により左方から入射した光が散乱される様子（散乱光の分布）を、前方０度方向の大きさで規格化して示している。円の中心から右側の半円が前方、左側が後方であり、点線は３０度ごとの方位角を示す。両図における粒子、媒質（媒体）、入射光の共通条件は下記のとおりである。
・粒子の屈折率ｎｂxy：１．８８
・媒質の屈折率ｎａxy：１．６４
・入射光の波長 λ：６３３ｎｍ
【００６６】
図７と図８で相違する条件は粒子径ｄであり、図７は粒子径ｄ＝０．１５μｍ、図８は粒子径ｄ＝０．３μｍである。これらの値を（１）式に代入してサイズパラメータαを求めると、
・図７の例のサイズパラメータα：１．２２
・図８の例のサイズパラメータα：２．４４
となる。図９は、図７の散乱分布と図８の散乱分布を、横軸が入射方向を０度とする左右１８０度の角度とし、縦軸が分布の割合として描きなおしたものである。
【００６７】
図７〜図９から、サイズパラメータαが１．２２の場合（図７）と２．４４の場合（図８）とで散乱光の分布形態が大きく異なること、サイズパラメータα＝１．２２の場合には散乱角度が前方及び後方に広く分布し前方散乱も分散が大きいのに対し、サイズパラメータα＝２．４４の場合には殆ど後方散乱が見られず前方散乱の分散も小さいことなどが分かる。
【００６８】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、上記共通条件のもとでサイズパラメータαを変化させた場合（すなわち粒子径ｄを変化させた場合）の散乱光の分布を規格化せずに示したものであり、（ａ）α＝１．０、（ｂ）α＝１．５、（ｃ）α＝２．０、（ｄ）α＝２．５である。図１１は、上記共通条件のもとでサイズパラメータαを変化させたときの、前方０度方向への散乱割合に対する後方１８０度方向への散乱割合をプロットしたものである。
【００６９】
図１０及び図１１から、サイズパラメータαが１．５以上のときに前方散乱が略９割以上となり、前方散乱が支配的になる。またサイズパラメータαが２以上になると、前方散乱に対する後方散乱の割合がほぼ０になる。
【００７０】
但し、サイズパラメータαが大きくなると０度方向への前方散乱の割合が増加するが、散乱角度が小さく（狭く）なる。このことは、集光光学素子１０，２０を製作する際の複屈折体の配向精度や、集光光学素子の裏面側に達した光が全反射条件を満たすようにするための厚さ方向（ｙ軸方向）寸法に影響を及ぼす。つまりサイズパラメータαは所定以上大きければ大きいほど良いわけではなく、実用上の見地から一定の範囲であることが必要となる。
【００７１】
図１２は、前記共通条件のもとで、サイズパラメータαと散乱角との関係を示したグラフである。複屈折体（Ａ部材またはＢ部材）の製作角度精度は１〜２度程度が一般的であり、粒子による散乱角はこれを超える角度であることが必要となる。図１２から、現状での一般的な製作角度精度に基づくサイズパラメータαの上限は５０前後である。
【００７２】
次に、前記共通条件のもとで、集光光学素子の体積、及び集光光学素子に占める粒子の充填率を一定（π／６）とした場合のサイズパラメータαと散乱係数との関係を図１３に示す。図において、散乱係数が大きいほど集光光学素子の厚さを低減することができ、複屈折材料が少なくて済む。この点から粒子の充填率が一定の場合には、サイズパラメータα＝１０前後において散乱係数が最大になる。散乱係数は最大値の１／５（２０％）以上であることが好ましく、この場合サイズパラメータαの上限はα＝４０程度となる。
【００７３】
また、製造精度の観点から見ると、一般的な製作精度の２倍以上となる５度を確保可能なサイズパラメータはα＝２０以下であることが好ましい（図１２）。また総体積を一定とした場合の散乱係数の面からも散乱効率がピーク値の１／４以上であるサイズパラメータα＝２０以下であることが好ましい（図１３）。
【００７４】
他方、粒子径についてみると、集光光学素子の厚さを考慮した場合、厚さは１０ｍｍ程度以内にすることが望ましい。この場合において入射面から入射した光が裏面側に到達するまでに５００回散乱されるためには粒子間隔が２０μｍ以内である必要があり、このときの最大粒子径は２０μｍとなる。粒子の体積充填率を５％以内とする場合には、粒子径は１０μｍ以内であることが好ましい。なお、前記共通条件において粒子径をｄ＝１０μｍとしたときのサイズパラメータはα≒８０であり、粒子径をｄ＝１０μｍとし入射光の波長λを１．３μｍとしたときのサイズパラメータはα≒４０である。
【００７５】
以上を総合すると、Ａ部材及びＢ部材からなる集光光学素子において、サイズパラメータは１．５≦α≦４０であることが好ましく、２≦α≦２０であることがより好ましい。また、Ｂ部材の粒子径ｄは２０μｍ以下であることが好ましく、ｄ≦１０μｍであることがより好ましい。
【００７６】
以下、前述した第１構成形態の集光光学素子１０、第２構成形態の集光光学素子２０について、具体的な実施例を説明する。なお、集光光学素子１０の適用例を第１実施例、集光光学素子２０の適用例を第２実施例とし、Ａ部材及びＢ部材が何れも複屈折性を有しない構成を比較例として説明する。
【００７７】
［第１実施例］
第１実施例は、既述した第１構成形態の集光光学素子１０において、Ａ部材１１及びＢ部材１２の条件として下記を適用した。
・Ａ部材の屈折率 ：ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．６４
・Ｂ部材の屈折率 ：ｎｂxy＝１．８８
ｎｂyx＝ｎｂzy＝１．６４
・Ｂ部材の粒子径 ：ｄ＝１．０μｍ（延伸後の粒子径）
・Ｂ部材の分布密度：０．１個／μｍ3
入射光の波長λを６３３ｎｍとしたときのサイズパラメータはα＝８．１４である。本実施例は、第１構成形態の集光光学素子２０において、Ｂ部材がｘ軸方向に正の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも高くなる複屈折性）を有する場合に相当する。
【００７８】
上記の条件は、Ａ部材１１としてナフタレート７０／テレフタレート３０のコポリエステル（coＰＥＮ）のモノマー、Ｂ部材１２としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）の粒を用いて、Ａ部材１１中にＢ部材１２を均一分散させたシートを作成し、このシートをｘ軸方向に一軸延伸して集光光学素子１０を作成した場合に相当する。このとき、Ａ部材１１（coＰＥＮ）は複屈折性を持たず、何れの方向に進む光についても屈折率が一定でｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．６４程度となる。一方、Ｂ部材１２は延伸方向（ｘ軸方向）と他の方向とで屈折率が異なり、偏光面が延伸方向に沿った光に対して１．８８程度、他の方向について１．６４程度となる。なお、散乱理論からＢ部材は球形でなくても良く、本実施例では、延伸後のＢ部材（粒子）の円相当径を上記条件として適用した。
【００７９】
ここで、Ｂ部材１２は、複屈折の主軸がｘ軸方向に配向した一軸異方性の複屈折体であることから、Ｂ部材に入射するｐ偏光の光はｘｙ面内の入射角度によってＢ部材１２の屈折率が変化し、Ａ部材１１との屈折率差が変化する。そのため、ミーの散乱理論における散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。具体的には、ｙ軸を基準（０度）とした入射角θが増加するにつれて散乱断面積が減少する。
【００８０】
図１４は、横軸にＢ部材（粒子）１２の屈折率、縦軸に散乱断面積をとり、Ｂ部材への入射角変化に伴う屈折率変化により散乱断面積がどのように変化するかを示したものである。図において、左上端の黒塗り四角のプロットはＢ部材１２への入射角がθ＝０度（入射面に垂直入射）、右下端の黒塗り四角のプロットはＢ部材１２への入射角がθ＝９０度（水平入射）であり、入射角１０度ごとの計算値をプロットしている。この図１４から、Ｂ部材１２の屈折率が大きい（Ａ部材との屈折率差が大きい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化にほぼ比例して散乱断面積が変化すること、Ｂ部材１２の屈折率が小さい（Ａ部材との屈折率差が小さい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化に対する散乱断面積の変化が小さいことが分かる。
【００８１】
図１５は、上記の散乱断面積やＢ部材の分布密度を考慮した散乱確率などの指標が、Ｂ部材への入射角度によってどのように変化するかをまとめた表である。表中の粒子への入射角度は、ｘｙ面においてｙ軸を基準（０度）としｘ軸方向を９０度としたＢ部材への光の入射角θである。散乱効率は、ミーの散乱理論により求められる散乱断面積をＢ部材の幾何学的面積（πｄ2／４）で除した値である。また、散乱係数は、散乱断面積にＢ部材の密度（単位体積に含まれる粒子の数）を乗じた値、散乱確率は、散乱断面積にＢ部材の密度の三分の二乗を乗じた値である。
【００８２】
このように構成された集光光学素子１０では、入射面１０ａから入射して厚さ方向に進むｐ偏光の光が、媒質（Ａ部材１１）中に粒子として存在するＢ部材１２によりミー散乱を受ける。Ｂ部材１２の粒子径が１μｍ、粒子密度が０．１個／μｍ3では、表面付近の最初の段階で入射光の約４割が散乱され、６割は散乱されずに直進する。直進した光も厚さ方向に分布する次の段階のＢ部材１２で４割が散乱され、段階が進むといずれ散乱を受ける。散乱を受けた光はｙ軸に対して角度が付き、斜めに傾斜した光になる。
【００８３】
斜めに傾斜した光は、次の段階では一部がより斜め（入射角θが増加する方向）に曲げられ、他の一部は元に戻る方向（入射角θが減少する方向）に曲げられ、残りは入射角が変化せずにそのまま進む光になる（図２を参照）。但し、斜めに傾斜した光は入射角が大きくなるほど（図２において水平に近くなるほど）散乱確率が減少する。これは、媒質（Ａ部材１１）と粒子（Ｂ部材１２）との屈折率差が小さくなり、散乱断面積が急激に減少するからである（図１４及び図１５を参照）。そのため、入射角度の大きい光については散乱を受ける割合が減少し、元の垂直方向に戻る割合も減少する。
【００８４】
媒質中を進む光の傾斜角度（入射角θ）が９０度近くになると、粒子の屈折率ｎｂyxが媒質の屈折率ｎａyxとほぼ同じになり、散乱確率が無視できるほど小さくなる。そのため、数多くの段階が進むことにより、光は９０度方向つまりｘ軸に沿った＋側または−側に向かい、面方向に閉じ込められる。
【００８５】
なお、９０度方向まで傾斜せず、集光光学素子の裏面１０ｂに到達した光でも、傾斜角が媒質と空気との界面における全反射角以上になっていれば、媒質中の光は面内に閉じ込められる。本実施例においては、Ａ部材１１と空気層との界面に入射する光の入射角が３７．６度以上であれば光は界面で全反射される。全反射された光は入射面１０ａに向けて媒質中を進む過程で再びＢ部材１２に多重散乱され、最終的に９０度方向つまりｘ軸に沿った＋側または−側に集光される（図２２〜図２５を参照）。
【００８６】
従って、最も裏面側に分散されたＢ部材１２の層を通って裏面に向かう光が、裏面１０ｂにおいて全反射されるようにＡ部材１１及びＢ部材１２を設定すれば、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光全てを＋ｘ方向の端部に向けて集光することができる。このような構成によれば、集光光学素子１０を薄く構成することができる。
【００８７】
そこで、集光光学素子１０に入射した光が、散乱によりどの様な角度分布に変化してゆくのかを図１５に示した指標を用いて計算したシミュレーションデータを図１６に示す。図１６において、横軸はｘｙ面において集光光学素子の入射面１０ａに垂直入射した光の角度を０度としｘ軸方向を±９０度とした光の角度（粒子への入射角度）、縦軸は各角度方向に配向した光の割合（百分率、％）である。図中に四角、丸、三角等で示すパラメータは、粒子（Ｂ部材１２）による散乱の段階数であり、２n回ごとにプロットしている。
【００８８】
このシミュレーションデータから、粒子による散乱の段階が進むにつれ、入射面１０ａに垂直入射した光がｘ軸の＋方向と−方向とに傾斜していく様子が明確に把握できる。このデータを詳細に見ると、粒子による散乱の段階が１６段階程度までは、０度方向の光が減少し角度分布の幅が広がっていく様子が分かる。但し、この初期過程では、割合として０度方向の光が最も多く、１ピークの山形の分布である。ところが、３２段階ではピークがほとんどない平坦な分布になり、６４段階，１２８段階では中央がへこんだ緩い凹状の分布に変化する。２５６段階以降では左右対称な２ピークが明確になり、５１２段階では−２０〜２０度の光がほとんど見られなくなる。そして、１０２４段階以降ではピーク値をとる角度の変化が小さくなって概略±８０度付近に強いピークを有するようになり、−４０〜４０度の角度範囲の光が略ゼロになっている。
【００８９】
このデータから、粒子による散乱が１０００段階程度まで進むと、素子内を伝播する光の角度は大半が４０度以上または−４０度以下になり、Ａ部材１１と空気層との界面の全反射角を超える。従って、Ａ部材１１に垂直入射した光がＢ部材１２により１０００段階以上多重散乱されるように集光光学素子１０を構成することにより、入射光を集光光学素子１０内に閉じ込め、ｘ軸方向の端部に設けた光電変換素子５０に集光入射させることができる。
【００９０】
［第２実施例］
第２実施例は、既述した第２構成形態の集光光学素子２０において、Ａ部材２１及びＢ部材２２の条件として下記を適用した。
・Ａ部材の屈折率 ：ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．４９
・Ｂ部材の屈折率 ：ｎｂxy＝１．４９
ｎｂyx＝ｎｂzy＝１．６６
・Ｂ部材の粒子径 ：ｄ＝１．０μｍ
・Ｂ部材の分布密度：０．１個／μｍ3
入射光の波長λを６３３ｎｍとしたときのサイズパラメータはα＝７．４０である。本実施例は、第２構成形態の集光光学素子２０において、Ｂ部材がｙ軸方向に負の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも低くなる複屈折性）を有する場合に相当する。
【００９１】
上記の条件は、Ａ部材２１として硬化後の屈折率が１．４９となるように調整した熱硬化性ポリマー、Ｂ部材２２として円相当径１μｍの方解石の粒子を用い、Ａ部材２１にＢ部材２２を均一分散させた溶液を平板状の型に流し込み、型の上下に３ｋＶ／ｍｍの電圧を印加しつつ加熱硬化させて集光光学素子２０を作成した場合に相当する。このとき、Ａ部材２１（硬化後のポリマー）は複屈折性を持たず、何れの方向に進む光についても屈折率が一定でｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．４９程度となる。一方、Ｂ部材２２は電圧の印加方向（ｙ軸方向）に誘電率の異常軸が揃って他の方向と屈折率が異なり、偏光面が電圧の印加方向に沿った光に対して１．４９程度、他の方向について１．６６程度となる。
【００９２】
Ｂ部材２２は、複屈折の主軸がｙ軸方向に配向した一軸異方性の複屈折体であることから、Ｂ部材に入射する光の入射角度によってＢ部材２２の屈折率が変化し、Ａ部材２１との屈折率差が変化する。そのため、ミーの散乱理論における散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。ｘｙ面について考慮すると、ｙ軸を基準（０度）とした入射角θが増加するにつれて散乱断面積が減少する。
【００９３】
図１７は、横軸にＢ部材（粒子）２２の屈折率、縦軸に散乱断面積をとり、ｘｙ面内におけるＢ部材への入射角変化に伴う屈折率変化により散乱断面積がどのように変化するかを示したものである。図において、左上端の黒塗り四角のプロットがＢ部材２２への入射角がθ＝０度（入射面に垂直入射）、右下端の黒塗り四角のプロットがＢ部材２２への入射角がθ＝９０度（水平入射）であり、入射角１０度ごとの計算値をプロットしている。この図１７から、Ｂ部材２２の屈折率が大きい（Ａ部材との屈折率差が大きい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化にほぼ比例して散乱断面積が変化すること、Ｂ部材２２の屈折率が小さい（Ａ部材との屈折率差が小さい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化に対する散乱断面積の変化が小さいことが分かる。
【００９４】
図１８は、上記散乱断面積やＢ部材の分布密度を考慮した散乱確率などの指標が、Ｂ部材への入射角度によってどのように変化するかをまとめた表である。表中の粒子への入射角度は、ｘｙ面においてｙ軸を０度としｘ軸方向を９０度としたＢ部材への光の入射角θである。散乱効率、散乱係数、散乱確率の各指標は、第１実施例の図１５と同様である。
【００９５】
集光光学素子２０では、入射面から入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光は、媒質中に粒子として存在するＢ部材２２によりミー散乱を受ける。Ｂ部材２２の粒子径が１μｍ、粒子密度が０．１個／μｍ3では、散乱過程の概要は第１実施例と同様であり、表面付近の最初の段階で入射光の約４割、次段で４割が散乱され、段階が進むにつれて散乱を受ける。散乱を受けた光はｙ軸に対して傾斜した光となり、徐々に傾斜角が増加してゆく。
【００９６】
図１６と同様に、集光光学素子２０に入射した光が、散乱によりどの様な角度分布に変化してゆくのか計算したシミュレーションデータを図１９に示す。図１９において、横軸はｘｙ面において集光光学素子２０の入射面に垂直入射した光の角度を０度としｘ軸方向を±９０度とした光の角度（粒子への入射角度）、縦軸は各角度方向に配向した光の割合（百分率、％）である。図中に四角、丸、三角等で示すパラメータは、粒子（Ｂ部材２２）による散乱の段階数であり、２n回ごとにプロットしている。
【００９７】
シミュレーションデータから、粒子による散乱の段階が進むにつれて、入射面に垂直入射した光がｘ軸の＋方向と−方向とに傾斜していく様子が把握でき、この基本的な傾向は第１実施例と同様である。データを詳細に見ると、粒子による散乱の段階が３２段階程度まで、０度方向の光が減少し角度分布の幅が広がっていく。この初期過程では、割合として０度方向の光が最も多い１ピークの山形の分布である。ピークがほとんどない平坦な分布になるのは６４段階で、１２８，２５６段階で中央がへこんだ緩い凹状の分布に変化する。５１２段階以降で左右対称な２ピークが明確になり、１０２４段階程度で−２０〜２０度の光がほとんど見られなくなる。そして、２０４８段階以降でピーク値をとる角度の変化が小さくなって概略±８０度付近に強いピークを有するようになり、−４０〜４０度の角度範囲の光が略ゼロになっている。
【００９８】
このデータから、粒子による散乱が２０００段階程度まで進むと、素子内を伝播する光の角度は大半が４０度以上または−４０度以下になり、Ａ部材２１と空気層との界面の全反射角を超える。従って、Ａ部材２１に垂直入射した光がＢ部材２２により２０００段階以上多重散乱されるように集光光学素子２０を構成することにより、入射光を集光光学素子２０内に閉じ込め、ｘ軸方向の端部に設けた光電変換素子５０に集光入射させることができる。垂直ではなく斜め入射の光は本例の垂直入射に比べて少ない段数で閉じ込められるようになる。
【００９９】
［比較例］
比較例として、何れも複屈折性を有しないＡ部材及びＢ部材で構成した場合について、同様のシミュレーションを行った。Ａ部材及びＢ部材の条件として下記を適用した。
・Ａ部材の屈折率 ：ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．４９
・Ｂ部材の屈折率 ：ｎｂxy＝ｎｂyx＝ｎｂzy＝１．６６
・Ｂ部材の粒子径 ：ｄ＝１．０μｍ
・Ｂ部材の分布密度：０．１個／μｍ3
入射光の波長λを６３３ｎｍとしたときのサイズパラメータはα＝７．４０である。
【０１００】
図２０は、図１５及び図１８と同様に、散乱断面積や散乱確率などの指標がＢ部材への入射角度によってどのように変化するかをまとめた表である。また図２１が、図１６及び図１９と同様に、集光光学素子に垂直入射した光が、散乱によりどの様な角度分布に変化してゆくのか計算したシミュレーションデータである。
【０１０１】
図２１のシミュレーションデータから、粒子による散乱の段階が進むにつれて、垂直入射した光が散乱されていく様子が把握できる。また図１６及び図１９と対比することにより、実施例１及び２と散乱過程が明らかに異なっていることが把握される。
【０１０２】
すなわち、実施例１及び実施例２においては、垂直入射した光が散乱によってｘ軸の＋方向と−方向に傾斜して行き、所定段階を経ることによって明確な２つのピークとなって表れていたが、この比較例においてそのような傾向は全く見られない。
【０１０３】
データを詳細に見ると、粒子の散乱により０度方向の光が減少して角度分布の幅が広がっていく初期段階の傾向は実施例１及び実施例２と近似する。しかし、比較例においては散乱段階が増えてもこの傾向が変化せずブロードに拡がってゆくことに加え、９０度を超えて９０〜１８０度方向に進む光、すなわち入射方向に戻る光の割合が散乱段階の増加とともに増大している。これは素子に入射した光が媒質中の粒子により散乱され単純に拡散していく状況に他ならない。入射と反対側の表面に光が達したときには全反射角より小さな光線は全て外部に抜け出てしまう。これが繰り返し行われると、内部に閉じ込められる光はなくなってくる。
【０１０４】
従って、仮にＡ部材及びＢ部材の平均的な屈折率やＢ部材の粒子径、Ｂ部材の分布密度等を実施例と同一とし、ミー散乱のサイズパラメータを同一にしたとしても、比較例では入射光を素子内に閉じ込めることができず、素子の端部に設けた光電変換素子に効率的に集光入射させることが困難であることが容易に理解される。
【０１０５】
以上の説明では、Ａ部材が複屈折性を持たず、Ｂ部材が正または負の複屈折性を有する場合について説明したが、逆であっても良く、Ａ部材及びＢ部材の両方が複屈折性を有していても良い。また、説明簡明化のため、波長λが一定の場合を例示したが、波長λが幅を有する場合には、Ｂ部材の粒子径ｄを集光する光の波長帯域に応じて適宜設定することができる。具体的には、太陽光の放射スペクトルに合わせて４００〜１８００ｎｍの範囲とし、あるいは放射スペクトルの強度が高い４００〜８００ｎｍの範囲とし、または次述する光発電装置における光電変換素子５０の変換効率が高い範囲などとすることができる。この場合において、Ｂ部材の粒子径ｄを波長帯域の中心や重心等に合わせて設定することができる他、波長帯域を複数に分割して各分割帯域に合わせた粒子径ｄ１，ｄ２，ｄ３として（すなわち粒子径が異なる複数のＢ部材の混合体として）設定することも可能である。
【０１０６】
次に、以上説明したような集光光学素子を用いた集光装置について、集光光学素子１０を用いた場合を代表例とし、図２２〜２５を参照して説明する。なお、各図では、電界振幅が紙面に平行なｐ偏光の光を両端矢印の符号、電界振幅が紙面に垂直なｓ偏光の光を中心にドットを有する丸印の符号で示している。
【０１０７】
［集光装置及び光発電装置の構成例１］
既述したように、第１構成形態の集光光学素子１０は、Ａ部材１１及びＢ部材１２の屈折率がｙ軸方向に進むｐ偏光の光に対して異なり、ｙ軸方向に進むｓ偏光の光及びｘ軸方向に進む光について実質的に等しくなるように構成される。
【０１０８】
そのため、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光の直線偏光である場合、図２２に示すように、集光光学素子１０に入射した光は、いずれもＢ部材により散乱を受けて進行方向（光ベクトル）が＋ｘ側または−ｘ側に配向しｘ軸方向の端部に集光される。そのため、集光光学素子１０単体で、集光パネルの出射面８ａから出射した入射光の全量をｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。そして、ｘ軸方向の端部に光電変換素子５０を設けることにより、極めて簡明かつローコストな構成で、図１に示す光発電装置１を構成することができる。
【０１０９】
［集光装置及び光発電装置の構成例２］
また、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｓ偏光の直線偏光である場合（例えば、集光パネル８が集光光学素子１０，２０と同様のＡ部材及びＢ部材により構成される場合）には、図２３に示す集光装置６０が適用できる。
【０１１０】
集光装置６０は、集光光学素子１０と、集光パネルの出射面８ａと集光光学素子の入射面１０ａとの間に配設された偏光面回転素子６５とにより構成される。偏光面回転素子６５は、透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子である。このような機能を有する偏光面回転素子として、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回の透過でｓ偏光をｐ偏光に変換する、広帯域の１／２波長板が好適に用いられる。
【０１１１】
このような構成の集光装置６０では、集光パネルの出射面８ａから出射したｓ偏光の光が偏光面回転素子６５を透過することによりｐ偏光に変換されて集光光学素子１０に入射する。そのため、集光光学素子１０に入射した光はいずれもＢ部材により散乱を受けて進行方向が＋ｘ側または−ｘ側に配向しｘ軸方向の端部に集光される。これにより、一対の集光光学素子１０と偏光面回転素子６５とから成る簡明な構成で、集光パネルの出射面８ａから出射した入射光の全量をｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。そして、ｘ軸方向の端部に光電変換素子５０を設けることにより、簡明かつローコストな構成で光発電装置２を構成することができる。
【０１１２】
［集光装置及び光発電装置の構成例３］
集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光及びｓ偏光の両者からなる場合（例えば、直交二方向の偏光成分からなる光のほか、ｐ偏光成分及びｓ偏光成分からなるランダム偏光や楕円偏光、円偏光等の場合）、第１構成例及び第２構成例の集光装置では、集光光学素子１０に入射するｓ偏光成分の光がｘ軸方向に集光されず、集光光学素子１０の裏面側に出射する。第３、第４構成例の集光装置７０，８０は、入射光の偏光組成にかかわらず集光光学素子１０に入射する光全てを集光し得るように構成される。
【０１１３】
第３構成例の集光装置７０は、図２４に示すように、集光光学素子１０と、この集光光学素子１０の裏面側に裏面１０ａに沿って設けられた反射鏡７２と、集光光学素子１０と反射鏡７２との間に設けられた偏光面回転素子７５とを備えて構成される。偏光面回転素子７５は、二回度透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子である。このような機能を有する偏光面回転素子として、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回目の透過でｓ偏光を円偏光に変換し、二回目の透過で円偏光をｐ偏光に変換する、広帯域の１／４波長板が好適に用いられる。
【０１１４】
このような構成の集光装置７０では、入射面１０ａから入射した光のうち、ｐ偏光成分の光はＢ部材により散乱されて進行方向がｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側に配向しｘ軸方向の端部に集光される。一方、入射面１０ａから厚さ方向に入射した光のうち、ｓ偏光成分の光は、Ｂ部材によって散乱されることなく集光光学素子１０を透過して裏面１０ｂから出射する。
【０１１５】
集光光学素子１０の裏面側に出射したｓ偏光成分の光は、偏光面回転素子７５を透過して反射鏡７２により反射され、再び偏光面回転素子７５を透過して、集光光学素子の裏面１０ｂから再び集光光学素子１０に入射する。このとき、集光光学素子１０に再入射する光は、偏光面回転素子７５を二度透過していることから、偏光面が９０度回転されてｐ偏光成分の光になっている。そのため、裏面１０ｂから再入射して厚さ方向に進むｐ偏光成分の光は、集光光学素子１０の裏面で全反射されたｐ偏光成分の光と同様に、裏面側から入射面側に向けて進む過程でＢ部材により散乱され、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の側端部に集光される。
【０１１６】
従って、このような構成の集光装置７０によれば、一組の集光光学素子１０と偏光面回転素子７５と反射鏡７２とから成る簡明な構成で、集光パネルの出射面８ａから出射した入射光の全量をｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。そして、ｘ軸方向の端部に光電変換素子５０を設けることにより、比較的簡明かつローコストな構成で光発電装置３を構成することができる。
【０１１７】
［集光装置及び光発電装置の構成例４］
第４構成例の集光装置８０は、図２５に示すように、第１の集光光学素子１０1と、その裏面側に設けられた第２の集光光学素子１０2と、これらの集光光学素子１０1，１０2の間に設けられた偏光面回転素子８５とからなり、第１の集光光学素子１０1のｘ軸方向と第２の集光光学素子１０2のｘ軸方向とが平行になるように配設される。偏光面回転素子８５は、既述した偏光面回転素子６５と同様に透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子であり、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回の透過でｓ偏光をｐ偏光に変換する広帯域の１／２波長板が好適に用いられる。
【０１１８】
このような構成の集光装置８０では、第１の集光光学素子１０1の入射面側から厚さ方向に入射した光のうち、ｐ偏光成分の光は、第１の集光光学素子１０1に均一分散されたＢ部材１２により散乱されて進行方向が＋ｘ側または−ｘ側に配向し、ｘ軸方向の端部に集光される。一方、第１の集光光学素子１０1を透過したｓ偏光成分の光は第１の集光光学素子１０1の裏面側から出射され偏光面回転素子８５に入射する。
【０１１９】
偏光面回転素子８５に入射したｓ偏光成分の光は、この偏光面回転素子８５を透過する過程で偏光面が９０度回転され、ｐ偏光成分の光となって偏光面回転素子８５から出射する。そのため、第２の集光光学素子１０2には、偏光面が回転されてｐ偏光成分になった光が入射し、この第２の集光光学素子１０2に均一分散されたＢ部材１２により散乱されてｘ軸方向の端部に集光される。
【０１２０】
従って、このような構成の集光装置８０によれば、２本の集光光学素子１０と偏光面回転素子８５を重ねて配設する比較的簡明な構成で、集光パネル８から出射した光全てをｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。また、集光光学素子１０1，１０2の各々の端部に集光された光を光電変換する光電変換素子５０を設けることにより、比較的簡明な構成で光発電装置４を構成することができる。
【０１２１】
以上では、集光光学素子を用いた集光装置について、集光光学素子１０を用いた場合を例として説明したが、集光光学素子２０を用いた場合も、同様の手法を用いて集光装置を構成することができる。まず、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光の直線偏光である場合、または集光パネルの出射面８ａから出射する光がｓ偏光の直線偏光である場合には、図２２，図２３を参照して説明した第１，第２構成例の集光装置と同じである。
【０１２２】
一方、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光及びｓ偏光の両者からなる場合、第２構成形態の集光光学素子２０においては、入射面から厚さ方向に入射するｓ偏光成分の光が集光光学素子２０の＋ｚ方向の面（上面とする）または−ｚ方向の面（下面とする）から出射する。集光光学素子２０の上面または下面から出射する光は、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光であり、そのままでは光の進行方向をｘ軸方向に偏向することができない。
【０１２３】
この場合、例えば、第３構成例の集光装置７０と同様に、ｓ偏光成分光の出射面（例えば上面）に沿って偏光面回転素子（７５）と反射鏡（７２）とを設け、集光光学素子２０の上面から出射した光の偏光面９０度回転させて集光光学素子２０に再入射させることにより、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の側端部に集光することができる。
【０１２４】
また、第３構成例の集光装置８０と同様に、ｓ偏光成分光の出射面（例えば上面）に沿って偏光面回転素子（８５）と第２の集光光学素子１０（または２０）を設け、集光光学素子２０の上面から出射した光の偏光面９０度回転させて第２の集光光学素子１０に入射させることにより、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の側端部に集光することができる。
【０１２５】
［集光光学素子の端部における光エネルギーの取り出し手法］
次に、以上説明した集光光学素子１０，２０において、ｘ軸方向に集光される光のエネルギー取り出し手法について、幾つかの代表的な概念を例示する図２６(ａ)〜(ｅ)を参照しながら簡明に説明する。
【０１２６】
(ａ)及び（ｂ）は、集光光学素子１０，２０において、＋ｘ側及び−ｘ側のいずれか一方の端部（例えば−ｘ側の端部）に光を反射する反射手段を設け、入射光をｘ軸方向の他方の端部（例えば＋ｘ側の端部）に集光する構成例を示す。このうち、(ａ)は、集光光学素子１０，２０の−ｘ側の端面にミラー９１を設け、あるいは反射膜を形成して、−ｘ方向に伝播する光を＋ｘ方向に折り返して集光する構成例である。（ｂ）は、集光光学素子１０，２０の−ｘ側の端部にプリズム状の折り返し部９２を形成し、あるいは−ｘ側の端面に対峙して直角プリズムを設けて、−ｘ方向に伝播する光を＋ｘ方向に折り返して集光する構成例である。このような構成によれば、集光光学素子１０，２０による集光率（取り出される光のパワー密度）を倍増することができる。
【０１２７】
(ｃ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の構成例である。本構成は、光電変換素子５０を集光光学素子１０，２０の集光端に結合し、電気エネルギーとして取り出す構成例を示す。なお、集光された光を熱エネルギーとして取り出す場合には、光熱変換手段として光吸収体付きのヒートパイプ等が例示される。
【０１２８】
(ｄ)は、端部に集光された光を、さらに集光率を高めて取り出す場合の構成例である。本構成の集光光学素子１０，２０は、集光側の端部近傍領域でｘ軸方向寸法及びｙ軸方向寸法の少なくともいずれかが徐々に小さくなるように（すなわち端部の開口面積が小さくなるように）構成されており、ｘ軸方向に集光された光が、出射端部でさらに集光率が高くなるようになっている。これにより、集光した光を光電変換素子５０やヒートパイプに入射させる場合のパワー密度をさらに高めることができる。
【０１２９】
（ｅ）は、集光光学素子１０，２０の端部に、カプラ９５を介して光ファイバー９６を接続した構成例を示す。カプラ９５は、例えば円錐台形状の光学部材で作製される。これにより、集光光学素子１０，２０で集光された光を集光パネル８から離れた適宜な場所で利用することができる。例えば、光電変換素子５０を当該光電変換素子の過熱を防止する冷却装置を備えたユニットボックス内に設置し、このユニットボックス内に光ファイバー９６を介して集光光学素子１０，２０により集光された光を伝送するように構成することができる。同様に、集光光学素子１０，２０により集光された光を光ファイバー９６で伝送し、集光装置と地理的に離間した野菜工場等で利用することも可能である。
【０１３０】
なお、実施形態では、説明簡明化のため、集光光学素子を帯板状ないし角棒状に構成した形態を例示し、また集光光学素子の作用を説明するため、Ａ部材及びＢ部材に具体的な物質の屈折率を適用した構成例を説明したが、本発明はこれらの構成形態や構成例に限定されるものではない。例えば、集光光学素子の形状は、円柱状や線状であっても良く、Ａ部材及びＢ部材の材質は、種々の樹脂材料や無機材料等を適宜選択して構成することができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、Ａ部材及びＢ部材以外の他の部材を含むものであっても良い。
【０１３１】
以上説明したように、集光光学素子１０，２０は、長辺／短辺の縦横比が大きな集光パネル８の出射面から出射する幅広の出射光を、長辺が伸びる方向に集光する。従って、本発明によれば、ｘ軸方向に幅が広い出射面から出射された光の集光効率を高めることができ、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な新たな集光手段を提供することができる。集光装置６０，７０，８０及び光発電装置１〜４は、このような集光光学素子を用いて構成されており、簡明、小型かつ低コストの構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な集光装置、光発電装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１〜４ 光発電装置
８ 集光パネル（８ａ 出射面）
１０（１０1，１０2） 第１構成形態の集光光学素子（１０ａ 入射面）
１１ Ａ部材
１２ Ｂ部材
２０ 第２構成形態の集光光学素子
２１ Ａ部材
２２ Ｂ部材
３０ Ａ部材の屈折率特性
４０（４１〜４４） Ｂ部材の屈折率特性
５０ 光電変換素子
６０ 第２構成例の集光装置
６５ 偏光面回転素子
７０ 第３構成例の集光装置
７２ 反射鏡
７５ 偏光面回転素子
８０ 第４構成例の集光装置
８５ 偏光面回転素子
９１ ミラー（反射手段）
９２ プリズム状の折り返し部（反射手段）
９５ カプラ
９６ 光ファイバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を集光する装置に関し、なお詳細には、縦横比が大きな出射面から出射する出射光を、出射面と対峙して設けられた入射面で受光して入射光を長辺が伸びる方向に集光する集光光学素子、及びこれを用いた集光装置並びに光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2排出量の削減が全世界的に求められ、自然エネルギーの利用が進められている。太陽光のエネルギー利用では、旧来より太陽熱温水器等により太陽光の熱エネルギー利用が用いられてきたほか、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する太陽光発電システムが一般家庭に導入され、大規模な太陽光発電所も各国で実用化段階に入りつつある。
【０００３】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルは、光電変換する材料分類上、シリコン系、化合物系、有機系、色素増感系などに分類される。このような材料により構成される一般的な太陽電池のセルは、電力への変換効率が概ね１０〜２０％程度である。そこで、太陽光の放射スペクトル範囲を複数の波長帯域に分割し、各波長帯域の光を光電変換するのに最適なバンドギャップの半導体層を複数積層して、電力への変換効率を４０％程度まで高めた多接合型（タンデム型、積層型などとも称される）の太陽電池セルが開発されている。
【０００４】
しかし、上記のような高効率の太陽電池セルは極めて高価であり、航空宇宙などの特殊な用途以外では使用することが困難である。そこで、小型のセルに太陽光を集光して入射させることでコストを低減し、高効率で太陽光発電を行う集光型の太陽電池モジュールが考案されている。集光形式として、太陽光をフレネルレンズや反射鏡等により集光して太陽電池セルに入射させるレンズ集光型（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）、蛍光粒子が分散された蛍光プレートに太陽光を入射させ、プレート内で発生した蛍光をプレート側方に導出して集光する蛍光プレート集光型（例えば、特許文献３を参照）、ホログラムフィルム及び太陽電池セルが挟み込まれたプレートに太陽光を入射させ、ホログラムフィルムにより回折した光を太陽電池セルに導く分光集光型（例えば、特許文献４を参照）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−１４２３７３号公報
【特許文献２】特開２００５−２１７２２４号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０１０７９９３号明細書
【特許文献４】米国特許第６２７４８６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記各集光方式には一長一短がある。例えば、レンズ集光型では、光軸方向にレンズの焦点距離に応じた厚さが必要であることや、光軸を太陽の方位に一致させるための追尾装置が必要になる。一方、蛍光プレート集光型や分光集光型のようなプレート形態の集光方式は、モジュールの光軸方向寸法を薄くでき、また必ずしも追尾装置を必要としないものもあるが、プレート側端部に導かれた光の出射面は長辺／短辺の縦横比が大きく、集光効率や太陽電池セルとのマッチング等の面で改善すべき余地がある。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、縦横比が大きい出射面から出射する太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な、新たな集光手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明を例示する第１の態様は集光光学素子である。この集光光学素子は、長辺／短辺の縦横比が大きな出射面（例えば、実施形態における集光パネル８の出射面８ａ）から出射する幅広の出射光を、出射面と対峙して設けられ長辺が伸びる方向（例えば、実施形態におけるｘ軸方向）に集光する集光光学素子であり、光透過性を有するＡ部材と、Ａ部材中に入射光の入射方向及びこれと相互に直交する第１方向、第２方向に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材とを有して構成される。Ｂ部材の粒子径ｄは、入射光の波長をλとしたときに円相当径が０．１λ〜１０λである。いま、入射方向に延びる軸をｙ軸、第１方向に延びる軸をｘ軸、第２方向に延びる軸をｚ軸、ｘ軸及びｙ軸を含む面をｘｙ面とする。そして、Ａ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyxとし、Ｂ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyxとしたときに、ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しいことを特徴として構成される。なお、本明細書において「粒子径」は、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径（直径）で規定し、頻度分布が最大の最頻粒子径（モード径）をもって粒子径ｄとしている。
【０００９】
この場合において、前記屈折率の関係は、ｎａxy＜ｎｂxyでありｎｂxy＞ｎｂyx、あるいはｎａxy＜ｎｂxyでありｎａxy＜ｎａyx、あるいはｎａxy＞ｎｂxyでありｎｂxy＜ｎｂyx、またはｎａxy＞ｎｂxyでありｎａxy＞ｎａyxとなるように構成することができる。
【００１０】
前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、１．５≦α≦４０であることが好適であり、２≦α≦２０とすることができる。また、Ｂ部材の粒子径ｄを２０μｍ以下とすることもできる。
【００１１】
前記Ａ部材中に分散された前記Ｂ部材の密度は、入射面からｙ軸方向に入射し、複数のＢ部材により多重散乱されて集光光学素子の裏面に向かう光が、裏面において全反射されるように設定することができる。
【００１２】
本発明を例示する第２の態様は集光装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、前記出射面と前記入射面との間に設けられて出射光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子（例えば、実施形態における偏光面回転素子６５）とを備えて構成される。
【００１３】
本態様に含まれる第２の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、この集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、集光光学素子と反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子（例えば、実施形態における偏光面回転素子７５）とを備えて構成される。
【００１４】
本態様に含まれる第３の構成形態の集光装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、第２の集光光学素子は、第１の集光光学素子の裏面側に当該第２の集光光学素子のｘ軸方向が第１の集光光学素子のｘ軸方向と平行になるように配設されるとともに、第１の集光光学素子と第２の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子（例えば、実施形態における偏光面回転素子８５）が設けられることを特徴とする。
【００１５】
本発明を例示する第３の態様は光発電装置である。この態様に含まれる第１の構成形態の光発電装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、集光光学素子によりｘ軸方向に導かれた光（例えば、実施形態における＋ｘ側及び−ｘ側の少なくともいずれか一方に導かれた光）を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。
【００１６】
本態様に含まれる第２の構成形態の光発電装置は、請求項１２または１３に記載の集光装置と、集光光学素子によりｘ軸方向に導かれた光（例えば、実施形態における＋ｘ側及び−ｘ側の少なくともいずれか一方に導かれた光）を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。
【００１７】
本態様に含まれる第３の構成形態の光発電装置は、請求項１４に記載の集光装置と、第１の集光光学素子におけるｘ軸方向に導かれた光（例えば、実施形態における＋ｘ側及び−ｘ側の少なくともいずれか一方に導かれた光）を光電変換する光電変換素子と、第２の集光光学素子におけるｘ軸方向に導かれた光（同上）を光電変換する第２の光電変換素子とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の態様の集光光学素子は、透明なＡ部材中に粒子状のＢ部材が分散されており、このＢ部材の粒子径は、入射光の波長をλとしたときに円相当径ｄが０．１λ〜１０λとされる。Ａ部材及びＢ部材は、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率を各々ｎａxy及びｎｂxyとし、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率を各々ｎａyx及びｎｂyxとしたときに、ｙ軸方向に進む光についてｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｘ軸方向に進む光についてｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しく構成される。このとき、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光には、Ａ部材の屈折率ｎａxyとＢ部材の屈折率ｎｂxyとが異なることからＢ部材が粒子として見える。
【００１９】
本発明の第１の態様の集光光学素子は、Ａ部材中に分散されたＢ部材の粒子径が入射光の波長λと同程度のオーダーであることから、ミー（Mie）の散乱理論によれば、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光は、Ｂ部材に遭遇するたびに所定角度範囲に散乱され、これを繰り返すことによって＋ｘ側に傾斜して進む光と−ｘ側に傾斜して進む光の割合が多くなる。電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光には、Ａ部材の屈折率ｎａyxとＢ部材の屈折率ｎｂyxとで実質的な屈折率差がないことから、Ｂ部材が粒子として見えず、均質媒質中を伝播するようにＡ部材及びＢ部材を透過して、ｘ軸方向の＋ｘ側または−側に集光される。従って、本発明によれば、ｘ軸方向に幅が広い出射面から出射された光をｘ軸方向に集光して集光効率を高めることができ、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な新たな集光手段を提供することができる。
【００２０】
本発明の第２の態様の集光装置は、集光光学素子を透過した偏光成分の光を再度同一の／または第２の集光光学素子で集光するように構成される。このため、簡明かつコンパクトな構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な集光装置を提供することができる。
【００２１】
本発明の第３の態様の光発電装置は、上記のような集光光学素子または集光装置と、集光された光を光電変換する光電変換素子とを備えて構成される。このため、小型の光電変換素子にパワー密度の高い光を入射させることができ、小型かつ低コストの構成で太陽光等の光エネルギーを高効率に電力変換可能な光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の態様を例示する光発電装置１の外観斜視図である。
【図２】図１中に付記するII−II矢視方向に見た模式的な断面図であり、散乱により光の進行方向が変化していく様子を示す説明図である。
【図３】Ｂ部材が複屈折性を有する場合について、Ａ部材とＢ部材のｘｙ面内における屈折率特性及び両者の関係を表した説明図である。
【図４】第１構成形態の集光光学素子１０における屈折率楕円の関係を示す説明図であり、（ａ）はＢ部材がｘ軸方向に正の複屈折性を有する場合、（ｂ）はＢ部材がｘ軸方向に負の複屈折性を有する場合である。
【図５】第２構成形態の集光光学素子２０における屈折率楕円の関係を示す説明図であり、（ａ）はＢ部材がｙ軸方向に負の複屈折性を有する場合、（ｂ）はＢ部材がｙ軸方向に正の複屈折性を有する場合である。
【図６】第１構成形態の集光光学素子１０における光の入射角と散乱との関係を模式的に示す説明図である。
【図７】粒子径が０．１５μｍの場合の光の散乱分布を例示するグラフである。
【図８】粒子径が０．３μｍの場合の光の散乱分布を例示するグラフである。
【図９】図７及び図８の散乱分布を異なる表示形態で示すグラフである。
【図１０】サイズパラメータを変化させたときの光の散乱分布の変化を示すグラフ群である。
【図１１】サイズパラメータと前方散乱に対する後方散乱の割合との関係を示すグラフである。
【図１２】サイズパラメータと散乱角との関係を示すグラフである。
【図１３】体積を一定としたときのサイズパラメータと散乱係数との関係を示すグラフである。
【図１４】第１実施例における、粒子の屈折率と散乱断面積との関係を示すグラフである。
【図１５】第１実施例における、粒子への入射角と各指標との関係をまとめた表である。
【図１６】第１実施例における、垂直入射した光が散乱段階でどの様な角度分布になるかを計算したシミュレーションデータである。
【図１７】第２実施例における、粒子の屈折率と散乱断面積との関係を示すグラフである。
【図１８】第２実施例における、粒子への入射角と各指標との関係をまとめた表である。
【図１９】第２実施例における、垂直入射した光が散乱段階でどの様な角度分布になるかを計算したシミュレーションデータである。
【図２０】比較例における、粒子への入射角と各指標との関係をまとめた表である。
【図２１】比較例における、垂直入射した光が散乱段階でどの様な角度分布になるかを計算したシミュレーションデータである。
【図２２】第１構成例の集光装置の概要構成図である。
【図２３】第２構成例の集光装置６０の概要構成図である。
【図２４】第３構成例の集光装置７０の概要構成図である。
【図２５】第４構成例の集光装置８０の概要構成図である。
【図２６】集光光学素子からの光エネルギーの取り出し手法を例示する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様を例示する光発電装置１の外観斜視図を図１に、図１中に付記するII−II矢視方向に見た模式的な断面図を図２に示す。なお、説明を明瞭化するため、相互に直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸から成る座標系を規定し、これを図１中に示す。ｙ軸は集光パネル８から集光光学素子１０に入射する光の入射方向、ｘ軸及びｚ軸は集光光学素子１０の入射面１０ａに沿って直交する二軸であり、図２はｘ軸及びｙ軸を含みｚ軸に垂直な面（ｘｙ面）で切断した模式的な断面図に相当する。なお、説明の便宜上から、図１に示す姿勢をもって上下左右ということがあるが、配設姿勢は任意である。
【００２４】
［光発電装置の概要］
装置全体の概要を把握するため、まず第１構成形態の集光光学素子１０を利用した光発電装置１を主たる例として全体概要を説明する。光発電装置１は、上面から厚さ方向（ｚ軸方向）に入射する光を集光し側端の出射面８ａから出射するプレート状の集光パネル８と、出射面８ａに沿って設けられ長辺／短辺の縦横比が大きな出射面８ａから出射された幅広の出射光を長辺が伸びるｘ軸方向（またはｙ軸方向）に集光する集光光学素子１０（２０）と、集光光学素子により集光されて端部に導かれた光を光電変換する光電変換素子５０とを備えて構成される。図示する構成形態は、集光光学素子１０（２０）を棒状ないし帯板状に形成した構成例を示す。光電変換素子５０は、公知の種々の素子を用いることができ、例えば、前述した種々の形態の太陽電池セルを用いて構成することができる。
【００２５】
［集光パネルの概要］
集光パネル８は、上面から厚さ方向（ｚ軸方向）に入射する光をプレート内に閉じ込めてｙ軸方向（及び／またはｘ軸方向）に集光し、側端の出射面８ａから出射するプレート状の集光光学素子であり、例えば、前述した蛍光プレート集光型や分光集光型の集光光学素子、後に詳述する集光光学素子１０（２０）と同様の散乱理論を適用した集光光学素子、あるいはレンズアレイにより一次集光された複数の集束光を側端の出射面に導いて集光する導波路型の集光光学素子などを用いることができる。
【００２６】
［集光光学素子の概要］
集光光学素子１０（２０）は、太陽光を透過するＡ部材１１（２１）と、このＡ部材中に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材１２（２２）とを主体として構成される。Ｂ部材の粒子径は、集光光学素子に入射する光の波長をλとしたときに円相当径ｄが０．１λ〜１０λ程度に設定される。ここで、集光光学素子において集光しようとする光の波長λが幅を有する場合には、Ｂ部材の粒子径ｄは、その波長帯域における最短波長λminの１／１０〜最長波長λmaxの１０倍とすることができる。具体的に、太陽光を集光する場合には、太陽光の放射スペクトルは概ね４００ｎｍ〜１８００ｎｍ程度であり、Ｂ部材の粒子径ｄは、４０ｎｍ〜１．８μｍとすることができる。
【００２７】
Ｂ部材は、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に、全体として（マクロ的に見て）均一に分散されるが、図２ではＢ部材１２による散乱の作用を説明するため、散乱された光の光路上にあるＢ部材１２のみを模式的に示している。なお、Ｂ部材の分布密度は、Ａ部材及びＢ部材の材質や形状寸法、使用条件等に応じて適宜設定される。これについては後に詳述する。
【００２８】
集光光学素子１０（２０）は、Ａ部材とＢ部材１１，１２（２１，２２）の屈折率特性が異なり、かつＡ部材及びＢ部材の少なくともいずれか一方が複屈折性を有している。本明細書においては、Ａ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyx、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａzyとする。同様に、Ｂ部材における、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyx、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂzyとする。
【００２９】
ここで、電界振幅がｘｙ面内の光（図２において電界振幅が紙面に平行な光）について偏光状態をｐ偏光、電界振幅がｚｙ面内の光（図２において電界振幅が紙面に垂直な光）の偏光状態をｓ偏光とすると、電界振幅がｘｙ面内でｙ軸方向に進む光はｙ軸方向に進むｐ偏光の光、電界振幅がｘｙ面内でｘ軸方向に進む光はｘ軸方向に進むｐ偏光の光である。また、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光はｙ軸方向に進むｓ偏光の光である。
【００３０】
このとき、ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しくなるようにＡ部材及びＢ部材が設定される。なお、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しいとは、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ｂ部材により有意な散乱や屈折を受けない屈折率の関係をいい、具体的には、屈折率差が０．０５以下のような場合をいう。
【００３１】
このような集光光学素子１０（２０）では、上方から素子内に入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａxyとｎｂxyとが異なることから、Ｂ部材１２（２２）が粒子として認識される。このとき、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光がＢ部材の存在によりどの様な影響を受けるか、その取扱いは、媒質（Ａ部材）中をｙ軸方向に進むｐ偏光の光の波長（λ／ｎａxy）と媒質中に分散された粒子（Ｂ部材）の粒子径ｄとによって異なったものになる。
【００３２】
具体的には、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長よりも充分小さい場合には、レーリー散乱の理論が適用できる。一方、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長と同程度のオーダーの場合には、ミー散乱の理論が適用できる。また、Ｂ部材の粒子径ｄが、Ａ部材中を伝播する光の波長よりも充分に大きい場合には、幾何光学の理論が適用される。
【００３３】
本実施形態において、Ｂ部材１２（２２）の粒子径ｄは、円相当径で０．１λ〜１０λ程度に設定されており、媒質であるＡ部材中を伝播する光の波長と同程度のオーダーである。そのため、集光光学素子１０（２０）においてＡ部材中を伝播する光とＢ部材との関係は、基本的にミー散乱の理論が適用できる。
【００３４】
但し、集光光学素子１０（２０）においては、Ａ部材及びＢ部材１１，１２（２１，２２）の少なくとも一方が複屈折性を有しており、その複屈折特性や主軸の方位（光線が異常光となる進相軸または遅相軸の方位）、素子内を進む光の偏光方向及び偏光成分との関係に応じて、散乱の発生状況が変化する。
【００３５】
単純化のため、Ａ部材及びＢ部材のいずれか一方が複屈折性を有し、複屈折の主軸（光学軸）が一軸の場合を考える。この場合において、ｎａxyとｎｂxyとが異なり（ｎａxy≠ｎｂxy）、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しくなる（ｎａyx≒ｎｂyx）構成の端的な例を図３に示す。
【００３６】
図３（ａ）（ｂ）は、Ｂ部材が複屈折性を有する場合について、Ａ部材とＢ部材のｘｙ面内における屈折率特性及び両者の関係を表している。図示するように、Ａ部材の屈折率特性３０は方向によらず屈折率が一定（ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy）の屈折率円、Ｂ部材の屈折率特性４０（４１〜４４）は方向によって屈折率が異なる屈折率楕円になっている。図３（ａ）及び（ｂ）に示す屈折率関係は何れもｎａxy≠ｎｂxyであり、Ａ部材の屈折率円３０とＢ部材の屈折率楕円４０とが交わるｙ軸上でｎａyx＝ｎｂyxになっている。
【００３７】
従って、集光光学素子内をｙ軸方向に進むｐ偏光の光はｎａxy≠ｎｂxyによりＢ部材が粒子として認識される。一方、素子内をｘ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａyx＝ｎｂyxであることから、Ｂ部材が粒子として認識されない。
【００３８】
以上は、説明簡明化のため、ｘｙ面における屈折率の関係で説明した。これを三次元的に表した概念図を図４、図５に示す。図４（ａ）は、Ｂ部材がｘ軸方向に正の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも高くなる複屈折性）４１を有する場合、図４（ｂ）は、Ｂ部材がｘ軸方向に負の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも低くなる複屈折性）４２を有する場合の例である。図５（ａ）は、Ｂ部材がｙ軸方向に負の複屈折性４３を有する場合、図５（ｂ）は、Ｂ部材がｙ軸方向に正の複屈折性４４を有する場合の例である。
【００３９】
図４中にハッチングを付して示すものは、Ａ部材及びＢ部材のｚｙ面内の屈折率円である。両図から分かるように、複屈折の主軸がｘ軸方向に配向する場合には、ｎａyxとｎｂyxのみならずｎａzyとｎｂzyも実質的に等しくなり、ｎａyx＝ｎａzy≒ｎｂyx＝ｎｂzyとなる。これは、Ａ部材とＢ部材の屈折率の関係が逆になっても（Ａ部材が複屈折性を有する場合においても）同様である。このように、一軸異方性の複屈折の主軸がｘ軸方向に配向する場合を第１構成形態の集光光学素子１０として説明する。
【００４０】
また、図５中にハッチングを付して示すものは、各々Ａ部材，Ｂ部材のｘｚ面内の屈折率円である。両図から分かるように、複屈折の主軸がｙ軸方向に配向する場合には、屈折率が実質的に等しいのはｎａyxとｎｂyxのみであり、ｎａxy≠ｎｂxy，ｎａzy≠ｎｂzyとなる。Ａ部材とＢ部材の屈折率の関係が逆になっても同様である。このように、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に配向する場合を第２構成形態の集光光学素子２０として説明する。
【００４１】
［第１構成形態の集光光学素子］
第１構成形態の集光光学素子１０においては、集光パネル８から出射し集光光学素子１０に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光にはｎａxy≠ｎｂxyであることからＢ部材１２が媒質（Ａ部材１１）から識別されて粒子として存在する。一方、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光にはｎａyx≒ｎｂyxであることからＢ部材１２が粒子と識別されず、粒子が存在しない状態（均質媒質）と同じになる。
【００４２】
そのため、集光光学素子１０の上方から入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光（ｐ偏光成分）は、屈折率差に基づいて媒質中に粒子として存在するＢ部材１２により散乱されるが、ｘ軸方向に進むｐ偏光の光は、粒子と識別されないＢ部材によって散乱されることなくそのままｘ軸方向に進むことになる。
【００４３】
本発明は、上記のような複屈折性に基づく屈折率差を利用するため、Ｂ部材１２に入射する光の入射角に応じて散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。図６（ａ）〜（ｄ）は、Ｂ部材１２に入射する光の入射角と散乱との関係を模式的に示す説明図である。図示のように、ｙ軸を基準としたＢ部材１２への入射角θが０度のときに屈折率差が最大、散乱断面積が最大となって大きな散乱を受け（ａ）、入射角がθ＝９０度のときに屈折率差が無く散乱断面積が無限小になって散乱を受けない（ｄ）。
【００４４】
Ｂ部材への入射角θが０〜９０度の間にあるときは、当該入射角におけるＡ部材１１とＢ部材１２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する（ｂ）（ｃ）。図６（及び図２）では、散乱により拡散する光を、入射光軸に沿って直進する光と、入射光軸から離れて左右に広がる２本の光とに代表させた３本のベクトルで表しており、入射角θが大きくなるほど散乱効率が低下して左右に広がる散乱光のレートが小さくなること、入射角θが９０度では散乱が生じないことを示している。
【００４５】
このような構成の集光光学素子１０では、図２に示すように、集光光学素子の入射面１０ａから入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光が、Ａ部材（媒質）１１中に粒子として存在するＢ部材１２により散乱を受け、例えば表面付近のＢ部材１２で入射光の４割が散乱される。Ｂ部材１２の側方を通過した光も厚さ方向に分布する次のＢ部材１２で４割が散乱され、段階が進むといずれ散乱を受ける。またＢ部材１２で散乱された光が厚さ方向に分布する次のＢ部材により散乱され、多重散乱される。
【００４６】
その結果、集光光学素子１０にｙ軸に沿って入射した光は、この素子中を進むにつれてｙ軸に平行に進む光の割合が減少し、ｘｙ面で斜めに傾斜した光の割合が増加する。ｘ軸の＋方向または−方向に傾斜した光は、Ｂ部材１２への入射角が大きくなるほど散乱効率が低下して傾斜角の変化は小さくなるが、ｘ軸方向に大きく傾斜した光（図２及び図６において水平に近くなった光）の割合が大きくなる。ｘ軸に沿って進む光はＢ部材１２によって散乱されず、ｘ軸の＋側または−側の側端に向かって進む。
【００４７】
このとき、ｘ軸方向に傾斜した状態で集光光学素子の裏面１０ｂに到達した光の傾斜角が、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角以上になっていれば、集光光学素子１０に入射した光を素子内に閉じ込めることができる。例えば、Ａ部材１１の屈折率を１．６４としたときに、Ａ部材１１と空気層との界面に入射する入射角が３７．６度以上の光は界面で全反射され、集光光学素子１０内に閉じ込められる。集光光学素子の裏面１０ｂで全反射された光は、裏面側から入射面側に進む過程で再びＢ部材１２により散乱され進行方向がｘ軸方向に偏向される。
【００４８】
なお、集光光学素子の裏面１０ｂに、Ａ部材１１と屈折率が異なる保護膜等を形成した場合には、Ａ部材１１と膜との界面において膜の屈折率に応じた光の屈折が生じる。しかしながら、Ａ部材１１と膜との界面及び膜と空気との界面においてスネルの法則が成立するため、裏面に到達した光の傾斜角がＡ部材と空気との界面における全反射角以上になっていれば、少なくとも膜と空気との界面において全反射条件が満たされされ、集光光学素子１０内に閉じ込められる。
【００４９】
また、上記の保護膜等を有する構成において、裏面に到達した光の傾斜角がＡ部材と膜との界面における全反射角以上になっている場合は、Ａ部材と膜との界面において全反射条件が満たされ、裏面に到達した光は膜中に進入することなくＡ部材中へ全反射される。そのため、膜の外側表面が平滑でない等の理由により膜と空気の界面で全反射条件を維持できない場合でも、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光が集光光学素子１０内に閉じ込められｘ軸方向に偏向される。
【００５０】
このため、集光パネル８から出射して集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光は、ほぼ全体がｘ軸方向の正負いずれかの端面に向かうこととなり、このようにして集光された光がｘ軸方向の端部に配設された光電変換素子５０に集光入射される。この場合、集光光学素子に入射してｙ軸方向に進むｓ偏光成分の光は、集光光学素子１０をそのまま透過することになるが、後述する集光装置の構成により、透過した光を効率的に集光することができる。
【００５１】
このような構成よれば、集光パネル８から出射したｘ軸方向に幅広で縦横比が大きな出射面（例えば、縦横比が５０〜５００程度の出射面）から出射した光が、集光光学素子１０によりｘ軸方向に集光されて縦横比が減少され（例えば、集光光学素子１０の出射面における縦横比が１〜１０程度に減少され）、集光効率を大きく向上させることができる。また、このような構成の集光光学素子によれば、屈折率差のないｚ軸方向に散乱が生じないため、この方向への散乱損失を抑止することができる。
【００５２】
［第２構成形態の集光光学素子］
第２構成形態の集光光学素子２０は、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に沿うように配向して分布させた構成である（図５を参照）。このような集光光学素子２０において、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を進む光のうち、ｐ偏光の光については、前述した第１構成形態の集光光学素子１０と同様である。
【００５３】
すなわち、集光光学素子２０に入射してＡ部材２１中を進む光のうち、ｙ軸方向に進むｐ偏光の光について、ｎａxy≠ｎｂxyであることからＢ部材２２が媒質から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中をｘ軸方向に進むｐ偏光の光には、ｎａyx≒ｎｂyxであることから、Ｂ部材２２が粒子として認識されず、粒子が存在しない状態と同じになる。
【００５４】
集光光学素子２０においては、集光光学素子２０に入射してＡ部材中をｙ軸方向に進むｓ偏光の光についても、上記と同様の作用を持つ。集光光学素子２０においては、一軸異方性の複屈折の主軸がｙ軸方向に沿って配向されており、Ａ部材２１とＢ部材２２の屈折率の関係がｙ軸を中心として軸対称になっている。そのため、ｘｙ面と直交するｚｙ面において、上記と同様の作用が生じる。
【００５５】
すなわち、集光光学素子２０に入射してＡ部材中を進む光のうち、電界振幅がｚｙ面内でｙ軸方向に進む光（ｚｙ面においてｙ軸方向に進むｐ偏光の光）について、ｎａzy≠ｎｂzyであることからＢ部材２２が媒質（Ａ部材２１）から識別されて粒子として存在する。また、Ａ部材中を進む光のうち、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光（ｚｙ面においてｚ軸方向に進むｐ偏光の光）には、ｎａyz≒ｎｂyzであることからＢ部材２２が粒子として認識されず、粒子が存在しない状態と同じになる。
【００５６】
そのため、Ａ部材２１中をｙ軸方向に進む光は、ｐ偏光及びｓ偏向の何れについてもＡ部材とＢ部材の屈折率差に基づき媒質中に粒子として存在するＢ部材２２により散乱を受ける。また、Ａ部材中をｘ軸方向またはｚ軸方向に進む光は、粒子と識別されないＢ部材２２によって散乱されることなく、そのままｘ軸方向またはｚ軸方向に進む。Ｂ部材２２の散乱断面積は光の入射角に応じて変化し、その変化が軸対称に生じることを除いて、図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明した状況と同様である。
【００５７】
具体的には、ｙ軸を基準としたＢ部材２２への入射角θが０度のときに屈折率差が最大、散乱断面積が最大となって大きな散乱を受け（図６（ａ）を参照）、入射角がθ＝９０度のときに屈折率差が無く散乱断面積が無限小になって散乱を受けない（図６（ｄ）を参照）。Ｂ部材への入射角θが０〜９０度の間にあるときは、当該入射角におけるＡ部材１１とＢ部材１２との屈折率差に応じた散乱断面積となり散乱効率が変化する（図６（ｂ），（ｃ）を参照）。
【００５８】
このため、集光光学素子２０においては、入射面から入射してｙ軸方向に進む光は、Ａ部材２１中に粒子として存在するＢ部材２２により散乱を受け、厚さ方向に分布する複数のＢ部材２２により多重散乱される。このうち、図２においてｐ偏光（ｐ偏光成分）の光は、素子中を進むにつれてｙ軸に平行に進む光の割合が減少し、ｘｙ面で＋ｘ側または−ｘ側に傾斜した光の割合が増加する。また、図２においてｓ偏光（ｓ偏光成分）の光は、素子中を進むにつれてｙ軸に平行に進む光の割合が減少し、ｚｙ面で＋ｚ側または−ｚ側に傾斜した光の割合が増加する。
【００５９】
傾斜した光の割合は、裏面に向かうほど大きく傾斜した光の割合が増大する。ｘ軸に沿って進むｐ偏光の光はＢ部材２２によって散乱されず、ｘ軸の＋側または−側の端面に向かって進む。ｚ軸に沿って進むｓ偏光の光もＢ部材２２によって散乱されず、ｚ軸の＋側または−側の端面に向かって進む。
【００６０】
このとき、ｘ軸方向またはｚ軸方向に傾斜した光の傾斜角が、Ａ部材１１と空気との界面における全反射角を超えていれば、集光光学素子２０に入射した光が裏面（ｓ偏光の場合には上面または下面）で全反射され集光光学素子２０内に閉じ込められる。集光光学素子２０の裏面で全反射された光は、裏面側から入射面側に進む過程で再びＢ部材２２により散乱され進行方向がｘ軸方向またはｚ軸方向に偏向される。集光光学素子の下面に、Ａ部材２１と屈折率が異なる保護膜等を形成した場合についても、第１構成形態の集光光学素子１０と同様である。
【００６１】
このため、集光パネル８から集光光学素子２０に入射した光は、ｐ偏光成分のほぼ全体がｘ軸方向の前後いずれかの端面に向かうこととなり、このようにして集光された光がｘ軸方向の端部に配設された光電変換素子５０に集光入射される。一方、集光光学素子に入射してｙ軸方向に進むｓ偏光成分の光は、ほぼ全体がｚ軸方向の上下いずれかの端面に向かうことになるが、後述する集光装置の構成により、これらをｐ偏光成分と同様にｘ軸方向に導いて効率的に集光することができる。
【００６２】
このような構成よれば、集光パネル８から出射したｘ軸方向に幅広で縦横比が大きな出射面から出射した光が、集光光学素子２０によりｘ軸方向に集光されて縦横比が減少され、集光効率を大きく向上させることができる。
【００６３】
［サイズパラメータ］
次に、Ａ部材１１，２１及びＢ部材１２，２２の好適な構成形態について、ミーの散乱理論に基づいてより詳細に説明する。なお、ミーの散乱理論そのものについては詳細説明を省略するが、例えば、1995年発売（McGRAW-HILL, INC)の アメリカの光学学会 OSA（OPTICAL SOCIETY OF AMERICA）監修の「HANDBOOK OF OPTICS」VolumeI Chapter６ にミー理論の散乱理論について記載されている。集光光学素子１０，２０では、Ｂ部材の粒子径ｄを入射光の波長λとほぼ同じオーダーの０．１λ〜１０λとすることで散乱を生じさせ、前方散乱を多重的に行わせて光を側方に導いている。このとき、後方散乱（損失）を抑制して前方散乱を支配的とし、また一定の厚さ内で効率的に集光することが望まれる。ミーの散乱理論では、その指標としてサイズパラメータαを用いる。
【００６４】
サイズパラメータαは、一般的に、下記（１）式で規定される。
α＝（π×ｄ）／（λ／ｎ）＝（π×ｄ×ｎ）／λ・・・・・・・（１）
ここで、ｄは粒子径（直径）であり、本明細書においては、Ｂ部材の粒子径を、日本工業規格JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」における顕微鏡法による円相当径とし、頻度分布が最大の最頻粒子径（モード径）で規定している。また（λ／ｎ）は媒質中を進む光の波長であり、ｎは媒質（Ａ部材）の屈折率である。例示する集光光学素子１０，２０において、Ａ部材１１は複屈折性を有しておらず、媒質の屈折率はｎ＝ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzyで一定である。
【００６５】
図７及び図８は、ミー散乱の理論に基づいてシュミレーションしたデータであり、円の中心に配設された粒子により左方から入射した光が散乱される様子（散乱光の分布）を、前方０度方向の大きさで規格化して示している。円の中心から右側の半円が前方、左側が後方であり、点線は３０度ごとの方位角を示す。両図における粒子、媒質（媒体）、入射光の共通条件は下記のとおりである。
・粒子の屈折率ｎｂxy：１．８８
・媒質の屈折率ｎａxy：１．６４
・入射光の波長 λ：６３３ｎｍ
【００６６】
図７と図８で相違する条件は粒子径ｄであり、図７は粒子径ｄ＝０．１５μｍ、図８は粒子径ｄ＝０．３μｍである。これらの値を（１）式に代入してサイズパラメータαを求めると、
・図７の例のサイズパラメータα：１．２２
・図８の例のサイズパラメータα：２．４４
となる。図９は、図７の散乱分布と図８の散乱分布を、横軸が入射方向を０度とする左右１８０度の角度とし、縦軸が分布の割合として描きなおしたものである。
【００６７】
図７〜図９から、サイズパラメータαが１．２２の場合（図７）と２．４４の場合（図８）とで散乱光の分布形態が大きく異なること、サイズパラメータα＝１．２２の場合には散乱角度が前方及び後方に広く分布し前方散乱も分散が大きいのに対し、サイズパラメータα＝２．４４の場合には殆ど後方散乱が見られず前方散乱の分散も小さいことなどが分かる。
【００６８】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、上記共通条件のもとでサイズパラメータαを変化させた場合（すなわち粒子径ｄを変化させた場合）の散乱光の分布を規格化せずに示したものであり、（ａ）α＝１．０、（ｂ）α＝１．５、（ｃ）α＝２．０、（ｄ）α＝２．５である。図１１は、上記共通条件のもとでサイズパラメータαを変化させたときの、前方０度方向への散乱割合に対する後方１８０度方向への散乱割合をプロットしたものである。
【００６９】
図１０及び図１１から、サイズパラメータαが１．５以上のときに前方散乱が略９割以上となり、前方散乱が支配的になる。またサイズパラメータαが２以上になると、前方散乱に対する後方散乱の割合がほぼ０になる。
【００７０】
但し、サイズパラメータαが大きくなると０度方向への前方散乱の割合が増加するが、散乱角度が小さく（狭く）なる。このことは、集光光学素子１０，２０を製作する際の複屈折体の配向精度や、集光光学素子の裏面側に達した光が全反射条件を満たすようにするための厚さ方向（ｙ軸方向）寸法に影響を及ぼす。つまりサイズパラメータαは所定以上大きければ大きいほど良いわけではなく、実用上の見地から一定の範囲であることが必要となる。
【００７１】
図１２は、前記共通条件のもとで、サイズパラメータαと散乱角との関係を示したグラフである。複屈折体（Ａ部材またはＢ部材）の製作角度精度は１〜２度程度が一般的であり、粒子による散乱角はこれを超える角度であることが必要となる。図１２から、現状での一般的な製作角度精度に基づくサイズパラメータαの上限は５０前後である。
【００７２】
次に、前記共通条件のもとで、集光光学素子の体積、及び集光光学素子に占める粒子の充填率を一定（π／６）とした場合のサイズパラメータαと散乱係数との関係を図１３に示す。図において、散乱係数が大きいほど集光光学素子の厚さを低減することができ、複屈折材料が少なくて済む。この点から粒子の充填率が一定の場合には、サイズパラメータα＝１０前後において散乱係数が最大になる。散乱係数は最大値の１／５（２０％）以上であることが好ましく、この場合サイズパラメータαの上限はα＝４０程度となる。
【００７３】
また、製造精度の観点から見ると、一般的な製作精度の２倍以上となる５度を確保可能なサイズパラメータはα＝２０以下であることが好ましい（図１２）。また総体積を一定とした場合の散乱係数の面からも散乱効率がピーク値の１／４以上であるサイズパラメータα＝２０以下であることが好ましい（図１３）。
【００７４】
他方、粒子径についてみると、集光光学素子の厚さを考慮した場合、厚さは１０ｍｍ程度以内にすることが望ましい。この場合において入射面から入射した光が裏面側に到達するまでに５００回散乱されるためには粒子間隔が２０μｍ以内である必要があり、このときの最大粒子径は２０μｍとなる。粒子の体積充填率を５％以内とする場合には、粒子径は１０μｍ以内であることが好ましい。なお、前記共通条件において粒子径をｄ＝１０μｍとしたときのサイズパラメータはα≒８０であり、粒子径をｄ＝１０μｍとし入射光の波長λを１．３μｍとしたときのサイズパラメータはα≒４０である。
【００７５】
以上を総合すると、Ａ部材及びＢ部材からなる集光光学素子において、サイズパラメータは１．５≦α≦４０であることが好ましく、２≦α≦２０であることがより好ましい。また、Ｂ部材の粒子径ｄは２０μｍ以下であることが好ましく、ｄ≦１０μｍであることがより好ましい。
【００７６】
以下、前述した第１構成形態の集光光学素子１０、第２構成形態の集光光学素子２０について、具体的な実施例を説明する。なお、集光光学素子１０の適用例を第１実施例、集光光学素子２０の適用例を第２実施例とし、Ａ部材及びＢ部材が何れも複屈折性を有しない構成を比較例として説明する。
【００７７】
［第１実施例］
第１実施例は、既述した第１構成形態の集光光学素子１０において、Ａ部材１１及びＢ部材１２の条件として下記を適用した。
・Ａ部材の屈折率 ：ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．６４
・Ｂ部材の屈折率 ：ｎｂxy＝１．８８
ｎｂyx＝ｎｂzy＝１．６４
・Ｂ部材の粒子径 ：ｄ＝１．０μｍ（延伸後の粒子径）
・Ｂ部材の分布密度：０．１個／μｍ3
入射光の波長λを６３３ｎｍとしたときのサイズパラメータはα＝８．１４である。本実施例は、第１構成形態の集光光学素子２０において、Ｂ部材がｘ軸方向に正の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも高くなる複屈折性）を有する場合に相当する。
【００７８】
上記の条件は、Ａ部材１１としてナフタレート７０／テレフタレート３０のコポリエステル（coＰＥＮ）のモノマー、Ｂ部材１２としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）の粒を用いて、Ａ部材１１中にＢ部材１２を均一分散させたシートを作成し、このシートをｘ軸方向に一軸延伸して集光光学素子１０を作成した場合に相当する。このとき、Ａ部材１１（coＰＥＮ）は複屈折性を持たず、何れの方向に進む光についても屈折率が一定でｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．６４程度となる。一方、Ｂ部材１２は延伸方向（ｘ軸方向）と他の方向とで屈折率が異なり、偏光面が延伸方向に沿った光に対して１．８８程度、他の方向について１．６４程度となる。なお、散乱理論からＢ部材は球形でなくても良く、本実施例では、延伸後のＢ部材（粒子）の円相当径を上記条件として適用した。
【００７９】
ここで、Ｂ部材１２は、複屈折の主軸がｘ軸方向に配向した一軸異方性の複屈折体であることから、Ｂ部材に入射するｐ偏光の光はｘｙ面内の入射角度によってＢ部材１２の屈折率が変化し、Ａ部材１１との屈折率差が変化する。そのため、ミーの散乱理論における散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。具体的には、ｙ軸を基準（０度）とした入射角θが増加するにつれて散乱断面積が減少する。
【００８０】
図１４は、横軸にＢ部材（粒子）１２の屈折率、縦軸に散乱断面積をとり、Ｂ部材への入射角変化に伴う屈折率変化により散乱断面積がどのように変化するかを示したものである。図において、左上端の黒塗り四角のプロットはＢ部材１２への入射角がθ＝０度（入射面に垂直入射）、右下端の黒塗り四角のプロットはＢ部材１２への入射角がθ＝９０度（水平入射）であり、入射角１０度ごとの計算値をプロットしている。この図１４から、Ｂ部材１２の屈折率が大きい（Ａ部材との屈折率差が大きい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化にほぼ比例して散乱断面積が変化すること、Ｂ部材１２の屈折率が小さい（Ａ部材との屈折率差が小さい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化に対する散乱断面積の変化が小さいことが分かる。
【００８１】
図１５は、上記の散乱断面積やＢ部材の分布密度を考慮した散乱確率などの指標が、Ｂ部材への入射角度によってどのように変化するかをまとめた表である。表中の粒子への入射角度は、ｘｙ面においてｙ軸を基準（０度）としｘ軸方向を９０度としたＢ部材への光の入射角θである。散乱効率は、ミーの散乱理論により求められる散乱断面積をＢ部材の幾何学的面積（πｄ2／４）で除した値である。また、散乱係数は、散乱断面積にＢ部材の密度（単位体積に含まれる粒子の数）を乗じた値、散乱確率は、散乱断面積にＢ部材の密度の三分の二乗を乗じた値である。
【００８２】
このように構成された集光光学素子１０では、入射面１０ａから入射して厚さ方向に進むｐ偏光の光が、媒質（Ａ部材１１）中に粒子として存在するＢ部材１２によりミー散乱を受ける。Ｂ部材１２の粒子径が１μｍ、粒子密度が０．１個／μｍ3では、表面付近の最初の段階で入射光の約４割が散乱され、６割は散乱されずに直進する。直進した光も厚さ方向に分布する次の段階のＢ部材１２で４割が散乱され、段階が進むといずれ散乱を受ける。散乱を受けた光はｙ軸に対して角度が付き、斜めに傾斜した光になる。
【００８３】
斜めに傾斜した光は、次の段階では一部がより斜め（入射角θが増加する方向）に曲げられ、他の一部は元に戻る方向（入射角θが減少する方向）に曲げられ、残りは入射角が変化せずにそのまま進む光になる（図２を参照）。但し、斜めに傾斜した光は入射角が大きくなるほど（図２において水平に近くなるほど）散乱確率が減少する。これは、媒質（Ａ部材１１）と粒子（Ｂ部材１２）との屈折率差が小さくなり、散乱断面積が急激に減少するからである（図１４及び図１５を参照）。そのため、入射角度の大きい光については散乱を受ける割合が減少し、元の垂直方向に戻る割合も減少する。
【００８４】
媒質中を進む光の傾斜角度（入射角θ）が９０度近くになると、粒子の屈折率ｎｂyxが媒質の屈折率ｎａyxとほぼ同じになり、散乱確率が無視できるほど小さくなる。そのため、数多くの段階が進むことにより、光は９０度方向つまりｘ軸に沿った＋側または−側に向かい、面方向に閉じ込められる。
【００８５】
なお、９０度方向まで傾斜せず、集光光学素子の裏面１０ｂに到達した光でも、傾斜角が媒質と空気との界面における全反射角以上になっていれば、媒質中の光は面内に閉じ込められる。本実施例においては、Ａ部材１１と空気層との界面に入射する光の入射角が３７．６度以上であれば光は界面で全反射される。全反射された光は入射面１０ａに向けて媒質中を進む過程で再びＢ部材１２に多重散乱され、最終的に９０度方向つまりｘ軸に沿った＋側または−側に集光される（図２２〜図２５を参照）。
【００８６】
従って、最も裏面側に分散されたＢ部材１２の層を通って裏面に向かう光が、裏面１０ｂにおいて全反射されるようにＡ部材１１及びＢ部材１２を設定すれば、集光光学素子１０に入射したｐ偏光成分の光全てを＋ｘ方向の端部に向けて集光することができる。このような構成によれば、集光光学素子１０を薄く構成することができる。
【００８７】
そこで、集光光学素子１０に入射した光が、散乱によりどの様な角度分布に変化してゆくのかを図１５に示した指標を用いて計算したシミュレーションデータを図１６に示す。図１６において、横軸はｘｙ面において集光光学素子の入射面１０ａに垂直入射した光の角度を０度としｘ軸方向を±９０度とした光の角度（粒子への入射角度）、縦軸は各角度方向に配向した光の割合（百分率、％）である。図中に四角、丸、三角等で示すパラメータは、粒子（Ｂ部材１２）による散乱の段階数であり、２n回ごとにプロットしている。
【００８８】
このシミュレーションデータから、粒子による散乱の段階が進むにつれ、入射面１０ａに垂直入射した光がｘ軸の＋方向と−方向とに傾斜していく様子が明確に把握できる。このデータを詳細に見ると、粒子による散乱の段階が１６段階程度までは、０度方向の光が減少し角度分布の幅が広がっていく様子が分かる。但し、この初期過程では、割合として０度方向の光が最も多く、１ピークの山形の分布である。ところが、３２段階ではピークがほとんどない平坦な分布になり、６４段階，１２８段階では中央がへこんだ緩い凹状の分布に変化する。２５６段階以降では左右対称な２ピークが明確になり、５１２段階では−２０〜２０度の光がほとんど見られなくなる。そして、１０２４段階以降ではピーク値をとる角度の変化が小さくなって概略±８０度付近に強いピークを有するようになり、−４０〜４０度の角度範囲の光が略ゼロになっている。
【００８９】
このデータから、粒子による散乱が１０００段階程度まで進むと、素子内を伝播する光の角度は大半が４０度以上または−４０度以下になり、Ａ部材１１と空気層との界面の全反射角を超える。従って、Ａ部材１１に垂直入射した光がＢ部材１２により１０００段階以上多重散乱されるように集光光学素子１０を構成することにより、入射光を集光光学素子１０内に閉じ込め、ｘ軸方向の端部に設けた光電変換素子５０に集光入射させることができる。
【００９０】
［第２実施例］
第２実施例は、既述した第２構成形態の集光光学素子２０において、Ａ部材２１及びＢ部材２２の条件として下記を適用した。
・Ａ部材の屈折率 ：ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．４９
・Ｂ部材の屈折率 ：ｎｂxy＝１．４９
ｎｂyx＝ｎｂzy＝１．６６
・Ｂ部材の粒子径 ：ｄ＝１．０μｍ
・Ｂ部材の分布密度：０．１個／μｍ3
入射光の波長λを６３３ｎｍとしたときのサイズパラメータはα＝７．４０である。本実施例は、第２構成形態の集光光学素子２０において、Ｂ部材がｙ軸方向に負の複屈折性（異常光の屈折率が常光の屈折率よりも低くなる複屈折性）を有する場合に相当する。
【００９１】
上記の条件は、Ａ部材２１として硬化後の屈折率が１．４９となるように調整した熱硬化性ポリマー、Ｂ部材２２として円相当径１μｍの方解石の粒子を用い、Ａ部材２１にＢ部材２２を均一分散させた溶液を平板状の型に流し込み、型の上下に３ｋＶ／ｍｍの電圧を印加しつつ加熱硬化させて集光光学素子２０を作成した場合に相当する。このとき、Ａ部材２１（硬化後のポリマー）は複屈折性を持たず、何れの方向に進む光についても屈折率が一定でｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．４９程度となる。一方、Ｂ部材２２は電圧の印加方向（ｙ軸方向）に誘電率の異常軸が揃って他の方向と屈折率が異なり、偏光面が電圧の印加方向に沿った光に対して１．４９程度、他の方向について１．６６程度となる。
【００９２】
Ｂ部材２２は、複屈折の主軸がｙ軸方向に配向した一軸異方性の複屈折体であることから、Ｂ部材に入射する光の入射角度によってＢ部材２２の屈折率が変化し、Ａ部材２１との屈折率差が変化する。そのため、ミーの散乱理論における散乱断面積が変化し、散乱効率が変化する。ｘｙ面について考慮すると、ｙ軸を基準（０度）とした入射角θが増加するにつれて散乱断面積が減少する。
【００９３】
図１７は、横軸にＢ部材（粒子）２２の屈折率、縦軸に散乱断面積をとり、ｘｙ面内におけるＢ部材への入射角変化に伴う屈折率変化により散乱断面積がどのように変化するかを示したものである。図において、左上端の黒塗り四角のプロットがＢ部材２２への入射角がθ＝０度（入射面に垂直入射）、右下端の黒塗り四角のプロットがＢ部材２２への入射角がθ＝９０度（水平入射）であり、入射角１０度ごとの計算値をプロットしている。この図１７から、Ｂ部材２２の屈折率が大きい（Ａ部材との屈折率差が大きい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化にほぼ比例して散乱断面積が変化すること、Ｂ部材２２の屈折率が小さい（Ａ部材との屈折率差が小さい）領域では、Ｂ部材の屈折率変化に対する散乱断面積の変化が小さいことが分かる。
【００９４】
図１８は、上記散乱断面積やＢ部材の分布密度を考慮した散乱確率などの指標が、Ｂ部材への入射角度によってどのように変化するかをまとめた表である。表中の粒子への入射角度は、ｘｙ面においてｙ軸を０度としｘ軸方向を９０度としたＢ部材への光の入射角θである。散乱効率、散乱係数、散乱確率の各指標は、第１実施例の図１５と同様である。
【００９５】
集光光学素子２０では、入射面から入射してｙ軸方向に進むｐ偏光の光は、媒質中に粒子として存在するＢ部材２２によりミー散乱を受ける。Ｂ部材２２の粒子径が１μｍ、粒子密度が０．１個／μｍ3では、散乱過程の概要は第１実施例と同様であり、表面付近の最初の段階で入射光の約４割、次段で４割が散乱され、段階が進むにつれて散乱を受ける。散乱を受けた光はｙ軸に対して傾斜した光となり、徐々に傾斜角が増加してゆく。
【００９６】
図１６と同様に、集光光学素子２０に入射した光が、散乱によりどの様な角度分布に変化してゆくのか計算したシミュレーションデータを図１９に示す。図１９において、横軸はｘｙ面において集光光学素子２０の入射面に垂直入射した光の角度を０度としｘ軸方向を±９０度とした光の角度（粒子への入射角度）、縦軸は各角度方向に配向した光の割合（百分率、％）である。図中に四角、丸、三角等で示すパラメータは、粒子（Ｂ部材２２）による散乱の段階数であり、２n回ごとにプロットしている。
【００９７】
シミュレーションデータから、粒子による散乱の段階が進むにつれて、入射面に垂直入射した光がｘ軸の＋方向と−方向とに傾斜していく様子が把握でき、この基本的な傾向は第１実施例と同様である。データを詳細に見ると、粒子による散乱の段階が３２段階程度まで、０度方向の光が減少し角度分布の幅が広がっていく。この初期過程では、割合として０度方向の光が最も多い１ピークの山形の分布である。ピークがほとんどない平坦な分布になるのは６４段階で、１２８，２５６段階で中央がへこんだ緩い凹状の分布に変化する。５１２段階以降で左右対称な２ピークが明確になり、１０２４段階程度で−２０〜２０度の光がほとんど見られなくなる。そして、２０４８段階以降でピーク値をとる角度の変化が小さくなって概略±８０度付近に強いピークを有するようになり、−４０〜４０度の角度範囲の光が略ゼロになっている。
【００９８】
このデータから、粒子による散乱が２０００段階程度まで進むと、素子内を伝播する光の角度は大半が４０度以上または−４０度以下になり、Ａ部材２１と空気層との界面の全反射角を超える。従って、Ａ部材２１に垂直入射した光がＢ部材２２により２０００段階以上多重散乱されるように集光光学素子２０を構成することにより、入射光を集光光学素子２０内に閉じ込め、ｘ軸方向の端部に設けた光電変換素子５０に集光入射させることができる。垂直ではなく斜め入射の光は本例の垂直入射に比べて少ない段数で閉じ込められるようになる。
【００９９】
［比較例］
比較例として、何れも複屈折性を有しないＡ部材及びＢ部材で構成した場合について、同様のシミュレーションを行った。Ａ部材及びＢ部材の条件として下記を適用した。
・Ａ部材の屈折率 ：ｎａxy＝ｎａyx＝ｎａzy＝１．４９
・Ｂ部材の屈折率 ：ｎｂxy＝ｎｂyx＝ｎｂzy＝１．６６
・Ｂ部材の粒子径 ：ｄ＝１．０μｍ
・Ｂ部材の分布密度：０．１個／μｍ3
入射光の波長λを６３３ｎｍとしたときのサイズパラメータはα＝７．４０である。
【０１００】
図２０は、図１５及び図１８と同様に、散乱断面積や散乱確率などの指標がＢ部材への入射角度によってどのように変化するかをまとめた表である。また図２１が、図１６及び図１９と同様に、集光光学素子に垂直入射した光が、散乱によりどの様な角度分布に変化してゆくのか計算したシミュレーションデータである。
【０１０１】
図２１のシミュレーションデータから、粒子による散乱の段階が進むにつれて、垂直入射した光が散乱されていく様子が把握できる。また図１６及び図１９と対比することにより、実施例１及び２と散乱過程が明らかに異なっていることが把握される。
【０１０２】
すなわち、実施例１及び実施例２においては、垂直入射した光が散乱によってｘ軸の＋方向と−方向に傾斜して行き、所定段階を経ることによって明確な２つのピークとなって表れていたが、この比較例においてそのような傾向は全く見られない。
【０１０３】
データを詳細に見ると、粒子の散乱により０度方向の光が減少して角度分布の幅が広がっていく初期段階の傾向は実施例１及び実施例２と近似する。しかし、比較例においては散乱段階が増えてもこの傾向が変化せずブロードに拡がってゆくことに加え、９０度を超えて９０〜１８０度方向に進む光、すなわち入射方向に戻る光の割合が散乱段階の増加とともに増大している。これは素子に入射した光が媒質中の粒子により散乱され単純に拡散していく状況に他ならない。入射と反対側の表面に光が達したときには全反射角より小さな光線は全て外部に抜け出てしまう。これが繰り返し行われると、内部に閉じ込められる光はなくなってくる。
【０１０４】
従って、仮にＡ部材及びＢ部材の平均的な屈折率やＢ部材の粒子径、Ｂ部材の分布密度等を実施例と同一とし、ミー散乱のサイズパラメータを同一にしたとしても、比較例では入射光を素子内に閉じ込めることができず、素子の端部に設けた光電変換素子に効率的に集光入射させることが困難であることが容易に理解される。
【０１０５】
以上の説明では、Ａ部材が複屈折性を持たず、Ｂ部材が正または負の複屈折性を有する場合について説明したが、逆であっても良く、Ａ部材及びＢ部材の両方が複屈折性を有していても良い。また、説明簡明化のため、波長λが一定の場合を例示したが、波長λが幅を有する場合には、Ｂ部材の粒子径ｄを集光する光の波長帯域に応じて適宜設定することができる。具体的には、太陽光の放射スペクトルに合わせて４００〜１８００ｎｍの範囲とし、あるいは放射スペクトルの強度が高い４００〜８００ｎｍの範囲とし、または次述する光発電装置における光電変換素子５０の変換効率が高い範囲などとすることができる。この場合において、Ｂ部材の粒子径ｄを波長帯域の中心や重心等に合わせて設定することができる他、波長帯域を複数に分割して各分割帯域に合わせた粒子径ｄ１，ｄ２，ｄ３として（すなわち粒子径が異なる複数のＢ部材の混合体として）設定することも可能である。
【０１０６】
次に、以上説明したような集光光学素子を用いた集光装置について、集光光学素子１０を用いた場合を代表例とし、図２２〜２５を参照して説明する。なお、各図では、電界振幅が紙面に平行なｐ偏光の光を両端矢印の符号、電界振幅が紙面に垂直なｓ偏光の光を中心にドットを有する丸印の符号で示している。
【０１０７】
［集光装置及び光発電装置の構成例１］
既述したように、第１構成形態の集光光学素子１０は、Ａ部材１１及びＢ部材１２の屈折率がｙ軸方向に進むｐ偏光の光に対して異なり、ｙ軸方向に進むｓ偏光の光及びｘ軸方向に進む光について実質的に等しくなるように構成される。
【０１０８】
そのため、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光の直線偏光である場合、図２２に示すように、集光光学素子１０に入射した光は、いずれもＢ部材により散乱を受けて進行方向（光ベクトル）が＋ｘ側または−ｘ側に配向しｘ軸方向の端部に集光される。そのため、集光光学素子１０単体で、集光パネルの出射面８ａから出射した入射光の全量をｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。そして、ｘ軸方向の端部に光電変換素子５０を設けることにより、極めて簡明かつローコストな構成で、図１に示す光発電装置１を構成することができる。
【０１０９】
［集光装置及び光発電装置の構成例２］
また、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｓ偏光の直線偏光である場合（例えば、集光パネル８が集光光学素子１０，２０と同様のＡ部材及びＢ部材により構成される場合）には、図２３に示す集光装置６０が適用できる。
【０１１０】
集光装置６０は、集光光学素子１０と、集光パネルの出射面８ａと集光光学素子の入射面１０ａとの間に配設された偏光面回転素子６５とにより構成される。偏光面回転素子６５は、透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子である。このような機能を有する偏光面回転素子として、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回の透過でｓ偏光をｐ偏光に変換する、広帯域の１／２波長板が好適に用いられる。
【０１１１】
このような構成の集光装置６０では、集光パネルの出射面８ａから出射したｓ偏光の光が偏光面回転素子６５を透過することによりｐ偏光に変換されて集光光学素子１０に入射する。そのため、集光光学素子１０に入射した光はいずれもＢ部材により散乱を受けて進行方向が＋ｘ側または−ｘ側に配向しｘ軸方向の端部に集光される。これにより、一対の集光光学素子１０と偏光面回転素子６５とから成る簡明な構成で、集光パネルの出射面８ａから出射した入射光の全量をｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。そして、ｘ軸方向の端部に光電変換素子５０を設けることにより、簡明かつローコストな構成で光発電装置２を構成することができる。
【０１１２】
［集光装置及び光発電装置の構成例３］
集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光及びｓ偏光の両者からなる場合（例えば、直交二方向の偏光成分からなる光のほか、ｐ偏光成分及びｓ偏光成分からなるランダム偏光や楕円偏光、円偏光等の場合）、第１構成例及び第２構成例の集光装置では、集光光学素子１０に入射するｓ偏光成分の光がｘ軸方向に集光されず、集光光学素子１０の裏面側に出射する。第３、第４構成例の集光装置７０，８０は、入射光の偏光組成にかかわらず集光光学素子１０に入射する光全てを集光し得るように構成される。
【０１１３】
第３構成例の集光装置７０は、図２４に示すように、集光光学素子１０と、この集光光学素子１０の裏面側に裏面１０ａに沿って設けられた反射鏡７２と、集光光学素子１０と反射鏡７２との間に設けられた偏光面回転素子７５とを備えて構成される。偏光面回転素子７５は、二回度透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子である。このような機能を有する偏光面回転素子として、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回目の透過でｓ偏光を円偏光に変換し、二回目の透過で円偏光をｐ偏光に変換する、広帯域の１／４波長板が好適に用いられる。
【０１１４】
このような構成の集光装置７０では、入射面１０ａから入射した光のうち、ｐ偏光成分の光はＢ部材により散乱されて進行方向がｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側に配向しｘ軸方向の端部に集光される。一方、入射面１０ａから厚さ方向に入射した光のうち、ｓ偏光成分の光は、Ｂ部材によって散乱されることなく集光光学素子１０を透過して裏面１０ｂから出射する。
【０１１５】
集光光学素子１０の裏面側に出射したｓ偏光成分の光は、偏光面回転素子７５を透過して反射鏡７２により反射され、再び偏光面回転素子７５を透過して、集光光学素子の裏面１０ｂから再び集光光学素子１０に入射する。このとき、集光光学素子１０に再入射する光は、偏光面回転素子７５を二度透過していることから、偏光面が９０度回転されてｐ偏光成分の光になっている。そのため、裏面１０ｂから再入射して厚さ方向に進むｐ偏光成分の光は、集光光学素子１０の裏面で全反射されたｐ偏光成分の光と同様に、裏面側から入射面側に向けて進む過程でＢ部材により散乱され、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の側端部に集光される。
【０１１６】
従って、このような構成の集光装置７０によれば、一組の集光光学素子１０と偏光面回転素子７５と反射鏡７２とから成る簡明な構成で、集光パネルの出射面８ａから出射した入射光の全量をｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。そして、ｘ軸方向の端部に光電変換素子５０を設けることにより、比較的簡明かつローコストな構成で光発電装置３を構成することができる。
【０１１７】
［集光装置及び光発電装置の構成例４］
第４構成例の集光装置８０は、図２５に示すように、第１の集光光学素子１０1と、その裏面側に設けられた第２の集光光学素子１０2と、これらの集光光学素子１０1，１０2の間に設けられた偏光面回転素子８５とからなり、第１の集光光学素子１０1のｘ軸方向と第２の集光光学素子１０2のｘ軸方向とが平行になるように配設される。偏光面回転素子８５は、既述した偏光面回転素子６５と同様に透過した光の偏光面を９０度回転させる光学素子であり、例えば、太陽光の波長帯域の光について、一回の透過でｓ偏光をｐ偏光に変換する広帯域の１／２波長板が好適に用いられる。
【０１１８】
このような構成の集光装置８０では、第１の集光光学素子１０1の入射面側から厚さ方向に入射した光のうち、ｐ偏光成分の光は、第１の集光光学素子１０1に均一分散されたＢ部材１２により散乱されて進行方向が＋ｘ側または−ｘ側に配向し、ｘ軸方向の端部に集光される。一方、第１の集光光学素子１０1を透過したｓ偏光成分の光は第１の集光光学素子１０1の裏面側から出射され偏光面回転素子８５に入射する。
【０１１９】
偏光面回転素子８５に入射したｓ偏光成分の光は、この偏光面回転素子８５を透過する過程で偏光面が９０度回転され、ｐ偏光成分の光となって偏光面回転素子８５から出射する。そのため、第２の集光光学素子１０2には、偏光面が回転されてｐ偏光成分になった光が入射し、この第２の集光光学素子１０2に均一分散されたＢ部材１２により散乱されてｘ軸方向の端部に集光される。
【０１２０】
従って、このような構成の集光装置８０によれば、２本の集光光学素子１０と偏光面回転素子８５を重ねて配設する比較的簡明な構成で、集光パネル８から出射した光全てをｘ軸方向に集光する集光装置を構成することができる。また、集光光学素子１０1，１０2の各々の端部に集光された光を光電変換する光電変換素子５０を設けることにより、比較的簡明な構成で光発電装置４を構成することができる。
【０１２１】
以上では、集光光学素子を用いた集光装置について、集光光学素子１０を用いた場合を例として説明したが、集光光学素子２０を用いた場合も、同様の手法を用いて集光装置を構成することができる。まず、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光の直線偏光である場合、または集光パネルの出射面８ａから出射する光がｓ偏光の直線偏光である場合には、図２２，図２３を参照して説明した第１，第２構成例の集光装置と同じである。
【０１２２】
一方、集光パネルの出射面８ａから出射する光がｐ偏光及びｓ偏光の両者からなる場合、第２構成形態の集光光学素子２０においては、入射面から厚さ方向に入射するｓ偏光成分の光が集光光学素子２０の＋ｚ方向の面（上面とする）または−ｚ方向の面（下面とする）から出射する。集光光学素子２０の上面または下面から出射する光は、電界振幅がｚｙ面内でｚ軸方向に進む光であり、そのままでは光の進行方向をｘ軸方向に偏向することができない。
【０１２３】
この場合、例えば、第３構成例の集光装置７０と同様に、ｓ偏光成分光の出射面（例えば上面）に沿って偏光面回転素子（７５）と反射鏡（７２）とを設け、集光光学素子２０の上面から出射した光の偏光面９０度回転させて集光光学素子２０に再入射させることにより、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の側端部に集光することができる。
【０１２４】
また、第３構成例の集光装置８０と同様に、ｓ偏光成分光の出射面（例えば上面）に沿って偏光面回転素子（８５）と第２の集光光学素子１０（または２０）を設け、集光光学素子２０の上面から出射した光の偏光面９０度回転させて第２の集光光学素子１０に入射させることにより、ｘ軸方向の＋ｘ側または−ｘ側の側端部に集光することができる。
【０１２５】
［集光光学素子の端部における光エネルギーの取り出し手法］
次に、以上説明した集光光学素子１０，２０において、ｘ軸方向に集光される光のエネルギー取り出し手法について、幾つかの代表的な概念を例示する図２６(ａ)〜(ｅ)を参照しながら簡明に説明する。
【０１２６】
(ａ)及び（ｂ）は、集光光学素子１０，２０において、＋ｘ側及び−ｘ側のいずれか一方の端部（例えば−ｘ側の端部）に光を反射する反射手段を設け、入射光をｘ軸方向の他方の端部（例えば＋ｘ側の端部）に集光する構成例を示す。このうち、(ａ)は、集光光学素子１０，２０の−ｘ側の端面にミラー９１を設け、あるいは反射膜を形成して、−ｘ方向に伝播する光を＋ｘ方向に折り返して集光する構成例である。（ｂ）は、集光光学素子１０，２０の−ｘ側の端部にプリズム状の折り返し部９２を形成し、あるいは−ｘ側の端面に対峙して直角プリズムを設けて、−ｘ方向に伝播する光を＋ｘ方向に折り返して集光する構成例である。このような構成によれば、集光光学素子１０，２０による集光率（取り出される光のパワー密度）を倍増することができる。
【０１２７】
(ｃ)は、端部に集光された光を、電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換して利用する場合の構成例である。本構成は、光電変換素子５０を集光光学素子１０，２０の集光端に結合し、電気エネルギーとして取り出す構成例を示す。なお、集光された光を熱エネルギーとして取り出す場合には、光熱変換手段として光吸収体付きのヒートパイプ等が例示される。
【０１２８】
(ｄ)は、端部に集光された光を、さらに集光率を高めて取り出す場合の構成例である。本構成の集光光学素子１０，２０は、集光側の端部近傍領域でｘ軸方向寸法及びｙ軸方向寸法の少なくともいずれかが徐々に小さくなるように（すなわち端部の開口面積が小さくなるように）構成されており、ｘ軸方向に集光された光が、出射端部でさらに集光率が高くなるようになっている。これにより、集光した光を光電変換素子５０やヒートパイプに入射させる場合のパワー密度をさらに高めることができる。
【０１２９】
（ｅ）は、集光光学素子１０，２０の端部に、カプラ９５を介して光ファイバー９６を接続した構成例を示す。カプラ９５は、例えば円錐台形状の光学部材で作製される。これにより、集光光学素子１０，２０で集光された光を集光パネル８から離れた適宜な場所で利用することができる。例えば、光電変換素子５０を当該光電変換素子の過熱を防止する冷却装置を備えたユニットボックス内に設置し、このユニットボックス内に光ファイバー９６を介して集光光学素子１０，２０により集光された光を伝送するように構成することができる。同様に、集光光学素子１０，２０により集光された光を光ファイバー９６で伝送し、集光装置と地理的に離間した野菜工場等で利用することも可能である。
【０１３０】
なお、実施形態では、説明簡明化のため、集光光学素子を帯板状ないし角棒状に構成した形態を例示し、また集光光学素子の作用を説明するため、Ａ部材及びＢ部材に具体的な物質の屈折率を適用した構成例を説明したが、本発明はこれらの構成形態や構成例に限定されるものではない。例えば、集光光学素子の形状は、円柱状や線状であっても良く、Ａ部材及びＢ部材の材質は、種々の樹脂材料や無機材料等を適宜選択して構成することができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、Ａ部材及びＢ部材以外の他の部材を含むものであっても良い。
【０１３１】
以上説明したように、集光光学素子１０，２０は、長辺／短辺の縦横比が大きな集光パネル８の出射面から出射する幅広の出射光を、長辺が伸びる方向に集光する。従って、本発明によれば、ｘ軸方向に幅が広い出射面から出射された光の集光効率を高めることができ、太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な新たな集光手段を提供することができる。集光装置６０，７０，８０及び光発電装置１〜４は、このような集光光学素子を用いて構成されており、簡明、小型かつ低コストの構成で太陽光等の光エネルギーを効率的に利用可能な集光装置、光発電装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１〜４ 光発電装置
８ 集光パネル（８ａ 出射面）
１０（１０1，１０2） 第１構成形態の集光光学素子（１０ａ 入射面）
１１ Ａ部材
１２ Ｂ部材
２０ 第２構成形態の集光光学素子
２１ Ａ部材
２２ Ｂ部材
３０ Ａ部材の屈折率特性
４０（４１〜４４） Ｂ部材の屈折率特性
５０ 光電変換素子
６０ 第２構成例の集光装置
６５ 偏光面回転素子
７０ 第３構成例の集光装置
７２ 反射鏡
７５ 偏光面回転素子
８０ 第４構成例の集光装置
８５ 偏光面回転素子
９１ ミラー（反射手段）
９２ プリズム状の折り返し部（反射手段）
９５ カプラ
９６ 光ファイバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長辺／短辺の縦横比が大きな出射面から出射する出射光を、前記出射面と対峙して設けられた入射面で受光して入射光を前記長辺が伸びる方向に集光する集光光学素子であって、
光透過性を有するＡ部材と、前記Ａ部材中に前記入射光の入射方向及びこれと相互に直交する第１方向、第２方向に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材とを有して構成され、
前記Ｂ部材の粒子径ｄは、前記入射光の波長をλとしたときに円相当径が０．１λ〜１０λであり、
前記入射方向に延びる軸をｙ軸、前記第１方向に延びる軸をｘ軸、前記第２方向に延びる軸をｚ軸、前記ｘ軸及び前記ｙ軸を含む面をｘｙ面とし、
前記Ａ部材における、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyxとし、
前記Ｂ部材における、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyxとしたときに、
ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しいことを特徴とする集光光学素子。
【請求項２】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＜ｎｂxyであり、ｎｂxy＞ｎｂyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項３】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＜ｎｂxyであり、ｎａxy＜ｎａyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項４】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＞ｎｂxyであり、ｎｂxy＜ｎｂyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項５】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＞ｎｂxyであり、ｎａxy＞ｎａyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項６】
前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、１．５≦α≦４０であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項７】
前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、２≦α≦２０であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項８】
前記Ｂ部材の粒子径ｄが、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項９】
前記Ａ部材中に分散された前記Ｂ部材の密度は、前記入射面から前記ｙ軸方向に入射し、複数の前記Ｂ部材により多重散乱されて前記集光光学素子の裏面に向かう光が、前記裏面において全反射されるように設定されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項１０】
前記ｙ軸方向及び前記ｚ軸方向の大きさが前記ｘ軸方向の大きさに対して充分に小さく、棒状ないし線状に形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項１１】
前記ｘ軸方向の一方の端部に光を反射する反射手段を設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記出射面と前記入射面との間に設けられ、前記出射光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子とを備えた集光装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、
前記集光光学素子と前記反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子とを備えた集光装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、
請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、
前記第２の集光光学素子は、前記第１の集光光学素子の裏面側に、当該第２の集光光学素子の前記ｘ軸方向が前記第１の集光光学素子の前記ｘ軸方向と平行になるように配設されるとともに、前記第１の集光光学素子と前記第２の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子が設けられることを特徴とする集光装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子により前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【請求項１６】
請求項１２または１３に記載の集光装置と、
前記集光光学素子により前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の集光装置と、
前記第１の集光光学素子における前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子と、
前記第２の集光光学素子における前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【請求項１】
長辺／短辺の縦横比が大きな出射面から出射する出射光を、前記出射面と対峙して設けられた入射面で受光して入射光を前記長辺が伸びる方向に集光する集光光学素子であって、
光透過性を有するＡ部材と、前記Ａ部材中に前記入射光の入射方向及びこれと相互に直交する第１方向、第２方向に分散された光透過性を有する粒子状のＢ部材とを有して構成され、
前記Ｂ部材の粒子径ｄは、前記入射光の波長をλとしたときに円相当径が０．１λ〜１０λであり、
前記入射方向に延びる軸をｙ軸、前記第１方向に延びる軸をｘ軸、前記第２方向に延びる軸をｚ軸、前記ｘ軸及び前記ｙ軸を含む面をｘｙ面とし、
前記Ａ部材における、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎａxy、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎａyxとし、
前記Ｂ部材における、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｙ軸方向に進む光の屈折率をｎｂxy、電界振幅が前記ｘｙ面内で前記ｘ軸方向に進む光の屈折率をｎｂyxとしたときに、
ｎａxyとｎｂxyとが異なり、ｎａyxとｎｂyxとが実質的に等しいことを特徴とする集光光学素子。
【請求項２】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＜ｎｂxyであり、ｎｂxy＞ｎｂyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項３】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＜ｎｂxyであり、ｎａxy＜ｎａyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項４】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＞ｎｂxyであり、ｎｂxy＜ｎｂyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項５】
前記屈折率の関係が、ｎａxy＞ｎｂxyであり、ｎａxy＞ｎａyxであることを特徴とする請求項１に記載の集光光学素子。
【請求項６】
前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、１．５≦α≦４０であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項７】
前記Ａ部材及び前記Ｂ部材は、（π×ｄ×ｎａxy）／λで規定するサイズパラメータαが、２≦α≦２０であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項８】
前記Ｂ部材の粒子径ｄが、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項９】
前記Ａ部材中に分散された前記Ｂ部材の密度は、前記入射面から前記ｙ軸方向に入射し、複数の前記Ｂ部材により多重散乱されて前記集光光学素子の裏面に向かう光が、前記裏面において全反射されるように設定されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項１０】
前記ｙ軸方向及び前記ｚ軸方向の大きさが前記ｘ軸方向の大きさに対して充分に小さく、棒状ないし線状に形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項１１】
前記ｘ軸方向の一方の端部に光を反射する反射手段を設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集光光学素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記出射面と前記入射面との間に設けられ、前記出射光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子とを備えた集光装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子の裏面側に裏面に沿って設けられた反射鏡と、
前記集光光学素子と前記反射鏡との間に設けられ、二度透過した光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子とを備えた集光装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれかに記載の第１の集光光学素子と、
請求項１〜１１のいずれかに記載の第２の集光光学素子とを備え、
前記第２の集光光学素子は、前記第１の集光光学素子の裏面側に、当該第２の集光光学素子の前記ｘ軸方向が前記第１の集光光学素子の前記ｘ軸方向と平行になるように配設されるとともに、前記第１の集光光学素子と前記第２の集光光学素子との間に、透過する光の偏光面を９０度回転させる偏光面回転素子が設けられることを特徴とする集光装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれかに記載の集光光学素子と、
前記集光光学素子により前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【請求項１６】
請求項１２または１３に記載の集光装置と、
前記集光光学素子により前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の集光装置と、
前記第１の集光光学素子における前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子と、
前記第２の集光光学素子における前記ｘ軸方向に導かれた光を光電変換する光電変換素子とを備えた光発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１２−１０３２７６（Ｐ２０１２−１０３２７６Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４８８５６（Ｐ２０１０−２４８８５６）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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