集光装置
【課題】簡単な構成で、かつ大量に安価に製造でき、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光でき（全方位集光効果）、かつ利便性・汎用性も高い集光装置を提供する。
【解決手段】太陽光集光シート（集光装置）６２０は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部６２１と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部６２２と、上部の三角形状部６２１と同一の形状を有する下部の三角形状部６２３とで構成されている。同一形状の三角形状部６２１、６２３は、平板部６２２を挟んで上下対称に配置されている。三角形状部６２１、６２３の形状角度は、好ましくは、４５°以上である。
【解決手段】太陽光集光シート（集光装置）６２０は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部６２１と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部６２２と、上部の三角形状部６２１と同一の形状を有する下部の三角形状部６２３とで構成されている。同一形状の三角形状部６２１、６２３は、平板部６２２を挟んで上下対称に配置されている。三角形状部６２１、６２３の形状角度は、好ましくは、４５°以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、太陽光の集光に好適な集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、太陽光発電（ＰＶ：photovoltaic power generation）の方式として、受光面に受光発電部（太陽電池）を敷き詰めた平板方式が多く用いられている。平板方式の太陽光発電装置（平板型ＰＶ装置）は、設置面積の形状で光を集光する機能を有するため、太陽の向きを追尾する必要がなく、設置が容易である。しかし、平板型ＰＶ装置は、設置面積全体に太陽電池を敷き詰めるため、高価である。
【０００３】
そこで、近年、太陽光発電の更なる普及のために、ＰＶ装置の低価格化が求められている。そのため、コストの大半を占める太陽電池の枚数を少なくすることが求められている。
【０００４】
このような背景から、常に太陽方向へ向けた集光レンズなどによって比較的小径の太陽電池面に太陽光を集光して効率的な発電を行うようにした集光型ＰＶ装置が普及しつつある（例えば、特許文献１参照）。集光レンズとしてはフレネルレンズを使用することが多い。このように、集光型ＰＶ装置では、受光面をフレネルレンズで構成して太陽光を数百倍に集光することにより、太陽電池の枚数を少なくしている。これにより、集光型ＰＶ装置は、平板型ＰＶ装置に比べて、太陽電池の使用コストを数十分の一に削減することができる。
【特許文献１】特開２００３−２５８２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、集光型ＰＶ装置にあっては、太陽光の向きを追尾する必要がない平板型ＰＶ装置と対照的に、集光レンズ（フレネルレンズ）の向きが僅かに太陽方向から外れると、太陽電池の受光面上の照度が急激に低下して発電量が大きく減少する。このため、集光型ＰＶ装置では、太陽光の向きを正確に検知し、その向きにフレネルレンズの法線面を合わせる必要がある。このときの角度のずれは、太陽電池のサイズと集光率に依存するが、例えば、±１度以内が要求される。このため、集光型ＰＶ装置では、正確な太陽光追尾機能が必須となっている。
【０００６】
ところが、例えば、家庭用の３ｋＷ程度の集光型ＰＶ装置の場合、太陽光追尾装置は、受光面だけで１０ｍ２程度あり、しかも屋外に設置され強風に耐える強度も要求される。このため、家庭用の集光型ＰＶ装置でさえも、大掛かりな装置となり、設置費用を含めると当初のコストメリットを危うくしている。
【０００７】
このような理由から、現在、太陽光追尾の必要がない集光型ＰＶ装置の開発が強く求められている。
【０００８】
本発明者は、鋭意努力の結果、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い、全く新しい集光装置および方法を編み出し、この集光装置および方法を利用すれば、軽量かつ安価に、太陽光追尾の必要がない集光型ＰＶ装置を実現できることを見出した。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い集光装置および集光方法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】
【００１０】
本発明の集光装置は、平面構造を有するシート型の集光装置であって、外部から照射される光を入射させて前記平面構造の法線方向に導く集光部と、前記集光部からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する配光部と、前記配光部からの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く線状の導光部と、前記導光部からの光を入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する光圧縮制御部と、を有する構成を採る。
【００１１】
本発明の集光方法は、平面構造を有するシート型の集光装置における集光方法であって、外部から照射される光を集光部に入射させて前記平面構造の法線方向に導く工程と、前記集光部からの光を配光部に入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する工程と、前記配光部からの光を線状の導光部に入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く工程と、前記導光部からの光を光圧縮制御部に入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する工程と、を有するようにした。
【００１２】
具体的には、本発明では、例えば、地上に固定されたシート形状の集光装置（集光シート）により集光を行う。集光シートでは、当該シート表面に照射される太陽光および散乱光を集光部から当該シート内部に取り込む。集光部は、反射光を最小限に抑えて広範囲の角度の入射光を当該シート内部に取り込むことができる機能および形状を有する。当該シート内部に取り込まれた入射光は、配光部により、当該シート平面上の線状の導光部の方向に配光される。配光部は、集光部により取り込まれた入射光を線状導光部に効率的に配光するための立体構造および線状導光部との接触形状を有する。線状導光部は、好ましくは、複数の線状の導光路を有する。光圧縮制御部は、複数の線状導光路からの入射光を１つにまとめることによって入射光のエネルギー密度を高める。この光圧縮機能を繰り返すことにより更にエネルギー密度を増加させることもできる。
【００１３】
本発明の他の集光装置は、一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、少なくとも前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する表面形状部、を具備し、前記表面形状部は、前記一方の面側から任意の角度で照射された光を、境界面での反射と屈折を繰り返して内部に入射させる、構成を採る。
【００１４】
本発明のさらに他の集光装置は、一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する第１の表面形状部と、前記他方の表面に形成され、前記第１の表面形状部と同一または略同一の表面形状を有する第２の表面形状部と、を具備し、前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、上下対称にまたは上下略対称に配置されている、構成を採る。好ましくは、本集光装置は、平板状の平板部、をさらに具備し、前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、前記平板部を挟んで上下対称にまたは上下略対称に配置されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ高い利便性・汎用性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る集光装置の構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１に示す集光装置１００は、平面構造を有するシート型の集光装置であって、例えば、太陽光などの自然光（散乱光など周囲に存在する周辺光を含む）をシート形状の平面上に集光し、特定の方向に配光する機能を有する。このシート型集光装置１００は、各種の光応用システム（例えば、集光型ＰＶや太陽光照明、バックライトなど）に対する太陽光利用の利便性を向上させ、安価な光応用システムを提供することを目的としている。
【００１９】
このシート型集光装置（以下「本装置」ともいう）１００は、大別して、法線集光部１１０、法線配光部１２０、線状導光部１３０、および光圧縮制御部１４０で構成されている。
【００２０】
法線集光部１１０は、外部から照射される光（太陽光その他周辺光）を入射させて本装置１００の法線方向に導く機能を有する。具体的には、法線集光部１１０は、本装置１００の法線方向から任意の角度で斜めから入射した光をその法線方向に取り込み（集光し）、法線配光部１２０の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。このように、斜めから入射した光を可能な限り法線方向にそろえることにより、法線配光部１２０の構成（形状）を容易にすることができる。後で詳述するように、法線集光部１１０は、例えば、マイクロレンズをアレイ状に配列した構成を有する。なお、入射光が法線方向からずれるほど反射光が多くなり、例えば、空気中からの入射の場合、入射角が８０°で透過率が５０％程度になるため、斜めから入射する際に限界となる角度として、８０°程度を想定することができる（ただし、上記のように完全になくなるわけではない）。
【００２１】
法線配光部１２０は、法線集光部１１０からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する機能を有する。具体的には、法線配光部１２０は、法線集光部１１０からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ、線状導光部１３０の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。後で詳述するように、法線配光部１２０は、複数の法線配光路によって構成されている。各法線配光路は、例えば、上記アレイ状の各マイクロレンズの位置に配置されている。なお、エネルギー効率の観点からは、入射光を法線配光部１２０の内部で全反射のみを利用して線状導光部１３０に配光することが好ましいが、実際問題として、全反射のみでは広範囲の入射光を線上導光部１３０に配光することは困難である。そこで、本実施の形態では、法線配光部１２０の形状をなるべく全反射になるような形状にしつつも、全反射だけではなく反射と屈折も利用するようにしている。
【００２２】
線状導光部１３０は、法線配光部１２０からの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く機能を有する。具体的には、線状導光部１３０は、法線配光部１２０からの光を入射させて内部で全反射させつつ、所定の一方向に線状に圧縮集光し、光圧縮制御部１４０の内部に入光（転送）させる機能を有する。後で詳述するように、線状導光部１３０は、互いに光学的に分離された複数の線状構造の導光路（以下「線状導光路」という）を有する。線状導光路は、例えば、透明のシート基板上に印刷して形成されている。また、線状導光路には、複数の法線配光路が接続されている。なお、本明細書において、光の「圧縮」とは、光を集めるなどして光のエネルギー密度を高めることをいう。
【００２３】
光圧縮制御部１４０は、線状導光部１３０の内部を進む光を入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する機能を有する。具体的には、光圧縮制御部１４０は、全反射を繰り返しながら線状導光部１３０（複数の線状導光路）の内部を進んで入射した光をまとめて高圧縮光（高圧縮された光）に変換し、光応用システム部２００に入光（転送）させる機能を有する。後で詳述するように、光圧縮制御部１４０は、例えば、平面レンズの作用により圧縮光を細線化して更にエネルギー密度を高めるようにしている。
【００２４】
なお、光応用システム部２００は、用途に応じて各種のシステムが考えられる。例えば、光応用システム部２００として、上記のように、集光型ＰＶや太陽光照明、バックライトなどが考えられる。いずれにしろ、光応用システム部２００は、シート型集光装置１００（特に光圧縮制御部１４０）から入射した光を当該光応用システムに合わせて変換する機能を有する。具体的には、例えば、集光型ＰＶの場合は、シート型集光装置１００からの入射光（高圧縮光）を光発電素子（太陽電池）に照射する。また、太陽光照明に直接使用する場合は、例えば、シート型集光装置１００からの入射光（高圧縮光）を光拡散シートに直接転送する。また、バックライトの光源として使用する場合は、例えば、２次元分光プリズムを平面シートに形成しておき、この２次元分光プリズムを用いてシート型集光装置１００からの入射光（高圧縮光）を所定の色（ＲＧＢ）に分光して出力する。
【００２５】
上記各構成要素のうち、少なくとも法線集光部１１０、法線配光部１２０、および線状導光部１３０の一部は、同一基板上に形成されている。具体的には、例えば、平面状のシート基板上に線状導光部１３０（複数の線状導光路）の一部が形成され、この一部の線状導光部１３０（各線状導光路）上に法線配光部１２０（複数の法線配光路）が配置され、この法線配光部１２０（各法線配光路）上に法線集光部１１０（各マイクロレンズ）が配置されている。後で詳述するように、少なくとも法線配光部１２０および線状導光部１３０は、透明のシート基板上に、好ましくは、スクリーン印刷により形成される。
【００２６】
また、好ましくは、シート基板上の法線集光部１１０、法線配光部１２０、および線状導光部１３０の一部は、所定の単位でユニット化されている。以下、このユニット化された単位構造の部分を「平面集光シート部」と呼ぶことにする。この平面集光シート部１５０は、外部の光を線状の特定方向に集光する機能を有する。また、法線集光部１１０および法線配光部１２０を持たず、専ら線状導光部１３０のみからなる単位構造の部分を「線状導光シート部」と呼ぶことにする。この線状導光シート部１６０は、線状の特定方向に集光された光をさらに線状に圧縮集光しながら所定の一方向に導く（転送する）機能を有する。この場合、シート型集光装置１００は、少なくとも平面集光シート部１５０と光圧縮制御部１４０で構成され、必要に応じて線状導光シート部１６０をさらに有する。もちろん、好ましくは、光圧縮制御部１４０も、平面状の基板上に形成されてユニット化されている。以下、特にこのユニット化された光圧縮制御部を「光圧縮シート部」と呼ぶことにする。したがって、このようにそれぞれユニット化された平面集光シート部１５０、線状導光シート部１６０、および光圧縮シート部１７０を適宜組み合わせることにより、高い自由度で、用途や環境に応じて、適当なサイズと形状のシート型集光装置１００を容易に設置することができる。特に平面集光シート部１５０は、水平方向のみならず垂直方向にも組み合わせることができる。すなわち、平面集光シート部１５０は、同一平面上水平方向に複数配置したり、上下垂直方向に複数積層したりすることができる。
【００２７】
なお、上記のように、線状導光部１３０では、入射した光は内部を全反射しながら伝播する。全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると線状導光部１３０は透明に見える。これは、法線配光部１２０が全反射のみの形状を有する場合には、このような法線配光部１２０についても同様である。光の伝達において、外部から見えるということは、光エネルギーの損失を意味する。
【００２８】
次いで、シート型集光装置１００の具体的な構成例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図２は、シート型集光装置１００の構成の一例を示す概略要部斜視図である。特に、図２は、平面集光シート部１５０の要部の構成の一例を示している。
【００３０】
図２に示すシート型集光装置１００ａは、平面集光シート部１５０ａを有する。この平面集光シート部１５０ａは、図２に示すように、シート基板１５１上に法線集光部１１０ａ、法線配光部１２０ａ、および線状導光部１３０ａを形成して構成されている。
【００３１】
法線集光部１１０ａは、例えば、透明のシート層１１１上にマイクロレンズ１１２をアレイ状に配列して構成されている。
【００３２】
この構成では、各マイクロレンズ１１２は、上から見ると円形であるため、隣接するマイクロレンズ１１２間に隙間が生じる。そこで、好ましくは、法線集光部１１０ａは多層化されている。
【００３３】
図３は、多層化された法線集光部１１０ａの構成を示す概略断面図である。図３に示す例では、法線集光部１１０ａは、２層構造を有し、第１の法線集光部層１１３−１と第２の法線集光部層１１３−２を積層して構成されている。法線集光部１１０ａの上下２層（法線集光部層１１３−１、１３−２）の位置関係は、図３に示す通りである。ただし、図３では、便宜上、同一の法線集光部層１１３におけるマイクロレンズ１１２間の隙間を無視して示している。
【００３４】
法線集光部層１１３は、例えば、上記のように、透明のシート層１１１上にマイクロレンズ１１２をアレイ状に配列して構成されている。このとき、法線集光部層１１３のマイクロレンズ１１２は、後述するように（例えば、特に図１１（Ｂ）参照）、対応する各線状導光路の伸長方向と平行でかつその線状導光路から離れた（オフセットされた）直線上に一列に配列されている。ところが、各マイクロレンズ１１２は、上記のように、上から見ると円形であるため、同一の法線集光部層１１３では、隣接するマイクロレンズ１１２間に隙間が生じる。そこで、この例では、同じ構造の法線集光部層１１３を上下に配置して２層構造にしている。ただし、このとき、図３に示すように、上下の法線集光部層１１３−１、１３−２は、互いに、同じ線状導光路に対応するマイクロレンズ列について、隣接するマイクロレンズ１１２間の隙間の中心位置に他の法線集光部層１１３のマイクロレンズ１１２の中心がくるように、マイクロレンズ１１２の配列が調整されている。
【００３５】
法線集光部１１０ａは、上記のように、斜めから入射した光を可能な限り法線方向にそろえて、法線配光部１２０の構成を容易にするという機能を有する。したがって、この例のように、法線集光部１１０ａを２層化（多層化）することにより、外部からの光がマイクロレンズ１１２に入射する割合が増大し、この機能の実現をより一層確実にすることができる。
【００３６】
さらには、図示しないが、平面集光シート部１５０ａ自体も２層構造（多層構造）にすることにより、更に集光率（外部からの光が線状導光部１３０に集光される割合）を向上することができる。
【００３７】
法線集光部１１０ａ（多層構造を有する場合は各法線集光部層１１３）は、紫外線硬化樹脂をインクとして使用したインクジェット印刷技術を用いて、例えば、透明のシート層１１１上にマイクロレンズ１１２を印刷して形成されている。なお、マイクロレンズ１１２の製造方法は、インクジェット印刷技術に限定されるわけではなく、任意の適当な製造方法を適用することができる。例えば、インクジェット印刷技術に代えて、スクリーン印刷技術やプラスチック成形技術、光成形技術なども適用可能である。
【００３８】
法線集光部１１０ａは、上記のように、入射光の中で法線方向から大きく外れた光をなるべく法線方向に近く屈折させて法線配光部１２０ａに入光させる機能を有する。この機能を実現するためには、表面に角度をつけて反射光を少なくしつつ法線方向に配光する必要がある。このため、法線集光部１１０ａの表面は、単なる平面でなく、図２および図３に示すように、円形のレンズの構造を持ち、このレンズの作用により、斜めからの光を有効に取り込む必要がある。しかも、このレンズは、法線配光部１２０ａに入射光を導く機能を併せ持つことになる。しかし、レンズは円形であるため、すべての表面を覆うことはできない。そこで、図３に示す例では、法線集光部１１０ａを２層構造にしている。図３において、破線は、入射した光を法線配光部１２０ａの１点に集光するイメージを示し、上側の実線の矢印は、入射光の角度を示している。この場合、入射光は、平坦な面に入射する場合と比べて、局所的な面（レンズの表面）の法線方向に近い角度で入射するようになるため、透過率を高めた状態で集光することが可能になる。
【００３９】
法線集光部１１０は、広範囲の角度で入射する光を効率良く本装置１００ａ内に取り込むことを目的としており、この目的を達成するため、法線集光部１１０（多層構造を有する場合は各法線集光部層、以下同様）は、種々の適当な表面形状をとることができる。例えば、図２および図３に示すマイクロレンズアレイ状に代えて、三角錐や四角錐などの角錐の形状であってもよい。
【００４０】
図４は、法線集光部１１０の他の構成（表面形状）を示す概略図であり、特に、図４（Ａ）は、概略要部斜視図、図４（Ｂ）は、概略要部断面図である。
【００４１】
図４に示す例では、法線集光部１１０ｂは、長手方向（線状導光路１３１の伸長方向）の断面が略三角形である三角柱１１４をアレイ状に配列して構成されている。法線集光部１１０ｂは、表面のこの三角形状によって、三角プリズムの機能により、入射光を法線方向に導く機能を有する。この場合も、法線方向から入射する光（図４（Ａ）の実線の矢印）はもちろん、法線方向から外れた角度で入射する光（図４（Ａ）の破線の矢印）も、法線集光部１１０ｂによって法線方向に集光される。例えば、法線方向から外れた角度で入射する光については、図４（Ｂ）に示す経路をたどって、法線方向に集光される。具体的には、例えば、入射角が８０°の入射光は、境界面を通過する度に曲がり、８０°→７６.３５°→５３°→４７°と角度が変化する。
【００４２】
なお、本発明者は、図４（Ａ）に示すような表面形状（三角形の形状）を例にとって光線捕捉効率のシミュレーションを行った。この結果得られた新たな知見に基づく構成については、実施の形態２において詳細に説明する。
【００４３】
図５は、法線配光部１２０ａおよび線状導光部１３０ａの構成の一例を示す概略斜視図である。図６は、図５を上から見た平面図、図７は、図６のVII−VII線に沿う断面図、図８は、図６のVIII−VIII線に沿う断面図である。さらに、図９は、図５の詳細を示す図であり、特に、図９（Ａ）は、図６と同様の平面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の要部を示す平面図、図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の要部拡大図である。なお、図５〜図８には、本装置１００ａを集光型ＰＶに適用する場合を想定して、東西南北の方位を付している。
【００４４】
法線配光部１２０ａは、上記のように、法線集光部１１０ａからの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ、線状導光部１３０ａ（線状導光路１３１）の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。図５〜図９に示す例では、法線配光部１２０ａは、法線集光部１１０ａの各マイクロレンズ１１２に対応して複数の法線配光路１２１を有する。法線配光路１２１の入口１２２（光の入射口）は法線集光部１１０ａのシート基板１１１に接続され、出口（光の出射口）は接続部１２３を介して線状導光部１３０ａの対応する左右一対の線状導光路１３１に接続されている。すなわち、法線配光路１２１は、対応する左右一対の線状導光路１３１の中間位置上に配置されている。また、この例では、法線配光路１２１の入口１２２は楕円形状を有し、法線配光路１２１の本体部（接続部１２３を除く部分）は楕円錐台の形状をしている。すなわち、本体部の出口１２４も楕円形状を有する。
【００４５】
特に、好ましくは、入射光（太陽光）を有効に利用するため、図５〜図９に示すように、隣接する法線配光路１２１の入口（光の入射口）１２２は、法線配光路１２１の高さ、上面（入口）の形、および面積を考慮して、互いに重なるように構成されている。また、この例では、東西方向からの入射光を入射角の変化にかかわらず、効率的に集光するため（東西方向の集光性向上）、法線配光路１２１の入口１２２の形状を東西方向に長い楕円形状とし（特に図９参照）、かつ、入射した光を接続部１２３により左右一対の線状導光路１３１に導く構成としている。すなわち、この例では、接続部１２３を設けて、法線配光部１２０ａの東西方向の入射光を方向によって左右一対の線状導光路１３１に振り分けるようにしている。
【００４６】
また、この例では、線状導光路１３１から法線配光路１２１への光の逆流を最小にするため、法線配光路１２１の接続部１２３の線状導光路１３１との接触点を、小さく、かつ、できるだけ線状導光路１３１に平行に接触させるようにしている。これにより、線状導光路１３１から法線配光路１２１に逆行する光の量を少なくすることができる。
【００４７】
また、太陽光の場合、その入射角は場所の緯度で変化する。そのため、法線配光路１２１の側面の傾斜角θ、γ（図８参照）は、法線配光部１２０ａの高さならびに設置場所の緯度および傾きを考慮して、例えば、実測により、最適値に決定される。ここで、傾斜角θは、例えば、太陽の高さが最も低いとき（北半球の場合は冬至）でも太陽光を有効に利用できる角度に設定される。また、傾斜角γは、例えば、太陽の高さが最も高いとき（北半球の場合は夏至）でも太陽光を有効に利用できる角度に設定される。例えば、図８の例では、破線の円内に示すように、太陽の夏場の高度として８０°を、冬場の高度として３０°をそれぞれ暫定的に設定している。本装置１００ａを水平面上に配置すると仮定した場合でも、太陽光の高さは夏と冬で異なり、また、緯度によっても変化したりと、想定できる変数は多い。そのため、実際の設置に当たっては、多数の変数を考慮して、例えば、上記のように、実測により、傾斜角θ、γを最適値に設定することが好ましい。
【００４８】
線状導光部１３０ａは、上記のように、法線配光部１２０ａからの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く機能を有する。線状導光部１３０ａは、互いに光学的に分離された複数の線状構造の導光路（線状導光路１３１）を有する。線状導光路１３１は、全反射を用いて、法線配光部１２０ａの法線配光路１２１から入射した光を一方向に導く機能を有する。線状導光路１３１は、例えば、透明のシート基板１５１上に印刷して形成されている。
【００４９】
法線配光路１２１および線状導光路１３１は、いずれも、全反射により内部を光が伝播することが好ましいため、可視光での屈折率が同一であることが理想的である。このため、基本的には、法線配光路１２１および線状導光路１３１は、例えば、同一成分の樹脂、好ましくは、紫外線硬化樹脂を用いて形成されている。紫外線硬化樹脂は、一般に、プレポリマー、モノマー、光開始剤、増感剤、着色剤、および各種添加剤をブレンドして構成されている。紫外線硬化樹脂は、紫外線（ＵＶ光）の照射を受けると、光開始剤が紫外線を吸入して光重合反応を開始し、モノマーやプレポリマーをポリマーに転換して網目状の架橋構造を生成する。紫外線硬化樹脂を用いる場合、法線配光路１２１および線状導光路１３１と接する周囲の物質（媒質）は、例えば、空気、または窒素などの不活性気体であることが好ましい。ただし、気体の種類はこれに限定されるわけではない。基本的には、気体であれば屈折率は１.０付近であるため、任意の気体を用いることができる。
【００５０】
また、好ましくは、線状導光路１３１は、例えば、透明のシート基板１５１上に印刷により形成され、法線配光路１２１は、線状導光路１３１上に印刷により形成されている。線状導光路１３１および法線配光路１２１は、例えば、周知のスクリーン印刷法を用いて形成される。具体的な製造方法の一例は、後で詳述する。
【００５１】
本装置１００ａにおいて、太陽光１８０は、法線集光部１１０ａによって法線方向に取り込まれ（集光され）、法線配光路１２１に導かれる。法線集光部１１０ａから法線配光路１２１に入射した光１８１は、法線配光路１２１の内部を全反射により伝播する。ここで、全反射とは、屈折率界面におけるエネルギー損失のない完璧な反射のことである（反射率＝１００％）。例えば、法線配光路１２１を紫外線硬化樹脂で形成し、周囲の媒質が空気である場合には、後で説明するように、入射光に対して屈折光がなくなる（反射光のみなる）臨界角は、約４２°になる。したがって、法線配光路１２１の内部を全反射により伝播する光１８１は、境界面（接平面）に対して約±４８°（＝９０°−４２°）以内の傾斜角で伝播する。そして、法線配光路１２１の内部を伝播した光１８１は、接続部１２３を介して左右一対の線状導光路１３１のいずれか一方に入光する（振り分けられる）。法線配光路１２１から線状導光路１３１に入光した光１８２は、線状導光路１３１の内部を全反射により所定の一方向に伝播する。
【００５２】
なお、上記のように、全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると少なくとも線状導光路１３１は透明に見える。
【００５３】
図１０（Ａ）は、全反射の原理を説明するための図である。また、図１０（Ｂ）は、具体的数値の一例を示す図である。
【００５４】
スネルの法則（屈折の法則）によれば、媒質Ａから媒質Ｂへの入射角をθ１、媒質Ａから媒質Ｂへの屈折角をθ３、媒質Ａの絶対屈折率をｎＡ、媒質Ｂの絶対屈折率をｎＢとすると、以下の関係が成り立つ。
ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ３＝ｎＢ／ｎＡ
ここで、絶対屈折率とは、光波における真空に対する物質固有の相対屈折率のことである。屈折が起こる最大の入射角である臨界角（θ３＝９０°となる）では、屈折光がなくなり、反射光のみとなる。上記の公式から、臨界角の大きさは、媒質の屈折率によって定まることがわかる。ｎＡ＞ｎＢで、光が媒質Ａから媒質Ｂに入射するとき、臨界角θｍ（媒質Ａから媒質Ｂへの入射角）は、次のようになる。
ｓｉｎθｍ＝ｓｉｎθｍ／ｓｉｎ９０°＝ｎＢ／ｎＡ
したがって、媒質Ａから媒質Ｂへの入射角θ１について、
θ１＞θｍ
という関係を満たすことが、全反射の起こる条件となる。なお、反射の法則によれば、境界面（反射面）で反射する光の入射角θ１と反射角θ２は等しい（θ１＝θ２）。
【００５５】
例えば、媒質Ａを紫外線硬化樹脂、媒質Ｂを空気とすると、紫外線硬化樹脂の絶対屈折率は約１．５、空気の絶対屈折率は約１．０であるため、臨界角θｍは、ｓｉｎθｍ＝１．０／１．５から、θｍ＝４１．８１０３°となり、約４２°となる。したがって、この臨界角（約４２°）以上で入射する光、つまり、境界面に対して約４８°以下の角度で入射する光は、すべて反射光となる（全反射）。
【００５６】
本実施の形態は、このような全反射の原理、具体的には、例えば、紫外線硬化樹脂から空気へ光が入射する場合に、境界面（接平面）に対して約±４８°以内で入射する光はすべて境界面で全反射され進行方向に伝播するという原理を、平面上に印刷した導光路での光の伝播に利用したものである。
【００５７】
なお、法線配光部１２０は、法線集光部１１０からの光を効率良く線状導光部１３０内に入光させることを目的としており、この目的を達成するため、法線集光部１２０は、種々の適当な構成をとることができる。
【００５８】
図１１は、法線配光部１２０の他の構成を示す概略図であり、特に、図１１（Ａ）は、要部概略図、図１１（Ｂ）は、概略平面図である。
【００５９】
図１１に示す例では、法線配光部１２０ｂの法線配光路１２１ａは、１つの線状導光路１３１にのみ接続されている。法線配光路１２１ａの入口１２２および出口１２５はそれぞれ楕円形状を有し、法線配光路１２１ａは楕円錐台の形状をしている。法線配光路１２１ａの出口１２５の面積は、入口１２２の面積と異なり、できるだけ小さく設定されている。これにより、線状導光路１３１から法線配光路１２１ａに逆行する光の量を少なくすることができる。また、特に図１１（Ｂ）によく示すように、平面上、法線配光路１２１ａの入口１２２の中心点を線状導光路１３１の中心線からオフセットさせる（好ましくは、線状導光路１３１の外にオフセットさせる）こと、および、法線配光路１２１ａと線状導光路１３１内の光伝播方向とのなす角度を鈍角にすることによって、線状導光路１３１から法線配光路１２１ａに逆行する光の量を更に少なくすることができる。
【００６０】
図１２は、法線配光部１２０のさらに他の構成を示す概略図であり、特に、図１２（Ａ）は、法線配光路の概略斜視図、図１２（Ｂ）は、法線配光路の概略側面図、図１２（Ｃ）は、法線配光路の第１の形態例を示す概略背面図、図１２（Ｄ）は、法線配光路の第２の形態例を示す概略背面図である。また、図１３は、図１２の法線配光路を有する法線配光部の構成を示す概略斜視図である。
【００６１】
図１２および図１３に示す例では、法線配光部１２０ｃの法線配光路１２１ｂは、１つの線状導光路１３１にのみ接続されている。法線配光路１２１ｂの入口および出口はそれぞれ四角形（この例では、長方形または正方形）の形状を有し、法線配光路１２１ｂは四角錐台の形状をしている。法線配光路１２１ｂについても、出口の面積は、入口の面積と異なり、できるだけ小さく設定されている。図１２（Ｃ）は、法線配光路１２１ｂの入口と出口の中心線が一致している場合であり（第１の形態例）、図１２（Ｄ）は、法線配光路１２１ｂの入口と出口の中心線がずれている場合である（第２の形態例）。線状導光路１３１から法線配光路１２１ｂに逆行する光の量を少なくするためには、図１２（Ｃ）に示す第１の形態例よりも図１２（Ｄ）に示す第２の形態例のほうが好ましい。なお、図１２において、「１１１」は、法線配光路１２１ｂの入口が存在する、法線集光部１１０ａのシート基板の一部を示し、「１３１」は、法線配光路１２１ｂの出口が存在する、線状導光路の一部を示している。
【００６２】
図１４は、線状導光シート部１６０ａおよび光圧縮シート部１７０ａの構成の一例を示す概略図であり、図１５は、図１４に示す光高圧縮機能部の拡大図である。
【００６３】
図１４に示す線状導光シート部１６０ａは、上記のように、線状の特定方向に集光された光をさらに線状に圧縮集光しながら所定の一方向に導く（転送する）機能を有する。この線状導光シート部１６０ａは、図１４に示すように、複数（ここでは３つ）の組の線状導光路群１６１を有する。図１４に示す例では、線状導光路群１６１は、５つの線状導光路１３１で構成されている。各線状導光路群１６１において、５つの線状導光路１３１の出口はすべて、対応する１つの１次光圧縮レンズ部１６２に接続されている。１次光圧縮レンズ部１６２は、線状導光路１３１内を伝播した光（１次光）を、レンズ作用により圧縮集光する機能を有する。したがって、各線状導光路群１６１において、５つの線状導光路１３１内をそれぞれ伝播した光（１次光）は、１次光圧縮レンズ部１６２で圧縮集光され、１本のビーム（１次圧縮光）１６３として出力される。一方、５つの線状導光路１３１の入口は、例えば、線状導光シート部１６０ａの光入力接合部１６４および平面集光シート部１５０ａの光出力接合部（図示せず）によって、平面集光シート部１５０ａの対応する線状導光路１３１にそれぞれ接続可能となっている。
【００６４】
図１４に示す光圧縮シート部１７０ａは、上記のように、複数の線状導光路１３１内を進んで入射した光をまとめて高圧縮光（高圧縮された光）に変換し、出力する機能を有する。この光圧縮シート部１７０ａは、図１４に示すように、１次圧縮光集光レンズ部１７１および光高圧縮機能部１７２を有する。１次圧縮光集光レンズ部１７１は、線状導光シート部１６０ａから出力された複数本（ここでは３本）のビーム（１次圧縮光）１６３を、レンズ作用により圧縮集光する機能を有する。１次圧縮光集光レンズ部１７１で圧縮集光された光は、１本のビーム（２次圧縮光）１７３として光高圧縮機能部１７２に入射される。光高圧縮機能部１７２は、１次圧縮光集光レンズ部１７１で圧縮集光された光（２次圧縮光）１７３をさらに圧縮する機能を有する。光高圧縮機能部１７２は、例えば、複数組の平面レンズ（凹凸レンズ）を内蔵し、平面レンズの作用により２次圧縮光１７３を段階的に細線化して順次更にエネルギー密度を高めるように構成されている。
【００６５】
より具体的には、光高圧縮機能部１７２は、図１５に示すように、導光路１７４の中に凹凸レンズ１７５ａ、１７５ｂを組み合わせた構成を有し、この構成により、２次圧縮光１７３を更に細線化して２次圧縮光のエネルギー密度を高めて、圧縮光出力部１７６から外部に出力する機能を有する。図１５において、例えば、白抜きの部分は、樹脂が充填されていないため、屈折率は１.０になる。一方、白抜きの部分以外の部分は、樹脂が充填されているため、屈折率は１.５程度である。そのため、白抜きの部分の形状が凹レンズの形状であれば、その部分は通常の凸レンズの機能を有する（凸レンズ１７５ａ）。逆に、白抜きの部分の形状が凸レンズの形状であれば、その部分は通常の凹レンズの機能を有する（凹レンズ１７５ｂ）。したがって、この２種類のレンズ１７５ａ、１７５ｂの組合せにより、順次光を収束光とすることができる。
【００６６】
線状導光シート部１６０ａと光圧縮シート部１７０ａの接続は、例えば、線状導光シート部１６０ａの光出力接合部１６５と光圧縮シート部１７０ａの光入力接合部１７７を所定の位置で接合することによって行われる。ここで、「所定の位置で」とは、線状導光シート部１６０ａの光出力接合部１６５に取り付けられた導光路（１次圧縮光出力部）１６６の位置と光圧縮シート部１７０ａの光入力接合部１７７に取り付けられた導光路（１次圧縮光入力部）１７８の位置とが合うことを意味する。
【００６７】
したがって、線状導光シート部１６０ａと光圧縮シート部１７０ａが接続された状態において、線状導光シート部１６０ａ内を伝播した光は、１次圧縮光出力部１６６および１次圧縮光入力部１７８により光圧縮シート部１７０ａ内に導かれる。具体的には、例えば、図１４に示す例では、線状導光シート部１６０ａの１５（＝５×３）個の線状導光路１３１に入射した光は、対応する線状導光路１３１内を全反射により伝播し、３個の１次光圧縮レンズ部１６２により３本のビーム（１次圧縮光）１６３にまとめられ、対応する一対の１次圧縮光出力部１６６および１次圧縮光入力部１７８により光圧縮シート部１７０ａ内にそれぞれ入光する。そして、光圧縮シート部１７０ａ内に入光した３本の１次圧縮光１６３は、１個の１次圧縮光集光レンズ部１７１により１本のビーム（２次圧縮光）１７３にまとめられ、光高圧縮機能部１７２に導かれる。そして、光高圧縮機能部１７２内に入光した１本の２次圧縮光は、平面レンズ（凹凸レンズ１７５ａ、１７５ｂ）の作用により段階的に細線化して順次更にエネルギー密度が高められ、高圧縮光として圧縮光出力部１７６から出力される。
【００６８】
図１６は、図１４の構成を組み合わせた全体構成の一例を示す概略図である。
【００６９】
図１６に示す例では、６個の線状導光シート部１６０ａと４個の光圧縮シート部１７０ａが組み合わされている。具体的には、図１６のシステムは、６個の線状導光シート部１６０ａをそれぞれ３個ずつ前段と後段の２つに分けて、前段の線状導光シート部１６０ａと後段の線状導光シート部１６０ａを３列並列にそれぞれ接続し、後段の３列の線状導光シート部１６０ａを３個の光圧縮シート部１７０にそれぞれ１対１で接続し、この３列の光圧縮シート部１７０を１個の光圧縮シート部１７０に接続して構成されている。また、この例では、前段の線状導光シート部１６０ａの各線状導光路群１６１で圧縮集光した光を、後段の線状導光シート部１６０ａの各線状導光路群１６１のうち１つの線状導光路１３１に入光させるようにしている。このとき、後段の線状導光シート部１６０ａの各線状導光路群１６１に対応する１次光圧縮レンズ部１６２から出力される光（１次圧縮光）１６３は、新たに入光した光と前段からの１次圧縮光との和になる。この接続を複数回繰り返すことにより、更に大量の光を得ることができる。
【００７０】
次に、平面集光シート部１５０ａにおける法線配光路１２１および線状導光路１３１の製造方法について、図面を用いて説明する。なお、ここでは、一例として、例えば、スクリーン印刷を利用して、法線配光路１２１および線状導光路１３１を製造する場合について説明する。
【００７１】
まず、図１７〜図１９を用いて、スクリーン印刷により透明のシート基板１５１上に線状導光路１３１を形成（印刷）する場合について説明する。ここで、図１７は、線状導光路１３１の製造方法の一例を示す工程別断面図である。図１８は、図１７に示すスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図である。図１９は、紫外線照射工程を説明するための概略図である。
【００７２】
まず、図１７（Ａ）に示すように、線状導光路１３１のパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３００を用意する。この線状導光路パターン用のスクリーン印刷原版３００は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３０１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３０２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、線状導光路１３１のパターン形状に合わせてシート材３０１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３００は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３００は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。
【００７３】
そして、図１７（Ｂ）に示すように、透明のシート基板１５１上に図１７（Ａ）のスクリーン印刷原版３００を設置した後、スクリーン印刷原版３００の切り抜き部３０２に液状の紫外線硬化樹脂３０３を充填塗布する。スクリーン印刷原版３００の切り抜き部３０２に充填塗布された液状の紫外線硬化樹脂３０３は、紫外線の照射を受けない限り、硬化することはなく、非硬化の状態である。液状の紫外線硬化樹脂３０３は、ある程度粘性を持った樹脂を使用するため、液状ではあるものの、充填塗布された形を維持することができる。図１８も参照。
【００７４】
そして、図１７（Ｃ）に示すように、シート面に対し法線方向から紫外線（ＵＶ光）を照射する。これにより、切り抜き部３０２内の紫外線硬化樹脂３０３は硬化して線状導光路１３１のパターンが形成される。
【００７５】
具体的には、この紫外線照射工程は、例えば、従来のスクリーン印刷における紫外線照射法によって実施することができる。すなわち、従来のスクリーン印刷では、シート面の法線方向から角度をずらして紫外線を照射することは考えられていなかった。むしろ、従来のスクリーン印刷では、完全に法線方向から照射することが重要であった。そのため、従来の紫外線照射法では、紫外線光源からの紫外線（ＵＶ光）をフレネルレンズなどの光学系を用いて平行光にしてシート面の法線方向から照射していた。例えば、図１７（Ｃ）の紫外線照射工程では、図１９（Ａ）に示すように、紫外線光源４００をシート面からから離れた位置に配置し、この紫外線光源４００からの紫外線を、例えば、フレネルレンズ４０１を用いてシート面の法線方向からの平行光にして非硬化状態の紫外線硬化樹脂３０３に照射する。なお、紫外線光源４００からの紫外線の有効利用を図るため、紫外線光源４００の背面側（照射方向の後ろ側）に反射板４０２を設置して、紫外線光源４００からの紫外線を反射して照射方向に向けるようにしている。
【００７６】
そして、図１７（Ｄ）に示すように、シート基板１５１上のスクリーン印刷原版３００を除去する。これにより、シート基板１５１上に線状導光路１３１のパターンが印刷される（図１９（Ｂ）参照）。
【００７７】
なお、上記の例では、スクリーン印刷原版３００を設置したまま紫外線を照射しているが、これに限定されない。例えば、スクリーン印刷原版３００の切り抜き部３０２に充填塗布された液状の紫外線硬化樹脂３０３は、上記のように、樹脂の粘性により、充填塗布された形を保持することができ、スクリーン印刷原版３００を除去しても形が崩れるおそれがないため、スクリーン印刷原版３００を除去した後に紫外線を照射することも可能である。
【００７８】
次に、図２０〜図３０を用いて、スクリーン印刷により線状導光路１３１上に法線配光路１２１を形成（印刷）する場合について説明する。なお、ここでは、法線配光路１２１の形状としていくつかの形状を例にとって、それぞれに応じた製造方法を説明する。
【００７９】
まず、図２０および図２１を用いて、法線配光路１２１が直方体の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図２０は、法線配光路１２１が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図である。図２１（Ａ）は、法線配光路１２１が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
【００８０】
この場合、法線配光路１２１ｃが直方体の形状を有するため、線状導光路１３１と同様の製造方法を用いて線状導光路１３１上に法線配光路１２１ｃを形成（印刷）することができる。すなわち、直方体の法線配光路１２１ｃのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３１０を用意する。このスクリーン印刷原版３１０は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３１１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３１２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、法線配光路１２１ｃのパターン形状に合わせてシート材３１１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３１０は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３１０は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。なお、その後の工程は、図１７（Ｂ）〜図１７（Ｄ）と同様であるため、その説明を省略する。
【００８１】
次に、図２２および図２３を用いて、法線配光路１２１が四角錐台の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図２２は、四角錐台の形状を有する法線配光路１２１の製造方法の一例を示す工程別断面図である。図２３（Ａ）は、図２２に示すスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
【００８２】
まず、図２２（Ａ）に示すように、四角錐台の法線配光路１２１ｂのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３２０を用意する。このスクリーン印刷原版３２０は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３２１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３２２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、法線配光路１２１ｂのパターン形状に合わせてシート材３２１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３２０は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３２０は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。
【００８３】
そして、図２２（Ｂ）に示すように、線状導光路１３１のパターンが印刷されたシート基板１５１上に、液状の紫外線硬化樹脂３２３を所定の厚さで充填塗布する。このとき、液状の紫外線硬化樹脂３２３上には、図２２（Ａ）のスクリーン印刷原版３２０が設置されている。その後、この状態において、例えば、法線方向から６０°傾斜した方向から、スクリーン印刷原版３２０の裏面の製造用透明基板シート３２５に向けて、紫外線（ＵＶ光）を照射する。この紫外線は、スクリーン印刷原版３２０の切り抜き部３２２を通過して液状の紫外線硬化樹脂３２３に到達する。これにより、液状の紫外線硬化樹脂３２３は、紫外線が照射された部分３２４のみが硬化する。
【００８４】
そして、図２２（Ｃ）に示すように、今度は、紫外線の照射角度を変えて、例えば、法線方向から４５°傾斜した方向から、同じくスクリーン印刷原版３２０の裏面の製造用透明基板シート３２５に向けて、紫外線（ＵＶ光）を照射する。この紫外線は、切り抜き部３２２を通過して別の領域の液状の紫外線硬化樹脂３２３に到達する。これにより、最終的に、法線配光路１２１ｂのパターンに相当する部分の紫外線硬化樹脂３２３が硬化して、法線配光路１２１ｂのパターンが形成される。
【００８５】
そして、図２２（Ｄ）に示すように、スクリーン印刷原版３２０を除去し、さらに、非硬化樹脂、つまり、残存する液状の紫外線硬化樹脂３２３を洗浄して除去する。これにより、線状導光路１３１のパターン上に四角錐台の法線配光路１２１ｂのパターンが印刷される（図２３（Ｂ）参照）。
【００８６】
なお、スクリーン印刷では、何度も上塗りして厚さを高くすることにより立体的な構造を形成することができる。そのため、立体的な構造の場合、通常、スクリーン印刷の原版の厚さと実際に印刷された厚さとは異なる。また、スクリーン印刷原版を通して紫外線を法線方向からずれた角度で照射する場合、原版の厚さが薄いほど、照射角度を大きくとることができる、つまり、法線方向から大きくずれた角度で照射することができる。
【００８７】
次に、図２４を用いて、法線配光路１２１が楕円錐台の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図２４（Ａ）は、法線配光路１２１が楕円錐台の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
【００８８】
この場合、法線配光路１２１ａが楕円錐台の形状を有するため、四角錐台の形状を有する法線配光路１２１ｂと同様の製造方法を用いて線状導光路１３１上に法線配光路１２１ａを形成（印刷）することができる。すなわち、楕円錐台の法線配光路１２１ａのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３３０を用意する。このスクリーン印刷原版３３０は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３３１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３３２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、法線配光路１２１ａのパターン形状に合わせてシート材３３１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３３０は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３３０は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。なお、その後の工程は、図２２（Ｂ）〜図２２（Ｄ）と同様であるため、その説明を省略する。
【００８９】
なお、法線配光路１２１が円錐台の形状を有する場合も、楕円錐台の形状を有する法線配光路１２１ａと同様の製造方法を用いることができる。そこで、以下の説明では、便宜上、「楕円錐台」は円錐台を含むものとする。
【００９０】
上記のように、法線配光路１２１の形状が楕円錐台（法線配光路１２１ａ）または四角錐台（法線配光路１２１ｂ）の場合には、照射角度を変えて紫外線（ＵＶ光）の照射を行う必要がある（特に図２２（Ｂ）および図２２（Ｃ）参照）。上記した従来のスクリーン印刷では、法線方向からずれた角度で照射を行う方法として、例えば、光源全体を回転させるか、あるいは、フレネルレンズを傾けることが考えられる。しかし、この方法では、光源からシート面までの距離に差が発生し、シート面上の全領域に均一に照射できないという問題がある。そこで、照射角度を可変することができ、かつ、シート面上に一様に照射することができる方法が必要である。本発明者は、鋭意努力の結果、この２つの要件を満たす照射方法（以下「可変角ライン照射法」という）を見出した。
【００９１】
図２５は、可変角ライン照射法の概念を説明するための概略図、図２６は、図２５の可変角ライン照射法を実現する具体的手段の一例を示す概略図である。なお、ここでは、楕円錐台の形状を有する法線配光路１２１ａを製造する場合を例にとって説明する。
【００９２】
可変角ライン照射法では、図２５に示すように、スクリーン印刷原版３３０を通して、印刷する法線配光路１２１ａの反対側から、可変照射角近接光３４０を照射する。ここで、可変照射角近接光とは、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置から、近接の照射対象に照射される光（近接の照射光）のことである。具体的には、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置において、後述する内蔵のマイクロレンズが照射対象に近接（１ｍｍ程度以下）しており、このマイクロレンズの焦点距離を５００ミクロン（μｍ）程度とした場合、このマイクロレンズと照射対象との距離を調整することで、照射光の広がりを調整することができる。さらに、例えば、２層のマイクロレンズの配置のパターンを照射対象に合わせて細かく調整することもできる。このような特徴を有する照射光が、可変照射角近接光である。そして、この可変照射角近接光３４０が照射された部分が硬化した後、非硬化部分を洗浄して除去する。
【００９３】
可変照射角近接光３４０は、図２６に示すように、可動照射ライン部５００から出射される。可動照射ライン部５００は、例えば、線状導光路１３１の伸長方向（長手方向）と直角の方向に伸長するライン状の照射ユニットであって、線状導光路１３１の伸長方向に可動自在に構成されている。可動照射ライン部５００は、スクリーン印刷原版３３０を挟んで、印刷する法線配光路１２１ａの反対側に設置される。
【００９４】
図２７は、可動照射ライン部５００の構成の一例を示す概略図であり、特に図２７（Ａ）は断面図、図２７（Ｂ）は平面図である。
【００９５】
図２７に示す可動照射ライン部５００は、線状の紫外線光源５０１と、紫外線光源５０１からの紫外線（ＵＶ光）の一部を反射させる線状の第１反射板５０２と、紫外線光源５０１からの紫外線および第１反射板５０２で反射された紫外線を出口方向に反射させる線状の第２反射板５０３と、第２反射板５０３で反射された紫外線を照射光として出射する線状の照射光出口部５０４とを有する。線状の紫外線光源５０１としては、例えば、高圧水銀ランプなどの線状光源や、複数の紫外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を線状に並べた光源などを用いることができる。
【００９６】
第１反射板５０２は、好ましくは、伸長方向（長手方向）に垂直な断面が放物線の形状をしている。この場合、紫外線光源５０１は、放物線（第１反射板５０２）の焦点に配置される。これにより、特に図２７（Ａ）によく示すように、放物線の焦点（紫外線光源５０１）から出た同一の垂直断面上の光は、放物線の曲面で反射されると、すべての光が放物線の中心軸の方向に反射される。すなわち、紫外線光源５０１から出て第１反射板５０２で反射された紫外線は、第２反射板５０３の方向に向かう平行光となる。
【００９７】
第２反射板５０３は、角度を可変することができる板状の反射板であり、回転軸５０３ａの回りに回転自在に構成されている。第２反射板５０３の角度を変化させることにより、被照射シート３５０への紫外線の照射角度を変えることができる。ここで、被照射シート３５０とは、紫外線を照射する対象となるシートを広く意味し、例えば、硬化させるべき紫外線硬化樹脂を含む任意の段階のシートを含んでいる。なお、被照射シート３５０への照射パターンは、照射パターン形成シートとして機能するスクリーン印刷原版３３０によって形成される。照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）と被照射シート３５０とは、被照射シート３５０の上部の紫外線硬化部の平坦度を確保するため、微小な距離だけ離れており、密着していない。照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）と被照射シート３５０とは、数十ミクロン（μｍ）程度の距離をとることが望ましい。
【００９８】
照射光出口部５０４は、例えば、図２７（Ａ）に示すように、２層のマイクロレンズアレイ５０５、５０６を有する。このうち、照射対象に近いほうが近焦点マイクロレンズアレイである。ここで、近焦点マイクロレンズアレイとは、上記の可変照射角近接光３４０を形成するためのマイクロレンズアレイのことである。具体的には、上記のように、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置において、内蔵のマイクロレンズアレイ５０６が照射対象（照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）および被照射シート３５０）に近接（１ｍｍ程度以下）しており、このマイクロレンズアレイ５０６の焦点距離を５００ミクロン（μｍ）程度とした場合、このマイクロレンズアレイ５０６と照射対象との距離を調整することで、照射光の広がりを調整することができる。さらに、２層のマイクロレンズアレイ５０５、５０６の配置のパターンを照射対象に合わせて細かく調整することもできる。このような特徴を有するマイクロレンズアレイが、近焦点マイクロレンズアレイである。また、２層のマイクロレンズアレイ５０５、５０６において、第１層のマイクロレンズアレイ５０５のマイクロレンズの大きさは、第２層のマイクロレンズアレイ５０６のマイクロレンズの大きさよりも大きい。なぜなら、第１層のマイクロレンズアレイ５０５は、放物面を有する第１反射板５０２の作用と相俟って、第２層のマイクロレンズアレイ５０６に対し法線方向から一様に紫外線（ＵＶ光）を入射させるため、紫外線光源５０１の平面方向の広がりを法線方向に修正する機能を有し、このためには、照射強度を一様にするため、第１層のマイクロレンズアレイ５０５のマイクロレンズを、第２層のマイクロレンズアレイの５０６のマイクロレンズよりも大きくする必要があるためである。
【００９９】
図２８は、照射光出口部５０４の周辺の概略要部拡大図である。ここでは、図２８に示す距離ｄ（近焦点マイクロレンズアレイと照射対象との距離）を変化させて紫外線の放射パターンを調整する。ここで、紫外線の放射パターンの調整とは、照射光の広がり具合を焦点距離からのずれで調整することを意味する。すなわち、照射ポイントの大きさに合わせて、近焦点マイクロレンズアレイ５０６と被照射シート３５０上の照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）との距離ｄを変化させる。また、照射光出口部５０４に装着するアレイユニット（マイクロレンズアレイの構成と組合せ）は、被照射シート３５０への照射パターンに応じて交換可能である。例えば、線状導光部１３０ａのシートを作成する場合、本来ＵＶ光を照射する必要のある部分と照射する必要のない部分とがあり、照射する必要のある部分にのみＵＶ光を照射できるようにマイクロレンズアレイのパターを最適化することができる。この最適化したマイクロレンズアレイの部分をユニット化して被照射シートごとに交換することにより、ＵＶ光のエネルギーを有効に利用することができる。なお、図２８において、「３５１」は、被照射シート３５０のうち、紫外線が照射されずに非硬化状態の部分（紫外線非硬化部）を示し、「３５２」は、紫外線が照射されて硬化状態の部分（紫外線硬化部）を示している。
【０１００】
図２９は、図２７（Ｂ）に実線矢印で示す左右の斜め方向に向かう光線を可動方向に水平にする作用を説明するための概略図である。第１層のマイクロレンズアレイ５０５は、上記のように、放物面を有する第１反射板５０２の作用と相俟って、第２層のマイクロレンズアレイ５０６に対し法線方向から一様に紫外線（ＵＶ光）を入射させるため、紫外線光源５０１の平面方向の広がりを法線方向に修正する機能を有する。これにより、左右方向に進行する光を進行方向にそろえることができる。
【０１０１】
図３０は、可動照射ライン部５００の更なる利用法を説明するための概略図である。ここでは、可動照射ライン部５００を可動方向に対して回転させることにより、更に柔軟な可変角照射が可能になる。具体的には、可動照射ライン部５００の上記の利用法では、可動方向に対して照射光の角度を変化させることはできるものの、このままでは可動方向に垂直な方向には照射角度を変化させることができない。そこで、可動照射ライン部５００を可動方向にある角度だけ傾けることにより、可動方向に垂直な方向からも照射することが可能になる。その際、被照射シートそのものを回転させて照射角度を調整することも考えられるが、可動照射ライン部５００を回転させて照射角度を調整するほうが、形成精度が良好となる。なぜなら、被照射シートそのものを回転させて照射角度を調整する方法では、被照射シートを可動方向に対して目的の角度に回転して配置し直す必要があるが、可動照射ライン部５００を回転させて照射角度を調整する方法では、可動照射ライン部５００を、例えば、１ミクロン（μｍ）のピッチでその位置を確認しながら高精度に進めることができ、可動照射ライン部５００の両端の位置を検出し制御することで、高精度にその角度を調整することができるからである。
【０１０２】
このように、可変角ライン照射法では、光源５０１から照射ポイントまでの距離が短く、かつ、ライン上の照射パターンであるため、効率良く強力な紫外線（ＵＶ光）を被照射シート３５０内の特定の場所に照射することができる。また、光源５０１の熱の発生を大きく減少することができる。すなわち、従来の照射法において平面上に１度に照射していた紫外線を、この可変角ライン照射法では、ライン上に順次照射し、しかも、必要な場所にのみ照射するため、紫外線のロスを大幅に低減することができ、その分、消費電力を抑え、熱の発生を減少することができる。
【０１０３】
なお、線状の紫外線光源５０１としては、上記のように、例えば、高圧水銀ランプなどの線状光源や、紫外線ＬＥＤを線状に配列した光源などを用いることができる。ＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤの輝度をマイクロ秒（μｓ）オーダで動的に制御できるため、柔軟な照射システムを構成することができる。また、紫外線ＬＥＤを線状に配列する場合には、ＬＥＤの発光期間をＬＥＤ素子ごとに細かく調整することにより、被照射シート３５０内の特定の場所の放射輝度を変えることができる。したがって、シート面内の紫外線の放射輝度を自由に制御することができる。
【０１０４】
なお、紫外線硬化樹脂を用いた印刷方法として、上記したスクリーン印刷技術のほかに、インクジェット印刷技術やオフセット印刷技術などを利用することもできる。すなわち、紫外線の照射角度を複数回変えて硬化させることによりシート上に微細な立体構造を形成することができる印刷技術であれば、どのような印刷技術を利用してもよい。印刷技術を用いた場合には、安価に大量に製造できるという利点があるが、それ以外にも、例えば、ＬＳＩなどの製造に用いられるフォトリソグラフィやスパッタリング、エッチングなどの技術を用いて、線状導光部１３０ａを製造できるという利点がある。また、特に線状導光路１３１の形成方法については、上記の印刷技術のほかに、一般的なプラスチック成型技術を利用することも可能である。
【０１０５】
このように、本実施の形態によれば、法線集光部１１０、法線配光部１２０、および線状導光部１３０を設けて、外部から照射される光を集光して所望の方向に配光できるようにしたため、広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができる。
【０１０６】
また、特に法線配光部１２０および線状導光部１３０は、複数層の紫外線硬化樹脂を用いた印刷技術により製造できるため、光応用システム部２００のＬＳＩ素子（例えば、ＰＶ装置の太陽電池など）とは物理的に独立して製造することができる。したがって、軽量でフレキシブル（折り曲げ可能）な機械特性を持つことができる。さらに、一般的な紫外線印刷技術により製造が可能であるため、大量に安価に製造することができる。
【０１０７】
また、所定の機能単位でユニット化できるため、高い利便性・汎用性を実現することができる。
【０１０８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１における法線集光部１１０の構成（特に表面形状）を最適化した場合である。ここでは、例えば、一例として、太陽光を集光する場合を例にとって説明する。そのため、本実施の形態における法線集光部１１０を「太陽光集光シート」と呼ぶことにする。
【０１０９】
本発明者は、例えば、図４（Ａ）に示すような表面形状（三角形の形状）を例にとって光線捕捉率のシミュレーションを行った。
【０１１０】
図３１は、本実施の形態における光線捕捉率のシミュレーションの条件を説明するための概略図である。
【０１１１】
本シミュレーションでは、図３１に示すように、断面が三角形（具体的には二等辺三角形）の形状を持つ太陽光集光シート６００を想定し、三角形の底角（以下「形状角度」という）をα°、入射する光線の角度（以下「光線角度」という）をβ°、三角形のピッチをＰ、太陽光集光シート６００を構成する媒質（例えば、樹脂）６０１の屈折率をｎとした。光線角度βは、水平方向に対する光線の入射方向の角度と定義した。本シミュレーションでは、ピッチＰの範囲内に所定の数（角度：−６〜−１７４°の範囲で４°刻みで４３箇所、座標：−０.０５Ｐ〜―０.９５Ｐの０.１Ｐ刻みの１０箇所、の合計４３０本）の光線を、光線角度を４３ステップで変化させつつ、始点座標を等間隔で１０個所から入射し、光線を計算により１本１本追跡して、光線捕捉率を計算した。ここで、光線捕捉率は、入射光量に対する透過光量の割合（％）と定義した。すなわち、光線捕捉率（％）は、次の式、
光線捕捉率＝（透過光量／入射光量）×１００
で表される。この式からも明らかなように、光線捕捉率は、光線の透過率と同義である。入射光量は、１本の入射光線の光量を１として、１ピッチＰ当たり、４３０とした。例えば、１本の入射光線に着目すると、この入射光線は、媒質の境界面で反射と屈折を繰り返し、最終的に、太陽光集光シート６００に対して上方への反射光と下方への透過光とに分かれる。このとき、全反射の場合を除いて、反射光も屈折光も減衰する。１ピッチ当たりの入射光量および透過光量は、１本１本の入射光線に基づく最終的な反射光および透過光の光量をそれぞれ総計したものとなる。なお、１本１本の入射光線に対する光線追跡は、反射光と屈折光のすべてに対して、光量が１万分の１以下になるまで行った。
【０１１２】
図３２は、図３１の表面形状に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。図３３は、図３２の要部拡大図である。ここでは、形状角度αが３０°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、８０°の１０通りの場合についてシミュレーションを行った。また、三角形の形状の場合と比較するため、平板の形状の場合についても同様のシミュレーションを行った。なお、本シミュレーションでは、例えば、媒質６０１の屈折率ｎを１.５に設定した。
【０１１３】
図３２および図３３に示すように、形状角度αが大きいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。しかも、形状角度αが４０°以上の場合は、光線角度βのほぼ全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。ただし、形状角度αが３０°の場合であっても、光線角度βが約−６７°〜−１１３°（つまり、法線方向から２３°以内）の範囲以外の領域では、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。すなわち、図３２および図３３からは、一般に、表面形状が三角形の場合のほうが平板の場合よりも光線捕捉率が高く、特に、表面形状が三角形の場合は、形状角度αが大きいほど光線捕捉率が高いことがわかる。したがって、表面形状が三角形の場合には、上記１０通りの中で、形状角度αが８０°の場合に、光線捕捉率が、光線角度βのほぼ全範囲にわたって最も高くなっている。
【０１１４】
なお、図３１の表面形状が持つ効果、つまり、光線角度のほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高いという効果を、太陽が如何なる方位・高さにあろうとも高い集光効果を得ることができるという意味で、「全方位集光効果」と呼ぶことにする。この全方位集光効果は、表面形状が平板の場合と比較して図３１の表面形状が持つ顕著な効果である。
【０１１５】
この全方位集光効果は、後で詳述するが、図３１の表面形状が、境界面で反射と屈折を繰り返して反射光を効率的に利用（入射）できる形状を有するためである。換言すれば、図３１の表面形状は、入射光を直接入光する仕組みと反射光を入光する仕組みの両方を有する、つまり、直射光のみならず周辺光を効率的に入光する仕組みを有する。
【０１１６】
図３４は、図３１の表面形状に対する、媒質の屈折率別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。ここでは、表面形状が三角形の場合と平板の場合のそれぞれに対して、媒質の屈折率が１.３、１.４、１.５、１.６の４通りの場合についてシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションでは、例えば、形状角度αを８０°に設定した。
【０１１７】
図３４に示すように、表面形状が三角形の場合も平板の場合も、媒質の屈折率が小さいほど、つまり、空気（屈折率は約１.０）との屈折率の差が小さいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。すなわち、表面形状が三角形の場合には、上記４通りの中で、媒質の屈折率が１.３の場合に、光線捕捉率が、光線角度βのほぼ全範囲にわたって最も高くなっている。ただし、屈折率の差による光線捕捉率の差はあまり顕著ではない。
【０１１８】
このように、屈折率の変化に対して全方位集光効果にあまり変化が見られないのは、この全方位集光効果が、幾何学的な反射の効果と、屈折の法則（スネルの法則）のみによって得られるためであると考えられる。この意味で、原理は、非常にシンプルである。
【０１１９】
上記のシミュレーションにより、表面形状が三角形の場合の光線捕捉率の傾向が判明し、最適な形状に関する知見が得られた。しかし、実際の製造を考慮した場合、厚みのある平板上に三角形の形状を持つ部分を形成する必要がある。そこで、本発明者は、次に、図３５に示す構成を有する太陽光集光シート６１０を想定し、上記と同様のシミュレーションを行った。
【０１２０】
図３５は、本実施の形態における光線捕捉率の他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図である。
【０１２１】
図３５に示す例では、シミュレーションの対象である太陽光集光シート６１０は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部６１１と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部６１２とで構成されている。シミュレーションの条件は、図３１に示す構成を対象とするシミュレーションと同様である。ただし、本シミュレーションでは、三角形状部６１１と平板部６１２を同一の材料で構成し、例えば、その屈折率を１.５に設定した。また、形状角度αは、６０°に設定した。なお、この場合、光線捕捉率の計算に必要な透過光量は、平板部６１２から下方へ透過した光量となる。
【０１２２】
図３６は、図３５の太陽光集光シート６１０に対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【０１２３】
図３６に示すように、表面形状が平板の場合と比較して、法線方向からの角度が大きい領域（例えば、法線方向からの角度が約５４°以上の領域）６１３では、表面形状が平板の場合よりも光線捕捉率が高く、より多くの光を透過させている。一方、法線方向からの角度が小さい領域（例えば、法線方向からの角度が約５４°以下の領域）６１４では、表面形状が平板の場合と比べて、平板部６１２への入射角が大きくなるため、表面形状が平板の場合よりも光線捕捉率（透過率）が劣っている。すなわち、この場合は、せっかく上部の三角形状部６１１で集光した光が、あまり下部の平板部６１２を通過しない結果となっている。換言すれば、上部の三角形状部６１１が有する全方位集光効果が、下部の平板部６１２の存在によって、一部の角度領域で大幅に阻害される結果となっている。
【０１２４】
図３７および図３８は、図３６のシミュレーション結果を説明するための図である。特に、図３７は、上部の三角形状部６１１による集光原理（全方位集光効果）を説明するための図であり、図３８は、上部の三角形状部６１１に加えて下部の平板部６１２をも考慮した場合の集光原理を説明するための図である。ここでは、三角形状部６１１の対向する２面のうち、一方の面を「面Ａ」と呼び、他方の面を「面Ｂ」と呼ぶことにする。
【０１２５】
まず、上部の三角形状部６１１のみを考慮した場合において、例えば、光線が法線方向から入射した場合、この光線（入射光）は、図３７に示すような経路をたどって境界面で反射と屈折を繰り返し、その結果、９９.２％程度以上の光線を捕捉することができる。具体的には、例えば、図３７に示すように、法線方向から面Ｂに入射した光線は、その８０％程度が屈折して面Ａで全反射して平板部６１２に入射し、残り２０％程度が反射して隣の三角形状部６１１の面Ａに垂直に入射し、そのほとんど全部（１９.２％程度）が屈折して平板部６１２に入射する。残りの再反射光（０.８％程度）の一部は、再び元の面Ｂで屈折して面Ａで全反射して平板部６１２に入射する。したがって、この場合、合計９９.２％以上の光線が平板部６１２に捕捉されることになる。
【０１２６】
また、図３８の真ん中の光線のように、法線方向から６０°傾いた光線は、三角形の斜面（面Ａ）に垂直に入射し（この時、９６％の光が入射する）、入射した屈折光は、次の斜面（面Ｂ）で全反射する。この結果、最初の斜面（面Ａ）の反射光以外は、三角形状部６１１内に捕捉されるため、９６％の外光捕捉率となる。
【０１２７】
したがって、この場合、法線方向から６０°以内の入射光は、この原理により、ほとんど（９９％以上）集光する（図３２、図３３参照）。
【０１２８】
ところが、上部の三角形状部６１１に加えて下部の平板部６１２をも考慮した場合、次の原理により、図３６に示すような結果となる。
【０１２９】
まず、図３８の真ん中の光線の例のように、法線方向からの角度が大きい場合には、面Ａからの入射光のうち、面Ｂで反射する光が多く存在し、そのうち、面Ｂで全反射する光は大きく法線方向に反射するため、平板部６１２への入射角が法線方向に近くなり、平板部６１２を透過する光量が多くなる。この結果、図３６の両端部（領域６１３）の透過率は、比較的良くなっている。
【０１３０】
しかし、図３８の左側の光線の例のように、もともと入射光が法線方向に非常に近い場合、面Ａに入射した光線のほとんどは面Ｂで反射することなく直接下部の平板部６１２へ入射する。この間、面Ａに入射した光は、面Ａで屈折したとき、法線方向から外れることになり、平板部６１２への入射角が法線方向から外れるため、平板部６１２で反射する割合が大きくなる。これが、法線方向からの角度が小さい領域６１４のうち、特に法線方向に非常に近い領域（例えば、法線方向からの角度が約２４°以下の領域）６１４ａにおいて、入射光の透過率低下の原因になっている。
【０１３１】
さらに、図３８の右側の光線の例のように、入射光が法線方向に比較的近い、つまり、法線方向からの角度が約２４〜５４°の場合には、面Ａに入射した光線の多くは面Ｂで反射することなく直接下部の平板部６１２へ入射する。この間、面Ａに入射した光は、面Ａでの屈折時に、より法線方向から外れることになり、平板部６１２への入射角がより法線方向から外れるため、平板部６１２で反射する割合がより大きくなり、透過率が大きく低下する。しかも、平板部６１２に対してある一定以上の入射角を持つ光は、平板部６１２で全反射され、平板部６１２を全く通過できない。これが、法線方向からの角度が小さい領域６１４のうち、特に法線方向に比較的近い領域（例えば、法線方向からの角度が約２４〜５４°の領域）６１４ｂにおいて、入射光の大きな透過率低下の原因になっている。
【０１３２】
要するに、法線方向からの角度が小さい領域６１４では、上部の三角形状部６１１により集光された光が下部の平板部６１２により反射されるため、光の透過率（光線捕捉率）が低下している。
【０１３３】
上記の考察を踏まえて、本発明者は、図３６に示すような透過率低下のない構成を考案した。
【０１３４】
図３９は、本実施の形態における光線捕捉率のさらに他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図であって、本実施の形態に係る太陽光集光シートの２次元的形状の一例を示す概略図である。
【０１３５】
図３９に示す例では、シミュレーションの対象である太陽光集光シート６２０は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部６２１と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部６２２と、上部の三角形状部６２１と同一の形状を有する下部の三角形状部６２３とで構成されている。いわば、太陽光集光シート６２０は、同一形状の三角形状部６２１と三角形状部６２３を、平板部６２２を挟んで最中合わせにした、つまり、平板部６２２を挟んで上下対称に配置した構成を有する。このように、太陽光集光シート６２０は、平板部６２２を上下から上下対称に同一形状の三角形状部６２１、６２３で挟んだ形状を有する。シミュレーションの条件は、図３１および図３５に示す構成を対象とするシミュレーションと同様である。ただし、本シミュレーションでは、三角形状部６２１、６２３と平板部６２２を同一の材料で構成し、例えば、その屈折率を１.５に設定した。また、形状角度αは、６０°に設定した。なお、この場合、光線捕捉率の計算に必要な透過光量は、下部の三角形状部６２３から下方へ透過した光量となる。
【０１３６】
図４０は、図３９の太陽光集光シート６２０に対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【０１３７】
図４０に示すように、この太陽光集光シート６２０では、図３６のシミュレーション結果との比較において、図３６の領域６１４における光線捕捉率の低下が解消されている。すなわち、この場合、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。しかも、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が９０％以上になっている。
【０１３８】
この原理は、次のように考えることができる。なお、図３９において、下部の三角形状部６２３の対向する２面のうち、上部の対応する三角形状部６２１の面Ａに対応する面を「面Ａ’」と呼び、三角形状部６２１の面Ｂに対応する面を「面Ｂ’」と呼ぶことにする。
【０１３９】
まず、図３９の真ん中の光線の例のように、法線方向からの角度が大きい場合（図３６の領域６１３参照）、面Ａからの入射光は、最終的に、下部の三角形状部６２３の面Ａ’にほぼ垂直に入射するため（光線６２４参照）、三角形状部６２３を透過する光量が多くなる。この結果、この領域の透過率は、依然として、比較的良好である。
【０１４０】
また、図３９の左側の光線の例のように、もともと入射光が法線方向に非常に近い場合（図３６の領域６１４ａ参照）、面Ａから入射した屈折光は、下部の三角形状部６２３の面Ｂ’から、面Ａへの入射角と同一の角度で出射する（光線６２５参照）、つまり、透過する。また、面Ａおよび面Ｂ’における反射光は、それぞれ、面Ｂおよび面Ａ’に垂直に近い角度で入射するため、最終的に、三角形状部６２３を透過し、捕捉される。この結果、この領域の透過率は、著しく改善される。
【０１４１】
また、これと同様に、図３９の右側の光線の例のように、入射光が法線方向に比較的近い場合にも（図３６の領域６１４ｂ参照）、面Ａから入射した屈折光は、下部の三角形状部６２３の面Ｂ’から、面Ａへの入射角と同一の角度で出射する（光線６２６参照）、つまり、透過する。また、面Ａおよび面Ｂ’における反射光は、それぞれ、面Ｂおよび面Ａ’に垂直に近い角度で入射するため、最終的に、三角形状部６２３を透過し、捕捉される。この結果、この領域の透過率も、著しく改善される。
【０１４２】
このように、本実施の形態に係る太陽光集光シート６２０では、平板部６２２の表面上に形成された上部の三角形状部６２１と同一形状の三角形状部６２３を平板部６２２の裏面上に上下対称に形成することによって、光の透過率（光線捕捉率）が大幅に改善されている。
【０１４３】
図４１は、図３９の太陽光集光シート６２０に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。図４２は、図４１の要部拡大図である。ここでは、形状角度αが４０°、４５°、５０°、６０°、７０°、７５°、８０°の７通りの場合についてシミュレーションを行った。また、三角形の形状の場合と比較するため、平板の形状の場合についても同様のシミュレーションを行った。なお、本シミュレーションでは、例えば、太陽光集光シート６２０を構成する媒質（三角形状部６２１、６２３および平板部６２２）の屈折率ｎを１.５に設定した。
【０１４４】
図４１および図４２に示すように、基本的には、形状角度αが大きいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。しかも、形状角度αが４５°以上の場合は、光線角度βのほぼ全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。ただし、形状角度αが４０°の場合であっても、光線角度βが約−６０°〜−１２０°（つまり、法線方向から３０°以内）の範囲以外の領域では、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。特に、上記７通りの中で、形状角度βが７５°の場合には、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が９４.５％以上になっている。
【０１４５】
したがって、図３９の太陽光集光シート６２０は、表面形状が平板の場合と比較して、光線捕捉率が光線角度βのほぼ全範囲にわたって高く、周辺の全範囲の角度の光線を効率良く捕捉することができる機能を有する。これは、上記のように、図３９の太陽光集光シート６２０が、境界面で反射と屈折を繰り返して反射光を効率的に利用（入射）できる形状を有するためである。すなわち、図３９の太陽光集光シート６２０は、反射光を放出させずに他の三角形状部に入射させる機能を有する。
【０１４６】
また、図３９の太陽光集光シート６２０の製造方法としては、１つの平板部６２２の上下にそれぞれ別工程で三角形状部６２１、６２３を形成する方法のほかに、図３５の太陽光集光シート６１０を上下対称な形状となるように２枚合わせて形成する方法が考えられる。
【０１４７】
なお、図３９に示す例では、上下の三角形状部６２１、６２３が平板部６２２を挟んで完全に上下対称に配置されているが、本発明はこれに限定されない。上下の三角形状部６２１、６２３が完全に対称に配置されていなくても、効果はほとんど変わらない。例えば、上下の三角形状部６２１、６２３の間で、形状角度αを変えたり、位置をずらしたりしてもよい。
【０１４８】
また、図３９に示す例では、形状は２次元的であるが、３次元的な形状としては、図４（Ａ）に示すような長手方向の形状のほかに、三角錐や四角錐などの角錐の形状であってもよい。どの形状でも、反射光を放出させずに他の形状部に入射させる機能を有することが要件となる。ただし、図４（Ａ）に示すような長手方向の形状の場合に比べて、角錐の形状の場合のほうが、方位による３次元の光線角度の変化が少なく、より高い効果を得ることができる。例えば、図４３は、四角錐の表面形状を有する太陽光集光シートの平面図である。図４３の太陽光集光シート６５０は、断面が図３９の２次元形状を有する四角錐形状部６５１で構成されている。
【０１４９】
３次元形状の場合、３次元の光線角度での全方位集光効果の死角をなくすため、図４３に示すように、列ごとに半ピッチだけずらした配列が好ましい。また、角錐の形状の中でも、特に、例えば三角錐や四角錐、六角錐などの、平面上の充填構造（図４３参照）を形成できる３次元形状が好ましい。
【０１５０】
このように、本実施の形態によれば、二次元の断面形状として、反射光を放出させずに他の形状部に入射させる構成、具体的には、例えば、平板部を挟んで同一形状の三角形状部を上下対称に配置した構成を有するため、光線の入射角にかかわらず反射光を効率的に利用（入射）することができ、極めて広範囲の入射光を極めて効率的に捕捉（集光）することができる。したがって、実施の形態１における法線集光部１１０に適用した場合、その構成の最適化を図ることができる。
【０１５１】
なお、本実施の形態では、実施の形態１における法線集光部１１０の最適化を例にとって説明したが、用途はこれに限定されない。すなわち、本実施の形態に係る太陽光集光シートは、実施の形態１に係る集光装置の一要素としてのみならず、独立の集光装置としても利用することができる。
【０１５２】
例えば、本実施の形態に係る太陽光集光シート６２０（図３９参照）を、平板型ＰＶ装置に適用することができる。この場合、図３９の太陽光集光シート６２０は、上記のように、従来の平板型の表面（光線捕捉率は平均８１％、図３２参照）と比較して、極めて広範囲の入射光を極めて効率良く捕捉することができるため（例えば、形状角度が６０°の場合、光線捕捉率は光線角度の全範囲で９４.５％以上）、太陽光発電のＬＳＩ素子（太陽電池）の表面に配置することにより、太陽直射光のみならず周辺光を効率的に利用することができ、発電効率を大きく改善することができる。しかも、表面形状を図３９の表面形状にするだけで済むため、安価に製造することができる。
【０１５３】
また、太陽光発電のＬＳＩ素子は、全領域が発電するのではなく、その一部の領域に到達した光を利用することを考慮すると、その一部の領域に光が集中するように、図３９の太陽光集光シート６２０の下部の三角形状部６２３の形状を最適化することにより、発電効率をさらに改善することができる。
【０１５４】
また、他の用途としては、例えば、ビルなど建物（広くは建造物）への適用も考えられる。すなわち、図３９の太陽光集光シート６２０は、上記のように、従来の平板型の表面と比較して、光線角度の全範囲で平板型の光線捕捉率（集光率）の最大値以上の光線捕捉率（集光率）を有するため、特に従来効率が悪かった時間帯（朝夕）や曇りの時などに大きな効果が期待できる。このような特徴から、この太陽光集光シート６２０は、必ずしも太陽光の方向に設置する必要はない。例えば、この太陽光集光シート６２０をビルの壁面などに設置しても、大量の光を捕捉することができる。したがって、本実施の形態に係る太陽光集光シートによれば、従来利用できなかった分野に適用する柔軟性の高い集光システムを構築することが可能になる。さらには、実施の形態１に係るシート型集光装置（集光シート）と併用して、先に集光した光をさらに集光し、照明や集光型ＰＶ装置など多様な用途に利用することができる。
【０１５５】
一例として、例えば、図４４に示すようなビルの多い地域において、各ビルの側面に本実施の形態に係る太陽光集光シート６７０（例えば、図３９の太陽光集光シート６２０で構成されている）を使用した場合、次のような著しい効果を期待することができる。
【０１５６】
第１に、太陽光を含む周辺光を集光して利用するため、そのエネルギーがビルの内部に進入することがなくなり、大きな断熱効果が得られる。特に、熱エネルギーを反射することがないため、照り返しが解消され、夏に大きな効果を期待することができる。
【０１５７】
第２に、従来用いられていた断熱材のように太陽光の熱エネルギーを反射することもなく、他の建造物と共存する 良好な環境を実現することができる。
【０１５８】
第３に、太陽光のエネルギーは約１ｋＷ／ｍ２あり、大きなビルは表面積が数万ｍ２程度ある。したがって、周辺光のエネルギーを吸収して電気エネルギーに変換した場合、条件にもよるが、数千ｋＷ程度の電気エネルギーを期待することができる。これにより、通常のビルが使用する昼間の使用電気エネルギーを大きく削減することができる。
【０１５９】
第４に、集光型発電システムと照明用配光システムにより、本実施の形態に係る太陽光集光シート６７０のみをビルの壁面に使用することで、高価な太陽光発電設備に対する大きなコストメリットを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明に係る集光装置および集光方法は、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い集光装置および集光方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る集光装置の構成を示すブロック図
【図２】図１のシート型集光装置の構成の一例を示す概略要部斜視図
【図３】多層化された法線集光部の構成を示す概略断面図
【図４】法線集光部の他の構成（表面形状）を示す概略図であり、（Ａ）は、概略要部斜視図、（Ｂ）は、概略要部断面図
【図５】法線配光部および線状導光部の構成の一例を示す概略斜視図
【図６】図５を上から見た平面図
【図７】図６のVII−VII線に沿う断面図
【図８】図６のVIII−VIII線に沿う断面図
【図９】図５の詳細を示す図であり、（Ａ）は、図６と同様の平面図、（Ｂ）は、図９（Ａ）の要部を示す平面図、（Ｃ）は、図９（Ｂ）の要部拡大図
【図１０】（Ａ）は、全反射の原理を説明するための図、（Ｂ）は、具体的数値の一例を示す図
【図１１】法線配光部の他の構成を示す概略図であり、（Ａ）は、要部概略図、（Ｂ）は、概略平面図
【図１２】法線配光部のさらに他の構成を示す概略図であり、（Ａ）は、法線配光路の概略斜視図、（Ｂ）は、法線配光路の概略側面図、（Ｃ）は、法線配光路の第１の形態例を示す概略背面図、（Ｄ）は、法線配光路の第２の形態例を示す概略背面図
【図１３】図１２の法線配光路を有する法線配光部の構成を示す概略斜視図
【図１４】線状導光シート部および光圧縮シート部の構成の一例を示す概略図
【図１５】図１４に示す光高圧縮機能部の拡大図
【図１６】図１４の構成を組み合わせた全体構成の一例を示す概略図
【図１７】線状導光路の製造方法の一例を示す工程別断面図
【図１８】図１７に示すスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図
【図１９】紫外線照射工程を説明するための概略図
【図２０】法線配光路が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図
【図２１】（Ａ）は、法線配光路が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、（Ｂ）は、図２１（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図
【図２２】四角錐台の形状を有する法線配光路の製造方法の一例を示す工程別断面図
【図２３】（Ａ）は、図２２に示すスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、（Ｂ）は、図２３（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図
【図２４】（Ａ）は、法線配光路が楕円錐台の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、（Ｂ）は、図２４（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図
【図２５】可変角ライン照射法の概念を説明するための概略図
【図２６】図２５の可変角ライン照射法を実現する具体的手段の一例を示す概略図
【図２７】可動照射ライン部の構成の一例を示す概略図であり、（Ａ）は、断面図、（Ｂ）は、平面図
【図２８】照射光出口部の周辺の概略要部拡大図
【図２９】図２７（Ｂ）に実線矢印で示す斜め方向に向かう光線を可動方向に水平にする作用を説明するための概略図
【図３０】可動照射ライン部の更なる利用法を説明するための概略図
【図３１】本実施の形態における光線捕捉率のシミュレーションの条件を説明するための概略図
【図３２】図３１の表面形状に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図３３】図３２の要部拡大図
【図３４】図３１の表面形状に対する、媒質の屈折率別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図３５】本実施の形態における光線捕捉率の他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図
【図３６】図３５の太陽光集光シートに対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図３７】図３６のシミュレーション結果を説明するための図であって、特に、上部の三角形状部による集光原理（全方位集光効果）を説明するための図
【図３８】図３６のシミュレーション結果を説明するための図であって、特に、上部の三角形状部に加えて下部の平板部をも考慮した場合の集光原理を説明するための図
【図３９】本実施の形態における光線捕捉率のさらに他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図であって、本実施の形態に係る太陽光集光シートの２次元的な形状の一例を示す概略図
【図４０】図３９の太陽光集光シートに対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図４１】図３９の太陽光集光シートに対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図４２】図４１の要部拡大図
【図４３】図３９の太陽光集光シートを実現する３次元的な形状として、四角錐の表面形状を有する太陽光集光シートを示す平面図
【図４４】図３９の太陽光集光シートの他の適用例を説明するための図
【符号の説明】
【０１６２】
１００、１００ａ シート型集光装置
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 法線集光部
１１１ シート層
１１２ マイクロレンズ
１１３ 法線集光部層
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 法線配光部
１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 法線配光路
１２３ 接続部
１３０、１３０ａ 線状導光部
１３１ 線状導光路
１４０ 光圧縮制御部
１５０、１５０ａ 平面集光シート部
１５１ シート基板
１６０、１６０ａ 線状導光シート部
１６１ 線状導光路群
１６２ １次光圧縮レンズ部
１６３ １次圧縮光
１６４ 光入力接合部
１６５ 光出力接合部
１６６ １次圧縮光出力部
１７０、１７０ａ 光圧縮シート部
１７１ １次圧縮光集光レンズ部
１７２ 光高圧縮機能部
１７３ ２次圧縮光
１７４ 導光路
１７５ａ 凸レンズ
１７５ｂ 凹レンズ
１７６ 圧縮光出力部
１７７ 光入力接合部
１７８ １次圧縮光入力部
２００ 光応用システム部
３００、３１０、３２０、３３０ スクリーン印刷原版
３０１、３１１、３２１、３３１ シート材
３０２、３１２、３２２、３３２ 切り抜き部
３０３ 紫外線硬化樹脂
３２５ 製造用透明基板シート
３４０ 可変照射角近接光
３５０ 被照射シート
４００ 紫外線光源
４０１ フレネルレンズ
４０２ 反射板
５００ 可動照射ライン部
５０１ 線状の紫外線光源
５０２ 第１反射板
５０３ 第２反射板
５０４ 照射光出口部
５０５、５０６ マイクロレンズアレイ
６００、６１０、６２０、６５０、６７０ 太陽光集光シート
６１１、６２１、６２３、６５１ 三角形状部
６１２、６２２ 平板部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、太陽光の集光に好適な集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、太陽光発電（ＰＶ：photovoltaic power generation）の方式として、受光面に受光発電部（太陽電池）を敷き詰めた平板方式が多く用いられている。平板方式の太陽光発電装置（平板型ＰＶ装置）は、設置面積の形状で光を集光する機能を有するため、太陽の向きを追尾する必要がなく、設置が容易である。しかし、平板型ＰＶ装置は、設置面積全体に太陽電池を敷き詰めるため、高価である。
【０００３】
そこで、近年、太陽光発電の更なる普及のために、ＰＶ装置の低価格化が求められている。そのため、コストの大半を占める太陽電池の枚数を少なくすることが求められている。
【０００４】
このような背景から、常に太陽方向へ向けた集光レンズなどによって比較的小径の太陽電池面に太陽光を集光して効率的な発電を行うようにした集光型ＰＶ装置が普及しつつある（例えば、特許文献１参照）。集光レンズとしてはフレネルレンズを使用することが多い。このように、集光型ＰＶ装置では、受光面をフレネルレンズで構成して太陽光を数百倍に集光することにより、太陽電池の枚数を少なくしている。これにより、集光型ＰＶ装置は、平板型ＰＶ装置に比べて、太陽電池の使用コストを数十分の一に削減することができる。
【特許文献１】特開２００３−２５８２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、集光型ＰＶ装置にあっては、太陽光の向きを追尾する必要がない平板型ＰＶ装置と対照的に、集光レンズ（フレネルレンズ）の向きが僅かに太陽方向から外れると、太陽電池の受光面上の照度が急激に低下して発電量が大きく減少する。このため、集光型ＰＶ装置では、太陽光の向きを正確に検知し、その向きにフレネルレンズの法線面を合わせる必要がある。このときの角度のずれは、太陽電池のサイズと集光率に依存するが、例えば、±１度以内が要求される。このため、集光型ＰＶ装置では、正確な太陽光追尾機能が必須となっている。
【０００６】
ところが、例えば、家庭用の３ｋＷ程度の集光型ＰＶ装置の場合、太陽光追尾装置は、受光面だけで１０ｍ２程度あり、しかも屋外に設置され強風に耐える強度も要求される。このため、家庭用の集光型ＰＶ装置でさえも、大掛かりな装置となり、設置費用を含めると当初のコストメリットを危うくしている。
【０００７】
このような理由から、現在、太陽光追尾の必要がない集光型ＰＶ装置の開発が強く求められている。
【０００８】
本発明者は、鋭意努力の結果、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い、全く新しい集光装置および方法を編み出し、この集光装置および方法を利用すれば、軽量かつ安価に、太陽光追尾の必要がない集光型ＰＶ装置を実現できることを見出した。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い集光装置および集光方法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】
【００１０】
本発明の集光装置は、平面構造を有するシート型の集光装置であって、外部から照射される光を入射させて前記平面構造の法線方向に導く集光部と、前記集光部からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する配光部と、前記配光部からの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く線状の導光部と、前記導光部からの光を入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する光圧縮制御部と、を有する構成を採る。
【００１１】
本発明の集光方法は、平面構造を有するシート型の集光装置における集光方法であって、外部から照射される光を集光部に入射させて前記平面構造の法線方向に導く工程と、前記集光部からの光を配光部に入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する工程と、前記配光部からの光を線状の導光部に入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く工程と、前記導光部からの光を光圧縮制御部に入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する工程と、を有するようにした。
【００１２】
具体的には、本発明では、例えば、地上に固定されたシート形状の集光装置（集光シート）により集光を行う。集光シートでは、当該シート表面に照射される太陽光および散乱光を集光部から当該シート内部に取り込む。集光部は、反射光を最小限に抑えて広範囲の角度の入射光を当該シート内部に取り込むことができる機能および形状を有する。当該シート内部に取り込まれた入射光は、配光部により、当該シート平面上の線状の導光部の方向に配光される。配光部は、集光部により取り込まれた入射光を線状導光部に効率的に配光するための立体構造および線状導光部との接触形状を有する。線状導光部は、好ましくは、複数の線状の導光路を有する。光圧縮制御部は、複数の線状導光路からの入射光を１つにまとめることによって入射光のエネルギー密度を高める。この光圧縮機能を繰り返すことにより更にエネルギー密度を増加させることもできる。
【００１３】
本発明の他の集光装置は、一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、少なくとも前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する表面形状部、を具備し、前記表面形状部は、前記一方の面側から任意の角度で照射された光を、境界面での反射と屈折を繰り返して内部に入射させる、構成を採る。
【００１４】
本発明のさらに他の集光装置は、一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する第１の表面形状部と、前記他方の表面に形成され、前記第１の表面形状部と同一または略同一の表面形状を有する第２の表面形状部と、を具備し、前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、上下対称にまたは上下略対称に配置されている、構成を採る。好ましくは、本集光装置は、平板状の平板部、をさらに具備し、前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、前記平板部を挟んで上下対称にまたは上下略対称に配置されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ高い利便性・汎用性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る集光装置の構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１に示す集光装置１００は、平面構造を有するシート型の集光装置であって、例えば、太陽光などの自然光（散乱光など周囲に存在する周辺光を含む）をシート形状の平面上に集光し、特定の方向に配光する機能を有する。このシート型集光装置１００は、各種の光応用システム（例えば、集光型ＰＶや太陽光照明、バックライトなど）に対する太陽光利用の利便性を向上させ、安価な光応用システムを提供することを目的としている。
【００１９】
このシート型集光装置（以下「本装置」ともいう）１００は、大別して、法線集光部１１０、法線配光部１２０、線状導光部１３０、および光圧縮制御部１４０で構成されている。
【００２０】
法線集光部１１０は、外部から照射される光（太陽光その他周辺光）を入射させて本装置１００の法線方向に導く機能を有する。具体的には、法線集光部１１０は、本装置１００の法線方向から任意の角度で斜めから入射した光をその法線方向に取り込み（集光し）、法線配光部１２０の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。このように、斜めから入射した光を可能な限り法線方向にそろえることにより、法線配光部１２０の構成（形状）を容易にすることができる。後で詳述するように、法線集光部１１０は、例えば、マイクロレンズをアレイ状に配列した構成を有する。なお、入射光が法線方向からずれるほど反射光が多くなり、例えば、空気中からの入射の場合、入射角が８０°で透過率が５０％程度になるため、斜めから入射する際に限界となる角度として、８０°程度を想定することができる（ただし、上記のように完全になくなるわけではない）。
【００２１】
法線配光部１２０は、法線集光部１１０からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ所定の方向に配光する機能を有する。具体的には、法線配光部１２０は、法線集光部１１０からの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ、線状導光部１３０の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。後で詳述するように、法線配光部１２０は、複数の法線配光路によって構成されている。各法線配光路は、例えば、上記アレイ状の各マイクロレンズの位置に配置されている。なお、エネルギー効率の観点からは、入射光を法線配光部１２０の内部で全反射のみを利用して線状導光部１３０に配光することが好ましいが、実際問題として、全反射のみでは広範囲の入射光を線上導光部１３０に配光することは困難である。そこで、本実施の形態では、法線配光部１２０の形状をなるべく全反射になるような形状にしつつも、全反射だけではなく反射と屈折も利用するようにしている。
【００２２】
線状導光部１３０は、法線配光部１２０からの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く機能を有する。具体的には、線状導光部１３０は、法線配光部１２０からの光を入射させて内部で全反射させつつ、所定の一方向に線状に圧縮集光し、光圧縮制御部１４０の内部に入光（転送）させる機能を有する。後で詳述するように、線状導光部１３０は、互いに光学的に分離された複数の線状構造の導光路（以下「線状導光路」という）を有する。線状導光路は、例えば、透明のシート基板上に印刷して形成されている。また、線状導光路には、複数の法線配光路が接続されている。なお、本明細書において、光の「圧縮」とは、光を集めるなどして光のエネルギー密度を高めることをいう。
【００２３】
光圧縮制御部１４０は、線状導光部１３０の内部を進む光を入射させて圧縮して所定の目的の方向に配光する機能を有する。具体的には、光圧縮制御部１４０は、全反射を繰り返しながら線状導光部１３０（複数の線状導光路）の内部を進んで入射した光をまとめて高圧縮光（高圧縮された光）に変換し、光応用システム部２００に入光（転送）させる機能を有する。後で詳述するように、光圧縮制御部１４０は、例えば、平面レンズの作用により圧縮光を細線化して更にエネルギー密度を高めるようにしている。
【００２４】
なお、光応用システム部２００は、用途に応じて各種のシステムが考えられる。例えば、光応用システム部２００として、上記のように、集光型ＰＶや太陽光照明、バックライトなどが考えられる。いずれにしろ、光応用システム部２００は、シート型集光装置１００（特に光圧縮制御部１４０）から入射した光を当該光応用システムに合わせて変換する機能を有する。具体的には、例えば、集光型ＰＶの場合は、シート型集光装置１００からの入射光（高圧縮光）を光発電素子（太陽電池）に照射する。また、太陽光照明に直接使用する場合は、例えば、シート型集光装置１００からの入射光（高圧縮光）を光拡散シートに直接転送する。また、バックライトの光源として使用する場合は、例えば、２次元分光プリズムを平面シートに形成しておき、この２次元分光プリズムを用いてシート型集光装置１００からの入射光（高圧縮光）を所定の色（ＲＧＢ）に分光して出力する。
【００２５】
上記各構成要素のうち、少なくとも法線集光部１１０、法線配光部１２０、および線状導光部１３０の一部は、同一基板上に形成されている。具体的には、例えば、平面状のシート基板上に線状導光部１３０（複数の線状導光路）の一部が形成され、この一部の線状導光部１３０（各線状導光路）上に法線配光部１２０（複数の法線配光路）が配置され、この法線配光部１２０（各法線配光路）上に法線集光部１１０（各マイクロレンズ）が配置されている。後で詳述するように、少なくとも法線配光部１２０および線状導光部１３０は、透明のシート基板上に、好ましくは、スクリーン印刷により形成される。
【００２６】
また、好ましくは、シート基板上の法線集光部１１０、法線配光部１２０、および線状導光部１３０の一部は、所定の単位でユニット化されている。以下、このユニット化された単位構造の部分を「平面集光シート部」と呼ぶことにする。この平面集光シート部１５０は、外部の光を線状の特定方向に集光する機能を有する。また、法線集光部１１０および法線配光部１２０を持たず、専ら線状導光部１３０のみからなる単位構造の部分を「線状導光シート部」と呼ぶことにする。この線状導光シート部１６０は、線状の特定方向に集光された光をさらに線状に圧縮集光しながら所定の一方向に導く（転送する）機能を有する。この場合、シート型集光装置１００は、少なくとも平面集光シート部１５０と光圧縮制御部１４０で構成され、必要に応じて線状導光シート部１６０をさらに有する。もちろん、好ましくは、光圧縮制御部１４０も、平面状の基板上に形成されてユニット化されている。以下、特にこのユニット化された光圧縮制御部を「光圧縮シート部」と呼ぶことにする。したがって、このようにそれぞれユニット化された平面集光シート部１５０、線状導光シート部１６０、および光圧縮シート部１７０を適宜組み合わせることにより、高い自由度で、用途や環境に応じて、適当なサイズと形状のシート型集光装置１００を容易に設置することができる。特に平面集光シート部１５０は、水平方向のみならず垂直方向にも組み合わせることができる。すなわち、平面集光シート部１５０は、同一平面上水平方向に複数配置したり、上下垂直方向に複数積層したりすることができる。
【００２７】
なお、上記のように、線状導光部１３０では、入射した光は内部を全反射しながら伝播する。全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると線状導光部１３０は透明に見える。これは、法線配光部１２０が全反射のみの形状を有する場合には、このような法線配光部１２０についても同様である。光の伝達において、外部から見えるということは、光エネルギーの損失を意味する。
【００２８】
次いで、シート型集光装置１００の具体的な構成例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図２は、シート型集光装置１００の構成の一例を示す概略要部斜視図である。特に、図２は、平面集光シート部１５０の要部の構成の一例を示している。
【００３０】
図２に示すシート型集光装置１００ａは、平面集光シート部１５０ａを有する。この平面集光シート部１５０ａは、図２に示すように、シート基板１５１上に法線集光部１１０ａ、法線配光部１２０ａ、および線状導光部１３０ａを形成して構成されている。
【００３１】
法線集光部１１０ａは、例えば、透明のシート層１１１上にマイクロレンズ１１２をアレイ状に配列して構成されている。
【００３２】
この構成では、各マイクロレンズ１１２は、上から見ると円形であるため、隣接するマイクロレンズ１１２間に隙間が生じる。そこで、好ましくは、法線集光部１１０ａは多層化されている。
【００３３】
図３は、多層化された法線集光部１１０ａの構成を示す概略断面図である。図３に示す例では、法線集光部１１０ａは、２層構造を有し、第１の法線集光部層１１３−１と第２の法線集光部層１１３−２を積層して構成されている。法線集光部１１０ａの上下２層（法線集光部層１１３−１、１３−２）の位置関係は、図３に示す通りである。ただし、図３では、便宜上、同一の法線集光部層１１３におけるマイクロレンズ１１２間の隙間を無視して示している。
【００３４】
法線集光部層１１３は、例えば、上記のように、透明のシート層１１１上にマイクロレンズ１１２をアレイ状に配列して構成されている。このとき、法線集光部層１１３のマイクロレンズ１１２は、後述するように（例えば、特に図１１（Ｂ）参照）、対応する各線状導光路の伸長方向と平行でかつその線状導光路から離れた（オフセットされた）直線上に一列に配列されている。ところが、各マイクロレンズ１１２は、上記のように、上から見ると円形であるため、同一の法線集光部層１１３では、隣接するマイクロレンズ１１２間に隙間が生じる。そこで、この例では、同じ構造の法線集光部層１１３を上下に配置して２層構造にしている。ただし、このとき、図３に示すように、上下の法線集光部層１１３−１、１３−２は、互いに、同じ線状導光路に対応するマイクロレンズ列について、隣接するマイクロレンズ１１２間の隙間の中心位置に他の法線集光部層１１３のマイクロレンズ１１２の中心がくるように、マイクロレンズ１１２の配列が調整されている。
【００３５】
法線集光部１１０ａは、上記のように、斜めから入射した光を可能な限り法線方向にそろえて、法線配光部１２０の構成を容易にするという機能を有する。したがって、この例のように、法線集光部１１０ａを２層化（多層化）することにより、外部からの光がマイクロレンズ１１２に入射する割合が増大し、この機能の実現をより一層確実にすることができる。
【００３６】
さらには、図示しないが、平面集光シート部１５０ａ自体も２層構造（多層構造）にすることにより、更に集光率（外部からの光が線状導光部１３０に集光される割合）を向上することができる。
【００３７】
法線集光部１１０ａ（多層構造を有する場合は各法線集光部層１１３）は、紫外線硬化樹脂をインクとして使用したインクジェット印刷技術を用いて、例えば、透明のシート層１１１上にマイクロレンズ１１２を印刷して形成されている。なお、マイクロレンズ１１２の製造方法は、インクジェット印刷技術に限定されるわけではなく、任意の適当な製造方法を適用することができる。例えば、インクジェット印刷技術に代えて、スクリーン印刷技術やプラスチック成形技術、光成形技術なども適用可能である。
【００３８】
法線集光部１１０ａは、上記のように、入射光の中で法線方向から大きく外れた光をなるべく法線方向に近く屈折させて法線配光部１２０ａに入光させる機能を有する。この機能を実現するためには、表面に角度をつけて反射光を少なくしつつ法線方向に配光する必要がある。このため、法線集光部１１０ａの表面は、単なる平面でなく、図２および図３に示すように、円形のレンズの構造を持ち、このレンズの作用により、斜めからの光を有効に取り込む必要がある。しかも、このレンズは、法線配光部１２０ａに入射光を導く機能を併せ持つことになる。しかし、レンズは円形であるため、すべての表面を覆うことはできない。そこで、図３に示す例では、法線集光部１１０ａを２層構造にしている。図３において、破線は、入射した光を法線配光部１２０ａの１点に集光するイメージを示し、上側の実線の矢印は、入射光の角度を示している。この場合、入射光は、平坦な面に入射する場合と比べて、局所的な面（レンズの表面）の法線方向に近い角度で入射するようになるため、透過率を高めた状態で集光することが可能になる。
【００３９】
法線集光部１１０は、広範囲の角度で入射する光を効率良く本装置１００ａ内に取り込むことを目的としており、この目的を達成するため、法線集光部１１０（多層構造を有する場合は各法線集光部層、以下同様）は、種々の適当な表面形状をとることができる。例えば、図２および図３に示すマイクロレンズアレイ状に代えて、三角錐や四角錐などの角錐の形状であってもよい。
【００４０】
図４は、法線集光部１１０の他の構成（表面形状）を示す概略図であり、特に、図４（Ａ）は、概略要部斜視図、図４（Ｂ）は、概略要部断面図である。
【００４１】
図４に示す例では、法線集光部１１０ｂは、長手方向（線状導光路１３１の伸長方向）の断面が略三角形である三角柱１１４をアレイ状に配列して構成されている。法線集光部１１０ｂは、表面のこの三角形状によって、三角プリズムの機能により、入射光を法線方向に導く機能を有する。この場合も、法線方向から入射する光（図４（Ａ）の実線の矢印）はもちろん、法線方向から外れた角度で入射する光（図４（Ａ）の破線の矢印）も、法線集光部１１０ｂによって法線方向に集光される。例えば、法線方向から外れた角度で入射する光については、図４（Ｂ）に示す経路をたどって、法線方向に集光される。具体的には、例えば、入射角が８０°の入射光は、境界面を通過する度に曲がり、８０°→７６.３５°→５３°→４７°と角度が変化する。
【００４２】
なお、本発明者は、図４（Ａ）に示すような表面形状（三角形の形状）を例にとって光線捕捉効率のシミュレーションを行った。この結果得られた新たな知見に基づく構成については、実施の形態２において詳細に説明する。
【００４３】
図５は、法線配光部１２０ａおよび線状導光部１３０ａの構成の一例を示す概略斜視図である。図６は、図５を上から見た平面図、図７は、図６のVII−VII線に沿う断面図、図８は、図６のVIII−VIII線に沿う断面図である。さらに、図９は、図５の詳細を示す図であり、特に、図９（Ａ）は、図６と同様の平面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の要部を示す平面図、図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の要部拡大図である。なお、図５〜図８には、本装置１００ａを集光型ＰＶに適用する場合を想定して、東西南北の方位を付している。
【００４４】
法線配光部１２０ａは、上記のように、法線集光部１１０ａからの光を入射させて内部で反射、屈折させつつ、線状導光部１３０ａ（線状導光路１３１）の内部に、全反射可能な角度で入光させる機能を有する。図５〜図９に示す例では、法線配光部１２０ａは、法線集光部１１０ａの各マイクロレンズ１１２に対応して複数の法線配光路１２１を有する。法線配光路１２１の入口１２２（光の入射口）は法線集光部１１０ａのシート基板１１１に接続され、出口（光の出射口）は接続部１２３を介して線状導光部１３０ａの対応する左右一対の線状導光路１３１に接続されている。すなわち、法線配光路１２１は、対応する左右一対の線状導光路１３１の中間位置上に配置されている。また、この例では、法線配光路１２１の入口１２２は楕円形状を有し、法線配光路１２１の本体部（接続部１２３を除く部分）は楕円錐台の形状をしている。すなわち、本体部の出口１２４も楕円形状を有する。
【００４５】
特に、好ましくは、入射光（太陽光）を有効に利用するため、図５〜図９に示すように、隣接する法線配光路１２１の入口（光の入射口）１２２は、法線配光路１２１の高さ、上面（入口）の形、および面積を考慮して、互いに重なるように構成されている。また、この例では、東西方向からの入射光を入射角の変化にかかわらず、効率的に集光するため（東西方向の集光性向上）、法線配光路１２１の入口１２２の形状を東西方向に長い楕円形状とし（特に図９参照）、かつ、入射した光を接続部１２３により左右一対の線状導光路１３１に導く構成としている。すなわち、この例では、接続部１２３を設けて、法線配光部１２０ａの東西方向の入射光を方向によって左右一対の線状導光路１３１に振り分けるようにしている。
【００４６】
また、この例では、線状導光路１３１から法線配光路１２１への光の逆流を最小にするため、法線配光路１２１の接続部１２３の線状導光路１３１との接触点を、小さく、かつ、できるだけ線状導光路１３１に平行に接触させるようにしている。これにより、線状導光路１３１から法線配光路１２１に逆行する光の量を少なくすることができる。
【００４７】
また、太陽光の場合、その入射角は場所の緯度で変化する。そのため、法線配光路１２１の側面の傾斜角θ、γ（図８参照）は、法線配光部１２０ａの高さならびに設置場所の緯度および傾きを考慮して、例えば、実測により、最適値に決定される。ここで、傾斜角θは、例えば、太陽の高さが最も低いとき（北半球の場合は冬至）でも太陽光を有効に利用できる角度に設定される。また、傾斜角γは、例えば、太陽の高さが最も高いとき（北半球の場合は夏至）でも太陽光を有効に利用できる角度に設定される。例えば、図８の例では、破線の円内に示すように、太陽の夏場の高度として８０°を、冬場の高度として３０°をそれぞれ暫定的に設定している。本装置１００ａを水平面上に配置すると仮定した場合でも、太陽光の高さは夏と冬で異なり、また、緯度によっても変化したりと、想定できる変数は多い。そのため、実際の設置に当たっては、多数の変数を考慮して、例えば、上記のように、実測により、傾斜角θ、γを最適値に設定することが好ましい。
【００４８】
線状導光部１３０ａは、上記のように、法線配光部１２０ａからの光を入射させて内部で全反射させつつ所定の一方向に導く機能を有する。線状導光部１３０ａは、互いに光学的に分離された複数の線状構造の導光路（線状導光路１３１）を有する。線状導光路１３１は、全反射を用いて、法線配光部１２０ａの法線配光路１２１から入射した光を一方向に導く機能を有する。線状導光路１３１は、例えば、透明のシート基板１５１上に印刷して形成されている。
【００４９】
法線配光路１２１および線状導光路１３１は、いずれも、全反射により内部を光が伝播することが好ましいため、可視光での屈折率が同一であることが理想的である。このため、基本的には、法線配光路１２１および線状導光路１３１は、例えば、同一成分の樹脂、好ましくは、紫外線硬化樹脂を用いて形成されている。紫外線硬化樹脂は、一般に、プレポリマー、モノマー、光開始剤、増感剤、着色剤、および各種添加剤をブレンドして構成されている。紫外線硬化樹脂は、紫外線（ＵＶ光）の照射を受けると、光開始剤が紫外線を吸入して光重合反応を開始し、モノマーやプレポリマーをポリマーに転換して網目状の架橋構造を生成する。紫外線硬化樹脂を用いる場合、法線配光路１２１および線状導光路１３１と接する周囲の物質（媒質）は、例えば、空気、または窒素などの不活性気体であることが好ましい。ただし、気体の種類はこれに限定されるわけではない。基本的には、気体であれば屈折率は１.０付近であるため、任意の気体を用いることができる。
【００５０】
また、好ましくは、線状導光路１３１は、例えば、透明のシート基板１５１上に印刷により形成され、法線配光路１２１は、線状導光路１３１上に印刷により形成されている。線状導光路１３１および法線配光路１２１は、例えば、周知のスクリーン印刷法を用いて形成される。具体的な製造方法の一例は、後で詳述する。
【００５１】
本装置１００ａにおいて、太陽光１８０は、法線集光部１１０ａによって法線方向に取り込まれ（集光され）、法線配光路１２１に導かれる。法線集光部１１０ａから法線配光路１２１に入射した光１８１は、法線配光路１２１の内部を全反射により伝播する。ここで、全反射とは、屈折率界面におけるエネルギー損失のない完璧な反射のことである（反射率＝１００％）。例えば、法線配光路１２１を紫外線硬化樹脂で形成し、周囲の媒質が空気である場合には、後で説明するように、入射光に対して屈折光がなくなる（反射光のみなる）臨界角は、約４２°になる。したがって、法線配光路１２１の内部を全反射により伝播する光１８１は、境界面（接平面）に対して約±４８°（＝９０°−４２°）以内の傾斜角で伝播する。そして、法線配光路１２１の内部を伝播した光１８１は、接続部１２３を介して左右一対の線状導光路１３１のいずれか一方に入光する（振り分けられる）。法線配光路１２１から線状導光路１３１に入光した光１８２は、線状導光路１３１の内部を全反射により所定の一方向に伝播する。
【００５２】
なお、上記のように、全反射により伝播する光は外部に漏れないため、外部から見ると少なくとも線状導光路１３１は透明に見える。
【００５３】
図１０（Ａ）は、全反射の原理を説明するための図である。また、図１０（Ｂ）は、具体的数値の一例を示す図である。
【００５４】
スネルの法則（屈折の法則）によれば、媒質Ａから媒質Ｂへの入射角をθ１、媒質Ａから媒質Ｂへの屈折角をθ３、媒質Ａの絶対屈折率をｎＡ、媒質Ｂの絶対屈折率をｎＢとすると、以下の関係が成り立つ。
ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ３＝ｎＢ／ｎＡ
ここで、絶対屈折率とは、光波における真空に対する物質固有の相対屈折率のことである。屈折が起こる最大の入射角である臨界角（θ３＝９０°となる）では、屈折光がなくなり、反射光のみとなる。上記の公式から、臨界角の大きさは、媒質の屈折率によって定まることがわかる。ｎＡ＞ｎＢで、光が媒質Ａから媒質Ｂに入射するとき、臨界角θｍ（媒質Ａから媒質Ｂへの入射角）は、次のようになる。
ｓｉｎθｍ＝ｓｉｎθｍ／ｓｉｎ９０°＝ｎＢ／ｎＡ
したがって、媒質Ａから媒質Ｂへの入射角θ１について、
θ１＞θｍ
という関係を満たすことが、全反射の起こる条件となる。なお、反射の法則によれば、境界面（反射面）で反射する光の入射角θ１と反射角θ２は等しい（θ１＝θ２）。
【００５５】
例えば、媒質Ａを紫外線硬化樹脂、媒質Ｂを空気とすると、紫外線硬化樹脂の絶対屈折率は約１．５、空気の絶対屈折率は約１．０であるため、臨界角θｍは、ｓｉｎθｍ＝１．０／１．５から、θｍ＝４１．８１０３°となり、約４２°となる。したがって、この臨界角（約４２°）以上で入射する光、つまり、境界面に対して約４８°以下の角度で入射する光は、すべて反射光となる（全反射）。
【００５６】
本実施の形態は、このような全反射の原理、具体的には、例えば、紫外線硬化樹脂から空気へ光が入射する場合に、境界面（接平面）に対して約±４８°以内で入射する光はすべて境界面で全反射され進行方向に伝播するという原理を、平面上に印刷した導光路での光の伝播に利用したものである。
【００５７】
なお、法線配光部１２０は、法線集光部１１０からの光を効率良く線状導光部１３０内に入光させることを目的としており、この目的を達成するため、法線集光部１２０は、種々の適当な構成をとることができる。
【００５８】
図１１は、法線配光部１２０の他の構成を示す概略図であり、特に、図１１（Ａ）は、要部概略図、図１１（Ｂ）は、概略平面図である。
【００５９】
図１１に示す例では、法線配光部１２０ｂの法線配光路１２１ａは、１つの線状導光路１３１にのみ接続されている。法線配光路１２１ａの入口１２２および出口１２５はそれぞれ楕円形状を有し、法線配光路１２１ａは楕円錐台の形状をしている。法線配光路１２１ａの出口１２５の面積は、入口１２２の面積と異なり、できるだけ小さく設定されている。これにより、線状導光路１３１から法線配光路１２１ａに逆行する光の量を少なくすることができる。また、特に図１１（Ｂ）によく示すように、平面上、法線配光路１２１ａの入口１２２の中心点を線状導光路１３１の中心線からオフセットさせる（好ましくは、線状導光路１３１の外にオフセットさせる）こと、および、法線配光路１２１ａと線状導光路１３１内の光伝播方向とのなす角度を鈍角にすることによって、線状導光路１３１から法線配光路１２１ａに逆行する光の量を更に少なくすることができる。
【００６０】
図１２は、法線配光部１２０のさらに他の構成を示す概略図であり、特に、図１２（Ａ）は、法線配光路の概略斜視図、図１２（Ｂ）は、法線配光路の概略側面図、図１２（Ｃ）は、法線配光路の第１の形態例を示す概略背面図、図１２（Ｄ）は、法線配光路の第２の形態例を示す概略背面図である。また、図１３は、図１２の法線配光路を有する法線配光部の構成を示す概略斜視図である。
【００６１】
図１２および図１３に示す例では、法線配光部１２０ｃの法線配光路１２１ｂは、１つの線状導光路１３１にのみ接続されている。法線配光路１２１ｂの入口および出口はそれぞれ四角形（この例では、長方形または正方形）の形状を有し、法線配光路１２１ｂは四角錐台の形状をしている。法線配光路１２１ｂについても、出口の面積は、入口の面積と異なり、できるだけ小さく設定されている。図１２（Ｃ）は、法線配光路１２１ｂの入口と出口の中心線が一致している場合であり（第１の形態例）、図１２（Ｄ）は、法線配光路１２１ｂの入口と出口の中心線がずれている場合である（第２の形態例）。線状導光路１３１から法線配光路１２１ｂに逆行する光の量を少なくするためには、図１２（Ｃ）に示す第１の形態例よりも図１２（Ｄ）に示す第２の形態例のほうが好ましい。なお、図１２において、「１１１」は、法線配光路１２１ｂの入口が存在する、法線集光部１１０ａのシート基板の一部を示し、「１３１」は、法線配光路１２１ｂの出口が存在する、線状導光路の一部を示している。
【００６２】
図１４は、線状導光シート部１６０ａおよび光圧縮シート部１７０ａの構成の一例を示す概略図であり、図１５は、図１４に示す光高圧縮機能部の拡大図である。
【００６３】
図１４に示す線状導光シート部１６０ａは、上記のように、線状の特定方向に集光された光をさらに線状に圧縮集光しながら所定の一方向に導く（転送する）機能を有する。この線状導光シート部１６０ａは、図１４に示すように、複数（ここでは３つ）の組の線状導光路群１６１を有する。図１４に示す例では、線状導光路群１６１は、５つの線状導光路１３１で構成されている。各線状導光路群１６１において、５つの線状導光路１３１の出口はすべて、対応する１つの１次光圧縮レンズ部１６２に接続されている。１次光圧縮レンズ部１６２は、線状導光路１３１内を伝播した光（１次光）を、レンズ作用により圧縮集光する機能を有する。したがって、各線状導光路群１６１において、５つの線状導光路１３１内をそれぞれ伝播した光（１次光）は、１次光圧縮レンズ部１６２で圧縮集光され、１本のビーム（１次圧縮光）１６３として出力される。一方、５つの線状導光路１３１の入口は、例えば、線状導光シート部１６０ａの光入力接合部１６４および平面集光シート部１５０ａの光出力接合部（図示せず）によって、平面集光シート部１５０ａの対応する線状導光路１３１にそれぞれ接続可能となっている。
【００６４】
図１４に示す光圧縮シート部１７０ａは、上記のように、複数の線状導光路１３１内を進んで入射した光をまとめて高圧縮光（高圧縮された光）に変換し、出力する機能を有する。この光圧縮シート部１７０ａは、図１４に示すように、１次圧縮光集光レンズ部１７１および光高圧縮機能部１７２を有する。１次圧縮光集光レンズ部１７１は、線状導光シート部１６０ａから出力された複数本（ここでは３本）のビーム（１次圧縮光）１６３を、レンズ作用により圧縮集光する機能を有する。１次圧縮光集光レンズ部１７１で圧縮集光された光は、１本のビーム（２次圧縮光）１７３として光高圧縮機能部１７２に入射される。光高圧縮機能部１７２は、１次圧縮光集光レンズ部１７１で圧縮集光された光（２次圧縮光）１７３をさらに圧縮する機能を有する。光高圧縮機能部１７２は、例えば、複数組の平面レンズ（凹凸レンズ）を内蔵し、平面レンズの作用により２次圧縮光１７３を段階的に細線化して順次更にエネルギー密度を高めるように構成されている。
【００６５】
より具体的には、光高圧縮機能部１７２は、図１５に示すように、導光路１７４の中に凹凸レンズ１７５ａ、１７５ｂを組み合わせた構成を有し、この構成により、２次圧縮光１７３を更に細線化して２次圧縮光のエネルギー密度を高めて、圧縮光出力部１７６から外部に出力する機能を有する。図１５において、例えば、白抜きの部分は、樹脂が充填されていないため、屈折率は１.０になる。一方、白抜きの部分以外の部分は、樹脂が充填されているため、屈折率は１.５程度である。そのため、白抜きの部分の形状が凹レンズの形状であれば、その部分は通常の凸レンズの機能を有する（凸レンズ１７５ａ）。逆に、白抜きの部分の形状が凸レンズの形状であれば、その部分は通常の凹レンズの機能を有する（凹レンズ１７５ｂ）。したがって、この２種類のレンズ１７５ａ、１７５ｂの組合せにより、順次光を収束光とすることができる。
【００６６】
線状導光シート部１６０ａと光圧縮シート部１７０ａの接続は、例えば、線状導光シート部１６０ａの光出力接合部１６５と光圧縮シート部１７０ａの光入力接合部１７７を所定の位置で接合することによって行われる。ここで、「所定の位置で」とは、線状導光シート部１６０ａの光出力接合部１６５に取り付けられた導光路（１次圧縮光出力部）１６６の位置と光圧縮シート部１７０ａの光入力接合部１７７に取り付けられた導光路（１次圧縮光入力部）１７８の位置とが合うことを意味する。
【００６７】
したがって、線状導光シート部１６０ａと光圧縮シート部１７０ａが接続された状態において、線状導光シート部１６０ａ内を伝播した光は、１次圧縮光出力部１６６および１次圧縮光入力部１７８により光圧縮シート部１７０ａ内に導かれる。具体的には、例えば、図１４に示す例では、線状導光シート部１６０ａの１５（＝５×３）個の線状導光路１３１に入射した光は、対応する線状導光路１３１内を全反射により伝播し、３個の１次光圧縮レンズ部１６２により３本のビーム（１次圧縮光）１６３にまとめられ、対応する一対の１次圧縮光出力部１６６および１次圧縮光入力部１７８により光圧縮シート部１７０ａ内にそれぞれ入光する。そして、光圧縮シート部１７０ａ内に入光した３本の１次圧縮光１６３は、１個の１次圧縮光集光レンズ部１７１により１本のビーム（２次圧縮光）１７３にまとめられ、光高圧縮機能部１７２に導かれる。そして、光高圧縮機能部１７２内に入光した１本の２次圧縮光は、平面レンズ（凹凸レンズ１７５ａ、１７５ｂ）の作用により段階的に細線化して順次更にエネルギー密度が高められ、高圧縮光として圧縮光出力部１７６から出力される。
【００６８】
図１６は、図１４の構成を組み合わせた全体構成の一例を示す概略図である。
【００６９】
図１６に示す例では、６個の線状導光シート部１６０ａと４個の光圧縮シート部１７０ａが組み合わされている。具体的には、図１６のシステムは、６個の線状導光シート部１６０ａをそれぞれ３個ずつ前段と後段の２つに分けて、前段の線状導光シート部１６０ａと後段の線状導光シート部１６０ａを３列並列にそれぞれ接続し、後段の３列の線状導光シート部１６０ａを３個の光圧縮シート部１７０にそれぞれ１対１で接続し、この３列の光圧縮シート部１７０を１個の光圧縮シート部１７０に接続して構成されている。また、この例では、前段の線状導光シート部１６０ａの各線状導光路群１６１で圧縮集光した光を、後段の線状導光シート部１６０ａの各線状導光路群１６１のうち１つの線状導光路１３１に入光させるようにしている。このとき、後段の線状導光シート部１６０ａの各線状導光路群１６１に対応する１次光圧縮レンズ部１６２から出力される光（１次圧縮光）１６３は、新たに入光した光と前段からの１次圧縮光との和になる。この接続を複数回繰り返すことにより、更に大量の光を得ることができる。
【００７０】
次に、平面集光シート部１５０ａにおける法線配光路１２１および線状導光路１３１の製造方法について、図面を用いて説明する。なお、ここでは、一例として、例えば、スクリーン印刷を利用して、法線配光路１２１および線状導光路１３１を製造する場合について説明する。
【００７１】
まず、図１７〜図１９を用いて、スクリーン印刷により透明のシート基板１５１上に線状導光路１３１を形成（印刷）する場合について説明する。ここで、図１７は、線状導光路１３１の製造方法の一例を示す工程別断面図である。図１８は、図１７に示すスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図である。図１９は、紫外線照射工程を説明するための概略図である。
【００７２】
まず、図１７（Ａ）に示すように、線状導光路１３１のパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３００を用意する。この線状導光路パターン用のスクリーン印刷原版３００は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３０１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３０２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、線状導光路１３１のパターン形状に合わせてシート材３０１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３００は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３００は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。
【００７３】
そして、図１７（Ｂ）に示すように、透明のシート基板１５１上に図１７（Ａ）のスクリーン印刷原版３００を設置した後、スクリーン印刷原版３００の切り抜き部３０２に液状の紫外線硬化樹脂３０３を充填塗布する。スクリーン印刷原版３００の切り抜き部３０２に充填塗布された液状の紫外線硬化樹脂３０３は、紫外線の照射を受けない限り、硬化することはなく、非硬化の状態である。液状の紫外線硬化樹脂３０３は、ある程度粘性を持った樹脂を使用するため、液状ではあるものの、充填塗布された形を維持することができる。図１８も参照。
【００７４】
そして、図１７（Ｃ）に示すように、シート面に対し法線方向から紫外線（ＵＶ光）を照射する。これにより、切り抜き部３０２内の紫外線硬化樹脂３０３は硬化して線状導光路１３１のパターンが形成される。
【００７５】
具体的には、この紫外線照射工程は、例えば、従来のスクリーン印刷における紫外線照射法によって実施することができる。すなわち、従来のスクリーン印刷では、シート面の法線方向から角度をずらして紫外線を照射することは考えられていなかった。むしろ、従来のスクリーン印刷では、完全に法線方向から照射することが重要であった。そのため、従来の紫外線照射法では、紫外線光源からの紫外線（ＵＶ光）をフレネルレンズなどの光学系を用いて平行光にしてシート面の法線方向から照射していた。例えば、図１７（Ｃ）の紫外線照射工程では、図１９（Ａ）に示すように、紫外線光源４００をシート面からから離れた位置に配置し、この紫外線光源４００からの紫外線を、例えば、フレネルレンズ４０１を用いてシート面の法線方向からの平行光にして非硬化状態の紫外線硬化樹脂３０３に照射する。なお、紫外線光源４００からの紫外線の有効利用を図るため、紫外線光源４００の背面側（照射方向の後ろ側）に反射板４０２を設置して、紫外線光源４００からの紫外線を反射して照射方向に向けるようにしている。
【００７６】
そして、図１７（Ｄ）に示すように、シート基板１５１上のスクリーン印刷原版３００を除去する。これにより、シート基板１５１上に線状導光路１３１のパターンが印刷される（図１９（Ｂ）参照）。
【００７７】
なお、上記の例では、スクリーン印刷原版３００を設置したまま紫外線を照射しているが、これに限定されない。例えば、スクリーン印刷原版３００の切り抜き部３０２に充填塗布された液状の紫外線硬化樹脂３０３は、上記のように、樹脂の粘性により、充填塗布された形を保持することができ、スクリーン印刷原版３００を除去しても形が崩れるおそれがないため、スクリーン印刷原版３００を除去した後に紫外線を照射することも可能である。
【００７８】
次に、図２０〜図３０を用いて、スクリーン印刷により線状導光路１３１上に法線配光路１２１を形成（印刷）する場合について説明する。なお、ここでは、法線配光路１２１の形状としていくつかの形状を例にとって、それぞれに応じた製造方法を説明する。
【００７９】
まず、図２０および図２１を用いて、法線配光路１２１が直方体の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図２０は、法線配光路１２１が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図である。図２１（Ａ）は、法線配光路１２１が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
【００８０】
この場合、法線配光路１２１ｃが直方体の形状を有するため、線状導光路１３１と同様の製造方法を用いて線状導光路１３１上に法線配光路１２１ｃを形成（印刷）することができる。すなわち、直方体の法線配光路１２１ｃのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３１０を用意する。このスクリーン印刷原版３１０は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３１１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３１２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、法線配光路１２１ｃのパターン形状に合わせてシート材３１１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３１０は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３１０は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。なお、その後の工程は、図１７（Ｂ）〜図１７（Ｄ）と同様であるため、その説明を省略する。
【００８１】
次に、図２２および図２３を用いて、法線配光路１２１が四角錐台の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図２２は、四角錐台の形状を有する法線配光路１２１の製造方法の一例を示す工程別断面図である。図２３（Ａ）は、図２２に示すスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
【００８２】
まず、図２２（Ａ）に示すように、四角錐台の法線配光路１２１ｂのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３２０を用意する。このスクリーン印刷原版３２０は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３２１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３２２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、法線配光路１２１ｂのパターン形状に合わせてシート材３２１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３２０は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３２０は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。
【００８３】
そして、図２２（Ｂ）に示すように、線状導光路１３１のパターンが印刷されたシート基板１５１上に、液状の紫外線硬化樹脂３２３を所定の厚さで充填塗布する。このとき、液状の紫外線硬化樹脂３２３上には、図２２（Ａ）のスクリーン印刷原版３２０が設置されている。その後、この状態において、例えば、法線方向から６０°傾斜した方向から、スクリーン印刷原版３２０の裏面の製造用透明基板シート３２５に向けて、紫外線（ＵＶ光）を照射する。この紫外線は、スクリーン印刷原版３２０の切り抜き部３２２を通過して液状の紫外線硬化樹脂３２３に到達する。これにより、液状の紫外線硬化樹脂３２３は、紫外線が照射された部分３２４のみが硬化する。
【００８４】
そして、図２２（Ｃ）に示すように、今度は、紫外線の照射角度を変えて、例えば、法線方向から４５°傾斜した方向から、同じくスクリーン印刷原版３２０の裏面の製造用透明基板シート３２５に向けて、紫外線（ＵＶ光）を照射する。この紫外線は、切り抜き部３２２を通過して別の領域の液状の紫外線硬化樹脂３２３に到達する。これにより、最終的に、法線配光路１２１ｂのパターンに相当する部分の紫外線硬化樹脂３２３が硬化して、法線配光路１２１ｂのパターンが形成される。
【００８５】
そして、図２２（Ｄ）に示すように、スクリーン印刷原版３２０を除去し、さらに、非硬化樹脂、つまり、残存する液状の紫外線硬化樹脂３２３を洗浄して除去する。これにより、線状導光路１３１のパターン上に四角錐台の法線配光路１２１ｂのパターンが印刷される（図２３（Ｂ）参照）。
【００８６】
なお、スクリーン印刷では、何度も上塗りして厚さを高くすることにより立体的な構造を形成することができる。そのため、立体的な構造の場合、通常、スクリーン印刷の原版の厚さと実際に印刷された厚さとは異なる。また、スクリーン印刷原版を通して紫外線を法線方向からずれた角度で照射する場合、原版の厚さが薄いほど、照射角度を大きくとることができる、つまり、法線方向から大きくずれた角度で照射することができる。
【００８７】
次に、図２４を用いて、法線配光路１２１が楕円錐台の形状を有する場合の製造方法について説明する。ここで、図２４（Ａ）は、法線配光路１２１が楕円錐台の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図である。
【００８８】
この場合、法線配光路１２１ａが楕円錐台の形状を有するため、四角錐台の形状を有する法線配光路１２１ｂと同様の製造方法を用いて線状導光路１３１上に法線配光路１２１ａを形成（印刷）することができる。すなわち、楕円錐台の法線配光路１２１ａのパターンを形成するためのスクリーン印刷原版３３０を用意する。このスクリーン印刷原版３３０は、例えば、ステンレスシートやアルミニウム箔シートなどのシート材３３１に、紫外線（ＵＶ光）を透過させるパターン部（切り抜き部）３３２を形成してなる。具体的には、例えば、ＹＡＧレーザ機などにより、法線配光路１２１ａのパターン形状に合わせてシート材３３１を切り抜く。このスクリーン印刷原版３３０は、好ましくは、その厚さを無視できる程度の厚さ、例えば、数十ミクロン（μｍ）程度の厚さを有する。一例として、スクリーン印刷原版３３０は、例えば、１０μｍ厚のステンレスシートである。なお、その後の工程は、図２２（Ｂ）〜図２２（Ｄ）と同様であるため、その説明を省略する。
【００８９】
なお、法線配光路１２１が円錐台の形状を有する場合も、楕円錐台の形状を有する法線配光路１２１ａと同様の製造方法を用いることができる。そこで、以下の説明では、便宜上、「楕円錐台」は円錐台を含むものとする。
【００９０】
上記のように、法線配光路１２１の形状が楕円錐台（法線配光路１２１ａ）または四角錐台（法線配光路１２１ｂ）の場合には、照射角度を変えて紫外線（ＵＶ光）の照射を行う必要がある（特に図２２（Ｂ）および図２２（Ｃ）参照）。上記した従来のスクリーン印刷では、法線方向からずれた角度で照射を行う方法として、例えば、光源全体を回転させるか、あるいは、フレネルレンズを傾けることが考えられる。しかし、この方法では、光源からシート面までの距離に差が発生し、シート面上の全領域に均一に照射できないという問題がある。そこで、照射角度を可変することができ、かつ、シート面上に一様に照射することができる方法が必要である。本発明者は、鋭意努力の結果、この２つの要件を満たす照射方法（以下「可変角ライン照射法」という）を見出した。
【００９１】
図２５は、可変角ライン照射法の概念を説明するための概略図、図２６は、図２５の可変角ライン照射法を実現する具体的手段の一例を示す概略図である。なお、ここでは、楕円錐台の形状を有する法線配光路１２１ａを製造する場合を例にとって説明する。
【００９２】
可変角ライン照射法では、図２５に示すように、スクリーン印刷原版３３０を通して、印刷する法線配光路１２１ａの反対側から、可変照射角近接光３４０を照射する。ここで、可変照射角近接光とは、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置から、近接の照射対象に照射される光（近接の照射光）のことである。具体的には、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置において、後述する内蔵のマイクロレンズが照射対象に近接（１ｍｍ程度以下）しており、このマイクロレンズの焦点距離を５００ミクロン（μｍ）程度とした場合、このマイクロレンズと照射対象との距離を調整することで、照射光の広がりを調整することができる。さらに、例えば、２層のマイクロレンズの配置のパターンを照射対象に合わせて細かく調整することもできる。このような特徴を有する照射光が、可変照射角近接光である。そして、この可変照射角近接光３４０が照射された部分が硬化した後、非硬化部分を洗浄して除去する。
【００９３】
可変照射角近接光３４０は、図２６に示すように、可動照射ライン部５００から出射される。可動照射ライン部５００は、例えば、線状導光路１３１の伸長方向（長手方向）と直角の方向に伸長するライン状の照射ユニットであって、線状導光路１３１の伸長方向に可動自在に構成されている。可動照射ライン部５００は、スクリーン印刷原版３３０を挟んで、印刷する法線配光路１２１ａの反対側に設置される。
【００９４】
図２７は、可動照射ライン部５００の構成の一例を示す概略図であり、特に図２７（Ａ）は断面図、図２７（Ｂ）は平面図である。
【００９５】
図２７に示す可動照射ライン部５００は、線状の紫外線光源５０１と、紫外線光源５０１からの紫外線（ＵＶ光）の一部を反射させる線状の第１反射板５０２と、紫外線光源５０１からの紫外線および第１反射板５０２で反射された紫外線を出口方向に反射させる線状の第２反射板５０３と、第２反射板５０３で反射された紫外線を照射光として出射する線状の照射光出口部５０４とを有する。線状の紫外線光源５０１としては、例えば、高圧水銀ランプなどの線状光源や、複数の紫外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を線状に並べた光源などを用いることができる。
【００９６】
第１反射板５０２は、好ましくは、伸長方向（長手方向）に垂直な断面が放物線の形状をしている。この場合、紫外線光源５０１は、放物線（第１反射板５０２）の焦点に配置される。これにより、特に図２７（Ａ）によく示すように、放物線の焦点（紫外線光源５０１）から出た同一の垂直断面上の光は、放物線の曲面で反射されると、すべての光が放物線の中心軸の方向に反射される。すなわち、紫外線光源５０１から出て第１反射板５０２で反射された紫外線は、第２反射板５０３の方向に向かう平行光となる。
【００９７】
第２反射板５０３は、角度を可変することができる板状の反射板であり、回転軸５０３ａの回りに回転自在に構成されている。第２反射板５０３の角度を変化させることにより、被照射シート３５０への紫外線の照射角度を変えることができる。ここで、被照射シート３５０とは、紫外線を照射する対象となるシートを広く意味し、例えば、硬化させるべき紫外線硬化樹脂を含む任意の段階のシートを含んでいる。なお、被照射シート３５０への照射パターンは、照射パターン形成シートとして機能するスクリーン印刷原版３３０によって形成される。照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）と被照射シート３５０とは、被照射シート３５０の上部の紫外線硬化部の平坦度を確保するため、微小な距離だけ離れており、密着していない。照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）と被照射シート３５０とは、数十ミクロン（μｍ）程度の距離をとることが望ましい。
【００９８】
照射光出口部５０４は、例えば、図２７（Ａ）に示すように、２層のマイクロレンズアレイ５０５、５０６を有する。このうち、照射対象に近いほうが近焦点マイクロレンズアレイである。ここで、近焦点マイクロレンズアレイとは、上記の可変照射角近接光３４０を形成するためのマイクロレンズアレイのことである。具体的には、上記のように、紫外線の照射角度を可変にできる照射装置において、内蔵のマイクロレンズアレイ５０６が照射対象（照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）および被照射シート３５０）に近接（１ｍｍ程度以下）しており、このマイクロレンズアレイ５０６の焦点距離を５００ミクロン（μｍ）程度とした場合、このマイクロレンズアレイ５０６と照射対象との距離を調整することで、照射光の広がりを調整することができる。さらに、２層のマイクロレンズアレイ５０５、５０６の配置のパターンを照射対象に合わせて細かく調整することもできる。このような特徴を有するマイクロレンズアレイが、近焦点マイクロレンズアレイである。また、２層のマイクロレンズアレイ５０５、５０６において、第１層のマイクロレンズアレイ５０５のマイクロレンズの大きさは、第２層のマイクロレンズアレイ５０６のマイクロレンズの大きさよりも大きい。なぜなら、第１層のマイクロレンズアレイ５０５は、放物面を有する第１反射板５０２の作用と相俟って、第２層のマイクロレンズアレイ５０６に対し法線方向から一様に紫外線（ＵＶ光）を入射させるため、紫外線光源５０１の平面方向の広がりを法線方向に修正する機能を有し、このためには、照射強度を一様にするため、第１層のマイクロレンズアレイ５０５のマイクロレンズを、第２層のマイクロレンズアレイの５０６のマイクロレンズよりも大きくする必要があるためである。
【００９９】
図２８は、照射光出口部５０４の周辺の概略要部拡大図である。ここでは、図２８に示す距離ｄ（近焦点マイクロレンズアレイと照射対象との距離）を変化させて紫外線の放射パターンを調整する。ここで、紫外線の放射パターンの調整とは、照射光の広がり具合を焦点距離からのずれで調整することを意味する。すなわち、照射ポイントの大きさに合わせて、近焦点マイクロレンズアレイ５０６と被照射シート３５０上の照射パターン形成シート（スクリーン印刷原版３３０）との距離ｄを変化させる。また、照射光出口部５０４に装着するアレイユニット（マイクロレンズアレイの構成と組合せ）は、被照射シート３５０への照射パターンに応じて交換可能である。例えば、線状導光部１３０ａのシートを作成する場合、本来ＵＶ光を照射する必要のある部分と照射する必要のない部分とがあり、照射する必要のある部分にのみＵＶ光を照射できるようにマイクロレンズアレイのパターを最適化することができる。この最適化したマイクロレンズアレイの部分をユニット化して被照射シートごとに交換することにより、ＵＶ光のエネルギーを有効に利用することができる。なお、図２８において、「３５１」は、被照射シート３５０のうち、紫外線が照射されずに非硬化状態の部分（紫外線非硬化部）を示し、「３５２」は、紫外線が照射されて硬化状態の部分（紫外線硬化部）を示している。
【０１００】
図２９は、図２７（Ｂ）に実線矢印で示す左右の斜め方向に向かう光線を可動方向に水平にする作用を説明するための概略図である。第１層のマイクロレンズアレイ５０５は、上記のように、放物面を有する第１反射板５０２の作用と相俟って、第２層のマイクロレンズアレイ５０６に対し法線方向から一様に紫外線（ＵＶ光）を入射させるため、紫外線光源５０１の平面方向の広がりを法線方向に修正する機能を有する。これにより、左右方向に進行する光を進行方向にそろえることができる。
【０１０１】
図３０は、可動照射ライン部５００の更なる利用法を説明するための概略図である。ここでは、可動照射ライン部５００を可動方向に対して回転させることにより、更に柔軟な可変角照射が可能になる。具体的には、可動照射ライン部５００の上記の利用法では、可動方向に対して照射光の角度を変化させることはできるものの、このままでは可動方向に垂直な方向には照射角度を変化させることができない。そこで、可動照射ライン部５００を可動方向にある角度だけ傾けることにより、可動方向に垂直な方向からも照射することが可能になる。その際、被照射シートそのものを回転させて照射角度を調整することも考えられるが、可動照射ライン部５００を回転させて照射角度を調整するほうが、形成精度が良好となる。なぜなら、被照射シートそのものを回転させて照射角度を調整する方法では、被照射シートを可動方向に対して目的の角度に回転して配置し直す必要があるが、可動照射ライン部５００を回転させて照射角度を調整する方法では、可動照射ライン部５００を、例えば、１ミクロン（μｍ）のピッチでその位置を確認しながら高精度に進めることができ、可動照射ライン部５００の両端の位置を検出し制御することで、高精度にその角度を調整することができるからである。
【０１０２】
このように、可変角ライン照射法では、光源５０１から照射ポイントまでの距離が短く、かつ、ライン上の照射パターンであるため、効率良く強力な紫外線（ＵＶ光）を被照射シート３５０内の特定の場所に照射することができる。また、光源５０１の熱の発生を大きく減少することができる。すなわち、従来の照射法において平面上に１度に照射していた紫外線を、この可変角ライン照射法では、ライン上に順次照射し、しかも、必要な場所にのみ照射するため、紫外線のロスを大幅に低減することができ、その分、消費電力を抑え、熱の発生を減少することができる。
【０１０３】
なお、線状の紫外線光源５０１としては、上記のように、例えば、高圧水銀ランプなどの線状光源や、紫外線ＬＥＤを線状に配列した光源などを用いることができる。ＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤの輝度をマイクロ秒（μｓ）オーダで動的に制御できるため、柔軟な照射システムを構成することができる。また、紫外線ＬＥＤを線状に配列する場合には、ＬＥＤの発光期間をＬＥＤ素子ごとに細かく調整することにより、被照射シート３５０内の特定の場所の放射輝度を変えることができる。したがって、シート面内の紫外線の放射輝度を自由に制御することができる。
【０１０４】
なお、紫外線硬化樹脂を用いた印刷方法として、上記したスクリーン印刷技術のほかに、インクジェット印刷技術やオフセット印刷技術などを利用することもできる。すなわち、紫外線の照射角度を複数回変えて硬化させることによりシート上に微細な立体構造を形成することができる印刷技術であれば、どのような印刷技術を利用してもよい。印刷技術を用いた場合には、安価に大量に製造できるという利点があるが、それ以外にも、例えば、ＬＳＩなどの製造に用いられるフォトリソグラフィやスパッタリング、エッチングなどの技術を用いて、線状導光部１３０ａを製造できるという利点がある。また、特に線状導光路１３１の形成方法については、上記の印刷技術のほかに、一般的なプラスチック成型技術を利用することも可能である。
【０１０５】
このように、本実施の形態によれば、法線集光部１１０、法線配光部１２０、および線状導光部１３０を設けて、外部から照射される光を集光して所望の方向に配光できるようにしたため、広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができる。
【０１０６】
また、特に法線配光部１２０および線状導光部１３０は、複数層の紫外線硬化樹脂を用いた印刷技術により製造できるため、光応用システム部２００のＬＳＩ素子（例えば、ＰＶ装置の太陽電池など）とは物理的に独立して製造することができる。したがって、軽量でフレキシブル（折り曲げ可能）な機械特性を持つことができる。さらに、一般的な紫外線印刷技術により製造が可能であるため、大量に安価に製造することができる。
【０１０７】
また、所定の機能単位でユニット化できるため、高い利便性・汎用性を実現することができる。
【０１０８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１における法線集光部１１０の構成（特に表面形状）を最適化した場合である。ここでは、例えば、一例として、太陽光を集光する場合を例にとって説明する。そのため、本実施の形態における法線集光部１１０を「太陽光集光シート」と呼ぶことにする。
【０１０９】
本発明者は、例えば、図４（Ａ）に示すような表面形状（三角形の形状）を例にとって光線捕捉率のシミュレーションを行った。
【０１１０】
図３１は、本実施の形態における光線捕捉率のシミュレーションの条件を説明するための概略図である。
【０１１１】
本シミュレーションでは、図３１に示すように、断面が三角形（具体的には二等辺三角形）の形状を持つ太陽光集光シート６００を想定し、三角形の底角（以下「形状角度」という）をα°、入射する光線の角度（以下「光線角度」という）をβ°、三角形のピッチをＰ、太陽光集光シート６００を構成する媒質（例えば、樹脂）６０１の屈折率をｎとした。光線角度βは、水平方向に対する光線の入射方向の角度と定義した。本シミュレーションでは、ピッチＰの範囲内に所定の数（角度：−６〜−１７４°の範囲で４°刻みで４３箇所、座標：−０.０５Ｐ〜―０.９５Ｐの０.１Ｐ刻みの１０箇所、の合計４３０本）の光線を、光線角度を４３ステップで変化させつつ、始点座標を等間隔で１０個所から入射し、光線を計算により１本１本追跡して、光線捕捉率を計算した。ここで、光線捕捉率は、入射光量に対する透過光量の割合（％）と定義した。すなわち、光線捕捉率（％）は、次の式、
光線捕捉率＝（透過光量／入射光量）×１００
で表される。この式からも明らかなように、光線捕捉率は、光線の透過率と同義である。入射光量は、１本の入射光線の光量を１として、１ピッチＰ当たり、４３０とした。例えば、１本の入射光線に着目すると、この入射光線は、媒質の境界面で反射と屈折を繰り返し、最終的に、太陽光集光シート６００に対して上方への反射光と下方への透過光とに分かれる。このとき、全反射の場合を除いて、反射光も屈折光も減衰する。１ピッチ当たりの入射光量および透過光量は、１本１本の入射光線に基づく最終的な反射光および透過光の光量をそれぞれ総計したものとなる。なお、１本１本の入射光線に対する光線追跡は、反射光と屈折光のすべてに対して、光量が１万分の１以下になるまで行った。
【０１１２】
図３２は、図３１の表面形状に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。図３３は、図３２の要部拡大図である。ここでは、形状角度αが３０°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、８０°の１０通りの場合についてシミュレーションを行った。また、三角形の形状の場合と比較するため、平板の形状の場合についても同様のシミュレーションを行った。なお、本シミュレーションでは、例えば、媒質６０１の屈折率ｎを１.５に設定した。
【０１１３】
図３２および図３３に示すように、形状角度αが大きいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。しかも、形状角度αが４０°以上の場合は、光線角度βのほぼ全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。ただし、形状角度αが３０°の場合であっても、光線角度βが約−６７°〜−１１３°（つまり、法線方向から２３°以内）の範囲以外の領域では、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。すなわち、図３２および図３３からは、一般に、表面形状が三角形の場合のほうが平板の場合よりも光線捕捉率が高く、特に、表面形状が三角形の場合は、形状角度αが大きいほど光線捕捉率が高いことがわかる。したがって、表面形状が三角形の場合には、上記１０通りの中で、形状角度αが８０°の場合に、光線捕捉率が、光線角度βのほぼ全範囲にわたって最も高くなっている。
【０１１４】
なお、図３１の表面形状が持つ効果、つまり、光線角度のほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高いという効果を、太陽が如何なる方位・高さにあろうとも高い集光効果を得ることができるという意味で、「全方位集光効果」と呼ぶことにする。この全方位集光効果は、表面形状が平板の場合と比較して図３１の表面形状が持つ顕著な効果である。
【０１１５】
この全方位集光効果は、後で詳述するが、図３１の表面形状が、境界面で反射と屈折を繰り返して反射光を効率的に利用（入射）できる形状を有するためである。換言すれば、図３１の表面形状は、入射光を直接入光する仕組みと反射光を入光する仕組みの両方を有する、つまり、直射光のみならず周辺光を効率的に入光する仕組みを有する。
【０１１６】
図３４は、図３１の表面形状に対する、媒質の屈折率別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。ここでは、表面形状が三角形の場合と平板の場合のそれぞれに対して、媒質の屈折率が１.３、１.４、１.５、１.６の４通りの場合についてシミュレーションを行った。なお、このシミュレーションでは、例えば、形状角度αを８０°に設定した。
【０１１７】
図３４に示すように、表面形状が三角形の場合も平板の場合も、媒質の屈折率が小さいほど、つまり、空気（屈折率は約１.０）との屈折率の差が小さいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。すなわち、表面形状が三角形の場合には、上記４通りの中で、媒質の屈折率が１.３の場合に、光線捕捉率が、光線角度βのほぼ全範囲にわたって最も高くなっている。ただし、屈折率の差による光線捕捉率の差はあまり顕著ではない。
【０１１８】
このように、屈折率の変化に対して全方位集光効果にあまり変化が見られないのは、この全方位集光効果が、幾何学的な反射の効果と、屈折の法則（スネルの法則）のみによって得られるためであると考えられる。この意味で、原理は、非常にシンプルである。
【０１１９】
上記のシミュレーションにより、表面形状が三角形の場合の光線捕捉率の傾向が判明し、最適な形状に関する知見が得られた。しかし、実際の製造を考慮した場合、厚みのある平板上に三角形の形状を持つ部分を形成する必要がある。そこで、本発明者は、次に、図３５に示す構成を有する太陽光集光シート６１０を想定し、上記と同様のシミュレーションを行った。
【０１２０】
図３５は、本実施の形態における光線捕捉率の他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図である。
【０１２１】
図３５に示す例では、シミュレーションの対象である太陽光集光シート６１０は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部６１１と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部６１２とで構成されている。シミュレーションの条件は、図３１に示す構成を対象とするシミュレーションと同様である。ただし、本シミュレーションでは、三角形状部６１１と平板部６１２を同一の材料で構成し、例えば、その屈折率を１.５に設定した。また、形状角度αは、６０°に設定した。なお、この場合、光線捕捉率の計算に必要な透過光量は、平板部６１２から下方へ透過した光量となる。
【０１２２】
図３６は、図３５の太陽光集光シート６１０に対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【０１２３】
図３６に示すように、表面形状が平板の場合と比較して、法線方向からの角度が大きい領域（例えば、法線方向からの角度が約５４°以上の領域）６１３では、表面形状が平板の場合よりも光線捕捉率が高く、より多くの光を透過させている。一方、法線方向からの角度が小さい領域（例えば、法線方向からの角度が約５４°以下の領域）６１４では、表面形状が平板の場合と比べて、平板部６１２への入射角が大きくなるため、表面形状が平板の場合よりも光線捕捉率（透過率）が劣っている。すなわち、この場合は、せっかく上部の三角形状部６１１で集光した光が、あまり下部の平板部６１２を通過しない結果となっている。換言すれば、上部の三角形状部６１１が有する全方位集光効果が、下部の平板部６１２の存在によって、一部の角度領域で大幅に阻害される結果となっている。
【０１２４】
図３７および図３８は、図３６のシミュレーション結果を説明するための図である。特に、図３７は、上部の三角形状部６１１による集光原理（全方位集光効果）を説明するための図であり、図３８は、上部の三角形状部６１１に加えて下部の平板部６１２をも考慮した場合の集光原理を説明するための図である。ここでは、三角形状部６１１の対向する２面のうち、一方の面を「面Ａ」と呼び、他方の面を「面Ｂ」と呼ぶことにする。
【０１２５】
まず、上部の三角形状部６１１のみを考慮した場合において、例えば、光線が法線方向から入射した場合、この光線（入射光）は、図３７に示すような経路をたどって境界面で反射と屈折を繰り返し、その結果、９９.２％程度以上の光線を捕捉することができる。具体的には、例えば、図３７に示すように、法線方向から面Ｂに入射した光線は、その８０％程度が屈折して面Ａで全反射して平板部６１２に入射し、残り２０％程度が反射して隣の三角形状部６１１の面Ａに垂直に入射し、そのほとんど全部（１９.２％程度）が屈折して平板部６１２に入射する。残りの再反射光（０.８％程度）の一部は、再び元の面Ｂで屈折して面Ａで全反射して平板部６１２に入射する。したがって、この場合、合計９９.２％以上の光線が平板部６１２に捕捉されることになる。
【０１２６】
また、図３８の真ん中の光線のように、法線方向から６０°傾いた光線は、三角形の斜面（面Ａ）に垂直に入射し（この時、９６％の光が入射する）、入射した屈折光は、次の斜面（面Ｂ）で全反射する。この結果、最初の斜面（面Ａ）の反射光以外は、三角形状部６１１内に捕捉されるため、９６％の外光捕捉率となる。
【０１２７】
したがって、この場合、法線方向から６０°以内の入射光は、この原理により、ほとんど（９９％以上）集光する（図３２、図３３参照）。
【０１２８】
ところが、上部の三角形状部６１１に加えて下部の平板部６１２をも考慮した場合、次の原理により、図３６に示すような結果となる。
【０１２９】
まず、図３８の真ん中の光線の例のように、法線方向からの角度が大きい場合には、面Ａからの入射光のうち、面Ｂで反射する光が多く存在し、そのうち、面Ｂで全反射する光は大きく法線方向に反射するため、平板部６１２への入射角が法線方向に近くなり、平板部６１２を透過する光量が多くなる。この結果、図３６の両端部（領域６１３）の透過率は、比較的良くなっている。
【０１３０】
しかし、図３８の左側の光線の例のように、もともと入射光が法線方向に非常に近い場合、面Ａに入射した光線のほとんどは面Ｂで反射することなく直接下部の平板部６１２へ入射する。この間、面Ａに入射した光は、面Ａで屈折したとき、法線方向から外れることになり、平板部６１２への入射角が法線方向から外れるため、平板部６１２で反射する割合が大きくなる。これが、法線方向からの角度が小さい領域６１４のうち、特に法線方向に非常に近い領域（例えば、法線方向からの角度が約２４°以下の領域）６１４ａにおいて、入射光の透過率低下の原因になっている。
【０１３１】
さらに、図３８の右側の光線の例のように、入射光が法線方向に比較的近い、つまり、法線方向からの角度が約２４〜５４°の場合には、面Ａに入射した光線の多くは面Ｂで反射することなく直接下部の平板部６１２へ入射する。この間、面Ａに入射した光は、面Ａでの屈折時に、より法線方向から外れることになり、平板部６１２への入射角がより法線方向から外れるため、平板部６１２で反射する割合がより大きくなり、透過率が大きく低下する。しかも、平板部６１２に対してある一定以上の入射角を持つ光は、平板部６１２で全反射され、平板部６１２を全く通過できない。これが、法線方向からの角度が小さい領域６１４のうち、特に法線方向に比較的近い領域（例えば、法線方向からの角度が約２４〜５４°の領域）６１４ｂにおいて、入射光の大きな透過率低下の原因になっている。
【０１３２】
要するに、法線方向からの角度が小さい領域６１４では、上部の三角形状部６１１により集光された光が下部の平板部６１２により反射されるため、光の透過率（光線捕捉率）が低下している。
【０１３３】
上記の考察を踏まえて、本発明者は、図３６に示すような透過率低下のない構成を考案した。
【０１３４】
図３９は、本実施の形態における光線捕捉率のさらに他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図であって、本実施の形態に係る太陽光集光シートの２次元的形状の一例を示す概略図である。
【０１３５】
図３９に示す例では、シミュレーションの対象である太陽光集光シート６２０は、断面が三角形の形状を有する上部の三角形状部６２１と、厚みのある平板の形状を有する下部の平板部６２２と、上部の三角形状部６２１と同一の形状を有する下部の三角形状部６２３とで構成されている。いわば、太陽光集光シート６２０は、同一形状の三角形状部６２１と三角形状部６２３を、平板部６２２を挟んで最中合わせにした、つまり、平板部６２２を挟んで上下対称に配置した構成を有する。このように、太陽光集光シート６２０は、平板部６２２を上下から上下対称に同一形状の三角形状部６２１、６２３で挟んだ形状を有する。シミュレーションの条件は、図３１および図３５に示す構成を対象とするシミュレーションと同様である。ただし、本シミュレーションでは、三角形状部６２１、６２３と平板部６２２を同一の材料で構成し、例えば、その屈折率を１.５に設定した。また、形状角度αは、６０°に設定した。なお、この場合、光線捕捉率の計算に必要な透過光量は、下部の三角形状部６２３から下方へ透過した光量となる。
【０１３６】
図４０は、図３９の太陽光集光シート６２０に対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【０１３７】
図４０に示すように、この太陽光集光シート６２０では、図３６のシミュレーション結果との比較において、図３６の領域６１４における光線捕捉率の低下が解消されている。すなわち、この場合、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。しかも、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が９０％以上になっている。
【０１３８】
この原理は、次のように考えることができる。なお、図３９において、下部の三角形状部６２３の対向する２面のうち、上部の対応する三角形状部６２１の面Ａに対応する面を「面Ａ’」と呼び、三角形状部６２１の面Ｂに対応する面を「面Ｂ’」と呼ぶことにする。
【０１３９】
まず、図３９の真ん中の光線の例のように、法線方向からの角度が大きい場合（図３６の領域６１３参照）、面Ａからの入射光は、最終的に、下部の三角形状部６２３の面Ａ’にほぼ垂直に入射するため（光線６２４参照）、三角形状部６２３を透過する光量が多くなる。この結果、この領域の透過率は、依然として、比較的良好である。
【０１４０】
また、図３９の左側の光線の例のように、もともと入射光が法線方向に非常に近い場合（図３６の領域６１４ａ参照）、面Ａから入射した屈折光は、下部の三角形状部６２３の面Ｂ’から、面Ａへの入射角と同一の角度で出射する（光線６２５参照）、つまり、透過する。また、面Ａおよび面Ｂ’における反射光は、それぞれ、面Ｂおよび面Ａ’に垂直に近い角度で入射するため、最終的に、三角形状部６２３を透過し、捕捉される。この結果、この領域の透過率は、著しく改善される。
【０１４１】
また、これと同様に、図３９の右側の光線の例のように、入射光が法線方向に比較的近い場合にも（図３６の領域６１４ｂ参照）、面Ａから入射した屈折光は、下部の三角形状部６２３の面Ｂ’から、面Ａへの入射角と同一の角度で出射する（光線６２６参照）、つまり、透過する。また、面Ａおよび面Ｂ’における反射光は、それぞれ、面Ｂおよび面Ａ’に垂直に近い角度で入射するため、最終的に、三角形状部６２３を透過し、捕捉される。この結果、この領域の透過率も、著しく改善される。
【０１４２】
このように、本実施の形態に係る太陽光集光シート６２０では、平板部６２２の表面上に形成された上部の三角形状部６２１と同一形状の三角形状部６２３を平板部６２２の裏面上に上下対称に形成することによって、光の透過率（光線捕捉率）が大幅に改善されている。
【０１４３】
図４１は、図３９の太陽光集光シート６２０に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図である。図４２は、図４１の要部拡大図である。ここでは、形状角度αが４０°、４５°、５０°、６０°、７０°、７５°、８０°の７通りの場合についてシミュレーションを行った。また、三角形の形状の場合と比較するため、平板の形状の場合についても同様のシミュレーションを行った。なお、本シミュレーションでは、例えば、太陽光集光シート６２０を構成する媒質（三角形状部６２１、６２３および平板部６２２）の屈折率ｎを１.５に設定した。
【０１４４】
図４１および図４２に示すように、基本的には、形状角度αが大きいほど、光線角度βのほぼ全範囲にわたって光線捕捉率が高くなっている。しかも、形状角度αが４５°以上の場合は、光線角度βのほぼ全範囲にわたって、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。ただし、形状角度αが４０°の場合であっても、光線角度βが約−６０°〜−１２０°（つまり、法線方向から３０°以内）の範囲以外の領域では、光線捕捉率が、平板の形状の場合よりも高くなっている。特に、上記７通りの中で、形状角度βが７５°の場合には、光線角度βの全範囲にわたって、光線捕捉率が９４.５％以上になっている。
【０１４５】
したがって、図３９の太陽光集光シート６２０は、表面形状が平板の場合と比較して、光線捕捉率が光線角度βのほぼ全範囲にわたって高く、周辺の全範囲の角度の光線を効率良く捕捉することができる機能を有する。これは、上記のように、図３９の太陽光集光シート６２０が、境界面で反射と屈折を繰り返して反射光を効率的に利用（入射）できる形状を有するためである。すなわち、図３９の太陽光集光シート６２０は、反射光を放出させずに他の三角形状部に入射させる機能を有する。
【０１４６】
また、図３９の太陽光集光シート６２０の製造方法としては、１つの平板部６２２の上下にそれぞれ別工程で三角形状部６２１、６２３を形成する方法のほかに、図３５の太陽光集光シート６１０を上下対称な形状となるように２枚合わせて形成する方法が考えられる。
【０１４７】
なお、図３９に示す例では、上下の三角形状部６２１、６２３が平板部６２２を挟んで完全に上下対称に配置されているが、本発明はこれに限定されない。上下の三角形状部６２１、６２３が完全に対称に配置されていなくても、効果はほとんど変わらない。例えば、上下の三角形状部６２１、６２３の間で、形状角度αを変えたり、位置をずらしたりしてもよい。
【０１４８】
また、図３９に示す例では、形状は２次元的であるが、３次元的な形状としては、図４（Ａ）に示すような長手方向の形状のほかに、三角錐や四角錐などの角錐の形状であってもよい。どの形状でも、反射光を放出させずに他の形状部に入射させる機能を有することが要件となる。ただし、図４（Ａ）に示すような長手方向の形状の場合に比べて、角錐の形状の場合のほうが、方位による３次元の光線角度の変化が少なく、より高い効果を得ることができる。例えば、図４３は、四角錐の表面形状を有する太陽光集光シートの平面図である。図４３の太陽光集光シート６５０は、断面が図３９の２次元形状を有する四角錐形状部６５１で構成されている。
【０１４９】
３次元形状の場合、３次元の光線角度での全方位集光効果の死角をなくすため、図４３に示すように、列ごとに半ピッチだけずらした配列が好ましい。また、角錐の形状の中でも、特に、例えば三角錐や四角錐、六角錐などの、平面上の充填構造（図４３参照）を形成できる３次元形状が好ましい。
【０１５０】
このように、本実施の形態によれば、二次元の断面形状として、反射光を放出させずに他の形状部に入射させる構成、具体的には、例えば、平板部を挟んで同一形状の三角形状部を上下対称に配置した構成を有するため、光線の入射角にかかわらず反射光を効率的に利用（入射）することができ、極めて広範囲の入射光を極めて効率的に捕捉（集光）することができる。したがって、実施の形態１における法線集光部１１０に適用した場合、その構成の最適化を図ることができる。
【０１５１】
なお、本実施の形態では、実施の形態１における法線集光部１１０の最適化を例にとって説明したが、用途はこれに限定されない。すなわち、本実施の形態に係る太陽光集光シートは、実施の形態１に係る集光装置の一要素としてのみならず、独立の集光装置としても利用することができる。
【０１５２】
例えば、本実施の形態に係る太陽光集光シート６２０（図３９参照）を、平板型ＰＶ装置に適用することができる。この場合、図３９の太陽光集光シート６２０は、上記のように、従来の平板型の表面（光線捕捉率は平均８１％、図３２参照）と比較して、極めて広範囲の入射光を極めて効率良く捕捉することができるため（例えば、形状角度が６０°の場合、光線捕捉率は光線角度の全範囲で９４.５％以上）、太陽光発電のＬＳＩ素子（太陽電池）の表面に配置することにより、太陽直射光のみならず周辺光を効率的に利用することができ、発電効率を大きく改善することができる。しかも、表面形状を図３９の表面形状にするだけで済むため、安価に製造することができる。
【０１５３】
また、太陽光発電のＬＳＩ素子は、全領域が発電するのではなく、その一部の領域に到達した光を利用することを考慮すると、その一部の領域に光が集中するように、図３９の太陽光集光シート６２０の下部の三角形状部６２３の形状を最適化することにより、発電効率をさらに改善することができる。
【０１５４】
また、他の用途としては、例えば、ビルなど建物（広くは建造物）への適用も考えられる。すなわち、図３９の太陽光集光シート６２０は、上記のように、従来の平板型の表面と比較して、光線角度の全範囲で平板型の光線捕捉率（集光率）の最大値以上の光線捕捉率（集光率）を有するため、特に従来効率が悪かった時間帯（朝夕）や曇りの時などに大きな効果が期待できる。このような特徴から、この太陽光集光シート６２０は、必ずしも太陽光の方向に設置する必要はない。例えば、この太陽光集光シート６２０をビルの壁面などに設置しても、大量の光を捕捉することができる。したがって、本実施の形態に係る太陽光集光シートによれば、従来利用できなかった分野に適用する柔軟性の高い集光システムを構築することが可能になる。さらには、実施の形態１に係るシート型集光装置（集光シート）と併用して、先に集光した光をさらに集光し、照明や集光型ＰＶ装置など多様な用途に利用することができる。
【０１５５】
一例として、例えば、図４４に示すようなビルの多い地域において、各ビルの側面に本実施の形態に係る太陽光集光シート６７０（例えば、図３９の太陽光集光シート６２０で構成されている）を使用した場合、次のような著しい効果を期待することができる。
【０１５６】
第１に、太陽光を含む周辺光を集光して利用するため、そのエネルギーがビルの内部に進入することがなくなり、大きな断熱効果が得られる。特に、熱エネルギーを反射することがないため、照り返しが解消され、夏に大きな効果を期待することができる。
【０１５７】
第２に、従来用いられていた断熱材のように太陽光の熱エネルギーを反射することもなく、他の建造物と共存する 良好な環境を実現することができる。
【０１５８】
第３に、太陽光のエネルギーは約１ｋＷ／ｍ２あり、大きなビルは表面積が数万ｍ２程度ある。したがって、周辺光のエネルギーを吸収して電気エネルギーに変換した場合、条件にもよるが、数千ｋＷ程度の電気エネルギーを期待することができる。これにより、通常のビルが使用する昼間の使用電気エネルギーを大きく削減することができる。
【０１５９】
第４に、集光型発電システムと照明用配光システムにより、本実施の形態に係る太陽光集光シート６７０のみをビルの壁面に使用することで、高価な太陽光発電設備に対する大きなコストメリットを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明に係る集光装置および集光方法は、簡単な構成で、かつ大量に安価に製造することができ、しかも広範囲の角度で入射する光を効率的に集光することができ、かつ利便性・汎用性も高い集光装置および集光方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る集光装置の構成を示すブロック図
【図２】図１のシート型集光装置の構成の一例を示す概略要部斜視図
【図３】多層化された法線集光部の構成を示す概略断面図
【図４】法線集光部の他の構成（表面形状）を示す概略図であり、（Ａ）は、概略要部斜視図、（Ｂ）は、概略要部断面図
【図５】法線配光部および線状導光部の構成の一例を示す概略斜視図
【図６】図５を上から見た平面図
【図７】図６のVII−VII線に沿う断面図
【図８】図６のVIII−VIII線に沿う断面図
【図９】図５の詳細を示す図であり、（Ａ）は、図６と同様の平面図、（Ｂ）は、図９（Ａ）の要部を示す平面図、（Ｃ）は、図９（Ｂ）の要部拡大図
【図１０】（Ａ）は、全反射の原理を説明するための図、（Ｂ）は、具体的数値の一例を示す図
【図１１】法線配光部の他の構成を示す概略図であり、（Ａ）は、要部概略図、（Ｂ）は、概略平面図
【図１２】法線配光部のさらに他の構成を示す概略図であり、（Ａ）は、法線配光路の概略斜視図、（Ｂ）は、法線配光路の概略側面図、（Ｃ）は、法線配光路の第１の形態例を示す概略背面図、（Ｄ）は、法線配光路の第２の形態例を示す概略背面図
【図１３】図１２の法線配光路を有する法線配光部の構成を示す概略斜視図
【図１４】線状導光シート部および光圧縮シート部の構成の一例を示す概略図
【図１５】図１４に示す光高圧縮機能部の拡大図
【図１６】図１４の構成を組み合わせた全体構成の一例を示す概略図
【図１７】線状導光路の製造方法の一例を示す工程別断面図
【図１８】図１７に示すスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図
【図１９】紫外線照射工程を説明するための概略図
【図２０】法線配光路が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版と当該スクリーン印刷の結果物との対応関係を示す概略斜視図
【図２１】（Ａ）は、法線配光路が直方体の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、（Ｂ）は、図２１（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図
【図２２】四角錐台の形状を有する法線配光路の製造方法の一例を示す工程別断面図
【図２３】（Ａ）は、図２２に示すスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、（Ｂ）は、図２３（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図
【図２４】（Ａ）は、法線配光路が楕円錐台の形状を有する場合のスクリーン印刷原版を示す概略斜視図、（Ｂ）は、図２４（Ａ）のスクリーン印刷原版を用いたスクリーン印刷の結果物を示す概略斜視図
【図２５】可変角ライン照射法の概念を説明するための概略図
【図２６】図２５の可変角ライン照射法を実現する具体的手段の一例を示す概略図
【図２７】可動照射ライン部の構成の一例を示す概略図であり、（Ａ）は、断面図、（Ｂ）は、平面図
【図２８】照射光出口部の周辺の概略要部拡大図
【図２９】図２７（Ｂ）に実線矢印で示す斜め方向に向かう光線を可動方向に水平にする作用を説明するための概略図
【図３０】可動照射ライン部の更なる利用法を説明するための概略図
【図３１】本実施の形態における光線捕捉率のシミュレーションの条件を説明するための概略図
【図３２】図３１の表面形状に対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図３３】図３２の要部拡大図
【図３４】図３１の表面形状に対する、媒質の屈折率別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図３５】本実施の形態における光線捕捉率の他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図
【図３６】図３５の太陽光集光シートに対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図３７】図３６のシミュレーション結果を説明するための図であって、特に、上部の三角形状部による集光原理（全方位集光効果）を説明するための図
【図３８】図３６のシミュレーション結果を説明するための図であって、特に、上部の三角形状部に加えて下部の平板部をも考慮した場合の集光原理を説明するための図
【図３９】本実施の形態における光線捕捉率のさらに他のシミュレーションの対象となる構成を示す概略図であって、本実施の形態に係る太陽光集光シートの２次元的な形状の一例を示す概略図
【図４０】図３９の太陽光集光シートに対する、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図４１】図３９の太陽光集光シートに対する、形状角度別の、光線角度に対する光線捕捉率のシミュレーション結果の一例を示す図
【図４２】図４１の要部拡大図
【図４３】図３９の太陽光集光シートを実現する３次元的な形状として、四角錐の表面形状を有する太陽光集光シートを示す平面図
【図４４】図３９の太陽光集光シートの他の適用例を説明するための図
【符号の説明】
【０１６２】
１００、１００ａ シート型集光装置
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 法線集光部
１１１ シート層
１１２ マイクロレンズ
１１３ 法線集光部層
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 法線配光部
１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 法線配光路
１２３ 接続部
１３０、１３０ａ 線状導光部
１３１ 線状導光路
１４０ 光圧縮制御部
１５０、１５０ａ 平面集光シート部
１５１ シート基板
１６０、１６０ａ 線状導光シート部
１６１ 線状導光路群
１６２ １次光圧縮レンズ部
１６３ １次圧縮光
１６４ 光入力接合部
１６５ 光出力接合部
１６６ １次圧縮光出力部
１７０、１７０ａ 光圧縮シート部
１７１ １次圧縮光集光レンズ部
１７２ 光高圧縮機能部
１７３ ２次圧縮光
１７４ 導光路
１７５ａ 凸レンズ
１７５ｂ 凹レンズ
１７６ 圧縮光出力部
１７７ 光入力接合部
１７８ １次圧縮光入力部
２００ 光応用システム部
３００、３１０、３２０、３３０ スクリーン印刷原版
３０１、３１１、３２１、３３１ シート材
３０２、３１２、３２２、３３２ 切り抜き部
３０３ 紫外線硬化樹脂
３２５ 製造用透明基板シート
３４０ 可変照射角近接光
３５０ 被照射シート
４００ 紫外線光源
４０１ フレネルレンズ
４０２ 反射板
５００ 可動照射ライン部
５０１ 線状の紫外線光源
５０２ 第１反射板
５０３ 第２反射板
５０４ 照射光出口部
５０５、５０６ マイクロレンズアレイ
６００、６１０、６２０、６５０、６７０ 太陽光集光シート
６１１、６２１、６２３、６５１ 三角形状部
６１２、６２２ 平板部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、
少なくとも前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する表面形状部、を具備し、
前記表面形状部は、
前記一方の面側から任意の角度で照射された光を、境界面での反射と屈折を繰り返して内部に入射させる、
集光装置。
【請求項２】
前記表面形状は、断面が三角形の形状である、
請求項１記載の集光装置。
【請求項３】
前記表面形状は、断面が二等辺三角形の形状であり、底角が４５度以上である、
請求項２記載の集光装置。
【請求項４】
前記表面形状は、断面が二等辺三角形の角錐の形状である、
請求項３記載の集光装置。
【請求項５】
前記角錐の形状は、列ごとに半ピッチだけずれて配列されている、
請求項４記載の集光装置。
【請求項６】
前記角錐の形状は、平面上に充填可能な形状である、
請求項５記載の集光装置。
【請求項７】
一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、
前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する第１の表面形状部と、
前記他方の表面に形成され、前記第１の表面形状部と同一または略同一の表面形状を有する第２の表面形状部と、を具備し、
前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、上下対称にまたは上下略対称に配置されている、
集光装置。
【請求項８】
前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、同一の材料で形成されている、
請求項７記載の集光装置。
【請求項９】
平板状の平板部、をさらに具備し、
前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、前記平板部を挟んで上下対称にまたは上下略対称に配置されている、
請求項７記載の集光装置。
【請求項１０】
前記第１の表面形状部、前記第２の表面形状部、および前記平面部は、同一の材料で形成されている、
請求項９記載の集光装置。
【請求項１１】
前記光は、太陽光である、
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の集光装置。
【請求項１】
一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、
少なくとも前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する表面形状部、を具備し、
前記表面形状部は、
前記一方の面側から任意の角度で照射された光を、境界面での反射と屈折を繰り返して内部に入射させる、
集光装置。
【請求項２】
前記表面形状は、断面が三角形の形状である、
請求項１記載の集光装置。
【請求項３】
前記表面形状は、断面が二等辺三角形の形状であり、底角が４５度以上である、
請求項２記載の集光装置。
【請求項４】
前記表面形状は、断面が二等辺三角形の角錐の形状である、
請求項３記載の集光装置。
【請求項５】
前記角錐の形状は、列ごとに半ピッチだけずれて配列されている、
請求項４記載の集光装置。
【請求項６】
前記角錐の形状は、平面上に充填可能な形状である、
請求項５記載の集光装置。
【請求項７】
一方の表面から照射された光を集光して他方の表面から出射するシート状の集光装置であって、
前記一方の表面に形成され、前記照射された光を直接内部に入射させるのみならず、前記照射された光に起因する外部の反射光をも内部に入射させる表面形状を有する第１の表面形状部と、
前記他方の表面に形成され、前記第１の表面形状部と同一または略同一の表面形状を有する第２の表面形状部と、を具備し、
前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、上下対称にまたは上下略対称に配置されている、
集光装置。
【請求項８】
前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、同一の材料で形成されている、
請求項７記載の集光装置。
【請求項９】
平板状の平板部、をさらに具備し、
前記第１の表面形状部および前記第２の表面形状部は、前記平板部を挟んで上下対称にまたは上下略対称に配置されている、
請求項７記載の集光装置。
【請求項１０】
前記第１の表面形状部、前記第２の表面形状部、および前記平面部は、同一の材料で形成されている、
請求項９記載の集光装置。
【請求項１１】
前記光は、太陽光である、
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の集光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図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２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【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２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【公開番号】特開２００９−２２９５８１（Ｐ２００９−２２９５８１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７２２００（Ｐ２００８−７２２００）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（５０７３０９８２８）株式会社 光エネルギー研究所 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（５０７３０９８２８）株式会社 光エネルギー研究所 (3)
【Ｆターム（参考）】
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