２層式薄膜ホログラフィック太陽光コレクタ及び太陽光コンセントレータ
【課題】コンパクトな光コレクタ及び／又は光コンセントレータとしてホログラフィック薄膜を使用する。
【解決手段】一つ以上の光電池に光学的に結合されている一つ以上の光導波路層（７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ）から成る装置を開示する。装置は、体積回折特徴物または表面回折特徴物、体積ホログラムまたは表面ホログラムから成る一つ以上の光転向フィルムまたは光転向層（７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ）を更に備える。光導波路層（７０１、７０１ｂ、７０１ｃ）上に入射される光は、反射型であるか透過型である体積回折特徴物または表面回折特徴物またはホログラムによって、向きが変えられ、複数の全反射によって、光導波路層（７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ）により導波される。導波される光は、光電池へ導かれる。
【解決手段】一つ以上の光電池に光学的に結合されている一つ以上の光導波路層（７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ）から成る装置を開示する。装置は、体積回折特徴物または表面回折特徴物、体積ホログラムまたは表面ホログラムから成る一つ以上の光転向フィルムまたは光転向層（７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ）を更に備える。光導波路層（７０１、７０１ｂ、７０１ｃ）上に入射される光は、反射型であるか透過型である体積回折特徴物または表面回折特徴物またはホログラムによって、向きが変えられ、複数の全反射によって、光導波路層（７０１ａ、７０１ｂ、７０１ｃ）により導波される。導波される光は、光電池へ導かれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（相互関連出願の参照）
本願は、“ＴＨＩＮ ＦＩＬＭ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＳＯＬＡＲ ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＯＲ／ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ”と題された００８年２月１２日に出願された特許文献１（代理人整理番号：ＱＭＲＣ．００２ＰＲ）の優先権を３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下で主張する。その明細書の内容は、すべてその全部の参照によって、本願明細書において組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は太陽エネルギーの分野に関し、特にマイクロ構造薄膜（ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ）を使用して、太陽輻射（ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を収集して集光させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
１世紀以上、石炭、油及び天然ガスのような化石燃料が米国の主エネルギー源として提供されてきた。代替エネルギー源の必要性が、増加している。化石燃料は、急速に枯渇される再生不可能なエネルギー源である。インド及び中国のような発展途上国における大規模工業化は、利用可能な化石燃料に対する相当な負担を負う。加えて、地政学的な問題は、このような燃料の供給に急速に影響を及ぼすことになる。地球温暖化も、近年より大きな問題となっている。多くの要因が、地球温暖化に関与すると考えられる。しかしながら、化石燃料の広範囲にわたる使用が、地球温暖化の主要な原因であること推定される。従って、再生可能であると共に経済的に現実的で、且つ環境的に安全なエネルギー源の発見が至急必要である。太陽エネルギーは、環境的に安全で再生可能なエネルギー源である。太陽エネルギーは、熱エネルギー及び電気エネルギーのような他のエネルギーの形に変換され得る。しかしながら、再生可能なエネルギーの経済的に競争的な源としての太陽エネルギーの使用は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する際における低い変換効率と、一日における時間帯による太陽エネルギーの変化及び一年における月ごとの太陽エネルギーの変化とによって、妨げられる。
【０００４】
光起電力（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）電池は、光学エネルギーを電気エネルギー源に変換し、結果として、太陽エネルギーを電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）に変換するために用いることができる。光起電力太陽電池（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ）は、非常に薄く且つモジュール式でありえる。太陽電池のサイズは、２、３ｍｍ〜数十のセンチメートルの範囲内にあることができる。太陽電池（光起電力電池）から出力される電気出力の各々は、数ミリワット〜数ワットの範囲内にあることができる。いくつかの太陽電池は、電気的に接続されると共に、パッケージされ、電気の充分な量を生成し得る。太陽電池は、衛星及びその他の宇宙船への電力提供、居住用及び商業用の建物（ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）へ電気供給、自動車用電池の充電等の広範囲の用途に用いられることが可能である。
【０００５】
太陽コンセントレータ（Ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ）は、太陽エネルギーを集めて、集光させ、太陽電池におけるより高い変換効率を成し遂げるのに用いることができる。例えば、放物面鏡（ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｍｉｒｒｏｒｓ）は、光エネルギーを熱エネルギー及び電気エネルギーに変換させる装置において、光を集めて焦光させるのに用いることができる。他のタイプのレンズ及び鏡も、変換効率を著しく上昇させるのに用いられ得る。
【０００６】
太陽電池において、光を集めて集光させ、一日中の太陽の動きを追う光コレクタ（ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ）及び光コンセントレータを使用することも有効と成りうる。加えて、曇った日に拡散光を集める機能を有することも有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国仮出願第６１／０２８１３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、そのようなシステムは、複雑で、大きくて重く且つ大型である。多くの用途のために、これらが光コレクタ及び／又は光コンセントレータが大きさにおいて、コンパクトであることも好ましい。コンパクトな光コレクタ及び／又は光コンセントレータとしてホログラフィック薄膜を使用することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願明細書において、記載されている様々な実施形態において、光電池（ｐｈｏｔｏｃｅｌｌ）に光学的に結合される光導波路を備える装置が記載されている。その装置は、光転向フィルム（ｌｉｇｈｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｆｉｌｍ）又は光転向層（ｌｉｇｈｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を更に備える。光転向フィルム又は光転向層は、体積回折特徴物（ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ）、表面回折特徴物（ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ）、体積ホログラム、又は表面ホログラムを備える。光導波路上に入射する光は、反射性（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）又は透過性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）である体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム、又は表面ホログラムによって、方向が変えられ、複数の全反射によって、光導波路を通って誘導される。誘導される光は、光電池へと向きを変えられる。ある実施形態では、太陽エネルギーが熱生成器（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を加熱するために用いられ、水を加熱して蒸気から電気が作り出される。様々な実施形態において、光導波路は、薄くて（例えば、１ｍｍ未満）、例えば、薄膜から成る。光導波路は、可撓性材料で形成され得る。複数の光導波路層（ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ ｌａｙｅｒ）は、各々の上面上に積層されることができ、コンセントレータを形成する。コンセントレータは、より広い範囲の角度及び／又はより広い範囲の波長にわたって作動し、回折効率（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させてきた。
【００１０】
様々な種実施形態において、上面及び底面を有する第１の光導波路を備える太陽エネルギー収集装置が、開示されている。太陽エネルギー収集装置は、更に、第１の光電池と第１の光導波路の前記上面に入射される環境光（ａｍｂｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）の向きを変え、前記環境光が前記第１の光導波路内で全反射によって、前記上面及び底面から前記第１の光電池へ導波されるように配置された複数の回折特徴物とを備え、前記第１の光導波路は、１ミリメートル以下の厚さを有する。
【００１１】
様々な実施形態において、光を導波させるための第１の光導波手段を含む太陽エネルギー収集装置が、開示されている。第１の光導波手段は、上面及び底面を含み、光は前記上面及び底面での複数の全反射によって、該第１の光導波手段内で導波する。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための第１の光吸収手段を備える。第１の光吸収手段は、該第１の光吸収手段により吸収される光から電気信号を生成するように構成される。太陽エネルギー収集装置は、光を回折させるための複数の光回折手段を備える。複数の光回折手段は、第１の光導波手段の前記上面上に入射した環境光を向け替えて、前記環境光を全反射によって、第１の光導波手段内で前記上面及び底面から前記第１の光吸収手段まで導波させるように配置される。そこにおいて、前記第１の光導波手段は、１ｍｍ以下の厚みを有する。幾つかの実施形態において、光導波手段は光導波路を備え、光吸収手段は光電池を備え、光回折手段は回折特徴物を備える。
【００１２】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示される。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、上面及び底面を有する第１の光導波路を形成するステップを備える。第１の光導波路は複数の回折特徴物を含み、前記上面及び前記底面での複数の全反射によって、該第１の光導波路の内部において、光を導波させる。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、第１の光電池を形成するステップを更に備える。そこにおいて、前記第１の光導波路は、１ｍｍ以下の厚さを有する。様々な種実施形態において、複数の回折特徴物は、第１の光導波路上に配置されている。
【００１３】
様々な実施形態において、内部において、光を導波させる第一及び第二の光導波路層を備える太陽エネルギー収集装置が開示されている。太陽エネルギー収集装置は、更に第１の光電池と、前記第１の光導波路層上に入射した環境光の向きを変えるように配置された第１の複数の回折特徴物と、前記第２の光導波路層上に入射した環境光の向きを変えるように配置された第２の複数の回折特徴物と、を備え、前記環境光は、前記第１及び第２の光導波路層内において、前記第１の光電池へ導波される。
【００１４】
様々な実施形態において、少なくとも一つの光コレクタを備える太陽エネルギー収集装置が、開示されている。光コレクタは、上面及び底面と、前記光導波路の前記上面上に入射した環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物と、を備える光導波路、少なくとも一つの光電池、及び太陽熱生成器（ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を備える。
【００１５】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置は、上面及び底面を有する光導波路を備える。光導波路は、前記上面及び底面での複数の全反射によって、内部において、光を導波させる。太陽エネルギー収集装置は、光電池と透過型回折要素（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）とを更に備える。透過型回折要素は、光導波路の前記上面上に入射した環境光の向きを変え、前記光が全反射によって、光導波路内部において、上面及び底面から前記第１の光電池まで導波されるように配置された複数の回折特徴物を備える。
【００１６】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置は、光を導波させるための光導波手段であって、上面及び底面を有すると共に、前記上面及び前記底面での複数の全反射によって、内部において、光を導波させる光導波手段を備える。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための光吸収手段であって、吸収された光から電気信号を生成するように構成された光吸収手段を更に備える。また、太陽エネルギー収集装置は、透過（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）による光回折手段であって、光導波路の前記上面に入射される環境光の向きを変え、前記環境光が前光導波路内で全反射によって、前記上面及び前記底面から光吸収手段に導波するように配置された光回折手段を更に備える。様々な実施形態において、前記光導波手段は、光導波路を備え、前記光吸収手段が光電池を備え、透過による光回折手段が、複数の回折特徴物を有する透過型回折要素を備える。
【００１７】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示されている。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、上面及び底面を有する光導波路であって、複数の回折特徴物を有する透過型回折要素を備えると共に前記上面及び前記底面での複数の全反射によって、内部において、光を導波させる光導波路を形成するステップと、光電池を形成するステップと、を備える。
【００１８】
様々な実施形態において、光を導波させるための第一及び第二の光導波手段を備える太陽エネルギー収集装置が開示されている。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための第１の光吸収手段であって、該第１の光吸収手段により吸収された光で電気信号を生成するように構成された第１の光吸収手段を更に備える。太陽エネルギー収集装置は、光を回折させるための第１及び第２の複数の光回折手段を備える。第１及び第２の複数の光回折手段は、前記第１及び第２の光導波手段上に入射された環境光の向きを変えるように構成される。光は、前記第１及び第２の光導波手段内において、前記第１の光吸収手段へ導波される。様々な実施形態において、第１及び第２の光導波手段は光導波路を備え、第１の光吸収手段は光電池を備え、第１及び第２複数の光回折手段は、回折特徴物を備える。
【００１９】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示されている。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、内部において、光を導波させると共に内部に第１の複数の回折特徴物を含む第１の光導波路層と、内部において光を導波させると共に内部に第２の複数の回折特徴物を含む第２の光導波路層とを形成するステップを備える。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、第１の光電池を形成するステップを備える。幾つかの実施形態において、光は、前記第１及び第２の光導波路層内において、前記第１の光電池へ導波される。幾つかの実施形態において、第一及び第二の複数の回折特徴物は、前記第１及び第２の光導波路層上に配置される。
【００２０】
様々な実施形態において、光を収集するための少なくとも一つの光収集手段を備える太陽エネルギー収集装置が開示されている。光収集手段は、光を導波させるための光導波手段であって、上面及び底面と、光を回折させるための複数の光回折手段と、を含む光導波手段を備える。光回折手段は、前記光導波手段の前記上面上に入射した環境光の向きを変えるように構成されている。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための少なくとも一つの光吸収手段であって、該光吸収手段により吸収された光から電気信号を生成するように構成された少なくとも一つの光吸収手段を更に備える。太陽エネルギー収集装置は、熱エネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換するため手段を更に備える。様々な実施形態において、光収集手段は光コレクタを備え、光導波手段は光導波路を備え、光回折手段は回折特徴物を備え、光吸吸収手段は光電池を備え、又は熱エネルギー変換手段は太陽熱生成器を備える。
【００２１】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示されている。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、少なくとも一つの光コレクタを形成するステップを備える。その光コレクタは、上面及び底面と前記光導波路の前記上面上に入射する環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物とを有する光導波路を備える。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、少なくとも一つの光電池を形成するステップ、又は太陽熱生成器を形成するステップを更に備える。本願明細書において、開示される例示の実施形態は、添付の概略図面に図示される。
それは、図示するためのためにだけある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】光線が光導波路内部で屈折した後、光導波路から導波される光導波路の側面概略図である。
【図１Ｂ】光導波路の側面図及び屈折の光円錐を示す概略図である。
【図１Ｃ】光導波路の上面に配置すると共に透過型ホログラムを備える光転向要素（ｌｉｇｈｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）の側面図の概略図である。
【図１Ｄ】光導波路の下面に配置した反射型ホログラムを備える光転向要素の側面図を示す概略図である。
【図２Ａ】体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム、又は表面ホログラムを有する光転向要素を備える光導波路内で、導波される光円錐を示す概略図である。
【図２Ｂ】体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムを有する光転向要素と、光導波路内で導波される２つの光円錐とを備える光導波路の他の実施形態を示す概略図である。
【図３Ａ】体積ホログラムを備える光転向層の実施形態を示す概略図である。
【図３Ｂ】表面レリーフ回折特徴物を備える光転向層の実施形態を示す概略図である。
【図３Ｃ】平坦化された表面レリーフ回折特徴物を有する光転向層の実施形態を示す概略図である。
【図４Ａ】透過型ホログラムを有する光転向層を備える光コレクタを製作するための一配置を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａの方法によって製作される光コレクタと、その中に集められて導波される環境光と、を示す概略図である。
【図４Ｃ】複数の体積ホログラムを備える光コレクタを製作するための一配置を示す概略図である。
【図５Ａ】反射型ホログラムを有する光転向層を備える光コレクタを製作するための一配置を示す概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａの方法により製作される光コレクタと、その中に集められて導波される環境光と、を示す概略図である。
【図６】連続的な光コレクタの間のエアギャップと共に積み上げられる複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図７】それぞれの光コレクタが光学的に結合するように一緒に積層される複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図８】連続的な光コレクタの間に低屈折率材料を有する複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図９】各光コレクタが、様々な角度で入射する光を集める複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図９Ａ】各光コレクタが、様々な角度で入射する光を集める複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図１０】各光コレクタが、様々な波長の入射光を収集する複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図１１Ａ】光コレクタと、光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された太陽電池と、を備える一実施形態を示す概略図である。
【図１１Ｂ】光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された１つ、２つの又は４つの太陽電池を備える光コレクタの様々な実施形態を示す概略図である。
【図１１Ｃ】光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された１つ、２つの又は４つの太陽電池を備える光コレクタの様々な実施形態を示す概略図である。
【図１１Ｄ】光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された１つ、２つの又は４つの太陽電池を備える光コレクタの様々な実施形態を示す概略図である。
【図１２】光コレクタ、太陽電池及び太陽熱生成器を備えるシステムの概略図である。
【図１３】居住用住居の屋根上に、又は窓上に配置される光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムを示す概略図である。
【図１４】光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムが自動車の屋根上に配置されている実施形態を示す概略図である。
【図１５】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムがラップトップのボディ上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図１６】光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムが衣料品上に取り付けられている一例を示す概略図である。
【図１７】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが靴上に配置された一例を示す概略図である。
【図１８】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが飛行機の翼及びウインドウ上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図１９】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが帆船上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図２０】光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムが自転車上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図２１】光収集プレート、シート又はフィルムが衛星上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図２２】光電池に光学的に結合した光収集シートが実質的に可撓性を有する実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の詳細な説明は、本発明に係る特定の実施形態を導く。しかしながら、本発明は、多くの異なる方法において、実施されることができる。以下の説明から明らかであるように、実施形態は、光源からの放射光を集めて、捕獲して、凝集させるように構成されるいかなる装置においても実施されることができる。より詳しくは、本願明細書において、記載された実施形態は、様々な用途で行われても、又は関係していてもよく、例えば電力を住居及び商業的な建物へ供給し、例えばラップトップ、ＰＤＡ、腕時計、計算機、携帯電話、ビデオレコーダー、静止及びビデオ・カメラ、ＭＰ３プレーヤなどの電子装置へ電力を供給することなどが想定される。加えて、本願明細書において、記載されている実施形態は、着用可能であると共に電力が生成可能な衣類、靴及びアクセサリにおいて、使うことができる。本願明細書において、記載されている幾つかの実施形態は、自動車用電池、ナビゲーション用装置及び揚水を充電することに使うことができる。本願明細書において、記載されている実施形態は、航空宇宙及び衛星用途に使うことができる。さらに他の応用にも、用いられ得る。
【００２４】
本願明細書において、記載されている様々な実施形態において、光コレクタ又は光コンセントレータ（凝集器）は、光電池に結合される。光コレクタ及び／又はコンセントレータは、例えば、体積レリーフ回折特徴物、表面レリーフ回折特徴物、体積レリーフホログラム、表面レリーフホログラムを内部に有するプレート、シート又はフィルムである光導波路を備える。光導波路上に入射する環境光は、体積レリーフ回折特徴物、表面レリーフ回折特徴物、体積レリーフホログラム、表面レリーフホログラムによって、光導波路内において向きが変えされ、全反射によって、光導波路を通して導波される。光電池は、光導波路の一つ以上の端に沿って配置され、光導波路から出射された光は、光電池と結合される。環境光を収集して、集光させ且つ光電池へ導くために光導波路を使用することによって、光エネルギーを電気エネルギーに高い効率で変換できると共に、安価で製造できる光−電気装置が実現可能となる。ある実施形態では、太陽エネルギーが、水を加熱するか、又は蒸気から電気を作り出すための熱ジェネレータを駆動する（例えば加熱する）ためにも使われる。光導波路は、プレート、シート又はフィルムとして形成されることができる。様々な実施形態において、光導波路は、薄く（例えば、１センチメートル未満）、例えば薄膜状を成す。光導波路は、剛性又は半剛性の材料で製作されることができる。幾つかの実施形態において、光導波路は、可撓性の材料で形成されることができる。光導波路は、反射性又は透過性である表面回折特徴物、体積回折特徴物、表面ホログラム、又は体積ホログラムから成ることができる。複数の光導波路層は、より広い角度及び／又は波長の範囲にわたって作動し、且つ回折効率が上昇されたコンセントレータを作り出すために、各々の上面上に積層され得る。
【００２５】
本願明細書において、開示される本発明の幾つかの実施形態は、ホログラフィックな要素を含む平坦なコレクタを有する光電池において、配送するための日光の収集を可能にする。環境光は、回折要素又はホログラフィック要素により捕獲され、光導波路の導波モードに結合される。図１Ａは、空気で囲まれた光導波路１０１を備える実施形態の側面図を示す。光導波路１０１は、光学的に透過性の材料を含むことができる。その材料は、一つ以上の波長での放射に対して実質的に光学的に透過性を有する。例えば一実施形態において、光導波路１０１は、可視領域（ｖｉｓｉｂｌｅ ｒｅｇｉｏｎ）及び近赤外線領域（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）における波長に対して実質的に光学的に透過性であってもよい。他の実施形態において、光導波路１０１は、紫外線又は赤外線の領域の波長を透過してもよい。光導波路１０１は、実質的に光学的に透過型のプレート、シート又はフィルムを備えることができる。光導波路１０１は、平坦であってもよく、又は曲がっていてもよい。光導波路１０１は、実施形態に対して構造的安定性を与えるために、例えばガラス又はアクリルのような、剛性又は半剛性の材料から形成されてもよい。他の実施形態において、光導波路１０１は、例えば可撓性ポリマーのような可撓性材料で形成されてもよい。幾つかの他の実施形態における光導波路１０１を形成するために、他の材料、例えばＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリエステル（例えばＰＥＴなど）、シクロオレフィン・ポリマー（例えばＺｅｏｎｏｒ（登録商標）など）が、用いられることが可能である。幾つかの実施形態において、厚さによって、光導波路１０１が剛性であるか、又は可撓性であるかが決定してもよい。ある実施形態では、光導波路１０１は、基板上に堆積された薄膜を備えることができる。基板は、不透明でも、部分的に、又は、実質的に完全に光学的に透過性を有する、あるいは透明であってもよい。基板は、剛性を有してもよく、又は可撓性を有してよい。
【００２６】
光導波路１０１は、２つの表面から成ることができる。上面（ｕｐｐｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ）は、環境光が入射するように構成される。幾つかの実施形態では、光導波路の底面は、基板に付着されていることができる。光導波路１０１は、周囲が複数の端によって、囲まれていることができる。様々な実施形態において、光導波路１０１の長さ及び幅は、実質的に光導波路１０１の厚さより大きい。光導波路１０１の厚さは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの間にあることができる。光導波路１０１の面積（ａｒｅａ）は、１．０ｃｍ２〜１０，０００ｃｍ２の範囲内でありえる。しかしながら、これらの範囲外の寸法であってもよい。
【００２７】
図１Ａに示すように、空気内にあるに由来する光導波路１０１の実施形態の上面上に入射する環境光１０２ｉの光線を考慮する。環境光１０２ｉは、上面の法線に対して角度θｉで入射する。幾つかの実施形態において、光線１０２ｉは、法線に対する角度θｒの光線１０２ｒのように光導波路１０１内で屈折され、その後法線に対して角度θｔの光線１０２ｔのように光導波路から周囲の空気媒体へ透過される。幾つかの実施形態において、光線１０２ｔが光導波路１０１から透過されるときの角度θｔは、光線１０２ｉは光導波路１０１に入射するときの角度θｉにほぼ等しい。
【００２８】
光導波路１０１の内部の屈折光１０２ｒが、光導波路１０１の法線に対してなす屈折角θｒは、スネルの法則により算出されることができる。屈折角θｒは、空気媒体の屈折率に対する光導波路材料の屈折率の比率の逆数に等しい。幾つかの実施形態では、図１Ｂに示すように、光導波路上の空気から入射されると共に半球１０２内にある光線は、光線１０３ａ及び光線１０３ｂにより定義される円錐内で屈折して、その後光導波路１０１から透過される。これらの実施形態の入射光の光線は、入射角に関係なく光導波路からいつでも透過され。そのため、光を光導波路内に捕獲して導波させるのに対して、このような光導波路を用いることは、困難であり得る。
【００２９】
図１Ａの光１０２ｒの光線が、光導波路１０１から透過されるのを防止するために、屈折角θｒは、光導波路１０１を構成する材料の臨界角θＴＩＲ以上でなければならない。臨界角θＴＩＲは、光学的により高密度媒体（ｄｅｎｓｅｒ ｍｅｄｉｕｍ）から光学的により低密度媒体（ｒａｒｅｒ ｍｅｄｉｕｍ）に通過する光の光線が全反射される際における、最も小さい入射角である臨界角θＴＩＲは、光学的により高密度及び光学的に低密度の媒体の屈折率に依存する。図１Ａを参照すると、臨界角θＴＩＲは、このように、光導波路１０１を構成する材料と、光導波路１０１を囲んでいる材料（例えば空気）とに依存する。幾つかの実施形態では、それは、スネルの法則によって示されることができ、空気から生じている光線において、（例えば図１Ａに示されているように）、入射角が表面の法線に対して９０度にほぼ等しいときに、屈折角は、臨界角にほぼ等しくなる。
【００３０】
光転向要素は、光導波路上に入射する環境光を捕獲し、この入射光を光導波路の導波モードに変換するための、光導波路と共に含まれることができる。光転向要素は、全反射によって、光導波路内に光の光線が導波されるように、光導波路の内部における光の入射光線の角度を変えることができる。幾つかの実施形態において、光導波路により収集され、導波される光の量は、光導波路の光収集効率として称されることができる。従って、様々な実施形態において、光転向要素は、光導波路の光収集効率を可能にする、及び／又は、向上させることができる。光転向要素を備える光導波路によって、集められて導波される光は、光導波路の一つ以上の端に配置した、一つ以上の光−電変換装置（例えば太陽電池）に伝達されることができる。光導波路を構成する寸法及び材料の適当な選択によって、入射する環境光は光導波路を通して導波されることができ、所望の距離に伝達されることができる。
【００３１】
図１Ｃ及び図１Ｄは、光転向要素１０５を更に備える光導波路１０１の実施形態を例示する。光転向要素１０５は、マイクロ―構造が形成された薄膜でもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素１０５は、体積レリーフ回折特徴物又は表面レリーフ回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムを含んでいてもよい。光転向要素１０５は、薄いプレート、シート又はフィルムであってもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素１０５の厚さは、約１μｍから約１００のμｍの範囲であってもよい。しかし、他の実施形態においては、より大きくてもよく、又はより小さくてもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素又は光転向層１０５の厚さは、５μｍと５０μｍとの間にあることができる。幾つかの他の実施形態において、光転向要素又は光転向層１０５の厚さは、１μｍと１０μｍとの間にあることができる。光転向要素１０５は、接着剤によって、光導波路１０１の表面に取り付けられることが可能である。接着剤は、光導波路１０１を構成する材料と整合された屈折率を有するものであってもよい。幾つかの実施形態では、接着剤は、光転向要素１０５構成する材料と整合された屈折率を有するものであってもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素１０５は、光導波路１０１上を覆っていてもよい。特定の他の実施形態において、体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムは、エンボス、モールド又は他の方法によって、光導波路１０１の上又は下の表面上に形成され得る。
【００３２】
体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムは、透過又は反射モードで作動できる。一般的に、透過型回折要素又は透過型ホログラムは、光学的に透過する材料を含み、透過型回折要素又は透過型ホログラムを通過する光を回折させる。通常、反射型回折要素及び反射型ホログラムは、反射性材料を含み、反射型回折要素及び反射型ホログラムから反射された光を回折させる。ある実施形態では、体積又は表面の回折要素／ホログラムは、透過型構造及び反射型構造の混成であり得る。回折要素／ホログラムは、レインボウホログラムを含むことができ、コンピュータにより生成された回折要素又はホログラム、又は他のタイプのホログラム又は回折光学要素を含む。反射型ホログラムは、透過型ホログラムより白色光の集光及び導波が可能であるため、幾つかの実施形態において、反射型ホログラムは、透過型ホログラムより好まれ得る。それらの実施形態において、ある程度の透過度が必要とされる場合には、透過型ホログラムが使うことができる。透過型ホログラムは、複数の層から成る実施形態において、反射型ホログラムより好まれ得る。後述する特定の実施形態において、透過性の層の積層体（たとえば透過型ホログラム）は、光学性能を向上させるのに役立つことができる。透過性の層は、一部の光が光導波路の下の空間領域まで光導波路を通過できるように設計されている実施形態に役立ち得る。設計又は美的目的のため、回折要素又はホログラムの色を、反射し又は透過できる。設計又は美的目的のために、光導波路が、一つ以上の色を透過するように構成された実施形態において、透過型ホログラム又はレインボウホログラムが、使用され得る。設計又は美的目的のために、光導波路が、一つ以上の色を反射するように構成された実施形態において、反射型ホログラム又はレインボウホログラムが、使用され得る。
【００３３】
光転向要素１０５の１つの可能な利点は、下記の図１Ｃ及び１Ｄを参照して説明される。図１Ｃは、光転向要素１０５が、透過型ホログラムを含むと共に光導波路１０１の上面上に配置されている実施形態を示す。環境光１０２ｉの光線は、光転向要素１０５の上面に、入射角θ１で入射する。光転向要素１０５は、光１０２ｉの入射光線の方向を曲げ、又は回折させる。回折光１０２ｂは、光導波路内における光線１０２ｒの伝搬角度（ａｎｇｌｅ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）が、θＴＩＲより大きいθ”１であるように光導波路１０１上に入射する。その結果、光転向要素１０５が存在しない場合（例えば図１Ａに示すように）、光導波路１０１の外に透過されて、光導波路１０１の内部で導波されない光１０２ｔの光線は、光転向要素１０５がある場合には、現在光導波路１０１内部に集光されて、導波される。従って、光転向要素１０５は、光導波路１０１の集光率（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を上昇させる。
【００３４】
図１Ｄは、光転向要素１０５は、反射型ホログラムを備えると共にまた光導波路１０１の底面に配置されている実施形態を例示する。図１Ａと関連して上述したように、光線１０２ｒの伝播角度がθ’１となるように、光線１０２ｉが角度θ１で光導波路１０１の上面に入射する。光転向要素１０５に当たった屈折光線１０２ｒは、光転向要素１０５によって、角度θ”１の光線１０２ｂとして転向される。角度θ”１は、光導波路１０１に対する臨界角θＴＩＲより大きい。角度θ”１が臨界角θＴＩＲより大きいので、その後、光線１０２ｂは、複数の全反射によって、光導波路１０１内部において、導波される。このように、光導波路１０１によって、導波されなかった光１０２ｉの光線は、（例えば図１Ａに示すように）光転向要素１０５の存在のため、光導波路１０１の内部に導波される。幾つかの実施形態において、それらがフィルム又は層を備える場合、光導波路１０１及び光転向要素１０５は、一緒に、光収集フィルム又は光収集層として呼ばれ得る。
【００３５】
上記の通り、光転向要素は、受け入れの円錐を増加させ、その中に存在している光の光線を光導波路によって、収集して導波させるのに用いられ得る。図２Ａは、光導波路２０１の上面上に配置すると共に体積回折特徴又は表面回折特徴を有する、光転向要素２０５から成る光導波路２０１の実施形態を示す。半角度βを持つ円錐２０４の内部の入射光の光線（これからは非導波光円錐と呼ばれる）は、光転向要素２０５によって、転向又は曲げられる。光導波路２０１内において、転向された、又は曲げられた光線の角度は、θＴＩＲによりも小さいか、あるいは同等である。従って、非導波光円錐２０４内に存在している入射光の光線は、光導波路から透過され得る。様々な実施形態において、非導波光円錐２０４の外側に存在している光の光線は、図２Ｂを参照して後述するように、光導波路内において収集され、そして導波され得る。
【００３６】
光転向要素２０５で、表面回折特徴物、体積回折特徴物、表面ホログラム又は体積ホログラムは、異なる方向に沿った環境光を受け入れるように、形成され得る。例えば、図２Ｂに図示される実施形態において、表面回折特徴物又は体積回折特徴物は、−ｘ軸及びｙ軸によって、４分割された第２象限（ｓｅｃｏｎｄ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｑｕａｄｒａｎｔ）にある円錐２０６の範囲内の入射光の光線と、ｘ軸及びｙ軸によって、４分割された第１象限（ｆｉｒｓｔ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｑｕａｄｒａｎｔ）にある円錐２０７の範囲内の入射光の光線と、を受け入れることができて、転向させることができる。円錐２０６内の光の光線は、円錐２０８内の経路に沿って透過され、一方で円錐２０７内の光の光線は、円錐２０９内の経路に沿って透過される。円錐２０８及び円錐２０９内の光の光線は、光導波路２０１内で導波されることができ、光導波路２０１の端に沿って配置され得る光−電変換装置（例えば光電池）に接続されることができる。
【００３７】
表面ホログラム又は体積ホログラムは、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層上の２つの光線の干渉により生成されるパターンを記録することによって、作られる。２つの光線のうちの１つは、入力ビームと呼ばれ、その他は、出力ビームと呼ばれる。この２つの光線が互いに干渉され、結果として生じる干渉パターンは、屈折率の変調（例えば、体積ホログラム）として又はトポグラフィー特徴物（例えば、表面ホログラム）として、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層に記録される。幾つかの実施形態において、干渉パターンは、フリンジ（ｆｒｉｎｇｅｓ ）又は格子（ｇｒａｔｉｎｇ）として記録されることができる。ある実施形態では、干渉パターン（又はホログラフィック・パターン）が、屈折率の変化として記録されることができる。このような特徴物は、（例えば、体積ホログラムにおける）体積特徴物と呼ばれる。図３Ａは、体積特徴物を備えるホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の側面図を示す。他の実施形態において、干渉パターンは、例えば、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の表面上にトポグラフィーの変化として記録されることができる。このような特徴物は、（例えば、表面ホログラム又は回折光学要素における）表面レリーフ特徴物（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｆｅａｔｕｒｅｓ）と呼ばれる。図３Ｂは、表面レリーフホログラフィック特徴物又は回折特徴物を備えるホログラフィプレート、ホログラフィフィルム又はホログラフィ層の側面図を示す。
【００３８】
第２の光線を再生するため、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層は、第１の光線によって、照らされることができる。幾つかの実施形態において、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の変換効率（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の光入力に対するホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の光出力の比率として定められ得る。幾つかの実施形態において、体積ホログラムの変換効率は、表面ホログラムの変換効率より高くてもよい。ある実施形態では、より低屈折率を有する平坦化材料が、図３Ｃに示されている表面ホログラフィック特徴物上に配置されることができる。平坦化された表面ホログラムは、付加的な層が表面ホログラムの上に形成されることを有利にすることができると共に、表面特徴物を保護することができ、その結果、より丈夫な構造がもたらされる。平坦化は、複数の光収集フィルムの積層をより有利にさせることができる。
【００３９】
図４Ａは、透過型体積ホログラムを備える実施例４００の一つの製造方法を示す。この方法は、光導体４０１の上面に感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５を配置するステップを備える。上記の通り、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５は、積層されてもよく、例えば、接着材で光導波路４０１上に付着されてもよい。この接着材は、光導波路４０１に屈折率整合（ｉｎｄｅｘ−ｍａｔｃｈｅｄ）されていてもよい。他の実施形態において、感光材料が、光導波路４０１に被覆される。ある実施形態では、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５は、ホログラム記録材料と呼ばれ得る。感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５は、写真乳剤（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ）、重クロム酸ゼラチン（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ）、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔｓ）、フォト熱可塑性物質（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）、フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）、フォトクロミック（ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｅｓ）、光屈折物質（ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｓ）を含むことができる。幾つの実施形態において、ホログラム記録材料は、ハロゲン化銀からなる層又は他の感光性化学薬品を含むことができる。回折特徴物は、干渉パターンのような光のパターンに感光材料を露出させることによって、感光材料に形成できる。
【００４０】
特定の実施形態において、上記の方法は、例えば、光導波路４０１の前方へ第１の光源４０８及び第２の光源４０７を配置するステップを備える。結合プリズム（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｒｉｓｍ）４０６は、ホログラム記録材料４０５上に配置される。その結果、第１の光源４０８（参照ビームとも呼ばれる）からの光線は、急な角度でホログラフィック材料に入射することができ、光導波路４０１の導波モードと成り得る。第２の光源４０７からの光線（物体ビームとも呼ばれる）は、結合プリズムを通過して、ホログラフィック記録材料の方向へ導かれる。物体ビームと参照ビームとの間の干渉は、ホログラム記録材料上に記録される。写真用（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ）プレート、写真用フィルム又は写真用層４０５が現像された後、図４Ｂに示すように、実施形態４００は、太陽光線を集めて導波させるために用いられ得る。太陽光線に露出される実施形態４００は、物体ビームとほぼ同じ入射角を有する太陽光線を転向させ、光導波路４０１を介してそれらを導波させる。入射された太陽光線は、導波された参照ビームとして、同一方向に沿って光導波路４０１内で導波される。
【００４１】
複数のホログラムは、図４Ｃに示すように、参照ビーム及び物体ビームの角度を変えることにより記録され得る。図４Ｃにおいて、光線４１１ｏは、第１の入射角で入射する物体ビームを示し、光線４１２ｏが第２の入射角で入射する物体ビームを示す。光線４１１ｒ及び光線４１２ｒは、それぞれ物体ビーム４１１ｏ及び４１２ｏに対応する参照ビームを表す。第１の角度で入射する太陽光線は、集められて、光導波路によって、参照ビーム４１１ｒの方向に沿って伝搬される一方、第２の角度で入射する太陽光線は、集められて、光導波路によって、参照ビーム４１２ｒの方向に沿って伝搬される。このように複数のホログラムを備える転向層は、複数の角度で入射される太陽光線を集め、導波できる。
【００４２】
複数のホログラムは、参照ビームの波長及び／又は入射角を変化させることによって、記録され得る。例えば、一実施形態において、参照ビームの３つの異なる波長（例えば紫外線の波長、青色の波長及び緑の波長）に対して３つの異なるホログラムが記録され得る。幾つの実施形態において、参照ビームの波長は、約３２５μｍ、約３６５μｍ、約４１８μｍ及び約５３２μｍであり得る。適当な記録媒体が利用できる場合、赤いレーザー装置が、参照ビームとして用いられることが可能である。参照ビームの異なる波長を用いた記録用の複数のホログラムは、太陽スペクトルの光の波長のより幅広い範囲を集めるのに有利と成り得る。
【００４３】
図５Ａは、反射ホログラムを備える実施形態５００を製造する方法を示す。本実施形態において、方法は、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層５０５を光導体５０１の底面に配置するステップを備える。写真用プレート、フィルム又は層は、光導波路５０１の底面に被覆されることができ、又を、積層できる。図４Ａに関して上述したように、接着剤は、感光性プレート、フィルム又は層を光導波路５０１接続するために用いることができる。参照レーザー源５０８は、光導波路５０１の後方に配置され、その結果、参照ビームが光導波路５０１の底面上に入射される。上述のように、参照プリズム５０６が、急な角度（例えば角度θ”）で参照ビームを結合させて、光導波路５０１の導波モードであるビームを生成するのに用いられることが可能である。光源５０７は、光導波路５０１の後側に配置され、その結果、物体ビームが光導波路５０１の上部表面に入射される。光源５０７から出射される物体ビームと参照ビームとの間における干渉パターンは、ホログラム記録材料上に記録される。図５Ｂに示すように、図５Ａの光源５０７からの物体ビームとほぼ同じ入射角で光導体５０１上に入射する太陽の光線は、ガイド参照ビームの方向に沿って光導波路により伝搬される。
【００４４】
記録ホログラムの他の方法も、可能である。例えば、一実施形態において、所望の導波モードを生成する原版・ホログラフィック・パターン（ｍａｓｔｅｒ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）は、エンボス加工するために用いることができる回転フィルム又は層に所望のホログラフィック・パターンをエンボス加工するのに用いることができ、又は光学的方法を介して所望のホログラフィック・パターンを再生するのに用いることができる。所望の導波モードを生成するホログラフィック・パターンは、光学的方法を用いて、又はコンピュータプログラム（例えば、コンピュータ生成ホログラム）を用いて作られることもできる。
【００４５】
上で製造される光転向要素を備える光導波路は、太陽光線を集めて、集光させるために用いることができ、それ故、光コレクタと呼ばれ得る。この光コレクタ上に入射する光は、相当な部分が捕獲されると共に、集光されない光コレクタ上の環境光の一部がそのまま残り、光コレクタの外へと向きを変えられ得る。その結果、光コレクタの収集効率が低下される。低い収集効率を改善するために、複数の光コレクタは、積層状に含まれ得る。幾つかの実施形態において、複数の光コレクタ層（ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｌａｙｅｒｓ）は、光転向要素と共に配置された光導波路を備える。光転向要素は、体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム、又は表面ホログラムから成り、上面の光導波路を透過した光が、下部の光導波路によって、受け取られることが可能である。
【００４６】
図６は、３つの光導波路層６０１ａ、６０１ｂ及び６０１ｃを備える実施形態を示す。エアギャップ６０３が連続する任意の２枚の光導波路層の間に含まれるように、３枚の光導波路層が積層されている。光転向要素６０２ａ、６０２ｂ及び６０２ｃは、光導波路層６０１ａ、６０１ｂ及び６０１ｃの表面上に配置されている。各光転向層は、異なる角度で光を転向させる体積レリーフ回折特徴物又は表面レリーフ回折特徴物を備える。図６において、例えば、円錐６０４内の環境光は、光導波路６０１ａ上に配置された光転向要素６０２ａ上に入射する。光転向要素６０２ａは、入射光線を導波モード（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅｓ）に変えることができる。臨界角より大きい角度で光転向要素６０２ａから結合される光の光線、例えば円錐６０５内である光の光線は光導波路６０１ａの導波モードと結合される。臨界角より少ない角度で光転向要素６０２ａから導かれた光線、例えば円錐６０６内の光線は、収集されず、光導波路６０１ｂ上に配置された光転向要素６０２ｂに入射する。光転向要素６０２ｂは、それに入射する光を転向させることができる。臨界角より大きい角度で光転向要素６０２ｂから結合される光の光線、例えば円錐６０７内に位置する光の光線は、光導波路６０１ｂの導波モードに結合される。一方、臨界角より小さい角度で光転向要素６０２ｂから導かれた光の光線、例えば、円錐６０８内に位置する光の光線は、光導波路６０１ｂから出力されて結合される。同様に、光転向要素６０２ｃは、光転向要素６０２ｃ上に入射する光を転向させることができる。臨界角より大きい角度で光転向要素６０２ｃから結合される光の光線は、例えば円錐６０９内に位置する光の光線は、光導波路６０１ｃの導波モードに結合される。このように、環境光の大部分は、上記の複数の光導波路積層体によって、集められ得る。幾つかの実施形態において、結合されるすべての層の累積的な光収集効率は、所望の角及びスペクトル範囲において、ほぼ１００％に近づくことができる。ある実施形態では、光転向要素６０２ａ、６０２ｂ及び６０２ｃは、ほぼ同じであるか異なる角度に、入射光を転向させることができる。特定の実施形態において、光転向要素６０２ａ、６０２ｂ及び６０２ｃは、異なる表面レリーフ回折特徴物（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）又は表面ホログラムを備えることができ、３つの光転向要素のそれぞれは、光の異なる波長を収集する。ある実施形態では、異なる光導波路６０１ａ、６０１ｂ及び６０１ｃは、異なる波長の光を集めることができる。一実施形態において、積み重ねられた光導波路は、（例えば可視波長のための）光電池によって、電気エネルギー源に変換され得る光の波長だけを収集できる。一方、光電池又は光導波路或いはホログラフィック材料に損害を与えることができる紫外線の紫外線（ＵＶ）及び赤外線（ＩＲ）の放射光は、光導波路層の外側に透過される。導波されたＵＶ放射光及びＩＲ放射光は、熱生成要素等の他の要素に伝達され得る。このような熱生成要素は、例えば、温水又は熱を提供するために、水を加熱できる。幾つかの実施形態では、水、油等の他の液体は、蒸気を形成できる。この蒸気は、一つ以上のタービンを駆動して、電気を発生させるために用いることができる。太陽輻射から熱を発生させるこれらの方法は、太陽熱生成と呼ばれ得る。様々な実施形態において、水、油又はガス等の流体を加熱して電気及び／又は機械の電力を発生させるために、太陽熱生成器が用いられることが可能である。
【００４７】
図７は、光導波路層７０１ａ、７０１ｂ及び７０１ｃを備える複合光コレクタを例示する。光導波路層７０１ａ、７０１ｂ及び７０１ｃは、その間にエアギャップが介されることなく、一緒に積層され得る。光転向要素７０２ａ、７０２ｂ及び７０２ｃは、光導波路層７０１ａ、７０１ｂ及び７０１ｃの上面上に配置されている。光導波路及び光転向要素は、一緒に積層され得る。幾つかの実施形態では、すべての光導波路及び光転向要素は、図７に示すように一緒に光学的に結合され、単一の光導波路を形成できる。複合光導波路の上面上に入射する光は、他の光転向フィルム又は光転向層７０２ａ（７０２ｂ及び７０２ｃ）のいずれかと相互に作用することができ、光導波路の導波モードに変換され得る。光導波路を積層するこの方法の１つの利点は、複合光導波路層の総合の厚さが減少され得るということである。幾つかの実施形態において、複合光導波路のような全体の厚みは、１ｃｍ未満でありえるが、この範囲外の値であってもよい。例えば、一実施形態において、複合光導波路がエアギャップを有しながら積層される場合、光導波路の厚みは１ｃｍより大きくなりうる。複数層から成る複合光導波路の各層の厚みは、ほぼ１ｍｍでもよい。幾つかの実施形態では、光導波路の厚みは、０．５ｍｍ未満でもよい。若干の他の実施形態において、光導波路の厚みは、１ｍｍ未満でもよい。
【００４８】
図８は、複数の光導波路８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃを備える複合光コレクタを示す。各光導波路８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃは、低屈折率材料層８０３によって、離間している。低屈折率材料層８０３は、幾つかの実施形態において、クラッドと呼ばれることがある。様々な実施形態において、低屈折率材料層８０３は、各光導波路を光学的に絶縁させる（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｉｓｏｌａｔｅ）ことができる。このように、幾つかの実施形態において、低屈折率材料の層８０３は、光学絶縁層（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）と呼ばれ得る。複合光コレクタは、更に光導波路８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃの表面上に配置された光転向要素（例えば８０２ａ、８０２ｂ及び８０２ｃ）を備える。図６に関して上述したように、複合光導波路の上面上に入射される光の第１部分は、光導波路８０１ａにより導波される一方、複合光導波路の上面上に入射される光の第２部分が光導波路８０１ａにより透過される。第２部分はその後、光導波路８０１ｂに入射する。光導波路の積層体の上面上に入射される光の一部分は、光導波路８０１ｂにより導波される一方、光導波路８０１ｂに入射される光の他の部分は光導波路８０１ｂの外側に透過され、光導波路８０１ｃに入射する。このプロセスは、所望の角度及び／又はスペクトル範囲の光の大部分が集光されて、複合光コレクタにより導波されるまで繰り返される。
【００４９】
上記の積層された複合光コレクタのあらゆる実施形態に対して、光収集効率は、各光転向要素が異なるスペクトル領域の光のみならず異なる円錐角の光を捕えるか又は集めるように設計することによって、更に増加できる。以下、この概念の詳細について説明する。図９に示される一実施形態９００において、複数の光導波路層９０１、９０２、９０３、９０４、９０５及び９０６は、複合光収集構造を形成するために、一緒に積み重ねられる。太陽電池９１３は、図９に示すように複合光収集構造に対して、横に配置されることができる。光導波路層９０１〜９０６は、図９Ａに示すように回折特徴物又はホログラム９０７〜９１２を備える光転向要素を更に備える。異なる光転向要素９０７〜９１２は、異なる角度の、空気等の周囲の媒体からの光コレクタ上に入射される光を捕獲するように構成される。例えば、一実施形態において、光転向要素９０７は、光の光線を捕獲できるか又は集めることができる。その光の光線は、光転向要素９０７の法線に対して約０度〜−１５度に入射される。光転向要素９０８は、光転向要素９０８の法線に対して約−１５度〜−３０度に入射される光の光線を集めることができる。一方、光転向要素９０９は、光転向要素９０９の法線に対し約−３０度〜−４５度に入射される光の光線を集めることができる。光転向要素９１０は、光転向要素９１０の法線に対し約０度〜１５度に入射される光の光線を集めることができる。光転向要素９１１は、光転向要素９１１の法線に対し約１５度〜３０度に入射される光の光線を集めることができる。そして、光転向要素９１２は、光転向要素９１２の法線に対し約３０度〜４５度に入射される光の光線を集めることができる。このように、複合光収集構造は、複合光導波路の表面の法線に対して−４５度と４５度に入射される光の光線を効果的に集めることができる。幾つかの実施形態において、複合光収集構造は、複合光導波路の表面に法線に対してほぼ−８０度と８０度の間の光を効果的に集めることができる。ある実施形態では、複合光収集構造は、複合光導波路の表面に法線に対してほぼ±７０度間の光又は±６０度間の光又は±５０度間の光を効果的に集めることができる。上で特定される集束角度（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ）は、例に過ぎない。集束角度の他の範囲は、様々な他の実施形態において、可能である。
【００５０】
各々の異なる光円錐を集めるように構成されるいくつかの集光層を積層することによる１つの可能な効果は、光コレクタの方向を機械的に変えずに、一日中の殆どの時間帯において、効率的に集光できることである。例えば、朝及び夕方においては、太陽の光線は、斜めの角度（ｇｒａｚｉｎｇ ａｎｇｌｅｓ）で入射し、正午においては、太陽の光線は、法線に近い角度で入射する。図９に記載されている実施形態によれば、朝、午後及び夕方において、ほぼ等しい効率で光を集めることができる。
【００５１】
図１０は、一緒に積み重なる複数の光導波路層１００１、１００２及び１００３を備える実施形態を示す。各光導波路層は、それぞれ回折特徴物又はホログラムを含む光転向要素１００４、１００５、及び１００６を更に備える。光電子（ＰＶ）電池１００７、１００８及び１００９は、光導波路１００１、１００２及び１００３のそれぞれに対して横方向に配置される。光転向要素１００４、１００５及び１００６のそれぞれは、対応する太陽電池のバンドギャップに等しいエネルギーを有する様々なスペクトル領域の光を集めるように構成される。例えば、図１０に示すように、入射ビーム１０１０は、スペクトル範囲Δλｉ内の光を含み、入射ビーム１０１１は、スペクトル範囲Δλ２内の光を含む。入射ビーム１０１２はスペクトル範囲Δλ３の光を含み、入射ビーム１０１３はスペクトル範囲Δλ４の光を含む。ある実施形態では、スペクトル範囲Δλｉ、Δλ２及びΔλ３は、青い、緑の及び赤い光に対応できる。光転向要素１００６は、スペクトル範囲Δλｉの光を効率的に集めることができ、光導波路１００１の導波モードに変換させ、収集された光を太陽電池１００７に導く。太陽電池１００７のバンドギャップは、効率的にスペクトル範囲Δλｉの光を吸収する。同様に、光回転部材１００５及び１００４は、スペクトル範囲Δλ２及びΔλ３の光を効率的に集めることができ、光導波路１００２及び１００３の導波モードに変換させ、それらをそれぞれ太陽電池１００８及び１００９に導く。太陽電池１００８及び１００９のバンドギャップは、それぞれスペクトル範囲Δλ２及びΔλ３の光を効率的に吸収する。また、図１０に図示される実施形態においては、例えばＩＲ又はＵＶの望ましくないスペクトル範囲内にあるスペクトル範囲Δλ４の光を含む光線１０１３が示されている。光線１０１３は、光転向要素１００４、１００５及び１００６のいずれによっても転向されず、外側へ透過される。
【００５２】
本願明細書において、記載されているように、異なるホログラフィック層又は回折光学要素を有する複数の光導波路又は光導波路層は積み重なることができる。３枚の異なるホログラフィック層又は回折光学要素を有する３つの光導波路又は光導波路層が図６〜８及び１０に示されるにもかかわらず、多少異なるホログラフィック層又は回折光学要素を有するより多い又はより少ない光導波路又は光導波路層が用いられることが可能である。同じ構成が、積層体全体にわたって使われる必要はない。例えば、エアギャップは、幾つかの光導波路を分離するために用いることができる一方、低インデックス材料が他の光導波を分離するために用いることができる。加えて、互いに光学的に絶縁されない光導波路層は、光学的に絶縁された一つ以上の光導波路を含むこともできる。複数のスタックの使用は、効率を改善できる。複数のホログラフィック層の効率は、例えば、通常、単一層において、記録される複数のホログラムの効率より高い。したがって、ホログラムによって回折し、例えば光電池に結合する光の量は、増加され得る。
【００５３】
様々な実施形態において、光ファイバは、例えば１センチメートル未満に細い。光導波路は、特定の実施形態において、例えば１ｍｍ、０．５ｍｍ又は０．２５ｍｍ未満でもよい。したがって、光導波路は、薄膜と呼ばれてもよい。このような薄膜は、ポリマー又はプラスチックを備えることができる。このような薄膜は、軽くてもよく、可撓性でもよく、安価でもよく、容易に製造され得る。
【００５４】
回折特徴物を備える光転向要素は、例えば、１００μｍ未満に薄くてもよい。光転向要素は、例えば特定の実施形態において、５０μｍ未満、１０μｍ未満又は１μｍ未満でもよい。同様に、光転向要素は、薄膜と呼ばれてもよい。このような薄膜は、感光材料（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を備えることができる。例えば、一実施形態において、光転向要素は、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）、ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）、ＤＥから製造されたホログラフィックポリマーを含むことができる。
【００５５】
様々な実施形態において、光転向要素は、光導波路を備えるキャリアの上に形成される。上記の通りに、このキャリアは、厚さ１ミリメートル未満（例えば、０．５ｍｍ未満、０．３ｍｍ又は０．１ｍｍ）の薄膜でもよい。同様に、このキャリアは、ポリマー又はプラスチックを備えることができ、可撓性であることができ、また安価でありえる。
【００５６】
ホログラフィック記録材料はキャリア上へ被覆されていることができる。そして、ホログラム又は回折光学要素はコーティングにおいて、記録されることができる。このコーティングは、光転向特徴物を形成するために、幾つかの実施形態において、現像され得る。ある実施形態では、コーティング内の光転向特徴物をキャリアの上に形成するために原版が用いられ得る。光学的方法が、コーティング内の光転向特徴物を形成するために、原版と連動して用いられることが可能である。エンボス加工のような他の方法は、光転向特徴物を原版から形成するために用いることもできる。
【００５７】
原版は、例えば、ドラムに上配置されていてもよく、その上にコーティングを有するキャリアが回るドラム（ｒｏｌｌｉｎｇ ｄｒｕｍ）を通過し、コーティング内に回折特徴物を作成できる。幾つかの実施形態では、このような構成が、エンボス化プロセスで使われる。幾つかの実施形態では、例えば、図３Ｃに示されているような回折特徴物上にある層が配置され、例えば表面を平坦化して及び／又は回折特徴物を保護する。幾つかの実施形態において、その層は、光転向要素より低い屈折率を有する低屈折率材料を備えることができる。
【００５８】
大きな原版を作製するために、第１の原版は、コンピュータ生成を介した光学的方法を使用して製造されることができる。幾つかの実施形態において、このような第１の原版は、フォトリソグラフィ及びエッチング法により形成される特徴を有するウェーハを備える。他の方法が、この第１の原版を製造するために用いることができる。この原版が、複数の同等の電鋳（ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｓ）の製造に用いられ得る。幾つかの実施形態において、これらの電鋳は、幅及び長さが１２インチ未満でありえる。幾つかの実施形態では、電鋳は、幅及び長さがほぼ６インチでありえる。電鋳は、より大きな原版を生産するために、基板上にアレイ状に載置され得る。このような原版は、例えば、１０つ〜２０つの電鋳を含むことができる。より大きな原版は、その中に特徴物を有する大きなシートを加工するのに用いることができる。ホットエンボシング（ｈｏｔ ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）、ＵＶ―エンボシング（ＵＶ−ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）、その他のエンボシングが、使うことができる。他の方法が、使用されることもできる。幾つかの実施形態において、このようなシートは、幅が１メートルより大きいことができる。この方法は、例えばレンズ、プリズム及び／又は鏡の過度に大きい光学装置を使用することなく大きなシートを製造することを可能にする。
【００５９】
他の実施形態では、光導波路を含み得る基礎フィルム又はキャリア上に形成されたホログラフィック特徴物又は回折回転特徴物のシートは、一般の搬送フィルム上に配置されている。この搬送フィルムは、ストリップより広くてもよい。一実施形態において、例えば、ストリップは、幅が５ｃｍ〜１０ｃｍであり、幅が約１ｍのキャリア上に配置される。しかしながら、これらの範囲外の寸法も、可能である。接着剤が、ホログラフィック層又は回折層をキャリアフィルム上に付着するために用いてもよい。例えば、ホログラフィック特徴物又は回折回転特徴物がその上に配置されたキャリア層、接着剤層及び基礎フィルム層の一部の層又は全部の層は、光導波路として作動することができて、その内において、光を伝搬できる。
【００６０】
上述の通り、光コレクタは、日光を捕獲して、それを電気に変換するために、太陽電池と統合されることができる。図１１Ａは、光コレクタ１１０２と統合される太陽電池１１０１の斜視図を示す。光コレクタ１１０２は、前面１０２ｆと背面１１０２ｒとを備える。光コレクタ１１０２は、更に、前面１０２ｆと背面１１０２ｒとの間に複数の端１１０２ｅを備える。太陽電池１１０１は、図１１Ａに示すように一つ以上の複数の端１１０２ｅに対して、横方向に配置されることができる。光コレクタは、異なる入射角及び異なる波長の光を捕獲し、集めるように形成されることができ、捕えられた光を一つ以上の太陽電池に導く。
【００６１】
図１１Ｂは光コレクタ１１０２と光コレクタ１１０２の一縁部に沿って配置された太陽電池１１０１とを備える一実施形態の平面図を示す。図１１Ｃは、２つの太陽電池１１０１が、光コレクタ１１０２の２つの異なる端に沿って配置されている一実施形態の平面図を示す一方、図１１Ｄは４つの太陽電池１１０１が、光コレクタ１１０２の４つの異なる端に沿って配置されている一実施形態の平面図を示す。４つ以上の太陽電池が光コレクタの一つ以上の端に沿って配置される他の実施形態も可能である。光コレクタは、入射光線の異なる波長が異なる太陽電池に方向付けられるように設計され得る。幾つかの実施形態において、太陽電池は、光コレクタ１１０２の一つ以上の角に配置されることができる。
【００６２】
入射光線の望ましくない波長は、光コレクタから図１２に示すように光コレクタの後方に配置された太陽熱変換器の方へ透過されることができる。図１２は、入射光線から熱及び電気を発生させることができるシステムの側面図を示す。図１２の図示した実施形態には、光コレクタ１２０１を備える。光コレクタ１２０１は、光導波路と回折特徴物又はホログラムを有する光転向層とを備える。図１２の図示した実施形態は、光コレクタ１２０１の端に対して横方向に配置された太陽電池１２０２を更に備える。入射される太陽輻射の一部は、集められ、光コレクタ１２０１によって、太陽電池１２０２へ向かって導波され、太陽電池１２０２において、電気に変換される。太陽輻射の望ましくないスペクトル周波数（例えばＵＶ及びＩＲの周波数）は、光コレクタ１２０１を透過して、熱発生要素１２０３へ導かれる（例えば太陽熱変換器のために）。
【００６３】
光を集めて、集光して、光を光電池に導波する表面回折特徴物又はホログラムを含む光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムを使用する方法は、太陽電池の効率を向上させるのに用いられることが可能である。また、この方法によって、安価で、軽量で、環境的に安全で、丈夫にすることができる。光電池に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムを備える太陽電池は、太陽電池のパネルを形成するように配列され得る。この方法を使用して形成される太陽電池パネルは、より軽量になることができると共に、環境的に安全となり、且つ丈夫となり得る。また、比較的容易に改良され得る。例えば、より効果的な光電池のより新たなジェネレーションとして利用できる。これらのパネルによって、以前の太陽電池は、より新規な太陽電池と置き換えられることが可能である。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、比較的容易と置き換えられることもできる。
【００６４】
太陽電池のこのようなパネルが、様々な用途で用いられることが可能である。例えば、複数の光コレクタを備える太陽電池のパネルは、光学的に、太陽電池に結合される。太陽熱発生器は、居住用居住施設又は商業ビルの屋根上面に載置されることができ、又は、図１３で図示したように、ドア及びウインドウ上に配置され、補足的に電力を家又は事業へ供給する。光コレクタは、透明又は半透明のプレート、シート又はフィルム形でありえる。住宅又は建築又は水道管を加熱する屋根上面等の光コレクタにより、例えば、赤外線は光コレクタの下の空間領域を通して通過され得る。光コレクタは、入射光線を集めるか又は捕獲することに加えて美的目的のために、所望の色（例えば赤又は茶色）を反射する反射型ホログラムを有する光転向層を備えることができる。光コレクタは、剛性を有しても、可撓性を有してもよい。幾つかの実施形態では、光コレクタは、十分な可撓性を有し、巻かれることができる。このようなシート１３０８を備える太陽電池パネルは、図１３に示すように窓ガラス上に取り付けられることが可能である。光収集シートは、透明であることができ、ウインドウを透かして見ることができる。しかしながら、光収集シートは、光を太陽電池に向きを変えることによって、光の一部を減衰させることができる。幾つかの実施形態において、光収集シートは、ニュートラル濃度フィルタ（ｎｅｕｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）として作動し、可視スペクトル及び不可視スペクトル（例えば、赤外線スペクトル）全体にわたる透過を実質的に一定の量に減衰させる。したがって、この種のシートは、家及び建物における眩輝（ｇｌａｒｅ）を減少させることができ、その中の温度を低下させることができる。光収集シートは、色付けられていてもよい。幾つかの実施形態では、光コレクタは、波長フィルタ特性を有し、紫外線放射又は他の不可視スペクトルの成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を透過させる。ある実施形態では、光収集シートが、巻き上げ又は巻き下げることができるブラインドとして用いられることができ、又は巻き上げ又は巻き下げることができるブラインド上に取り付けられ得る。
【００６５】
他の用途では、光コレクタは、図１４及び１５に示すように車及びラップトップ上に載置することができ、それぞれ電力を供給する。図１４において、光収集プレート、シート又はフィルム１４０４は、自動車の屋根上に取り付けられる。光電池１４０８は、光コレクタ１４０４の外縁に沿って配置されることができる。光電池によって、発生する電力は、例えばガス、電気又はガス及び電気の両方によって、駆動する車両のバッテリを再充電するために、又は電気部品を駆動させるために使うことができる。図１５において、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１５０４は、ラップトップの本体（例えば外部ケーシング）上に取り付けられることが可能である。これは、電気的接続部（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）がないラップトップに電力を印加する際に有利であり得る。或いは、光学的に光電池に結合される光ガイド収集装置は、ラップトップ用の電池を再充電するために用いられ得る。
【００６６】
幾つかの実施形態において、光学的に光電池に連結された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、衣料品又は靴上に取り付けられることが可能である。例えば、図１６は、ジャケット又はベストの下端部（ｌｏｗｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ）上に配置された光電池１６０８に光学的に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１６０４を備えるジャケット又はベストを示す。幾つかの実施形態では、光電池１６０８は、ジャケット又はベスト上の他の部分に配置されてもよい。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１６０４は、環境光を集め、集光させ、光電池１６０８に導くことができる。光電池１６０８によって、発生する電気は、例えばＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、携帯電話の携帯用デバイスを駆動するために用いられ得る。代替的に、光電池１６０８によって、発生する電気は、航空会社の地上整備員、警察、消防又は暗い所の救急労働者により着用されるベスト及びジャケットを明るくして透視距離を増加させるのに用いられ得る。図１７に図示される他の実施形態において、光収集プレート、シート又はフィルム１７０４は、靴上に配置されてもよい。光電池１７０８は、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１７０４の外縁に沿って配置されていてもよい。
【００６７】
光電池に結合される表面回折特徴物又は表面ホログラムを有する光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムを含む太陽電池のパネルは、飛行機、トラック、電車、自転車、帆船、衛星及び他の車両或いは構造物上に取り付けられ得る。例えば、図１８に示すように、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１８０４は、飛行機の翼又は飛行機の窓ガラス上に取り付けられることが可能である。光電池１８０８は、図１８に図示したように、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムの縁部に沿って、配置されることができる。発生する電気は、電力を航空機の部品へ供給するために用いることができる。図１９は、帆船におけるナビゲーション計測器又は装置、例えば冷蔵庫、テレビ及び他の電気設備に電力を提供する光電池に結合された光コレクタの使用を例示する。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１９０４は、帆船の帆に取り付けられる。太陽電池１９０８は、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１９０４の外縁で配置されている。別の実施例において、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１９０４は、帆船の本体、例えば、キャビンの船体又はデッキ上に取り付けられることが可能である。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム２００４は、図２０に示すように自転車上に載置できる。図２１は、光電池に光学的に結合され、通信衛星、気象衛星及び他の用途の衛星へ電力を供給する光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムの更なる別の使用を例示する。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが、また他の応用のために用いられることが可能である。
【００６８】
図２２は、十分な可撓性を有して巻かれ得る光収集シート２２０４を例示する。光収集シートは、光電池に光学的に結合される。図２２に記載されている実施形態は、巻かれることができ、キャンピング又はバックパック旅行に携帯でき、屋外において、又は電気接続が弱い遠隔位置において、電力を発生させることができる。加えて、光電池に光学的に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、様々な構造又は製品に取り付けられることができ、電力を供給し得る。
【００６９】
光電池に光学的に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、モジュール方式の付加的な効果を有することができる。例えば、デザインに応じて、光電池は、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムに選択的に取り付けることができ、又は光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムから着脱可能となるように構成されることができる。このように、既存の光電池は、全システムを交換することなく、周期的に新規な光電池又はより効率的な光電池で交換され得る。光電池のこの交換性は、維持又は実質的な改良のコストを低減できる。
【００７０】
様々な他の用途も、可能である。フィルム、層、部品及び／又は要素は、加えられることができ、取り外されることができ、又は再配置できる。加えて、処理ステップは、加えられることができて、省略されることができ、又は再配置できる。また、本願明細書において用いられる、フィルム及び層という用語は、フィルムの積層体及び多層フィルムを含む。そのようなフィルムの積層体及び多層フィルムは、接着剤で他の構造に付着されてもよく、又は堆積或いは他の方法で他の構造に形成されることができる。
【００７１】
上記の実施例は、単に典型的な例に過ぎず、本願明細書において、開示される発明の概念を逸脱しない範囲で、当業者は上記の実施例の様々な修正し又は変形できる。これらの実施形態に対するさまざまな変更態様は、直ちに当業者にとって明らかであってもよく、本願明細書において、定められる一般的な原理は、本願明細書において、記載されている新態様の範囲を逸脱しない範囲で、他の実施形態に適用されることができる。このように、開示の範囲は、本願明細書において、示される実施形態を限定することが意図されておらず、原理及び本願明細書において、開示された新特徴と整合した最も広い範囲である。本願明細書において、「典型的である」という語は、もっぱら「例証、例、又は説明として提供する」ということを意味するために使われる。「典型的である」と本願明細書において、用いられるいかなる実施形態も、必ずしも他の実施形態と比べて好適であるか有利であると解釈されることになっているというわけではない。
【技術分野】
【０００１】
（相互関連出願の参照）
本願は、“ＴＨＩＮ ＦＩＬＭ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＳＯＬＡＲ ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＯＲ／ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ”と題された００８年２月１２日に出願された特許文献１（代理人整理番号：ＱＭＲＣ．００２ＰＲ）の優先権を３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下で主張する。その明細書の内容は、すべてその全部の参照によって、本願明細書において組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は太陽エネルギーの分野に関し、特にマイクロ構造薄膜（ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ）を使用して、太陽輻射（ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を収集して集光させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
１世紀以上、石炭、油及び天然ガスのような化石燃料が米国の主エネルギー源として提供されてきた。代替エネルギー源の必要性が、増加している。化石燃料は、急速に枯渇される再生不可能なエネルギー源である。インド及び中国のような発展途上国における大規模工業化は、利用可能な化石燃料に対する相当な負担を負う。加えて、地政学的な問題は、このような燃料の供給に急速に影響を及ぼすことになる。地球温暖化も、近年より大きな問題となっている。多くの要因が、地球温暖化に関与すると考えられる。しかしながら、化石燃料の広範囲にわたる使用が、地球温暖化の主要な原因であること推定される。従って、再生可能であると共に経済的に現実的で、且つ環境的に安全なエネルギー源の発見が至急必要である。太陽エネルギーは、環境的に安全で再生可能なエネルギー源である。太陽エネルギーは、熱エネルギー及び電気エネルギーのような他のエネルギーの形に変換され得る。しかしながら、再生可能なエネルギーの経済的に競争的な源としての太陽エネルギーの使用は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する際における低い変換効率と、一日における時間帯による太陽エネルギーの変化及び一年における月ごとの太陽エネルギーの変化とによって、妨げられる。
【０００４】
光起電力（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）電池は、光学エネルギーを電気エネルギー源に変換し、結果として、太陽エネルギーを電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）に変換するために用いることができる。光起電力太陽電池（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ）は、非常に薄く且つモジュール式でありえる。太陽電池のサイズは、２、３ｍｍ〜数十のセンチメートルの範囲内にあることができる。太陽電池（光起電力電池）から出力される電気出力の各々は、数ミリワット〜数ワットの範囲内にあることができる。いくつかの太陽電池は、電気的に接続されると共に、パッケージされ、電気の充分な量を生成し得る。太陽電池は、衛星及びその他の宇宙船への電力提供、居住用及び商業用の建物（ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）へ電気供給、自動車用電池の充電等の広範囲の用途に用いられることが可能である。
【０００５】
太陽コンセントレータ（Ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ）は、太陽エネルギーを集めて、集光させ、太陽電池におけるより高い変換効率を成し遂げるのに用いることができる。例えば、放物面鏡（ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｍｉｒｒｏｒｓ）は、光エネルギーを熱エネルギー及び電気エネルギーに変換させる装置において、光を集めて焦光させるのに用いることができる。他のタイプのレンズ及び鏡も、変換効率を著しく上昇させるのに用いられ得る。
【０００６】
太陽電池において、光を集めて集光させ、一日中の太陽の動きを追う光コレクタ（ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ）及び光コンセントレータを使用することも有効と成りうる。加えて、曇った日に拡散光を集める機能を有することも有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国仮出願第６１／０２８１３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、そのようなシステムは、複雑で、大きくて重く且つ大型である。多くの用途のために、これらが光コレクタ及び／又は光コンセントレータが大きさにおいて、コンパクトであることも好ましい。コンパクトな光コレクタ及び／又は光コンセントレータとしてホログラフィック薄膜を使用することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願明細書において、記載されている様々な実施形態において、光電池（ｐｈｏｔｏｃｅｌｌ）に光学的に結合される光導波路を備える装置が記載されている。その装置は、光転向フィルム（ｌｉｇｈｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｆｉｌｍ）又は光転向層（ｌｉｇｈｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を更に備える。光転向フィルム又は光転向層は、体積回折特徴物（ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ）、表面回折特徴物（ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ）、体積ホログラム、又は表面ホログラムを備える。光導波路上に入射する光は、反射性（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）又は透過性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）である体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム、又は表面ホログラムによって、方向が変えられ、複数の全反射によって、光導波路を通って誘導される。誘導される光は、光電池へと向きを変えられる。ある実施形態では、太陽エネルギーが熱生成器（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を加熱するために用いられ、水を加熱して蒸気から電気が作り出される。様々な実施形態において、光導波路は、薄くて（例えば、１ｍｍ未満）、例えば、薄膜から成る。光導波路は、可撓性材料で形成され得る。複数の光導波路層（ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ ｌａｙｅｒ）は、各々の上面上に積層されることができ、コンセントレータを形成する。コンセントレータは、より広い範囲の角度及び／又はより広い範囲の波長にわたって作動し、回折効率（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させてきた。
【００１０】
様々な種実施形態において、上面及び底面を有する第１の光導波路を備える太陽エネルギー収集装置が、開示されている。太陽エネルギー収集装置は、更に、第１の光電池と第１の光導波路の前記上面に入射される環境光（ａｍｂｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）の向きを変え、前記環境光が前記第１の光導波路内で全反射によって、前記上面及び底面から前記第１の光電池へ導波されるように配置された複数の回折特徴物とを備え、前記第１の光導波路は、１ミリメートル以下の厚さを有する。
【００１１】
様々な実施形態において、光を導波させるための第１の光導波手段を含む太陽エネルギー収集装置が、開示されている。第１の光導波手段は、上面及び底面を含み、光は前記上面及び底面での複数の全反射によって、該第１の光導波手段内で導波する。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための第１の光吸収手段を備える。第１の光吸収手段は、該第１の光吸収手段により吸収される光から電気信号を生成するように構成される。太陽エネルギー収集装置は、光を回折させるための複数の光回折手段を備える。複数の光回折手段は、第１の光導波手段の前記上面上に入射した環境光を向け替えて、前記環境光を全反射によって、第１の光導波手段内で前記上面及び底面から前記第１の光吸収手段まで導波させるように配置される。そこにおいて、前記第１の光導波手段は、１ｍｍ以下の厚みを有する。幾つかの実施形態において、光導波手段は光導波路を備え、光吸収手段は光電池を備え、光回折手段は回折特徴物を備える。
【００１２】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示される。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、上面及び底面を有する第１の光導波路を形成するステップを備える。第１の光導波路は複数の回折特徴物を含み、前記上面及び前記底面での複数の全反射によって、該第１の光導波路の内部において、光を導波させる。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、第１の光電池を形成するステップを更に備える。そこにおいて、前記第１の光導波路は、１ｍｍ以下の厚さを有する。様々な種実施形態において、複数の回折特徴物は、第１の光導波路上に配置されている。
【００１３】
様々な実施形態において、内部において、光を導波させる第一及び第二の光導波路層を備える太陽エネルギー収集装置が開示されている。太陽エネルギー収集装置は、更に第１の光電池と、前記第１の光導波路層上に入射した環境光の向きを変えるように配置された第１の複数の回折特徴物と、前記第２の光導波路層上に入射した環境光の向きを変えるように配置された第２の複数の回折特徴物と、を備え、前記環境光は、前記第１及び第２の光導波路層内において、前記第１の光電池へ導波される。
【００１４】
様々な実施形態において、少なくとも一つの光コレクタを備える太陽エネルギー収集装置が、開示されている。光コレクタは、上面及び底面と、前記光導波路の前記上面上に入射した環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物と、を備える光導波路、少なくとも一つの光電池、及び太陽熱生成器（ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を備える。
【００１５】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置は、上面及び底面を有する光導波路を備える。光導波路は、前記上面及び底面での複数の全反射によって、内部において、光を導波させる。太陽エネルギー収集装置は、光電池と透過型回折要素（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）とを更に備える。透過型回折要素は、光導波路の前記上面上に入射した環境光の向きを変え、前記光が全反射によって、光導波路内部において、上面及び底面から前記第１の光電池まで導波されるように配置された複数の回折特徴物を備える。
【００１６】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置は、光を導波させるための光導波手段であって、上面及び底面を有すると共に、前記上面及び前記底面での複数の全反射によって、内部において、光を導波させる光導波手段を備える。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための光吸収手段であって、吸収された光から電気信号を生成するように構成された光吸収手段を更に備える。また、太陽エネルギー収集装置は、透過（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）による光回折手段であって、光導波路の前記上面に入射される環境光の向きを変え、前記環境光が前光導波路内で全反射によって、前記上面及び前記底面から光吸収手段に導波するように配置された光回折手段を更に備える。様々な実施形態において、前記光導波手段は、光導波路を備え、前記光吸収手段が光電池を備え、透過による光回折手段が、複数の回折特徴物を有する透過型回折要素を備える。
【００１７】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示されている。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、上面及び底面を有する光導波路であって、複数の回折特徴物を有する透過型回折要素を備えると共に前記上面及び前記底面での複数の全反射によって、内部において、光を導波させる光導波路を形成するステップと、光電池を形成するステップと、を備える。
【００１８】
様々な実施形態において、光を導波させるための第一及び第二の光導波手段を備える太陽エネルギー収集装置が開示されている。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための第１の光吸収手段であって、該第１の光吸収手段により吸収された光で電気信号を生成するように構成された第１の光吸収手段を更に備える。太陽エネルギー収集装置は、光を回折させるための第１及び第２の複数の光回折手段を備える。第１及び第２の複数の光回折手段は、前記第１及び第２の光導波手段上に入射された環境光の向きを変えるように構成される。光は、前記第１及び第２の光導波手段内において、前記第１の光吸収手段へ導波される。様々な実施形態において、第１及び第２の光導波手段は光導波路を備え、第１の光吸収手段は光電池を備え、第１及び第２複数の光回折手段は、回折特徴物を備える。
【００１９】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示されている。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、内部において、光を導波させると共に内部に第１の複数の回折特徴物を含む第１の光導波路層と、内部において光を導波させると共に内部に第２の複数の回折特徴物を含む第２の光導波路層とを形成するステップを備える。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、第１の光電池を形成するステップを備える。幾つかの実施形態において、光は、前記第１及び第２の光導波路層内において、前記第１の光電池へ導波される。幾つかの実施形態において、第一及び第二の複数の回折特徴物は、前記第１及び第２の光導波路層上に配置される。
【００２０】
様々な実施形態において、光を収集するための少なくとも一つの光収集手段を備える太陽エネルギー収集装置が開示されている。光収集手段は、光を導波させるための光導波手段であって、上面及び底面と、光を回折させるための複数の光回折手段と、を含む光導波手段を備える。光回折手段は、前記光導波手段の前記上面上に入射した環境光の向きを変えるように構成されている。太陽エネルギー収集装置は、光を吸収するための少なくとも一つの光吸収手段であって、該光吸収手段により吸収された光から電気信号を生成するように構成された少なくとも一つの光吸収手段を更に備える。太陽エネルギー収集装置は、熱エネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換するため手段を更に備える。様々な実施形態において、光収集手段は光コレクタを備え、光導波手段は光導波路を備え、光回折手段は回折特徴物を備え、光吸吸収手段は光電池を備え、又は熱エネルギー変換手段は太陽熱生成器を備える。
【００２１】
様々な実施形態において、太陽エネルギー収集装置の製造方法が開示されている。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、少なくとも一つの光コレクタを形成するステップを備える。その光コレクタは、上面及び底面と前記光導波路の前記上面上に入射する環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物とを有する光導波路を備える。太陽エネルギー収集装置の製造方法は、少なくとも一つの光電池を形成するステップ、又は太陽熱生成器を形成するステップを更に備える。本願明細書において、開示される例示の実施形態は、添付の概略図面に図示される。
それは、図示するためのためにだけある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】光線が光導波路内部で屈折した後、光導波路から導波される光導波路の側面概略図である。
【図１Ｂ】光導波路の側面図及び屈折の光円錐を示す概略図である。
【図１Ｃ】光導波路の上面に配置すると共に透過型ホログラムを備える光転向要素（ｌｉｇｈｔ ｔｕｒｎｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）の側面図の概略図である。
【図１Ｄ】光導波路の下面に配置した反射型ホログラムを備える光転向要素の側面図を示す概略図である。
【図２Ａ】体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム、又は表面ホログラムを有する光転向要素を備える光導波路内で、導波される光円錐を示す概略図である。
【図２Ｂ】体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムを有する光転向要素と、光導波路内で導波される２つの光円錐とを備える光導波路の他の実施形態を示す概略図である。
【図３Ａ】体積ホログラムを備える光転向層の実施形態を示す概略図である。
【図３Ｂ】表面レリーフ回折特徴物を備える光転向層の実施形態を示す概略図である。
【図３Ｃ】平坦化された表面レリーフ回折特徴物を有する光転向層の実施形態を示す概略図である。
【図４Ａ】透過型ホログラムを有する光転向層を備える光コレクタを製作するための一配置を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａの方法によって製作される光コレクタと、その中に集められて導波される環境光と、を示す概略図である。
【図４Ｃ】複数の体積ホログラムを備える光コレクタを製作するための一配置を示す概略図である。
【図５Ａ】反射型ホログラムを有する光転向層を備える光コレクタを製作するための一配置を示す概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａの方法により製作される光コレクタと、その中に集められて導波される環境光と、を示す概略図である。
【図６】連続的な光コレクタの間のエアギャップと共に積み上げられる複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図７】それぞれの光コレクタが光学的に結合するように一緒に積層される複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図８】連続的な光コレクタの間に低屈折率材料を有する複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図９】各光コレクタが、様々な角度で入射する光を集める複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図９Ａ】各光コレクタが、様々な角度で入射する光を集める複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図１０】各光コレクタが、様々な波長の入射光を収集する複数の光コレクタを備える一実施形態を示す概略図である。
【図１１Ａ】光コレクタと、光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された太陽電池と、を備える一実施形態を示す概略図である。
【図１１Ｂ】光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された１つ、２つの又は４つの太陽電池を備える光コレクタの様々な実施形態を示す概略図である。
【図１１Ｃ】光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された１つ、２つの又は４つの太陽電池を備える光コレクタの様々な実施形態を示す概略図である。
【図１１Ｄ】光コレクタの互いに対向する端に沿って横方向に配置された１つ、２つの又は４つの太陽電池を備える光コレクタの様々な実施形態を示す概略図である。
【図１２】光コレクタ、太陽電池及び太陽熱生成器を備えるシステムの概略図である。
【図１３】居住用住居の屋根上に、又は窓上に配置される光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムを示す概略図である。
【図１４】光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムが自動車の屋根上に配置されている実施形態を示す概略図である。
【図１５】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムがラップトップのボディ上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図１６】光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムが衣料品上に取り付けられている一例を示す概略図である。
【図１７】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが靴上に配置された一例を示す概略図である。
【図１８】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが飛行機の翼及びウインドウ上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図１９】光電池に光学的に結合した光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが帆船上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図２０】光電池に光学的に結合した光収集プレート、シート又はフィルムが自転車上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図２１】光収集プレート、シート又はフィルムが衛星上に取り付けられている実施形態を示す概略図である。
【図２２】光電池に光学的に結合した光収集シートが実質的に可撓性を有する実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の詳細な説明は、本発明に係る特定の実施形態を導く。しかしながら、本発明は、多くの異なる方法において、実施されることができる。以下の説明から明らかであるように、実施形態は、光源からの放射光を集めて、捕獲して、凝集させるように構成されるいかなる装置においても実施されることができる。より詳しくは、本願明細書において、記載された実施形態は、様々な用途で行われても、又は関係していてもよく、例えば電力を住居及び商業的な建物へ供給し、例えばラップトップ、ＰＤＡ、腕時計、計算機、携帯電話、ビデオレコーダー、静止及びビデオ・カメラ、ＭＰ３プレーヤなどの電子装置へ電力を供給することなどが想定される。加えて、本願明細書において、記載されている実施形態は、着用可能であると共に電力が生成可能な衣類、靴及びアクセサリにおいて、使うことができる。本願明細書において、記載されている幾つかの実施形態は、自動車用電池、ナビゲーション用装置及び揚水を充電することに使うことができる。本願明細書において、記載されている実施形態は、航空宇宙及び衛星用途に使うことができる。さらに他の応用にも、用いられ得る。
【００２４】
本願明細書において、記載されている様々な実施形態において、光コレクタ又は光コンセントレータ（凝集器）は、光電池に結合される。光コレクタ及び／又はコンセントレータは、例えば、体積レリーフ回折特徴物、表面レリーフ回折特徴物、体積レリーフホログラム、表面レリーフホログラムを内部に有するプレート、シート又はフィルムである光導波路を備える。光導波路上に入射する環境光は、体積レリーフ回折特徴物、表面レリーフ回折特徴物、体積レリーフホログラム、表面レリーフホログラムによって、光導波路内において向きが変えされ、全反射によって、光導波路を通して導波される。光電池は、光導波路の一つ以上の端に沿って配置され、光導波路から出射された光は、光電池と結合される。環境光を収集して、集光させ且つ光電池へ導くために光導波路を使用することによって、光エネルギーを電気エネルギーに高い効率で変換できると共に、安価で製造できる光−電気装置が実現可能となる。ある実施形態では、太陽エネルギーが、水を加熱するか、又は蒸気から電気を作り出すための熱ジェネレータを駆動する（例えば加熱する）ためにも使われる。光導波路は、プレート、シート又はフィルムとして形成されることができる。様々な実施形態において、光導波路は、薄く（例えば、１センチメートル未満）、例えば薄膜状を成す。光導波路は、剛性又は半剛性の材料で製作されることができる。幾つかの実施形態において、光導波路は、可撓性の材料で形成されることができる。光導波路は、反射性又は透過性である表面回折特徴物、体積回折特徴物、表面ホログラム、又は体積ホログラムから成ることができる。複数の光導波路層は、より広い角度及び／又は波長の範囲にわたって作動し、且つ回折効率が上昇されたコンセントレータを作り出すために、各々の上面上に積層され得る。
【００２５】
本願明細書において、開示される本発明の幾つかの実施形態は、ホログラフィックな要素を含む平坦なコレクタを有する光電池において、配送するための日光の収集を可能にする。環境光は、回折要素又はホログラフィック要素により捕獲され、光導波路の導波モードに結合される。図１Ａは、空気で囲まれた光導波路１０１を備える実施形態の側面図を示す。光導波路１０１は、光学的に透過性の材料を含むことができる。その材料は、一つ以上の波長での放射に対して実質的に光学的に透過性を有する。例えば一実施形態において、光導波路１０１は、可視領域（ｖｉｓｉｂｌｅ ｒｅｇｉｏｎ）及び近赤外線領域（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）における波長に対して実質的に光学的に透過性であってもよい。他の実施形態において、光導波路１０１は、紫外線又は赤外線の領域の波長を透過してもよい。光導波路１０１は、実質的に光学的に透過型のプレート、シート又はフィルムを備えることができる。光導波路１０１は、平坦であってもよく、又は曲がっていてもよい。光導波路１０１は、実施形態に対して構造的安定性を与えるために、例えばガラス又はアクリルのような、剛性又は半剛性の材料から形成されてもよい。他の実施形態において、光導波路１０１は、例えば可撓性ポリマーのような可撓性材料で形成されてもよい。幾つかの他の実施形態における光導波路１０１を形成するために、他の材料、例えばＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリエステル（例えばＰＥＴなど）、シクロオレフィン・ポリマー（例えばＺｅｏｎｏｒ（登録商標）など）が、用いられることが可能である。幾つかの実施形態において、厚さによって、光導波路１０１が剛性であるか、又は可撓性であるかが決定してもよい。ある実施形態では、光導波路１０１は、基板上に堆積された薄膜を備えることができる。基板は、不透明でも、部分的に、又は、実質的に完全に光学的に透過性を有する、あるいは透明であってもよい。基板は、剛性を有してもよく、又は可撓性を有してよい。
【００２６】
光導波路１０１は、２つの表面から成ることができる。上面（ｕｐｐｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ）は、環境光が入射するように構成される。幾つかの実施形態では、光導波路の底面は、基板に付着されていることができる。光導波路１０１は、周囲が複数の端によって、囲まれていることができる。様々な実施形態において、光導波路１０１の長さ及び幅は、実質的に光導波路１０１の厚さより大きい。光導波路１０１の厚さは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの間にあることができる。光導波路１０１の面積（ａｒｅａ）は、１．０ｃｍ２〜１０，０００ｃｍ２の範囲内でありえる。しかしながら、これらの範囲外の寸法であってもよい。
【００２７】
図１Ａに示すように、空気内にあるに由来する光導波路１０１の実施形態の上面上に入射する環境光１０２ｉの光線を考慮する。環境光１０２ｉは、上面の法線に対して角度θｉで入射する。幾つかの実施形態において、光線１０２ｉは、法線に対する角度θｒの光線１０２ｒのように光導波路１０１内で屈折され、その後法線に対して角度θｔの光線１０２ｔのように光導波路から周囲の空気媒体へ透過される。幾つかの実施形態において、光線１０２ｔが光導波路１０１から透過されるときの角度θｔは、光線１０２ｉは光導波路１０１に入射するときの角度θｉにほぼ等しい。
【００２８】
光導波路１０１の内部の屈折光１０２ｒが、光導波路１０１の法線に対してなす屈折角θｒは、スネルの法則により算出されることができる。屈折角θｒは、空気媒体の屈折率に対する光導波路材料の屈折率の比率の逆数に等しい。幾つかの実施形態では、図１Ｂに示すように、光導波路上の空気から入射されると共に半球１０２内にある光線は、光線１０３ａ及び光線１０３ｂにより定義される円錐内で屈折して、その後光導波路１０１から透過される。これらの実施形態の入射光の光線は、入射角に関係なく光導波路からいつでも透過され。そのため、光を光導波路内に捕獲して導波させるのに対して、このような光導波路を用いることは、困難であり得る。
【００２９】
図１Ａの光１０２ｒの光線が、光導波路１０１から透過されるのを防止するために、屈折角θｒは、光導波路１０１を構成する材料の臨界角θＴＩＲ以上でなければならない。臨界角θＴＩＲは、光学的により高密度媒体（ｄｅｎｓｅｒ ｍｅｄｉｕｍ）から光学的により低密度媒体（ｒａｒｅｒ ｍｅｄｉｕｍ）に通過する光の光線が全反射される際における、最も小さい入射角である臨界角θＴＩＲは、光学的により高密度及び光学的に低密度の媒体の屈折率に依存する。図１Ａを参照すると、臨界角θＴＩＲは、このように、光導波路１０１を構成する材料と、光導波路１０１を囲んでいる材料（例えば空気）とに依存する。幾つかの実施形態では、それは、スネルの法則によって示されることができ、空気から生じている光線において、（例えば図１Ａに示されているように）、入射角が表面の法線に対して９０度にほぼ等しいときに、屈折角は、臨界角にほぼ等しくなる。
【００３０】
光転向要素は、光導波路上に入射する環境光を捕獲し、この入射光を光導波路の導波モードに変換するための、光導波路と共に含まれることができる。光転向要素は、全反射によって、光導波路内に光の光線が導波されるように、光導波路の内部における光の入射光線の角度を変えることができる。幾つかの実施形態において、光導波路により収集され、導波される光の量は、光導波路の光収集効率として称されることができる。従って、様々な実施形態において、光転向要素は、光導波路の光収集効率を可能にする、及び／又は、向上させることができる。光転向要素を備える光導波路によって、集められて導波される光は、光導波路の一つ以上の端に配置した、一つ以上の光−電変換装置（例えば太陽電池）に伝達されることができる。光導波路を構成する寸法及び材料の適当な選択によって、入射する環境光は光導波路を通して導波されることができ、所望の距離に伝達されることができる。
【００３１】
図１Ｃ及び図１Ｄは、光転向要素１０５を更に備える光導波路１０１の実施形態を例示する。光転向要素１０５は、マイクロ―構造が形成された薄膜でもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素１０５は、体積レリーフ回折特徴物又は表面レリーフ回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムを含んでいてもよい。光転向要素１０５は、薄いプレート、シート又はフィルムであってもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素１０５の厚さは、約１μｍから約１００のμｍの範囲であってもよい。しかし、他の実施形態においては、より大きくてもよく、又はより小さくてもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素又は光転向層１０５の厚さは、５μｍと５０μｍとの間にあることができる。幾つかの他の実施形態において、光転向要素又は光転向層１０５の厚さは、１μｍと１０μｍとの間にあることができる。光転向要素１０５は、接着剤によって、光導波路１０１の表面に取り付けられることが可能である。接着剤は、光導波路１０１を構成する材料と整合された屈折率を有するものであってもよい。幾つかの実施形態では、接着剤は、光転向要素１０５構成する材料と整合された屈折率を有するものであってもよい。幾つかの実施形態において、光転向要素１０５は、光導波路１０１上を覆っていてもよい。特定の他の実施形態において、体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムは、エンボス、モールド又は他の方法によって、光導波路１０１の上又は下の表面上に形成され得る。
【００３２】
体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム又は表面ホログラムは、透過又は反射モードで作動できる。一般的に、透過型回折要素又は透過型ホログラムは、光学的に透過する材料を含み、透過型回折要素又は透過型ホログラムを通過する光を回折させる。通常、反射型回折要素及び反射型ホログラムは、反射性材料を含み、反射型回折要素及び反射型ホログラムから反射された光を回折させる。ある実施形態では、体積又は表面の回折要素／ホログラムは、透過型構造及び反射型構造の混成であり得る。回折要素／ホログラムは、レインボウホログラムを含むことができ、コンピュータにより生成された回折要素又はホログラム、又は他のタイプのホログラム又は回折光学要素を含む。反射型ホログラムは、透過型ホログラムより白色光の集光及び導波が可能であるため、幾つかの実施形態において、反射型ホログラムは、透過型ホログラムより好まれ得る。それらの実施形態において、ある程度の透過度が必要とされる場合には、透過型ホログラムが使うことができる。透過型ホログラムは、複数の層から成る実施形態において、反射型ホログラムより好まれ得る。後述する特定の実施形態において、透過性の層の積層体（たとえば透過型ホログラム）は、光学性能を向上させるのに役立つことができる。透過性の層は、一部の光が光導波路の下の空間領域まで光導波路を通過できるように設計されている実施形態に役立ち得る。設計又は美的目的のため、回折要素又はホログラムの色を、反射し又は透過できる。設計又は美的目的のために、光導波路が、一つ以上の色を透過するように構成された実施形態において、透過型ホログラム又はレインボウホログラムが、使用され得る。設計又は美的目的のために、光導波路が、一つ以上の色を反射するように構成された実施形態において、反射型ホログラム又はレインボウホログラムが、使用され得る。
【００３３】
光転向要素１０５の１つの可能な利点は、下記の図１Ｃ及び１Ｄを参照して説明される。図１Ｃは、光転向要素１０５が、透過型ホログラムを含むと共に光導波路１０１の上面上に配置されている実施形態を示す。環境光１０２ｉの光線は、光転向要素１０５の上面に、入射角θ１で入射する。光転向要素１０５は、光１０２ｉの入射光線の方向を曲げ、又は回折させる。回折光１０２ｂは、光導波路内における光線１０２ｒの伝搬角度（ａｎｇｌｅ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）が、θＴＩＲより大きいθ”１であるように光導波路１０１上に入射する。その結果、光転向要素１０５が存在しない場合（例えば図１Ａに示すように）、光導波路１０１の外に透過されて、光導波路１０１の内部で導波されない光１０２ｔの光線は、光転向要素１０５がある場合には、現在光導波路１０１内部に集光されて、導波される。従って、光転向要素１０５は、光導波路１０１の集光率（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を上昇させる。
【００３４】
図１Ｄは、光転向要素１０５は、反射型ホログラムを備えると共にまた光導波路１０１の底面に配置されている実施形態を例示する。図１Ａと関連して上述したように、光線１０２ｒの伝播角度がθ’１となるように、光線１０２ｉが角度θ１で光導波路１０１の上面に入射する。光転向要素１０５に当たった屈折光線１０２ｒは、光転向要素１０５によって、角度θ”１の光線１０２ｂとして転向される。角度θ”１は、光導波路１０１に対する臨界角θＴＩＲより大きい。角度θ”１が臨界角θＴＩＲより大きいので、その後、光線１０２ｂは、複数の全反射によって、光導波路１０１内部において、導波される。このように、光導波路１０１によって、導波されなかった光１０２ｉの光線は、（例えば図１Ａに示すように）光転向要素１０５の存在のため、光導波路１０１の内部に導波される。幾つかの実施形態において、それらがフィルム又は層を備える場合、光導波路１０１及び光転向要素１０５は、一緒に、光収集フィルム又は光収集層として呼ばれ得る。
【００３５】
上記の通り、光転向要素は、受け入れの円錐を増加させ、その中に存在している光の光線を光導波路によって、収集して導波させるのに用いられ得る。図２Ａは、光導波路２０１の上面上に配置すると共に体積回折特徴又は表面回折特徴を有する、光転向要素２０５から成る光導波路２０１の実施形態を示す。半角度βを持つ円錐２０４の内部の入射光の光線（これからは非導波光円錐と呼ばれる）は、光転向要素２０５によって、転向又は曲げられる。光導波路２０１内において、転向された、又は曲げられた光線の角度は、θＴＩＲによりも小さいか、あるいは同等である。従って、非導波光円錐２０４内に存在している入射光の光線は、光導波路から透過され得る。様々な実施形態において、非導波光円錐２０４の外側に存在している光の光線は、図２Ｂを参照して後述するように、光導波路内において収集され、そして導波され得る。
【００３６】
光転向要素２０５で、表面回折特徴物、体積回折特徴物、表面ホログラム又は体積ホログラムは、異なる方向に沿った環境光を受け入れるように、形成され得る。例えば、図２Ｂに図示される実施形態において、表面回折特徴物又は体積回折特徴物は、−ｘ軸及びｙ軸によって、４分割された第２象限（ｓｅｃｏｎｄ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｑｕａｄｒａｎｔ）にある円錐２０６の範囲内の入射光の光線と、ｘ軸及びｙ軸によって、４分割された第１象限（ｆｉｒｓｔ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｑｕａｄｒａｎｔ）にある円錐２０７の範囲内の入射光の光線と、を受け入れることができて、転向させることができる。円錐２０６内の光の光線は、円錐２０８内の経路に沿って透過され、一方で円錐２０７内の光の光線は、円錐２０９内の経路に沿って透過される。円錐２０８及び円錐２０９内の光の光線は、光導波路２０１内で導波されることができ、光導波路２０１の端に沿って配置され得る光−電変換装置（例えば光電池）に接続されることができる。
【００３７】
表面ホログラム又は体積ホログラムは、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層上の２つの光線の干渉により生成されるパターンを記録することによって、作られる。２つの光線のうちの１つは、入力ビームと呼ばれ、その他は、出力ビームと呼ばれる。この２つの光線が互いに干渉され、結果として生じる干渉パターンは、屈折率の変調（例えば、体積ホログラム）として又はトポグラフィー特徴物（例えば、表面ホログラム）として、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層に記録される。幾つかの実施形態において、干渉パターンは、フリンジ（ｆｒｉｎｇｅｓ ）又は格子（ｇｒａｔｉｎｇ）として記録されることができる。ある実施形態では、干渉パターン（又はホログラフィック・パターン）が、屈折率の変化として記録されることができる。このような特徴物は、（例えば、体積ホログラムにおける）体積特徴物と呼ばれる。図３Ａは、体積特徴物を備えるホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の側面図を示す。他の実施形態において、干渉パターンは、例えば、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の表面上にトポグラフィーの変化として記録されることができる。このような特徴物は、（例えば、表面ホログラム又は回折光学要素における）表面レリーフ特徴物（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｆｅａｔｕｒｅｓ）と呼ばれる。図３Ｂは、表面レリーフホログラフィック特徴物又は回折特徴物を備えるホログラフィプレート、ホログラフィフィルム又はホログラフィ層の側面図を示す。
【００３８】
第２の光線を再生するため、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層は、第１の光線によって、照らされることができる。幾つかの実施形態において、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の変換効率（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、ホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の光入力に対するホログラフィックプレート、ホログラフィックフィルム又はホログラフィック層の光出力の比率として定められ得る。幾つかの実施形態において、体積ホログラムの変換効率は、表面ホログラムの変換効率より高くてもよい。ある実施形態では、より低屈折率を有する平坦化材料が、図３Ｃに示されている表面ホログラフィック特徴物上に配置されることができる。平坦化された表面ホログラムは、付加的な層が表面ホログラムの上に形成されることを有利にすることができると共に、表面特徴物を保護することができ、その結果、より丈夫な構造がもたらされる。平坦化は、複数の光収集フィルムの積層をより有利にさせることができる。
【００３９】
図４Ａは、透過型体積ホログラムを備える実施例４００の一つの製造方法を示す。この方法は、光導体４０１の上面に感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５を配置するステップを備える。上記の通り、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５は、積層されてもよく、例えば、接着材で光導波路４０１上に付着されてもよい。この接着材は、光導波路４０１に屈折率整合（ｉｎｄｅｘ−ｍａｔｃｈｅｄ）されていてもよい。他の実施形態において、感光材料が、光導波路４０１に被覆される。ある実施形態では、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５は、ホログラム記録材料と呼ばれ得る。感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層４０５は、写真乳剤（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ）、重クロム酸ゼラチン（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ）、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔｓ）、フォト熱可塑性物質（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）、フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）、フォトクロミック（ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｅｓ）、光屈折物質（ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｓ）を含むことができる。幾つの実施形態において、ホログラム記録材料は、ハロゲン化銀からなる層又は他の感光性化学薬品を含むことができる。回折特徴物は、干渉パターンのような光のパターンに感光材料を露出させることによって、感光材料に形成できる。
【００４０】
特定の実施形態において、上記の方法は、例えば、光導波路４０１の前方へ第１の光源４０８及び第２の光源４０７を配置するステップを備える。結合プリズム（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｒｉｓｍ）４０６は、ホログラム記録材料４０５上に配置される。その結果、第１の光源４０８（参照ビームとも呼ばれる）からの光線は、急な角度でホログラフィック材料に入射することができ、光導波路４０１の導波モードと成り得る。第２の光源４０７からの光線（物体ビームとも呼ばれる）は、結合プリズムを通過して、ホログラフィック記録材料の方向へ導かれる。物体ビームと参照ビームとの間の干渉は、ホログラム記録材料上に記録される。写真用（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ）プレート、写真用フィルム又は写真用層４０５が現像された後、図４Ｂに示すように、実施形態４００は、太陽光線を集めて導波させるために用いられ得る。太陽光線に露出される実施形態４００は、物体ビームとほぼ同じ入射角を有する太陽光線を転向させ、光導波路４０１を介してそれらを導波させる。入射された太陽光線は、導波された参照ビームとして、同一方向に沿って光導波路４０１内で導波される。
【００４１】
複数のホログラムは、図４Ｃに示すように、参照ビーム及び物体ビームの角度を変えることにより記録され得る。図４Ｃにおいて、光線４１１ｏは、第１の入射角で入射する物体ビームを示し、光線４１２ｏが第２の入射角で入射する物体ビームを示す。光線４１１ｒ及び光線４１２ｒは、それぞれ物体ビーム４１１ｏ及び４１２ｏに対応する参照ビームを表す。第１の角度で入射する太陽光線は、集められて、光導波路によって、参照ビーム４１１ｒの方向に沿って伝搬される一方、第２の角度で入射する太陽光線は、集められて、光導波路によって、参照ビーム４１２ｒの方向に沿って伝搬される。このように複数のホログラムを備える転向層は、複数の角度で入射される太陽光線を集め、導波できる。
【００４２】
複数のホログラムは、参照ビームの波長及び／又は入射角を変化させることによって、記録され得る。例えば、一実施形態において、参照ビームの３つの異なる波長（例えば紫外線の波長、青色の波長及び緑の波長）に対して３つの異なるホログラムが記録され得る。幾つの実施形態において、参照ビームの波長は、約３２５μｍ、約３６５μｍ、約４１８μｍ及び約５３２μｍであり得る。適当な記録媒体が利用できる場合、赤いレーザー装置が、参照ビームとして用いられることが可能である。参照ビームの異なる波長を用いた記録用の複数のホログラムは、太陽スペクトルの光の波長のより幅広い範囲を集めるのに有利と成り得る。
【００４３】
図５Ａは、反射ホログラムを備える実施形態５００を製造する方法を示す。本実施形態において、方法は、感光性プレート、感光性フィルム又は感光性層５０５を光導体５０１の底面に配置するステップを備える。写真用プレート、フィルム又は層は、光導波路５０１の底面に被覆されることができ、又を、積層できる。図４Ａに関して上述したように、接着剤は、感光性プレート、フィルム又は層を光導波路５０１接続するために用いることができる。参照レーザー源５０８は、光導波路５０１の後方に配置され、その結果、参照ビームが光導波路５０１の底面上に入射される。上述のように、参照プリズム５０６が、急な角度（例えば角度θ”）で参照ビームを結合させて、光導波路５０１の導波モードであるビームを生成するのに用いられることが可能である。光源５０７は、光導波路５０１の後側に配置され、その結果、物体ビームが光導波路５０１の上部表面に入射される。光源５０７から出射される物体ビームと参照ビームとの間における干渉パターンは、ホログラム記録材料上に記録される。図５Ｂに示すように、図５Ａの光源５０７からの物体ビームとほぼ同じ入射角で光導体５０１上に入射する太陽の光線は、ガイド参照ビームの方向に沿って光導波路により伝搬される。
【００４４】
記録ホログラムの他の方法も、可能である。例えば、一実施形態において、所望の導波モードを生成する原版・ホログラフィック・パターン（ｍａｓｔｅｒ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）は、エンボス加工するために用いることができる回転フィルム又は層に所望のホログラフィック・パターンをエンボス加工するのに用いることができ、又は光学的方法を介して所望のホログラフィック・パターンを再生するのに用いることができる。所望の導波モードを生成するホログラフィック・パターンは、光学的方法を用いて、又はコンピュータプログラム（例えば、コンピュータ生成ホログラム）を用いて作られることもできる。
【００４５】
上で製造される光転向要素を備える光導波路は、太陽光線を集めて、集光させるために用いることができ、それ故、光コレクタと呼ばれ得る。この光コレクタ上に入射する光は、相当な部分が捕獲されると共に、集光されない光コレクタ上の環境光の一部がそのまま残り、光コレクタの外へと向きを変えられ得る。その結果、光コレクタの収集効率が低下される。低い収集効率を改善するために、複数の光コレクタは、積層状に含まれ得る。幾つかの実施形態において、複数の光コレクタ層（ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｌａｙｅｒｓ）は、光転向要素と共に配置された光導波路を備える。光転向要素は、体積回折特徴物、表面回折特徴物、体積ホログラム、又は表面ホログラムから成り、上面の光導波路を透過した光が、下部の光導波路によって、受け取られることが可能である。
【００４６】
図６は、３つの光導波路層６０１ａ、６０１ｂ及び６０１ｃを備える実施形態を示す。エアギャップ６０３が連続する任意の２枚の光導波路層の間に含まれるように、３枚の光導波路層が積層されている。光転向要素６０２ａ、６０２ｂ及び６０２ｃは、光導波路層６０１ａ、６０１ｂ及び６０１ｃの表面上に配置されている。各光転向層は、異なる角度で光を転向させる体積レリーフ回折特徴物又は表面レリーフ回折特徴物を備える。図６において、例えば、円錐６０４内の環境光は、光導波路６０１ａ上に配置された光転向要素６０２ａ上に入射する。光転向要素６０２ａは、入射光線を導波モード（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅｓ）に変えることができる。臨界角より大きい角度で光転向要素６０２ａから結合される光の光線、例えば円錐６０５内である光の光線は光導波路６０１ａの導波モードと結合される。臨界角より少ない角度で光転向要素６０２ａから導かれた光線、例えば円錐６０６内の光線は、収集されず、光導波路６０１ｂ上に配置された光転向要素６０２ｂに入射する。光転向要素６０２ｂは、それに入射する光を転向させることができる。臨界角より大きい角度で光転向要素６０２ｂから結合される光の光線、例えば円錐６０７内に位置する光の光線は、光導波路６０１ｂの導波モードに結合される。一方、臨界角より小さい角度で光転向要素６０２ｂから導かれた光の光線、例えば、円錐６０８内に位置する光の光線は、光導波路６０１ｂから出力されて結合される。同様に、光転向要素６０２ｃは、光転向要素６０２ｃ上に入射する光を転向させることができる。臨界角より大きい角度で光転向要素６０２ｃから結合される光の光線は、例えば円錐６０９内に位置する光の光線は、光導波路６０１ｃの導波モードに結合される。このように、環境光の大部分は、上記の複数の光導波路積層体によって、集められ得る。幾つかの実施形態において、結合されるすべての層の累積的な光収集効率は、所望の角及びスペクトル範囲において、ほぼ１００％に近づくことができる。ある実施形態では、光転向要素６０２ａ、６０２ｂ及び６０２ｃは、ほぼ同じであるか異なる角度に、入射光を転向させることができる。特定の実施形態において、光転向要素６０２ａ、６０２ｂ及び６０２ｃは、異なる表面レリーフ回折特徴物（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）又は表面ホログラムを備えることができ、３つの光転向要素のそれぞれは、光の異なる波長を収集する。ある実施形態では、異なる光導波路６０１ａ、６０１ｂ及び６０１ｃは、異なる波長の光を集めることができる。一実施形態において、積み重ねられた光導波路は、（例えば可視波長のための）光電池によって、電気エネルギー源に変換され得る光の波長だけを収集できる。一方、光電池又は光導波路或いはホログラフィック材料に損害を与えることができる紫外線の紫外線（ＵＶ）及び赤外線（ＩＲ）の放射光は、光導波路層の外側に透過される。導波されたＵＶ放射光及びＩＲ放射光は、熱生成要素等の他の要素に伝達され得る。このような熱生成要素は、例えば、温水又は熱を提供するために、水を加熱できる。幾つかの実施形態では、水、油等の他の液体は、蒸気を形成できる。この蒸気は、一つ以上のタービンを駆動して、電気を発生させるために用いることができる。太陽輻射から熱を発生させるこれらの方法は、太陽熱生成と呼ばれ得る。様々な実施形態において、水、油又はガス等の流体を加熱して電気及び／又は機械の電力を発生させるために、太陽熱生成器が用いられることが可能である。
【００４７】
図７は、光導波路層７０１ａ、７０１ｂ及び７０１ｃを備える複合光コレクタを例示する。光導波路層７０１ａ、７０１ｂ及び７０１ｃは、その間にエアギャップが介されることなく、一緒に積層され得る。光転向要素７０２ａ、７０２ｂ及び７０２ｃは、光導波路層７０１ａ、７０１ｂ及び７０１ｃの上面上に配置されている。光導波路及び光転向要素は、一緒に積層され得る。幾つかの実施形態では、すべての光導波路及び光転向要素は、図７に示すように一緒に光学的に結合され、単一の光導波路を形成できる。複合光導波路の上面上に入射する光は、他の光転向フィルム又は光転向層７０２ａ（７０２ｂ及び７０２ｃ）のいずれかと相互に作用することができ、光導波路の導波モードに変換され得る。光導波路を積層するこの方法の１つの利点は、複合光導波路層の総合の厚さが減少され得るということである。幾つかの実施形態において、複合光導波路のような全体の厚みは、１ｃｍ未満でありえるが、この範囲外の値であってもよい。例えば、一実施形態において、複合光導波路がエアギャップを有しながら積層される場合、光導波路の厚みは１ｃｍより大きくなりうる。複数層から成る複合光導波路の各層の厚みは、ほぼ１ｍｍでもよい。幾つかの実施形態では、光導波路の厚みは、０．５ｍｍ未満でもよい。若干の他の実施形態において、光導波路の厚みは、１ｍｍ未満でもよい。
【００４８】
図８は、複数の光導波路８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃを備える複合光コレクタを示す。各光導波路８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃは、低屈折率材料層８０３によって、離間している。低屈折率材料層８０３は、幾つかの実施形態において、クラッドと呼ばれることがある。様々な実施形態において、低屈折率材料層８０３は、各光導波路を光学的に絶縁させる（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｉｓｏｌａｔｅ）ことができる。このように、幾つかの実施形態において、低屈折率材料の層８０３は、光学絶縁層（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）と呼ばれ得る。複合光コレクタは、更に光導波路８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃの表面上に配置された光転向要素（例えば８０２ａ、８０２ｂ及び８０２ｃ）を備える。図６に関して上述したように、複合光導波路の上面上に入射される光の第１部分は、光導波路８０１ａにより導波される一方、複合光導波路の上面上に入射される光の第２部分が光導波路８０１ａにより透過される。第２部分はその後、光導波路８０１ｂに入射する。光導波路の積層体の上面上に入射される光の一部分は、光導波路８０１ｂにより導波される一方、光導波路８０１ｂに入射される光の他の部分は光導波路８０１ｂの外側に透過され、光導波路８０１ｃに入射する。このプロセスは、所望の角度及び／又はスペクトル範囲の光の大部分が集光されて、複合光コレクタにより導波されるまで繰り返される。
【００４９】
上記の積層された複合光コレクタのあらゆる実施形態に対して、光収集効率は、各光転向要素が異なるスペクトル領域の光のみならず異なる円錐角の光を捕えるか又は集めるように設計することによって、更に増加できる。以下、この概念の詳細について説明する。図９に示される一実施形態９００において、複数の光導波路層９０１、９０２、９０３、９０４、９０５及び９０６は、複合光収集構造を形成するために、一緒に積み重ねられる。太陽電池９１３は、図９に示すように複合光収集構造に対して、横に配置されることができる。光導波路層９０１〜９０６は、図９Ａに示すように回折特徴物又はホログラム９０７〜９１２を備える光転向要素を更に備える。異なる光転向要素９０７〜９１２は、異なる角度の、空気等の周囲の媒体からの光コレクタ上に入射される光を捕獲するように構成される。例えば、一実施形態において、光転向要素９０７は、光の光線を捕獲できるか又は集めることができる。その光の光線は、光転向要素９０７の法線に対して約０度〜−１５度に入射される。光転向要素９０８は、光転向要素９０８の法線に対して約−１５度〜−３０度に入射される光の光線を集めることができる。一方、光転向要素９０９は、光転向要素９０９の法線に対し約−３０度〜−４５度に入射される光の光線を集めることができる。光転向要素９１０は、光転向要素９１０の法線に対し約０度〜１５度に入射される光の光線を集めることができる。光転向要素９１１は、光転向要素９１１の法線に対し約１５度〜３０度に入射される光の光線を集めることができる。そして、光転向要素９１２は、光転向要素９１２の法線に対し約３０度〜４５度に入射される光の光線を集めることができる。このように、複合光収集構造は、複合光導波路の表面の法線に対して−４５度と４５度に入射される光の光線を効果的に集めることができる。幾つかの実施形態において、複合光収集構造は、複合光導波路の表面に法線に対してほぼ−８０度と８０度の間の光を効果的に集めることができる。ある実施形態では、複合光収集構造は、複合光導波路の表面に法線に対してほぼ±７０度間の光又は±６０度間の光又は±５０度間の光を効果的に集めることができる。上で特定される集束角度（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ）は、例に過ぎない。集束角度の他の範囲は、様々な他の実施形態において、可能である。
【００５０】
各々の異なる光円錐を集めるように構成されるいくつかの集光層を積層することによる１つの可能な効果は、光コレクタの方向を機械的に変えずに、一日中の殆どの時間帯において、効率的に集光できることである。例えば、朝及び夕方においては、太陽の光線は、斜めの角度（ｇｒａｚｉｎｇ ａｎｇｌｅｓ）で入射し、正午においては、太陽の光線は、法線に近い角度で入射する。図９に記載されている実施形態によれば、朝、午後及び夕方において、ほぼ等しい効率で光を集めることができる。
【００５１】
図１０は、一緒に積み重なる複数の光導波路層１００１、１００２及び１００３を備える実施形態を示す。各光導波路層は、それぞれ回折特徴物又はホログラムを含む光転向要素１００４、１００５、及び１００６を更に備える。光電子（ＰＶ）電池１００７、１００８及び１００９は、光導波路１００１、１００２及び１００３のそれぞれに対して横方向に配置される。光転向要素１００４、１００５及び１００６のそれぞれは、対応する太陽電池のバンドギャップに等しいエネルギーを有する様々なスペクトル領域の光を集めるように構成される。例えば、図１０に示すように、入射ビーム１０１０は、スペクトル範囲Δλｉ内の光を含み、入射ビーム１０１１は、スペクトル範囲Δλ２内の光を含む。入射ビーム１０１２はスペクトル範囲Δλ３の光を含み、入射ビーム１０１３はスペクトル範囲Δλ４の光を含む。ある実施形態では、スペクトル範囲Δλｉ、Δλ２及びΔλ３は、青い、緑の及び赤い光に対応できる。光転向要素１００６は、スペクトル範囲Δλｉの光を効率的に集めることができ、光導波路１００１の導波モードに変換させ、収集された光を太陽電池１００７に導く。太陽電池１００７のバンドギャップは、効率的にスペクトル範囲Δλｉの光を吸収する。同様に、光回転部材１００５及び１００４は、スペクトル範囲Δλ２及びΔλ３の光を効率的に集めることができ、光導波路１００２及び１００３の導波モードに変換させ、それらをそれぞれ太陽電池１００８及び１００９に導く。太陽電池１００８及び１００９のバンドギャップは、それぞれスペクトル範囲Δλ２及びΔλ３の光を効率的に吸収する。また、図１０に図示される実施形態においては、例えばＩＲ又はＵＶの望ましくないスペクトル範囲内にあるスペクトル範囲Δλ４の光を含む光線１０１３が示されている。光線１０１３は、光転向要素１００４、１００５及び１００６のいずれによっても転向されず、外側へ透過される。
【００５２】
本願明細書において、記載されているように、異なるホログラフィック層又は回折光学要素を有する複数の光導波路又は光導波路層は積み重なることができる。３枚の異なるホログラフィック層又は回折光学要素を有する３つの光導波路又は光導波路層が図６〜８及び１０に示されるにもかかわらず、多少異なるホログラフィック層又は回折光学要素を有するより多い又はより少ない光導波路又は光導波路層が用いられることが可能である。同じ構成が、積層体全体にわたって使われる必要はない。例えば、エアギャップは、幾つかの光導波路を分離するために用いることができる一方、低インデックス材料が他の光導波を分離するために用いることができる。加えて、互いに光学的に絶縁されない光導波路層は、光学的に絶縁された一つ以上の光導波路を含むこともできる。複数のスタックの使用は、効率を改善できる。複数のホログラフィック層の効率は、例えば、通常、単一層において、記録される複数のホログラムの効率より高い。したがって、ホログラムによって回折し、例えば光電池に結合する光の量は、増加され得る。
【００５３】
様々な実施形態において、光ファイバは、例えば１センチメートル未満に細い。光導波路は、特定の実施形態において、例えば１ｍｍ、０．５ｍｍ又は０．２５ｍｍ未満でもよい。したがって、光導波路は、薄膜と呼ばれてもよい。このような薄膜は、ポリマー又はプラスチックを備えることができる。このような薄膜は、軽くてもよく、可撓性でもよく、安価でもよく、容易に製造され得る。
【００５４】
回折特徴物を備える光転向要素は、例えば、１００μｍ未満に薄くてもよい。光転向要素は、例えば特定の実施形態において、５０μｍ未満、１０μｍ未満又は１μｍ未満でもよい。同様に、光転向要素は、薄膜と呼ばれてもよい。このような薄膜は、感光材料（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を備えることができる。例えば、一実施形態において、光転向要素は、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）、ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）、ＤＥから製造されたホログラフィックポリマーを含むことができる。
【００５５】
様々な実施形態において、光転向要素は、光導波路を備えるキャリアの上に形成される。上記の通りに、このキャリアは、厚さ１ミリメートル未満（例えば、０．５ｍｍ未満、０．３ｍｍ又は０．１ｍｍ）の薄膜でもよい。同様に、このキャリアは、ポリマー又はプラスチックを備えることができ、可撓性であることができ、また安価でありえる。
【００５６】
ホログラフィック記録材料はキャリア上へ被覆されていることができる。そして、ホログラム又は回折光学要素はコーティングにおいて、記録されることができる。このコーティングは、光転向特徴物を形成するために、幾つかの実施形態において、現像され得る。ある実施形態では、コーティング内の光転向特徴物をキャリアの上に形成するために原版が用いられ得る。光学的方法が、コーティング内の光転向特徴物を形成するために、原版と連動して用いられることが可能である。エンボス加工のような他の方法は、光転向特徴物を原版から形成するために用いることもできる。
【００５７】
原版は、例えば、ドラムに上配置されていてもよく、その上にコーティングを有するキャリアが回るドラム（ｒｏｌｌｉｎｇ ｄｒｕｍ）を通過し、コーティング内に回折特徴物を作成できる。幾つかの実施形態では、このような構成が、エンボス化プロセスで使われる。幾つかの実施形態では、例えば、図３Ｃに示されているような回折特徴物上にある層が配置され、例えば表面を平坦化して及び／又は回折特徴物を保護する。幾つかの実施形態において、その層は、光転向要素より低い屈折率を有する低屈折率材料を備えることができる。
【００５８】
大きな原版を作製するために、第１の原版は、コンピュータ生成を介した光学的方法を使用して製造されることができる。幾つかの実施形態において、このような第１の原版は、フォトリソグラフィ及びエッチング法により形成される特徴を有するウェーハを備える。他の方法が、この第１の原版を製造するために用いることができる。この原版が、複数の同等の電鋳（ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｓ）の製造に用いられ得る。幾つかの実施形態において、これらの電鋳は、幅及び長さが１２インチ未満でありえる。幾つかの実施形態では、電鋳は、幅及び長さがほぼ６インチでありえる。電鋳は、より大きな原版を生産するために、基板上にアレイ状に載置され得る。このような原版は、例えば、１０つ〜２０つの電鋳を含むことができる。より大きな原版は、その中に特徴物を有する大きなシートを加工するのに用いることができる。ホットエンボシング（ｈｏｔ ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）、ＵＶ―エンボシング（ＵＶ−ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）、その他のエンボシングが、使うことができる。他の方法が、使用されることもできる。幾つかの実施形態において、このようなシートは、幅が１メートルより大きいことができる。この方法は、例えばレンズ、プリズム及び／又は鏡の過度に大きい光学装置を使用することなく大きなシートを製造することを可能にする。
【００５９】
他の実施形態では、光導波路を含み得る基礎フィルム又はキャリア上に形成されたホログラフィック特徴物又は回折回転特徴物のシートは、一般の搬送フィルム上に配置されている。この搬送フィルムは、ストリップより広くてもよい。一実施形態において、例えば、ストリップは、幅が５ｃｍ〜１０ｃｍであり、幅が約１ｍのキャリア上に配置される。しかしながら、これらの範囲外の寸法も、可能である。接着剤が、ホログラフィック層又は回折層をキャリアフィルム上に付着するために用いてもよい。例えば、ホログラフィック特徴物又は回折回転特徴物がその上に配置されたキャリア層、接着剤層及び基礎フィルム層の一部の層又は全部の層は、光導波路として作動することができて、その内において、光を伝搬できる。
【００６０】
上述の通り、光コレクタは、日光を捕獲して、それを電気に変換するために、太陽電池と統合されることができる。図１１Ａは、光コレクタ１１０２と統合される太陽電池１１０１の斜視図を示す。光コレクタ１１０２は、前面１０２ｆと背面１１０２ｒとを備える。光コレクタ１１０２は、更に、前面１０２ｆと背面１１０２ｒとの間に複数の端１１０２ｅを備える。太陽電池１１０１は、図１１Ａに示すように一つ以上の複数の端１１０２ｅに対して、横方向に配置されることができる。光コレクタは、異なる入射角及び異なる波長の光を捕獲し、集めるように形成されることができ、捕えられた光を一つ以上の太陽電池に導く。
【００６１】
図１１Ｂは光コレクタ１１０２と光コレクタ１１０２の一縁部に沿って配置された太陽電池１１０１とを備える一実施形態の平面図を示す。図１１Ｃは、２つの太陽電池１１０１が、光コレクタ１１０２の２つの異なる端に沿って配置されている一実施形態の平面図を示す一方、図１１Ｄは４つの太陽電池１１０１が、光コレクタ１１０２の４つの異なる端に沿って配置されている一実施形態の平面図を示す。４つ以上の太陽電池が光コレクタの一つ以上の端に沿って配置される他の実施形態も可能である。光コレクタは、入射光線の異なる波長が異なる太陽電池に方向付けられるように設計され得る。幾つかの実施形態において、太陽電池は、光コレクタ１１０２の一つ以上の角に配置されることができる。
【００６２】
入射光線の望ましくない波長は、光コレクタから図１２に示すように光コレクタの後方に配置された太陽熱変換器の方へ透過されることができる。図１２は、入射光線から熱及び電気を発生させることができるシステムの側面図を示す。図１２の図示した実施形態には、光コレクタ１２０１を備える。光コレクタ１２０１は、光導波路と回折特徴物又はホログラムを有する光転向層とを備える。図１２の図示した実施形態は、光コレクタ１２０１の端に対して横方向に配置された太陽電池１２０２を更に備える。入射される太陽輻射の一部は、集められ、光コレクタ１２０１によって、太陽電池１２０２へ向かって導波され、太陽電池１２０２において、電気に変換される。太陽輻射の望ましくないスペクトル周波数（例えばＵＶ及びＩＲの周波数）は、光コレクタ１２０１を透過して、熱発生要素１２０３へ導かれる（例えば太陽熱変換器のために）。
【００６３】
光を集めて、集光して、光を光電池に導波する表面回折特徴物又はホログラムを含む光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムを使用する方法は、太陽電池の効率を向上させるのに用いられることが可能である。また、この方法によって、安価で、軽量で、環境的に安全で、丈夫にすることができる。光電池に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムを備える太陽電池は、太陽電池のパネルを形成するように配列され得る。この方法を使用して形成される太陽電池パネルは、より軽量になることができると共に、環境的に安全となり、且つ丈夫となり得る。また、比較的容易に改良され得る。例えば、より効果的な光電池のより新たなジェネレーションとして利用できる。これらのパネルによって、以前の太陽電池は、より新規な太陽電池と置き換えられることが可能である。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、比較的容易と置き換えられることもできる。
【００６４】
太陽電池のこのようなパネルが、様々な用途で用いられることが可能である。例えば、複数の光コレクタを備える太陽電池のパネルは、光学的に、太陽電池に結合される。太陽熱発生器は、居住用居住施設又は商業ビルの屋根上面に載置されることができ、又は、図１３で図示したように、ドア及びウインドウ上に配置され、補足的に電力を家又は事業へ供給する。光コレクタは、透明又は半透明のプレート、シート又はフィルム形でありえる。住宅又は建築又は水道管を加熱する屋根上面等の光コレクタにより、例えば、赤外線は光コレクタの下の空間領域を通して通過され得る。光コレクタは、入射光線を集めるか又は捕獲することに加えて美的目的のために、所望の色（例えば赤又は茶色）を反射する反射型ホログラムを有する光転向層を備えることができる。光コレクタは、剛性を有しても、可撓性を有してもよい。幾つかの実施形態では、光コレクタは、十分な可撓性を有し、巻かれることができる。このようなシート１３０８を備える太陽電池パネルは、図１３に示すように窓ガラス上に取り付けられることが可能である。光収集シートは、透明であることができ、ウインドウを透かして見ることができる。しかしながら、光収集シートは、光を太陽電池に向きを変えることによって、光の一部を減衰させることができる。幾つかの実施形態において、光収集シートは、ニュートラル濃度フィルタ（ｎｅｕｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）として作動し、可視スペクトル及び不可視スペクトル（例えば、赤外線スペクトル）全体にわたる透過を実質的に一定の量に減衰させる。したがって、この種のシートは、家及び建物における眩輝（ｇｌａｒｅ）を減少させることができ、その中の温度を低下させることができる。光収集シートは、色付けられていてもよい。幾つかの実施形態では、光コレクタは、波長フィルタ特性を有し、紫外線放射又は他の不可視スペクトルの成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を透過させる。ある実施形態では、光収集シートが、巻き上げ又は巻き下げることができるブラインドとして用いられることができ、又は巻き上げ又は巻き下げることができるブラインド上に取り付けられ得る。
【００６５】
他の用途では、光コレクタは、図１４及び１５に示すように車及びラップトップ上に載置することができ、それぞれ電力を供給する。図１４において、光収集プレート、シート又はフィルム１４０４は、自動車の屋根上に取り付けられる。光電池１４０８は、光コレクタ１４０４の外縁に沿って配置されることができる。光電池によって、発生する電力は、例えばガス、電気又はガス及び電気の両方によって、駆動する車両のバッテリを再充電するために、又は電気部品を駆動させるために使うことができる。図１５において、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１５０４は、ラップトップの本体（例えば外部ケーシング）上に取り付けられることが可能である。これは、電気的接続部（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）がないラップトップに電力を印加する際に有利であり得る。或いは、光学的に光電池に結合される光ガイド収集装置は、ラップトップ用の電池を再充電するために用いられ得る。
【００６６】
幾つかの実施形態において、光学的に光電池に連結された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、衣料品又は靴上に取り付けられることが可能である。例えば、図１６は、ジャケット又はベストの下端部（ｌｏｗｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ）上に配置された光電池１６０８に光学的に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１６０４を備えるジャケット又はベストを示す。幾つかの実施形態では、光電池１６０８は、ジャケット又はベスト上の他の部分に配置されてもよい。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１６０４は、環境光を集め、集光させ、光電池１６０８に導くことができる。光電池１６０８によって、発生する電気は、例えばＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、携帯電話の携帯用デバイスを駆動するために用いられ得る。代替的に、光電池１６０８によって、発生する電気は、航空会社の地上整備員、警察、消防又は暗い所の救急労働者により着用されるベスト及びジャケットを明るくして透視距離を増加させるのに用いられ得る。図１７に図示される他の実施形態において、光収集プレート、シート又はフィルム１７０４は、靴上に配置されてもよい。光電池１７０８は、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１７０４の外縁に沿って配置されていてもよい。
【００６７】
光電池に結合される表面回折特徴物又は表面ホログラムを有する光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムを含む太陽電池のパネルは、飛行機、トラック、電車、自転車、帆船、衛星及び他の車両或いは構造物上に取り付けられ得る。例えば、図１８に示すように、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１８０４は、飛行機の翼又は飛行機の窓ガラス上に取り付けられることが可能である。光電池１８０８は、図１８に図示したように、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムの縁部に沿って、配置されることができる。発生する電気は、電力を航空機の部品へ供給するために用いることができる。図１９は、帆船におけるナビゲーション計測器又は装置、例えば冷蔵庫、テレビ及び他の電気設備に電力を提供する光電池に結合された光コレクタの使用を例示する。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１９０４は、帆船の帆に取り付けられる。太陽電池１９０８は、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１９０４の外縁で配置されている。別の実施例において、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム１９０４は、帆船の本体、例えば、キャビンの船体又はデッキ上に取り付けられることが可能である。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルム２００４は、図２０に示すように自転車上に載置できる。図２１は、光電池に光学的に結合され、通信衛星、気象衛星及び他の用途の衛星へ電力を供給する光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムの更なる別の使用を例示する。光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムが、また他の応用のために用いられることが可能である。
【００６８】
図２２は、十分な可撓性を有して巻かれ得る光収集シート２２０４を例示する。光収集シートは、光電池に光学的に結合される。図２２に記載されている実施形態は、巻かれることができ、キャンピング又はバックパック旅行に携帯でき、屋外において、又は電気接続が弱い遠隔位置において、電力を発生させることができる。加えて、光電池に光学的に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、様々な構造又は製品に取り付けられることができ、電力を供給し得る。
【００６９】
光電池に光学的に結合された光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムは、モジュール方式の付加的な効果を有することができる。例えば、デザインに応じて、光電池は、光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムに選択的に取り付けることができ、又は光収集プレート、光収集シート又は光収集フィルムから着脱可能となるように構成されることができる。このように、既存の光電池は、全システムを交換することなく、周期的に新規な光電池又はより効率的な光電池で交換され得る。光電池のこの交換性は、維持又は実質的な改良のコストを低減できる。
【００７０】
様々な他の用途も、可能である。フィルム、層、部品及び／又は要素は、加えられることができ、取り外されることができ、又は再配置できる。加えて、処理ステップは、加えられることができて、省略されることができ、又は再配置できる。また、本願明細書において用いられる、フィルム及び層という用語は、フィルムの積層体及び多層フィルムを含む。そのようなフィルムの積層体及び多層フィルムは、接着剤で他の構造に付着されてもよく、又は堆積或いは他の方法で他の構造に形成されることができる。
【００７１】
上記の実施例は、単に典型的な例に過ぎず、本願明細書において、開示される発明の概念を逸脱しない範囲で、当業者は上記の実施例の様々な修正し又は変形できる。これらの実施形態に対するさまざまな変更態様は、直ちに当業者にとって明らかであってもよく、本願明細書において、定められる一般的な原理は、本願明細書において、記載されている新態様の範囲を逸脱しない範囲で、他の実施形態に適用されることができる。このように、開示の範囲は、本願明細書において、示される実施形態を限定することが意図されておらず、原理及び本願明細書において、開示された新特徴と整合した最も広い範囲である。本願明細書において、「典型的である」という語は、もっぱら「例証、例、又は説明として提供する」ということを意味するために使われる。「典型的である」と本願明細書において、用いられるいかなる実施形態も、必ずしも他の実施形態と比べて好適であるか有利であると解釈されることになっているというわけではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの光コレクタであって、上面および底面を有する光導波路と、前記光導波路の前記上面上に入射される環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物とを備える光コレクタと、
少なくとも一つの光電池と、
太陽熱生成器と、
を備える、太陽エネルギー収集装置。
【請求項２】
光を導波するための光導波手段と光回折手段とを備える少なくとも一つの光収集手段であって、前記光導波手段が上面と底面とを備え、前記光回折手段が前記光導波手段の前記上面上に入射される環境光の向きを変えるように構成され回折する光収集手段と、
光を吸収するための少なくとも一つの光吸収手段であって、吸収された光から電気信号を生成するように構成された光吸収手段と、
熱エネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換するための熱エネルギー変換手段と、
を備える、太陽エネルギー収集装置。
【請求項３】
前記光収集手段が、光コレクタを備え、
または、光導波手段が、光導波路を備え、
前記光回折手段が、複数の回折特徴物を備え、
または、前記光吸収手段が、光電池を備え、
または、前記熱エネルギー変換手段が太陽熱生成器を備える、請求項２に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項４】
前記少なくとも一つの光コレクタが、前記光コレクタの表面の法線に対して、約−４５度と約４５度との間の入射角で入射する環境光を集める、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項５】
前記少なくとも一つの光コレクタが、前記光コレクタの表面の法線に対して、約−３０度と約３０度との間の入射角で入射する環境光を集める、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つの光コレクタが、前記光コレクタの表面の法線に対して、約−１５度と約１５度との間の入射角で入射する環境光を集める、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項７】
前記少なくとも一つの光電池が前記少なくとも一つの光コレクタに対して横方向に配置される、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項８】
前記太陽熱生成器が前記少なくとも一つの光コレクタの後方に配置される、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項９】
第１のスペクトル範囲内の環境光が前記第１の光電池へ導かれ、第２のスペクトル範囲内の環境光が、前記太陽熱生成器へ導かれる、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの光コレクタが赤外線を前記太陽熱生成器へ透過させるように構成されている、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項１１】
少なくとも一つの光コレクタであって、上部および底面を有する光導波路と前記光導波路上に入射される環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物とを備える少なくとも一つの光コレクタを形成するステップと、
第１の光電池を形成するステップと、
太陽熱生成器を形成するステップと、
を備える、太陽エネルギー収集装置の製造方法。
【請求項１２】
前記複数の回折特徴物が前記光導波路上に配置されている、請求項１１に記載の太陽エネルギー収集装置の製造方法。
【請求項１３】
前記複数の回折特徴物が前記光導波路上にエンボス加工される、請求項１１に記載の太陽エネルギー収集装置の製造方法。
【請求項１】
少なくとも一つの光コレクタであって、上面および底面を有する光導波路と、前記光導波路の前記上面上に入射される環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物とを備える光コレクタと、
少なくとも一つの光電池と、
太陽熱生成器と、
を備える、太陽エネルギー収集装置。
【請求項２】
光を導波するための光導波手段と光回折手段とを備える少なくとも一つの光収集手段であって、前記光導波手段が上面と底面とを備え、前記光回折手段が前記光導波手段の前記上面上に入射される環境光の向きを変えるように構成され回折する光収集手段と、
光を吸収するための少なくとも一つの光吸収手段であって、吸収された光から電気信号を生成するように構成された光吸収手段と、
熱エネルギーを電気エネルギー又は機械エネルギーに変換するための熱エネルギー変換手段と、
を備える、太陽エネルギー収集装置。
【請求項３】
前記光収集手段が、光コレクタを備え、
または、光導波手段が、光導波路を備え、
前記光回折手段が、複数の回折特徴物を備え、
または、前記光吸収手段が、光電池を備え、
または、前記熱エネルギー変換手段が太陽熱生成器を備える、請求項２に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項４】
前記少なくとも一つの光コレクタが、前記光コレクタの表面の法線に対して、約−４５度と約４５度との間の入射角で入射する環境光を集める、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項５】
前記少なくとも一つの光コレクタが、前記光コレクタの表面の法線に対して、約−３０度と約３０度との間の入射角で入射する環境光を集める、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つの光コレクタが、前記光コレクタの表面の法線に対して、約−１５度と約１５度との間の入射角で入射する環境光を集める、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項７】
前記少なくとも一つの光電池が前記少なくとも一つの光コレクタに対して横方向に配置される、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項８】
前記太陽熱生成器が前記少なくとも一つの光コレクタの後方に配置される、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項９】
第１のスペクトル範囲内の環境光が前記第１の光電池へ導かれ、第２のスペクトル範囲内の環境光が、前記太陽熱生成器へ導かれる、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの光コレクタが赤外線を前記太陽熱生成器へ透過させるように構成されている、請求項１又は３に記載の太陽エネルギー収集装置。
【請求項１１】
少なくとも一つの光コレクタであって、上部および底面を有する光導波路と前記光導波路上に入射される環境光の向きを変えるように構成された複数の回折特徴物とを備える少なくとも一つの光コレクタを形成するステップと、
第１の光電池を形成するステップと、
太陽熱生成器を形成するステップと、
を備える、太陽エネルギー収集装置の製造方法。
【請求項１２】
前記複数の回折特徴物が前記光導波路上に配置されている、請求項１１に記載の太陽エネルギー収集装置の製造方法。
【請求項１３】
前記複数の回折特徴物が前記光導波路上にエンボス加工される、請求項１１に記載の太陽エネルギー収集装置の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図９Ａ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図９Ａ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−８０９６７（Ｐ２０１３−８０９６７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−１２０５０（Ｐ２０１３−１２０５０）
【出願日】平成２５年１月２５日（２０１３．１．２５）
【分割の表示】特願２０１０−５４６８５４（Ｐ２０１０−５４６８５４）の分割
【原出願日】平成２１年２月９日（２００９．２．９）
【出願人】（５０８０９５３３７）クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (133)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月２５日（２０１３．１．２５）
【分割の表示】特願２０１０−５４６８５４（Ｐ２０１０−５４６８５４）の分割
【原出願日】平成２１年２月９日（２００９．２．９）
【出願人】（５０８０９５３３７）クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (133)
【Ｆターム（参考）】
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