JPH0547801B2

JPH0547801B2 -

Info

Publication number: JPH0547801B2
Application number: JP56176305A
Authority: JP
Inventors: Furanku Bandaaueefu Denisu
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1980-11-04
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1993-07-19
Also published as: BR8107123A; AU7706481A; AU548406B2; EP0051932B1; ES269246U; US4385808A; JPS57105703A; CA1160088A; DE3165700D1; EP0051932A1; SU1271380A3; ES269246Y; IL64197A0

Description

【発明の詳細な説明】本発明は一般に集光器に関し、特に交差フレネ
ルレンズを使用する点焦点集光器に関する。本発
明はなお特に太陽光線を集めるための集光器に関
する。

フレネルレンズ（エシエロンレンズ）は周知で
あり、光線の焦点を合わせまたは屈折させる普通
のレンズに代つて使用されることも知られてい
る。フレネルレンズは環状エシエロンレンズまた
は線状エシエロンレンズとなすことができる。

環状エシエロンレンズ（面）は光線の点焦点を
合わせるためには好適である。このような環状エ
シエロン面は高い焦点精度を有しているが、環状
エシエロン面の大きさには制限がある。製造され
た面からできるだけ大きな親面を裁断し、３単位
環状エシエロンレンズが得られるようにするため
には機械、すなわち刻線機械が必要とされ、少な
くとも３単位直径レンズの寸法を有する親面を裁
断し得る刻線機械が必要である。刻線機械の最大
寸法には実際的に制限があるから、得られる環状
エシエロン面も制限を受ける。通常線状エシエロ
ン面は線状焦点に対して使用される。二つの線状
エシエロン面を相互に90度の角度をなすように交
差（配向）させれば、この組合せ体は環状エシエ
ロンレンズに近似するようになる。各線状エシエ
ロン面の直交子午線に沿つた入射光線は点焦点に
工合良く収斂する。線状エシエロン面を使用する
ことの利点は、焦点距離をマトリツクス状に区分
して独立した線状エシエロン面となすことによ
り、非常に大きな集中配列体を形成し得ることで
ある。このマトリツクス状に区分する方法はアン
ダーソン他の米国特許第4108540号“屈折−反射
集光器”に記載されている。

しかしながら交差線状エシエロン面には直交子
午線に沿つて入射した光線が収斂する時に、これ
ら子午線から外れて入射した光線、たとえば交差
線状エシエロン面の隅において入射した光線が収
斂しないと言う欠点を有する。実際にこの収斂偏
向は交差線状エシエロン面の隅における光線に対
して最大となる。交差線状エシエロン面がすべて
の入射光線を一点に収斂せしめ得ない性質は“交
差筒収差”と称される。この交差筒収差はアンダ
ーソン他の米国特許第4118114号、“改良低グレア
頭上投影機”に記載されている。したがつて交差
線状エシエロン面を使用した集光器は非常に大き
なものを形成し得るが、所定配列体の効率は、交
差筒収差を有しない他の装置に比して実質的に低
い価に制限される。

集光器、特に太陽集光器の効率は、入射光線全
体の95％が収斂する集光器の焦点のまわりの半径
を測定することによつて判断することができる。
この半径は95％エネルギ閉じこめ半径（R₉₅）と
称される。（R₉₅）が小さければ小さいほど集光
器の効率は大である。集光器の効率を判断する時
に使用される他の数は幾可学的集中比、GCRと
称される数である。この幾可学的集中比は、集光
器の長さに幅を乗じ、これを95％エネルギ閉じこ
め半径の自乗に（π）を乗じたもので割ることに
よつて計算することができる。すなわち幾可学的
集中比は次の式から計算することができる。

GCR＝長さ×幅／π×（R₉₅）² 在来の交差線状エシエロン面を使用する集光器
は典型的には（100）以下の幾可学的集中比を有
している。ほぼ12ユニツトの長さおよび幅と、ほ
ぼ12ユニツトの焦点距離とを有する集光器に対し
ては、（R₉₅）の価は典型的には１ユニツト程度
またはそれ以下である。

特に太陽光線に対しては点焦点集光器にして、
前記の如くレンズを大型となし得る交差線状エシ
エロン面を使用し、環状エシエロンレンズの焦点
精度（効率）が得られるようになつた集光器の出
現が望まれている。

点焦点集光器はほぼ90度の角度で交差した二つ
の線状エシエロン面よりなり、該エシエロン面は
筒形を呈し、かつ集光器の焦点距離とほぼ等しい
曲率半径を有する。

一つの実施例においては、集光器は入射光線を
点焦点に屈折されるために使用される。この時使
用される第１線状エシエロン面は複数の線状エシ
エロン素子と、該複数の線状エシエロン素子と平
行な軸線とを有する。第２線状エシエロン面も複
数の線状エシエロン素子と、該複数の線状エシエ
ロン素子と平行な軸線とを有する。第１線状エシ
エロン面の軸線は第２線状エシエロン面の軸線に
対してほぼ90度の角度をなすように配向されてい
る。さらに第１および第２線状エシエロン面は第
１線状エシエロン面の軸線のまわりにおいて、集
光器の焦点距離とほぼ等しい曲率半径で二次元的
に湾曲されている。第１線状エシエロン面の複数
の線状エシエロン素子の各個は、点焦点から光線
と平行に引かれた線が線状エシエロン面と交わる
中心点において、第１線状エシエロン面の軸線と
直交する湾曲セグメントに沿つて入射した光線の
全部を前記点焦点に屈折させるように別々に配向
されている。このような構造によれば太陽集光器
に入射した太陽光線の全部が点焦点近くの区域に
屈折せしめられる。

前記二つの線状エシエロン面は二つの別個のシ
ートの向き合つた面上に形成し、または単一のシ
ートの反対側に形成することができる。

集中装置は第１線状エシエロン面の複数の線状
エシエロン素子の各個の配向角度が、第２線状エ
シエロン面の複数の線状エシエロン素子の対応す
る線状エシエロン素子の配向角度と全く無関係と
なるように形成することができる。なお、第１線
状エシエロン面の複数の線状エシエロン素子の各
個の配向角度を、集光器の中心点からその縁まで
の距離の一部分に対して、第２線状エシエロン面
の複数の線状エシエロン素子の対応する線状エシ
エロン素子の配向角度と等しくすることによつ
て、費用を節約し得ると共に効率の低下を最少限
に止めることができる。

集光器は第１線状エシエロン面の軸線に対して
直角に取られた第１および第２線状エシエロン面
の断面が円形となるように構成することができ
る。さらに集光器は前記断面が放物線、双曲線ま
たは長円形となるように構成することができる。

集光器の線状エシエロン面が曲率を有し、その
曲率半径を集光器の焦点距離とほぼ等しくするこ
とによつて意外にも“交差筒収差”が消失する。
前記の著しい特性には、交差筒収差をなくするた
めに必要とされるのは簡単な二次元曲率だけであ
ると言う予想外の事実も含まれる。三次元曲率、
たとえば回転長円面となす必要はない。

線状エシエロン面が曲率を有する場合には、表
面上の任意の点において太陽集光器に入射する光
線は点焦点に屈折せしめられる。これは光線が直
交子午線に沿つてのみ収斂する平らな交差線状エ
シエロン面の場合と異なる点である。

入射光線が完全に収斂すれば、集光器の効率は
著しく改良される。曲率半径が焦点距離にほぼ等
しければ、理論的幾可学集中比はほぼ450000とな
り、かつたとえば平らな交差線状エシエロン面に
使用される集光器の寸法と同じであれば95％集光
半径はほぼ0.01ユニツトとなることがわかつた。
したがつて本発明の改良集光器によれば理論的幾
可学集中比は100以下の価からほぼ450000まで増
加する。同様に95％エネルギ閉じこめ半径はほぼ
１ユニツトからほぼ0.01ユニツトに減少する。効
率のこのような改良はいくつかの量の改良であ
り、したがつて非常に効率的な集光器が得られ
る。

本発明による前述の利点、構造および動作は添
付図面によつて次に説明する実施例によりさらに
明らかとなる。

本発明の集光器は特に太陽光線を集める場合に
有用である。太陽光線はその供給源が集光器の位
置から著しく隔たつているために、集光器におい
てはほとんど平行である。すなわち太陽光線の各
線は太陽光線の他の各線と平行である。本発明の
集光器は他の供給源からの光線を集める場合にも
使用し得るが、主として光線が平行であり、また
はほぼ平行である場合に有用である。したがつて
以下の説明においては集中しようとするすべての
光線が平行であると仮定する。

第１図は従来技術による集光器８を示し、この
集光器は焦点距離１０と、第２線状エシエロン面
１４とほぼ90度の角度で交差する第１線状エシエ
ロン面１２とを有している。線状エシエロン面の
各線状エシエロン素子１６は線状エシエロン面１
２の下側に形成されている。各線状エシエロン素
子１８は線状エシエロン面１４の上表面に形成さ
れている。集光器８はすべての入射光線を点焦点
２０に収斂させるようになつている。点焦点２０
から入射光線と平行に引かれた線、すなわち光学
軸は第１および第２線状エシエロン面１２，１４
とその中心点２２において交差する。線２４は軸
線と直交するように、すなわち中心点２２を通つ
て、第１線状エシエロン面１２の各線状エシエロ
ン素子１６と平行に引かれる。同様に線２６は軸
線と直交するように、すなわち点２２と交差して
第２線状エシエロン面１４の各線状エシエロン素
子１８と平行に引かれる。線２４および２６は集
光器８の直交子午線よりなつている。各線状エシ
エロン素子１６，１８の角度を適当に選択すれ
ば、線２４，２６に沿つて入射される光線を点焦
点２０において交差させることができる。これは
集光器８の片側において線２４に沿つて入射する
光線２８によつて表わされる。線２８は各線状エ
シエロン素子１６の一つおよび線状エシエロン素
子１８の一つによつて点焦点２０に屈折せしめら
れる。同様に光線３０も点焦点２０に屈折させら
れる。しかしながら、線２４，２６に沿つて入射
しない光線は点焦点２０上に正しく焦点を結ばな
い。点焦点２０からの偏差は光線が集光器８に入
射する位置によつて変り、かつ集光器８の隅にお
いて入射した光線に対して最大となる。これは隅
３４において集光器８に入射した光線３２によつ
て表わされている。光線３２は点焦点に屈折され
る代りに、円３６によつて示されるように、焦点
距離１０において点焦点２０を囲繞する区域に屈
折させられる。このように、回転焦点対称性が欠
けることに起因する偏差は交差円筒収差と称され
る。点焦点２０の周囲の点における入射光線を円
３６によつて囲繞される区域に収斂させるこの焦
点収差は、集光器８によつて得られるべき理論的
幾可学集中比を100以下に制限する。

本発明による集光器３８は第２図に示されてい
る。この集光器３８も第１図の集光器と同様に焦
点距離１０のところに点焦点２０を有し、かつ第
１線状エシエロン面４０および第２線状エシエロ
ン面４２を有している。なお同様に線状エシエロ
ン面４０はその下表面に複数の線状エシエロン素
子４４を有し、かつ線状エシエロン面４２はその
上表面に複数のエシエロン素子４６を有してい
る。線４８は線状エシエロン面４０上において、
軸線と直角な線を引くことにより、すなわち線状
エシエロン面４０の各線状エシエロン素子４４と
平行に、中心点２２と交差する線を引くことによ
つて得られる。同様に線５０は軸線に対して直角
に、すなわち線状エシエロン面４２の各線状エシ
エロン素子４６と平行に、かつ中心点２２と交差
するように引かれる。

しかしながら第２図の集光器３８は線状エシエ
ロン面４０，４２が平面でないと言うことにおい
て、第１図の集光器８と著しく異つている。すな
わち線状エシエロン面４０，４２は線５０のまわ
りにおいて二次元的に湾曲し、円筒形のセグメン
トを形成するようになつている。このセグメント
の曲率は半径５２を有する。最適の曲率半径５２
はこれが焦点距離１０と等しいかまたはほぼ等し
い時であることが認められている。この湾曲形状
においては線４８が湾曲線セグメントであること
に注意すべきである。しかしながら線５０は、前
記曲率がこの線のまわりに形成されるものである
から直線である。

各線状エシエロン素子４４，４６は線４８，５
０に沿つて入射した光線が屈折して点焦点２０に
収斂するように形成することができる。これはも
ちろん第１図に示すように、線２４，２６に沿つ
て入射した光線が屈折して点焦点２０に収斂する
ようになすことによつても得られる。これは線４
８の片側において入射し、点焦点２０に屈折せし
められた光線５４によつて表わされている。同様
に線５０の一つの縁において入射した光線５６も
点焦点２０に屈折せしめられる。おどろくべきこ
とに、集光器３８の面上の他のあらゆる点におい
て入射する光線も点焦点２０に収斂する。これは
集光器３８の隅に入射する光線５８によつて表わ
すことができる。この光線５８は隅において入射
するから点焦点２０に対して最大の偏差を有する
ものと考えられる。なお焦点から最も外れる光線
のあることも考えられる。実際に隅６０において
入射した光線５８は線状エシエロン素子４４の一
つおよび線状エシエロン素子４６の一つによつて
点焦点２０に屈折せしめられる。事実集光器３８
の表面に入射したすべての光線は点焦点２０に収
斂するように屈折されることがわかる。このよう
な特徴が得られるためには一つの曲率半径５２が
あれば良いと言うことは特異な事柄である。前記
一つの曲率半径５２が得られるのはこの曲率半径
５２が焦点距離１０にほぼ等しい時である。光線
５４，５６，５８が点焦点２０に密接して収斂す
る時には、集光器３８上に入射するすべての光線
は密接して点焦点２０に収斂する。線状エシエロ
ン４０，４２が円筒曲率を有することによつて、
理論的に得られるべき集中比は著しく増加する。

線状エシエロン４０，４２の二次元曲率だけに
よつて集光器３８上に入射するすべての光線を点
焦点２０に密接して収斂せしめ得ると言う事実に
より、大面積、高出力集光器の形成は非常に簡単
となる。

第３図は第１線状エシエロン面４０の一つのエ
シエロン素子４４に対する光線トレースを線図的
に示す。断面は第２図に示された座標系の（XZ）
面において取られたものである。線状エシエロン
面４０の頂面は湾曲した線セグメントである。光
線６２は点６４において線状エシエロン面４０の
頂面に入射する。点６４においては線状エシエロ
ン面４０の頂面は前記（XZ）面に対して（φi）
なる角度を形成する。光線６２は該光線が線状エ
シエロン面４０に入射する点６４において（φi′）
なる屈折角で屈折し、かつ光線６２が各線状エシ
エロン素子４４において線状エシエロン面４０か
ら出る点６６において再び屈折する。線状エシエ
ロン素子４４は線状エシエロン面４０に対して
（αi）なる角度を有している。光線６２は入射光
線と平行に引かれた線に対して（φi）なる角度を
なして線状エシエロン素子４４から出る。エシエ
ロンの幅６８は各線状エシエロン素子４４の幅を
表わす。（Ｙ）軸線に沿つて点焦点２０を通つて
引かれた線に収斂する、第１線状エシエロン面４
０に対する各線状エシエロン素子４４の角度の大
きさは次の式によつて与えられる： αi＝ARCTAN（SIN（φi）−nd×SIN（φi−φi′／
nd×COS（φi−φi′）−COS（φi））＋φi 式中（n_d）は線状エシエロン面４０に対して使
用される材料の設計屈折率である。

第４図は線状エシエロン面４２の線状エシエロ
ン素子４６の光線追跡の略線図である。第４図に
示す線図は第２図の（YZ）面内において線５０
に沿つて取られた断面図である。この場合は光線
７０は線状エシエロン素子４６の面に沿つた点７
２において入射する。線状エシエロン素子４６の
角度は（βi）である。この断面においては線状エ
シエロン面４２は湾曲していないから、角度
（βi）は線状エシエロン面の下表面に対しても、
（Ｙ）軸に対しても真である。光線７０は点７２
において屈折し、（θi′）なる角度で線状エシエロ
ン面４２の下表面に入射し、かつ（θi）なる角度
でここから出る。線状エシエロン素子４６の幅は
７４である。線状エシエロン面４２に対する各線
状エシエロン素子４６の角度の価は次式によつて
与えられる： βi＝ARCSIN（n_d×SIN（ARCTAN（SIN（θi′）／n_d−COS（（θi′））））線状エシエロン素子４４の角度に対する（αi）を
計算するための式は線状エシエロン面４０の曲率
を明らかにするものである。しかしながら（βi）
に対する、すなわち線状エシエロン面４２の各線
状エシエロン素子の角度に対する式においては線
状エシエロン面の曲率が無視されている。（αi）
および（（βi）に対する両方の式においては、一
つの線状エシエロン面の他の線状エシエロン面に
対する屈折の相互作用が無視されている。線状エ
シエロン面４０の各線状エシエロン素子の角度お
よび線状エシエロン面４２の各線状エシエロン素
子の角度は次のようにして得られる。前に示した
（αi）および（βi）に対する式を計算し、かつ集
光器３８のエシエロン素子の角度に対する最初の
価として使用する。次にスキウレイすなわち次元
光線追跡を第２図の集光器３８の線４８，５０に
沿つて入射するすべての光線に対して行い、すべ
ての入射光線を点焦点２０に収斂するまで調節す
る。スキウレイのトレースは両方の線状エシエロ
ン面４０，４２の曲率およびこれら線状エシエロ
ン面４０，４２の交差を明らかにする。線４８，
５０に沿つて入射したすべての光線が点焦点２０
に収斂した時には、設計が決まりかつ集光器３８
に入射するすべての普通の光線は点焦点２０に密
接して収斂する。一般に（αi）および（βi）は中
心点２２からの所定距離に対しては等しくない。
中心点２２からの所定距離に対しては線状エシエ
ロン素子４４の角度は線状エシエロン素子４６の
角度とは異つている。すなわちこれらの角度は完
全に等価のプロフイルを有するものではない。

各線状エシエロン素子４４，４６の角度および
集光器３８の有効性を明らかにするために、特別
の設計実施例を説明する。この例証的集光器３８
は円弧幅12ユニツトと、線状長さ12ユニツトとを
有する寸法のものである。この集光器は同様に12
ユニツトの焦点距離および12ユニツトの曲率半径
を有している。線状エシエロン面４０，４２に対
して使用される材料は設計屈折率（n_d）が1.491
なるアクリル酸プラスチツクである。もちろん他
の光学的材料も使用することができる。線状エシ
エロン面４０，４２の厚さは0.002ユニツトであ
り、かつ素子の幅６８，７４は0.0005ユニツトで
ある。

この設計例に対する第５図は、図表の形でそれ
ぞれ各線状エシエロン素子４４，４６の特定の角
度（αi，βi）を示す。第５図の図表の垂直軸は角
度の大きさを表わし、横軸は分数座標（ρ）で表
わされている。（ρ）は（ρ＝０）なる中心点２
２から対角線に沿つて、ρ＝１なる集光器３８の
隅まで測られている。第５図の図表によつて明ら
かなように、（αi）と（βi）の差はρ＝0.25なる
時は0.071度、ρ＝0.5なる時は0.501度に過ぎな
い。（αi）と（βi）との間の大きな角度差はρ＝
0.75となり、前記差が1.395度となるまでは現わ
れず、ρ＝1.0となる場合の最終差は2.664度であ
る。したがつて（αi）および（βi）の価が等しく
ない場合には角度の差は分数座標の実質的な部分
の全体にわたつて小であり、かつρ＝1/2なる時
はこの差が1/2度に過ぎないことがわかる。他の
設計例に対する（αi）および（βi）なる角度の大
きさは前記の式および方法によつて容易に形成す
ることができる。

前記の設計実施例により、第６図は設計実施例
の幅、長さおよび焦点距離を使用した第１図の集
光器の分数エネルギの分布を示す。垂直軸は入射
した分数エネルギを表わし、かつ水平軸は点焦点
２０からの半径を表わす。第６図によつて明らか
な如く9.5％エネルギ含有半径（R₉₅）はほぼ1.1
ユニツトである。

本発明による集光器３８の効率は第７図の分数
エネルギ分布図表によつて明らかである。第７図
は前記設計実施例の図面を使用して第２図の集光
器３８に対する分数エネルギを表わす。図によつ
て明らかな如く95％エネルギ閉じこめ半径、すな
わち（R₉₅）はほぼ0.01ユニツトである。これは
第６図に示すほぼ1.1ユニツトの平らな形状に対
する（R₉₅）と対照したものである。これは二つ
のオーダの大きさを有する第２図の集光器３８の
効率を改良したものである。0.01なる価の（R₉₅）
を使用した理論的幾可学集中比はほぼ450000であ
る。これは100より小さな1.1なる価の（R₉₅）を
使用した平らな形に対する理論的幾可学的集中比
と対照される。なおこれはいくつかのオーダの大
きさの差である。色分数、太陽コリメーシヨン、
追跡および傾斜の誤差がこの理論的幾可学集中比
を減少させることが認められているが、高エネル
ギ集中を得るためにはこの理論的幾可学的集中比
をできるだけ大きくする必要がある。もちろん得
られる理論的（R₉₅）の価は線状エシエロン素子
４４，４６の幅６８，７４によつて制限される。
すなわちこの幅６８，７４の1/2より小さな半径
を有する正確な焦点合わせを行うことは不可能で
ある。その理由は単一のエシエロン素子に入射す
るすべての光線は平行に屈折し、それ以上は収斂
し得ないからである。

第５図に示すように、（αi）および（βi）の大
きさの差は、分数座標の価（ρ）が0.5となるま
ではほぼ1/2度に過ぎない。マトリツクス区分技
術によつて大きな集光器を形成する場合には、
（ρ）が0.5なる線状エシエロン面４０，４２を同
じ様に切断し、角度（αi）および（βi）間の差を
なくし、しかも（ρ）が0.5を越えるマトリツク
ス内のこれらの位置に対して、非等価線状エシエ
ロン面４０，４２を維持することにより相当の節
約が得られる。これは部分的等価プロフイルとし
て知られている。分割線に対してρ＝0.5なる場
合には1/2の等価プロフイルが画定される。この
ような1/2等価プロフイルは所要のマスターカツ
テングの数を減少させ、したがつて集光器３８の
価格を安くし、かつ複雑性を減少させることがで
きる。1/2等価プロフイルを有する部分エネルギ
分布集中装置は第８図において図表の形で表わさ
れている。（R₉₅）エネルギ閉じこめ半径は0.027
ユニツト、または第７図に示す非等価プロフイル
系に対する（R₉₅）のほぼ2.5倍まで膨張させられ
ているが、これは第６図に示す平らな形に対する
（R₉₅）の価より、さらに大としまた小となし得
ることに注意すべきである。

第９図は全等価プロフイルの分数エネルギ分布
を示す。すなわち線状エシエロン面４０，４２が
同じになるようにされ、かつ（αi）および（βi）
が、（０）から(1)までの（ρ）の全範囲にわたつ
て相互に等しくなるようなプロフイルである。全
等価プロフイルに対する点焦点に対する収斂を改
良するために、集光器３８の断面が非球面二次元
の形となるように形成されている。集光器３８の
湾曲断面は次の式によつて与えられる：Ｚ＝CX²／１＋√１−（Ｋ＋１）C²X² 式中(C)は頂点曲率であり、（Ｋ）は円錐曲線定数
である。（Ｋ）が零の場合は断面は円形となる。
（Ｋ）が（−１）以下なる時は断面は双曲線であ
る。（Ｋ）が（−１）よりは大きく、かつ（０）
より小であれば断面は扁球だ円である。全等価プ
ロフイルを得るために（−３）なる（Ｋ）を選択
した。この時得られた分数エネルギ分布は第９図
に示されている。0.14ユニツトの（R₉₅）の価は
全非等価プロフイル系に対する価のほぼ18倍であ
るが、これは平らな系に較べて著しく小さい。

一般に95％エネルギ閉じこめ半径の価はエシエ
ロン素子プロフイル等価の大きさが大となれば減
少し、すなわち（αi）と（βi）との間の等価の大
きさに連れて減少する。これは断面が（０）以下
たとえば（−３）なる（Ｋ）の価によつて非球面
化される時にも真である。集光器に対して必要と
される効率にしたがつて、異なる等価エシエロン
素子プロフイルを使用することができる。たとえ
ば全非等価プロフイル、1/2等価プロフイルのよ
うな部分等価プロフイルまたは全等価エシエロン
素子プロフイルを使用することができる。断面の
非球面化は前記形態の何れに対しても行い得る
が、点焦点２０を改良するためには全等価プロフ
イルに対して、特に（Ｋ）の価は（−３）とされ
る。

第１０図に示す本発明の１実施例においては、
集光器はたとえばアクリル酸プラスチツクの単一
のシートの上表面に、線状エシエロン素子８０を
有する第１線状エシエロン面７６と、下表面にエ
シエロン素子８２を有する第２線状エシエロン面
７８とを使用して構成される。この集光器も焦点
距離１０のところに点焦点２０を有し、かつこの
焦点距離１０とほぼ等しい曲率半径５２を有す
る。第２図の場合と同様に、焦光器は中心点２２
を有し、この中心点を通つて曲線セグメント４８
および直線５０が交差している。線４８，５０に
沿つて入射した光線は線状エシエロン素子８０，
８２を適当に選択することによつて点焦点２０に
収斂させることができる。したがつて線４８の縁
において入射した光線５４および線５０の縁にお
いて入射した光線５６は共に点焦点２０に収斂す
る。同様に集光器の隅において入射した光線８
４，８６も屈折して点焦点２０に収斂する。第２
図を説明する時に使用された解析は第１０図の場
合にも使用することができる。

以上新規な点焦点集光器について説明した。し
かしながら本発明は特許請求の範囲を離れること
なく種々の変型を行い得るものと解すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は平らな交差線形エシエロン面を使用し
た従来の集中装置の斜視図；第２図は本発明の湾
曲交差線状エシエロン面を使用した集光器の図；
第３図は第１線状エシエロン面の線図的光線追
跡；第４図は第２線状エシエロン面の線図的光線
追跡；第５図は第１および第２線状エシエロン面
の両方に対する各線状エシエロン装置の配向角度
の１列を示す図表；第６図は平らな交差線状エシ
エロン面を使用した集光器の１実施例の分数エネ
ルギ分布を示す図表；第７図は全非等価エシエロ
ン素子を使用した本発明による集光器の１実施例
に対する分数エネルギ分布を示す図表；第８図は
１／２等価線状エシエロン素子プロフイルを使用し
た本発明による集光器の１実施例の分数エネルギ
分布を示す図表；第９図は全等価線状エシエロン
素子プロフイルおよび非球面断面を使用した本発
明による集光器の１実施例の分数エネルギ分布を
示す図表；第１０図は単一のシートの反対側に第
１および第２線状エシエロン面を有する、本発明
による集光器の斜視図である。図において、１０……焦点距離、２０……点焦
点、２２……中心点、４０……第１線状エシエロ
ン面、４２……第２線状エシエロン面、４４，４
６……エシエロン素子、４８，５０……線、５２
……曲率半径、５４，５６，５８……光線、６０
……隅、である。

Claims

【特許請求の範囲】１点焦点集光器にして、該集光器から点焦点ま
での焦点距離を有し、かつほぼ90度の角度で交差
する二つの線状エシエロン面を有する集光器にお
いて、前記二つの線状エシエロン面が前記焦点距
離とほぼ等しい曲率半径を有する、全体が筒形を
呈していることを特徴とする集光器。２特許請求の範囲第１項に記載の集光器におい
て、前記筒形の断面が円形であることを特徴とす
る集光器。３特許請求の範囲第１項に記載の集光器におい
て、前記第１線状エシエロン面および第２線状エ
シエロン面が別個のシートの上に形成され、かつ
相互の方に向いていることを特徴とする集光器。４特許請求の範囲第１項に記載の集光器におい
て、前記第１線状エシエロン面および第２線状エ
シエロン面が単一のシートの反対側に形成されて
いることを特徴とする集光器。５入射光線を点焦点に屈折させる集光器にし
て、その焦点距離が該集光器から前記点焦点まで
の距離であり、かつ第１および第２線状エシエロ
ン面を有し、各線状エシエロン面が複数の線状エ
シエロン素子を備え、かつこれら複数の線状エシ
エロン素子と平行な軸線を有し、前記第１線状エ
シエロン面の軸線が前記第２線状エシエロン面の
軸線に対してほぼ90度の角度をなすように配向さ
れている集光器において、前記第１および第２線
状エシエロン面が前記第１線状エシエロン面の軸
線のまわりにおいて二次元的にのみ湾曲し、か
つ、前記焦点距離とほぼ等しい曲率半径を有して
おり、かつ前記第１および第２線状エシエロン面
の線状エシエロン素子が個々に前記集光器に入射
した概ねすべての前記光線を前記点焦点に屈折さ
せるように配向されている集光器。６特許請求の範囲第５項に記載の集光器におい
て、前記第１線状エシエロン面の前記軸線に対し
て直角に取られた前記第１および第２の線状エシ
エロン面の断面が円形であることを特徴とする集
光器。７特許請求の範囲第５項に記載の集光器におい
て、前記第１線状エシエロン面および第２線状エ
シエロン面が別個のシートの上に形成れ、かつ前
記第１および第２のエシエロン面が相互に向き合
つていることを特徴とする集光器。８特許請求の範囲第５項に記載の集光器におい
て、前記第１線状エシエロン面および第２線状エ
シエロン面が単一のシートの反対側に形成されて
いることを特徴とする集光器。９入射光線を点焦点に屈折させる集光器であつ
て、該集光器から前記点焦点までの距離に等しい
焦点距離を有し、かつ複数の線状エシエロン素子
および該線状エシエロン素子と平行な軸線を有す
る第１線状エシエロン面と、複数の線状エシエロ
ン素子および該線状エシエロン素子と平行な軸線
を有する第２線状エシエロン面とを有し、前記第
１線状エシエロン面の前記軸線が前記第２線状エ
シエロン面の前記軸線に対してほぼ90度の角度を
有するように配向されている集光器において、前
記第１線状エシエロン面および第２線状エシエロ
ン面が前記第１線状エシエロン面の前記軸線のま
わりにおいて二次元的にのみ湾曲し、かつ前記焦
点距離とほぼ等しい曲率半径を有し、前記第１線
状エシエロン面の複数の線状エシエロン素子の
各々は前記点焦点から入射光線と平行に引かれた
線が線状エシエロン面と交わる中心点において前
記第１エシエロン面の前記軸線と直角に交差する
湾曲セグメントに沿つて入射した入射光線のすべ
てを前記点焦点に屈折させるようにそれぞれ配向
されており、前記第２線状エシエロン面の前記複
数の線状エシエロン素子の各々がそれぞれ前記中
心点において前記第２線状エシエロン面の前記軸
線と直角に交わる線に沿つて入射した前記光線の
すべてを前記点焦点に屈折させるように配向され
ており、それによつて前記集光器に入射した前記
入射光線のすべてを前記点焦点の近くに屈折させ
るようになつている集光器。１０特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面の前記軸線と直
角に取られた前記第１線状エシエロン面および第
２線状エシエロン面の断面が円形であることを特
徴とする集光器。１１特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面の前記軸線と直
角に取られた前記第１線状エシエロン面および第
２線状エシエロン面の断面が非球面であることを
特徴とする集光器。１２特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面および第２線状
エシエロン面が別個のシートの上に形成され、か
つ前記第１および第２の線状エシエロン面が相互
に向き合つていることを特徴とする集光器。１３特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面および第２線状
エシエロン面が単一のシートの反対側に形成され
ていることを特徴とする集光器。１４特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面の前記複数の線
状エシエロン素子の各々の配向角度が、前記第２
線状エシエロン面の複数の線状エシエロン素子の
対応するものの配向角度とは無関係であることを
特徴とする集光器。１５特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面の前記複数の線
状エシエロン素子の各々の配向角度が、前記第２
線状エシエロン面の複数の線状エシエロン素子の
配向角度と、前記中心点から前記集光器の縁まで
の距離の一部分にわたつて等しいことを特徴とす
る集光器。１６特許請求の範囲第９項に記載の集光器にお
いて、前記第１線状エシエロン面の複数の線状エ
シエロン素子の各々の配向角度が、前記第２線状
エシエロン面の複数の線状エシエロン素子の対応
するものの配向角度と等しいことを特徴とする集
光器。