JPH11214165A - 人工太陽光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射される混合光について、放射強度の変化
のみでなく、分光分布特性が変動するように制御するこ
とができる人工太陽光装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の人工太陽光装置は、放電ラン
プ、放電ランプ用分光分布制御手段、および放電ランプ
入力電力制御手段を有してなる第１の光放射器と、白熱
電球、白熱電球用分光分布制御手段、および白熱電球入
力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具えて
なり、第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と
第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に
作動されることにより、自然太陽光において観察される
放射強度および分光分布特性の変化に対応した状態の混
合光が放射される。第１の光放射器の放電ランプは、キ
セノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも
一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハ
ロゲンランプであることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自然太陽光に近似
した特性の光が放射される人工太陽光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】概略の波長特性が自然太陽光に近似した
光を放射する、ランプよりなる人工光源を具えたソーラ
ーシミュレータなどの人工太陽光装置は、例えば太陽電
池の特性試験、植物の育成試験等において必要とされて
おり、更にこのような人工太陽光装置においては、単に
光の放射強度のみでなく、分光分布が適切に制御される
ことが望まれている。しかしながら、単一の種類のラン
プよりなる人工光源では、特性の異なるフィルターなど
を利用しても、自然太陽光に十分に近似した分光分布特
性の光を得ることが実際上不可能であるため、複数種類
のランプを組合せて用いることが提案されている。

【０００３】例えば特開平９−１４７６０２号公報で
は、メタルハライドランプとハロゲンランプとを用い、
メタルハライドランプより放射される光のうち紫外領域
および赤外領域の光をフィルターなどによってカットし
て可視領域の光を取り出すと共に、ハロゲンランプから
は可視領域およびこれより短波長領域の光をフィルター
などによってカットして赤外領域の光を取り出し、これ
ら２つの光を合成して人工太陽光を得ることが提案され
ている。

【０００４】しかしながら、このような人工太陽光装置
においては、可視領域の光源としてメタルハライドラン
プを用いると共に、赤外領域の光源としてハロゲンラン
プを用いるものであって、利用する波長領域毎に専用の
光源ランプを用いる構成であるため、或る時点における
自然太陽光に近似した分光分布特性を有する合成光が得
られるとしても、微妙に変化する自然太陽光に対応して
その分光分布特性が変化する合成光を得ることはできな
い。

【０００５】すなわち、自然太陽光は、１年における季
節、１日における時刻、天候などによってその光の放射
強度が大きく変化するものであるが、単に放射強度が変
化するのみでなく、分光分布特性も微妙に変化するもの
であり、具体的には、その放射波長ピークが波長約５０
０〜８００ｎｍの領域において変動するように変化す
る。然るに、従来の人工太陽光装置では、合成光の放射
強度の変化を再現することは可能であっても、合成され
た光における分光分布を微妙に変化させるような制御を
することができず、結局、自然太陽光の再現性が不十分
である、という問題点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な事情に基づいてなされたものであって、その目的は、
放射される混合光について、放射強度の変化のみでな
く、分光分布特性が変動するように制御することがで
き、従って再現性が非常に高い人工太陽光装置を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の人工太陽光装置
は、放電ランプ、この放電ランプより放射される光の分
光分布を制御する放電ランプ用分光分布制御手段、およ
び当該放電ランプより放射される光の強度を制御するた
めの放電ランプ入力電力制御手段を有してなる第１の光
放射器と、白熱電球、この白熱電球より放射される光の
分光分布を制御する白熱電球用分光分布制御手段、およ
び当該白熱電球より放射される光の強度を制御するため
の白熱電球入力電力制御手段を有してなる第２の光放射
器とを具えてなり、第１の光放射器の放電ランプ入力電
力制御手段と第２の光放射器の白熱電球入力電力制御手
段とが独立に作動されることにより、自然太陽光におい
て観察される放射強度および分光分布特性の変化に対応
した状態の混合光が放射されることを特徴とする。

【０００８】以上において、第１の光放射器の放電ラン
プ用分光分布制御手段は、紫外領域および赤外領域の光
を減衰若しくはカットして主として可視領域の光を取り
出す光学装置とされ、第２の光放射器の白熱電球用分光
分布制御手段は、赤外領域の光を減衰させてこの減衰し
た赤外領域の光および可視領域の光を取り出す光学装置
とされる。

【０００９】また、第１の光放射器の放電ランプは、キ
セノンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも
一方または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハ
ロゲンランプであることが好ましい。更に、第１の光放
射器における放電ランプ用分光分布制御手段に係る光学
装置が、当該放電ランプの前方に配置された、当該放電
ランプより放射される光の輝線をカットするフィルター
であり、第２の光放射器の白熱電球が波長８８０ｎｍ付
近に放射強度のピークを有するものであって、かつ、そ
の白熱電球用分光分布制御手段が、当該白熱電球の前方
に配置された、当該白熱電球より放射される光の放射強
度のピークより長波長領域の光を減衰させる反射鏡また
は吸収フィルターであることが好ましい。

【００１０】本発明の人工太陽光装置は、放電ランプを
光源ランプとする第１の光放射器および白熱電球を光源
ランプとする第２の光放射器を同時に動作させると、第
１の光放射器からは、投入された入力電力に応じた放射
強度で放電ランプより光が放射され、この光が分光分布
制御手段によって分光分布制御されたうえで被照射面に
向かって放射されると共に、第２の光放射器からは、投
入された入力電力に応じた放射強度で白熱電球より光が
放射され、この光が分光分布制御手段によって分光分布
制御されたうえで被照射面に向かって投射されるので、
第１の光放射器および第２の光放射器の分光分布制御手
段として適宜の特性を有するものを用いることにより、
基本的に、自然太陽光と同様の分光分布特性を有する混
合光を被照射面に放射することができる。

【００１１】しかも、第１の光放射器の放電ランプおよ
び第２の光放射器の白熱電球の点灯状態が、それぞれに
専用の互いに独立した入力電力制御手段によって制御さ
れるところ、放電ランプより放射される光は入力電力が
変化してもその分光分布には特に大きな変動がないが、
白熱電球より放射される光は、入力電力が変化するとそ
の分光分布が変動するので、この現象を利用して、白熱
電球における入力電力を制御することにより、分光分布
特性が微妙に変動した、異なる光質の混合光を放射する
ことができ、その結果、種々の季節、時刻および天候な
どによって微妙に変化する分光分布特性を有する自然太
陽光に近似した状態の混合光を放射させることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の人工太陽光装置に
ついて詳細に説明する。本発明の人工太陽光装置は、キ
セノンランプを光源ランプとする第１の光放射器の複数
と、ハロゲンランプを光源ランプとする第２の光放射器
の複数とが全体的に均一な分布となる状態で配置されて
構成される。図１は、本発明の一実施例に係る人工太陽
光装置１０の主要部の構成を、光軸を左右方向として示
す説明用正面図、図２は、図１の人工太陽光装置１０の
主要部を正面から見た説明図である。

【００１３】図２に示すように、この例の人工太陽光装
置１０においては、ハロゲンランプによる第２の光放射
器（円形の太線で示されている。）Ｈの９つが、それぞ
れ、３行３列の格子点上に配置されると共に、キセノン
ランプによる第１の光放射器（円形の二重線で示されて
いる。）Ｘの４つが、互いに隣接する４つの第２の光放
射器Ｈが位置する格子点の中央点に位置するよう、すな
わち当該４つの第２の光放射器Ｈに囲まれた状態で配置
されている。

【００１４】図において、第１の光放射器Ｘおよび第２
の光放射器Ｈの記号ＸおよびＨに続く２つのアルファベ
ットの第１字のＬは、図２において左側、Ｃは同中央、
Ｒは同右側を示し、第２字のＵは、図２において上段、
Ｍは同中段、Ｄは同下段を示す。例えば、ＸＬＵは図２
で左側で上段の第１の光放射器を示し、ＨＣＭは中央列
で中央段の、全体の中心位置にある第２の光放射器を示
す。従って、図１は、図２の右上がり対角線に沿った配
列を示すものである。

【００１５】ここに、第１の光放射器Ｘの光源ランプで
あるキセノンランプとしては、例えば直流点灯型「ＵＸ
Ｌ−２５Ｓ」（ウシオ電機社製、定格ランプ電圧２８
Ｖ、定格ランプ電流９０Ａ、定格入力電力２．５ｋＷ、
色温度６０００Ｋ）を好ましく用いることができ、第１
の光放射器Ｘの光源ランプであるハロゲンランプとして
は、例えば「ＪＣＤＺ−１００−１０００Ｃ」（ウシオ
電機社製、定格ランプ電圧１００Ｖ、定格入力電力１０
００Ｗ、色温度３２００Ｋ）を好ましく用いることがで
きる。ただし、第１の光放射器Ｘの光源ランプとして
は、他の放電ランプやメタルハライドランプを用いるこ
ともできる。

【００１６】第１の光放射器Ｘと、第２の光放射器Ｈと
は、互いの大きさは異なるが、同様の基本的構成を有す
る。図３は、このような光放射器Ｘ（Ｈ）の基本的な構
成を模式的に示す説明用断面図である。この光放射器
は、前方に光投射窓２０Ａを有するランプハウス２０内
に楕円ミラー２１が配置され、この楕円ミラー２１内に
ハロゲンランプまたはキセノンランプからなる光源ラン
プ２２が配置され、その発光点が楕円ミラー２１の第１
焦点位置に位置した状態とされる。また、ランプハウス
２０の光投射窓には拡散フィルター２４が配置されると
共に、この拡散フィルター２４と光源ランプ２２との間
に吸収フィルター２６が配置されている。Ｐは光軸であ
る。

【００１７】従って、当該光源ランプ２２よりの光は、
楕円ミラー２１により第２焦点位置Ｆで集光するよう反
射され、吸収フィルター２６により、その吸収特性に応
じた波長域の光がカットされあるいは減衰され、更に拡
散フィルター２４によって強度分布が調整された状態
で、光軸Ｐに沿って放射される。

【００１８】以上のような構成の第１の光放射器Ｘおよ
び第２の光放射器Ｈは、図１に示すように、その各々の
光軸Ｐが被照射面Ｓ上の特定の目標点Ｏで一致するよう
にその光放射方向が規制されて配設されており、これに
より、当該目標点Ｏを中心とする特定の光照射領域は、
すべての第１の光放射器Ｘおよび第２の光放射器Ｈより
放射される光の混合光によって照明される状態とされて
いる。

【００１９】以上の第１の光放射器Ｘの各々において、
その吸収フィルターは、紫外領域および赤外領域の光を
減衰若しくはカットして主として可視領域の光を透過す
ると共に、キセノンランプより放射される光における波
長１０００ｎｍ付近の輝線をカットする特性を有するも
のとされる。

【００２０】図４は、そのような吸収フィルターの一例
における分光透過特性を示す曲線図の一部である。この
図から、このような吸収フィルターによれば、波長約４
１０ｎｍ以下の紫外領域の光がカットされ、可視領域の
光は高い効率で透過されることが理解される。図５は、
この吸収フィルターおよび拡散フィルターを介して放射
されたキセノンランプの分光分布特性を示す曲線図であ
る。この吸収フィルターによれば、紫外領域の光がカッ
トされ、波長６００ｎｍ以上の可視から赤外領域の光の
一部が減衰されると共に一部がカットされ、波長１００
０ｎｍ付近の輝線がカットされている。

【００２１】また、第２の光放射器Ｈを構成するハロゲ
ンランプは、通常、波長８８０ｎｍ付近に放射強度のピ
ークを有するものが好適である。そして、当該第２の光
放射器Ｈの各々における吸収フィルターは、赤外領域の
光を減衰させてこの減衰した赤外領域の光および可視領
域の光を透過する特性を有するもの、具体的には波長８
８０ｎｍより長波長領域の光を減衰させる特性を有する
ものとされる。

【００２２】図６は、そのようなフィルターの一例にお
ける透過特性を示す曲線図である。この図から、このよ
うなフィルターによれば、波長約８８０ｎｍ以上の赤外
領域の光が減衰され、可視領域の光は高い効率で透過さ
れることが理解される。図７は、このフィルターおよび
拡散フィルターを介して放射されたハロゲンランプの分
光分布特性を示す曲線図である。このフィルターによれ
ば、主として波長８８０ｎｍ以上の赤外領域の光が図６
に示すようなフィルターの透過特性に基づいて照射され
る。

【００２３】そして、第１の光放射器Ｘおよび第２の光
放射器Ｈには、そのいずれにも、放射される光の強度を
制御するための入力電力制御手段が設けられるが、この
入力電力制御手段は、第１の光放射器Ｘおよび第２の光
放射器Ｈに対して互いに独立したものとされる。すなわ
ち、第１の光放射器Ｘにおいては、第２の光放射器Ｈの
入力電力制御手段とは無関係に、その光源ランプである
キセノンランプの入力電力を制御し得るものとされると
共に、第２の光放射器Ｈにおいては、第１の光放射器Ｘ
の入力電力制御手段とは無関係に、その光源ランプであ
るハロゲンランプの入力電力を制御し得るものとされ
る。

【００２４】ここに、複数の第１の光放射器Ｘは、その
各々が個別の条件で制御され得ることが好ましく、また
複数の第２の光放射器Ｈも、その各々が個別の条件で制
御され得ることが好ましい。また、本発明において、入
力電力制御手段は、特に予め設定されたプログラムに従
って光源ランプに対する入力電力を調整することのでき
る従来公知の点灯装置を好適に用いることができる。

【００２５】図８は、上記のキセノンランプを、その入
力電力を調整して点灯させたときの分光スペクトルの変
化を示す特性曲線図である。この図から明らかなよう
に、キセノンランプなどの放電ランプは、その入力電力
を増減した場合であっても、その分光分布特性は基本的
に変化せず、単に放射強度が変化するのみである。

【００２６】一方、図９は、上記のハロゲンランプを、
その入力電力を調整して点灯させたときの分光スペクト
ルの変化を示す特性曲線図である。この図から明らかな
ように、ハロゲンランプなどの白熱電球は、その入力電
力を増減した場合には、単にその放射強度が上下するの
みでなく、分光分布特性が変化する特性を有する。具体
的には、入力電力を増大すると、放射強度が高くなると
共に分光分布曲線の放射波長ピークが短波長領域に移行
する特性を有する。

【００２７】而して、本発明においては、キセノンラン
プを光源ランプとする第１の光放射器Ｘと、ハロゲンラ
ンプを光源ランプとする第２の光放射器Ｈとを同時に動
作させることにより、両者からの光の混合光が被照射面
Ｓに投射されるが、第１の光放射器Ｘと第２の光放射器
Ｈは、いずれも専用の分光分布制御手段である吸収フィ
ルターが設けられているので、当該混合光を基本的に自
然太陽光に近似したものとすることができる。

【００２８】そして、第１の光放射器Ｘのキセノンラン
プより放射される光と、第２の光放射器Ｈのハロゲンラ
ンプより放射される光の両者は、互いに独立の入力電力
制御手段によって放射強度が制御されるところ、キセノ
ンランプの放射強度は、その入力電力によって分光分布
特性が基本的に変化せず、一方、ハロゲンランプの放射
強度は、その入力電力によって分光分布特性が特定の傾
向で変化するものであるため、各ランプの入力電力をそ
れぞれ適当に調整することにより、両光放射器による混
合光の放射強度をきわめて容易に所望の大きさに制御し
ながら、その分光分布特性を微妙に変化させることがで
きる。

【００２９】具体的には、キセノンランプの入力電力お
よびハロゲンランプの入力電力を共に増加させると、混
合光は、放射強度が大きくなると共に放射波長ピークが
短波長領域に移行したものとなり、キセノンランプの入
力電力およびハロゲンランプの入力電力を共に低下させ
ると、放射強度が小さくなると共に放射波長ピークが長
波長領域に移行する。そして、ハロゲンランプの入力電
力を調整して所望の分光分布特性を得ながら、キセノン
ランプの入力電力を調整して、混合光全体の放射強度を
所望の状態とすればよい。このようにして、自然太陽光
と同様の変化を含んだ混合光を実現することができる。

【００３０】その結果、季節、時刻、天候などの条件に
よってその分光分布特性が微妙に変化する自然太陽光に
応じて、同様に変化した分光分布特性を有する混合光に
より被照射面を照射することができるので、きわめて高
い再現性が達成される。

【００３１】例えば、曇天時の自然太陽光は、晴天時の
自然太陽光に比して、放射強度が通常１／１０乃至１／
１００程度に低いが、それのみでなく、分光分布特性は
放射波長ピークが短波長領域に移行している。従って、
この場合には、第１の光放射器Ｘに係るキセノンランプ
への入力電力を大幅に低下させると共に、第２の光放射
器Ｈに係るハロゲンランプへの入力電力を大きくするこ
とにより、混合光全体として放射強度が低下されて放射
波長ピークが短波長領域に移行した状態とすることがで
き、これにより、晴天時の自然太陽光の状態から、曇天
時の自然太陽光の状態を再現することができる。また、
１日の自然太陽光の分光分布特性は、経時的に放射強度
が上昇した上で低下すると共に、放射波長ピークが短波
長領域に移行するが、この場合にも、キセノンランプお
よびハロゲンランプの入力電力を独立に制御することに
より、そのような変化を含む自然太陽光に近似した混合
光を放射することができる。

【００３２】図１０は、上記の構成を有する人工太陽光
装置において、第１の光放射器Ｘのキセノンランプ４灯
すべての入力電力を定格の１００％とすると共に、第２
の光放射器Ｈのハロゲンランプ９灯のうち、８灯の入力
電力を定格の１００％、他の１灯の入力電力を定格の９
５％としたときの分光分布特性を示す曲線図であり、こ
の分光分布特性は、夏晴れの正午における自然太陽光を
再現するものである。また、図１１は、第１の光放射器
Ｘのキセノンランプ４灯のうち、１灯の入力電力を定格
の７０％、他の３灯の入力電力を定格の０％とすると共
に、第２の光放射器Ｈのハロゲンランプ９灯のうち、１
灯の入力電力を定格の４３％、他の８灯の入力電力を定
格の０％としたときの分光分布特性を示す曲線図であ
り、この分光分布特性は、曇りの天候における自然太陽
光を再現するものである。

【００３３】実際の装置において、各光源ランプの入力
電力の制御は、自然太陽光の実際の変化に対応して、第
１の光放射器Ｘの光源ランプおよび第２の光放射器Ｈの
光源ランプの入力電力を調整する操作を行い、そのデー
タに基づいて得られるプログラムに従って第１の光放射
器Ｘおよび第２の光放射器Ｈの各々の光源ランプの入力
電力を自動的に制御することが好ましい。

【００３４】以上、本発明の好適な具体例について説明
したが、本発明においては、種々の変更を加えることが
できる。例えば、キセノンランプの代わりにメタルハラ
イドランプなどの他の放電ランプを用いることができ、
この場合には、その放射光に応じた分光分布制御手段が
用いられる。分光分布制御手段としては、吸収フィルタ
ーのみならず、その反射特性に波長依存性を有するミラ
ーを用いることも可能であり、複数の吸収フィルター、
複数の波長依存性ミラー、吸収フィルターと波長依存性
ミラーとの組合せとすることもできる。第１の光放射器
および第２の光放射器の数および配列は、具体的に種々
の態様とすることができるが、均一な混合光が得られる
ことが好ましい。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、放射さ
れる混合光について、放射強度の変化のみでなく、分光
分布特性が変動するように制御することができ、従って
再現性が非常に高い人工太陽光装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例に係る人工太陽光装置の主要部の
構成を、光軸を左右方向として示す説明用正面図であ
る。

【図２】図１に示す人工太陽光装置の主要部を正面から
見た説明図である。

【図３】第１の光放射器または第２の光放射器の基本的
な構成を模式的に示す説明用断面図である。

【図４】第１の光放射器に用いられる吸収フィルターの
一例における透過特性を示す曲線図である。

【図５】図４の吸収フィルターおよび拡散フィルターを
介して放射されたキセノンランプの分光分布特性を示す
曲線図である。

【図６】第１の光放射器に用いられるフィルターの一例
における透過特性を示す曲線図である。

【図７】図６の吸収フィルターおよび拡散フィルターを
介して放射されたハロゲンランプの分光分布特性を示す
曲線図である。

【図８】キセノンランプを、その入力電力を調整して点
灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図
である。

【図９】ハロゲンランプを、その入力電力を調整して点
灯させたときの分光スペクトルの変化を示す特性曲線図
である。

【図１０】本発明の人工太陽光装置により、異なった季
節における自然太陽光を再現した場合の分光分布特性を
示す特性曲線図である。

【図１１】本発明の人工太陽光装置により、他の状態に
おける自然太陽光を再現した場合の分光分布特性を示す
特性曲線図である。

【符号の説明】 １０ 人工太陽光装置 Ｈ 第２の光放射器 Ｘ 第１の光放射器 ２０ ランプハウス ２０Ａ 光投射窓 ２１ 楕円ミラー ２２ 光源ランプ ２４ 拡散フィルター ２６ 吸収フィルター Ｐ 光軸 Ｆ 第２焦点 Ｓ 被照射面 Ｏ 目標点

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電ランプ、この放電ランプより放射さ
   れる光の分光分布を制御する放電ランプ用分光分布制御
   手段、および当該放電ランプより放射される光の強度を
   制御するための放電ランプ入力電力制御手段を有してな
   る第１の光放射器と、 白熱電球、この白熱電球より放射される光の分光分布を
   制御する白熱電球用分光分布制御手段、および当該白熱
   電球より放射される光の強度を制御するための白熱電球
   入力電力制御手段を有してなる第２の光放射器とを具え
   てなり、 第１の光放射器の放電ランプ入力電力制御手段と第２の
   光放射器の白熱電球入力電力制御手段とが独立に作動さ
   れることにより、自然太陽光において観察される放射強
   度および分光分布特性の変化に対応した状態の混合光が
   放射されることを特徴とする人工太陽光装置。
2. 【請求項２】 第１の光放射器の放電ランプ用分光分布
   制御手段は、紫外領域および赤外領域の光を減衰若しく
   はカットして主として可視領域の光を取り出す光学装置
   であり、第２の光放射器の白熱電球用分光分布制御手段
   は、赤外領域の光を減衰させてこの減衰した赤外領域の
   光および可視領域の光を取り出す光学装置である請求項
   １に記載の人工太陽光装置。
3. 【請求項３】 第１の光放射器の放電ランプは、キセノ
   ンランプおよびメタルハライドランプの少なくとも一方
   または両方であり、第２の光放射器の白熱電球がハロゲ
   ンランプであることを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載の人工太陽光装置。
4. 【請求項４】 第１の光放射器における放電ランプ用分
   光分布制御手段に係る光学装置が、当該放電ランプの前
   方に配置された、当該放電ランプより放射される光の輝
   線をカットするフィルターであり、 第２の光放射器の白熱電球が波長８８０ｎｍ付近に放射
   強度のピークを有するものであって、かつ、その白熱電
   球用分光分布制御手段が、当該白熱電球の前方に配置さ
   れた、当該白熱電球より放射される光の放射強度のピー
   クより長波長領域の光を減衰させる反射鏡または吸収フ
   ィルターであることを特徴とする請求項２または請求項
   ３に記載の人工太陽光装置。