2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K04700
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| Research Institution | Tokyo Polytechnic University |
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Principal Investigator |
渋谷 眞人 東京工芸大学, 工学部, 教授 (10339799)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | フレネルレンズ / DOE / 高屈折率法 / 太陽光集光 / 正弦条件 / 両側ブレーズ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球温暖化問題を解決するために、太陽光などの自然エネルギーの利用が強く望まれ、太陽光をファイバーやガラスロッドなどの光伝送路に効率良く導く光学系が要求されている。しかし、従来の集光光学系は必ずしも十分ではなく、従来の設計理論には不備があるという根本的問題に気付いた。従来、高屈折率法から、軸上の物点に対して位相差変化が保存されるように片側ブレーズ型フレネルレンズの具体的形状を決めているが、実際に具体的形状を求めてみると、考慮した物点から外れると収差が再現しない。汎用光学設計ソフトにおいても、高屈折率法で設計されており、その実形状変換の一般的な手法は提供されていない。我々は、正弦条件を満足するように両側ブレーズ形状を決めることで、光軸上物点の収差だけでなく、光軸近傍の物点の収差も十分に再現できることを示した。本研究の目的は、効率的かつ実用的な太陽光集光光学系を、理論的考察および光学設計によって探索するものである。さらに一般的なフレネルレンズ設計法の改良につなげ、光学技術の発展に寄与するものである。
2015年度には、光学設計ソフトウエアのマクロコマンドの改良を行い、両側ブレーズ型フレネルレンズの全体的な設計評価を行った。また、一般的なフレネルレンズの実形状決定法の定式化を行った。さらに反射部材の場合の基本設計を完了した。
2016年度には、両側ブレーズ設計の設計・評価ついて投稿し、学術雑誌「光学」5月号に掲載された。さらにフレネルレンズの一般的な実形状決定法の定式化を行い、それを含めて8月のSPIE年会で報告し評価を得た。両側ブレーズ型、片側ブレーズ型の試作を行った。新たに、面形状を2次曲面で評価する必要性を発見した。ブレーズの影響を検討する中で、「幾何光学的な正弦条件と波動光学的な正弦条件」という、フレネルレンズに限らずに光学系の基本的で重要な性質の本質が明確になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2016年度には、全体的な評価を学術雑誌「光学」5月号に掲載し評価された。また、フレネルレンズの一般的な実形状決定法の定式化を含めて8月のSPIE年会で報告し評価を得た。
さらに両側ブレーズ型、片側ブレーズ型、比較のため平面フレネルレンズの具体的な設計を行い、試作を行った。ただし結像性能の評価は進んでおらず2017年度に行う。
反射型フレネルレンズの設計の吟味を行い、論文作成に着手した。
波動光学と幾何光学の違いを検討する意味を含めて、輪帯数を変えた時の評価を行った。その中で、面形状を2次曲面で評価する必要性を発見し、その具体的な定式化のための基本方程式は導いたが、解の導出はまだできていない。さらに輪帯の細分化を行う中で、改めて幾何光学的な正弦条件（微分形式）と波動光学的な正弦条件（積分形式）の違いが鮮明になった。これは正弦条件の微分形式と積分形式の違いと捉えることができる。レンズ光学の基本であると考えられるが、我々を含め、多くの設計者研究者はこの違いの重要性に十分気づいていないと考える。フレネルレンズを題材にすることでこのような重要な事実を再認識することができたと考える。
以上のように、試作評価は予定から少し遅れているが、外部発表を行い、新たな発見があり、研究はおおむね順調に推移していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 反射型フレネルレンズについて、理論設計の再吟味を行う。さらに太陽光集光光学系に限らない、高屈折率法から実形状を導く、一般的な設計手法を含めて、英語論文投稿をする。(平松、渋谷、田邉）
2. 試作した片側ブレーズ型、両側ブレーズ型、平面ブレーズ型の集光特性評価を行う。社会人から修士に入学してきた笠松秀徳氏を中心に行う。4年生の甲斐優太氏にも参加してもらう。(笠松、甲斐、中楯、渋谷）
3. 面形状を球面ではなく2次曲面にする手法の原理的な考えはできたが、まだ解を求める定式化はできていない。定式化し、それを光学設計ソフトにマクロコマンドとして適用し、シミュレーションによって妥当性を確認する。（笠松、渋谷、平松、田邉、中楯）
4. さらに正弦条件の微分形式と積分形式の物理的意味・光学的意味を明確にする。これを基に、フレネルレンズあるいはDOEの精密光学系への適用限界の定式化を行う。ピックアップレンズの特許データに適用して理論の妥当性を行うことで、理論の妥当性を検証していく。これらは、単にフレネルレンズの問題ではなく、レンズ光学の根本に関わる課題である。（笠松、渋谷、平松、田邉、中楯）
5. 上記2,3,4項をまとめて学会（秋のOPJあるいは来春の応物、論文投稿）で発表していく。（笠松、渋谷、平松、田邉、中楯）
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| Causes of Carryover |
主に、試作品の費用が少なくて済んだこと、試験評価ができなかったことによる。また、海外発表を2名で想定していたが1名で行ったことも影響している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度は、試作品の集光性の評価を行うために費用が掛かると考えている。また、笠松秀徳氏が研究戦力に加わり、光学設計ソフトの本数を増やすための費用としても考えていきたい。さらには、海外発表も可能であれば考えていく。いずれにしても研究成果を上げることと、その発信とをバランスよくし、研究を遂行していきたい。
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