| 研究課題/領域番号 |
15K04700
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| 研究機関 | 東京工芸大学 |
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研究代表者 |
渋谷 眞人 東京工芸大学, 工学部, 教授 (10339799)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | フレネルレンズ / 高屈折率法 / 正弦条件 / DOE / 太陽光 |
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| 研究実績の概要 |
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ている。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。しかしながら、従来の集光光学系は必ずしも十分なものではなく、設計理論には不備があった。我々はこの根本的な問題点を見出すとともに、太陽光が軸からずれた時にもより効率良く集光できるように、幾何光学の重要な法則である正弦条件を満足する“特殊なブレーズ形状を持つ太陽光集光フレネルレンズ”の基本解を理論的に見出し、光線追跡によってその正しさを確認している。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。
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。しかしながら、この方法で実際に具体的形状を求めてみると、考慮した物点以外では、高屈折率法で得られた収差が再現しない。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。特許データも高屈折率法で記述されている。我々は、レンズ設計における基本的条件である正弦条件を満足するように両側ブレーズ形状を決めた。この結果、実形状において、光軸上物点だけでなく光軸近傍の物点の収差も十分に再現されている。
さらに精密な設計評価を行うため、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設計評価を行った。その結果を学術論文誌光学に投稿し受理された。公開は2016年5月の予定である。また、太陽光集光に限らない一般的なフレネルレンズ実形状設計法の定式化も行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
基本的な考え方が正しいかを多重輪帯モデルをきちんと構築して確認した。数学的議論の吟味も行い、全体成果を学術雑誌「光学」に投稿し受理された。5月に公開されることになっている。論文投稿の段階では、太陽光フレネルレンズに特化して、高屈折率法からフレネル形状を決定する方法までが完成していたが、投稿後には、より一般的にフレネルレンズ形状を決定する手法を理論的に導出し、また理論的整合性を確認した。さらに、論文投稿の段階では幾何光学的な評価だけであったが、波動光学的な評価も行っている。このように基本的な評価の吟味は十分に達成できたと考える。
実際に制作することを計画しているが、製造メーカーに打診を行い、概ね計画通りに制作できることを確認し、次年度の制作につなげられると考えている。
さらに進んだ設計上の検討を行っている。理論的に解決したいいくつかの課題があり、上手く着手できていない物もあるが、成果の出ているものもある。一つには反射型のフレネルレンズについて理論的な検討を行い、妥当性を光学設計シミュレーションで確認を行った。像面湾曲も治るという面白い成果も見られ、新たな理論的課題が出てきた。
このように成果は出ており、概ね順調に推移している。
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| 今後の研究の推進方策 |
（１）太陽光集光フレネルレンズに限らない、高屈折率法からフレネル形状を決定する一般的数学手法をほぼ完成した。さらに綿密に検討し、これをベースにすることで、今までの成果をより一般化されたものとして海外の学会で発表を行う（SPIE)。さらに吟味をし、英文雑誌への投稿を行う。また、ブレーズの非球面最適化など、他の課題も含め数学的な検討を深めるために、社会人博士課程の田邉貴大氏に参加してもらう。（平松、渋谷、田邉）
（２）波動光学的な評価を行い、できれば上記SPIEあるいは論文の中で発表する。（平松、渋谷、田邉）
（３）反射形フレネルレンズの理論と設計について、十分に吟味を行い、少なくとも公表できるレベルにまとめ、機会があれば発表する。（平松、渋谷、田邉）
（４）従来の片側ブレーズ太陽光集光フレネルレンズと両側ブレーズの2通りを制作し、実際の集光状況を見てみる。コリメーター光学系が無くても、太陽光を直接あてることで評価できると考えている。純粋な結像光学系であれば、光学シミュレーションで十分な評価を得られるが、照明光学系はシミュレーションで予測できないことがしばしば生じる。さらに今回はフレネルレンズのため、ブレーズの段差による散乱や回折も予想され、実際の評価を行う意味が大いにある。また、ブレーズの状況を比較できるような異なる形状のフレネルレンズの制作も、時間的経済的に余裕があれば行っていく。（平松、渋谷、中楯）
（５）理論的課題に取り組んでいく。①高屈折率法からフレネルレンズ形状を決定する一般化した手法の妥当性を、太陽光フレネルレンズ以外のレンズに適用して確認する。（平松、渋谷、田邉）②ブレーズ面を球面ではなく最適な非球面にする手法の確立のための基本アイデアを確立する。（渋谷、平松、田邉）③色収差を補正するための形状決定手法の確立のための基礎的なレンズ設計を行う。（渋谷、平松、田邉）
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| 次年度使用額が生じた理由 |
光学設計ソフトが平成28年4月から高騰するという情報があったため、節約をした。
論文作成に注力し学会発表をしなかったために費用が余った。
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| 次年度使用額の使用計画 |
大きな変更はしなくて済むと思う。平成28年度に8月に2名で海外発表を考えており、この費用を想定している。また、光学設計ソフトが平成28年4月から高騰し、研究戦力として田邉貴大氏を新たなメンバーに加えたことで本数も多く必要となった。このための費用にあてがう事も想定している。全体予算として試作品の費用は多少抑えていく必要があるが、そのあたりのメドはいくつかのメーカーにすでにあたっており、可能と考えている。いずれにしても、実質研究と成果発信の双方をバランスよく出来るように、予算の組み方も随時考えていく。
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